秸稈機械化還田技術及裝備研究現(xiàn)狀與展望

申屠留芳，劉 涵，吳 旋，孫星釗

(1.江蘇海洋大學，江蘇連云港 222005；2.連云港市元天農(nóng)機研究所，江蘇連云港 222000)

秸稈，古稱藁，又稱禾稈草，指水稻、小麥、玉米等農(nóng)作物收獲后遺留在田間的莖、葉等副產(chǎn)物，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的可再生資源。我國是農(nóng)業(yè)大國，2019年我國農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量達10.4億t，可收集量約9億t，占全球秸稈資源總額的25%～30%。諸多研究表明，秸稈中含有豐富的有機質(zhì)、氮、磷、鉀及各種微量元素，碳、氮、磷、鉀的平均含量為400、3、1、4.5 kg/t。秸稈還田可將作物吸收的大部分營養(yǎng)元素歸還土壤，改善土壤土質(zhì)，提高生態(tài)效益，同時還能避免秸稈焚燒帶來的環(huán)境污染問題，尤其是我國在農(nóng)業(yè)碳達峰、碳中和進程中，通過綠色農(nóng)機化生產(chǎn)和綜合利用技術模式的研發(fā)應用，可以有效兼顧農(nóng)業(yè)減排和糧食安全。此外，秸稈還田減少了化肥的使用從而降低了農(nóng)民的種田成本。綜上，秸稈還田對促進我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

由于秸稈還田勞動強度大、時間短，為了保證還田質(zhì)量、提高還田效率，現(xiàn)在普遍采用機械化還田，在機械化設備的廣泛應用下，能夠有效地提升秸稈的利用效率，實現(xiàn)綜合利用的目標。本文擬對秸稈還田技術及對應還田設備現(xiàn)狀進行綜述，并對其發(fā)展前景進行初探，以期為我國秸稈機械化還田技術的發(fā)展提供參考。

1 田間秸稈利用現(xiàn)狀

1.1 國外田間秸稈的利用現(xiàn)狀

秸稈還田作為保護性耕作技術重要的一部分，在世界上許多國家得到了重視和研究。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，發(fā)達國家形成了秸稈-廄肥-化肥的“三合制”施肥制度。美國自20世紀80年代開始大力推廣秸稈還田技術的應用，他們將水稻、小麥、高粱等農(nóng)作物秸稈進行氨化處理，試驗結果表明，氨化秸稈飼料的蛋白質(zhì)含量提高了30%，消化率達到50%。秸稈沼氣工程在西歐國家十分常見，該模式的主要特點在于：將秸稈與動物糞便混合漚制沼氣并以其為紐帶提供能源，再將沼渣還田使用。德國是沼氣發(fā)展水平最為先進的國家，其沼氣發(fā)電量占每年發(fā)電總量的3.4%。瑞典、奧地利的模式與德國相似并且他們擁有足夠的農(nóng)田對沼液和沼渣進行消化。

1.2 國內(nèi)田間秸稈的利用現(xiàn)狀

目前，我國秸稈田間利用以秸稈機械化還田為主，形成了“秸稈還田+旋耕”“秸稈粉碎+根茬破茬機”“聯(lián)合收獲機+切碎還田裝置”等多種模式，播種聯(lián)合作業(yè)機是目前還田作業(yè)的熱點。秸稈除直接還田外還可充當肥料，可以與化肥聯(lián)合使用以增加土壤肥力，劉勤等研究表明，對于烏柵土和紅壤性水稻土，與單一施加化肥相比，在秸稈與化肥的聯(lián)合作用下，土壤的腐殖酸C、胡敏酸C與富里酸C的比例明顯提高，土壤的有機質(zhì)得以改善。但現(xiàn)階段仍存在部分直接焚燒還田的情況，眾多學者對秸稈焚燒對土壤的影響進行了研究，王愛玲研究了秸稈焚燒還田與秸稈覆蓋還田的生態(tài)效應，對比直接還田，秸稈焚燒后土壤水分蒸發(fā)快，土壤含水量降低且對環(huán)境污染大，但焚燒還田的除草效果好，可使部分病蟲害減輕。秸稈還可作為畜牧飼料，例如玉米秸稈經(jīng)過熱噴處理后，制作的飼料質(zhì)地柔軟、味道芳香，營養(yǎng)價值和利用價值高。

2 我國秸稈機械化還田的技術模式

秸稈機械化還田是最直接、最有效的還田模式，在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應用時間較長，經(jīng)驗的積累和技術的改進使得不同地區(qū)形成了能適應當?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展需求的技術模式和工藝方法，機械化還田具有優(yōu)化土壤結構、改善土壤肥力、實現(xiàn)抗旱保墑的技術優(yōu)勢。我國目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中秸稈機械化還田的技術模式與配套機具呈現(xiàn)多樣化，但主要技術手段以秸稈粉碎還田、根茬粉碎還田與整稈還田為主。

