棉花秸秆利用现状及其还田技术

朱倩倩 冉彤彤 许咏梅 刘忠山 谢香文 张晔山

（1.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所 新疆乌鲁木齐 830091；2.新疆农业科学院拜城农业试验站 新疆拜城 842300；3.新疆农业科学院经济作物研究所 新疆乌鲁木齐 830091）

中国是棉花生产大国，国家统计局发布的《2020年农作物产量公告》显示，2020年全国棉花播种面积有4 754.8 万亩，平均亩产 124.3 kg，总产 591.0 万 t，占比超过全球棉花总产的40%。 其中新疆地区的棉花总产516.6 万t，占全国总产的87%，由此产生的棉秆总量达2 270.6 万t，是棉秸秆储量最大区域。“五化”利用（肥料化、燃料化、饲料化、原料化和基料化）模式是科学合理利用棉花秸秆， 使之变废为宝的重要途径。

1 棉花秸秆综合利用现状

1.1 新疆棉秆资源量

新疆棉花种植面积、 产量及棉秆资源量呈逐年增长趋势（图 1），棉秆量由 2016年的 1 875.9 万 t 增长到2020年的2 270.6 万t，其中单位面积秸秆量由9.1 万 t/hm2增长到 9.5 万 t/hm2。 尽管新疆已开展了棉秆资源价值的开发和利用， 但是由于棉秆木质素和棉酚含量较高，相较于小麦、玉米、油菜等主要农作物，棉秸综合利用的发展滞后，棉秆的利用量不足资源总量的 1/10。

图1 2016-2020年新疆棉花种植情况及棉秆资源情况

1.2 棉秆肥料化利用

棉秆肥料化利用可分为粉碎还田利用和腐熟加工成有机肥利用[1-2]。 棉秆粉碎还田利用是指在棉花收获后将棉秆直接粉碎还田， 均匀覆盖在地表或翻耕后埋入地下。 腐熟加工成有机肥利用是将棉秆回收后堆沤腐熟，制成厩肥、商品有机肥或在腐熟后加入草炭、蛭石和珍珠岩等复配调节后，制成无土栽培的基质[5]。 目前直接还田是最简单的利用方式，还田后使棉田土壤pH 降低，土壤有效养分、有机碳含量增加，土壤理化性状改善[3]，从而有利于发展农田生态系统良性循环，实现保水、保墒、增温、培肥土壤、降低化肥依赖度[4]。

1.3 棉秆饲料化利用

棉秆中含有6.5%粗蛋白、44.0%纤维素、10.7%半纤维素和15.2%木质素[4]，其粗蛋白含量高于稻草和小麦秸秆，且与玉米秸秆相当。 如果将棉秆中的棉酚处理后，就可制成饲料饲喂禽畜，这不仅可以节约养殖成本，还可以提高经济价值（图2）。 每1 万 t 棉秆压缩制成粗饲料可提供3 000 头牛1年的饲料，而牛产生的粪便经腐熟后可作为有机肥还田[6]。 由于棉秆中棉酚、中粗纤维和木质素含量较高，而现有的棉秸秆饲料加工技术还不成熟， 不能完全消除棉酚的毒性，使得棉秆饲料产业化难以实现。

图2 棉秆制作饲料

1.4 棉秆能源化利用

随着经济的快速发展，能源短缺问题日益严重。将棉秆作为生产能源的原料有助于提高棉秆利用率，满足可持续发展的要求。 棉秆燃料化主要包括棉秆气化、 棉秆发电、炭化及直接用作生活燃料等。 棉秆的燃烧值为17.1～18.1 MJ/kg，接近于木材，是非常理想的能源材料[7]。 以棉秆为底物，经过微生物厌氧发酵技术可产生可再生的甲烷和液体燃料。 其次，经过有效预处理的棉花秸秆还具备制备燃料乙醇的巨大潜力。

1.5 建材、轻工和纺织原料利用

棉秆中的纤维长度和木质化程度与木材大致相同，是很好的代替材料。 可利用棉秆代替木浆造纸、生产高密度纤维板和隔音板等。 秸秆墙板的保温性、装饰性和耐久性均属上乘，许多发达国家已把“秸秆板”当作木板和瓷砖的替代品广泛应用于建筑行业。棉秆还可以制造人造丝和人造棉，生产糖醛、饴糖、酒和木糖醇，加工纤维板等[8]。

