秸秆还田是秸秆资源化利用的现实途径

陈云峰，夏贤格，杨 利，刘 波，张敏敏，聂新星

（1.农业农村部废弃物肥料化利用重点实验室，湖北 武汉 430064； 2.湖北省农业科学院植保土肥研究所，湖北 武汉 430064）

农作物秸秆是成熟农作物茎叶（穗）部分的总称，光合作用一半以上的产物存在于秸秆中，因此，秸秆又称为“另一半农业”［1］。中国作为一个农业大国，每年秸秆产量近10亿t，约占世界秸秆总产量的25%［2］。秸秆的自然资源禀赋特征（表1）决定了秸秆可以进行肥料化、饲料化、燃料化、基料化和原料化利用（图1），俗称“五化”。“五化”中，肥料化主要利用秸秆氮磷钾养分及有机碳，饲料化主要利用粗蛋白和纤维，燃料化主要利用其热值，基料化主要利用木质素，原料化主要利用纤维素。相较于有机肥、饲料、饼粕、煤、木材等，秸秆的养分、营养成分、热值均较低［6］，但生物量高，因此，秸秆的利用主要是资源化利用而不是高值化利用。

表1 三大主要农作物秸秆资源禀赋特征

图1 秸秆综合利用技术［7］

在“五化”利用中，肥料化、饲料化及基料化为农业利用，燃料化和原料化为工业利用。目前，在国家层面发布的多个文件中，如《农业部办公厅、财政部办公厅关于开展农作物秸秆综合利用试点，促进耕地质量提升工作的通知》、《农业部关于实施农业绿色发展五大行动的通知》中，均提出秸秆资源化采取“多元利用、农用优先”的原则，但此原则并没有规定在农业利用中又以哪种方式为主。由于秸秆利用原则的制定，将从国家层面上影响资金的布局和技术开发的导向，具有重大意义，因此有必要进一步细化秸秆利用的原则。本文在比较秸秆三大农业利用模式特点的基础上，建议秸秆资源化利用原则除“多元利用、农用优先”外还应加上“还田为主”，并对当前秸秆还田存在的问题做了分析，以资大家 借鉴。

1 秸秆农业利用模式分析

1.1 秸秆农业利用模式与农业产业结构调整

秸秆农业利用模式可从时间和空间两方面分析。表2显示了20世纪80年代至今，秸秆肥料化（主要指秸秆直接还田、腐熟还田）、饲料化、基料化利用的相对比例。从表中可以看出饲料化利用率呈现下降的趋势，基料化利用率虽然较低，但稳步上升，而秸秆还田率相对较高且逐步上升，2016年已超过50%，但相对国外发达国家，中国秸秆还田率仍较低。在空间上，石祖梁等［15］将中国秸秆产区划分为黄淮海地区、西北区、西南区、东南区、东北区5个区，其中黄淮海区、东南区肥料化利用率超过60%；西北区肥料化、饲料化利用率分别为48.0%和35.1%；东北区分别为45.6%和28.3%；西南区为43.7%和20.3%。这表明，秸秆还田实际上已经是秸秆资源化最主要的利用方式。

秸秆农业利用模式相对比例随着农业产业结构调整而变化。种植业既是秸秆的来源也是秸秆的归宿之一。相对饲料化和基料化来说，秸秆还田产业链最短（表3），是最简单的资源化利用模式。由于粮食生产始终是农业第一要务，因此，秸秆还田的面积不会随着农业结构的调整而有较大的波动，只不过还田方式有所变动。以湖北省为例，20世纪90年代初，湖北省以秸秆覆盖还田为主，2006年后以秸秆粉碎还田为主［17］。此外，即使大量秸秆离田，但根茬部分的秸秆量依然很大，甚至超过收割的秸秆量［13］，这部分秸秆是很难被饲料化或基料化的。因此，无论农业产业结构如何调整，秸秆还田始终是秸秆资源化利用的主要模式之一。

畜牧业虽然体量大，但主要畜种中，猪、鸡并不消耗秸秆，牛、羊尽管消耗大量玉米秸秆和水稻秸秆，但这些秸秆只是牛羊的辅料而不是主料，加之牛羊养殖规模波动较大，因此秸秆饲料化利用规模并不稳定。食用菌产业近年发展迅速，已成为种植业中继粮食、蔬菜、果树、油料之后的第五大产 业［18］，但与饲料化利用类似，秸秆只是食用菌种植的原料之一，而不是主料。因此，相比秸秆还田与种植业的密切关系，饲料化、基料化与相应产业的联系较弱。

