陳云峰，夏賢格，楊 利，劉 波，張敏敏，聶新星

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部廢棄物肥料化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430064； 2.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所，湖北 武漢 430064）

農(nóng)作物秸稈是成熟農(nóng)作物莖葉（穗）部分的總稱，光合作用一半以上的產(chǎn)物存在于秸稈中，因此，秸稈又稱為“另一半農(nóng)業(yè)”［1］。中國作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，每年秸稈產(chǎn)量近10億t，約占世界秸稈總產(chǎn)量的25%［2］。秸稈的自然資源稟賦特征（表1）決定了秸稈可以進(jìn)行肥料化、飼料化、燃料化、基料化和原料化利用（圖1），俗稱“五化”?！拔寤敝?，肥料化主要利用秸稈氮磷鉀養(yǎng)分及有機(jī)碳，飼料化主要利用粗蛋白和纖維，燃料化主要利用其熱值，基料化主要利用木質(zhì)素，原料化主要利用纖維素。相較于有機(jī)肥、飼料、餅粕、煤、木材等，秸稈的養(yǎng)分、營養(yǎng)成分、熱值均較低［6］，但生物量高，因此，秸稈的利用主要是資源化利用而不是高值化利用。

表1 三大主要農(nóng)作物秸稈資源稟賦特征

圖1 秸稈綜合利用技術(shù)［7］

在“五化”利用中，肥料化、飼料化及基料化為農(nóng)業(yè)利用，燃料化和原料化為工業(yè)利用。目前，在國家層面發(fā)布的多個(gè)文件中，如《農(nóng)業(yè)部辦公廳、財(cái)政部辦公廳關(guān)于開展農(nóng)作物秸稈綜合利用試點(diǎn)，促進(jìn)耕地質(zhì)量提升工作的通知》、《農(nóng)業(yè)部關(guān)于實(shí)施農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展五大行動的通知》中，均提出秸稈資源化采取“多元利用、農(nóng)用優(yōu)先”的原則，但此原則并沒有規(guī)定在農(nóng)業(yè)利用中又以哪種方式為主。由于秸稈利用原則的制定，將從國家層面上影響資金的布局和技術(shù)開發(fā)的導(dǎo)向，具有重大意義，因此有必要進(jìn)一步細(xì)化秸稈利用的原則。本文在比較秸稈三大農(nóng)業(yè)利用模式特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建議秸稈資源化利用原則除“多元利用、農(nóng)用優(yōu)先”外還應(yīng)加上“還田為主”，并對當(dāng)前秸稈還田存在的問題做了分析，以資大家 借鑒。

1 秸稈農(nóng)業(yè)利用模式分析

1.1 秸稈農(nóng)業(yè)利用模式與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整

秸稈農(nóng)業(yè)利用模式可從時(shí)間和空間兩方面分析。表2顯示了20世紀(jì)80年代至今，秸稈肥料化（主要指秸稈直接還田、腐熟還田）、飼料化、基料化利用的相對比例。從表中可以看出飼料化利用率呈現(xiàn)下降的趨勢，基料化利用率雖然較低，但穩(wěn)步上升，而秸稈還田率相對較高且逐步上升，2016年已超過50%，但相對國外發(fā)達(dá)國家，中國秸稈還田率仍較低。在空間上，石祖梁等［15］將中國秸稈產(chǎn)區(qū)劃分為黃淮海地區(qū)、西北區(qū)、西南區(qū)、東南區(qū)、東北區(qū)5個(gè)區(qū)，其中黃淮海區(qū)、東南區(qū)肥料化利用率超過60%；西北區(qū)肥料化、飼料化利用率分別為48.0%和35.1%；東北區(qū)分別為45.6%和28.3%；西南區(qū)為43.7%和20.3%。這表明，秸稈還田實(shí)際上已經(jīng)是秸稈資源化最主要的利用方式。

秸稈農(nóng)業(yè)利用模式相對比例隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整而變化。種植業(yè)既是秸稈的來源也是秸稈的歸宿之一。相對飼料化和基料化來說，秸稈還田產(chǎn)業(yè)鏈最短（表3），是最簡單的資源化利用模式。由于糧食生產(chǎn)始終是農(nóng)業(yè)第一要?jiǎng)?wù)，因此，秸稈還田的面積不會隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整而有較大的波動，只不過還田方式有所變動。以湖北省為例，20世紀(jì)90年代初，湖北省以秸稈覆蓋還田為主，2006年后以秸稈粉碎還田為主［17］。此外，即使大量秸稈離田，但根茬部分的秸稈量依然很大，甚至超過收割的秸稈量［13］，這部分秸稈是很難被飼料化或基料化的。因此，無論農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)如何調(diào)整，秸稈還田始終是秸稈資源化利用的主要模式之一。

