秸稈資源利用及秸稈還田生態環境效益的研究進展

王伊琨 于躍躍 賈小紅

摘 ?要：秸稈還田是我國一項重要的糧田有機培肥措施，可以增加作物產量、提高土壤有機質含量，具有較好的經濟效益和社會效益。該文介紹了秸稈還田技術的應用現狀，分析了當前秸稈還田對生態環境效益的影響，以及秸稈還田中存在的問題，為推動秸稈還田技術應用，促進農業可持續發展提供參考。

關鍵詞：秸稈還田;生態效益;溫室氣體排放;土壤固碳

中圖分類號 S141 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2019）10-0111-04

Abstract： Straw retuning，as a key practice of organic agriculture in China，was critical for increasing crop yield and maintaining soil organic matter，has obvious economic benefits and society benefits.Therefore， this article discussed the present achievements，summarizes the ecological effects，analyzed the problems of straw returning.Further theoretical guide for promoting the technology of straw returning， improving soil fertility and reducing greenhouse gas emission are to be provided.

Key words： Straw retuning;Ecological effects;Greenhouse gas emission;Soil carbon sequestration

近年來，由于人類活動引起的大氣中溫室氣體濃度增加的問題日益突出，全球氣候變暖問題已成為當今世界各國需要共同面對的重大挑戰[1-2]。表1為當今主要溫室氣體在農業生態系統中的排放情況[3]。

農作物秸稈是糧食、油料、棉花纖維以及蔬菜等作物的副產品，其量大、分布廣、種類豐富[4-5]。秸稈中含有大量的氮、磷、鉀、中微量元素以及有機質等，是重要的有機肥資源[5-6]。將秸稈進行還田處理，通過在土壤微生物作用下發生腐解，向土壤釋放有機質和礦物質，可以增加土壤養分，提高土壤質量，改善土壤水、肥、氣、熱，增加作物產量，尤其是對于焚燒秸稈造成的環境污染問題有著非常重要的作用[7-8]。

然而，秸稈作為數量巨大的可再生資源，因收集困難、經濟利用價值偏低等原因，并未得到充分合理的利用[9-10]。秸稈的廢棄或焚燒，不僅會造成有機質及養分資源的巨大浪費，而且會造成嚴重的環境污染問題，這些都會危及農產品的質量安全和人類的身體健康[11-12]。本文旨在探討農作物秸稈資源的不同利用方式，以及將秸稈進行還田后其所能產生的生態環境效益，主要包括土壤環境和大氣環境2個方面，為推動秸稈資源進行還田以改善農業土地利用管理、落實化肥零增長行動、增強農業固碳減排潛力提供參考。

1 秸稈資源利用現狀

1.1 秸稈資源 據聯合國糧農組織發布的主要農作物收獲指數及年度農業生產統計資料顯示，2012年全球秸稈總產量為50.81億t，其中：中國秸稈總產量9.40億t，居世界秸稈產量第1，占全球秸稈總量的18.50%;秸稈產量高于0.50億t的美國、印度、巴西等15個國家，合計總量為28.75億t，占全球秸稈總量的56.58%;秸稈產量低于0.50億t的其他各國，合計總量為12.66億t，占全球秸稈總量的24.92%[13]。劉曉永等研究認為，1980s、1990s、2000s、2010s我國秸稈資源總量分別為4.85×108、6.55×108、7.36×108、9.01×108t，30多年來秸稈資源總量增長85.77%[14]。畢于運等[15]、曹國良等、王亞靜等[17]研究認為，中國主要農作物秸稈資源總量估算分別為8.4億t、6億t、6.86億t。可見，我國的秸稈資源是非常豐富的。

1.2 秸稈資源化利用情況

1.2.1 國外 國外對秸稈的處理利用已有多年經驗，技術成熟，具有配套的機械設備以及相應的管理體系[18]。目前對秸稈的利用方式主要有以下幾種：（1）用于還田，培肥地力。美國把秸稈還田作為一項關鍵培肥技術，堅持常年實施秸稈還田，除玉米、小麥等作物秸稈大量還田外，大豆、番茄等作物秸稈也盡量還田[19]。美國每年能生產作物秸稈4.5億t，其中秸稈還田量占秸稈總量的68%，對保持土壤肥力具有十分重要的作用[20]。英國的洛桑試驗站通過每年對土地翻壓玉米秸稈7～8t/hm2，經過18年后，土壤有機質含量提高了2.2%～2.4%[21]。（2）用于發電。丹麥是世界上首先使用秸稈發電的國家，著名的阿維多發電廠建于20世紀90年代，被譽為全球效率最高、最環保的熱電聯供電廠之一[22]。瑞典對使用秸稈進行發電的電價費用進行了補貼[23]。德國環境部于2001年制定了《生物質發電條例》，并于2005年對該例進行了修改[24]。（3）用于飼料。日本的稻草2/3以上用于直接還田，1/5左右用作牛飼料或養殖場的墊圈料[25]。目前，韓國的稻麥秸稈已實現了全量化利用，20%用于還田，80%用作飼料[26]。除上述幾種主要利用方式之外，還有一些在新型能源利用方面，如秸稈沼氣、致密成型燃料、纖維素乙醇等[27]。

