农作物秸秆肥料化利用现状与发展建议——以黑龙江省为例

郝小雨，陈苗苗

(1.黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；2.河北农业大学 科学技术研究院，河北 保定 071001)

秸秆是农作物收获籽实后的副产物，是宝贵的生物质资源[1-2]。近年来，随着农业生产水平的不断提高，秸秆产量也随之快速增加。据统计，2015—2017年我国主要粮食作物秸秆年均产量为80 213万吨，其中水稻、小麦和玉米秸秆年均产量分别为23 212万吨、17 083万吨和39 918万吨，黑龙江省三大作物的秸秆产量达到8 784万吨，占到全国总量的10.9%[3]。近年来，随着黑龙江省城镇化推进和农民生活水平逐步提高，农村能源结构发生改变，秸秆不再是农村传统的燃料来源，农村对秸秆的需求量大大减少，农作物秸秆逐渐成为废弃物。此外，秸秆收储困难、利用成本高、规模化应用程度低等原因进一步制约了秸秆的综合利用，区域性、季节性、结构性过剩现象问题开始出现，露天焚烧现象屡禁不止，不仅浪费资源，还污染环境[4-5]。另一方面，黑龙江省耕地长期的过度垦殖和高强度利用，过度依赖化肥，不注重养地，秸秆等有机肥类资源没有被充分利用，土壤肥力逐年下降，耕作层变浅，犁底层变硬，表现为“土变瘦了、土变硬了、土变薄了”[6-8]。实践证明，含有丰富矿质元素和有机质的农作物秸秆还田后改土、培肥效果显著[9-11]，同时秸秆还田还具有较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，是秸秆资源化利用的现实途径[12]。黑龙江省围绕秸秆肥料化、饲料化、能源化、基料化及原料化的“五化”利用方式，因地制宜出台了一系列措施进行秸秆综合利用，其中秸秆肥料化模式是最主要的利用方式。2019年，黑龙江省秸秆还田利用量达到5 860.2万吨，利用率达到57.87%[13]，在秸秆直接还田的基础上，还利用秸秆堆肥、种养结合、炭化还田等方式，进一步提高了秸秆资源化利用率。尽管黑龙江省秸秆肥料化利用取得了明显成效，但秸秆综合利用率仍处于较低水平。在此背景下，笔者基于调研和文献分析研究，解析了目前黑龙江省秸秆肥料化利用现状、模式和不足，并提出相关政策建议，旨在为推动黑龙江省秸秆养分资源高效利用、化肥减施增效、黑土地保护和农业可持续发展提供理论支撑。

一、秸秆直接还田

(一) 秸秆还田模式

秸秆直接还田是黑龙江省秸秆综合利用主攻方向，也是土壤退化修复和耕地培肥的重大举措。目前，黑龙江省农作物秸秆直接还田方式主要为翻埋还田、耕层混拌和覆盖还田。翻埋还田和耕层混拌主要通过机械方式将收获后的作物秸秆粉碎并均匀抛撒在田间，之后进行翻埋或者混拌，达到改善土壤物理性质和提高土壤肥力的目的。覆盖还田分为秸秆粉碎覆盖、高留茬覆盖和整株覆盖，将粉碎的秸秆或整株秸秆直接覆盖于土表，实现抗旱保墒、控制水土流失及提升土壤肥力的目的。不同秸秆还田方式各有优缺点，如表1所示。

表1 黑龙江省主要农作物秸秆还田方式[14-16]