竞争性需求分析也表明秸秆还田是秸秆资源化利用最现实的途径。随着国家“藏粮于地、藏粮于技”战略的实施，秸秆还田的规模将进一步扩大，而饲料化利用则受到一定限制。根据《全国草食畜牧业发展规划（2016～2020年）》，到2020年秸秆饲料化利用量为2.4亿t，年均增速0.2%。若以中国每年农作物秸秆产量近10 亿 t估算［2］，秸秆饲料化利用率在24%，相对较低。方放等［19］对黄淮海地区秸秆进行竞争性需求分析，结果表明随着产业结构的调整，秸秆饲料化利用将减少48.4万t，而还田利用还有一定的提升空间。

1.2 秸秆农业利用自然适应性评价

农作物秸秆自然属性决定了大部分秸秆均可“五化”利用，但同一秸秆对不同利用方式的适应性是不一样的。左旭等［20］以玉米秸秆为例，根据秸秆直接饲喂的适口性及营养成分，将秸秆直接饲喂的自然适应性分为适宜、较适宜及不适宜三类；根据秸秆在现实经济技术条件下可加工饲喂的可能性，将秸秆加工饲喂的自然适应性划分为适宜与不适宜两类；根据有机肥品质分级的方法，将秸秆肥料化自然适应性划分为适宜、不适宜两类；根据秸秆种植食用菌的效果，将秸秆种植食用菌自然适宜性划分为适宜、不适宜两类。根据此种分类方法，中国主要作物秸秆（玉米、小麦、水稻、油菜）自然适应性评价如表4。从表中可以看出，玉米、小麦、水稻、油菜秸秆均适合加工饲喂、还田及基料化，但直接饲喂效果普遍不好，这说明秸秆饲料化自然适应性不如还田及基料化。此外，秸秆还田时，秸秆所含养分100%归还于土壤中，但秸秆饲料化后，其50% N、72% P2O5、76.5% K2O最终归还于土壤中［11］，这说明秸秆饲料化对秸秆养分的利用较低。

表4 中国主要农作物秸秆自然适应性评价

1.3 秸秆农业利用模式经济效益比较

秸秆利用最主要的推动力来源于经济效益。饲料化的效益主要表现在降低饲料投入，还田的效益表现在减少化肥施用量、提高作物产量，此外，与秸秆饲料化和基料化利用相比，还田不需要对秸秆进行收储运，从而大大降低成本；基料化的效益表现在节约原料投入。表5对比了秸秆的几种农用方式的经济效益，从中可以看出，秸秆还田的效益高于饲料化。

表5 秸秆利用模式经济效益对比

1.4 秸秆农业利用环境效益比较

秸秆加工饲喂反刍动物，改善了秸秆在动物消化道发酵效果，从而减少CH4排放（表6），但秸秆饲料化会带来粪污形成二次污染，其综合环境效益目前还未见报道。基料化主要污染源为菌渣。秸秆还田对温室气体的影响比较复杂，一方面秸秆还田提高了CO2、CH4排放量，但另一方面秸秆还田又有较好的固碳效果，其综合温室效应可以通过全球综合增温潜势指标来估算，但目前秸秆还田对全球综合增温潜势的影响并没有一致的结论［28］。

表6 秸秆饲料化和还田对温室气体排放的影响

2 秸秆还田可持续性分析

综合比较秸秆农业利用各模式的自然适应性、经济效益、环境效益及与农业产业结构的关系，不难发现秸秆还田是目前秸秆资源化利用的最佳模式。但在生产实际中，秸秆还田还存在很多问题，导致部分人员否定秸秆还田。比如，与化肥相比，秸秆养分含量低、释放慢，短期内作物增产效果不明显，甚至下降［3］；秸秆还田量过高、秸秆粉碎程度及还田深度不够、留茬过高、氮肥不配套等，造成作物出苗差、黄化；秸秆中携带的病原体、虫卵、草籽等在还田过程中进入土壤，带来病虫草害问题［16，29-31］。从科学的角度讲，这些问题的出现是因为对秸秆腐解规律及调控方法认识不足。了解秸秆在土壤中的转化、分配、周转规律，秸秆还田的影响因子及秸秆还田病虫草害发生原因后，可以通过农业管理措施对这些负面因素进行调控，从而保证秸秆长期还田。

