朱倩倩 冉彤彤 許詠梅 劉忠山 謝香文 張曄山

（1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所 新疆烏魯木齊 830091；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院拜城農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站 新疆拜城 842300；3.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所 新疆烏魯木齊 830091）

中國(guó)是棉花生產(chǎn)大國(guó)，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的《2020年農(nóng)作物產(chǎn)量公告》顯示，2020年全國(guó)棉花播種面積有4 754.8 萬(wàn)畝，平均畝產(chǎn) 124.3 kg，總產(chǎn) 591.0 萬(wàn) t，占比超過(guò)全球棉花總產(chǎn)的40%。 其中新疆地區(qū)的棉花總產(chǎn)516.6 萬(wàn)t，占全國(guó)總產(chǎn)的87%，由此產(chǎn)生的棉稈總量達(dá)2 270.6 萬(wàn)t，是棉秸稈儲(chǔ)量最大區(qū)域?！拔寤崩茫ǚ柿匣?、燃料化、飼料化、原料化和基料化）模式是科學(xué)合理利用棉花秸稈， 使之變廢為寶的重要途徑。

1 棉花秸稈綜合利用現(xiàn)狀

1.1 新疆棉稈資源量

新疆棉花種植面積、 產(chǎn)量及棉稈資源量呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)（圖 1），棉稈量由 2016年的 1 875.9 萬(wàn) t 增長(zhǎng)到2020年的2 270.6 萬(wàn)t，其中單位面積秸稈量由9.1 萬(wàn) t/hm2增長(zhǎng)到 9.5 萬(wàn) t/hm2。 盡管新疆已開展了棉稈資源價(jià)值的開發(fā)和利用， 但是由于棉稈木質(zhì)素和棉酚含量較高，相較于小麥、玉米、油菜等主要農(nóng)作物，棉秸綜合利用的發(fā)展滯后，棉稈的利用量不足資源總量的 1/10。

圖1 2016-2020年新疆棉花種植情況及棉稈資源情況

1.2 棉稈肥料化利用

棉稈肥料化利用可分為粉碎還田利用和腐熟加工成有機(jī)肥利用[1-2]。 棉稈粉碎還田利用是指在棉花收獲后將棉稈直接粉碎還田， 均勻覆蓋在地表或翻耕后埋入地下。 腐熟加工成有機(jī)肥利用是將棉稈回收后堆漚腐熟，制成廄肥、商品有機(jī)肥或在腐熟后加入草炭、蛭石和珍珠巖等復(fù)配調(diào)節(jié)后，制成無(wú)土栽培的基質(zhì)[5]。 目前直接還田是最簡(jiǎn)單的利用方式，還田后使棉田土壤pH 降低，土壤有效養(yǎng)分、有機(jī)碳含量增加，土壤理化性狀改善[3]，從而有利于發(fā)展農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，實(shí)現(xiàn)保水、保墑、增溫、培肥土壤、降低化肥依賴度[4]。

1.3 棉稈飼料化利用

棉稈中含有6.5%粗蛋白、44.0%纖維素、10.7%半纖維素和15.2%木質(zhì)素[4]，其粗蛋白含量高于稻草和小麥秸稈，且與玉米秸稈相當(dāng)。 如果將棉稈中的棉酚處理后，就可制成飼料飼喂禽畜，這不僅可以節(jié)約養(yǎng)殖成本，還可以提高經(jīng)濟(jì)價(jià)值（圖2）。 每1 萬(wàn) t 棉稈壓縮制成粗飼料可提供3 000 頭牛1年的飼料，而牛產(chǎn)生的糞便經(jīng)腐熟后可作為有機(jī)肥還田[6]。 由于棉稈中棉酚、中粗纖維和木質(zhì)素含量較高，而現(xiàn)有的棉秸稈飼料加工技術(shù)還不成熟， 不能完全消除棉酚的毒性，使得棉稈飼料產(chǎn)業(yè)化難以實(shí)現(xiàn)。