2.1 秸稈粉碎機械化還田

秸稈粉碎機械化還田技術通過機械粉碎裝置將作物的莖稈、莖葉粉碎將其拋撒覆蓋于地表，還田機通過旋耕裝置將其翻壓并歸還土壤。研究表明，該技術作業(yè)質(zhì)量好、秸稈處理量大，秸稈全量直接還田能夠提高土壤肥力，并且能改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，但還田量過大或還田作業(yè)不均勻易造成土壤微生物(秸稈轉(zhuǎn)化的微生物)與作物幼苗爭奪養(yǎng)分的情況，這導致了土壤病原菌數(shù)量的增加，打破了土壤生態(tài)系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，目前秸稈粉碎后直接翻壓還田的弊端已經(jīng)較為突出，例如還田后的小麥根部病蟲害及赤霉病害時有發(fā)生，這嚴重影響未來作物的產(chǎn)量及質(zhì)量。莊秋麗等研究表明，將藥物處理劑與肥料摻雜使用，能降低害蟲對甘薯的危害程度，且對肥料的肥效影響不大。

2.2 根茬粉碎機械化還田

根茬粉碎機械化還田是為了加快秸稈腐爛速度，利用根茬粉碎機將站立在壟上的根茬(地上及地下10 cm內(nèi)部分)直接粉碎并均勻混拌在耕層中，一次完成滅茬、碎土作業(yè)，該技術主要適用于輪作制度地區(qū)的玉米、高粱、大豆等粗莖作物，可有效避免人工處理根茬費時、費工、費力的情況，具有作業(yè)質(zhì)量好、改良土壤和減少土肥流失的優(yōu)點。

2.3 整稈機械化還田

秸稈整稈機械化還田是一種通過機械作業(yè)，將摘穗后直立于田間的秸稈沿機具作業(yè)方向翻埋或倒稈覆蓋的還田模式，隨著時間的推移，秸稈逐漸腐爛并且可改善土壤的理化性質(zhì)，加快土壤的生物質(zhì)循環(huán)，該模式的優(yōu)點是減少土壤受到風、水等自然侵蝕，加深了耕層深度，起到保水保墑的作用。但在實際生產(chǎn)中，該還田方式操作難度大，對機具的馬力、工作性能要求高，嚴重影響下茬作物的機械化播種，整稈還田同樣容易造成病蟲害，趙子俊等研究表明，玉米螟在秸稈覆蓋下老熟幼蟲安全過冬率達93.8%。

3 秸稈機械化還田的配套機具

3.1 整株秸稈還田機

整株秸稈還田機是一次性將秸稈梳壓并耕翻從而將秸稈埋入溝底的還田機械，該類型機械可以省去秸稈粉碎、滅茬等作業(yè)工序，可有效減少作業(yè)次數(shù)，提高作業(yè)質(zhì)量。圖1為水稻秸稈整株還田機，該機器由主軸帶動高速旋轉(zhuǎn)的切草刀將秸稈割斷，并由埋草彎刀從正斜面切開土塊，切出溝底將秸稈向外推移，最終完成還田工作，該機具操作簡單、勞動強度小，但埋草彎刀設置過緊密，與切草刀配合不當會造成部分秸稈無法整體切除的情況。圖2是國外架桿壓倒田間覆蓋機，該機器可實現(xiàn)大規(guī)模、高效率作業(yè)，但整稈翻埋還田主要使用的工具是鏵式犁，長期使用會導致作業(yè)后的土壤形成犁底層，不利于作物的生長。

3.2 秸稈粉碎還田機

秸稈粉碎還田機是通過動刀、定刀切碎秸稈，通過動刀架的高速旋轉(zhuǎn)使被連續(xù)喂入機殼的秸稈不斷被切碎并將其拋撒覆蓋于地表并耕翻后埋入土壤的還田機械。圖3、圖4是黑龍江農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院徐峰等研制的1JH-280型秸稈粉碎還田機，該機器可將收獲后的玉米秸稈粉碎并均勻地拋撒在地面上，秸稈粉碎長度至8 cm以下且不影響來年春季的免耕播種作業(yè)要求，但對于其采用正旋刀具會造成已耕土壤重耕，壅土明顯、鏟草嚴重、能耗大等問題還有待解決。

