劉起麗,張德奇2,劉樹勇

(1.河南科技學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003;2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 小麥研究所,河南 鄭州 450002)

基于專利視角分析的我國秸稈還田技術(shù)現(xiàn)狀

劉起麗1,張德奇2,劉樹勇1

(1.河南科技學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003;2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 小麥研究所,河南 鄭州 450002)

秸稈屬于重要的可再生資源,我國對(duì)秸稈的主要利用途徑是還田。秸稈還田領(lǐng)域內(nèi)的專利在一定程度上反應(yīng)出秸稈還田技術(shù)的科技創(chuàng)新力與發(fā)展現(xiàn)狀。針對(duì)近年來該領(lǐng)域的專利分布與特點(diǎn)進(jìn)行了分析,對(duì)已有專利視角特征、秸稈利用研究潛力與前景進(jìn)行了總結(jié)與展望,并提出了技術(shù)研究和專利形成過程中需要注意的問題,以期為我國秸稈還田技術(shù)的研究與發(fā)展提供一定的參考。

專利分析;秸稈還田機(jī)械;秸稈腐熟

科技創(chuàng)新是推動(dòng)農(nóng)業(yè)發(fā)展的基本動(dòng)力,農(nóng)業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)對(duì)我國農(nóng)業(yè)發(fā)展具有基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性的作用[1-3]。美國、歐盟諸國的農(nóng)業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制和激勵(lì)機(jī)制起步相對(duì)較早[4]。我國作為農(nóng)業(yè)大國,秸稈年產(chǎn)量可達(dá)8億t左右[5],作為可再生資源,秸稈的有效利用將對(duì)我國農(nóng)業(yè)的健康與可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。當(dāng)今秸稈再利用主要渠道是秸稈還田,秸稈還田的效率直接關(guān)系到我國秸稈合理利用的全面戰(zhàn)略布局。該領(lǐng)域的專利在一定程度上反映出最新的研究進(jìn)展,成為秸稈還田技術(shù)進(jìn)展的重要風(fēng)向標(biāo)。

由于我國秸稈還田技術(shù)研究起步較晚,人們對(duì)秸稈還田的認(rèn)識(shí)曾一度不夠深入。隨著日益突出的秸稈問題,秸稈還田問題已成為國家重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。隨著我國對(duì)秸稈還田的支持力度不斷加大,該領(lǐng)域的專利保護(hù)逐漸完善,保護(hù)了農(nóng)業(yè)科研成果的有效利用與產(chǎn)權(quán)所有人的積極性和創(chuàng)造性[5]。由于對(duì)秸稈還田的重視程度不斷加強(qiáng),秸稈還田途徑和方法不斷創(chuàng)新,秸稈還田領(lǐng)域的專利正朝著多面化方向發(fā)展,逐漸呈現(xiàn)出實(shí)用性與方便性相結(jié)合的特點(diǎn)。為了更好地了解我國秸稈還田領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和研究進(jìn)展,本文綜合分析了該領(lǐng)域的大量專利信息,力求為秸稈還田技術(shù)研究與發(fā)展提供參考。

1 國內(nèi)外秸稈還田現(xiàn)狀

秸稈還田能有效增加土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，改善土壤肥力狀況，提高農(nóng)田生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,特別是對(duì)補(bǔ)充土壤磷、鉀等元素具有十分重要的意義[7-9]。世界上各農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家都非常重視土地的用養(yǎng)結(jié)合和發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè),因此秸稈還田得到了越來越多的重視和支持[10]。如美國秸稈還田量占秸稈生產(chǎn)量的68%,秸稈還田十分普遍,玉米、小麥、大豆、番茄等秸稈均用于還田;英國秸稈直接還田量占秸稈生產(chǎn)量的73%;日本大力推進(jìn)秸稈分解菌技術(shù)用于秸稈肥制作,促進(jìn)秸稈有效還田,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,該技術(shù)已在全世界20多個(gè)國家應(yīng)用[11]。我國秸稈還田歷史較長,目前農(nóng)田秸稈還田率仍然較低,迫于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境保護(hù)壓力,未來具有較好的發(fā)展前景[12]。我國對(duì)秸稈還田的研究主要集中在北方小麥與玉米“一年兩熟區(qū)”,南方已有的研究主要集中在水稻、小麥上[13],主要特點(diǎn)為干旱半干旱區(qū)域多、濕潤半濕潤區(qū)域少,如以黃土高原、華北平原干旱半干旱區(qū)域秸稈還田技術(shù)攻克的研究較多、糧食作物研究多,經(jīng)濟(jì)作物研究少,如小麥、玉米、水稻等作物秸稈還田研究相對(duì)較多。秸稈還田如果采取的方法不當(dāng),會(huì)出現(xiàn)一些問題:一是對(duì)播種質(zhì)量的影響,如對(duì)作物出苗和苗齊苗壯造成不良影響;二是秸稈等農(nóng)殘?bào)w中的病原菌有可能成為病害侵染的來源。針對(duì)以上問題,仍需進(jìn)行大量研究和攻克相關(guān)的專利技術(shù)。

