湘西秸稈資源化利用現(xiàn)狀及其在植煙土壤改良中的應(yīng)用

顏 波，黃瓊慧，鄧小華*，王樹兵，操?gòu)埣t

（1湖南省煙草公司株洲市公司茶陵縣分公司，茶陵412400；2湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙410128；3長(zhǎng)沙縣黃興鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，湖南長(zhǎng)沙410133；4湖南省煙草公司張家界市公司，張家界427000）

中國(guó)是農(nóng)作物秸稈資源最為豐富的國(guó)家之一，農(nóng)作物秸稈種類多、數(shù)量大、分布廣。隨著農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量增加和農(nóng)村替代能源的應(yīng)用，加上農(nóng)作物秸稈資源不清、利用現(xiàn)狀不明，以及綜合利用成本高、經(jīng)濟(jì)效益差、產(chǎn)業(yè)化程度低等原因，農(nóng)作物秸稈出現(xiàn)了地區(qū)性、季節(jié)性、結(jié)構(gòu)性過(guò)剩，大量農(nóng)作物秸稈資源沒(méi)有得到充分利用。因此，推進(jìn)農(nóng)作物秸稈資源化利用，不僅可以緩解農(nóng)村在飼料、肥料、燃料和工業(yè)原料等方面的短缺問(wèn)題，而且有利于農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護(hù)和促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 農(nóng)作物秸稈利用途徑

農(nóng)作物秸稈是指收獲農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品后（主要為籽實(shí)）所剩余的地上部分的莖、葉、藤蔓、穗的總稱，通常指烤煙、大豆、油菜、水稻、小麥、玉米、薯類等農(nóng)作物在收獲經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品后剩余的部分［1］。目前，秸稈資源化利用的主要有肥料化、飼料化、能源化、工業(yè)原料化等途徑。

1.1 肥料化利用

農(nóng)作物秸稈含有豐富的有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)，作為肥料還田可以補(bǔ)充土壤碳、氮、磷、鉀、硫、銅、錳、鐵、鋅等元素，還可為土壤微生物提供碳源和氮源，有利土壤有機(jī)物分解、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和土壤養(yǎng)分平衡，增強(qiáng)土壤肥力。農(nóng)作物秸稈肥料化主要有秸稈直接還田、秸稈粉碎翻壓還田、秸稈覆蓋還田、秸稈堆制有機(jī)肥再還田、秸稈過(guò)腹還田、秸稈焚燒還田等方式。

目前，農(nóng)作物秸稈肥料化利用面臨難題主要有：秸稈還田過(guò)程中分解產(chǎn)生甲烷、硫化氫、二氧化碳等有害氣體可能毒害農(nóng)作物根系，同時(shí)還污染大氣環(huán)境；秸稈還田機(jī)械化程度較低，增強(qiáng)了勞動(dòng)強(qiáng)度和用工；秸稈還田需經(jīng)3～4年或更長(zhǎng)時(shí)間才能見(jiàn)成效，生態(tài)效益周期較長(zhǎng)；某些農(nóng)作物秸稈在田間腐解慢，其殘茬會(huì)影響農(nóng)作物的播種質(zhì)量和生長(zhǎng)［2～4］。因此，農(nóng)作物秸稈肥料化利用還有待于進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

1.2 飼料化利用

農(nóng)作物秸稈作為草食動(dòng)物的飼料部分替代中國(guó)緊缺的草地資源，充分發(fā)揮秸稈的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，可節(jié)約大量糧食，對(duì)于發(fā)展節(jié)糧型畜牧業(yè)具有重要意義，是緩解未來(lái)我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品供需矛盾和節(jié)糧路線的重要一環(huán)。農(nóng)作物秸稈飼料的加工分為物理、化學(xué)和生物處理3種方法。農(nóng)作物秸稈采用切段、粉碎、膨化、蒸煮、壓塊等物理處理方法，簡(jiǎn)單且易于推廣，但不能增加農(nóng)作物秸稈飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值；采用堿化、氨化、氧化劑等化學(xué)處理法，可以提高畜禽采食農(nóng)作物秸稈飼料的數(shù)量和增加體外消化率，但也容易造成畜禽過(guò)量攝入化學(xué)物質(zhì)；采用青貯和微貯等生物處理方法，可以提高農(nóng)作物秸稈飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，但青貯技術(shù)要求較高，處理不當(dāng)會(huì)造成農(nóng)作物秸稈腐爛變質(zhì)。目前，我國(guó)農(nóng)作物秸稈飼料化利用還處于一種低水平、低效率的發(fā)展階段，農(nóng)作物秸稈飼料化處理技術(shù)需要進(jìn)一步改進(jìn)［5］。

