秸秆资源利用及秸秆还田生态环境效益的研究进展

王伊琨 于跃跃 贾小红

摘  要：秸秆还田是我国一项重要的粮田有机培肥措施，可以增加作物产量、提高土壤有机质含量，具有较好的经济效益和社会效益。该文介绍了秸秆还田技术的应用现状，分析了当前秸秆还田对生态环境效益的影响，以及秸秆还田中存在的问题，为推动秸秆还田技术应用，促进农业可持续发展提供参考。

关键词：秸秆还田;生态效益;温室气体排放;土壤固碳

中图分类号 S141 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2019）10-0111-04

Abstract： Straw retuning，as a key practice of organic agriculture in China，was critical for increasing crop yield and maintaining soil organic matter，has obvious economic benefits and society benefits.Therefore， this article discussed the present achievements，summarizes the ecological effects，analyzed the problems of straw returning.Further theoretical guide for promoting the technology of straw returning， improving soil fertility and reducing greenhouse gas emission are to be provided.

Key words： Straw retuning;Ecological effects;Greenhouse gas emission;Soil carbon sequestration

近年来，由于人类活动引起的大气中温室气体浓度增加的问题日益突出，全球气候变暖问题已成为当今世界各国需要共同面对的重大挑战[1-2]。表1為当今主要温室气体在农业生态系统中的排放情况[3]。

农作物秸秆是粮食、油料、棉花纤维以及蔬菜等作物的副产品，其量大、分布广、种类丰富[4-5]。秸秆中含有大量的氮、磷、钾、中微量元素以及有机质等，是重要的有机肥资源[5-6]。将秸秆进行还田处理，通过在土壤微生物作用下发生腐解，向土壤释放有机质和矿物质，可以增加土壤养分，提高土壤质量，改善土壤水、肥、气、热，增加作物产量，尤其是对于焚烧秸秆造成的环境污染问题有着非常重要的作用[7-8]。

然而，秸秆作为数量巨大的可再生资源，因收集困难、经济利用价值偏低等原因，并未得到充分合理的利用[9-10]。秸秆的废弃或焚烧，不仅会造成有机质及养分资源的巨大浪费，而且会造成严重的环境污染问题，这些都会危及农产品的质量安全和人类的身体健康[11-12]。本文旨在探讨农作物秸秆资源的不同利用方式，以及将秸秆进行还田后其所能产生的生态环境效益，主要包括土壤环境和大气环境2个方面，为推动秸秆资源进行还田以改善农业土地利用管理、落实化肥零增长行动、增强农业固碳减排潜力提供参考。

1 秸秆资源利用现状

1.1 秸秆资源 据联合国粮农组织发布的主要农作物收获指数及年度农业生产统计资料显示，2012年全球秸秆总产量为50.81亿t，其中：中国秸秆总产量9.40亿t，居世界秸秆产量第1，占全球秸秆总量的18.50%;秸秆产量高于0.50亿t的美国、印度、巴西等15个国家，合计总量为28.75亿t，占全球秸秆总量的56.58%;秸秆产量低于0.50亿t的其他各国，合计总量为12.66亿t，占全球秸秆总量的24.92%[13]。刘晓永等研究认为，1980s、1990s、2000s、2010s我国秸秆资源总量分别为4.85×108、6.55×108、7.36×108、9.01×108t，30多年来秸秆资源总量增长85.77%[14]。毕于运等[15]、曹国良等、王亚静等[17]研究认为，中国主要农作物秸秆资源总量估算分别为8.4亿t、6亿t、6.86亿t。可见，我国的秸秆资源是非常丰富的。

