秸稈肥料化利用研究進(jìn)展

王艷錦，王明艷，張全國(guó)，李文哲，夏晨曦

(黃河科技學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程研究院，河南 鄭州450063)

0 引言

農(nóng)作物秸稈是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，收獲了水稻、小麥、玉米、棉花、薯類、油料和其他農(nóng)作物的籽粒后，殘留的莖葉穗等部分的總稱。秸稈種類不同，其養(yǎng)分含量也不同(表1)[1]。全世界各國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)均產(chǎn)生大量的農(nóng)作物秸稈，年產(chǎn)量20億～30億t。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，秸稈資源豐富，且產(chǎn)量呈逐年遞增的態(tài)勢(shì)。據(jù)評(píng)估統(tǒng)計(jì)，2015年全國(guó)秸稈理論資源量10.4億t，可收集資源量9.0億t，利用量7.2億t，秸稈綜合利用率達(dá)80.1%[2]。國(guó)家對(duì)發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)、建設(shè)綠色宜居鄉(xiāng)村和提高農(nóng)民生活水平等方面高度重視，為實(shí)現(xiàn)國(guó)家提出的總體目標(biāo)，必須轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，構(gòu)建農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式，從而能夠節(jié)約水、肥和藥等重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源，促進(jìn)環(huán)境保護(hù)。加強(qiáng)秸稈資源的利用，既有利于保護(hù)廣大農(nóng)村農(nóng)民的利益，又有利于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的水土保持，并提高土 壤肥力。秸稈肥料化利用可減少農(nóng)田系統(tǒng)碳的輸出，秸稈中的碳返回土壤，經(jīng)腐殖化，最終形成有機(jī)質(zhì)保留到土壤中重新參與到農(nóng)田系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程[3]。

表1 主要農(nóng)作物秸稈營(yíng)養(yǎng)成分

1 發(fā)展優(yōu)勢(shì)

秸稈是農(nóng)作物進(jìn)行光合作用所形成的一項(xiàng)重要的生物資源，占農(nóng)作物光合作用產(chǎn)物的50%以上，富含有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀、鈣、鎂及多種微量元素，是一種多元化寶貴的可再生資源。日本、丹麥和美國(guó)等農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都非常重視秸稈的資源化利用。日本最注重土地的用養(yǎng)結(jié)合，每年約有75%的農(nóng)作物秸稈被還田。丹麥?zhǔn)亲钕炔捎媒斩掃M(jìn)行發(fā)電的國(guó)家，也是歐盟諸國(guó)生物質(zhì)直燃發(fā)電發(fā)展最好的國(guó)家之一。在美國(guó)，秸稈發(fā)酵提取乙醇已經(jīng)成為秸稈利用的一大途徑[4]。我國(guó)秸稈資源化利用有多種途徑，在《秸稈綜合利用技術(shù)目錄(2014)》里面提到了5大技術(shù)類型，分別是秸稈肥料化、秸稈燃料化、秸稈原料化、秸稈飼料化和秸稈基料化。韓魯佳等[5]總結(jié)了1999年中國(guó)農(nóng)作物秸稈各種用途所占的比例，農(nóng)村生活能源占45.0%，牲畜飼料占30.9%，秸桿還田及其他損失占21.2%，造紙?jiān)险?.9%。高利偉等[6]研究認(rèn)為，2006年作物秸稈還田占秸稈總量的24.3%，秸稈飼用占29.9%、秸稈燃燒占35.3%，其他去向占10.5%。2010年，秸稈使用去向中飼料、肥料、種植食用菌基料、人造板等工業(yè)原料和燃料所占秸稈總量的比例分別為31.9%、15.6%、2.6%和17.8%。2015年，秸稈作為肥料利用占43.2%，飼料利用占18.8%，基料利用占4.0%，燃料利用占11.4%，原料利用占2.7%[7]?？梢?，我國(guó)作物秸稈資源綜合利用存在巨大空間，肥料化利用作為其中一種方式，是實(shí)現(xiàn)化肥使用零增長(zhǎng)行動(dòng)和維持糧食安全的重要措施。

從本質(zhì)來(lái)講，秸稈是一種農(nóng)業(yè)產(chǎn)出物，要將其當(dāng)作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一種農(nóng)產(chǎn)品，而不僅僅是副產(chǎn)品?；谖镔|(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分平衡，秸稈的養(yǎng)分最終應(yīng)該回到農(nóng)田，回歸土地是秸稈利用的主要方向。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)肥料以化肥為主，化肥施用總量和強(qiáng)度逐年累增，由于化肥的不合理施用，造成了資源的浪費(fèi)，同時(shí)也對(duì)土壤、地下水和作物造成污染。秸稈肥料化應(yīng)用，能夠在提升秸稈利用率的同時(shí)改良土壤，獲得多贏。數(shù)據(jù)顯示，秸稈還田5年以后對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的提升效果顯著。如果能夠連續(xù)10年使用有機(jī)肥，可以提升耕地的地力1～2個(gè)等級(jí)[8]。肥料化應(yīng)用既能改善土壤環(huán)境，又有助于實(shí)現(xiàn)國(guó)家化肥零增長(zhǎng)的目標(biāo)。為秸稈的綜合利用尋找有效的技術(shù)途徑，已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境與能源工程學(xué)科的重要任務(wù)，為此，科技工作者提出了諸多解決方案，從農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)秸稈的肥料化利用應(yīng)該是最佳方案。