1.2.2 國內 前些年，我國的秸稈資源浪費嚴重，或就地焚燒，或棄置一旁，僅少部分用于造肥還田、畜牧飼料和農村生活能源等方面。韓魯佳等研究了1999年中國農作物秸稈的各種用途所占比例，造紙原料占2.9%，牲畜飼料占30.9%，農村生活能源占45%，秸桿還田及其他損失占21.2%[28]。高利偉等[29]研究認為，2006年作物秸稈還田、秸稈飼用、秸稈燃燒以及其他去向所占秸稈總量的比例分別為24.3%、29.9%、35.3%和10.5%;2010年，秸稈使用去向，作為飼料使用占31.9%，作為肥料使用占15.6%，作為種植食用菌基料占2.6%，作為人造板、造紙等工業原料占2.6%，作為燃料使用占17.8%;2015年，秸稈作為肥料利用占43.2%，作為飼料利用占18.8%，作為基料利用占4.0%，作為燃料利用占11.4%，作為原料利用占2.7%?？梢?，中國農作物秸稈養分資源綜合利用存在較大空間，還田作為秸稈資源利用的其中一種方式，是實現化肥施用零增長行動和維持糧食安全的重要措施。

2 秸稈還田對生態環境的影響分析

秸稈還田處理對農田生態效益的影響，主要包括土壤環境和大氣環境2個方面：

2.1 秸稈還田對土壤環境的影響

2.1.1 物理性狀 秸稈還田對土壤物理性狀具有明顯改善作用。通過秸稈還田處理，可以增加土壤孔隙度，減少土壤容重，增強土壤保水保墑性能[30]。秸稈還田后，0～10m土層的土壤總孔隙度增加10.99%～16.37%，20～30cm土層的土壤總孔隙度增加8.97%～34.16%[31]。秸稈深施還田可明顯提高土壤溫度，且距離秸稈埋施點越近，土壤溫度越高[32]?？椎聞偟萚33]，張帥等[34]研究認為，秸稈腐熟后可持續向玉米根區供水，越接近秸稈深施處，土壤含水量越大。趙偉等研究認為，將秸稈直接還田，土壤容重降低0.09～0.19g/cm3[35]。王喜艷等研究認為，秸稈還田深施處理，20～40cm土層容重降幅比0～20cm土層大，深施有利于改善深層土壤的通透性[36]。張久明等研究認為，將秸稈還田處理，土壤緊實度下降了32%～46%[37]。

2.1.2 化學性狀 施用秸稈有利于提高土壤肥力，增加土壤固碳量[38]。鄭洪兵等研究認為，土壤養分全量及速效養分含量均隨著秸稈還田量的增加而呈現上升的趨勢[39]。謝佳貴等研究認為，對于土壤鉀素，需要秸稈還田結合施鉀肥才能保持動態平衡[40]。王開峰等研究認為，施用秸稈等有機物料使稻田土壤有機質增加50%～120%[41]。朱捍華等研究認為，秸稈還田與施用化肥相比，丘陵紅壤有機質含量增加5.8%～28.9%，土壤物理性質也得到了明顯改善[42]。

2.1.3 微生物狀況 秸稈還田能夠明顯增加土壤微生物的數量，促進微生物C和N的轉換[43]。趙秀蘭等研究認為，秸稈還田后明顯增加了土壤微生物的總量，且隨著秸稈還田數量越多，時間越長，增加量則越多[44]。劉佳斌等[45]研究認為，秸稈腐熟后施入比秸稈直接還田更有利于微生物數量的增加，細菌增幅最大，細菌表現為優勢菌，放線菌居中，真菌最少;秸稈還田后土壤脲酶和過氧化氫酶活性提高，對脲酶的影響大于過氧化氫酶。崔俊濤等研究認為，玉米秸稈對土壤真菌數量的影響大于對細菌數量的影響，細菌與真菌數量比（B/F）由1.42降低到1.25[46]。