1.2 秸秆资源化利用情况

1.2.1 国外 国外对秸秆的处理利用已有多年经验，技术成熟，具有配套的机械设备以及相应的管理体系[18]。目前对秸秆的利用方式主要有以下几种：（1）用于还田，培肥地力。美国把秸秆还田作为一项关键培肥技术，坚持常年实施秸秆还田，除玉米、小麦等作物秸秆大量还田外，大豆、番茄等作物秸秆也尽量还田[19]。美国每年能生产作物秸秆4.5亿t，其中秸秆还田量占秸秆总量的68%，对保持土壤肥力具有十分重要的作用[20]。英国的洛桑试验站通过每年对土地翻压玉米秸秆7～8t/hm2，经过18年后，土壤有机质含量提高了2.2%～2.4%[21]。（2）用于发电。丹麦是世界上首先使用秸秆发电的国家，著名的阿维多发电厂建于20世纪90年代，被誉为全球效率最高、最环保的热电联供电厂之一[22]。瑞典对使用秸秆进行发电的电价费用进行了补贴[23]。德国环境部于2001年制定了《生物质发电条例》，并于2005年对该例进行了修改[24]。（3）用于饲料。日本的稻草2/3以上用于直接还田，1/5左右用作牛饲料或养殖场的垫圈料[25]。目前，韩国的稻麦秸秆已实现了全量化利用，20%用于还田，80%用作饲料[26]。除上述几种主要利用方式之外，还有一些在新型能源利用方面，如秸秆沼气、致密成型燃料、纤维素乙醇等[27]。

1.2.2 国内 前些年，我国的秸秆资源浪费严重，或就地焚烧，或弃置一旁，仅少部分用于造肥还田、畜牧饲料和农村生活能源等方面。韩鲁佳等研究了1999年中国农作物秸秆的各种用途所占比例，造纸原料占2.9%，牲畜饲料占30.9%，农村生活能源占45%，秸杆还田及其他损失占21.2%[28]。高利伟等[29]研究认为，2006年作物秸秆还田、秸秆饲用、秸秆燃烧以及其他去向所占秸秆总量的比例分别为24.3%、29.9%、35.3%和10.5%;2010年，秸秆使用去向，作为饲料使用占31.9%，作为肥料使用占15.6%，作为种植食用菌基料占2.6%，作为人造板、造纸等工业原料占2.6%，作为燃料使用占17.8%;2015年，秸秆作为肥料利用占43.2%，作为饲料利用占18.8%，作为基料利用占4.0%，作为燃料利用占11.4%，作为原料利用占2.7%。可见，中国农作物秸秆养分资源综合利用存在较大空间，还田作为秸秆资源利用的其中一种方式，是实现化肥施用零增长行动和维持粮食安全的重要措施。

2 秸秆还田对生态环境的影响分析

秸秆还田处理对农田生态效益的影响，主要包括土壤环境和大气环境2个方面：

2.1 秸秆还田对土壤环境的影响

2.1.1 物理性状 秸秆还田对土壤物理性状具有明显改善作用。通过秸秆还田处理，可以增加土壤孔隙度，减少土壤容重，增强土壤保水保墒性能[30]。秸秆还田后，0～10m土层的土壤总孔隙度增加10.99%～16.37%，20～30cm土层的土壤总孔隙度增加8.97%～34.16%[31]。秸秆深施还田可明显提高土壤温度，且距离秸秆埋施点越近，土壤温度越高[32]。孔德刚等[33]，张帅等[34]研究认为，秸秆腐熟后可持续向玉米根区供水，越接近秸秆深施处，土壤含水量越大。赵伟等研究认为，将秸秆直接还田，土壤容重降低0.09～0.19g/cm3[35]。王喜艳等研究认为，秸秆还田深施处理，20～40cm土层容重降幅比0～20cm土层大，深施有利于改善深层土壤的通透性[36]。张久明等研究认为，将秸秆还田处理，土壤紧实度下降了32%～46%[37]。

2.1.2 化学性状 施用秸秆有利于提高土壤肥力，增加土壤固碳量[38]。郑洪兵等研究认为，土壤养分全量及速效养分含量均随着秸秆还田量的增加而呈现上升的趋势[39]。谢佳贵等研究认为，对于土壤钾素，需要秸秆还田结合施钾肥才能保持动态平衡[40]。王开峰等研究认为，施用秸秆等有机物料使稻田土壤有机质增加50%～120%[41]。朱捍华等研究认为，秸秆还田与施用化肥相比，丘陵红壤有机质含量增加5.8%～28.9%，土壤物理性质也得到了明显改善[42]。

2.1.3 微生物状况 秸秆还田能够明显增加土壤微生物的数量，促进微生物C和N的转换[43]。赵秀兰等研究认为，秸秆还田后明显增加了土壤微生物的总量，且随着秸秆还田数量越多，时间越长，增加量则越多[44]。刘佳斌等[45]研究认为，秸秆腐熟后施入比秸秆直接还田更有利于微生物数量的增加，细菌增幅最大，细菌表现为优势菌，放线菌居中，真菌最少;秸秆还田后土壤脲酶和过氧化氢酶活性提高，对脲酶的影响大于过氧化氢酶。崔俊涛等研究认为，玉米秸秆对土壤真菌数量的影响大于对细菌数量的影响，细菌与真菌数量比（B/F）由1.42降低到1.25[46]。

