我国秸秆还田技术与标准的现状研究

杨 丽，刘 文，兰 韬，李慧媛，柴小粉

（1.中国标准化研究院食品与农业标准化研究所，北京 100191；2.中国农业大学园艺学院，北京 100193）

我国秸秆还田技术与标准的现状研究

杨 丽1，刘 文1，兰 韬1，李慧媛1，柴小粉2

（1.中国标准化研究院食品与农业标准化研究所，北京 100191；2.中国农业大学园艺学院，北京 100193）

我国秸秆资源非常丰富，每年大约产出8亿t，但秸秆还田率极低，就地焚烧或弃之不管的情况比较普遍，不仅浪费了资源，还对生态环境造成了严重污染。秸秆有效还田可改善土壤结构，提高土壤保水、肥、气、热的能力，能使土壤容重降低、孔隙度增加、有机质含量提高，养分结构趋于合理，通过培肥土壤带来经济效益和生态效益。文章介绍了国内秸秆还田技术的研究进展，对比了秸秆还田的多种方式，分析了秸秆还田技术研究的现状和特点，研究了我国秸秆还田标准的现状和需求。

秸秆 秸秆还田 方式 技术 标准

秸秆是农作物收获籽实后留在田间的茎、叶等副产物。秸秆产量多、分布广、品种多，大量试验表明，秸秆中含有丰富的有机质、氮、磷、钾以及各种中微量营养元素，其中碳、氮、磷、钾的平均含量分别为40%、0.3%、0.1%、0.45%，是一种重要的可再生生物资源[1，2]。我国是农业大国，秸秆资源丰富，农作物秸秆产量每年产出近8亿t，占世界总量的30%[3]。然而，我国秸秆资源的利用率较低，据调查，目前我国秸秆利用率约为33%，绝大部分的秸秆被随意堆弃或焚烧，这既是资源的严重浪费，同时也给生态环境造成污染[4]。如何行之有效地解决农作物秸秆的就地资源化利用问题已经迫在眉睫[5]。

秸秆还田技术是将秸秆肥料化利用的有效方法。研究表明：秸秆还田可以有效地增加土壤中养分含量，平衡土壤养分，调节土壤物化性状，改善土壤生态结构，改良土壤，培肥地力，改善作物种植环境，是改造中低产田建设的基本措施之一[6]。秸秆还田不但能将作物吸收的大部分营养元素归还土壤，而且能改善土壤结构提高其生态效益，同时还能避免秸秆燃烧带来的环境、安全等问题；此外秸秆还田减少了化肥的使用从而降低了农民种田成本[7]。杨佩珍[8]等发现稻麦秸秆直接还田使后茬水稻平均增产8%～9%；马永良[9]等发现秸秆还田后，20 cm以上土层的土壤容重与秸秆不还田的土壤容重相比明显下降，土壤的孔隙度增加，为作物良好的生长提供了有利的土壤环境；张静[10]等通过探究玉米秸秆还田数量对土壤质量及后茬小麦产量的影响发现在陕西灌溉地区，施加纯氮肥 138 kg/hm2相当于秸秆还田重量为9 000 kg/hm2，同时也能够缓解氮流失，使土壤有机质得到增加，提升了土壤肥力，且使接茬冬小麦的产量增加了7.47%；杨振兴[11]等研究表明，采用秸秆腐熟剂配秸秆粉碎还田可以显著提高玉米产量，使用腐熟剂提高了土壤微生物的数量，加速了秸秆的腐解，减轻和缓解了过量秸秆还田带给作物生长的不良影响，增加了土壤养分。通过秸秆还田提高土壤有机质含量，改善土壤生态结构，保水保墒，有效缓解土壤质量下降的难题[12，13]，可减少农用化学肥料的施入，减少秸秆焚烧而造成的生存环境污染，对促进我国现代农业的可持续循环发展有重要的作用和意义[14]。

1 秸秆还田方式概述

秸秆还田的方式有很多种，大致可分为5类，分别为粉碎翻压还田、覆盖还田、堆沤还田、焚烧还田和过腹还田[15]。按秸秆的利用方式可分为直接还田和间接还田[16]，直接还田又可细分为粉碎还田、整秆还田、覆盖还田；间接还田一般包括堆沤还田、过腹还田等。

