基于专利视角分析的我国秸秆还田技术现状

刘起丽,张德奇2,刘树勇

(1.河南科技学院 资源与环境学院,河南 新乡 453003;2.河南省农业科学院 小麦研究所,河南 郑州 450002)

基于专利视角分析的我国秸秆还田技术现状

刘起丽1,张德奇2,刘树勇1

(1.河南科技学院 资源与环境学院,河南 新乡 453003;2.河南省农业科学院 小麦研究所,河南 郑州 450002)

秸秆属于重要的可再生资源,我国对秸秆的主要利用途径是还田。秸秆还田领域内的专利在一定程度上反应出秸秆还田技术的科技创新力与发展现状。针对近年来该领域的专利分布与特点进行了分析,对已有专利视角特征、秸秆利用研究潜力与前景进行了总结与展望,并提出了技术研究和专利形成过程中需要注意的问题,以期为我国秸秆还田技术的研究与发展提供一定的参考。

专利分析;秸秆还田机械;秸秆腐熟

科技创新是推动农业发展的基本动力,农业知识产权保护对我国农业发展具有基础性和先导性的作用[1-3]。美国、欧盟诸国的农业知识产权保护机制和激励机制起步相对较早[4]。我国作为农业大国,秸秆年产量可达8亿t左右[5],作为可再生资源,秸秆的有效利用将对我国农业的健康与可持续发展产生重要的影响。当今秸秆再利用主要渠道是秸秆还田,秸秆还田的效率直接关系到我国秸秆合理利用的全面战略布局。该领域的专利在一定程度上反映出最新的研究进展,成为秸秆还田技术进展的重要风向标。

由于我国秸秆还田技术研究起步较晚,人们对秸秆还田的认识曾一度不够深入。随着日益突出的秸秆问题,秸秆还田问题已成为国家重点关注的问题之一。随着我国对秸秆还田的支持力度不断加大,该领域的专利保护逐渐完善,保护了农业科研成果的有效利用与产权所有人的积极性和创造性[5]。由于对秸秆还田的重视程度不断加强,秸秆还田途径和方法不断创新,秸秆还田领域的专利正朝着多面化方向发展,逐渐呈现出实用性与方便性相结合的特点。为了更好地了解我国秸秆还田领域的技术创新和研究进展,本文综合分析了该领域的大量专利信息,力求为秸秆还田技术研究与发展提供参考。

1 国内外秸秆还田现状

秸秆还田能有效增加土壤中有机质的含量，改善土壤肥力状况，提高农田生态环境质量,特别是对补充土壤磷、钾等元素具有十分重要的意义[7-9]。世界上各农业发达国家都非常重视土地的用养结合和发展生态农业,因此秸秆还田得到了越来越多的重视和支持[10]。如美国秸秆还田量占秸秆生产量的68%,秸秆还田十分普遍,玉米、小麦、大豆、番茄等秸秆均用于还田;英国秸秆直接还田量占秸秆生产量的73%;日本大力推进秸秆分解菌技术用于秸秆肥制作,促进秸秆有效还田,取得了显著的经济效益和社会效益,该技术已在全世界20多个国家应用[11]。我国秸秆还田历史较长,目前农田秸秆还田率仍然较低,迫于农田生态系统和环境保护压力,未来具有较好的发展前景[12]。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”,南方已有的研究主要集中在水稻、小麦上[13],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、粮食作物研究多,经济作物研究少,如小麦、玉米、水稻等作物秸秆还田研究相对较多。秸秆还田如果采取的方法不当,会出现一些问题:一是对播种质量的影响,如对作物出苗和苗齐苗壮造成不良影响;二是秸秆等农残体中的病原菌有可能成为病害侵染的来源。针对以上问题,仍需进行大量研究和攻克相关的专利技术。

从秸秆还田方式[10]来看,有将秸秆直接还田借助于土壤微生物或添加秸秆腐熟剂实现秸秆养分还田，有通过秸秆田外堆肥沤肥、畜牧业过腹还田和食用菌业的菌渣还田等方式，不同的生态条件、经济因素和农林牧业发展情况决定了不同的秸秆还田方式。

