玉米秸秆综合利用技术分析与评价

周腰华 潘荣光

（辽宁省农业科学院 农村经济研究所,辽宁 沈阳 110161）

秸秆作为农作物重要副产品是工农业生产中必不可少的重要生物质资源[1]。中国农作物年秸秆产量高达8亿t[2]，其中玉米秸秆占28.6%，年产量高达2×109t[3]。然而，近年来，中国劳动力短缺、资金投入不足、农民认识不到秸秆还田的重要性，导致农作物秸秆还田量很少，秸秆还田比例低于20%。以辽宁省为例，20世纪90年代辽宁省玉米种植面积还不到1.34×106hm2，在水资源紧张和玉米生产效益提升的双重因素影响下，近年来辽宁省玉米每年播种面积均达到2×106hm2以上，约占全国玉米总播种面积的7.0%。但是，辽宁省玉米秸秆燃料化利用、饲料化利用和肥料化利用的比例分别为35.14%、30.18%和19.18%。远低于美国68%的秸秆还田比例和英国73%的还田比例，大量秸秆被露天焚烧或被废弃[4]，造成严重的环境污染与资源浪费。

未来，随着粮食产量不断增长，我国秸秆产量也将随之增长。自1930年首次开展残茬(秸秆)覆盖研究[5]以来，秸秆资源利用的问题日益受到科研领域、政府等社会各界关注。近年来，气候变化恶劣，农业生产作为温室气体排放的重要来源，消除秸秆焚烧导致的环境污染和社会问题，缓解废弃秸秆的面源污染压力，秸秆综合利用事关环境保护与农业绿色发展问题，即整个农业生态环境中的水土保持以及可再生资源合理有效的利用等问题，更关系到中国美丽乡村建设问题。因此，推进秸秆综合利用尤其是秸秆循环利用，是关系到整个中国农业和农村社会经济实现可持续发展的必然要求。

玉米秸秆综合利用的方式主要有燃料化、肥料化、饲料化、基料化、原料化“五化”利用五大方面，以下就玉米秸秆综合利用中燃料化、肥料化、饲料化三大农用方式的相关技术特点进行评价，并简要分析秸秆综合利用的制约因素，针对问题提出相应的政策建议，以期为促进我国秸秆综合利用研究进一步全面深化提供参考。

1 玉米秸秆综合利用技术方式

1.1 玉米秸秆燃料化利用

秸秆作为一种有效的可再生农业资源，具有松散性、具有较高的挥发分含量堆、积密度较低、含水率最高达50%以上等特点。针对秸秆的特性进行设计的传统炉灶，存在燃烧不彻底、燃烧效率低、温度不稳定、挥发分过分集中析出、冒黑烟等诸多问题。研制开发以农作物秸秆为燃料的供热系统，在实践中运营中首先需要适合我国农村特点，并且运行费用要低于化石能，只有满足这两个条件的秸秆燃料供热系统才能具有生命力，才能促进秸秆能源利用步伐，才能有利于农村生态环境保护和促进农村经济可持续发展。

目前，西方发达国家在生物质燃料燃烧设备研究方面较为成熟，已实现生物质燃料供热供暖产业化和生物质发电产业化。20世纪中期，日本率先研制出棒状燃料成型机及相关的燃烧设备，解决了生物质燃料的燃烧方式。20世纪70年代后期，美国研制了木质颗粒燃料专用设备，瑞典、芬兰、丹麦等国家先后研制出颗粒成型机及其燃烧设备。可是，我国工业燃烧农业秸秆技术起步较晚，有研究人员设计了秸秆直燃热水锅炉燃烧室，该项技术是在炉膛前后部双燃烧室的结构基础上针对秸秆自身的生物特性设计的[6]。这项技术中双燃烧室的特点是增加了秸秆在燃烧室内的燃烧时间，加强秸秆、空气和高温烟气三者间的相互混合，提高生物燃料的燃烧度，使得秸秆利用率大大增加，从而为我国农作物秸秆作为燃料提供了一些可用设备。

1.2 玉米秸秆肥料化利用

土地是人们赖以生存的基础，欧美国家的有机质含量为2.5%-4%的水平，中国耕地有机质含量平均已下降到1%以下，明显低于欧美等国家。中国约50%以上的耕地缺乏微量元素，70%-80%的耕地养分不足，其中，占总耕地面积56%的耕地缺钾，并且耕地土壤严重板结，主要原因是施肥结构不合理。秸秆还田可以作为重要的耕作措施，可以调节土壤养分平衡，促进土壤合理利用，对发展循环农业、实现农业可持续发展具有重要意义。

