黑龙江省水稻秸秆还田现状及展望

曹正男 赵振东 张海龙 宁晓海 欧阳由男 曹立勇 *

（1 宝清北方水稻研究中心，黑龙江 宝清 155600；2 中国水稻研究所/水稻生物学国家重点实验室/浙江省超级稻研究重点实验室，杭州 310006；*通讯作者：caoliyong@caas.cn）

黑龙江省是我国最主要的粳稻生产区，粳稻种植面积达400 多万hm2，产量占全国总产量的50%以上，在粮食生产和保障国家粮食安全方面起到了举足轻重的作用。近年来，随着黑龙江省水稻产量的提升，其秸秆量也相应增加。据统计，2018年水稻秸秆量为2 879 t，输出量较大[1]。然而由于各种化肥及替代品的大量使用，加上秸秆收集运输不便，使得大量秸秆被遗弃在田间地头，不但严重浪费资源，遗弃秸秆的不适当处理也引起环境的污染，制约了农业的循环发展。因此，水稻秸秆的合理利用成为燃眉之急，这不仅是实现循环农业的重要途径，而且也是农业可持续发展的必然要求。

1 秸秆焚烧的现状及危害

近些年，黑龙江省收获水稻大都采用带有抛洒器的收割机，为防止机械受损，留茬较高，给秸秆打包造成一定困难，成本增加，致使农户打捆水稻秸秆的意愿下降，农户多选择在春季将秸秆付之一炬。露天焚烧成为当地处理秸秆最普遍的方法。

露天焚烧秸秆一是会污染空气环境，危害人体健康。焚烧秸秆时，大气中二氧化硫、二氧化氮、可吸入颗粒物3 项污染指数达到高峰值，其中二氧化硫的浓度比平时高出1 倍[2]，二氧化氮、可吸入颗粒物的浓度比平时高出3 倍，相当于日均浓度的五级水平[3]。当可吸入颗粒物浓度达到一定程度时，对人的眼睛、鼻子和咽喉含有黏膜的部分刺激较大，轻则造成咳嗽、胸闷、流泪，严重时可能导致支气管炎发生[4]。二是焚烧秸秆极易引燃周围的易燃物，尤其是在村庄附近，一旦引发火灾，后果不堪设想。三是焚烧秸秆形成的烟雾会造成空气能见度下降，可见范围降低，直接影响民航、铁路、高速公路的正常运营，对交通安全构成威胁，容易引发交通事故。四是会破坏土壤结构，造成耕地质量下降。秸秆焚烧后土壤水分挥发，土壤含水量降低[5]，土壤有机质含量降低和保肥能力也降低[6]；秸秆焚烧还能显著减少0~5 cm 土层中微生物数量和土壤酶的活性[7]，不利于作物生长，直接影响农作物产量和质量，影响农业收益。五是焚烧秸秆所形成的滚滚烟雾、片片焦土，影响一个地区对外形象，进而影响招商引资。

2 农作物秸秆资源化利用方式

随着研究的深入，我国农作物秸秆综合利用已取得长足进步。根据利用方式的不同，可初步分为肥料化、饲料化、燃料化、原料化和基料化，俗称“五化”[8]。其中，秸秆肥料化利用最为广泛，包括直接还田和间接还田，据统计，与秸秆不还田相比，秸秆还田可以显著提高玉米、水稻、小麦等粮食作物产量，平均增产率约为8.06%。此外，最适宜的秸秆还田量为半量还田，还田年限超过20年时增产效果显著，可达15.42%[9]。秸秆饲料化利用包括青贮、氨化等加工技术，经过处理的秸秆可以提高粗蛋白含量和有机物消化率，提高秸秆饲料化的价值。秸秆燃料化利用主要包括固化成型、秸秆炭、秸秆沼气、直接发电等能源技术，目前，秸秆发电是秸秆燃料化利用最主要的形式。秸秆原料化是指秸秆可以作为工业原材料进行加工，如开发建材、轻体板、快餐饭盒、包装材料等。秸秆基料化是基于秸秆富含纤维素、木质素和氮磷钾等营养成分制备食用菌培养基料，使用后的培养基还是难得的优质有机肥料，可以直接还田，对于改良土壤、培肥地力有积极作用。

