棉花秸稈利用現(xiàn)狀及其還田技術(shù)

朱倩倩 冉彤彤 許詠梅 劉忠山 謝香文 張曄山

（1.新疆農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所 新疆烏魯木齊 830091；2.新疆農(nóng)業(yè)科學院拜城農(nóng)業(yè)試驗站 新疆拜城 842300；3.新疆農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所 新疆烏魯木齊 830091）

中國是棉花生產(chǎn)大國，國家統(tǒng)計局發(fā)布的《2020年農(nóng)作物產(chǎn)量公告》顯示，2020年全國棉花播種面積有4 754.8 萬畝，平均畝產(chǎn) 124.3 kg，總產(chǎn) 591.0 萬 t，占比超過全球棉花總產(chǎn)的40%。 其中新疆地區(qū)的棉花總產(chǎn)516.6 萬t，占全國總產(chǎn)的87%，由此產(chǎn)生的棉稈總量達2 270.6 萬t，是棉秸稈儲量最大區(qū)域。“五化”利用（肥料化、燃料化、飼料化、原料化和基料化）模式是科學合理利用棉花秸稈， 使之變廢為寶的重要途徑。

1 棉花秸稈綜合利用現(xiàn)狀

1.1 新疆棉稈資源量

新疆棉花種植面積、 產(chǎn)量及棉稈資源量呈逐年增長趨勢（圖 1），棉稈量由 2016年的 1 875.9 萬 t 增長到2020年的2 270.6 萬t，其中單位面積秸稈量由9.1 萬 t/hm2增長到 9.5 萬 t/hm2。 盡管新疆已開展了棉稈資源價值的開發(fā)和利用， 但是由于棉稈木質(zhì)素和棉酚含量較高，相較于小麥、玉米、油菜等主要農(nóng)作物，棉秸綜合利用的發(fā)展滯后，棉稈的利用量不足資源總量的 1/10。

圖1 2016-2020年新疆棉花種植情況及棉稈資源情況

1.2 棉稈肥料化利用

棉稈肥料化利用可分為粉碎還田利用和腐熟加工成有機肥利用[1-2]。 棉稈粉碎還田利用是指在棉花收獲后將棉稈直接粉碎還田， 均勻覆蓋在地表或翻耕后埋入地下。 腐熟加工成有機肥利用是將棉稈回收后堆漚腐熟，制成廄肥、商品有機肥或在腐熟后加入草炭、蛭石和珍珠巖等復配調(diào)節(jié)后，制成無土栽培的基質(zhì)[5]。 目前直接還田是最簡單的利用方式，還田后使棉田土壤pH 降低，土壤有效養(yǎng)分、有機碳含量增加，土壤理化性狀改善[3]，從而有利于發(fā)展農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，實現(xiàn)保水、保墑、增溫、培肥土壤、降低化肥依賴度[4]。

1.3 棉稈飼料化利用

棉稈中含有6.5%粗蛋白、44.0%纖維素、10.7%半纖維素和15.2%木質(zhì)素[4]，其粗蛋白含量高于稻草和小麥秸稈，且與玉米秸稈相當。 如果將棉稈中的棉酚處理后，就可制成飼料飼喂禽畜，這不僅可以節(jié)約養(yǎng)殖成本，還可以提高經(jīng)濟價值（圖2）。 每1 萬 t 棉稈壓縮制成粗飼料可提供3 000 頭牛1年的飼料，而牛產(chǎn)生的糞便經(jīng)腐熟后可作為有機肥還田[6]。 由于棉稈中棉酚、中粗纖維和木質(zhì)素含量較高，而現(xiàn)有的棉秸稈飼料加工技術(shù)還不成熟， 不能完全消除棉酚的毒性，使得棉稈飼料產(chǎn)業(yè)化難以實現(xiàn)。

圖2 棉稈制作飼料

1.4 棉稈能源化利用

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源短缺問題日益嚴重。將棉稈作為生產(chǎn)能源的原料有助于提高棉稈利用率，滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。 棉稈燃料化主要包括棉稈氣化、 棉稈發(fā)電、炭化及直接用作生活燃料等。 棉稈的燃燒值為17.1～18.1 MJ/kg，接近于木材，是非常理想的能源材料[7]。 以棉稈為底物，經(jīng)過微生物厭氧發(fā)酵技術(shù)可產(chǎn)生可再生的甲烷和液體燃料。 其次，經(jīng)過有效預處理的棉花秸稈還具備制備燃料乙醇的巨大潛力。

1.5 建材、輕工和紡織原料利用

棉稈中的纖維長度和木質(zhì)化程度與木材大致相同，是很好的代替材料。 可利用棉稈代替木漿造紙、生產(chǎn)高密度纖維板和隔音板等。 秸稈墻板的保溫性、裝飾性和耐久性均屬上乘，許多發(fā)達國家已把“秸稈板”當作木板和瓷磚的替代品廣泛應用于建筑行業(yè)。棉稈還可以制造人造絲和人造棉，生產(chǎn)糖醛、飴糖、酒和木糖醇，加工纖維板等[8]。