3.3 秸稈還田聯(lián)合作業(yè)機

目前，秸稈還田作業(yè)正朝著聯(lián)合作業(yè)機械方面發(fā)展，聯(lián)合作業(yè)機作業(yè)功能多樣，可同時完成深耕、旋耕、施肥等作業(yè)，一機多用，作業(yè)效率高。針對南方多熟制稻作區(qū)難以用人畜力及常規(guī)機械埋覆還田的實際情況，華中農(nóng)業(yè)大學張國忠研制了一種船式旋耕埋草機(圖5)，該機器不影響原配機具的使用，廣泛適用于割茬高度為0～700 mm的水稻、油菜、小麥等深、淺泥腳水田的埋草與耕整作業(yè)，一次完成壓稈、旋耕、埋稈、碎土、平地等多道聯(lián)合作業(yè)工序，秸稈覆蓋率達94.6%；但翻埋于土壤中的粉碎秸稈分布不均勻，壓實后易形成塊狀板結，不利于作物的播種。由約翰迪爾公司生產(chǎn)的搭載秸稈還田機的8320RT(圖6)，在實現(xiàn)收割、還田聯(lián)合作業(yè)的基礎上還能夠雙向駕駛，實現(xiàn)了操作的簡易性、快捷性，但該機具體積大，單次作業(yè)面積廣，作業(yè)成本高，不適應一般農(nóng)戶的需求。

4 我國秸稈機械化還田存在的問題

4.1 機具進行秸稈粉碎作業(yè)質(zhì)量差

我國是世界秸稈產(chǎn)量大國，當前的秸稈還田機械化技術雖然基本普及，但仍然面臨著還田不徹底、粉碎效果差、深耕不到位的問題，秸稈還田窗口期短，未及時還田處理的秸稈腐爛后易轉(zhuǎn)移到附近水體，對其造成污染，作物收獲后秸稈經(jīng)過機械切碎拋撒后多成條帶狀分布，對下茬的田間管理帶來不便，例如高性能半喂入式聯(lián)合收獲機的切碎裝置在秸稈切碎后不能全幅拋撒，仍然存在還田后一半幅秸稈量偏大、另一半偏小的問題。秸稈還田后的不完全深耕作業(yè)導致土壤緊實度提高，抑制了種子的呼吸作用，降低了土壤水分利用率，最終造成農(nóng)作物減產(chǎn)。

4.2 缺乏基礎研究與學科交叉

農(nóng)作物秸稈機械化還田及綜合利用是一項專業(yè)性較強的工作，但目前地方農(nóng)業(yè)部門對秸稈機械化還田研究不夠透明、徹底，沒有形成先進的科學技術與研究成果，秸稈利用方式粗放、利用效率低下，甚至部分農(nóng)村地區(qū)還存在秸稈焚燒現(xiàn)象，這對秸稈資源造成了極大的浪費，同時也對土質(zhì)造成了破壞，不符合國家秸稈還田的要求，對人的健康發(fā)展和人身安全埋下了隱患。

4.3 秸稈還田機具繁雜導致與農(nóng)藝要求不配套

目前所擁有的秸稈還田機的開發(fā)種類與數(shù)量眾多，但基本上僅限于機具結構上的改進，能夠根本上改變機械的作業(yè)原理，實質(zhì)上大幅度提升作業(yè)性能的機具較少。各地區(qū)由于地理位置與氣候條件不同，壟寬、壟高均有所差異，這導致還田機具與農(nóng)藝要求脫節(jié)，同時聯(lián)合機組的配套動力大，一次性投入成本高，這在一定程度上制約著農(nóng)業(yè)還田機械的發(fā)展。

5 我國秸稈機械化還田存在問題的解決對策

5.1 發(fā)展基于循環(huán)農(nóng)業(yè)的秸稈綜合利用模式

加強秸稈類生物質(zhì)資源化技術的發(fā)展，利用秸稈類生物質(zhì)制備燃料乙醇一直是世界各國研究的熱點，有關部門應加強對此的基礎性研究，實現(xiàn)秸稈制備乙醇的大規(guī)模、工業(yè)化生產(chǎn)。加強不同變量下秸稈炭化對土壤物理性質(zhì)、化學性質(zhì)、微生物種群的影響，董水麗等研究了秸稈焚燒對土壤養(yǎng)分及水分的影響，相較于普通還田，秸稈就地焚燒使 0～20 cm土層土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮含量降低16.9%、11.1%、6.6%，土壤含水量降低4.8%，但Verma發(fā)現(xiàn)，高強度的火燒使土壤容重增加，中低強度的焚燒則無顯著影響，針對此可設計出秸稈焚燒還田機，在機具設計冷卻與除塵裝置，相較于傳統(tǒng)還田方式，在短暫的秸稈處理窗口期內(nèi)快速處理秸稈，既可以增加土壤的有機成分，又保證了環(huán)境免受污染。

