秸秆肥料化利用研究进展

王艳锦，王明艳，张全国，李文哲，夏晨曦

(黄河科技学院现代农业工程研究院，河南 郑州450063)

0 引言

农作物秸秆是指在农业生产过程中，收获了水稻、小麦、玉米、棉花、薯类、油料和其他农作物的籽粒后，残留的茎叶穗等部分的总称。秸秆种类不同，其养分含量也不同(表1)[1]。全世界各国农业生产均产生大量的农作物秸秆，年产量20亿～30亿t。我国作为农业大国，秸秆资源丰富，且产量呈逐年递增的态势。据评估统计，2015年全国秸秆理论资源量10.4亿t，可收集资源量9.0亿t，利用量7.2亿t，秸秆综合利用率达80.1%[2]。国家对发展生态农业、建设绿色宜居乡村和提高农民生活水平等方面高度重视，为实现国家提出的总体目标，必须转变农业生产方式，构建农业循环经济模式，从而能够节约水、肥和药等重要的农业生产资源，促进环境保护。加强秸秆资源的利用，既有利于保护广大农村农民的利益，又有利于农业生态系统的水土保持，并提高土 壤肥力。秸秆肥料化利用可减少农田系统碳的输出，秸秆中的碳返回土壤，经腐殖化，最终形成有机质保留到土壤中重新参与到农田系统碳循环过程[3]。

表1 主要农作物秸秆营养成分

1 发展优势

秸秆是农作物进行光合作用所形成的一项重要的生物资源，占农作物光合作用产物的50%以上，富含有机质、氮、磷、钾、钙、镁及多种微量元素，是一种多元化宝贵的可再生资源。日本、丹麦和美国等农业发达国家都非常重视秸秆的资源化利用。日本最注重土地的用养结合，每年约有75%的农作物秸秆被还田。丹麦是最先采用秸秆进行发电的国家，也是欧盟诸国生物质直燃发电发展最好的国家之一。在美国，秸秆发酵提取乙醇已经成为秸秆利用的一大途径[4]。我国秸秆资源化利用有多种途径，在《秸秆综合利用技术目录(2014)》里面提到了5大技术类型，分别是秸秆肥料化、秸秆燃料化、秸秆原料化、秸秆饲料化和秸秆基料化。韩鲁佳等[5]总结了1999年中国农作物秸秆各种用途所占的比例，农村生活能源占45.0%，牲畜饲料占30.9%，秸杆还田及其他损失占21.2%，造纸原料占2.9%。高利伟等[6]研究认为，2006年作物秸秆还田占秸秆总量的24.3%，秸秆饲用占29.9%、秸秆燃烧占35.3%，其他去向占10.5%。2010年，秸秆使用去向中饲料、肥料、种植食用菌基料、人造板等工业原料和燃料所占秸秆总量的比例分别为31.9%、15.6%、2.6%和17.8%。2015年，秸秆作为肥料利用占43.2%，饲料利用占18.8%，基料利用占4.0%，燃料利用占11.4%，原料利用占2.7%[7]。可见，我国作物秸秆资源综合利用存在巨大空间，肥料化利用作为其中一种方式，是实现化肥使用零增长行动和维持粮食安全的重要措施。

从本质来讲，秸秆是一种农业产出物，要将其当作农业生产的一种农产品，而不仅仅是副产品。基于物质循环和养分平衡，秸秆的养分最终应该回到农田，回归土地是秸秆利用的主要方向。长期以来，我国农业生产肥料以化肥为主，化肥施用总量和强度逐年累增，由于化肥的不合理施用，造成了资源的浪费，同时也对土壤、地下水和作物造成污染。秸秆肥料化应用，能够在提升秸秆利用率的同时改良土壤，获得多赢。数据显示，秸秆还田5年以后对土壤有机质的提升效果显著。如果能够连续10年使用有机肥，可以提升耕地的地力1～2个等级[8]。肥料化应用既能改善土壤环境，又有助于实现国家化肥零增长的目标。为秸秆的综合利用寻找有效的技术途径，已经成为农业生态环境与能源工程学科的重要任务，为此，科技工作者提出了诸多解决方案，从农业可持续发展的角度出发，实现秸秆的肥料化利用应该是最佳方案。

2 研究现状

秸秆肥料化利用是把农作物秸秆经机械加工或生物利用后作为有机肥施入农田的秸秆资源化利用技术。秸秆还田是秸秆肥料化利用的主要形式。按照不同的流程和工艺，秸秆还田可分为直接还田、堆肥还田和过腹还田等类型。

2.1直接还田

秸秆直接还田是将新鲜秸秆按照不同方式直接施入土壤中，可分为翻压还田、覆盖还田和高留茬还田[9-10]。翻压还田是通过机械把秸秆粉碎成长度10 cm左右，耕地时直接将秸秆翻入土壤里。覆盖还田是把秸秆粉碎后直接覆盖在地表或整秆倒伏在地表，秸秆逐渐腐解，有利于土壤保墒。留高茬还田是指农作物收割时，留下一定高度的秸秆(10～15 cm)在土地里，然后直接翻入土中使其腐烂分解。我国各地区因气候特点、作物种类和种植制度等不同，采用的秸秆还田方式也应根据实际情况作出调整。秸秆还田唯有腐烂分解后，才会不影响耕作和作物生根发芽，才会释放养分。秸秆直接还田需要适时适量施入氮磷肥或石灰，以促进秸秆腐烂，增加部分冲销了秸秆带入养分所节省的费用，对农民秸秆还田的积极性会有所影响。秸秆中残留的病虫害会形成有害生物累积，在秸秆腐熟过程中分解出的有机酸、多种小分子有机化合物和化感活性物，存在重茬作物自毒性风险[11]。在寒冷地区，微生物活性较低，大量秸秆难以在下茬作物收获前完全腐熟，导致残留秸秆过量积累，使当季秸秆无法还田，直接影响下茬作物种植。