2 棉稈還田技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 棉稈還田分類

目前棉稈還田采用直接還田和間接還田， 直接還田是利用棉桿粉碎機直接粉碎還田，操作簡單，提高土壤肥力，改善土壤理化性狀效果顯著；間接還田是將棉花秸稈經(jīng)過處理后再還田。 間接還田包括過腹、 過圈還田， 將棉稈作為飼料飼喂牲畜， 收集牲畜的糞便腐熟后按照一定配比制成有機肥后進行還田[8]。 目前間接還田方式隨種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及農(nóng)業(yè)機械化程度提高日趨減少， 而結(jié)合機械的粉碎翻壓還田已經(jīng)成為新疆棉稈還田的主導方式。

2.2 棉稈還田對土壤的影響

棉稈還田后土壤有機質(zhì)含量、容重、pH、含水量均優(yōu)于未還田處理（表1），有機質(zhì)含量較未還田處理增加了 0.12 g/kg（0～20 cm）、1.3 g/kg（20～40 cm）；容重降低了 0.02 g/cm3； pH 降低了 0.01 （0～20 cm）、0.02 （20～40 cm）； 含水量增加了 1.31%（0～20 cm）、1.65%（20～40 cm）。 棉稈還田還有利于土壤團聚體穩(wěn)定性的增加，土壤平均重量直徑、幾何平均直徑越高土壤團聚體穩(wěn)定性越好， 還田處理的0～20 cm 土層土壤平均量直徑、幾何平均直徑均高于未還田處理，還田處理的土壤分形維數(shù)均小于未還田處理（表2），而分形維數(shù)越小則表明土壤越疏松，反之則越緊實。

表1 棉稈還田對不同深度土壤理化性質(zhì)的影響

表2 棉稈還田對不同深度土壤團聚體的影響

土壤中有機質(zhì)含量的增加， 為微生物的活動提供碳源，極大的改善土壤板結(jié)狀況；其次經(jīng)土壤中微生物與礦物質(zhì)作用會形成腐殖酸鈣和腐殖酸鎂，使土壤容重比重降低， 總孔隙度增加； 而土壤環(huán)境疏松，能夠改善作物的根系生長環(huán)境，促進生長，從而提高作物品質(zhì)，增加產(chǎn)量。 同時棉桿還田還能夠顯著提高土壤水分含量，在棉稈粉碎翻壓的過程中，破壞了土壤結(jié)構(gòu)，使下層水分較難向地表移動，增強了土壤的濕度。 棉稈還田增加水穩(wěn)性大團粒聚合的數(shù)量，進一步改善土壤結(jié)構(gòu)，保障土壤的通透性和保水、保肥性，提高土壤養(yǎng)分[9]。

2.3 棉稈還田對作物生長的影響

棉稈直接還田可以促進棉花產(chǎn)量的增長及品質(zhì)的提升（表3），棉稈直接還田處理的棉花產(chǎn)量及衣分均優(yōu)于不還田處理， 籽棉產(chǎn)量和衣分分別增加了17.04 kg/畝和3.04%。 棉稈還田后分解過程中產(chǎn)生了腐植質(zhì)及腐植酸能夠刺激作物根系的生長， 促進作物對氮素的吸收，加速氮素積累，從而增加根系中蘋果酸、琥珀酸及草酸含量，大幅度改善作物的光合作用，從而更好地為作物生長輸送養(yǎng)分和水分[10]，最終實現(xiàn)增產(chǎn)。

表3 棉稈直接還田對棉花產(chǎn)量的影響

3 棉稈還田過程中存在的問題

首先，棉稈還田對于種植戶來說需要增加成本，但是見效緩慢，年產(chǎn)出值與期望值不對等，所以農(nóng)戶開展不積極。 而且這項技術(shù)現(xiàn)處于不成熟階段，科技研發(fā)力度不足，配套技術(shù)設備匱乏，沒有形成大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營的模式。 其次， 機械設備粉碎棉稈不徹底，棉稈長度差別大，較大棉稈需要很長時間才能徹底腐解轉(zhuǎn)化為養(yǎng)分， 沒有及時腐爛的棉稈會影響播種時地膜及滴灌帶的鋪設及播種后種子與土壤的充分接觸， 阻礙種子發(fā)芽， 降低發(fā)芽率， 造成出苗不齊[11]。 有研究表明，棉稈還田會加重棉花枯萎病和黃萎病的發(fā)生， 其次棉稈上附著的病菌和蟲卵會隨粉碎還田進入土壤中繁殖蔓延，造成土壤污染，從而加重次年棉田病蟲害的發(fā)生[12]。

4 棉稈還田利用的發(fā)展前景及建議

棉稈直接還田有著較好的自然適應性和經(jīng)濟效益，輕簡的利用方式，更匹配當前的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。棉稈還田技術(shù)的發(fā)展應該從3個方面進行，即農(nóng)戶、政府、科研人員。 首先，對農(nóng)戶進行棉稈還田優(yōu)勢科普培訓， 讓農(nóng)戶充分了解棉稈還田后帶來的優(yōu)勢及效益。 其次，政府應當加大宣傳力度，增加棉稈還田補貼，采用棉稈還田機械補貼、棉稈還田配套腐熟菌劑補貼等方式，完善關(guān)于棉稈還田的相關(guān)政策，建立健全的棉稈還田利用體系。 最后，科研人員應繼續(xù)優(yōu)化棉稈粉碎還田機械；研究棉稈還田后病、蟲、草害發(fā)生規(guī)律及防控技術(shù)； 研發(fā)低成本高效的棉稈腐熟劑；提出成熟的棉稈快速高效腐熟技術(shù)，為棉稈還田利用提供更多可能，實現(xiàn)棉稈高值化利用。