秸稈資源利用及秸稈還田生態(tài)環(huán)境效益的研究進(jìn)展

王伊琨 于躍躍 賈小紅

摘 ?要：秸稈還田是我國一項(xiàng)重要的糧田有機(jī)培肥措施，可以增加作物產(chǎn)量、提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。該文介紹了秸稈還田技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了當(dāng)前秸稈還田對生態(tài)環(huán)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(shù)應(yīng)用，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：秸稈還田;生態(tài)效益;溫室氣體排放;土壤固碳

中圖分類號 S141 文獻(xiàn)標(biāo)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(dāng)今世界各國需要共同面對的重大挑戰(zhàn)[1-2]。表1為當(dāng)今主要溫室氣體在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的排放情況[3]。

農(nóng)作物秸稈是糧食、油料、棉花纖維以及蔬菜等作物的副產(chǎn)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(jī)質(zhì)等，是重要的有機(jī)肥資源[5-6]。將秸稈進(jìn)行還田處理，通過在土壤微生物作用下發(fā)生腐解，向土壤釋放有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)，可以增加土壤養(yǎng)分，提高土壤質(zhì)量，改善土壤水、肥、氣、熱，增加作物產(chǎn)量，尤其是對于焚燒秸稈造成的環(huán)境污染問題有著非常重要的作用[7-8]。

然而，秸稈作為數(shù)量巨大的可再生資源，因收集困難、經(jīng)濟(jì)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(jī)質(zhì)及養(yǎng)分資源的巨大浪費(fèi)，而且會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，這些都會危及農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全和人類的身體健康[11-12]。本文旨在探討農(nóng)作物秸稈資源的不同利用方式，以及將秸稈進(jìn)行還田后其所能產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效益，主要包括土壤環(huán)境和大氣環(huán)境2個方面，為推動秸稈資源進(jìn)行還田以改善農(nóng)業(yè)土地利用管理、落實(shí)化肥零增長行動、增強(qiáng)農(nóng)業(yè)固碳減排潛力提供參考。

1 秸稈資源利用現(xiàn)狀

1.1 秸稈資源 據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織發(fā)布的主要農(nóng)作物收獲指數(shù)及年度農(nóng)業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)資料顯示，2012年全球秸稈總產(chǎn)量為50.81億t，其中：中國秸稈總產(chǎn)量9.40億t，居世界秸稈產(chǎn)量第1，占全球秸稈總量的18.50%;秸稈產(chǎn)量高于0.50億t的美國、印度、巴西等15個國家，合計(jì)總量為28.75億t，占全球秸稈總量的56.58%;秸稈產(chǎn)量低于0.50億t的其他各國，合計(jì)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(rèn)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(yùn)等[15]、曹國良等、王亞靜等[17]研究認(rèn)為，中國主要農(nóng)作物秸稈資源總量估算分別為8.4億t、6億t、6.86億t?？梢?，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(jīng)驗(yàn)，技術(shù)成熟，具有配套的機(jī)械設(shè)備以及相應(yīng)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(xiàng)關(guān)鍵培肥技術(shù)，堅(jiān)持常年實(shí)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(chǎn)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(yàn)站通過每年對土地翻壓玉米秸稈7～8t/hm2，經(jīng)過18年后，土壤有機(jī)質(zhì)含量提高了2.2%～2.4%[21]。（2）用于發(fā)電。丹麥?zhǔn)鞘澜缟鲜紫仁褂媒斩挵l(fā)電的國家，著名的阿維多發(fā)電廠建于20世紀(jì)90年代，被譽(yù)為全球效率最高、最環(huán)保的熱電聯(lián)供電廠之一[22]。瑞典對使用秸稈進(jìn)行發(fā)電的電價費(fèi)用進(jìn)行了補(bǔ)貼[23]。德國環(huán)境部于2001年制定了《生物質(zhì)發(fā)電條例》，并于2005年對該例進(jìn)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(yǎng)殖場的墊圈料[25]。目前，韓國的稻麥秸稈已實(shí)現(xiàn)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(nèi) 前些年，我國的秸稈資源浪費(fèi)嚴(yán)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(nóng)村生活能源等方面。韓魯佳等研究了1999年中國農(nóng)作物秸稈的各種用途所占比例，造紙?jiān)险?.9%，牲畜飼料占30.9%，農(nóng)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(rèn)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(yè)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(nóng)作物秸稈養(yǎng)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(shí)現(xiàn)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(tài)環(huán)境的影響分析

秸稈還田處理對農(nóng)田生態(tài)效益的影響，主要包括土壤環(huán)境和大氣環(huán)境2個方面：

2.1 秸稈還田對土壤環(huán)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(qiáng)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(diǎn)越近，土壤溫度越高[32]?？椎聞偟萚33]，張帥等[34]研究認(rèn)為，秸稈腐熟后可持續(xù)向玉米根區(qū)供水，越接近秸稈深施處，土壤含水量越大。趙偉等研究認(rèn)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(rèn)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(rèn)為，將秸稈還田處理，土壤緊實(shí)度下降了32%～46%[37]。