2 我国秸秆还田领域的专利特点

秸秆还田作为目前我国解决农田废弃物的重要手段,最直接体现了直接性、高效性、可持续性、生态环保等优点。当前秸秆还田领域的专利申请偏好主要集中在秸秆腐熟剂与秸秆还田机具两个较为主流的方向。随着腐熟剂的不断丰富、还田机械的创新发展,两者必将走向一起实现一体化。此外,秸秆生物反应堆技术也是一个大的发展方向,可有效改善秸秆腐熟的微生态环境。依据技术侧重点不同,我国秸秆还田领域的专利主要分为秸秆腐熟类和秸秆还田类两大类。

2.1 秸秆腐熟类专利

秸秆腐熟菌剂是由多种有益微生物复合发酵而成,可快速启动腐熟有机物料的进程。其优点是:①秸秆腐熟快。通常情况下,秸秆15—20天即可腐熟,腐熟后能减轻病虫草害的危害与污染。②肥份高。使用秸秆腐熟剂生产的秸秆堆肥能增加土壤中的有机质含量,改善土壤的营养状况,提高化肥的利用率[14-19]。涉及腐熟剂的秸秆还田专利主要有:秸秆直接腐熟还田、秸秆生物反应堆技术处理后还田、腐熟剂喷洒秸秆同时还田等类型。

以“秸秆”、“腐熟”为搜索词,共检测到1244件专利,其中发明专利1211件、实用新型专利32件、外观设计专利1件、发明授权专利241件,相关的专利量年度分布趋势见图1。从图1可见,我国在秸秆腐熟领域的专利量一直处于上升趋势,自2012年之后迅速攀升,在2015年达到顶峰的455件。数据表明,秸秆腐熟技术受到越来越多的关注。不同省份的统计专利所属区域分布见图2。山东省的秸秆腐熟专利量所占比例最高,为21%,其次是安徽、江苏、广西。从技术分类来看,化学冶金领域的秸秆腐熟相关专利最多,而人类生活必需领域,纺织、造纸领域的秸秆腐熟类专利最少(图3),可见涉及农业领域的秸秆腐熟研究仍处于薄弱环节。从专利申请人统计数据来看,青岛海益诚管理技术有限公司拥有专利数量最多(图4);发明人统计数据表明,张旭东申请的专利量最多,其次为王寿南、胡刘满等(图5)。

图1 专利量总体趋势

图2 区域专利量分布

图3 技术分类——专利量排行

图4 申请人——专利量排行

秸秆直接腐熟还田:秸秆直接腐熟还田技术是在农作物收获后及时将作物秸秆均匀铺在农田上,撒施腐熟菌剂,调节碳氮比,加快还田秸秆腐熟下沉,以利于下茬农作物播种和定植,实现秸秆还田利用。作物收获后对秸秆喷施腐熟菌剂,在腐熟菌剂的作用下秸秆被分解为含有丰富氮、磷、钾和微量元素的成分,对下茬作物具有很大的综合利用价值[20]。已有专利表明,该技术主要应用在水稻免耕抛秧时覆盖秸秆快腐处理,小麦、油菜等作物免耕撒播时覆盖秸秆的快腐处理,这些已取得了较好的效果。如水稻免耕秸秆腐熟还田专利提出了一种有机稻生产技术。该技术利用水稻秸秆还田和施用稻糠,以改善土壤理化性质,提高土壤有机质含量,达到不施用化肥的目的,解决了大米生产过程中的病、虫、草、肥问题,为有机稻生产提供了一套全面可行的技术,能控制杂草生长繁殖而不施用除草剂。有的秸秆直接还田技术是将秸秆还田机械与腐熟剂有机结合,如实用新型专利的腐熟剂喷洒与秸秆还田作业一体机,在其前部装有腐熟剂喷洒装置,后部装有秸秆还田的拖拉机,可用较低的成本实现腐熟剂喷洒与秸秆还田作业同时进行,实现了秸秆还田省力、快捷、高效等要求。

