湘西秸秆资源化利用现状及其在植烟土壤改良中的应用

颜 波，黄琼慧，邓小华*，王树兵，操张红

（1湖南省烟草公司株洲市公司茶陵县分公司，茶陵412400；2湖南农业大学农学院，长沙410128；3长沙县黄兴镇农业综合服务中心，湖南长沙410133；4湖南省烟草公司张家界市公司，张家界427000）

中国是农作物秸秆资源最为丰富的国家之一，农作物秸秆种类多、数量大、分布广。随着农作物秸秆产量增加和农村替代能源的应用，加上农作物秸秆资源不清、利用现状不明，以及综合利用成本高、经济效益差、产业化程度低等原因，农作物秸秆出现了地区性、季节性、结构性过剩，大量农作物秸秆资源没有得到充分利用。因此，推进农作物秸秆资源化利用，不仅可以缓解农村在饲料、肥料、燃料和工业原料等方面的短缺问题，而且有利于农村生态环境保护和促进农业可持续发展。

1 农作物秸秆利用途径

农作物秸秆是指收获农作物经济产品后（主要为籽实）所剩余的地上部分的茎、叶、藤蔓、穗的总称，通常指烤烟、大豆、油菜、水稻、小麦、玉米、薯类等农作物在收获经济产品后剩余的部分［1］。目前，秸秆资源化利用的主要有肥料化、饲料化、能源化、工业原料化等途径。

1.1 肥料化利用

农作物秸秆含有丰富的有机质和矿物质营养，作为肥料还田可以补充土壤碳、氮、磷、钾、硫、铜、锰、铁、锌等元素，还可为土壤微生物提供碳源和氮源，有利土壤有机物分解、养分转化和土壤养分平衡，增强土壤肥力。农作物秸秆肥料化主要有秸秆直接还田、秸秆粉碎翻压还田、秸秆覆盖还田、秸秆堆制有机肥再还田、秸秆过腹还田、秸秆焚烧还田等方式。

目前，农作物秸秆肥料化利用面临难题主要有：秸秆还田过程中分解产生甲烷、硫化氢、二氧化碳等有害气体可能毒害农作物根系，同时还污染大气环境；秸秆还田机械化程度较低，增强了劳动强度和用工；秸秆还田需经3～4年或更长时间才能见成效，生态效益周期较长；某些农作物秸秆在田间腐解慢，其残茬会影响农作物的播种质量和生长［2～4］。因此，农作物秸秆肥料化利用还有待于进一步改进和完善。

1.2 饲料化利用

农作物秸秆作为草食动物的饲料部分替代中国紧缺的草地资源，充分发挥秸秆的营养价值，可节约大量粮食，对于发展节粮型畜牧业具有重要意义，是缓解未来我国农产品供需矛盾和节粮路线的重要一环。农作物秸秆饲料的加工分为物理、化学和生物处理3种方法。农作物秸秆采用切段、粉碎、膨化、蒸煮、压块等物理处理方法，简单且易于推广，但不能增加农作物秸秆饲料的营养价值；采用碱化、氨化、氧化剂等化学处理法，可以提高畜禽采食农作物秸秆饲料的数量和增加体外消化率，但也容易造成畜禽过量摄入化学物质；采用青贮和微贮等生物处理方法，可以提高农作物秸秆饲料的营养价值，但青贮技术要求较高，处理不当会造成农作物秸秆腐烂变质。目前，我国农作物秸秆饲料化利用还处于一种低水平、低效率的发展阶段，农作物秸秆饲料化处理技术需要进一步改进［5］。

1.3 能源化利用

农作物秸秆含有40%左右的碳，具有14.0～17.6 MJ／kg的能源密度，其燃烧热值相当于标准煤的50%。农作物秸秆能源化利用主要有3种方式：农作物秸秆直接燃烧作为能源，如传统方式的薪材、现代方式的秸秆加工成型产品—生物质颗粒、秸秆发电等；农作物秸秆转化为气体燃料，如农作物秸秆制沼气和水煤气等；农作物秸秆转化为液体燃料，如农作物秸秆制成乙醇后再做燃料等。