2 研究現(xiàn)狀

秸稈肥料化利用是把農(nóng)作物秸稈經(jīng)機(jī)械加工或生物利用后作為有機(jī)肥施入農(nóng)田的秸稈資源化利用技術(shù)。秸稈還田是秸稈肥料化利用的主要形式。按照不同的流程和工藝，秸稈還田可分為直接還田、堆肥還田和過(guò)腹還田等類型。

2.1直接還田

秸稈直接還田是將新鮮秸稈按照不同方式直接施入土壤中，可分為翻壓還田、覆蓋還田和高留茬還田[9-10]。翻壓還田是通過(guò)機(jī)械把秸稈粉碎成長(zhǎng)度10 cm左右，耕地時(shí)直接將秸稈翻入土壤里。覆蓋還田是把秸稈粉碎后直接覆蓋在地表或整稈倒伏在地表，秸稈逐漸腐解，有利于土壤保墑。留高茬還田是指農(nóng)作物收割時(shí)，留下一定高度的秸稈(10～15 cm)在土地里，然后直接翻入土中使其腐爛分解。我國(guó)各地區(qū)因氣候特點(diǎn)、作物種類和種植制度等不同，采用的秸稈還田方式也應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況作出調(diào)整。秸稈還田唯有腐爛分解后，才會(huì)不影響耕作和作物生根發(fā)芽，才會(huì)釋放養(yǎng)分。秸稈直接還田需要適時(shí)適量施入氮磷肥或石灰，以促進(jìn)秸稈腐爛，增加部分沖銷了秸稈帶入養(yǎng)分所節(jié)省的費(fèi)用，對(duì)農(nóng)民秸稈還田的積極性會(huì)有所影響。秸稈中殘留的病蟲害會(huì)形成有害生物累積，在秸稈腐熟過(guò)程中分解出的有機(jī)酸、多種小分子有機(jī)化合物和化感活性物，存在重茬作物自毒性風(fēng)險(xiǎn)[11]。在寒冷地區(qū)，微生物活性較低，大量秸稈難以在下茬作物收獲前完全腐熟，導(dǎo)致殘留秸稈過(guò)量積累，使當(dāng)季秸稈無(wú)法還田，直接影響下茬作物種植。

2.2堆肥還田

秸稈堆肥還田是將作物莖稈、雜草等植物性物質(zhì)與糞尿、垃圾等混合堆置，至其腐熟再施入田間的方法[12]。為加速秸稈腐解，可在秸稈堆腐時(shí)添加生物菌劑。堆肥一般有普通堆肥和高溫堆肥。堆肥還田在一定程度上能殺死秸稈中的病蟲害，避免病蟲感染農(nóng)作物，有機(jī)質(zhì)的損失相對(duì)直接還田會(huì)減少，肥力增強(qiáng)顯著，但勞動(dòng)強(qiáng)度較高[13]。堆肥腐熟若不完全會(huì)對(duì)土壤環(huán)境、植物生長(zhǎng)造成不良影響，故在堆肥的質(zhì)量控制中，腐熟度最為重要。堆肥的腐熟度一般用物理、化學(xué)和生物學(xué)參數(shù)來(lái)表示[14]。秸稈原料中CN比較高，為促進(jìn)微生物對(duì)堆肥中有機(jī)物的分解和腐殖化須添加氮源，目前多采用畜禽糞便作為氮素調(diào)理劑，但不同來(lái)源的畜禽糞便中氮含量不同，對(duì)秸稈堆肥工藝會(huì)有所影響，使得各種原料的配比存在很大不同，并且以畜禽糞便作為氮素調(diào)理劑還存在重金屬、抗生素等潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素[15]。

2.3過(guò)腹還田

過(guò)腹還田是秸稈最傳統(tǒng)的一種利用方式，將秸稈直接或通過(guò)堿化、青貯氨化等技術(shù)處理后飼喂家畜，再將家畜產(chǎn)生的糞尿作為肥料還田，在條件允許的情況下，可大力發(fā)展秸稈飼料深加工產(chǎn)業(yè)，這種“秸稈養(yǎng)畜，畜糞還田”良性循環(huán)生態(tài)鏈，可有效地解決飼草匱乏時(shí)期牲畜飼草短缺的矛盾，降低生產(chǎn)成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。但由于作物秸稈中纖維素、木質(zhì)素較多，粗蛋白較少，因此它不能完全替代富含能量與蛋白質(zhì)的精飼料，要防止過(guò)分夸大秸稈養(yǎng)畜的作用[16]。