從秸稈還田方式[10]來看,有將秸稈直接還田借助于土壤微生物或添加秸稈腐熟劑實(shí)現(xiàn)秸稈養(yǎng)分還田，有通過秸稈田外堆肥漚肥、畜牧業(yè)過腹還田和食用菌業(yè)的菌渣還田等方式，不同的生態(tài)條件、經(jīng)濟(jì)因素和農(nóng)林牧業(yè)發(fā)展情況決定了不同的秸稈還田方式。

2 我國秸稈還田領(lǐng)域的專利特點(diǎn)

秸稈還田作為目前我國解決農(nóng)田廢棄物的重要手段,最直接體現(xiàn)了直接性、高效性、可持續(xù)性、生態(tài)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前秸稈還田領(lǐng)域的專利申請(qǐng)偏好主要集中在秸稈腐熟劑與秸稈還田機(jī)具兩個(gè)較為主流的方向。隨著腐熟劑的不斷豐富、還田機(jī)械的創(chuàng)新發(fā)展,兩者必將走向一起實(shí)現(xiàn)一體化。此外,秸稈生物反應(yīng)堆技術(shù)也是一個(gè)大的發(fā)展方向,可有效改善秸稈腐熟的微生態(tài)環(huán)境。依據(jù)技術(shù)側(cè)重點(diǎn)不同,我國秸稈還田領(lǐng)域的專利主要分為秸稈腐熟類和秸稈還田類兩大類。

2.1 秸稈腐熟類專利

秸稈腐熟菌劑是由多種有益微生物復(fù)合發(fā)酵而成,可快速啟動(dòng)腐熟有機(jī)物料的進(jìn)程。其優(yōu)點(diǎn)是:①秸稈腐熟快。通常情況下,秸稈15—20天即可腐熟,腐熟后能減輕病蟲草害的危害與污染。②肥份高。使用秸稈腐熟劑生產(chǎn)的秸稈堆肥能增加土壤中的有機(jī)質(zhì)含量,改善土壤的營養(yǎng)狀況,提高化肥的利用率[14-19]。涉及腐熟劑的秸稈還田專利主要有:秸稈直接腐熟還田、秸稈生物反應(yīng)堆技術(shù)處理后還田、腐熟劑噴灑秸稈同時(shí)還田等類型。

以“秸稈”、“腐熟”為搜索詞,共檢測到1244件專利,其中發(fā)明專利1211件、實(shí)用新型專利32件、外觀設(shè)計(jì)專利1件、發(fā)明授權(quán)專利241件,相關(guān)的專利量年度分布趨勢見圖1。從圖1可見,我國在秸稈腐熟領(lǐng)域的專利量一直處于上升趨勢,自2012年之后迅速攀升,在2015年達(dá)到頂峰的455件。數(shù)據(jù)表明,秸稈腐熟技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。不同省份的統(tǒng)計(jì)專利所屬區(qū)域分布見圖2。山東省的秸稈腐熟專利量所占比例最高,為21%,其次是安徽、江蘇、廣西。從技術(shù)分類來看,化學(xué)冶金領(lǐng)域的秸稈腐熟相關(guān)專利最多,而人類生活必需領(lǐng)域,紡織、造紙領(lǐng)域的秸稈腐熟類專利最少(圖3),可見涉及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的秸稈腐熟研究仍處于薄弱環(huán)節(jié)。從專利申請(qǐng)人統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看,青島海益誠管理技術(shù)有限公司擁有專利數(shù)量最多(圖4);發(fā)明人統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,張旭東申請(qǐng)的專利量最多,其次為王壽南、胡劉滿等(圖5)。