当前，我国秸秆资源总量大，分布广泛，地域特点强，限制因素较多。在推进秸秆资源综合化利用的进程中，要充分考虑秸秆资源化利用方式的优缺点（表1），选择适合当地的利用方式。

表1 秸秆资源化利用方式及优缺点

3 水稻秸秆还田方式

3.1 直接还田

浅旋还田和深翻还田是黑龙江地区近几年水稻秸秆还田的主要方式，都是采用带有抛撒器的收割机进行收割作业，收获后秸秆粉碎直接抛撒于土壤表面，之后利用旋耕或深翻埋入土壤中。春季泡田后，使用拖拉机进行打浆、整地、平地，之后进行机械插秧。不同的是浅旋还田采用旋耕机将秸秆混拌在土壤中，而深翻还田是使用大马力机械将粉碎后的秸秆翻入20~30 cm土层中。直接还田可以提高土壤质量状况，增强土壤活性，提升土壤供肥能力，进而增加作物产量[10-12]。

但上述两种还田方式也存在一些不足之处，一旦秋季水稻收获时降雨较多或机械操作等人为因素造成秸秆粉碎不彻底、抛撒不均匀，加上黑龙江地处高纬度地区，气温低会导致秸秆还田后难以腐烂，影响来年的整地与插秧质量。同时，多年秸秆连续还田会导致作物的病原菌重新回到土壤中，加大水稻病害发生的几率。

3.2 间接还田

3.2.1 过腹还田

我国具有利用农作物秸秆饲养牲畜的传统。作物收获后收集秸秆集中堆放，饲喂前将秸秆粉碎或切短，以便于家畜咀嚼和消化利用，有研究表明，未经过处理的秸秆家畜只能采食40%~60%[13]。秸秆经过牲畜消化吸收后变成粪、尿，但这些生粪不能直接用作肥料，必须经过腐熟处理才能还田。但由于目前黑龙江规模化养殖牛羊的企业较少，导致秸秆饲料化利用率较低，大规模推广较难。

3.2.2 生物炭还田

秸秆炭化还田是一种新的秸秆还田方式。生物炭是以农林废弃物为原料，在低温限氧（＜700℃）条件下经过一系列热裂解得到的固态富炭产物。大量研究表明，生物炭施入土壤后，可以改良土壤理化性质，土壤容重降低、总孔隙率提高，其多微孔结构可显著增加田间持水量，提高土壤对矿质元素的吸附，减少淋洗造成的氮素流失，增强土壤肥力，使更多的土壤矿质元素能够被作物吸收利用，有助于作物生长和产量提高[14-17]。但如果生物炭还田量过大也会导致碳氮比失衡，影响水稻对氮素的吸收，降低水稻产量[18]。在实际生产中，由于制备生物炭成本较高，目前广泛推广还有一定难度。

3.2.3 堆沤（腐熟）还田

秸秆堆沤还田是采用外源微生物接种强化发酵技术，将秸秆与人畜粪尿等有机物质经过堆沤腐熟，产生大量可构成土壤肥力的重要活性物质——腐殖质，同时产生有效的氮、磷、钾等营养物质供农作物吸收利用。秸秆在腐熟分解过程中还可以杀死稻秆中的虫卵和病原菌，从而降低部分水稻病害发生的几率。但在实际生产中也存在一些缺陷，一是优良菌种难以寻找和培育；二是秸秆运输及腐熟设备的费用较高，增加了农民的种地成本，降低农民使用的意愿。

4 秸秆还田对水稻产量和土壤养分的影响

4.1 秸秆还田对水稻产量的影响

前人研究表明，秸秆还田后释放的养分和某些小分子物质对产量有很大影响。王会斌等[19]试验表明，秸秆全量还田或半量还田，水稻产量均有提升。腾晓龙等[20]3年的试验得出，秸秆还田处理的水稻产量平均每年增加了365 kg/hm2。刘晓霞等[21-22]认为，秸秆还田提高水稻产量和稳固土壤养分，且随着秸秆还田年份的增加，水稻产量和耕地质量的提升效果越来越显著。