图5 发明人排行

秸秆生物反应堆技术处理后还田:①秸秆腐熟池腐熟后还田。秸秆腐熟池腐熟后还田是指作物收获后将秸秆收集起来,按一定比例在腐熟池中添加腐熟菌剂、水、适量碳氮肥和满足腐熟剂菌类生活的各种条件,使腐熟菌剂能快速分解秸秆。如实用新型专利是一种将秸秆进行预处理的多功能池。该池包括圆柱形的匀浆池,匀浆池靠近顶部的外壁圆周面上设置有堆沤槽,堆沤槽与匀浆池内腔相连,将堆沤槽与匀浆池建为一体,可保证秸秆腐熟过程中产生的废水不外排,避免了资源浪费和污染。同时,可根据秸秆腐熟需要的时间合理设置堆沤槽,管理方便易行,能减少人工成本和管理成本,具有很高的实用性。又如内置式秸秆生物反应堆技术和外置式秸秆生物反应堆技术,内置式主要是开沟在秸秆中加入微生物菌种后埋入土壤中,适用于大棚种植和露地种植。②秸秆田间堆积腐熟后还田。田间堆积腐熟后还田是指将收获后的作物秸秆在田间集中堆积,喷洒腐熟菌剂进行腐熟,促进有机质矿化和腐殖化,促进秸秆腐熟,改善堆肥质量。该方法既把养分释放出来供作物吸收利用,消除了直接翻压还田产生有机酸和有毒物质对作物的毒害。腐殖质施入土壤后能增加土壤有机质含量,改善土壤结构,提高土壤肥力,实现农田生态的良性循环[21]。如秸秆堆肥组合物与堆肥法。该方法是在田间挖深0.5—0.8m的坑,按作物秸秆100—120kg、尿素0.5—0.7kg、12%过磷酸钙2—3kg、鲜土量100—200kg和适量水的比例充分拌匀堆放在地坑内,并在堆体顶部中设一凹坑加满水,对堆体上暴露在外面的秸秆用土覆盖,经过3—6个月作物秸秆腐熟后即获得堆肥。

2.2 秸秆还田类专利

以秸秆、还田为搜索词,共检测到1567件专利,其中发明专利653件、实用新型专利892件、外观设计专利22件、发明授权专利207件,同时获得了专利分布的特点。秸秆还田类专利的数量同比高于秸秆腐熟类专利。2015年的专利量最高,达到276件(图6);区域专利量分布以江苏省占比最高,其次是山东、河南、河北、安徽等省份,新疆维吾尔自治区的专利量也较多,排名第六(图7)。技术分类呈现集中化趋势,主要集中于人类生活必需(图8),这与秸秆腐熟类专利有明显区别。王森豹作为申请人和发明人的秸秆还田类专利量最多(图9),农业部、山东理工大学、中国农业大学、扬州大学、湖南农业大学成为秸秆还田类专利的申请“大户”(图10)。

图6 专利量总体趋势

图7 区域专利量分布

图8 技术分类—专利量排行

秸秆粉碎后自然腐解方式:收获作物后对秸秆进行粉碎,将粉碎过的秸秆均匀抛洒在田间表层,在自然条件下腐解还田。该还田方式的优点是成本低、机械化程度高,缺点是腐解慢。如实用新型专利之一的一种齿爪式玉米秸秆粉碎还田机,将玉米茎秆从根部割断,由捡拾器将秸秆投入粉碎室进行高效粉碎还田。该机器由秸秆切削滚刀总成、秸秆捡拾器、秸秆喂入辊、粉碎室、镇压辊、悬挂架、变速箱和传动系统组成,该机器在小麦、玉米“一年两熟区”应用较广。