圖2 棉稈制作飼料

1.4 棉稈能源化利用

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源短缺問題日益嚴(yán)重。將棉稈作為生產(chǎn)能源的原料有助于提高棉稈利用率，滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。 棉稈燃料化主要包括棉稈氣化、 棉稈發(fā)電、炭化及直接用作生活燃料等。 棉稈的燃燒值為17.1～18.1 MJ/kg，接近于木材，是非常理想的能源材料[7]。 以棉稈為底物，經(jīng)過(guò)微生物厭氧發(fā)酵技術(shù)可產(chǎn)生可再生的甲烷和液體燃料。 其次，經(jīng)過(guò)有效預(yù)處理的棉花秸稈還具備制備燃料乙醇的巨大潛力。

1.5 建材、輕工和紡織原料利用

棉稈中的纖維長(zhǎng)度和木質(zhì)化程度與木材大致相同，是很好的代替材料。 可利用棉稈代替木漿造紙、生產(chǎn)高密度纖維板和隔音板等。 秸稈墻板的保溫性、裝飾性和耐久性均屬上乘，許多發(fā)達(dá)國(guó)家已把“秸稈板”當(dāng)作木板和瓷磚的替代品廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)。棉稈還可以制造人造絲和人造棉，生產(chǎn)糖醛、飴糖、酒和木糖醇，加工纖維板等[8]。

2 棉稈還田技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 棉稈還田分類

目前棉稈還田采用直接還田和間接還田， 直接還田是利用棉桿粉碎機(jī)直接粉碎還田，操作簡(jiǎn)單，提高土壤肥力，改善土壤理化性狀效果顯著；間接還田是將棉花秸稈經(jīng)過(guò)處理后再還田。 間接還田包括過(guò)腹、 過(guò)圈還田， 將棉稈作為飼料飼喂牲畜， 收集牲畜的糞便腐熟后按照一定配比制成有機(jī)肥后進(jìn)行還田[8]。 目前間接還田方式隨種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度提高日趨減少， 而結(jié)合機(jī)械的粉碎翻壓還田已經(jīng)成為新疆棉稈還田的主導(dǎo)方式。

2.2 棉稈還田對(duì)土壤的影響

棉稈還田后土壤有機(jī)質(zhì)含量、容重、pH、含水量均優(yōu)于未還田處理（表1），有機(jī)質(zhì)含量較未還田處理增加了 0.12 g/kg（0～20 cm）、1.3 g/kg（20～40 cm）；容重降低了 0.02 g/cm3； pH 降低了 0.01 （0～20 cm）、0.02 （20～40 cm）； 含水量增加了 1.31%（0～20 cm）、1.65%（20～40 cm）。 棉稈還田還有利于土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的增加，土壤平均重量直徑、幾何平均直徑越高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越好， 還田處理的0～20 cm 土層土壤平均量直徑、幾何平均直徑均高于未還田處理，還田處理的土壤分形維數(shù)均小于未還田處理（表2），而分形維數(shù)越小則表明土壤越疏松，反之則越緊實(shí)。

表1 棉稈還田對(duì)不同深度土壤理化性質(zhì)的影響

表2 棉稈還田對(duì)不同深度土壤團(tuán)聚體的影響

土壤中有機(jī)質(zhì)含量的增加， 為微生物的活動(dòng)提供碳源，極大的改善土壤板結(jié)狀況；其次經(jīng)土壤中微生物與礦物質(zhì)作用會(huì)形成腐殖酸鈣和腐殖酸鎂，使土壤容重比重降低， 總孔隙度增加； 而土壤環(huán)境疏松，能夠改善作物的根系生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)生長(zhǎng)，從而提高作物品質(zhì)，增加產(chǎn)量。 同時(shí)棉桿還田還能夠顯著提高土壤水分含量，在棉稈粉碎翻壓的過(guò)程中，破壞了土壤結(jié)構(gòu)，使下層水分較難向地表移動(dòng)，增強(qiáng)了土壤的濕度。 棉稈還田增加水穩(wěn)性大團(tuán)粒聚合的數(shù)量，進(jìn)一步改善土壤結(jié)構(gòu)，保障土壤的通透性和保水、保肥性，提高土壤養(yǎng)分[9]。