2.2 秸稈還田對大氣環境的影響 秸稈還田對大氣環境的影響，主要是對農田CO2、N2O和CH4等主要溫室氣體排放產生影響[47]。

2.2.1 CO2 楊晶秋等研究認為，玉米秸稈后，第1年分解率為67.6%，第2年為12.8%，第3年為6.2%，以后還將不斷分解[48]。秸稈經過多年分解以后，真正殘留在土壤中的碳含量很少，大部分都在分解過程中轉化成CO2等，向大氣中散逸。但是不能因此就認為秸稈還田比未還田更增加了CO2的排放，因為將秸稈進行還田與其他處理方式相比，畢竟固定了一部分有機碳，相應地減少了CO2的排放，這一結論已有大量研究認證，普遍為國內外的專家學者所認可[49、50]。

2.2.2 N2O 黃耀等研究顯示，施用秸稈堆肥有利于減少稻麥輪作農田的N2O排放量[51]。李成芳等研究表明，秸稈還田能顯著提高土壤N2O排放量，且土壤N2O的排放量隨秸稈施用量的增加而增加[52]。蔣靜艷等研究顯示，稻田在連續淹水條件下，N2O排放與小麥秸稈施用量成反比[53]。盡管各研究的結果有著很大差異，影響N2O的作用機理卻是一致的。土壤中N2O的產生主要是在微生物的參與下，通過硝化和反硝化作用完成的，受到土壤碳氮比、土壤類型、秸稈還田量、秸稈還田方式，以及秸稈還田后的水肥管理方式等多因素的影響，N2O的排放規律還有待于進一步研究[54]。

2.2.3 CH4 土壤中CH4產生受甲烷菌活動影響，秸稈還田對農田土壤CH4排放的影響研究多集中于稻田，主要表現為增加CH4排放[55]。馬靜等研究認為，麥稈直接還田增加了稻田CH4的排放量[56]。逯非等研究認為，中國稻田甲烷排放量，不進行秸稈還田為5.796Tg/a，而進行秸稈還田后則增加到9.117Tg/a[57]。閆翠萍等研究表明（表2），在小麥-玉米輪作模式下，秸稈還田處理有利于農田生態系統的碳匯吸收[58]。

3 存在的問題

3.1 機械綜合利用技術不完善 秸稈還田技術需要多道工序和配套的機械進行作業，但是目前推廣的秸稈還田機械只是把農作物秸稈粉碎后翻埋到土壤中去，而收獲秸稈的機械存在作業質量差、收獲后作物留茬過高等多個問題，目前綜合利用技術還不夠完善，影響了秸稈的獲取以及后續的還田操作。

3.2 政策法律不完備 目前，對秸稈還田技術的優惠政策和扶持力度不足，農民在短時間內看不到經濟效益，而對社會效益和生態效益的重視程度又相對滯后，使群眾對秸稈還田技術接受度不高。雖然國家及地方發布了相關法律條文對焚燒秸稈行為規定了處罰措施，但是從實踐來看，除了“堵”，還應該拓寬“疏”，積極推廣有利于技術落地的政策。

3.3 管理體系不順暢 全國還沒有形成自上而下有效協調統一的監管理體系。從目前看，各地秸稈禁燒和綜合利用工作重視程度不同，有的地方政府成立了專門工作機構，有的則沒有，造成了上下管理關系的不協調，影響了整體工作的推進。

4 幾點建議

（1）農作物秸稈收儲運體系是秸稈利用的基礎，包括打捆機、打包機及粉碎機等，涵蓋了收獲、裝載、運輸、存儲及銷售等各個環節。由于秸稈存在體積大、密度低、含塵多、可收集時間短、田塊零碎難以統一收集等問題，要盡快研發更方便快捷的農機具。

（2）政策上要加強支持力度，把機械購置投入納入財政預算，保障農機補貼資金，建立長效發展機制。

（3）秸稈還田涉及的問題很多，我國各地資源、環境和經濟條件不相同，因此，今后需要結合各地區資源優勢和氣候條件開展相關工作，加快秸稈還田技術的推廣應用。

參考文獻

[1]Maria C S，Adrián A，Taboada M A.Soil porosity characteristics and water movement under zero tillage in silty soils in Argentinian Pampas[J].Soil & Tillage Research，2006，87（1）：9-18.

[2]Schmitt-Harsh M，Evans T P，Castellanos E，et al.Carbon stocks in coffee agreforests and mixed dry tropical forests in the western highlands of Guaermala[J].Agroforestry Systerms，2012，86（2）：141-157.

[3]胡立峰，李洪文，高煥文.保護性耕作對溫室效應的影響[J].農業工程學報，2009，25（5）：308-312.

