曹正男 趙振東 張海龍 寧曉海 歐陽由男 曹立勇 *

（1 寶清北方水稻研究中心，黑龍江 寶清 155600；2 中國水稻研究所/水稻生物學(xué)國家重點實驗室/浙江省超級稻研究重點實驗室，杭州 310006；*通訊作者：caoliyong@caas.cn）

黑龍江省是我國最主要的粳稻生產(chǎn)區(qū)，粳稻種植面積達(dá)400 多萬hm2，產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的50%以上，在糧食生產(chǎn)和保障國家糧食安全方面起到了舉足輕重的作用。近年來，隨著黑龍江省水稻產(chǎn)量的提升，其秸稈量也相應(yīng)增加。據(jù)統(tǒng)計，2018年水稻秸稈量為2 879 t，輸出量較大[1]。然而由于各種化肥及替代品的大量使用，加上秸稈收集運輸不便，使得大量秸稈被遺棄在田間地頭，不但嚴(yán)重浪費資源，遺棄秸稈的不適當(dāng)處理也引起環(huán)境的污染，制約了農(nóng)業(yè)的循環(huán)發(fā)展。因此，水稻秸稈的合理利用成為燃眉之急，這不僅是實現(xiàn)循環(huán)農(nóng)業(yè)的重要途徑，而且也是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。

1 秸稈焚燒的現(xiàn)狀及危害

近些年，黑龍江省收獲水稻大都采用帶有拋灑器的收割機(jī)，為防止機(jī)械受損，留茬較高，給秸稈打包造成一定困難，成本增加，致使農(nóng)戶打捆水稻秸稈的意愿下降，農(nóng)戶多選擇在春季將秸稈付之一炬。露天焚燒成為當(dāng)?shù)靥幚斫斩捵钇毡榈姆椒ā?/p>

露天焚燒秸稈一是會污染空氣環(huán)境，危害人體健康。焚燒秸稈時，大氣中二氧化硫、二氧化氮、可吸入顆粒物3 項污染指數(shù)達(dá)到高峰值，其中二氧化硫的濃度比平時高出1 倍[2]，二氧化氮、可吸入顆粒物的濃度比平時高出3 倍，相當(dāng)于日均濃度的五級水平[3]。當(dāng)可吸入顆粒物濃度達(dá)到一定程度時，對人的眼睛、鼻子和咽喉含有黏膜的部分刺激較大，輕則造成咳嗽、胸悶、流淚，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致支氣管炎發(fā)生[4]。二是焚燒秸稈極易引燃周圍的易燃物，尤其是在村莊附近，一旦引發(fā)火災(zāi)，后果不堪設(shè)想。三是焚燒秸稈形成的煙霧會造成空氣能見度下降，可見范圍降低，直接影響民航、鐵路、高速公路的正常運營，對交通安全構(gòu)成威脅，容易引發(fā)交通事故。四是會破壞土壤結(jié)構(gòu)，造成耕地質(zhì)量下降。秸稈焚燒后土壤水分揮發(fā)，土壤含水量降低[5]，土壤有機(jī)質(zhì)含量降低和保肥能力也降低[6]；秸稈焚燒還能顯著減少0~5 cm 土層中微生物數(shù)量和土壤酶的活性[7]，不利于作物生長，直接影響農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量，影響農(nóng)業(yè)收益。五是焚燒秸稈所形成的滾滾煙霧、片片焦土，影響一個地區(qū)對外形象，進(jìn)而影響招商引資。