图9 申请人——专利量排行

图10 发明人——专利量排行

秸秆粉碎后覆土还田方式:收获作物后对秸秆进行粉碎,同时对田块开沟将粉碎过的秸秆置入沟中覆土腐解或将秸秆粉碎后直接抛撒在地表,通过旋耕使土壤覆盖在秸秆上达到覆土效果。如实用新型专利——秸秆捡拾覆盖耕播沟多功能联合作业机具备一次性高效、高质量地完成切草耕松、施肥、播种、开沟和化除施药等机械化全套作业程序；又如实用新型专利——一种将物料撒施与秸秆粉碎还田联合作业机,包括机架、物料撒施机构、中变速箱、侧变速箱、传动机构Ⅰ、碎茬搅拌辊、起垄铲和镇压辊,可代替人工撒施物料,一次性粉碎田间农作物秸秆,同时完成搅拌物料、起垄、镇压等作业,省工省时、提高了工作效率。

3 讨论与展望

3.1 已有专利视角特征

本文从专利角度统计和分析了我国与秸秆腐解和秸秆还田相关专利的特点。整体来看,涉及腐熟剂的秸秆腐熟类专利总体数量低于未涉及腐熟剂的秸秆还田类专利,但仅从发明专利的数量来看,涉及腐熟剂的发明专利数量较多。在未涉及腐熟剂的秸秆还田类专利中,实用新型专利占有很大比重。山东省、江苏省、安徽省、河南省成为这两类专利的重点分布区域,说明这些省份在秸秆还田方面较重视，引起了研究热潮。专利申请人呈现出相对集中的分布特征,如青岛海益诚管理技术有限公司、农业部、山东理工大学、中国农业大学等单位和部分个人成为专利大户,拥有专利数量较多。可见我国高校和企业是当前研究秸秆还田相关技术的主力军。

3.2 秸秆利用研究潜力巨大

20世纪90年代以来,我国粮食主产区的秸秆直接还田是秸秆利用的主要方式之一。秸秆还田能有效增加土壤有机质含量、改良土壤理化性质、培肥地力[22]；同时,秸秆还田也是处理秸秆问题的主要方法,避免了因秸秆的不合理处理带来的污染,因此秸秆还田应用前景广阔。但随着秸秆还田的相关研究和专利申请面临着需要不断创新、专利有效转化等一系列难题的解决,可以更好地解决生产实际中的秸秆还田问题。相信在科学发展农业、可持续发展农业的战略思路上,秸秆还田将得到广泛重视和更多的资金投入,并取得更好的收益。

3.3 前景展望

从未来秸秆还田技术研究来看,以提升专利现实可行性为目标,笔者认为以下几方面问题需要注意:①注意技术与生态条件的契合度,立足不同区域水、肥、气、热等生态条件,形成高效利用秸秆技术。②注重多种生态链相结合,农牧菌循环可实现秸秆的循环利用。③重视机械化问题,无论哪种技术,如何实现机械化是提高效率的关键,将专利技术通过机械化提高效率、节省人力成本是未来的发展方向。

从秸秆还田技术发展前景来看,在专利形成过程中应注意:①注重协同性,尽量避免孤军作战。应广泛建立我国高校、科研院所与企业共同开发利用,将技术创新转化为生产力。②注重创新性和实用性。尽可能避免专利技术脱离生产实际,注重实用性和可操作性,以解决农业秸秆利用的实际问题。③注重量与质的转换。2007—2011年,我国秸秆还田相关专利发展速度相对平稳,2011年以后申请数量快速增多,但专利质量亟待提高。

[1]付丽洁,马三喜.论知识产权保护与我国农业发展[J].中国农业大学学报(社会科学版),2005,(2)∶35-39.

[2]魏国汶,戴天放,周海波,等.保护农业知识产权，促进现代农业发展[J].江西农业大学学报,2007,6(3)∶50-53.

[3]蔡红岩,徐晓红,王洪丽,等.加强农业知识产权保护，促进农业科技创新发展[J].安徽农学通报,2006,12(2)∶20-21.

[4]张晓云,邱平荣.论我国农业知识产权法律制度的完善[J].重庆科技学院学报,2007,(2)∶26-28.

[5]叶丽丽,王翠红,彭新华,等.秸秆还田对土壤质量影响研究进展[J].湖南农业科学,2010,(19)∶52-55.