[4]黃運湘，王改蘭，馮躍華，等.長期定位試驗條件下紅壤性水稻土有機質的變化[J].土壤通報，2005，36（2）：181-184.

[5]李書田，金繼運.中國不同區域農田養分輸入、輸出與平衡[J].中國農業科學，2011，44（20）：4207-4229.

[7]Wang Yajing，Bi Yuyun，Gao Chunyu.The assessment and utilization of straw resources in China[J].Agricultural Sciences in China，2010，9（12）：1807-1815.

[8]黃運湘，王改蘭，馮躍華，等.長期定位試驗條件下紅壤性水稻土有機質的變化[J]土壤通報，2005，36（2）：181-184.

[9]徐寧，王闖，劉國娟，等.秸稈還田對土壤微生態環境的影響研究綜述[J].安徽農學通報，2017，23（09）：91，104.

[10]王志明，朱培立，黃東邁，等.秸稈碳的田間原位分解和微生物量碳的周轉特征[J].土壤學報，2003，40（3）：446-453.

[11]許克祥，王曉輝.安徽省秸稈綜合利用產業示范園區建設的現狀及對策[J].安徽農學通報，2019，25（04）：102-104.

[12]楊帆，董燕，徐明崗，等.南方地區秸稈還田對土壤綜合肥力和作物產量的影響[J].應用生態學報，2012，23（11）：3040-3044.

[13]王紅彥，王飛，孫仁華，等.國外農作物秸稈利用政策法規綜述及其經驗啟示[J].農業工程學報，2016，32（16）：216-222.

[14]劉曉永，李書田.中國秸稈養分資源及還田的時空分布特征[J].農業工程學報，2017，33（21）：1-19.

[15]畢于運，高春雨，王亞靜，等.中國秸稈資源數量估算[J].農業工程學報，2009，25（12）：211-217.

[16]曹國良，張小曳，鄭方成，等.中國大陸秸稈露天焚燒的量的估算[J].資源科學，2006，28（1）：9-13.

[17]王亞靜，畢于運，高春雨.中國秸稈資源可收集利用量及其適宜性評價[J].中國農業科學，2010，43（9）：1852-1859.

[18]封莉，劉俊峰，馮曉靜，等.秸稈生物質資源利用途徑及相應技術[J].農機化研究，2004（6）：193-195.

[19]楊文鈺，王蘭英.作物秸稈還田的現狀和展望[J].四川農業大學學報，1999，17（2）：211-216.

[20]李萬良，劉武仁.玉米秸稈還田技術研究現狀及發展趨勢[J].吉林農業科學，2007，32（3）：32-34.

[21]朱玉芹，岳玉蘭.玉米秸稈還田培肥地力研究綜述[J].玉米科學，2004，12（3）：106-108.

[22]謝旭軒，王仲穎，高虎.先進國家可再生能源發展補貼政策動向及對我國的啟示[J].中國能源，2013，35（8）：15-19.

[23]雷達，席來旺，李文正，等.淺析國外秸稈的綜合利用[J].現代農業裝備，2007（07）：67-68.

[24]Kirsten S.Renewable energy sources act and trading of emission certificates：a national and a supranational tool direct energy turnover to renewable electricity-supply in Germany[J].Energy Policy，2014，64：302-312.

[25]畢于運.秸稈資源評價與利用研究[D].北京：中國農業科學院，2010.

[26]周應恒，張曉恒，嚴斌劍.韓國秸稈焚燒與牛肉短缺問題解困探究[J].世界農業，2015（4）：152-154.

[27]彭珍鳳，陳杏華，查躍華.農村秸稈處理和資源化利用技術現狀與發展趨勢[J].農業裝備技術，2009，35（2）：11-13.

[28]韓魯佳，閆巧娟.中國農作物秸稈資源及其利用現狀[J].農業工程學報，2002，18（3）：87-91.

[29]高利偉，馬林，張衛峰，等.中國作物秸稈養分資源數量估算及其利用狀況[J].農業工程學報，2009，25（7）：173-179.

[30]許立廣.農作物秸稈還田對土壤養分和作物產量的影響研究初報[J].安徽農學通報，2016，22（02）：63-64.

[31]鄒洪濤，王勝楠，閆洪亮，等.秸稈深還田對東北半干旱區土壤結構及水分特征影響[J].干旱地區農業研究，2014，32（2）：52-60.

[32]常曉慧，孔德剛，井上光弘，等.秸稈還田方式對春播期土壤溫度的影響[J].東北農業大學學報，2011，42（5）：117-120.