(二) 秸秆还田模式优化

结合本地区农业生产实际，有学者近年来对秸秆还田方式和技术进行了优化。邹文秀等[17]提出了黑土区肥沃耕层构建方法：收获后将玉米秸秆粉碎至≤10厘米，均匀抛撒在田面上，之后也可抛洒有机肥，使用螺旋式犁壁犁将秸秆和有机肥深混于0～35厘米土层，晒垡 4～5天后耙地至待播种状态；肥沃耕层构建方式可同步培肥耕层和亚耕层土壤，提高玉米产量。王秋菊等[18]提出了秸秆粉碎集条深埋机械还田方法，将4倍于单位面积产量的玉米秸秆，通过秸秆粉碎集条机(秸秆粉碎、集条沟施)配合铧式犁翻耕，将粉碎的秸秆集中深埋在耕层下，形成间隔180厘米的培肥沟，可明显改善土壤物理性质，增厚耕层。王金武等[4]提出一种水稻秸秆整株深埋还田联合作业整地技术，并研发了相关配套作业机具，该机具可一次性完成切土、碎土、埋土、压草及覆土等多道工序，将水稻整株秸秆直接深埋入地下，克服秸秆粉碎还田后在水整地过程中秸秆浮出的弊端。黑龙江省农业科学院佳木斯分院[19-20]应用1LH-1型根茬秸秆心土混合犁(四段犁)改良白浆土，在保持耕土壤层不变情况下对耕层以下坚实土层进行搅动混拌，改变土壤质地、增强蓄水和抗旱排涝能力、降低土壤硬度、促进作物根系向下伸展，并能对心土进行培肥，增加作物产量。

(三)存在问题

目前，黑龙江省各地区普遍存在秸秆还田、离田、储运成本高的问题。经测算，玉米秸秆机械还田成本在930元/公顷以上[14]，尽管政府补贴资金近几年有所上涨，但较收回成本仍相差较大。以2020年为例，黑龙江省玉米秸秆全量翻埋还田省级作业补贴为600元/公顷，仍有330元/公顷的缺口，依靠农民自愿来实施秸秆还田显然不现实。黑龙江省人民政府办公厅《关于印发2020年黑龙江省秸秆综合利用工作实施方案的通知》，提出了秸秆还田作业补贴、秸秆离田利用补贴、秸秆还田离田机具购置补贴等多项举措，但仍存在较大资金缺口。由于秸秆还田利用涉及多个部门，如农业、财政、科技、生态环境、税收等，各部门缺乏沟通、协作和分工，各自为政，难以形成合力。黑龙江省部分地区存在秸秆还田农机农艺结合不紧密、机械不配套等问题，导致秸秆粉碎粒度过大、掩埋浅，加之秋季收获后气温快速下降、冬季寒冷漫长、秸秆腐解慢、腐解率低，影响下茬作物生长，春季耕层温度低、不易播种、出苗质量差。秸秆还田后易出现病虫草害，致使秸秆还田效果不佳。长期以来，农民局限于方便耕种、草木灰肥田、杀灭害虫等传统思想，认为花费时间和人工收集秸秆是“赔本买卖”，不如直接就地焚烧，对秸秆还田利用的重要性认识不足。此外，近年来黑龙江省部分地区农业从业人员老龄化严重，以50岁以上人口为主，接受新事物、新信息、新政策能力差、途径少，进一步加剧了秸秆还田利用的难度。

二、秸秆间接还田利用

(一)秸秆堆腐还田技术与应用

秸秆堆腐还田是通过收集粉碎的作物秸秆，并添加水、尿素、秸秆腐熟菌剂，在空闲地块进行堆肥发酵，待作物秸秆完全腐熟后，将其抛撒还到农田中。秸秆堆腐还田是微生物主导下的生物化学过程，其机理是利用一系列微生物对作物秸杆等有机物进行矿质化和腐殖化作用，具有方法简单、腐熟快、产物养分含量高、杀灭病虫草害等优点[21]。秸秆堆腐还田后，可有效减轻土传病害，改善土壤物理性质，增加土壤肥力，提高微生物活性[21-22]。王伟东等[23]提出了“秸秆高效分解提升黑龙江垦区耕地质量关键技术”，应用“秸秆分解菌剂+机械化全量秸秆还田”和“有机肥+机械化全量秸秆还田”技术，土壤有机质提升3%，增产225～705公斤/公顷，在黑龙江垦区累计推广133.3万公顷。王爽等[24]研发了“黑龙江省高寒区畜禽粪便与秸秆高效堆肥关键技术”，该技术以复合菌剂为寒区低温发酵的生物热源，可快速启动农业有机废弃物的低温发酵、分解、腐熟，并集成秸秆田间积造生产有机肥技术及土壤地力修复技术，可减少化肥施用量、提升土壤质量，2014—2016年在黑龙江省嫩江县、方正县、五常市、双城区等地累计推广应用12.7万公顷。