2.2 秸秆还田对大气环境的影响 秸秆还田对大气环境的影响，主要是对农田CO2、N2O和CH4等主要温室气体排放产生影响[47]。

2.2.1 CO2 杨晶秋等研究认为，玉米秸秆后，第1年分解率为67.6%，第2年为12.8%，第3年为6.2%，以后还将不断分解[48]。秸秆经过多年分解以后，真正残留在土壤中的碳含量很少，大部分都在分解过程中转化成CO2等，向大气中散逸。但是不能因此就认为秸秆还田比未还田更增加了CO2的排放，因为將秸秆进行还田与其他处理方式相比，毕竟固定了一部分有机碳，相应地减少了CO2的排放，这一结论已有大量研究认证，普遍为国内外的专家学者所认可[49、50]。

2.2.2 N2O 黄耀等研究显示，施用秸秆堆肥有利于减少稻麦轮作农田的N2O排放量[51]。李成芳等研究表明，秸秆还田能显著提高土壤N2O排放量，且土壤N2O的排放量随秸秆施用量的增加而增加[52]。蒋静艳等研究显示，稻田在连续淹水条件下，N2O排放与小麦秸秆施用量成反比[53]。尽管各研究的结果有着很大差异，影响N2O的作用机理却是一致的。土壤中N2O的产生主要是在微生物的参与下，通过硝化和反硝化作用完成的，受到土壤碳氮比、土壤类型、秸秆还田量、秸秆还田方式，以及秸秆还田后的水肥管理方式等多因素的影响，N2O的排放规律还有待于进一步研究[54]。

2.2.3 CH4 土壤中CH4产生受甲烷菌活动影响，秸秆还田对农田土壤CH4排放的影响研究多集中于稻田，主要表现为增加CH4排放[55]。马静等研究认为，麦秆直接还田增加了稻田CH4的排放量[56]。逯非等研究认为，中国稻田甲烷排放量，不进行秸秆还田为5.796Tg/a，而进行秸秆还田后则增加到9.117Tg/a[57]。闫翠萍等研究表明（表2），在小麦-玉米轮作模式下，秸秆还田处理有利于农田生态系统的碳汇吸收[58]。

3 存在的问题

3.1 机械综合利用技术不完善 秸秆还田技术需要多道工序和配套的机械进行作业，但是目前推广的秸秆还田机械只是把农作物秸秆粉碎后翻埋到土壤中去，而收获秸秆的机械存在作业质量差、收获后作物留茬过高等多个问题，目前综合利用技术还不够完善，影响了秸秆的获取以及后续的还田操作。

3.2 政策法律不完备 目前，对秸秆还田技术的优惠政策和扶持力度不足，农民在短时间内看不到经济效益，而对社会效益和生态效益的重视程度又相对滞后，使群众对秸秆还田技术接受度不高。虽然国家及地方发布了相关法律条文对焚烧秸秆行为规定了处罚措施，但是从实践来看，除了“堵”，还应该拓宽“疏”，积极推广有利于技术落地的政策。

3.3 管理体系不顺畅 全国还没有形成自上而下有效协调统一的监管理体系。从目前看，各地秸秆禁烧和综合利用工作重视程度不同，有的地方政府成立了专门工作机构，有的则没有，造成了上下管理关系的不协调，影响了整体工作的推进。

4 几点建议

（1）农作物秸秆收储运体系是秸秆利用的基础，包括打捆机、打包机及粉碎机等，涵盖了收获、装载、运输、存储及销售等各个环节。由于秸秆存在体积大、密度低、含尘多、可收集时间短、田块零碎难以统一收集等问题，要尽快研发更方便快捷的农机具。

（2）政策上要加强支持力度，把机械购置投入纳入财政预算，保障农机补贴资金，建立长效发展机制。

（3）秸秆还田涉及的问题很多，我国各地资源、环境和经济条件不相同，因此，今后需要结合各地区资源优势和气候条件开展相关工作，加快秸秆还田技术的推广应用。

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（责编：张宏民）