1.1 覆盖还田

秸秆覆盖还田是将农作物秸秆或残茬，直接铺盖于土壤表面上，此方法适合小面积的人工整株倒茬覆盖[17]。随着时间的延长，秸秆逐渐腐解于土壤中，腐解后能够增加土壤中有机质的含量，补充土壤氮磷钾和微量元素的含量[18]，改善土壤的理化性状，有利于加速土壤物质的生物循环，而且秸秆覆盖还田可使土壤饱和导水率提高，土壤蓄水能力增强，能够调控土壤供水，提高水分利用率，促进植株地上部分生长[19]。秸秆在覆盖情况下，能够形成低温时的“高温效应”和高温时的“低温效应”2种双重效应，调节土壤温度，有效缓解气温激变对作物生长的伤害[20]。该方法的优点是防止了土壤受到风、水等自然侵蚀，加深了耕层，起到保水保墒的作用[21]。不足之处是部分未完全腐熟的秸秆会使第二年的播种受到影响，因此需要研究与之相配套的农业播种机械器具。机械化的还田方式是最为快捷和方便的直接还田方法，但是由于目前我国农村地区经济发展水平能处于较为落后状态，农民个人无法购买机械进行机械还田，大部分地区仍然采用传统的秸秆还田方式，如直接或者堆积腐熟施入土壤，改善土壤的性质，提高土壤的肥力[22]。

1.2 粉碎还田

利用机械工具将农作物秸秆进行粉碎，同时用旋耕机把粉碎的秸秆翻入土地中[23]。此方法可用于玉米、水稻等大田作物秸秆还田。还田的生产效率比普通的秸秆利用方式可提高 40～120倍[24]。秸秆粉碎还田后，能够加速秸秆在土壤中的腐解速度，从而被土壤快速吸收，改善土壤的团粒结构和理化性状，增加土壤肥力，促进农作物持续增产增收[25，26]，节约化肥用量，促进农业可持续发展。秸秆覆盖还对干旱地区的节水农业有特殊意义，是实现大面积以田养田、保护生态环境、建立稳定的高产农业的新模式。

1.3 堆肥还田

秸秆堆肥还田一般指在田间地头就近选址，将作物茎秆、绿肥、杂草等植物性物质与泥土、人粪尿等混合堆积于地面或挖坑堆积地下[19]，在高温且厌氧环境下经微生物分解而成的肥料，可提供多种营养元素并改良土壤理化性状[27]。尤其对改良砂土、粘土和盐渍土有较好效果，具有良好的经济效益、社会效益和生态效益。秸秆堆肥还田是解决中国当前有机肥源短缺的主要途径，也是中低产田改良土壤、培肥地力的一项重要措施[19]。该方法可有效杀灭秸秆中病虫害，并缩短秸秆腐熟时间，同时减少秸秆中有机质及氮素的损耗，秸秆堆沤时腐熟矿化加速，释放养分，降解有害的有机酸、多酚等，杀灭寄生虫卵、病原菌及杂草种子等，在实际应用过程中秸秆腐熟剂的效用是技术关键[28]。

1.4 过腹还田

过腹还田就是将作物秸秆作为家畜饲料喂养家畜，借用动物将秸秆进行消化以畜禽粪便形式归还于土壤，从而增加土壤中的养分，改善土壤状况[29]。目前，普遍推广应用的主要有青贮氨化过腹还田技术，实现了秸秆—饲料—牲畜—肥料—粮食的良性循环，使土壤更容易吸收养分[19]。过腹还田法是在畜牧业发达地方普遍采用的一种秸秆还田法，是一种效益很高的秸秆利用方式，不足之处是青贮氨化需要占用一定的空间，并且耗时较长[22]。