1.3 能源化利用

農(nóng)作物秸稈含有40%左右的碳，具有14.0～17.6 MJ／kg的能源密度，其燃燒熱值相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤的50%。農(nóng)作物秸稈能源化利用主要有3種方式：農(nóng)作物秸稈直接燃燒作為能源，如傳統(tǒng)方式的薪材、現(xiàn)代方式的秸稈加工成型產(chǎn)品—生物質(zhì)顆粒、秸稈發(fā)電等；農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)化為氣體燃料，如農(nóng)作物秸稈制沼氣和水煤氣等；農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)化為液體燃料，如農(nóng)作物秸稈制成乙醇后再做燃料等。

農(nóng)作物秸稈直接燃燒的效率低（僅為12%～15%），且在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生二氧化碳、甲烷、氧化氮、二氧化硫等溫室氣體和煙塵，污染生態(tài)環(huán)境。因此，為降低秸稈燃燒污染環(huán)境和提高農(nóng)作物秸稈能源化利用效率，其發(fā)展趨勢(shì)是將農(nóng)作物秸稈直接燃燒轉(zhuǎn)化為其他高效率的能源利用［1，6］。

1.4 工業(yè)原料化利用

秸稈可作為包裝、建材、食品、造紙、工藝品編織以及培養(yǎng)食用菌等工業(yè)原料利用。秸稈纖維可以用于生產(chǎn)可降解型包裝材料、輕質(zhì)建材，還可作為多種食品與糕點(diǎn)、釀醋釀酒、制作飴糖等的原料。農(nóng)作物秸稈是中國(guó)造紙工業(yè)的重要原料，如麥秸、稻秸、甘蔗渣、棉稈、麻稈等現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于造紙業(yè)。在現(xiàn)代編織業(yè)中，農(nóng)作物秸稈廣泛用于門窗、花盆、草簾、草帽、草席等多種工藝品和日用品生產(chǎn)中。由于農(nóng)作物秸稈資源豐富，成本低廉，并含有豐富的碳、氮、礦物質(zhì)及激素等營(yíng)養(yǎng)成分，已被用做蘑菇、草菇、平菇等多種食用菌的培養(yǎng)料［6，7］。

2 湘西農(nóng)作物秸稈利用現(xiàn)狀

2.1 農(nóng)作物秸稈資源數(shù)量

根據(jù)2011年和2012統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，湘西州主要農(nóng)作物有水稻、玉米、薯類、油菜、烤煙、大豆、小麥、苧麻、棉花等9種。參考相關(guān)研究［8］，確定湘西州水稻、玉米、薯類、油菜、烤煙、大豆、小麥、苧麻、棉花的秸稈系數(shù)分別為0.98、0.96、0.52、2.98、0.85、1.52、1.38、6.55、3.35。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2011年湘西州秸稈總量為995 969.08 t，2012年湘西州秸稈總量為1 002 281.62 t。稻草為湘西州主要農(nóng)作物秸稈，占53.42%，其次是油菜稈，占20.22%，再次為玉米稈，占12.95%。各作物秸稈數(shù)量如表1所示。

表1 湘西州農(nóng)作物秸稈資源數(shù)量及所占比例

2.2 農(nóng)作物秸稈資源利用現(xiàn)狀

湘西州農(nóng)作物秸稈資源化利用程度低，主要用途為秸稈還田［9～11］或做飼料。秸稈資源利用主要存在以下問(wèn)題：

（1）未能充分合理利用。農(nóng)作物秸稈是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活中不可缺少的生產(chǎn)要素與生活資料。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的推進(jìn)和農(nóng)民生活水平的提高，農(nóng)作物秸稈利用方式發(fā)生了顯著變化，液化氣、煤、電等現(xiàn)代商品能源的普及替代了秸稈燃料，商品化肥使用替代了秸稈有機(jī)肥料，混合飼料養(yǎng)畜禽減少了秸稈飼料用量的需求，現(xiàn)代建筑材料替代了秸稈建材。農(nóng)作物秸稈在農(nóng)村能源、肥料、飼料、建筑材料等方面的原有用途逐漸消失或弱化。