2 農(nóng)作物秸稈資源化利用方式

隨著研究的深入，我國農(nóng)作物秸稈綜合利用已取得長足進(jìn)步。根據(jù)利用方式的不同，可初步分為肥料化、飼料化、燃料化、原料化和基料化，俗稱“五化”[8]。其中，秸稈肥料化利用最為廣泛，包括直接還田和間接還田，據(jù)統(tǒng)計，與秸稈不還田相比，秸稈還田可以顯著提高玉米、水稻、小麥等糧食作物產(chǎn)量，平均增產(chǎn)率約為8.06%。此外，最適宜的秸稈還田量為半量還田，還田年限超過20年時增產(chǎn)效果顯著，可達(dá)15.42%[9]。秸稈飼料化利用包括青貯、氨化等加工技術(shù)，經(jīng)過處理的秸稈可以提高粗蛋白含量和有機(jī)物消化率，提高秸稈飼料化的價值。秸稈燃料化利用主要包括固化成型、秸稈炭、秸稈沼氣、直接發(fā)電等能源技術(shù)，目前，秸稈發(fā)電是秸稈燃料化利用最主要的形式。秸稈原料化是指秸稈可以作為工業(yè)原材料進(jìn)行加工，如開發(fā)建材、輕體板、快餐飯盒、包裝材料等。秸稈基料化是基于秸稈富含纖維素、木質(zhì)素和氮磷鉀等營養(yǎng)成分制備食用菌培養(yǎng)基料，使用后的培養(yǎng)基還是難得的優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥料，可以直接還田，對于改良土壤、培肥地力有積極作用。

當(dāng)前，我國秸稈資源總量大，分布廣泛，地域特點強(qiáng)，限制因素較多。在推進(jìn)秸稈資源綜合化利用的進(jìn)程中，要充分考慮秸稈資源化利用方式的優(yōu)缺點（表1），選擇適合當(dāng)?shù)氐睦梅绞健?/p>

表1 秸稈資源化利用方式及優(yōu)缺點

3 水稻秸稈還田方式

3.1 直接還田

淺旋還田和深翻還田是黑龍江地區(qū)近幾年水稻秸稈還田的主要方式，都是采用帶有拋撒器的收割機(jī)進(jìn)行收割作業(yè)，收獲后秸稈粉碎直接拋撒于土壤表面，之后利用旋耕或深翻埋入土壤中。春季泡田后，使用拖拉機(jī)進(jìn)行打漿、整地、平地，之后進(jìn)行機(jī)械插秧。不同的是淺旋還田采用旋耕機(jī)將秸稈混拌在土壤中，而深翻還田是使用大馬力機(jī)械將粉碎后的秸稈翻入20~30 cm土層中。直接還田可以提高土壤質(zhì)量狀況，增強(qiáng)土壤活性，提升土壤供肥能力，進(jìn)而增加作物產(chǎn)量[10-12]。

但上述兩種還田方式也存在一些不足之處，一旦秋季水稻收獲時降雨較多或機(jī)械操作等人為因素造成秸稈粉碎不徹底、拋撒不均勻，加上黑龍江地處高緯度地區(qū)，氣溫低會導(dǎo)致秸稈還田后難以腐爛，影響來年的整地與插秧質(zhì)量。同時，多年秸稈連續(xù)還田會導(dǎo)致作物的病原菌重新回到土壤中，加大水稻病害發(fā)生的幾率。

3.2 間接還田

3.2.1 過腹還田

我國具有利用農(nóng)作物秸稈飼養(yǎng)牲畜的傳統(tǒng)。作物收獲后收集秸稈集中堆放，飼喂前將秸稈粉碎或切短，以便于家畜咀嚼和消化利用，有研究表明，未經(jīng)過處理的秸稈家畜只能采食40%~60%[13]。秸稈經(jīng)過牲畜消化吸收后變成糞、尿，但這些生糞不能直接用作肥料，必須經(jīng)過腐熟處理才能還田。但由于目前黑龍江規(guī)模化養(yǎng)殖牛羊的企業(yè)較少，導(dǎo)致秸稈飼料化利用率較低，大規(guī)模推廣較難。