(二)秸秆制沼及其副产物肥料化利用

秸秆制沼是指以农作物秸秆等为主要原料，利用相关设备，在严格的厌氧环境和一定的温度、水分、酸碱度等条件下，经过微生物的厌氧发酵产生沼气和副产物(沼液沼渣)的技术[25]。2009年，黑龙江省甘南县启动了大型干法秸秆沼气项目，采用“连续卧式干法厌氧发酵法”，其特点是卧式池形、连续进料、进料干物浓度高达20%～30%，日处理秸秆110吨、牛粪30吨，生产沼气3万立方米[26]。副产物沼液沼渣不仅含有大量的矿质元素，也含有丰富的腐植酸、粗蛋白、氨基酸、酶、微生物等，作为优质的有机肥料，可促进作物生长，增产提质抗病[27-28]。黑龙江省冬季寒冷漫长的气候条件严重地制约了沼气能源的应用和推广，针对农作物秸秆为发酵底物的厌氧消化工艺和产沼技术，以及适宜于本地区低温高效秸秆降解菌选育的研究进展缓慢。近年来，相关学者也进行了有益的探索。赵光等[29]研发了改进的CSTR-IC复合厌氧发酵系统，对反应装置、工艺要求、过程调控、菌群筛选等方面进行研究，优化了体系配置，提高了物料转化效率和产气率。李文哲等[30-31]提出了湿法好氧厌氧两相发酵工艺，通过对其物质路径、控制路径、发酵单元和沼液沼渣暗灌施肥机械进行优化和研究，可有效降解木质素并提高产气率，并实现沼液沼渣的田间机械化施用。赵立欣等[32]提出，在气候寒冷、秸秆产量大、冬季沼液处理难的地区，可选择“玉米秸秆、粪便干法连续式厌氧消化-沼渣制肥-肥料还田”的种养循环模式。

(三)种养结合利用秸秆

种养结合通过青贮、氨化、微贮或生产颗粒等方法将农作物秸秆加工为牲畜饲料，牲畜消化后产生的畜禽粪便，经过高温有氧堆肥、发酵等处理方式生产出有机肥，最终回归农田，从而实现种植业和养殖业的有机结合，是秸秆过腹还田的新模式[33]。发展种养结合循环农业，加强物质和能量在动植物之间进行转换的循环，不仅能有效降低养殖成本，促进畜禽粪污资源化利用，减少面源污染，还可减少化肥施用量、培肥地力，是提高农业资源利用效率、保护农业生态环境、促进农业绿色发展的重要举措。近年来，黑龙江省农业科学院刘娣团队[34]提出了一系列种养结合模式，有效地促进了区域循环农业的可持续发展。(1)生猪-玉米种养结合模式：利用玉米秸秆发酵饲喂技术和猪粪+秸秆生产有机肥技术，基于玉米-猪-粪尿+秸秆发酵-生物肥-玉米田-玉米循环方式，以1亩地2头猪为基本模式，在哈尔滨市种植玉米1 300多公顷，年出栏3.5万头生猪，产生粪便2万吨，粪污可制成生物肥4 000吨，生物肥还田266.7公顷。(2)肉牛-稻草种养结合模式：基于水稻秸秆-肉牛-粪尿+秸秆发酵-有机肥-水稻田-水稻秸秆循环方式，在黑龙江省汤原县建立肉牛养殖驯化单元27个，以100公顷水田与300头肉牛场配套为1个循环单元，年利用水稻秸秆10万吨，其中裹包发酵8.5万吨，制作青黄储饲料1.5万吨，利用稻草发酵打包饲喂肉牛，粪肥还田。