秸秆还田按照秸秆数量、施氮量、土壤水分、还田时间、翻压深度和粉碎程度的不同可将秸秆还田的方法分为秸秆直接还田（留高茬还田、覆盖法、整草或者铡草还田、机械粉碎还田等）和秸秆间接还田（堆腐还田、生化催腐还田、发酵还田、养畜过腹还田、炭基肥等）两种模式。目前国内外对于秸秆还田研究较多，主要集中在秸秆覆盖方式、秸秆还田对土壤结构[7]、线虫数量、微生物活性变化[8]、有机碳的含量[9]，对于土壤腐殖质组成和结构的影响[10]、秸秆腐解规律[11]等方面的研究。

农作物的秸秆是重要的有机肥源，其中含有大量的碳、氮、磷、钾及多种微量元素，很多科研人员研究表明，秸秆还田会对土壤产生多种促进作用：可以能改善土壤物理性状，降低土壤容重，增加土壤孔隙，促进土壤呼吸，特别是在温度水分较高的时段表现更为明显。研究表明，秸秆还田量为15000kg/hm2比秸秆还田量为7500kg/hm2的土壤有机质、有效N、有效P、速效K含量和总孔隙度分别提高18.25%、37.40%、35.45%、19.65%和8.44%，容重降低76.11%[12]。免耕秸秆覆盖（NTSI）与传统收割（CTI）相比，NTSI处理土壤呼吸速率最低，减少耗水量达4.1%，增产29.7%，水分利用效率提高15.6%[13]。研究添加秸秆和生物质炭可以显著提高土壤pH、有机碳和速效K含量，与对照相比，添加秸秆和生物质炭减少N2O排放量分别为58.0%和65.6%[14]。

秸秆还田能增加土壤微生物数量，增强生物和多数酶的活性。秸秆还田的施用可以显著增加土壤线虫数量，并且对食细菌线虫的繁殖起到促进作用，对植食线虫起到一定的抑制作用[15]。一项研究玉米秸秆生物炭对褐土微生物功能多样性及细菌群落的影响的结果表明：玉米秸秆生物炭施入土壤后降低了土壤可培养微生物的活性,减少或改变了土壤微生物碳源利用的种类,为了不影响微生物群落结构和功能,石灰性褐土上生物炭一次还田量不能超过5g·kg-1(干土)[16]。研究表明，玉米秸秆还田可以增加土壤呼吸量与土壤微生物量碳含量，显著提高蔗糖酶、过氧化氢酶（CAT）和土壤脲酶的活性；相同氮肥水平条件下，土壤微生物量碳含量与3种酶活性随着秸秆还田量的增加而升高[17]。玉米秸秆添加促腐解菌剂，可有效加快秸秆分解，增加土壤微生物群落多样性[18]。

秸秆还田可以增加土壤有机质积累和养分含量，能显著增加土壤全氮含量[19]。研究认为秸秆还田短期内造成了土壤中速效氮浓度的降低，主要是由于秸秆的施入，微生物代谢旺盛[20]。一项对覆盖、翻埋玉米秸秆的土壤进行的研究表明，秸秆还田增加了土壤总氮量，年际变化较大[21]。秸秆还田能够提高稻田土壤养分，能够为作物吸收利用的土壤速效磷含量明显提升[22]。此外，秸秆还田会对土壤磷起到一定的活化作用，能够改变土壤腐殖质组成及特性；影响作物生长发育，促进作物产量提高。

秸秆覆盖还田还具有保持水土、调节地温、蓄水保墒、抑制田间杂草等功能。在雨水浸淋和微生物腐解作用下，还田后的秸秆通过释放出的化学物质产生化感作用来影响下茬作物生长。玉米秸秆浸提液对小麦种子萌发具有促进作用。有研究表明秸秆直接还田对农作物增肥增产作用显著，一般可增产5%-10%[23][24]。总之，有效的秸秆还田对维持土壤肥力、促进土壤氮循环、减少农药化肥使用、减少或避免因燃烧等造成的环境污染、进行农业良性循环生产，具有重要的生态学意义。

秸秆还田虽然可以对土壤养分、微生物、蓄水保墒、保持水土和环境等各方面起到重要作用，但是农作物秸秆还田短期内难于见效，必须是一个长期行为。许多研究表明，农作物秸秆在传统翻压和覆盖还田半年后的腐解率仅在50%左右，要使农作物秸秆完全腐解则需要一年或更长时间。无法完全腐解的翻压和覆盖还田后的秸秆，翌年会影响农作物的播种和生长。相对来说，粉碎翻压还田的秸秆在土壤中的腐解速度远远高于传统的秸秆覆盖还田腐解速度。秸秆腐解是非常复杂且漫长的化学过程，它不仅需要合适的C/N，而且腐解过程中消耗土壤水分。当土壤水分状况较差时，秸秆腐解会与植株争夺水分，加剧土壤水分的胁迫程度。有研究表明，秸秆覆盖还田在干旱条件下可以使作物增产，在低温多雨气候条件下使作物产量降低，因此，土壤水分状况与秸秆的还田效果直接相关。