2.1 秸秆有机碳在土壤中的转化、分配及周转

秸秆的主要成分是纤维素类碳水化合物，秸秆除提供给土壤养分外，更重要的是将碳元素还给土壤，维持土壤碳平衡。我国土壤有机质总体偏低，平均有机质含量只有欧洲土壤1/3～1/2，土壤有机质含量低于1% 的面积占全国耕地面积26%，棕壤有机质含量多为1%～1.5%，褐土多在 1% 左右，且近年来东北土壤有机质平均含量下降较快，下降幅度为 32.3%［32］。因此，我国部分土壤处于一种碳饥渴状态，急需秸秆还田补充碳源。长期秸秆还田试验表明，在施用化肥条件下，长期秸秆还田土壤有机碳含量平均提 高19%［3］。

秸秆进入土壤中后，被微生物同化，一部分进入微生物体作为微生物的一部分，一部分以CO2（少量以CH4）的形式损失，一部分被土壤微生物分解成简单化合物，然后同微生物生命活动产物（如氨基酸、肽等）形成腐殖质，进入有机碳库。有机碳库分类很多，根据土壤有机碳的存在方式及稳定性，可划分为活性有机碳、缓效性有机碳和稳定性有机碳［33］。活性有机碳易于矿化，转化周期短；缓效性有机碳是活性有机碳向稳定性有机碳转化的过渡性有机碳，可反映土壤有机碳的固定趋势；稳定性有机碳指与细粒矿物质紧密结合，不易被微生物分解或植物利用的有机碳，其含量的增加有利于土壤有机碳固定。杨艳华等［33］综述了秸秆碳的分配，认为42%～79%的秸秆碳转化为 CO2进入大气，1.9%～13.9%转化为土壤活性有机碳，约10%转化为缓效性有机碳，部分缓效性有机碳再进一步转化为稳定性有机碳，被固定于土壤中。可见，秸秆碳只有少部分进入土壤碳库，进入稳定性碳库的更少。秸秆碳进入土壤碳库后将进一步周转，相较于老碳（土壤中原有有机碳），新碳（秸秆碳）在土壤中的周转是比较快的。王金洲［34］整合分析结果表明，玉米秸秆碳平均周转时间为9.5年，而老碳平均分解速率为112年。Balesdent 等［35］研究结果表明，新碳周转时间为15～22年，而老碳周转时间达600～ 1 400年。显然，秸秆在土壤中的转化、分配及周转行为的研究成果为可持续秸秆还田提供了一些理论依据。

在秸秆还田条件下，土壤有机碳的演变趋势可以采用模型模拟，如Roth C、DNDC、CENTURY等。Wang等［36］应用Roth C 模型预测了秸秆还田条件下郑州潮土表土层（0～20 cm）和吉林公主岭黑土固碳速率，结果表明自2008年以后的30年，郑州潮土表土层每年固碳速率平均为C 0.3 Mg/hm2，吉林公主岭黑土为C 0.10 Mg/hm2。贺美等［37］应用DNDC模型预测了秸秆还田条件下，40年内东北黑土地有机碳平均每年递增0.31%。这些结果进一步印证长期秸秆还田是可行的。

2.2 秸秆还田影响因子

影响秸秆碳在土壤中输入、转化、分配及周转过程的因子都直接或间接影响了秸秆还田效果。这些因子很多（表7），包括自然因子（气候、秸秆本身特性）、土壤性质和农业管理措施。自然因子一般不可调控，但在很大程度上决定了秸秆还田的最终效果，如东北水热条件较差，导致秸秆很难腐解，而南方水热条件好，秸秆就容易腐烂；小麦秸秆比油菜秸秆难以腐解。土壤理化性质决定了秸秆腐解的环境，土壤微生物则驱动了秸秆腐解。农业管理措施既可以直接调控秸秆还田效果，如调节秸秆留茬高度和粉碎程度，也可以通过调控土壤理化性质和生物学性质间接调控秸秆还田。目前，研究较多的调控因子有秸秆腐熟剂、留茬高度、秸秆粉碎程度、氮肥施用量及运筹、耕作等，这些因子对秸秆还田的影响见 表7。