（2）造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。焚燒秸稈會(huì)直接燒死、燙死土壤中的微生物（包括有益微生物和有害微生物），引起土壤板結(jié)，影響作物充分吸收土壤養(yǎng)分，從而“毀滅性”地破壞土壤。大面積焚燒秸稈還會(huì)造成地表失墑、近地層大氣氣溫升高和氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)失真。秸稈焚燒與廢棄亂放，不僅造成生物資源浪費(fèi)，而且污染環(huán)境，破壞生態(tài)平衡，影響農(nóng)村環(huán)境衛(wèi)生和土壤肥力。

（3）秸稈直接還田方式簡(jiǎn)單［12～14］。秸稈砍成小段直接撒施在地里，通過(guò)翻耕來(lái)實(shí)現(xiàn)秸稈還田。這種方式在作物生長(zhǎng)初期存在秸稈腐解與作物生長(zhǎng)爭(zhēng)氮的問(wèn)題，旱地秸稈還田還會(huì)造成土壤水分不足，還可能造成作物病蟲害嚴(yán)重發(fā)生與蔓延。

（4）秸稈產(chǎn)業(yè)開發(fā)帶動(dòng)力不強(qiáng)。秸稈綜合利用本大利小，導(dǎo)致秸稈綜合利用龍頭型、骨干型企業(yè)數(shù)量少、規(guī)模小；收集農(nóng)作物秸稈經(jīng)濟(jì)效益差，主要是收集農(nóng)作物秸稈用工多、運(yùn)輸成本高；企業(yè)投資開發(fā)利用農(nóng)作物秸稈的意愿不高，主要原因在于企業(yè)獲利較低；農(nóng)作物秸稈綜合利用新型技術(shù)尚不成熟，在農(nóng)村推廣存在一定障礙，如秸稈氣化集中供氣工程投資大，秸稈生產(chǎn)商品有機(jī)肥的養(yǎng)分穩(wěn)定性差等［15］。

（5）秸稈收儲(chǔ)困難［15］。湘西州為山區(qū)，秸稈資源分布區(qū)域較散，且大多分布在山區(qū)，收獲季節(jié)性集中，造成秸稈的收集和貯運(yùn)用工多、難度大、成本高，且秸稈收購(gòu)服務(wù)體系不健全，導(dǎo)致秸稈收集和貯運(yùn)問(wèn)題始終成為制約秸稈資源化發(fā)展的瓶頸。

（6）秸稈資源化利用政策配套有待完善［15］。目前，政府部門對(duì)農(nóng)作物秸稈資源化利用不夠重視，缺乏政策激勵(lì)機(jī)制和扶持資金，部分補(bǔ)貼資金落實(shí)不到位，導(dǎo)致秸稈資源化利用單位或個(gè)人的積極性不高。

3 農(nóng)作物秸稈資源在烤煙生產(chǎn)上的應(yīng)用

土壤是影響煙草產(chǎn)量和品質(zhì)的重要環(huán)境因素。煙草雖然可以在多種類型土壤上生長(zhǎng)，但優(yōu)質(zhì)煙對(duì)土壤的要求比較嚴(yán)格［16］，不同的土壤類型種植的烤煙，其品質(zhì)和產(chǎn)量差別較大。目前土壤質(zhì)量下降已成為優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的最大障礙因素。植煙土壤中有機(jī)質(zhì)的變化取決于有機(jī)物施用的數(shù)量、腐殖化系數(shù)、土壤中原有有機(jī)質(zhì)的礦化率。應(yīng)用農(nóng)作物秸稈還田可增加土壤有機(jī)質(zhì)水平，提高秸稈腐解后的腐殖化系數(shù)，降低原有有機(jī)質(zhì)的礦化率。應(yīng)用農(nóng)作物秸稈還田能明顯提高土壤速效鉀含量，這可能與秸稈中鉀含量較高和微生物固定較少有關(guān)。國(guó)內(nèi)外大量的試驗(yàn)證明，農(nóng)作物秸稈還田可提高土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量，增加土壤中微量元素的含量，增強(qiáng)土壤中微生物及各種酶的活性，促進(jìn)水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體的形成，降低土壤容重。農(nóng)作物秸稈還田對(duì)植煙土壤的改良和對(duì)煙葉品質(zhì)的影響在于它對(duì)煙葉具有養(yǎng)分平衡效應(yīng)、生物活性物質(zhì)效應(yīng)和協(xié)調(diào)生長(zhǎng)環(huán)境效應(yīng)［17］，有利于土壤性狀的改良與維護(hù)和提高煙葉品質(zhì)。