3.2.2 生物炭還田

秸稈炭化還田是一種新的秸稈還田方式。生物炭是以農(nóng)林廢棄物為原料，在低溫限氧（＜700℃）條件下經(jīng)過一系列熱裂解得到的固態(tài)富炭產(chǎn)物。大量研究表明，生物炭施入土壤后，可以改良土壤理化性質(zhì)，土壤容重降低、總孔隙率提高，其多微孔結(jié)構(gòu)可顯著增加田間持水量，提高土壤對礦質(zhì)元素的吸附，減少淋洗造成的氮素流失，增強(qiáng)土壤肥力，使更多的土壤礦質(zhì)元素能夠被作物吸收利用，有助于作物生長和產(chǎn)量提高[14-17]。但如果生物炭還田量過大也會導(dǎo)致碳氮比失衡，影響水稻對氮素的吸收，降低水稻產(chǎn)量[18]。在實際生產(chǎn)中，由于制備生物炭成本較高，目前廣泛推廣還有一定難度。

3.2.3 堆漚（腐熟）還田

秸稈堆漚還田是采用外源微生物接種強(qiáng)化發(fā)酵技術(shù)，將秸稈與人畜糞尿等有機(jī)物質(zhì)經(jīng)過堆漚腐熟，產(chǎn)生大量可構(gòu)成土壤肥力的重要活性物質(zhì)——腐殖質(zhì)，同時產(chǎn)生有效的氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)供農(nóng)作物吸收利用。秸稈在腐熟分解過程中還可以殺死稻稈中的蟲卵和病原菌，從而降低部分水稻病害發(fā)生的幾率。但在實際生產(chǎn)中也存在一些缺陷，一是優(yōu)良菌種難以尋找和培育；二是秸稈運輸及腐熟設(shè)備的費用較高，增加了農(nóng)民的種地成本，降低農(nóng)民使用的意愿。

4 秸稈還田對水稻產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的影響

4.1 秸稈還田對水稻產(chǎn)量的影響

前人研究表明，秸稈還田后釋放的養(yǎng)分和某些小分子物質(zhì)對產(chǎn)量有很大影響。王會斌等[19]試驗表明，秸稈全量還田或半量還田，水稻產(chǎn)量均有提升。騰曉龍等[20]3年的試驗得出，秸稈還田處理的水稻產(chǎn)量平均每年增加了365 kg/hm2。劉曉霞等[21-22]認(rèn)為，秸稈還田提高水稻產(chǎn)量和穩(wěn)固土壤養(yǎng)分，且隨著秸稈還田年份的增加，水稻產(chǎn)量和耕地質(zhì)量的提升效果越來越顯著。

單位面積穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重是水稻產(chǎn)量構(gòu)成的重要因子。有研究表明，秸稈還田減少了水稻單位面積穗數(shù)，但由于秸稈還田能使土壤可持續(xù)供肥能力增強(qiáng)，有助于水稻后期的生長發(fā)育，從而使水稻的實粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重明顯增加，進(jìn)而提高水稻產(chǎn)量[23-24]。伍佳等[25]試驗對比了不同還田方式的增產(chǎn)效果，結(jié)果表明，秸稈炭化還田的增產(chǎn)效果最佳，秸稈粉碎還田效果略高于秸稈直接還田，但秸稈還田均高于秸稈不還田。也有研究認(rèn)為，秸稈還田并不能顯著提高水稻千粒重和產(chǎn)量，需要配施氮肥且在一定氮肥用量范圍內(nèi)，產(chǎn)量隨著施氮量的增加而顯著增加[26]。

4.2 秸稈還田對土壤肥力的影響

東北是全球僅有的三大黑土區(qū)之一，然而由于盲目追求高產(chǎn)，大量使用化肥農(nóng)藥，導(dǎo)致東北黑土地地力退化日益嚴(yán)重。秸稈還田是恢復(fù)黑土地地力的最重要、最有效措施之一[27]。