圖1 專利量總體趨勢

圖2 區(qū)域?qū)＠糠植?/p>

圖3 技術(shù)分類——專利量排行

圖4 申請(qǐng)人——專利量排行

秸稈直接腐熟還田:秸稈直接腐熟還田技術(shù)是在農(nóng)作物收獲后及時(shí)將作物秸稈均勻鋪在農(nóng)田上,撒施腐熟菌劑,調(diào)節(jié)碳氮比,加快還田秸稈腐熟下沉,以利于下茬農(nóng)作物播種和定植,實(shí)現(xiàn)秸稈還田利用。作物收獲后對(duì)秸稈噴施腐熟菌劑,在腐熟菌劑的作用下秸稈被分解為含有豐富氮、磷、鉀和微量元素的成分,對(duì)下茬作物具有很大的綜合利用價(jià)值[20]。已有專利表明,該技術(shù)主要應(yīng)用在水稻免耕拋秧時(shí)覆蓋秸稈快腐處理,小麥、油菜等作物免耕撒播時(shí)覆蓋秸稈的快腐處理,這些已取得了較好的效果。如水稻免耕秸稈腐熟還田專利提出了一種有機(jī)稻生產(chǎn)技術(shù)。該技術(shù)利用水稻秸稈還田和施用稻糠,以改善土壤理化性質(zhì),提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,達(dá)到不施用化肥的目的,解決了大米生產(chǎn)過程中的病、蟲、草、肥問題,為有機(jī)稻生產(chǎn)提供了一套全面可行的技術(shù),能控制雜草生長繁殖而不施用除草劑。有的秸稈直接還田技術(shù)是將秸稈還田機(jī)械與腐熟劑有機(jī)結(jié)合,如實(shí)用新型專利的腐熟劑噴灑與秸稈還田作業(yè)一體機(jī),在其前部裝有腐熟劑噴灑裝置,后部裝有秸稈還田的拖拉機(jī),可用較低的成本實(shí)現(xiàn)腐熟劑噴灑與秸稈還田作業(yè)同時(shí)進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)了秸稈還田省力、快捷、高效等要求。

圖5 發(fā)明人排行

秸稈生物反應(yīng)堆技術(shù)處理后還田:①秸稈腐熟池腐熟后還田。秸稈腐熟池腐熟后還田是指作物收獲后將秸稈收集起來,按一定比例在腐熟池中添加腐熟菌劑、水、適量碳氮肥和滿足腐熟劑菌類生活的各種條件,使腐熟菌劑能快速分解秸稈。如實(shí)用新型專利是一種將秸稈進(jìn)行預(yù)處理的多功能池。該池包括圓柱形的勻漿池,勻漿池靠近頂部的外壁圓周面上設(shè)置有堆漚槽,堆漚槽與勻漿池內(nèi)腔相連,將堆漚槽與勻漿池建為一體,可保證秸稈腐熟過程中產(chǎn)生的廢水不外排,避免了資源浪費(fèi)和污染。同時(shí),可根據(jù)秸稈腐熟需要的時(shí)間合理設(shè)置堆漚槽,管理方便易行,能減少人工成本和管理成本,具有很高的實(shí)用性。又如內(nèi)置式秸稈生物反應(yīng)堆技術(shù)和外置式秸稈生物反應(yīng)堆技術(shù),內(nèi)置式主要是開溝在秸稈中加入微生物菌種后埋入土壤中,適用于大棚種植和露地種植。②秸稈田間堆積腐熟后還田。田間堆積腐熟后還田是指將收獲后的作物秸稈在田間集中堆積,噴灑腐熟菌劑進(jìn)行腐熟,促進(jìn)有機(jī)質(zhì)礦化和腐殖化,促進(jìn)秸稈腐熟,改善堆肥質(zhì)量。該方法既把養(yǎng)分釋放出來供作物吸收利用,消除了直接翻壓還田產(chǎn)生有機(jī)酸和有毒物質(zhì)對(duì)作物的毒害。腐殖質(zhì)施入土壤后能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量,改善土壤結(jié)構(gòu),提高土壤肥力,實(shí)現(xiàn)農(nóng)田生態(tài)的良性循環(huán)[21]。如秸稈堆肥組合物與堆肥法。該方法是在田間挖深0.5—0.8m的坑,按作物秸稈100—120kg、尿素0.5—0.7kg、12%過磷酸鈣2—3kg、鮮土量100—200kg和適量水的比例充分拌勻堆放在地坑內(nèi),并在堆體頂部中設(shè)一凹坑加滿水,對(duì)堆體上暴露在外面的秸稈用土覆蓋,經(jīng)過3—6個(gè)月作物秸稈腐熟后即獲得堆肥。