目前，農(nóng)作物秸稈在烤煙生產(chǎn)上的應(yīng)用主要包括3個(gè)方面。一是將農(nóng)作物秸稈作為生物質(zhì)燃料用于煙葉的烘烤。二是用農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)有機(jī)肥。三是農(nóng)作物秸稈直接還田作肥料并改良土壤。其中，農(nóng)作物秸稈還田利用技術(shù)主要有：農(nóng)作物秸稈溶田技術(shù)、農(nóng)作物秸稈有機(jī)肥腐熟技術(shù)、農(nóng)作物秸稈覆蓋技術(shù)。但農(nóng)作物秸稈直接還田技術(shù)在煙草上使用存在如下挑戰(zhàn)性：

（1）煙株生長(zhǎng)期氮素供應(yīng)。秸稈還田可改良植煙土壤，但不可忽視對(duì)烤煙生產(chǎn)當(dāng)季的煙葉品質(zhì)的負(fù)效應(yīng)。已有研究表明，作物氮營(yíng)養(yǎng)的重要來(lái)源是土壤中有機(jī)態(tài)氮經(jīng)礦化作用形成的無(wú)機(jī)態(tài)氮，50%的氮來(lái)自土壤礦化有機(jī)氮［18］。部分學(xué)者認(rèn)為，緩效的有機(jī)氮不利于烤煙早期生長(zhǎng)，而且會(huì)影響烤煙品質(zhì)，不支持在烤煙上使用有機(jī)肥，包括秸稈還田。秸稈還田后，前期強(qiáng)烈的氮素生物固持作用，使土壤有機(jī)氮素水平提高，無(wú)機(jī)氮素缺乏，導(dǎo)致作物生長(zhǎng)與土壤微生物爭(zhēng)氮素，產(chǎn)生“氮饑餓”現(xiàn)象，用量過(guò)大時(shí)煙株表現(xiàn)為發(fā)棵慢；后期又進(jìn)行相對(duì)強(qiáng)烈的有機(jī)氮礦化作用，提高后期土壤供氮水平，而且煙株后期吸收的氮素主要來(lái)自于土壤有機(jī)氮的礦化，不利于煙葉正常落黃成熟，并導(dǎo)致上部煙葉的煙堿濃度升高，對(duì)煙葉的品質(zhì)有著極大的影響［19，20］。

（2）秸稈覆蓋影響烤煙早生快發(fā)。秸稈覆蓋技術(shù)對(duì)土壤的擾動(dòng)小，在煙草上應(yīng)用存在的挑戰(zhàn)性比秸稈耕翻還田小。地膜覆蓋在煙葉生產(chǎn)中起到了明顯的保溫和保墑作用，但地膜覆蓋后易造成煙苗灼傷、根系上移、抗逆性變差等負(fù)面作用。秸稈覆蓋則可緩解這些問(wèn)題，但秸稈覆蓋前期升溫效果不明顯，烤煙早生快發(fā)優(yōu)勢(shì)不及地膜覆蓋栽培。前膜后秸稈覆蓋和秸稈地膜雙覆蓋技術(shù)，可解決秸稈覆蓋對(duì)烤煙早發(fā)的影響。前膜后秸稈覆蓋栽培技術(shù)（煙株生長(zhǎng)前期覆蓋地膜，揭膜后覆蓋秸稈直至采收結(jié)束）在煙草不同生育期有保墑作用。同時(shí)，在煙草生育前期的氣溫偏低季節(jié)，地膜覆蓋能顯著提高地溫；在氣溫偏高季節(jié)的生育中后期，秸稈覆蓋能阻擋地表受光，減少地表蒸發(fā)，可保持土墑、平抑地溫。秸稈地膜雙覆蓋技術(shù)（在秸稈覆蓋的基礎(chǔ)上進(jìn)行地膜覆蓋）也同時(shí)具備了秸稈、地膜覆蓋方式的優(yōu)點(diǎn)，揭膜后秸稈產(chǎn)生覆蓋接力作用。采用秸稈地膜雙覆蓋方式，前期秸稈在地膜覆蓋作用下已部分腐解，有利于秸稈在土壤中的腐殖化。