1.5 碳化还田

广义的秸秆碳化还田既包括传统意义上的秸秆焚烧还田，也包括在封闭空间将秸秆进行碳化后作为肥料还田。秸秆焚烧还田曾经是最为传统的一种还田方式，主要是将收获的农作物秸秆直接点燃或用辅助燃料点燃[30]。该方法将秸秆全部还于土壤中，增肥效果最为明显，但会造成空气环境的污染，燃烧的气体对人类身体存在安全隐患，而且控制不及时还会存在火灾安全，因此现在社会、政府及民众正在大力倡导禁止秸秆焚烧。但是，秸秆在限氧条件下经低温热裂解炭化并作为土壤改良剂还田，在近10年来一直是国内外农业固体废弃物处理及农业环境领域的一大研究热点。

从我国秸秆还田现状可以看出，当前我国秸秆还田技术仍处于起步发展的状态，在秸秆还田、保护环境、改善土质、提高土壤肥力、实现农业的可持续发展的道路上还有很长的路要走[22]。

2 秸秆还田技术研究的现状和特点

我国利用农作物秸秆的历史悠久，距今已有2 000多年历史[31]。农村中有大量富余秸秆[2]，大部分秸秆用作燃料，少部分用于垫圈、喂养牲畜及还田[31，32]。目前农田秸秆还田率仍然较低，当前的一些秸秆利用技术存在着产品质量不稳定、原料利用率低、环境污染等问题，难以高值化利用可再生秸秆资源[33]。统计结果显示，我国年产农作物秸秆中30%用作农用燃料，25%用作饲料，2%～3%用作工业生产原料，6%～7%直接还田，还有35%剩余秸秆未被合理利用[34]。

2.1 秸秆还田的区域研究特点

近些年随着农业发展，秸秆作为最大的农业副产物产量不断剧增，关于秸秆利用的技术手段不断升级，秸秆还田可以很好的解决当前面临的秸秆—土壤—环境三者的良性循环问题，未来具有较好的发展前景[35]。从区域研究来看，我国对秸秆还田的研究主要集中在北方小麦与玉米“一年两熟区”的旱作区，该区域秸秆还田技术也日趋完善，无论是机械粉碎还田、秸秆覆盖还田和生物化学沤肥都取得了一定的研究成果；而南方已有的研究主要集中在水稻、小麦上，主要特点为干旱半干旱区域多、湿润半湿润区域少，如以黄土高原、华北平原干旱半干旱区域秸秆还田技术攻克的研究较多，粮食作物秸秆是我国主要的秸秆类型，稻草、玉米秸和麦秸是产量最高、分布最广的三大作物秸秆，约占秸秆资源总量的2/3。油菜籽和棉花是秸秆可规模化利用的主要经济作物，相对来说研究的比较少。“八五”期间，中国农科院等单位对秸秆还田的方式、时间、数量、施氮量、粉碎程度、土壤水分和防治病虫害等方面进行了深入研究并制定了秸秆还田的技术规程，为秸秆还田奠定了一定的基础。但就目前而言，多数研究仍局限于秸秆还田的培肥效果及对作物的产量效应，而对于秸秆施入土壤后速效养分的动态变化及配施氮、磷对其腐质化系数的影响方面研究不多[35-40]。

2.2 秸秆还田的机械化研究

秸秆机械化还田作为实现秸秆还田的最直接有效和快速的方式，在进行大面积秸秆还田机械化作业时，要注重开展以下研究[22]。一是还田过程中大型机械、中型机械和小型机械之间的综合运用，使机械化秸秆还田技术能够满足不同农业生产类型及不同农业地区的要求，提高机械还田的适应性[6]。二是增加农业机械的高效性，不断提高机械质量，减少生产过程中的投入成本，使秸秆还田机在不同的经济类型区能够广泛应用[41]。三是提高秸秆机械使用的高效性，在最大程度上确保机械在使用过程高质性，加大机械在生产过程中的成本投入，提升机械性能，使之能够适用于不同类型的农业生产区。在秸秆还田机械化过程中还需注意肥料的科学使用，使秸秆还田能够在最大程度上提升农作物产量，减少经济成本的投入[42]。

2.3 秸秆还田农机与农艺相结合

农机和农艺相结合是未来秸秆还田发展的方向。其中主要包括两方面的研究，一是在采用农艺方式时要开发、研制相应的农业机械（如插秧机、抛 秧机））和生物制剂（如快速腐解剂等）。 通过简化农艺措施和使用生物制剂使还田的秸秆能够高效、快速腐解。二是在采用农业机械化秸秆还田的同时，实施配套的农艺栽培措施（如覆盖栽培、抛秧、免耕直播等），在实施中还可以加入一定量的化学试剂，实现秸秆快速腐解的目标，减少机械进地作业次数；同时严格控制机械化作业过程中导致的不良影响，科学调理农田土壤性状，实现农田增肥目的[43，44]。