农作物秸秆直接燃烧的效率低（仅为12%～15%），且在燃烧过程中会产生二氧化碳、甲烷、氧化氮、二氧化硫等温室气体和烟尘，污染生态环境。因此，为降低秸秆燃烧污染环境和提高农作物秸秆能源化利用效率，其发展趋势是将农作物秸秆直接燃烧转化为其他高效率的能源利用［1，6］。

1.4 工业原料化利用

秸秆可作为包装、建材、食品、造纸、工艺品编织以及培养食用菌等工业原料利用。秸秆纤维可以用于生产可降解型包装材料、轻质建材，还可作为多种食品与糕点、酿醋酿酒、制作饴糖等的原料。农作物秸秆是中国造纸工业的重要原料，如麦秸、稻秸、甘蔗渣、棉秆、麻秆等现已广泛应用于造纸业。在现代编织业中，农作物秸秆广泛用于门窗、花盆、草帘、草帽、草席等多种工艺品和日用品生产中。由于农作物秸秆资源丰富，成本低廉，并含有丰富的碳、氮、矿物质及激素等营养成分，已被用做蘑菇、草菇、平菇等多种食用菌的培养料［6，7］。

2 湘西农作物秸秆利用现状

2.1 农作物秸秆资源数量

根据2011年和2012统计数据，湘西州主要农作物有水稻、玉米、薯类、油菜、烤烟、大豆、小麦、苎麻、棉花等9种。参考相关研究［8］，确定湘西州水稻、玉米、薯类、油菜、烤烟、大豆、小麦、苎麻、棉花的秸秆系数分别为0.98、0.96、0.52、2.98、0.85、1.52、1.38、6.55、3.35。经统计，2011年湘西州秸秆总量为995 969.08 t，2012年湘西州秸秆总量为1 002 281.62 t。稻草为湘西州主要农作物秸秆，占53.42%，其次是油菜秆，占20.22%，再次为玉米秆，占12.95%。各作物秸秆数量如表1所示。

表1 湘西州农作物秸秆资源数量及所占比例

2.2 农作物秸秆资源利用现状

湘西州农作物秸秆资源化利用程度低，主要用途为秸秆还田［9～11］或做饲料。秸秆资源利用主要存在以下问题：

（1）未能充分合理利用。农作物秸秆是传统农业生产和生活中不可缺少的生产要素与生活资料。随着农业现代化的推进和农民生活水平的提高，农作物秸秆利用方式发生了显著变化，液化气、煤、电等现代商品能源的普及替代了秸秆燃料，商品化肥使用替代了秸秆有机肥料，混合饲料养畜禽减少了秸秆饲料用量的需求，现代建筑材料替代了秸秆建材。农作物秸秆在农村能源、肥料、饲料、建筑材料等方面的原有用途逐渐消失或弱化。

（2）造成环境污染和资源浪费。焚烧秸秆会直接烧死、烫死土壤中的微生物（包括有益微生物和有害微生物），引起土壤板结，影响作物充分吸收土壤养分，从而“毁灭性”地破坏土壤。大面积焚烧秸秆还会造成地表失墒、近地层大气气温升高和气象观测数据失真。秸秆焚烧与废弃乱放，不仅造成生物资源浪费，而且污染环境，破坏生态平衡，影响农村环境卫生和土壤肥力。

（3）秸秆直接还田方式简单［12～14］。秸秆砍成小段直接撒施在地里，通过翻耕来实现秸秆还田。这种方式在作物生长初期存在秸秆腐解与作物生长争氮的问题，旱地秸秆还田还会造成土壤水分不足，还可能造成作物病虫害严重发生与蔓延。

（4）秸秆产业开发带动力不强。秸秆综合利用本大利小，导致秸秆综合利用龙头型、骨干型企业数量少、规模小；收集农作物秸秆经济效益差，主要是收集农作物秸秆用工多、运输成本高；企业投资开发利用农作物秸秆的意愿不高，主要原因在于企业获利较低；农作物秸秆综合利用新型技术尚不成熟，在农村推广存在一定障碍，如秸秆气化集中供气工程投资大，秸秆生产商品有机肥的养分稳定性差等［15］。