畜牧業(yè)雖然體量大，但主要畜種中，豬、雞并不消耗秸稈，牛、羊盡管消耗大量玉米秸稈和水稻秸稈，但這些秸稈只是牛羊的輔料而不是主料，加之牛羊養(yǎng)殖規(guī)模波動較大，因此秸稈飼料化利用規(guī)模并不穩(wěn)定。食用菌產(chǎn)業(yè)近年發(fā)展迅速，已成為種植業(yè)中繼糧食、蔬菜、果樹、油料之后的第五大產(chǎn) 業(yè)［18］，但與飼料化利用類似，秸稈只是食用菌種植的原料之一，而不是主料。因此，相比秸稈還田與種植業(yè)的密切關(guān)系，飼料化、基料化與相應(yīng)產(chǎn)業(yè)的聯(lián)系較弱。

競爭性需求分析也表明秸稈還田是秸稈資源化利用最現(xiàn)實(shí)的途徑。隨著國家“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略的實(shí)施，秸稈還田的規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大，而飼料化利用則受到一定限制。根據(jù)《全國草食畜牧業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016～2020年）》，到2020年秸稈飼料化利用量為2.4億t，年均增速0.2%。若以中國每年農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量近10 億 t估算［2］，秸稈飼料化利用率在24%，相對較低。方放等［19］對黃淮海地區(qū)秸稈進(jìn)行競爭性需求分析，結(jié)果表明隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，秸稈飼料化利用將減少48.4萬t，而還田利用還有一定的提升空間。

1.2 秸稈農(nóng)業(yè)利用自然適應(yīng)性評價(jià)

農(nóng)作物秸稈自然屬性決定了大部分秸稈均可“五化”利用，但同一秸稈對不同利用方式的適應(yīng)性是不一樣的。左旭等［20］以玉米秸稈為例，根據(jù)秸稈直接飼喂的適口性及營養(yǎng)成分，將秸稈直接飼喂的自然適應(yīng)性分為適宜、較適宜及不適宜三類；根據(jù)秸稈在現(xiàn)實(shí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下可加工飼喂的可能性，將秸稈加工飼喂的自然適應(yīng)性劃分為適宜與不適宜兩類；根據(jù)有機(jī)肥品質(zhì)分級的方法，將秸稈肥料化自然適應(yīng)性劃分為適宜、不適宜兩類；根據(jù)秸稈種植食用菌的效果，將秸稈種植食用菌自然適宜性劃分為適宜、不適宜兩類。根據(jù)此種分類方法，中國主要作物秸稈（玉米、小麥、水稻、油菜）自然適應(yīng)性評價(jià)如表4。從表中可以看出，玉米、小麥、水稻、油菜秸稈均適合加工飼喂、還田及基料化，但直接飼喂效果普遍不好，這說明秸稈飼料化自然適應(yīng)性不如還田及基料化。此外，秸稈還田時(shí)，秸稈所含養(yǎng)分100%歸還于土壤中，但秸稈飼料化后，其50% N、72% P2O5、76.5% K2O最終歸還于土壤中［11］，這說明秸稈飼料化對秸稈養(yǎng)分的利用較低。

表4 中國主要農(nóng)作物秸稈自然適應(yīng)性評價(jià)

1.3 秸稈農(nóng)業(yè)利用模式經(jīng)濟(jì)效益比較

秸稈利用最主要的推動力來源于經(jīng)濟(jì)效益。飼料化的效益主要表現(xiàn)在降低飼料投入，還田的效益表現(xiàn)在減少化肥施用量、提高作物產(chǎn)量，此外，與秸稈飼料化和基料化利用相比，還田不需要對秸稈進(jìn)行收儲運(yùn)，從而大大降低成本；基料化的效益表現(xiàn)在節(jié)約原料投入。表5對比了秸稈的幾種農(nóng)用方式的經(jīng)濟(jì)效益，從中可以看出，秸稈還田的效益高于飼料化。