2 棉秆还田技术现状

2.1 棉秆还田分类

目前棉秆还田采用直接还田和间接还田， 直接还田是利用棉杆粉碎机直接粉碎还田，操作简单，提高土壤肥力，改善土壤理化性状效果显著；间接还田是将棉花秸秆经过处理后再还田。 间接还田包括过腹、 过圈还田， 将棉秆作为饲料饲喂牲畜， 收集牲畜的粪便腐熟后按照一定配比制成有机肥后进行还田[8]。 目前间接还田方式随种植业结构调整及农业机械化程度提高日趋减少， 而结合机械的粉碎翻压还田已经成为新疆棉秆还田的主导方式。

2.2 棉秆还田对土壤的影响

棉秆还田后土壤有机质含量、容重、pH、含水量均优于未还田处理（表1），有机质含量较未还田处理增加了 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）。 棉秆还田还有利于土壤团聚体稳定性的增加，土壤平均重量直径、几何平均直径越高土壤团聚体稳定性越好， 还田处理的0～20 cm 土层土壤平均量直径、几何平均直径均高于未还田处理，还田处理的土壤分形维数均小于未还田处理（表2），而分形维数越小则表明土壤越疏松，反之则越紧实。

表1 棉秆还田对不同深度土壤理化性质的影响

表2 棉秆还田对不同深度土壤团聚体的影响

土壤中有机质含量的增加， 为微生物的活动提供碳源，极大的改善土壤板结状况；其次经土壤中微生物与矿物质作用会形成腐殖酸钙和腐殖酸镁，使土壤容重比重降低， 总孔隙度增加； 而土壤环境疏松，能够改善作物的根系生长环境，促进生长，从而提高作物品质，增加产量。 同时棉杆还田还能够显著提高土壤水分含量，在棉秆粉碎翻压的过程中，破坏了土壤结构，使下层水分较难向地表移动，增强了土壤的湿度。 棉秆还田增加水稳性大团粒聚合的数量，进一步改善土壤结构，保障土壤的通透性和保水、保肥性，提高土壤养分[9]。

2.3 棉秆还田对作物生长的影响

棉秆直接还田可以促进棉花产量的增长及品质的提升（表3），棉秆直接还田处理的棉花产量及衣分均优于不还田处理， 籽棉产量和衣分分别增加了17.04 kg/亩和3.04%。 棉秆还田后分解过程中产生了腐植质及腐植酸能够刺激作物根系的生长， 促进作物对氮素的吸收，加速氮素积累，从而增加根系中苹果酸、琥珀酸及草酸含量，大幅度改善作物的光合作用，从而更好地为作物生长输送养分和水分[10]，最终实现增产。

表3 棉秆直接还田对棉花产量的影响

3 棉秆还田过程中存在的问题

首先，棉秆还田对于种植户来说需要增加成本，但是见效缓慢，年产出值与期望值不对等，所以农户开展不积极。 而且这项技术现处于不成熟阶段，科技研发力度不足，配套技术设备匮乏，没有形成大规模产业化经营的模式。 其次， 机械设备粉碎棉秆不彻底，棉秆长度差别大，较大棉秆需要很长时间才能彻底腐解转化为养分， 没有及时腐烂的棉秆会影响播种时地膜及滴灌带的铺设及播种后种子与土壤的充分接触， 阻碍种子发芽， 降低发芽率， 造成出苗不齐[11]。 有研究表明，棉秆还田会加重棉花枯萎病和黄萎病的发生， 其次棉秆上附着的病菌和虫卵会随粉碎还田进入土壤中繁殖蔓延，造成土壤污染，从而加重次年棉田病虫害的发生[12]。

4 棉秆还田利用的发展前景及建议

棉秆直接还田有着较好的自然适应性和经济效益，轻简的利用方式，更匹配当前的农业产业结构。棉秆还田技术的发展应该从3个方面进行，即农户、政府、科研人员。 首先，对农户进行棉秆还田优势科普培训， 让农户充分了解棉秆还田后带来的优势及效益。 其次，政府应当加大宣传力度，增加棉秆还田补贴，采用棉秆还田机械补贴、棉秆还田配套腐熟菌剂补贴等方式，完善关于棉秆还田的相关政策，建立健全的棉秆还田利用体系。 最后，科研人员应继续优化棉秆粉碎还田机械；研究棉秆还田后病、虫、草害发生规律及防控技术； 研发低成本高效的棉秆腐熟剂；提出成熟的棉秆快速高效腐熟技术，为棉秆还田利用提供更多可能，实现棉秆高值化利用。