（5）秸秆收储困难［15］。湘西州为山区，秸秆资源分布区域较散，且大多分布在山区，收获季节性集中，造成秸秆的收集和贮运用工多、难度大、成本高，且秸秆收购服务体系不健全，导致秸秆收集和贮运问题始终成为制约秸秆资源化发展的瓶颈。

（6）秸秆资源化利用政策配套有待完善［15］。目前，政府部门对农作物秸秆资源化利用不够重视，缺乏政策激励机制和扶持资金，部分补贴资金落实不到位，导致秸秆资源化利用单位或个人的积极性不高。

3 农作物秸秆资源在烤烟生产上的应用

土壤是影响烟草产量和品质的重要环境因素。烟草虽然可以在多种类型土壤上生长，但优质烟对土壤的要求比较严格［16］，不同的土壤类型种植的烤烟，其品质和产量差别较大。目前土壤质量下降已成为优质烤烟生产可持续发展的最大障碍因素。植烟土壤中有机质的变化取决于有机物施用的数量、腐殖化系数、土壤中原有有机质的矿化率。应用农作物秸秆还田可增加土壤有机质水平，提高秸秆腐解后的腐殖化系数，降低原有有机质的矿化率。应用农作物秸秆还田能明显提高土壤速效钾含量，这可能与秸秆中钾含量较高和微生物固定较少有关。国内外大量的试验证明，农作物秸秆还田可提高土壤有机质和速效钾含量，增加土壤中微量元素的含量，增强土壤中微生物及各种酶的活性，促进水稳性土壤团聚体的形成，降低土壤容重。农作物秸秆还田对植烟土壤的改良和对烟叶品质的影响在于它对烟叶具有养分平衡效应、生物活性物质效应和协调生长环境效应［17］，有利于土壤性状的改良与维护和提高烟叶品质。

目前，农作物秸秆在烤烟生产上的应用主要包括3个方面。一是将农作物秸秆作为生物质燃料用于烟叶的烘烤。二是用农作物秸秆生产有机肥。三是农作物秸秆直接还田作肥料并改良土壤。其中，农作物秸秆还田利用技术主要有：农作物秸秆溶田技术、农作物秸秆有机肥腐熟技术、农作物秸秆覆盖技术。但农作物秸秆直接还田技术在烟草上使用存在如下挑战性：

（1）烟株生长期氮素供应。秸秆还田可改良植烟土壤，但不可忽视对烤烟生产当季的烟叶品质的负效应。已有研究表明，作物氮营养的重要来源是土壤中有机态氮经矿化作用形成的无机态氮，50%的氮来自土壤矿化有机氮［18］。部分学者认为，缓效的有机氮不利于烤烟早期生长，而且会影响烤烟品质，不支持在烤烟上使用有机肥，包括秸秆还田。秸秆还田后，前期强烈的氮素生物固持作用，使土壤有机氮素水平提高，无机氮素缺乏，导致作物生长与土壤微生物争氮素，产生“氮饥饿”现象，用量过大时烟株表现为发棵慢；后期又进行相对强烈的有机氮矿化作用，提高后期土壤供氮水平，而且烟株后期吸收的氮素主要来自于土壤有机氮的矿化，不利于烟叶正常落黄成熟，并导致上部烟叶的烟碱浓度升高，对烟叶的品质有着极大的影响［19，20］。