[33]孔德剛，張 帥，常曉慧，等.坡耕地中秸稈深施蓄水效果的試驗研究[J].東北農業大學學報，2011，42（2）：48-53.

[34]張帥，孔德剛，常曉慧，等.秸稈深施對土壤蓄水能力的影響[J].東北農業大學學報，2010，41（6）：127-129.

[35]趙偉，陳雅君，王宏燕，等.不同秸稈還田方式對黑土土壤氮素和物理性狀的影響[J].玉米科學，2012，20（6）：98-102.

[36]王喜艷，張亞文，馮 燕，等.玉米秸稈深層還田技術對土壤肥力和玉米產量的影響研究[J].干旱地區農業研究，2013，31（6）：103-107.

[37]張久明，遲鳳琴，宿慶瑞，等.不同有機物料還田對土壤結構與玉米光合速率的影響[J].農業資源與環境學報，2014，31（1）：56-61.

[38]楊瑞兵.秸稈還田對土壤肥力影響調查[J].安徽農學通報，2016，22（10）：75-76.

[39]鄭洪兵，鄭金玉，羅洋，等.玉米秸稈粉碎不同量級還田對土壤養分的影響[J].吉林農業科學，2014，39（5）：38-42.

[40]謝佳貴，侯云鵬，尹彩俠，等.施鉀和秸稈還田對春玉米產量、養分吸收及土壤鉀素平衡的影響[J].植物營養與肥料學報，2014，20（5）：1110-1118.

[41]王開峰 .亞熱帶稻田土壤質量對長期施肥的響應研究[D].長沙：中國科學院亞熱帶農業生態研究所，2007.

[42]朱捍華，黃道友，劉守龍，等.稻草易地還土對丘陵紅壤有機質和主要物理性質的影響[J].應用生態學報，2007，18（11）：2497-2502.

[43]Xueli Ding， Xudong Zhang， Hongbo He.Dynamics of soil amino sugar pools during decomposition processes of corn residues as affected by inorganic N addition [J].Journal of Soils and Sediments，2010，10（4）：758-766.

[44]趙秀蘭，許大志，高云.玉米根茬還田對土壤肥力的影響研究簡報[J].土壤通報，1998，29（1）：14-16.

[45]劉佳斌，李傳寶，王宏燕.秸稈還田不同處理方式對黑土微生物數量和土壤酶活性的影響[J].安徽農業科學，2012，40（9）：5285-5287.

[46]崔俊濤，竇森，張偉，等.玉米秸稈對土壤微生物性質的影響[J].吉林農業大學學報，2005，27（4）：424-428.

[47]王小彬，武雪萍，趙全勝，等.中國農業土地利用管理對土壤固碳減排潛力的影響[J].中國農業科學，2011，44（11）：2284-2293.

[48]楊晶秋，劉金城，白成云，等.玉米秸直接還田后的轉化及對土壤養分平衡的影響[J].土壤通報，1993，24（3）：123-125.

[49]王愛玲.黃淮海平原小麥玉米兩熟秸稈還田效應及技術研究[D].北京：中國農業大學，2000.

[50]朱自學，劉天學.秸稈還田的生態效應研究進展[J].安徽農業科學，2007，35（23）：7221-7223.

[51]黃耀，焦燕，宗良綱，等.土壤理化特性對麥田N2O排放影響的研究[J].環境科學學報，2002，22（5）：598-602.

[52]李成芳，寇志奎，張枝盛，等.秸稈還田對免耕稻田溫室氣體排放及土壤有機碳固定的影響[J].農業環境科學學報，2011，30（11）：2362-2367.

[53]蔣靜艷，黃耀，宗良綱.水分管理與秸稈施用對稻田CH4和N2O排放的影響[J].中國環境科學，2003，23（5）：552-556.

[54]鄒建文，黃耀，宗良綱，等.稻田灌溉和秸稈施用對后季麥田N2O排放的影響[J].中國農業科學，2003，36（4）：409-414.

[55]賀京，李涵茂，方麗，等.秸稈還田對中國農田土壤溫室氣體排放的影響[J].中國農學通報，2011，27（20）：246-250.

[56]馬靜，徐華，蔡祖聰，等.焚燒麥桿對稻田CH4和N2O排放的影響[J].中國環境科學，2008，28（2）：107-110.

[57]逯非，王效科，韓冰，等.稻田秸稈還田：土壤固碳與甲烷增排[J].應用生態學報，2010，21（1）：99-108.

[58]閆翠萍，張玉銘，胡春勝，等.不同耕作措施下小麥玉米輪作農田溫室氣體交換及其綜合增溫趨勢[J].中國生態農業學報，2016，24（6）：704-715.

（責編：張宏民）