(四)秸秆炭化还田技术

秸秆炭化技术是在缺氧条件下，通过热解炭化装置对农作物秸秆进行热裂解，产物为生物炭、混合气、焦油和木醋酸等。生物炭还田后，可改善土壤结构及理化性状、固碳减排，起到保护和改善耕地质量、增加作物产量的作用[35]。代琳[36]试制了玉米、水稻和大豆3种秸秆生物炭，在黑龙江省白浆土的应用效果表明，施用量为10吨/公顷生物质炭，提高了土壤有机质、CEC、无机氮素、pH和土壤的含水量，同时降低了土壤容重，并具有增产效果。目前，受成本高、设备落后、产品单一、施用不便等因素影响，省内生物炭研究主要处于田间应用验证阶段，在规模化生产方面进展缓慢，也有一些科研机构和企业利用生物质炭的吸附、缓释性能，尝试生产生物炭基肥。张伟[37]以水稻秸秆为原料，分别制备了粒状和柱状生物质炭基尿素肥料，指出生物炭与尿素质量比为1∶1、粘结剂高岭土添加量为10%的条件下的粒状炭基尿素肥料性能较好，而当粘结剂为羧甲基纤维素钠或氧化淀粉，成型压力为6兆帕斯卡，生物质炭与尿素质量比1∶1、粘结剂添加量为7%时，制备的柱状炭基尿素性能较优。生物炭基肥可一次性施肥，不用追肥，省时省力、节约成本，同时降低了肥料使用量，提高肥料利用率[38]。

(五)秸秆基质肥料化应用

秸秆基料化应用后的产物，经过无害化处理可作为有机肥。秸秆基料化在黑龙江省的应用比例较低，主要集中在牡丹江市、伊春市等部分地区。食用菌栽培过程中，以秸秆为主要原料制成的栽培基质，可用来栽培食用菌，食用菌采收后剩余的菌糠可作为有机肥还田，实现循环利用[39]。菌糠具备有机肥和菌肥的双重作用，富含农作物生长所必需的营养元素和有益微生物[40]。黑龙江省农业科学院谷维[41]团队研发了大球盖菇栽培技术，以各类秸秆(玉米秸、稻草、麦秸、大豆秸等)作为基质培养大球盖菇，栽培后的菌料可直接还田，改良土壤，增加肥力，促进生态农业循环。张春平[42]利用玉米秸秆制作基料，在黑龙江安达市栽培黑木耳和平菇，收获后剩余的基料可作为家畜饲料，形成秸秆→基质→木耳/平菇→菌糠→饲料→粪便→还田的循环生态农业模式。

(六)存在问题

秸秆肥料化产业链过程中的原料收集、运输、储存、预处理和生产，需考虑农机具、机器投入，以及运营中的燃料费、人工费和机械损耗等，无形中增加了成本。秸秆收储运季节约束性强，如秸秆产量大、集中收集强度大、储存难度大，存在惜售、抬价等现象，导致成本增加。秸秆堆沤过程中，受自然条件限制，秸秆收集不便，场地受限，时间成本、人工成本和机械成本较高，发酵过程中易产生肥水流失和下渗现象，导致面源污染等，致使全省大面积应用秸秆堆腐还田存在较大困难。黑龙江省冬季寒冷漫长的气候严重制约了秸秆制沼技术的推广应用，致使规模化制沼工程无法大规模开展，秸秆利用量份额较低。当前，黑龙江省种养结合模式由于缺乏长效运营机制，存在秸秆利用中产品成本高、商品化水平低、秸秆利用率低、农民参与积极性不高等问题。

三、对策与建议

(一)充分发挥政府统筹和管理职能

(1)加强统筹协调。细化各部门职责，将计划目标和任务逐级分解，落实到相关地市、部门；进一步设置市、县秸秆综合利用办公室，实现集中领导和统一指挥。(2)制订针对性强、可操作的秸秆综合利用政策。明确省内不同生态区、不同作物秸秆的利用途径，突出秸秆肥料化利用主渠道，直接还田为主、间接还田为辅，合理布局，创建秸秆还田、离田、储运、加工、利用等领域配套政策，形成政府主导推动、部门协作、市场驱动、社会参与的稳定运行机制。(3)建立规范科学的责任考核机制。把综合利用工作作为绩效考核的重要标准，细化工作分工，明确工作责任，确保落实到人。(4)加强监管责任，建立考核问责制度。开展秸秆综合利用重点考核和总体评价，若未能按时保质保量完成任务，则进行督导，通报批评，核减补助资金等。