（2）秸秆覆盖影响烤烟早生快发。秸秆覆盖技术对土壤的扰动小，在烟草上应用存在的挑战性比秸秆耕翻还田小。地膜覆盖在烟叶生产中起到了明显的保温和保墒作用，但地膜覆盖后易造成烟苗灼伤、根系上移、抗逆性变差等负面作用。秸秆覆盖则可缓解这些问题，但秸秆覆盖前期升温效果不明显，烤烟早生快发优势不及地膜覆盖栽培。前膜后秸秆覆盖和秸秆地膜双覆盖技术，可解决秸秆覆盖对烤烟早发的影响。前膜后秸秆覆盖栽培技术（烟株生长前期覆盖地膜，揭膜后覆盖秸秆直至采收结束）在烟草不同生育期有保墒作用。同时，在烟草生育前期的气温偏低季节，地膜覆盖能显著提高地温；在气温偏高季节的生育中后期，秸秆覆盖能阻挡地表受光，减少地表蒸发，可保持土墒、平抑地温。秸秆地膜双覆盖技术（在秸秆覆盖的基础上进行地膜覆盖）也同时具备了秸秆、地膜覆盖方式的优点，揭膜后秸秆产生覆盖接力作用。采用秸秆地膜双覆盖方式，前期秸秆在地膜覆盖作用下已部分腐解，有利于秸秆在土壤中的腐殖化。

4 湘西植烟土壤改良中秸秆资源化利用对策

农作物秸秆在湘西烟区应用主要在以下方面：一是作为生物质能源用于烤烟的烘烤燃料，目前正在开展相关方面的研究；二是生产有机肥料用于烤烟生产；三是农作物秸秆过腹还田，主要利用玉米秸秆和稻草养牛，用牛粪改良土壤；四是农作物秸秆覆盖还田，主要利用稻草覆盖栽培烤烟；五是秸秆粉碎还田，主要是玉米秸秆收获后粉碎直接还田。秸秆资源化利用虽已经取得了一定的成效，但仍然存在一些问题，可以采取以下措施对湘西植烟土壤进行改良。

4.1 政策引导与扶持，实行激励机制

农户焚烧秸秆造成严重的环境、社会和生态危害，不能得到有效遏制的一个根本原因是缺乏有效的激励机制。建立可行、成本较小、操作性强的奖励机制，包括资金扶持、奖励、补贴等，使农民在农作物秸秆资源化过程中获得比秸秆焚烧更大的收益。

4.2 科学规划，建立秸秆综合利用循环经济示范区

针对秸秆资源化开发的特点，结合湘西州新农村建设和烟草产业发展现状，在主要烟区建立秸秆综合利用循环经济示范区。示范区结合烤烟生产特点，循环利用烟草秸秆、玉米秸秆及其伴生资源和各种作物生产废弃物，将传统的秸秆资源→产品→肥料的直线式经济模式，变成资源→产品→废弃物→再生资源的反馈式经济发展模式。

4.3 改进现有技术，多渠道推广先进的秸秆资源化利用技术

实现农作物秸秆资源化利用，不能仅靠单一的技术，必须改进现有技术，因地制宜多渠道开发秸秆资源化利用技术和设备，同时配套各项优惠政策和激励机制，实现秸秆的有效、高效利用。

（1）将秸秆做成生物质颗粒，秸秆气化等，将生物质能源用于烟叶烘烤。

（2）将烟草秸秆与其他秸秆混合生产有机肥，用来作为烤烟或其他作物的肥料。

（3）水稻秸秆直接溶田。秸秆直接覆盖还田，秸秆腐解较慢，不利烤烟早生快发。湘西州烟稻一年一熟轮作制为主要模式，农田冬闲时间长。在水稻收获后，将水稻秸秆砍成20～30 cm的小段，结合秋冬翻耕，直接溶田，效果较好。

（4）玉米秸秆直接沟埋还田。湘西地区玉米一般为一年一熟制，冬闲时间长，种植较分散，将秸秆收集进行加工较困难。可以将秸秆就地沟埋，辅以一定的秸秆腐解剂，利用较长的休闲期，秸秆完全可以腐解，不影响下季作物生产。如玉米收获后，将玉米秸秆就地埋于垄沟内，辅以秸秆腐解剂，在烤烟移栽时，秸秆基本腐解，不影响烤烟前期生长。

（5）油菜秸秆覆盖还田。油菜秸秆直接翻耕还田与其他作物播种存在季节矛盾，可以将油菜秸秆覆盖还田。

（6）改单一秸秆还田改良土壤为秸秆还田与种植绿肥共同改良土壤。如在烤烟、玉米秸秆就地沟埋后，再播种绿肥等。