2.2堆肥还田

秸秆堆肥还田是将作物茎秆、杂草等植物性物质与粪尿、垃圾等混合堆置，至其腐熟再施入田间的方法[12]。为加速秸秆腐解，可在秸秆堆腐时添加生物菌剂。堆肥一般有普通堆肥和高温堆肥。堆肥还田在一定程度上能杀死秸秆中的病虫害，避免病虫感染农作物，有机质的损失相对直接还田会减少，肥力增强显著，但劳动强度较高[13]。堆肥腐熟若不完全会对土壤环境、植物生长造成不良影响，故在堆肥的质量控制中，腐熟度最为重要。堆肥的腐熟度一般用物理、化学和生物学参数来表示[14]。秸秆原料中CN比较高，为促进微生物对堆肥中有机物的分解和腐殖化须添加氮源，目前多采用畜禽粪便作为氮素调理剂，但不同来源的畜禽粪便中氮含量不同，对秸秆堆肥工艺会有所影响，使得各种原料的配比存在很大不同，并且以畜禽粪便作为氮素调理剂还存在重金属、抗生素等潜在的环境风险因素[15]。

2.3过腹还田

过腹还田是秸秆最传统的一种利用方式，将秸秆直接或通过碱化、青贮氨化等技术处理后饲喂家畜，再将家畜产生的粪尿作为肥料还田，在条件允许的情况下，可大力发展秸秆饲料深加工产业，这种“秸秆养畜，畜粪还田”良性循环生态链，可有效地解决饲草匮乏时期牲畜饲草短缺的矛盾，降低生产成本，增加经济效益。但由于作物秸秆中纤维素、木质素较多，粗蛋白较少，因此它不能完全替代富含能量与蛋白质的精饲料，要防止过分夸大秸秆养畜的作用[16]。

3 前景展望

肥料是农业生产的重要物质基础之一，对保障粮食安全和农业安全具有重要意义。秸秆作为肥料回到土地的关键在于秸秆的腐殖化，对秸秆还田效果有显著影响，在实际应用时应综合考虑各种因素，因地制宜地选择适宜的还田方式和还田机具[17]。实践证明，秸秆腐熟后的间接还田成为秸秆还田的有效途径，当前研究的重点在于秸秆的快速腐解问题，同时还要防止秸秆还田带来的负面效应，实现经济效益与生态效益相结合。

秸秆主要是由纤维素、半纤维素和木质素组成，易被利用的水溶性碳水化合物含量较低，化学结构复杂，具有很强的抗分解能力。近年来，利用现代技术对秸秆进行处理，将其厌氧发酵可以实现秸秆的高效利用。秸秆沼气发酵的能量利用效率较高，是其直接燃烧的1.2～1.9倍，同时产生的沼液沼渣不仅富含氮、磷、钾等常规元素，还含有许多生物活性物质——丰富的氨基酸、微量元素、多种植物生长激素、B族维生素、有机酸、较高浓度的NH4+和某些抗菌素等，经过有机肥生产工艺制成肥料，也是秸秆肥料化的一条途径[18]。重点开展沼液沼渣综合利用技术，提高沼肥的高效性及安全性，是秸秆回归土地行之有效的一种形式。

沼液沼渣除了富含多种生物活性和营养物质，以及大量的常量营养元素和微量营养元素外，还含有种类繁多的微生物。另一种利用方式是，将沼液沼渣直接和秸秆堆肥相结合，利用其对风干的秸秆进行补水、补氮和接种，在促进秸秆腐熟的同时，增加秸秆堆肥的营养成分。同时，秸秆对沼液沼渣起到了固液分离的作用，多余的水分经过秸秆过滤，可以重返厌氧发酵池，补充厌氧发酵所需的用水量，不会产生二次污染，从而利用秸秆和沼液沼渣生产出具有商品价值的有机肥料，为秸秆高效腐熟还田提出新的工艺路线。

秸秆炭化还田能有效改善土壤理化特性，提升土壤肥力，也是秸秆肥料化一个新的发展方向。生物质炭是生物质经热解炭化形成的一类含碳量极其丰富的固体颗粒物质。生物质炭孔隙结构发达，含有大量植物所需的营养元素，具有较高的生物学稳定性和较强的抵抗微生物分解的能力。因此，可将生物质炭作为缓释肥料载体，制成有机复合肥，能减缓肥料养分的释放速度，提高农作物对肥料的利用率，改善土壤生态，减少农业生产对环境的污染。付嘉英等[19]利用生物质炭与化肥混合制成的生物质炭基肥料进行田间试验研究发现，与普通复合肥相比，施用的小麦秸秆炭基肥在总养分含量比普通复合肥减少18%的条件下，小白菜的产量显著提高了45.03%。蒋恩臣等[20]研究发现，与纯颗粒尿素相比，生物质炭基尿素缓释肥的缓释性能有显著提高，随着生物质炭含量增加和肥料颗粒粒径增大，颗粒缓释肥缓释性能显著提高。

4 结束语

农业的可持续发展离不开肥沃的土地，秸秆肥料化的出现为秸秆的利用指明了方向，并逐步成为保障农业绿色发展的重要措施之一。秸秆既是农业生产中重要的肥料来源，又是潜在的碳库能源，秸秆肥料化利用关系着现代农业的发展与未来，需要结合我国的基本国情，根据不同地区的土质类型和农业环境情况，加强对秸秆肥料化利用技术的研究，确定适宜的利用方式。总之，通过政策支持、技术创新和产业发展等各方面的共同努力，秸秆肥料化利用将会在现代农业的发展中发挥越来越重要的作用。