表5 秸稈利用模式經(jīng)濟(jì)效益對比

1.4 秸稈農(nóng)業(yè)利用環(huán)境效益比較

秸稈加工飼喂反芻動物，改善了秸稈在動物消化道發(fā)酵效果，從而減少CH4排放（表6），但秸稈飼料化會帶來糞污形成二次污染，其綜合環(huán)境效益目前還未見報(bào)道?；匣饕廴驹礊榫?。秸稈還田對溫室氣體的影響比較復(fù)雜，一方面秸稈還田提高了CO2、CH4排放量，但另一方面秸稈還田又有較好的固碳效果，其綜合溫室效應(yīng)可以通過全球綜合增溫潛勢指標(biāo)來估算，但目前秸稈還田對全球綜合增溫潛勢的影響并沒有一致的結(jié)論［28］。

表6 秸稈飼料化和還田對溫室氣體排放的影響

2 秸稈還田可持續(xù)性分析

綜合比較秸稈農(nóng)業(yè)利用各模式的自然適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益及與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，不難發(fā)現(xiàn)秸稈還田是目前秸稈資源化利用的最佳模式。但在生產(chǎn)實(shí)際中，秸稈還田還存在很多問題，導(dǎo)致部分人員否定秸稈還田。比如，與化肥相比，秸稈養(yǎng)分含量低、釋放慢，短期內(nèi)作物增產(chǎn)效果不明顯，甚至下降［3］；秸稈還田量過高、秸稈粉碎程度及還田深度不夠、留茬過高、氮肥不配套等，造成作物出苗差、黃化；秸稈中攜帶的病原體、蟲卵、草籽等在還田過程中進(jìn)入土壤，帶來病蟲草害問題［16，29-31］。從科學(xué)的角度講，這些問題的出現(xiàn)是因?yàn)閷斩捀庖?guī)律及調(diào)控方法認(rèn)識不足。了解秸稈在土壤中的轉(zhuǎn)化、分配、周轉(zhuǎn)規(guī)律，秸稈還田的影響因子及秸稈還田病蟲草害發(fā)生原因后，可以通過農(nóng)業(yè)管理措施對這些負(fù)面因素進(jìn)行調(diào)控，從而保證秸稈長期還田。

2.1 秸稈有機(jī)碳在土壤中的轉(zhuǎn)化、分配及周轉(zhuǎn)

秸稈的主要成分是纖維素類碳水化合物，秸稈除提供給土壤養(yǎng)分外，更重要的是將碳元素還給土壤，維持土壤碳平衡。我國土壤有機(jī)質(zhì)總體偏低，平均有機(jī)質(zhì)含量只有歐洲土壤1/3～1/2，土壤有機(jī)質(zhì)含量低于1% 的面積占全國耕地面積26%，棕壤有機(jī)質(zhì)含量多為1%～1.5%，褐土多在 1% 左右，且近年來東北土壤有機(jī)質(zhì)平均含量下降較快，下降幅度為 32.3%［32］。因此，我國部分土壤處于一種碳饑渴狀態(tài)，急需秸稈還田補(bǔ)充碳源。長期秸稈還田試驗(yàn)表明，在施用化肥條件下，長期秸稈還田土壤有機(jī)碳含量平均提 高19%［3］。

秸稈進(jìn)入土壤中后，被微生物同化，一部分進(jìn)入微生物體作為微生物的一部分，一部分以CO2（少量以CH4）的形式損失，一部分被土壤微生物分解成簡單化合物，然后同微生物生命活動產(chǎn)物（如氨基酸、肽等）形成腐殖質(zhì)，進(jìn)入有機(jī)碳庫。有機(jī)碳庫分類很多，根據(jù)土壤有機(jī)碳的存在方式及穩(wěn)定性，可劃分為活性有機(jī)碳、緩效性有機(jī)碳和穩(wěn)定性有機(jī)碳［33］。活性有機(jī)碳易于礦化，轉(zhuǎn)化周期短；緩效性有機(jī)碳是活性有機(jī)碳向穩(wěn)定性有機(jī)碳轉(zhuǎn)化的過渡性有機(jī)碳，可反映土壤有機(jī)碳的固定趨勢；穩(wěn)定性有機(jī)碳指與細(xì)粒礦物質(zhì)緊密結(jié)合，不易被微生物分解或植物利用的有機(jī)碳，其含量的增加有利于土壤有機(jī)碳固定。楊艷華等［33］綜述了秸稈碳的分配，認(rèn)為42%～79%的秸稈碳轉(zhuǎn)化為 CO2進(jìn)入大氣，1.9%～13.9%轉(zhuǎn)化為土壤活性有機(jī)碳，約10%轉(zhuǎn)化為緩效性有機(jī)碳，部分緩效性有機(jī)碳再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定性有機(jī)碳，被固定于土壤中?？梢姡斩捥贾挥猩俨糠诌M(jìn)入土壤碳庫，進(jìn)入穩(wěn)定性碳庫的更少。秸稈碳進(jìn)入土壤碳庫后將進(jìn)一步周轉(zhuǎn)，相較于老碳（土壤中原有有機(jī)碳），新碳（秸稈碳）在土壤中的周轉(zhuǎn)是比較快的。王金洲［34］整合分析結(jié)果表明，玉米秸稈碳平均周轉(zhuǎn)時(shí)間為9.5年，而老碳平均分解速率為112年。Balesdent 等［35］研究結(jié)果表明，新碳周轉(zhuǎn)時(shí)間為15～22年，而老碳周轉(zhuǎn)時(shí)間達(dá)600～ 1 400年。顯然，秸稈在土壤中的轉(zhuǎn)化、分配及周轉(zhuǎn)行為的研究成果為可持續(xù)秸稈還田提供了一些理論依據(jù)。