玉米秸秆堆肥理化性质比土壤更适合作物生长，且养分含量也高于后者。利用玉米秸秆开发新型栽培基质，符合实际，具有良好的发展前景。采用玉米秸秆堆肥基质栽培的番茄植株生育期提前4d，平均单果质量214.3g[25]。

生物炭(或生物质炭，biocharcoal）是近年来较受关注的研究热点，指生物有机材料在低氧或缺氧环境中经高温裂解后形成的产物。将作物秸秆废弃物高温裂解生产生物炭施入土壤中可实现碳的封存减少CO2的排放。生物炭施入土壤被认为是一种有效的固碳减排措施、可增加土壤有机碳及矿质养分含量、提高土壤的持水能力及保肥能力。为了小影响微生物群落结构和功能，石灰性褐土上生物炭一次还田量小能超过5g·kg-1(干土)[16]。

1.3 玉米秸秆饲料化利用

玉米秸秆中粗纤维含量为20%-45%，粗蛋白含量仅为2%-5%，是潜在的、间接的、巨大的饲料资源。用发酵秸秆粉取代部分精料饲喂养肥猪，不但降低饲料成本，对猪的体重增长速度无明显影响[26][27]。据一项关于肉食-粗饲料来源转化率的统计研究表明，美国约73%，澳大利亚高达90%以上，而我国只有约7%。这说明我国秸秆作为饲料还有较大发展空间，也具有十分重要的现实意义。

营养价值低、适口性差是玉米秸秆作为草食家畜粗饲料来源的制约因素，因此，如何提高玉米秸秆的营养价值以及适口性一直是饲料学者关注的科研课题。目前玉米秸秆经过青贮、氨化、黄贮及糖化等加工处理后，可显著提高玉米秸秆的粗蛋白质含量，这样不但改善玉米秸秆适口性，还可以提高玉米秸秆的利用率。对玉米秸秆进行科学的合理有效处理，制成营养价值和适口性高的牲畜饲料，不但可以保护生态环境，而且可以促进畜牧业发展和提高玉米秸秆的生态效益和经济效益。

饲料加工处理玉米秸秆主要有物理处理方式、化学处理方式和生物学处理的3类。随着科学技术的不断进步与发展，秸秆酶处理和秸秆微生物发酵领域日益备受关注，利用微生物技术处理秸秆发挥其利用价值成为了当前的研究热点，其中，利用微生物菌剂对农作物秸秆进行发酵处理的秸秆微贮技术应用广泛，秸秆微贮技术能够有效降低秸秆中不易被牲畜消化吸收的纤维素、木质素含量，提高秸秆饲料的适口性、采食率和消化率。微贮玉米秸秆可以有效降解秸秆中的粗纤维，提高蛋白质含量。在一定程度上缓解了人畜争粮问题，即维护了生态环境又保证畜牧业的可持续性发展。有研究表明，玉米秸秆纤维素在复合菌系降解处理后，其降解率增加至56.14%，半纤维素降解率增加至47.98%，木质素降解率增加至42.18%，饲料中的水溶性多糖和粗蛋白质含量明显上升。一项研究发现，EM菌发酵秸秆作为饲料不但可以提高梅花鹿的适口性，还可以显著增加梅花鹿茸产量[28]。

近年来，我国的青贮饲料有了较大发展，但与欧美国家的发展水平仍存在较大差距，欧洲部分国家青贮玉米种植面积占玉米总种植面积的90%以上，而我国全株青贮玉米种植面积的比例远低于这个水平。此外，玉米收获方式上也存在较大差距，欧美国家玉米种植与收获较多是围绕青贮饲料展开，以收获去青穗秸秆或全株玉米加工青贮饲料为目的，而我国大部分却是收获后的秸秆浪费在田地里或者作为燃料，导致作为畜牧业均衡供应的优质粗饲料原料的玉米秸秆被白白浪费。因此，鉴于秸秆饲料化利用对在缓解饲料对粮食需求压力上以及调整种养结构上重要作用，未来需加快节粮型畜牧业发展，大力推行秸秆养畜。

2 玉米秸秆综合利用的思考与建议

秸秆综合利用是种养循环农业发展的关键环节，也是我国绿色农业发展的重要物质基础。当前，我国秸秆综合利用整体水平不高，秸秆焚烧现象时有发生，解决秸秆问题的关键是为秸秆利用找到出路，推进秸秆全域全量利用。