2.2 秸稈還田類專利

以秸稈、還田為搜索詞,共檢測到1567件專利,其中發(fā)明專利653件、實(shí)用新型專利892件、外觀設(shè)計(jì)專利22件、發(fā)明授權(quán)專利207件,同時(shí)獲得了專利分布的特點(diǎn)。秸稈還田類專利的數(shù)量同比高于秸稈腐熟類專利。2015年的專利量最高,達(dá)到276件(圖6);區(qū)域?qū)＠糠植家越K省占比最高,其次是山東、河南、河北、安徽等省份,新疆維吾爾自治區(qū)的專利量也較多,排名第六(圖7)。技術(shù)分類呈現(xiàn)集中化趨勢,主要集中于人類生活必需(圖8),這與秸稈腐熟類專利有明顯區(qū)別。王森豹作為申請(qǐng)人和發(fā)明人的秸稈還田類專利量最多(圖9),農(nóng)業(yè)部、山東理工大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、揚(yáng)州大學(xué)、湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)成為秸稈還田類專利的申請(qǐng)“大戶”(圖10)。

圖6 專利量總體趨勢

圖7 區(qū)域?qū)＠糠植?/p>

圖8 技術(shù)分類—專利量排行

秸稈粉碎后自然腐解方式:收獲作物后對(duì)秸稈進(jìn)行粉碎,將粉碎過的秸稈均勻拋灑在田間表層,在自然條件下腐解還田。該還田方式的優(yōu)點(diǎn)是成本低、機(jī)械化程度高,缺點(diǎn)是腐解慢。如實(shí)用新型專利之一的一種齒爪式玉米秸稈粉碎還田機(jī),將玉米莖稈從根部割斷,由撿拾器將秸稈投入粉碎室進(jìn)行高效粉碎還田。該機(jī)器由秸稈切削滾刀總成、秸稈撿拾器、秸稈喂入輥、粉碎室、鎮(zhèn)壓輥、懸掛架、變速箱和傳動(dòng)系統(tǒng)組成,該機(jī)器在小麥、玉米“一年兩熟區(qū)”應(yīng)用較廣。

圖9 申請(qǐng)人——專利量排行

圖10 發(fā)明人——專利量排行

秸稈粉碎后覆土還田方式:收獲作物后對(duì)秸稈進(jìn)行粉碎,同時(shí)對(duì)田塊開溝將粉碎過的秸稈置入溝中覆土腐解或?qū)⒔斩挿鬯楹笾苯訏伻鲈诘乇?通過旋耕使土壤覆蓋在秸稈上達(dá)到覆土效果。如實(shí)用新型專利——秸稈撿拾覆蓋耕播溝多功能聯(lián)合作業(yè)機(jī)具備一次性高效、高質(zhì)量地完成切草耕松、施肥、播種、開溝和化除施藥等機(jī)械化全套作業(yè)程序；又如實(shí)用新型專利——一種將物料撒施與秸稈粉碎還田聯(lián)合作業(yè)機(jī),包括機(jī)架、物料撒施機(jī)構(gòu)、中變速箱、側(cè)變速箱、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)Ⅰ、碎茬攪拌輥、起壟鏟和鎮(zhèn)壓輥,可代替人工撒施物料,一次性粉碎田間農(nóng)作物秸稈,同時(shí)完成攪拌物料、起壟、鎮(zhèn)壓等作業(yè),省工省時(shí)、提高了工作效率。

3 討論與展望

3.1 已有專利視角特征

本文從專利角度統(tǒng)計(jì)和分析了我國與秸稈腐解和秸稈還田相關(guān)專利的特點(diǎn)。整體來看,涉及腐熟劑的秸稈腐熟類專利總體數(shù)量低于未涉及腐熟劑的秸稈還田類專利,但僅從發(fā)明專利的數(shù)量來看,涉及腐熟劑的發(fā)明專利數(shù)量較多。在未涉及腐熟劑的秸稈還田類專利中,實(shí)用新型專利占有很大比重。山東省、江蘇省、安徽省、河南省成為這兩類專利的重點(diǎn)分布區(qū)域,說明這些省份在秸稈還田方面較重視，引起了研究熱潮。專利申請(qǐng)人呈現(xiàn)出相對(duì)集中的分布特征,如青島海益誠管理技術(shù)有限公司、農(nóng)業(yè)部、山東理工大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位和部分個(gè)人成為專利大戶,擁有專利數(shù)量較多?？梢娢覈咝：推髽I(yè)是當(dāng)前研究秸稈還田相關(guān)技術(shù)的主力軍。