2.3 棉稈還田對(duì)作物生長(zhǎng)的影響

棉稈直接還田可以促進(jìn)棉花產(chǎn)量的增長(zhǎng)及品質(zhì)的提升（表3），棉稈直接還田處理的棉花產(chǎn)量及衣分均優(yōu)于不還田處理， 籽棉產(chǎn)量和衣分分別增加了17.04 kg/畝和3.04%。 棉稈還田后分解過(guò)程中產(chǎn)生了腐植質(zhì)及腐植酸能夠刺激作物根系的生長(zhǎng)， 促進(jìn)作物對(duì)氮素的吸收，加速氮素積累，從而增加根系中蘋果酸、琥珀酸及草酸含量，大幅度改善作物的光合作用，從而更好地為作物生長(zhǎng)輸送養(yǎng)分和水分[10]，最終實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。

表3 棉稈直接還田對(duì)棉花產(chǎn)量的影響

3 棉稈還田過(guò)程中存在的問題

首先，棉稈還田對(duì)于種植戶來(lái)說(shuō)需要增加成本，但是見效緩慢，年產(chǎn)出值與期望值不對(duì)等，所以農(nóng)戶開展不積極。 而且這項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)處于不成熟階段，科技研發(fā)力度不足，配套技術(shù)設(shè)備匱乏，沒有形成大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營(yíng)的模式。 其次， 機(jī)械設(shè)備粉碎棉稈不徹底，棉稈長(zhǎng)度差別大，較大棉稈需要很長(zhǎng)時(shí)間才能徹底腐解轉(zhuǎn)化為養(yǎng)分， 沒有及時(shí)腐爛的棉稈會(huì)影響播種時(shí)地膜及滴灌帶的鋪設(shè)及播種后種子與土壤的充分接觸， 阻礙種子發(fā)芽， 降低發(fā)芽率， 造成出苗不齊[11]。 有研究表明，棉稈還田會(huì)加重棉花枯萎病和黃萎病的發(fā)生， 其次棉稈上附著的病菌和蟲卵會(huì)隨粉碎還田進(jìn)入土壤中繁殖蔓延，造成土壤污染，從而加重次年棉田病蟲害的發(fā)生[12]。

4 棉稈還田利用的發(fā)展前景及建議

棉稈直接還田有著較好的自然適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)效益，輕簡(jiǎn)的利用方式，更匹配當(dāng)前的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。棉稈還田技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該從3個(gè)方面進(jìn)行，即農(nóng)戶、政府、科研人員。 首先，對(duì)農(nóng)戶進(jìn)行棉稈還田優(yōu)勢(shì)科普培訓(xùn)， 讓農(nóng)戶充分了解棉稈還田后帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)及效益。 其次，政府應(yīng)當(dāng)加大宣傳力度，增加棉稈還田補(bǔ)貼，采用棉稈還田機(jī)械補(bǔ)貼、棉稈還田配套腐熟菌劑補(bǔ)貼等方式，完善關(guān)于棉稈還田的相關(guān)政策，建立健全的棉稈還田利用體系。 最后，科研人員應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化棉稈粉碎還田機(jī)械；研究棉稈還田后病、蟲、草害發(fā)生規(guī)律及防控技術(shù)； 研發(fā)低成本高效的棉稈腐熟劑；提出成熟的棉稈快速高效腐熟技術(shù)，為棉稈還田利用提供更多可能，實(shí)現(xiàn)棉稈高值化利用。