2.4 生物工程技术运用于秸秆还田

秸秆还田的效果主要取决于秸秆能否进行快速的腐化和分解，腐解剂、微生物制剂能进一步加速秸秆的腐解。机械粉碎可以使秸秆的物理性状得到改变，扩大秸秆的接触面积，进而加速腐解速度。因此，将机械化秸秆还田与生物技术有机结合，能更有效地解决秸秆还田问题[45]。但这种方式会造成含有大量的C/N比例的秸秆腐解程度大大降低。研究表明，生物菌剂能够加快C/N的分解。因此，在未来秸秆还田技术研究中，秸秆还田过程中离不开秸秆腐熟剂，秸秆降解菌是研究的关键也是重点，应加大对生物工程技术的开发利用，注重对快速腐解秸秆生物菌剂的研制。所以生物工程技术的发展前景良好，对这一技术进行重点研究，可以更好地节省时间和成本，这将是我国未来秸秆还田技术发展过程中的主要研究方向之一[46]。

我国秸秆还田技术研究已取得一定成果。但针对我国目前秸秆还田中出现的一些问题，秸秆还田的技术研究应融入机械、农艺及生物等多个学科的综合研究，以达到节本增效的目的；同时应因地制宜地进行还田，提高土壤肥效，改善土壤环境，做好还田后病虫害及重金属、抗生素残留防控等后续研究工作。

3 秸秆还田标准的现状与需求

目前我国已有的关于秸秆肥料化利用的国家标准基本属于空白状态，只有少数地方标准，例如苏州市农业地方标准DB 3205/T 197-2011《稻麦秸秆全量还田技术规范》、安徽省地方标准DB 34/T 1090-2009《稻油两熟制油菜秸秆还田机械化作业技术规范》、安徽省地方标准DB 34/T 1089-2009《麦玉两熟制玉米秸秆还田机械化作业技术规范》、河北省地方标准DB 13/T 1045-2009《机械化秸秆粉碎还田技术规程》。由于秸秆在收储运及还田方面基本是机械化操作，所以秸秆还田相关机械的标准业十分关键，其结构、性能和指标可能直接影响到还田效果，目前，已发布的秸秆还田机的标准有NY/T 500-2002《秸秆还田机作业质量》。上述标准无论从数量和内容上都无法满足秸秆资源化利用的需求。

3.1 秸秆机械化收储运标准的研究与制定

高效的机械化收储运可以减少秸秆损失，增加秸秆可获得量，降低收集成本，改善作业环境，解放劳动力，争取时间。高度机械化的收储运作业保证了秸秆的物理、化学和生物特性的统一；规范的收储运技术，有利于提高秸秆原料及终产品的质量。而在储存过程中不当的收储技术易造成秸秆腐烂甚至自燃；秸秆腐烂导致纤维素、半纤维素流失，将会降低秸秆有机肥和所生产基质的品质；自燃会带来消防安全问题；不当的储存措施会导致有机酸等液体渗漏，对环境带来污染。因此急需制定秸秆机械化收储运技术标准，重点规范秸秆收割留茬高度及方法、秸秆好氧储存、厌氧储存、堆垛高度、消防要求、秸秆运输等方面的要求。