3 前景展望

肥料是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一，對(duì)保障糧食安全和農(nóng)業(yè)安全具有重要意義。秸稈作為肥料回到土地的關(guān)鍵在于秸稈的腐殖化，對(duì)秸稈還田效果有顯著影響，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)綜合考慮各種因素，因地制宜地選擇適宜的還田方式和還田機(jī)具[17]。實(shí)踐證明，秸稈腐熟后的間接還田成為秸稈還田的有效途徑，當(dāng)前研究的重點(diǎn)在于秸稈的快速腐解問(wèn)題，同時(shí)還要防止秸稈還田帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益相結(jié)合。

秸稈主要是由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，易被利用的水溶性碳水化合物含量較低，化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有很強(qiáng)的抗分解能力。近年來(lái)，利用現(xiàn)代技術(shù)對(duì)秸稈進(jìn)行處理，將其厭氧發(fā)酵可以實(shí)現(xiàn)秸稈的高效利用。秸稈沼氣發(fā)酵的能量利用效率較高，是其直接燃燒的1.2～1.9倍，同時(shí)產(chǎn)生的沼液沼渣不僅富含氮、磷、鉀等常規(guī)元素，還含有許多生物活性物質(zhì)——豐富的氨基酸、微量元素、多種植物生長(zhǎng)激素、B族維生素、有機(jī)酸、較高濃度的NH4+和某些抗菌素等，經(jīng)過(guò)有機(jī)肥生產(chǎn)工藝制成肥料，也是秸稈肥料化的一條途徑[18]。重點(diǎn)開展沼液沼渣綜合利用技術(shù)，提高沼肥的高效性及安全性，是秸稈回歸土地行之有效的一種形式。

沼液沼渣除了富含多種生物活性和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，以及大量的常量營(yíng)養(yǎng)元素和微量營(yíng)養(yǎng)元素外，還含有種類繁多的微生物。另一種利用方式是，將沼液沼渣直接和秸稈堆肥相結(jié)合，利用其對(duì)風(fēng)干的秸稈進(jìn)行補(bǔ)水、補(bǔ)氮和接種，在促進(jìn)秸稈腐熟的同時(shí)，增加秸稈堆肥的營(yíng)養(yǎng)成分。同時(shí)，秸稈對(duì)沼液沼渣起到了固液分離的作用，多余的水分經(jīng)過(guò)秸稈過(guò)濾，可以重返厭氧發(fā)酵池，補(bǔ)充厭氧發(fā)酵所需的用水量，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，從而利用秸稈和沼液沼渣生產(chǎn)出具有商品價(jià)值的有機(jī)肥料，為秸稈高效腐熟還田提出新的工藝路線。

秸稈炭化還田能有效改善土壤理化特性，提升土壤肥力，也是秸稈肥料化一個(gè)新的發(fā)展方向。生物質(zhì)炭是生物質(zhì)經(jīng)熱解炭化形成的一類含碳量極其豐富的固體顆粒物質(zhì)。生物質(zhì)炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，含有大量植物所需的營(yíng)養(yǎng)元素，具有較高的生物學(xué)穩(wěn)定性和較強(qiáng)的抵抗微生物分解的能力。因此，可將生物質(zhì)炭作為緩釋肥料載體，制成有機(jī)復(fù)合肥，能減緩肥料養(yǎng)分的釋放速度，提高農(nóng)作物對(duì)肥料的利用率，改善土壤生態(tài)，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的污染。付嘉英等[19]利用生物質(zhì)炭與化肥混合制成的生物質(zhì)炭基肥料進(jìn)行田間試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，與普通復(fù)合肥相比，施用的小麥秸稈炭基肥在總養(yǎng)分含量比普通復(fù)合肥減少18%的條件下，小白菜的產(chǎn)量顯著提高了45.03%。蔣恩臣等[20]研究發(fā)現(xiàn)，與純顆粒尿素相比，生物質(zhì)炭基尿素緩釋肥的緩釋性能有顯著提高，隨著生物質(zhì)炭含量增加和肥料顆粒粒徑增大，顆粒緩釋肥緩釋性能顯著提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展離不開肥沃的土地，秸稈肥料化的出現(xiàn)為秸稈的利用指明了方向，并逐步成為保障農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的重要措施之一。秸稈既是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的肥料來(lái)源，又是潛在的碳庫(kù)能源，秸稈肥料化利用關(guān)系著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展與未來(lái)，需要結(jié)合我國(guó)的基本國(guó)情，根據(jù)不同地區(qū)的土質(zhì)類型和農(nóng)業(yè)環(huán)境情況，加強(qiáng)對(duì)秸稈肥料化利用技術(shù)的研究，確定適宜的利用方式?？傊ㄟ^(guò)政策支持、技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展等各方面的共同努力，秸稈肥料化利用將會(huì)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。