[6]张文珠,李加旺.中国农业知识产权保护的现状与对策[J].中国农学通报,2003,19(3)∶142-144.

[7]杨文钰,王兰英.作物秸秆还田的现状和展望[J].四川农业大学学报,1999,17(2)∶211-216.

[8]周鸣铮.土壤肥力概论[M].杭州：浙江科学技术出版社,1985∶18-154.

[9]Himanshu Pathak,Ramandeep Singh,Arti Bhatia,etal.Recycling of Rice Straw to Improve Wheat Yield and Soil Fertility and Reduce Atmospheric Pollution[J].Paddy Water Environ,2006,4(2)∶111-117.

[10]杨滨娟,钱海燕,黄国勤,等.秸秆还田及其研究进展[J].农学学报,2012,2(5)∶1-4.

[11]李万良,刘武仁.玉米秸秆还田技术研究现状及发展趋势[J].吉林农业科学,2007,32(3)∶32-34.

[12]潘剑玲,代万安,尚占环,等.秸秆还田对土壤有机质和氮素有效性影响及机制研究进展[J].中国生态农业学报,2013,21(5)∶526-535.

[13]赵小蓉,蒲波,李浩,等.秸秆覆盖栽培对油菜土壤含水率和产量的影响[J].西南农业大学学报,2010,23(2)∶354-358.

[14]覃杏芬,梁红,张永龙,等.五种秸秆腐熟剂应用效果比较试验[J].吉林农业,2011,(6)∶98-99.

[15]陈璋.稻田秸秆还田腐熟剂品种比较试验[J].现代农业科技,2011,(16)∶250-251.

[16]许卫剑,庞娇霞,严菊敏,等.秸秆腐熟剂的作用机理及应用效果[J].现代农业科技, 2011,(5)∶227,279.

[17]李柱,钱素文，李莲.秸秆快速腐熟剂作用机理及应用技术[J].上海农业科技,2000,(6)∶81，71.

[18]佟丽华,王月英,刘桂华,等.玉米秸秆与根茬粉碎还田存在的问题及对策[J].华北农学报,2005,20(S1)∶321-323.

[19]周晓芬,张彦才.厩肥秸秆和绿肥的含钾状况及其对土壤和作物钾素的供应能力[J].华北农学报,1999,14(4)∶83-87.

[20]王宁堂,王军利,李建国.农作物秸秆综合利用现状、途径及对策[J].陕西农业科学,2007,(2)∶112-115.

[21]匡恩俊,迟凤琴,宿庆瑞,等.3种腐熟剂促进玉米秸秆快速腐解特征[J].农业资源与环境学报,2014,31(5)∶432-436.

[22]申源源,陈宏.秸秆还田对土壤改良的研究进展[J].中国农学通报,2009,25(19)∶291-294.

AnalysisofPresentSituationonStrawCounters-fieldTechnologyBasedonPerspectiveofPatentinChina

LIU Qi-li1,ZHANG De-qi2,LIU Shu-yong1
(1.College of Resource and Environment Science,Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China; 2.Wheat Research Institute,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,China)

Crop straws were important renewable resources.The main utilization way for straws was to be returned to field.The patent characteristics and content in the field reflected the scientific and technological innovation and the development of the current situation of straw returned.In this paper,the distributions and characteristics of the patents recent years in the straw returned field were analyzed.The characteristics with patent perspective of straw counters-field,the research potential of straw utilization and prospects were summarized and prospected.In the same time,the problems needed be attended in the process of the technique research and patent formation of straw counters-field were put forward,all of these were in order to provide reference and help in straw counters-field technology research and development in China.

patent analysis;straw manuring machine;straw decomposition

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.03.018

F323.2；X37

A

1005-8141(2017)03-0355-05

2017-01-06；

2017-02-23

“十二五”国家科技支撑计划项目(编号:2012BAD14B08);国家重点研发计划子课题项目(编号:2016YFD0300203-3)。

及通讯作者简介：刘起丽(1979-),女,河南省新乡人,博士,副教授,主要研究方向为资源微生物。