(二)加强资金和政策支持

(1)加大中央和地方财政和政策支持，设定秸秆肥料化利用专项资金。加强不同秸秆还田模式和农机具、秸秆储运、秸秆堆腐、秸秆制沼、种养结合、秸秆炭化、秸秆基料等肥料化利用体系建设的资金补贴力度，创新和完善财政资金补助方法，综合核算经济效益、社会效益和生态环境效益，按实际利用量和效应进行终端补贴，补贴对象应为进行秸秆利用的实施主体或个人。创建“补贴+奖励”机制，对于落实秸秆肥料化利用较好的主体或个人，给与优先补贴和奖励，发挥激励作用。(2)对社会资本、企业参与投资、开发秸秆肥料化利用给与大力支持，建立多元化优惠政策，从金融贷款、用地、水电、税收、环保等多方面积极引导和支持，将秸秆肥料化利用龙头企业和产品纳入《资源综合利用企业所得税优惠目录》和《资源综合利用产品和劳务增值税优惠目录》。

(三)强化科技支撑

(1)一方面需调整种植业结构和建立合理轮作制度，减少秸秆产生量；另一方面研发适宜不同区域且具有针对性的秸秆还田方法和技术规程，优化玉米秸秆深施还田、碎混还田、覆盖还田技术和稻田秸秆翻埋还田、旋耕还田、原位搅浆还田技术。研发适宜于冷凉区域、越冬能力强的秸秆腐解菌产品。加强对农作物秸秆还田过程中病虫草害的发生规律及绿色防控技术的研究。(2)研发易操作、低成本、易推广的秸秆堆沤技术，未来秸秆堆肥应该向市场化、产业化方向发展。(3)创新农作物秸秆为发酵底物的厌氧消化工艺，选育适宜于本地区低温高效秸秆降解菌，开发寒地秸秆制沼新技术，加快黑龙江省制沼废弃物资源化利用。(4)建立不同种养结合模式标准、规范，从机制创新、技术支撑、示范推广等多方面推动“以种带养、以养促种”的种养结合循环发展模式。(5)加强秸秆炭化方面的研究创新，选择不同的秸秆原料，优化制备方法及改性方法，降低成本、提高质量。此外，加强生物炭基肥的制备工艺和成型设备的研制，进一步验证不同生态区、不同作物的应用效果。(6)拓宽不同种类食用菌的开发利用途径，扩大食用菌栽培中秸秆的使用量，打造多元化的菌糠利用模式。

(四)加强宣传引导

(1)充分发挥新闻媒体的引导作用，充分利用电视、广播、报纸、互联网、手机等手段，积极宣传国家、省、市重大政策文件、先进活动和典型案例，积极纠正传统观念，转变农民思想。(2)通过举办培训班和现场会、设立示范区和典型示范户、发放书籍资料等方式，多方面宣传秸秆还田利用对保护耕地的重要性和相关扶持政策，不断提升农民群众的思想认识和主动参与的意识。

四、展望

秸秆还田是实现资源循环利用、土壤培肥和固碳减排的有效措施。作为助力我国碳达峰、碳中和的重要手段，如何在更大程度上持续提升秸秆肥料化的综合利用，是建立低碳农业和推进农业可持续发展的重要内涵。近年来，黑龙江省秸秆肥料化综合利用成效显著，但也存在一些突出问题。下一步，在巩固已有基础，保持政策稳定前提下，坚持因地制宜、政府统筹、健全机制、科技推动、多元参与为原则，以强化扶持政策、完善利用制度、加强保障措施为推进手段，激发秸秆直接还田和间接还田等创新机制，与黑土地保护相结合，形成政府、企业与农民三方共赢的整体合力，不断提高秸秆肥料化利用水平。