2.1 玉米秸秆综合利用的制约因素

秸秆综合利用水平关系生态环境建设和农民增产增收，目前我国秸秆综合利用还处于初级阶段，影响秸秆综合利用的主要制约因素分析如下：

2.1.1 农民对秸秆综合利用的思想认识不到位

在传统小农农耕思想影响下，秸秆作为饲料、肥料等资源化利用的经济价值被农民忽视或未充分挖掘，只追求玉米籽粒产量的经济价值，导致大量秸秆被随意堆放、废弃和焚烧，废弃秸秆造成严重的面源污染压力，焚烧秸秆带来一系列环境和社会问题。大多数农民环保意识淡薄，意识不到秸秆废弃和焚烧对生态环境带来的巨大负外部效应，忽视秸秆资源利用价值，严重制约了秸秆的综合利用。

2.1.2 缺乏先进成熟可靠的秸秆综合利用技术支撑

现有的秸秆收储运技术和秸秆综合利用技术较多存在利用效率低、利用效益不高等问题，难以满足当前秸秆综合利用需要，导致秸秆利用率低下，制约秸秆综合利用。

我国秸秆资源量非常丰富，但秸秆的产生具有明显的季节性，并且人多地少的国情导致土地田块分散零碎，秸秆资源在分布上也就具有分散性，这就决定了秸秆收储运难度大、收储运周期短，秸秆综合利用的过程中收储运环节成本高，秸秆收储运环节经济投入约占秸秆资源全程利用投入的40%～50%[29]，因此，秸秆收储运成本是制约秸秆资源经济发展和生产稳定的重要因素。而另一方面，秸秆利用则要求秸秆资源具有连续性和集中性，与秸秆产生的季节性和分散性之间存在矛盾，而现有的秸秆综合利用技术不能有效的将秸秆资源纳入农业和农村经济的循环之中，导致秸秆综合利用不充分。

2.1.3 秸秆综合利用政策法规不健全

目前，在秸秆综合利用方面国家已出台了用地、用电、财税等相关政策，但在具体执行过程中还存在着针对性不强、操作性欠佳等不完善、不明确等问题，影响社会资本的进入，并且，以项目为主要形式的秸秆综合利用财政补贴政策在补贴种类、补贴金额、补贴区域、补贴对象上缺乏普惠性与针对性，不利于秸秆全域、全量利用的整体推进，难以形成完整的秸秆综合利用产业链。

2.2 提高玉米秸秆综合利用率的建议

2.2.1 加强宣传培训，推进秸秆资源市场化利用

通过电视、广播、报纸、网络、宣传栏等多种媒体途径和手段，对社会公众进行秸秆禁烧政策法规以及焚烧秸秆对社会和生态环境的巨大危害宣传教育，并大力开展秸秆综合利用的经济效益、生态效益和社会效益科普宣传，增强社会公众的法律意识与生态环保意识，营造全民参与秸秆综合利用氛围。同时，加大对农民和秸秆利用相关主体的技术培训与示范推广力度，在广大农村提高秸秆综合利用技术的入户率，提升农民秸秆综合利用技能，使农民广泛参与秸秆综合利用，实现增产增收。

2.2.2 强化技术创新，突破秸秆综合利用共性关键技术

积极引进、消化、吸收国外先进、前瞻的秸秆综合利用技术，建立企业为主体、科研院校共同参与的秸秆综合利用共性关键技术协同攻关团队与创新体系，提升秸秆综合利用装备水平和技术能力，以技术创新为关键措施来提高秸秆资源利用效率，重点围绕秸秆还田、秸秆养畜、秸秆基料配方及工艺优化、秸秆新能源等研究、开发和利用，不断提升秸秆农用水平，依托秸秆综合利用试点项目，形成可持续、可复制、可推广的秸秆综合利用模式，以市场为主导，延伸秸秆综合利用产业链，促进秸秆资源稳定运行持续利用。

2.2.3 建立收储运技术体系，保障秸秆综合利用

根据不同区域主要农作物秸秆资源量，结合当地秸秆综合利用产业发展特点，按照政府推动、市场运作、企业牵头、农户参与的原则，规划和布局秸秆收储运基地、收储中心和收储点的建设，逐步建立运行高效、经济的秸秆收储运销网络，就近就地利用秸秆资源。

2.2.4 完善政策法规，构建秸秆综合利用长效机制

以延伸产业链、提升价值链、推动秸秆综合利用产业结构优化和提质增效为出发点，坚持疏堵结合、以疏为主、区域统筹、农用优先的原则，进一步强化用地、用电、税收等针对性强、可操作性的秸秆综合利用优惠政策落地[30]，特别是要加大秸秆综合利用补偿制度创设力度，以秸秆全域、全量利用为总体目标，逐步建立起以绿色生态为导向的农业补贴制度，形成秸秆综合利用的长效机制。