表7 秸秆还田影响因子对秸秆还田过程的影响及调控方法［34，38］

续表

2.3 秸秆还田对病虫草害的影响

秸秆还田对农作物病虫草害的影响没有一致的结果。表8显示，秸秆还田既可以加重病虫草害，也可以降低病虫草害。秸秆加重病虫草害的主要原因往往是秸秆携带病原体、虫卵、草籽等，还田过程中这些病原体、虫卵、草籽等被还入土壤中，从而加重病虫草害的发生。若还田秸秆不带有害源，作为一种有机碳源，秸秆腐解过程会产生一些化感物质，会调节土壤食物网的结构和功能，进而抑制一部分病虫害［42，49］。因此，若从源头上控制还田秸秆的有害源，就能控制秸秆还田对作物的负面 作用。

表8 秸秆还田对病虫草害的影响

续表

3 结论与建议

现阶段秸秆资源利用模式中，最主要的是饲料化和秸秆还田两种模式。相较于秸秆饲料化利用模式，秸秆还田有着更好的自然适应性和经济效益，更轻简的利用方式，且更匹配当前的农业产业结构，尽管秸秆还田有一定的副作用，但在认识秸秆还田规律后，这些副作用均可采用农业管理措施进行控制。因此，笔者认为，在当前形势下，应在国家层面上树立“多元利用、农用优先、还田为主”的原则，进而完善当前的秸秆还田政策。

建议在“多元利用、农用优先、还田为主”的原则上，从以下几个方面加强秸秆还田政策及技术研究：

（1）加大秸秆补贴力度，转变秸秆还田补贴方式

秸秆禁烧对农民来说加大了人工成本、机械成本、农药施用成本等，对政府来说则减少了污染、CO2排放，秸秆还田培肥耕地更是国家利益。因此，秸秆还田是一种公益事业，国家应从战略层面出发制定优惠或鼓励措施引导农民进行秸秆还田。当前，国家秸秆还田补贴范围过窄，主要集中在黑龙江、安徽、浙江等少数省市。部分省市补贴不持续，如湖北省2006～2012年实施有机质提升项目，对秸秆还田进行补贴，项目完成后，则又恢复到“有政策无资金”的状况。由于全国粮食生产区秸秆年年产生，小范围的补贴、不持续的补贴，将很难提高农民秸秆还田的积极性。此外，秸秆还田补贴的对象主要是农机合作社、种植大户和一些生产秸秆腐熟剂的厂家，而农户却没有补贴，因此，农民秸秆还田积极性并不高，对政策满意度较低［52］。建议在今后的补贴政策中，转变补贴方式，通盘考虑各方面秸秆还田的贡献，按贡献度进行 补贴。

（2）加大农机农艺相结合

农业规模化决定了今后秸秆还田的主要过程均由机械完成。秸秆留茬、粉碎、翻埋、秸秆腐熟剂施用等过程均涉及到机械化，参与的机械主要是收割机和旋耕机。但目前的收割机和旋耕机工作时并没有考虑到秸秆还田的需求。秸秆还田条件下，收割机收割时，要明确秸秆留茬高度及秸秆粉碎程度；旋耕机松土时，要明确秸秆翻埋深度；秸秆腐熟剂的施用需要专门的配套机具，这一整套参数需要农艺部门提供给农机部门，从而实现农机农艺配套、秸秆机械还田标准化。

（3）加大秸秆还田病虫草害发生规律及防控 研究

秸秆焚烧过程中，一并将秸秆上的病原菌、虫卵、草籽等杀死。秸秆不焚烧还田后，这些病虫草害将进入土壤中。秸秆还田条件下的病虫草害发生规律及防控研究，当前还是一个新的课题。今后要加大对主要农作物秸秆还田过程中病虫草害的发生规律、病原体与土壤微生物之间的关系、秸秆腐解后的次生产物对病虫害的影响研究，在源头上控制秸秆还田引起的病虫草害。

（4）加大新型秸秆腐熟剂的开发

目前的秸秆腐熟剂功能单一，除促腐外，没有其他功能，在剂型上主要是粉状，施用时需要人工撒入，受风等因素影响较大，难以推广。建议在功能上，将促进作物生长的菌剂、生防菌剂与秸秆腐熟剂复合，开发具有促腐、促生、防病等多功能的秸秆腐熟剂，提高秸秆腐熟剂的商品性；在剂型上，开发液态秸秆腐熟剂及施用装备，与收割机配合，在收割时即将秸秆腐熟剂喷至粉碎的秸秆上，减少工序，便于秸秆腐熟剂的推广。