在秸稈還田條件下，土壤有機(jī)碳的演變趨勢可以采用模型模擬，如Roth C、DNDC、CENTURY等。Wang等［36］應(yīng)用Roth C 模型預(yù)測了秸稈還田條件下鄭州潮土表土層（0～20 cm）和吉林公主嶺黑土固碳速率，結(jié)果表明自2008年以后的30年，鄭州潮土表土層每年固碳速率平均為C 0.3 Mg/hm2，吉林公主嶺黑土為C 0.10 Mg/hm2。賀美等［37］應(yīng)用DNDC模型預(yù)測了秸稈還田條件下，40年內(nèi)東北黑土地有機(jī)碳平均每年遞增0.31%。這些結(jié)果進(jìn)一步印證長期秸稈還田是可行的。

2.2 秸稈還田影響因子

影響秸稈碳在土壤中輸入、轉(zhuǎn)化、分配及周轉(zhuǎn)過程的因子都直接或間接影響了秸稈還田效果。這些因子很多（表7），包括自然因子（氣候、秸稈本身特性）、土壤性質(zhì)和農(nóng)業(yè)管理措施。自然因子一般不可調(diào)控，但在很大程度上決定了秸稈還田的最終效果，如東北水熱條件較差，導(dǎo)致秸稈很難腐解，而南方水熱條件好，秸稈就容易腐爛；小麥秸稈比油菜秸稈難以腐解。土壤理化性質(zhì)決定了秸稈腐解的環(huán)境，土壤微生物則驅(qū)動了秸稈腐解。農(nóng)業(yè)管理措施既可以直接調(diào)控秸稈還田效果，如調(diào)節(jié)秸稈留茬高度和粉碎程度，也可以通過調(diào)控土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)間接調(diào)控秸稈還田。目前，研究較多的調(diào)控因子有秸稈腐熟劑、留茬高度、秸稈粉碎程度、氮肥施用量及運(yùn)籌、耕作等，這些因子對秸稈還田的影響見 表7。

表7 秸稈還田影響因子對秸稈還田過程的影響及調(diào)控方法［34，38］

續(xù)表

2.3 秸稈還田對病蟲草害的影響

秸稈還田對農(nóng)作物病蟲草害的影響沒有一致的結(jié)果。表8顯示，秸稈還田既可以加重病蟲草害，也可以降低病蟲草害。秸稈加重病蟲草害的主要原因往往是秸稈攜帶病原體、蟲卵、草籽等，還田過程中這些病原體、蟲卵、草籽等被還入土壤中，從而加重病蟲草害的發(fā)生。若還田秸稈不帶有害源，作為一種有機(jī)碳源，秸稈腐解過程會產(chǎn)生一些化感物質(zhì)，會調(diào)節(jié)土壤食物網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和功能，進(jìn)而抑制一部分病蟲害［42，49］。因此，若從源頭上控制還田秸稈的有害源，就能控制秸稈還田對作物的負(fù)面 作用。

表8 秸稈還田對病蟲草害的影響

續(xù)表

3 結(jié)論與建議

現(xiàn)階段秸稈資源利用模式中，最主要的是飼料化和秸稈還田兩種模式。相較于秸稈飼料化利用模式，秸稈還田有著更好的自然適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)效益，更輕簡的利用方式，且更匹配當(dāng)前的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，盡管秸稈還田有一定的副作用，但在認(rèn)識秸稈還田規(guī)律后，這些副作用均可采用農(nóng)業(yè)管理措施進(jìn)行控制。因此，筆者認(rèn)為，在當(dāng)前形勢下，應(yīng)在國家層面上樹立“多元利用、農(nóng)用優(yōu)先、還田為主”的原則，進(jìn)而完善當(dāng)前的秸稈還田政策。