5.2 發(fā)展基于減碳、循環(huán)創(chuàng)新理念的秸稈利用模式

在碳達峰、碳中和以及鄉(xiāng)村振興的雙重背景下，農(nóng)業(yè)農(nóng)村減排尚存在巨大缺口和空間，成熟的秸稈資源化利用技術仍未得到廣泛推廣。對此，可針對現(xiàn)有秸稈機械化還田技術及后續(xù)的秸稈利用進行有效創(chuàng)新，加強低碳綠色農(nóng)機裝備的研發(fā)力度，減少秸稈機械化還田過程中二次碳排放問題，構建“秸稈-基料-食用菌”“秸稈-成型-燃燒-農(nóng)戶”“秸稈-青貯飼料-養(yǎng)殖業(yè)”等產(chǎn)業(yè)模式，實現(xiàn)農(nóng)民生活與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之間的有機循環(huán)，最后通過購機補貼、金融支持等農(nóng)機化政策，提高對低碳綠色農(nóng)機裝備技術的支持力度，探索農(nóng)業(yè)碳交易政策，實現(xiàn)碳達峰、碳中和下秸稈綠色利用模式。

5.3 秸稈還田機與農(nóng)藝相結合

農(nóng)藝、生物工程技術與農(nóng)用機械相結合是農(nóng)用機械化的必由之路，在采用秸稈機械化還田的同時，實施配套的農(nóng)藝栽培措施(覆蓋栽培、拋秧、免耕直播等)，同時研發(fā)相應的生物制劑加速秸稈的腐解，國家也可針對現(xiàn)有大農(nóng)場秸稈還田制定農(nóng)藝路線，生產(chǎn)廠家據(jù)此設計配套機具，再針對實際還田作業(yè)中存在的問題，依此進行優(yōu)化、二次設計，實現(xiàn)機具與農(nóng)藝的合理匹配。

5.4 加強對秸稈切碎裝置關鍵部件的研究

秸稈切碎裝置是保證秸稈粉碎拋撒作業(yè)的關鍵機構，其中刀片是粉碎機構中的關鍵部件，針對老式的L型刀片，賈洪雷等設計的V-L型刀片，在作業(yè)效果及穩(wěn)定性方面均有大幅提升；針對秸稈粉碎后拋撒不均勻，王慶杰等進行了創(chuàng)新設計，以地表為支撐面，采用曲柄連桿往復運動原理對秸稈進行切割處理，相較于原始的甩刀式切碎，該方法使秸稈粉碎后不漏粉、拋撒均勻，為后續(xù)的免耕播種提供了良好的作業(yè)環(huán)境。

6 秸稈機械化還田的發(fā)展趨勢及展望

秸稈機械化還田已經(jīng)被農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作為一項農(nóng)機化技術大力推廣，對我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義，目前秸稈機械化還田正在朝著以下幾個方向發(fā)展。第一，秸稈機械化還田聯(lián)合作業(yè)。聯(lián)合收割機使作業(yè)成本下降，適宜于大范圍耕作，符合向大面積、農(nóng)場式耕作模式轉(zhuǎn)變。第二，秸稈還田較強的適應性。未來機具的仿形能力、防堵裝置更加適應山區(qū)、丘陵等不同地形的作業(yè)，還田機具的性能可滿足不同作業(yè)深度、作物類型、不同秸稈還田量的需求，機具綜合性能大大提高。第三，秸稈機械還田作業(yè)智能化。如今電液控制技術與傳感器測量技術已經(jīng)廣泛應用于農(nóng)機控制系統(tǒng)的設計工作中，可基于現(xiàn)有北斗衛(wèi)星導航技術研發(fā)秸稈機械化還田作業(yè)精準管理系統(tǒng)，未來秸稈還田必然向軌跡監(jiān)控、靈活調(diào)度、分類統(tǒng)計分析趨勢邁進，精準化的管理也會提高秸稈機械化還田的作業(yè)效率。第四，加大對秸稈熱解機械炭化技術的研究。通過熱解技術將秸稈內(nèi)豐富的養(yǎng)分和能源資源以及有機碳加以分離進行分別利用，有機碳和養(yǎng)分重回農(nóng)田補充土壤養(yǎng)分庫，能源資源供機具利用，同時設計增濕、增重-粗除塵-細除塵的煙氣除塵組合工藝，在秸稈機械炭化還田的同時減少對環(huán)境的污染，踐行以節(jié)約資源、保護環(huán)境、提升地力為主要目標的秸稈機械化還田新技術、新措施，必能實現(xiàn)我們藏糧于地的目標。