2.1.2 化學(xué)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(rèn)為，土壤養(yǎng)分全量及速效養(yǎng)分含量均隨著秸稈還田量的增加而呈現(xiàn)上升的趨勢[39]。謝佳貴等研究認(rèn)為，對于土壤鉀素，需要秸稈還田結(jié)合施鉀肥才能保持動態(tài)平衡[40]。王開峰等研究認(rèn)為，施用秸稈等有機(jī)物料使稻田土壤有機(jī)質(zhì)增加50%～120%[41]。朱捍華等研究認(rèn)為，秸稈還田與施用化肥相比，丘陵紅壤有機(jī)質(zhì)含量增加5.8%～28.9%，土壤物理性質(zhì)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(shù)量，促進(jìn)微生物C和N的轉(zhuǎn)換[43]。趙秀蘭等研究認(rèn)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(shù)量越多，時間越長，增加量則越多[44]。劉佳斌等[45]研究認(rèn)為，秸稈腐熟后施入比秸稈直接還田更有利于微生物數(shù)量的增加，細(xì)菌增幅最大，細(xì)菌表現(xiàn)為優(yōu)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(rèn)為，玉米秸稈對土壤真菌數(shù)量的影響大于對細(xì)菌數(shù)量的影響，細(xì)菌與真菌數(shù)量比（B/F）由1.42降低到1.25[46]。

2.2 秸稈還田對大氣環(huán)境的影響 秸稈還田對大氣環(huán)境的影響，主要是對農(nóng)田CO2、N2O和CH4等主要溫室氣體排放產(chǎn)生影響[47]。

2.2.1 CO2 楊晶秋等研究認(rèn)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(jīng)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(zhuǎn)化成CO2等，向大氣中散逸。但是不能因此就認(rèn)為秸稈還田比未還田更增加了CO2的排放，因?yàn)閷⒔斩掃M(jìn)行還田與其他處理方式相比，畢竟固定了一部分有機(jī)碳，相應(yīng)地減少了CO2的排放，這一結(jié)論已有大量研究認(rèn)證，普遍為國內(nèi)外的專家學(xué)者所認(rèn)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(nóng)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(xù)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(jié)果有著很大差異，影響N2O的作用機(jī)理卻是一致的。土壤中N2O的產(chǎn)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(guī)律還有待于進(jìn)一步研究[54]。

2.2.3 CH4 土壤中CH4產(chǎn)生受甲烷菌活動影響，秸稈還田對農(nóng)田土壤CH4排放的影響研究多集中于稻田，主要表現(xiàn)為增加CH4排放[55]。馬靜等研究認(rèn)為，麥稈直接還田增加了稻田CH4的排放量[56]。逯非等研究認(rèn)為，中國稻田甲烷排放量，不進(jìn)行秸稈還田為5.796Tg/a，而進(jìn)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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯吸收[58]。

3 存在的問題

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

3.2 政策法律不完備 目前，對秸稈還田技術(shù)的優(yōu)惠政策和扶持力度不足，農(nóng)民在短時間內(nèi)看不到經(jīng)濟(jì)效益，而對社會效益和生態(tài)效益的重視程度又相對滯后，使群眾對秸稈還田技術(shù)接受度不高。雖然國家及地方發(fā)布了相關(guān)法律條文對焚燒秸稈行為規(guī)定了處罰措施，但是從實(shí)踐來看，除了“堵”，還應(yīng)該拓寬“疏”，積極推廣有利于技術(shù)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(xié)調(diào)統(tǒng)一的監(jiān)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(jī)構(gòu)，有的則沒有，造成了上下管理關(guān)系的不協(xié)調(diào)，影響了整體工作的推進(jìn)。

4 幾點(diǎn)建議

（1）農(nóng)作物秸稈收儲運(yùn)體系是秸稈利用的基礎(chǔ)，包括打捆機(jī)、打包機(jī)及粉碎機(jī)等，涵蓋了收獲、裝載、運(yùn)輸、存儲及銷售等各個環(huán)節(jié)。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(tǒng)一收集等問題，要盡快研發(fā)更方便快捷的農(nóng)機(jī)具。

（2）政策上要加強(qiáng)支持力度，把機(jī)械購置投入納入財(cái)政預(yù)算，保障農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼資金，建立長效發(fā)展機(jī)制。

（3）秸稈還田涉及的問題很多，我國各地資源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)條件不相同，因此，今后需要結(jié)合各地區(qū)資源優(yōu)勢和氣候條件開展相關(guān)工作，加快秸稈還田技術(shù)的推廣應(yīng)用。

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（責(zé)編：張宏民）