3.2 秸稈利用研究潛力巨大

20世紀(jì)90年代以來,我國糧食主產(chǎn)區(qū)的秸稈直接還田是秸稈利用的主要方式之一。秸稈還田能有效增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、改良土壤理化性質(zhì)、培肥地力[22]；同時(shí),秸稈還田也是處理秸稈問題的主要方法,避免了因秸稈的不合理處理帶來的污染,因此秸稈還田應(yīng)用前景廣闊。但隨著秸稈還田的相關(guān)研究和專利申請(qǐng)面臨著需要不斷創(chuàng)新、專利有效轉(zhuǎn)化等一系列難題的解決,可以更好地解決生產(chǎn)實(shí)際中的秸稈還田問題。相信在科學(xué)發(fā)展農(nóng)業(yè)、可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)的戰(zhàn)略思路上,秸稈還田將得到廣泛重視和更多的資金投入,并取得更好的收益。

3.3 前景展望

從未來秸稈還田技術(shù)研究來看,以提升專利現(xiàn)實(shí)可行性為目標(biāo),筆者認(rèn)為以下幾方面問題需要注意:①注意技術(shù)與生態(tài)條件的契合度,立足不同區(qū)域水、肥、氣、熱等生態(tài)條件,形成高效利用秸稈技術(shù)。②注重多種生態(tài)鏈相結(jié)合,農(nóng)牧菌循環(huán)可實(shí)現(xiàn)秸稈的循環(huán)利用。③重視機(jī)械化問題,無論哪種技術(shù),如何實(shí)現(xiàn)機(jī)械化是提高效率的關(guān)鍵,將專利技術(shù)通過機(jī)械化提高效率、節(jié)省人力成本是未來的發(fā)展方向。

從秸稈還田技術(shù)發(fā)展前景來看,在專利形成過程中應(yīng)注意:①注重協(xié)同性,盡量避免孤軍作戰(zhàn)。應(yīng)廣泛建立我國高校、科研院所與企業(yè)共同開發(fā)利用,將技術(shù)創(chuàng)新轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。②注重創(chuàng)新性和實(shí)用性。盡可能避免專利技術(shù)脫離生產(chǎn)實(shí)際,注重實(shí)用性和可操作性,以解決農(nóng)業(yè)秸稈利用的實(shí)際問題。③注重量與質(zhì)的轉(zhuǎn)換。2007—2011年,我國秸稈還田相關(guān)專利發(fā)展速度相對(duì)平穩(wěn),2011年以后申請(qǐng)數(shù)量快速增多,但專利質(zhì)量亟待提高。

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AnalysisofPresentSituationonStrawCounters-fieldTechnologyBasedonPerspectiveofPatentinChina

LIU Qi-li1,ZHANG De-qi2,LIU Shu-yong1
(1.College of Resource and Environment Science,Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China; 2.Wheat Research Institute,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,China)

Crop straws were important renewable resources.The main utilization way for straws was to be returned to field.The patent characteristics and content in the field reflected the scientific and technological innovation and the development of the current situation of straw returned.In this paper,the distributions and characteristics of the patents recent years in the straw returned field were analyzed.The characteristics with patent perspective of straw counters-field,the research potential of straw utilization and prospects were summarized and prospected.In the same time,the problems needed be attended in the process of the technique research and patent formation of straw counters-field were put forward,all of these were in order to provide reference and help in straw counters-field technology research and development in China.

patent analysis;straw manuring machine;straw decomposition

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.03.018

F323.2；X37

A

1005-8141(2017)03-0355-05

2017-01-06；

2017-02-23

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào):2012BAD14B08);國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題項(xiàng)目(編號(hào):2016YFD0300203-3)。

及通訊作者簡介：劉起麗(1979-),女,河南省新鄉(xiāng)人,博士,副教授,主要研究方向?yàn)橘Y源微生物。