4 湘西植煙土壤改良中秸稈資源化利用對(duì)策

農(nóng)作物秸稈在湘西煙區(qū)應(yīng)用主要在以下方面：一是作為生物質(zhì)能源用于烤煙的烘烤燃料，目前正在開展相關(guān)方面的研究；二是生產(chǎn)有機(jī)肥料用于烤煙生產(chǎn)；三是農(nóng)作物秸稈過(guò)腹還田，主要利用玉米秸稈和稻草養(yǎng)牛，用牛糞改良土壤；四是農(nóng)作物秸稈覆蓋還田，主要利用稻草覆蓋栽培烤煙；五是秸稈粉碎還田，主要是玉米秸稈收獲后粉碎直接還田。秸稈資源化利用雖已經(jīng)取得了一定的成效，但仍然存在一些問(wèn)題，可以采取以下措施對(duì)湘西植煙土壤進(jìn)行改良。

4.1 政策引導(dǎo)與扶持，實(shí)行激勵(lì)機(jī)制

農(nóng)戶焚燒秸稈造成嚴(yán)重的環(huán)境、社會(huì)和生態(tài)危害，不能得到有效遏制的一個(gè)根本原因是缺乏有效的激勵(lì)機(jī)制。建立可行、成本較小、操作性強(qiáng)的獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，包括資金扶持、獎(jiǎng)勵(lì)、補(bǔ)貼等，使農(nóng)民在農(nóng)作物秸稈資源化過(guò)程中獲得比秸稈焚燒更大的收益。

4.2 科學(xué)規(guī)劃，建立秸稈綜合利用循環(huán)經(jīng)濟(jì)示范區(qū)

針對(duì)秸稈資源化開發(fā)的特點(diǎn)，結(jié)合湘西州新農(nóng)村建設(shè)和煙草產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，在主要煙區(qū)建立秸稈綜合利用循環(huán)經(jīng)濟(jì)示范區(qū)。示范區(qū)結(jié)合烤煙生產(chǎn)特點(diǎn)，循環(huán)利用煙草秸稈、玉米秸稈及其伴生資源和各種作物生產(chǎn)廢棄物，將傳統(tǒng)的秸稈資源→產(chǎn)品→肥料的直線式經(jīng)濟(jì)模式，變成資源→產(chǎn)品→廢棄物→再生資源的反饋式經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。

4.3 改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)，多渠道推廣先進(jìn)的秸稈資源化利用技術(shù)

實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物秸稈資源化利用，不能僅靠單一的技術(shù)，必須改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)，因地制宜多渠道開發(fā)秸稈資源化利用技術(shù)和設(shè)備，同時(shí)配套各項(xiàng)優(yōu)惠政策和激勵(lì)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)秸稈的有效、高效利用。

（1）將秸稈做成生物質(zhì)顆粒，秸稈氣化等，將生物質(zhì)能源用于煙葉烘烤。

（2）將煙草秸稈與其他秸稈混合生產(chǎn)有機(jī)肥，用來(lái)作為烤煙或其他作物的肥料。

（3）水稻秸稈直接溶田。秸稈直接覆蓋還田，秸稈腐解較慢，不利烤煙早生快發(fā)。湘西州煙稻一年一熟輪作制為主要模式，農(nóng)田冬閑時(shí)間長(zhǎng)。在水稻收獲后，將水稻秸稈砍成20～30 cm的小段，結(jié)合秋冬翻耕，直接溶田，效果較好。

（4）玉米秸稈直接溝埋還田。湘西地區(qū)玉米一般為一年一熟制，冬閑時(shí)間長(zhǎng)，種植較分散，將秸稈收集進(jìn)行加工較困難?？梢詫⒔斩捑偷販下?，輔以一定的秸稈腐解劑，利用較長(zhǎng)的休閑期，秸稈完全可以腐解，不影響下季作物生產(chǎn)。如玉米收獲后，將玉米秸稈就地埋于壟溝內(nèi)，輔以秸稈腐解劑，在烤煙移栽時(shí)，秸稈基本腐解，不影響烤煙前期生長(zhǎng)。

（5）油菜秸稈覆蓋還田。油菜秸稈直接翻耕還田與其他作物播種存在季節(jié)矛盾，可以將油菜秸稈覆蓋還田。

（6）改單一秸稈還田改良土壤為秸稈還田與種植綠肥共同改良土壤。如在烤煙、玉米秸稈就地溝埋后，再播種綠肥等。