3.2 秸秆原位还田及农田土壤修复技术标准的研究

玉米是我国主要的粮食和饲料作物，我国玉米及其秸秆产量均为世界第一，玉米产量关系到国家粮食安全。近年来，由于高强度利用土壤，土壤有机质呈现下降趋势，严重影响了粮食及其他农作物的产量和品质。玉米秸秆还田是秸秆综合利用的有效途径，可大大提高土壤有机质含量，改善土壤结构，增加土壤养分。目前我国低温条件下的秸秆还田技术取得了较大的研究进展，研究成果急需转化为技术标准，以促进北方数量巨大的秸秆的资源化利用。急需制定玉米秸秆原位还田培肥土壤的技术规范和玉米秸秆覆盖还田技术规范，针对不同区域的环境条件，建立适宜玉米秸秆翻埋还田的环境条件及不同生态区玉米秸秆翻埋还田技术模式；针对现行玉米收获、秸秆粉碎灭茬、秸秆翻埋、联合整地等作业机械的特点，筛选出适合不同地区玉米秸秆翻埋还田配套耕作体系的机械类型；针对不同区域土壤、气候、耕作制度等特征，制定适宜于不同区域特点的玉米秸秆翻埋还田技术标准。主要规范玉米秸秆还田的方式、作业流程、摘穗、粉碎抛洒、重耙、冬灌、翻耕、覆盖、病虫防治、土壤灌溉、病虫杂草防治等方面的技术要求。

3.3 秸秆工厂化生产有机肥技术标准的研究与制定

秸秆肥料化利用是农作物秸秆综合利用最有效的途径。但由于农作物秸秆数量巨大，而且运输成本较高，传统的有机肥生产经营模式不能适合当前秸秆处理的需求，推广秸秆堆腐肥料化利用急需采用秸秆田间堆腐肥料化模式，在秸秆集中区域建立堆腐场，集中收购秸秆、集中堆腐，堆腐后的有机肥在当地直接还田，急需开展秸秆工厂化生产有机肥技术标准的研究与制定，重点开展功能性有机物料腐熟剂生产技术研究，筛选出能快速腐解、不拮抗、抑制病原菌的原始菌株，通过培养、高密度—联合发酵、板式压滤、低温干燥、高效生物载体复配等研究，研发既高效腐熟作物秸秆又防控有害生物的有机物料腐熟剂；开展秸秆规模化快速堆腐技术研究，采用秸秆田间堆腐肥料化模式，集中收购秸秆、集中堆腐、直接还田，形成秸秆规模化快速堆腐综合配套技术及标准，实现降低秸秆处置成本、减少化肥用量及培肥土壤的目标。

3.4 秸秆碳化还田系列技术标准的研究与制定

秸秆在限氧条件下经低温热裂解炭化并作为土壤改良剂还田，在近10年来一直是国内外农业固体废弃物处理及农业环境领域的一大研究热点。它有利于农田土壤固碳、减排，可有效改善土壤性质、提高土壤肥力并促进农作物增产，而且还能有效固定土壤有机无机污染物、降低作物吸收。随着研究的深入，秸秆炭化还田的优点已被逐步证实，秸秆生物质炭的产业化发展在我国也日趋成熟。2017年农业部明确将秸秆炭化还田作为秸秆农用十大模式之一，秸秆炭化还田已经从试验研究走向实际应用。然而，从秸秆炭化前的收集处理—秸秆炭化—秸秆生物质炭的包装标识—生物质炭还田的整个过程，在国内尚未有统一的标准，亟需制定相应的标准来规范秸秆生物质炭的生产、包装及农田施用，从而指导并规范秸秆炭化及还田过程，保障农业可持续发展。

4 总结

秸秆资源的充分、高效利用符合循环经济及可持续发展的要求，关系着整个农业、畜牧业、种植业的未来发展，具有十分广阔的发展前景。目前，关于秸秆还田的国家标准、行业标准都存在空白，虽然有少量的地方标准，但标准的使用范围和标准化对象都有其局限性。当前，秸秆还田技术的研究成果已经研发成熟，在秸秆还田的实践中被广泛应用，技术转化为标准的时机已经成熟。2017年11月，国家发布了《国家质量基础的共性技术研究与应用》项目的申报指南，其中第4章产业共性技术标准的4.2项目“农业清洁与循环生产共性技术标准研究”中就将农作物秸秆在收储运、原位还田、基料化栽培、无土草毯生产、饲料加工等方面的共性技术标准研究作为申报重点，将促进秸秆综合利用方面技术的进步、完善、成熟和相应标准的制定，从而通过标准的应用和实施，更好地推进秸秆还田技术的进步，对于促进我国秸秆资源的综合利用，改善土壤质量，促进农业循环和可持续发展将产生深远的影响。

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