单位面积穗数、每穗粒数、结实率和千粒重是水稻产量构成的重要因子。有研究表明，秸秆还田减少了水稻单位面积穗数，但由于秸秆还田能使土壤可持续供肥能力增强，有助于水稻后期的生长发育，从而使水稻的实粒数、结实率和千粒重明显增加，进而提高水稻产量[23-24]。伍佳等[25]试验对比了不同还田方式的增产效果，结果表明，秸秆炭化还田的增产效果最佳，秸秆粉碎还田效果略高于秸秆直接还田，但秸秆还田均高于秸秆不还田。也有研究认为，秸秆还田并不能显著提高水稻千粒重和产量，需要配施氮肥且在一定氮肥用量范围内，产量随着施氮量的增加而显著增加[26]。

4.2 秸秆还田对土壤肥力的影响

东北是全球仅有的三大黑土区之一，然而由于盲目追求高产，大量使用化肥农药，导致东北黑土地地力退化日益严重。秸秆还田是恢复黑土地地力的最重要、最有效措施之一[27]。

农作物秸秆还田首先改变的是土壤的物理性质，使土壤孔隙度和大团聚体含量增加，土壤容重降低，土壤保水保肥能力增强[28-29]。秸秆还田是土壤有机质和植物营养物质的主要来源，大量研究表明，水稻秸秆还田后，土壤中有机质和氮、磷、钾等营养元素都有所增加[30]。丁奇等[31]通过2年4 季的定位试验发现，水稻秸秆全量还田相比于稻草烧灰还田和单施化肥，土壤中有机质、全氮、碱解氮显著提高，而有效磷、速效钾提升不明显。伍佳等[26]试验表明，秸秆炭化还田相较于秸秆粉碎还田和秸秆直接还田，土壤有机质、全钾和速效钾的积累更为丰富，水稻产量也更高。此外，由于长期施用化肥导致土壤细菌群落和微生物活性遭到破坏，秸秆还田一方面可以为微生物提供碳源、氮源；另一方面秸秆还田的耕作模式对微生物活性有正面效应[32-34]。有研究表明，与秸秆不还田的土壤比较，秸秆还田主要影响耕层土壤微生物的群落结构及物种丰度，而对于15~30 cm 深度土壤中微生物群落影响不显著[35]。

5 对策与建议

5.1 坚持秸秆农用资源化、秸秆肥料化

秸秆处理的问题是农业问题，应该主要以农业的方法解决，这也符合2019年黑龙江省提出秸秆综合利用“一主两辅”的原则，即还田为主，燃料化、饲料化为辅。随着秸秆还田量的增加和时间的延长，秸秆直接还田造成的问题也逐渐显现，如黑龙江省冬季气候干燥、温度低，秸秆降解速度慢，影响来年耕种，还有可能引发病虫害。针对降解慢、引发病虫害的问题可以通过生化腐熟发酵来解决。董文斌等[36]用猪粪与稻草发酵实现了有机物快速生物降解，同时堆肥过程中产生的高温可有效杀灭秸秆中的虫卵，产出的秸秆有机肥代替化肥施入土壤，水稻增产幅度可达33.5%。尽管秸秆还田依然存在一些弊端，但从整体来看是利远大于弊，更符合农业可持续发展规律，而且随着研究的深入，这些弊端也一定可以通过管理措施加以抑制或消除。

5.2 坚持新型秸秆腐熟剂和快速发酵工艺的研发

目前市面上的秸秆腐熟剂大都是粉状，施用时需要人工撒入，受风等因素影响大，成本还较高，难以推广。近年，中国水稻研究所研发出一种新的作物秸秆原位快速腐熟技术，即在翻耕机上加装抛撒秸秆腐熟剂装置，使秸秆腐熟剂、粉碎秸秆和土壤在进行土地翻耕时均匀混合，具有腐解快速且腐解肥力高、操作简单、节省成本、能灭杀病虫等特点，有较为广阔的应用前景。在此基础上，还可开发液态秸秆腐熟剂，与粉状相比，液态的秸秆腐熟剂更便于施用，更易于与秸秆混合、发酵。

5.3 坚持农艺农机相结合, 研发设计秸秆还田配套农机具

随着农业机械化程度的提高，加上水稻用工成本的增加，决定了今后水稻秸秆还田应由机械完成，而目前的收割机和旋耕机在设计建造过程中并没有考虑到秸秆还田的需求，导致留茬高度、秸秆粉碎程度及翻埋深度并不完全适合秸秆还田机械操作。应坚持农业机械化服务农艺的的应用方向，由农艺工作者提供水稻秸秆还田参数给农机部门，从而实现农艺农机配套化、标准化。