建議在“多元利用、農(nóng)用優(yōu)先、還田為主”的原則上，從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)秸稈還田政策及技術(shù)研究：

（1）加大秸稈補(bǔ)貼力度，轉(zhuǎn)變秸稈還田補(bǔ)貼方式

秸稈禁燒對農(nóng)民來說加大了人工成本、機(jī)械成本、農(nóng)藥施用成本等，對政府來說則減少了污染、CO2排放，秸稈還田培肥耕地更是國家利益。因此，秸稈還田是一種公益事業(yè)，國家應(yīng)從戰(zhàn)略層面出發(fā)制定優(yōu)惠或鼓勵(lì)措施引導(dǎo)農(nóng)民進(jìn)行秸稈還田。當(dāng)前，國家秸稈還田補(bǔ)貼范圍過窄，主要集中在黑龍江、安徽、浙江等少數(shù)省市。部分省市補(bǔ)貼不持續(xù)，如湖北省2006～2012年實(shí)施有機(jī)質(zhì)提升項(xiàng)目，對秸稈還田進(jìn)行補(bǔ)貼，項(xiàng)目完成后，則又恢復(fù)到“有政策無資金”的狀況。由于全國糧食生產(chǎn)區(qū)秸稈年年產(chǎn)生，小范圍的補(bǔ)貼、不持續(xù)的補(bǔ)貼，將很難提高農(nóng)民秸稈還田的積極性。此外，秸稈還田補(bǔ)貼的對象主要是農(nóng)機(jī)合作社、種植大戶和一些生產(chǎn)秸稈腐熟劑的廠家，而農(nóng)戶卻沒有補(bǔ)貼，因此，農(nóng)民秸稈還田積極性并不高，對政策滿意度較低［52］。建議在今后的補(bǔ)貼政策中，轉(zhuǎn)變補(bǔ)貼方式，通盤考慮各方面秸稈還田的貢獻(xiàn)，按貢獻(xiàn)度進(jìn)行 補(bǔ)貼。

（2）加大農(nóng)機(jī)農(nóng)藝相結(jié)合

農(nóng)業(yè)規(guī)?；瘺Q定了今后秸稈還田的主要過程均由機(jī)械完成。秸稈留茬、粉碎、翻埋、秸稈腐熟劑施用等過程均涉及到機(jī)械化，參與的機(jī)械主要是收割機(jī)和旋耕機(jī)。但目前的收割機(jī)和旋耕機(jī)工作時(shí)并沒有考慮到秸稈還田的需求。秸稈還田條件下，收割機(jī)收割時(shí)，要明確秸稈留茬高度及秸稈粉碎程度；旋耕機(jī)松土?xí)r，要明確秸稈翻埋深度；秸稈腐熟劑的施用需要專門的配套機(jī)具，這一整套參數(shù)需要農(nóng)藝部門提供給農(nóng)機(jī)部門，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝配套、秸稈機(jī)械還田標(biāo)準(zhǔn)化。

（3）加大秸稈還田病蟲草害發(fā)生規(guī)律及防控 研究

秸稈焚燒過程中，一并將秸稈上的病原菌、蟲卵、草籽等殺死。秸稈不焚燒還田后，這些病蟲草害將進(jìn)入土壤中。秸稈還田條件下的病蟲草害發(fā)生規(guī)律及防控研究，當(dāng)前還是一個(gè)新的課題。今后要加大對主要農(nóng)作物秸稈還田過程中病蟲草害的發(fā)生規(guī)律、病原體與土壤微生物之間的關(guān)系、秸稈腐解后的次生產(chǎn)物對病蟲害的影響研究，在源頭上控制秸稈還田引起的病蟲草害。

（4）加大新型秸稈腐熟劑的開發(fā)

目前的秸稈腐熟劑功能單一，除促腐外，沒有其他功能，在劑型上主要是粉狀，施用時(shí)需要人工撒入，受風(fēng)等因素影響較大，難以推廣。建議在功能上，將促進(jìn)作物生長的菌劑、生防菌劑與秸稈腐熟劑復(fù)合，開發(fā)具有促腐、促生、防病等多功能的秸稈腐熟劑，提高秸稈腐熟劑的商品性；在劑型上，開發(fā)液態(tài)秸稈腐熟劑及施用裝備，與收割機(jī)配合，在收割時(shí)即將秸稈腐熟劑噴至粉碎的秸稈上，減少工序，便于秸稈腐熟劑的推廣。