農(nóng)作物秸稈還田首先改變的是土壤的物理性質(zhì)，使土壤孔隙度和大團(tuán)聚體含量增加，土壤容重降低，土壤保水保肥能力增強(qiáng)[28-29]。秸稈還田是土壤有機(jī)質(zhì)和植物營養(yǎng)物質(zhì)的主要來源，大量研究表明，水稻秸稈還田后，土壤中有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素都有所增加[30]。丁奇等[31]通過2年4 季的定位試驗發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈全量還田相比于稻草燒灰還田和單施化肥，土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮顯著提高，而有效磷、速效鉀提升不明顯。伍佳等[26]試驗表明，秸稈炭化還田相較于秸稈粉碎還田和秸稈直接還田，土壤有機(jī)質(zhì)、全鉀和速效鉀的積累更為豐富，水稻產(chǎn)量也更高。此外，由于長期施用化肥導(dǎo)致土壤細(xì)菌群落和微生物活性遭到破壞，秸稈還田一方面可以為微生物提供碳源、氮源；另一方面秸稈還田的耕作模式對微生物活性有正面效應(yīng)[32-34]。有研究表明，與秸稈不還田的土壤比較，秸稈還田主要影響耕層土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)及物種豐度，而對于15~30 cm 深度土壤中微生物群落影響不顯著[35]。

5 對策與建議

5.1 堅持秸稈農(nóng)用資源化、秸稈肥料化

秸稈處理的問題是農(nóng)業(yè)問題，應(yīng)該主要以農(nóng)業(yè)的方法解決，這也符合2019年黑龍江省提出秸稈綜合利用“一主兩輔”的原則，即還田為主，燃料化、飼料化為輔。隨著秸稈還田量的增加和時間的延長，秸稈直接還田造成的問題也逐漸顯現(xiàn)，如黑龍江省冬季氣候干燥、溫度低，秸稈降解速度慢，影響來年耕種，還有可能引發(fā)病蟲害。針對降解慢、引發(fā)病蟲害的問題可以通過生化腐熟發(fā)酵來解決。董文斌等[36]用豬糞與稻草發(fā)酵實現(xiàn)了有機(jī)物快速生物降解，同時堆肥過程中產(chǎn)生的高溫可有效殺滅秸稈中的蟲卵，產(chǎn)出的秸稈有機(jī)肥代替化肥施入土壤，水稻增產(chǎn)幅度可達(dá)33.5%。盡管秸稈還田依然存在一些弊端，但從整體來看是利遠(yuǎn)大于弊，更符合農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)律，而且隨著研究的深入，這些弊端也一定可以通過管理措施加以抑制或消除。

5.2 堅持新型秸稈腐熟劑和快速發(fā)酵工藝的研發(fā)

目前市面上的秸稈腐熟劑大都是粉狀，施用時需要人工撒入，受風(fēng)等因素影響大，成本還較高，難以推廣。近年，中國水稻研究所研發(fā)出一種新的作物秸稈原位快速腐熟技術(shù)，即在翻耕機(jī)上加裝拋撒秸稈腐熟劑裝置，使秸稈腐熟劑、粉碎秸稈和土壤在進(jìn)行土地翻耕時均勻混合，具有腐解快速且腐解肥力高、操作簡單、節(jié)省成本、能滅殺病蟲等特點，有較為廣闊的應(yīng)用前景。在此基礎(chǔ)上，還可開發(fā)液態(tài)秸稈腐熟劑，與粉狀相比，液態(tài)的秸稈腐熟劑更便于施用，更易于與秸稈混合、發(fā)酵。

5.3 堅持農(nóng)藝農(nóng)機(jī)相結(jié)合, 研發(fā)設(shè)計秸稈還田配套農(nóng)機(jī)具

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度的提高，加上水稻用工成本的增加，決定了今后水稻秸稈還田應(yīng)由機(jī)械完成，而目前的收割機(jī)和旋耕機(jī)在設(shè)計建造過程中并沒有考慮到秸稈還田的需求，導(dǎo)致留茬高度、秸稈粉碎程度及翻埋深度并不完全適合秸稈還田機(jī)械操作。應(yīng)堅持農(nóng)業(yè)機(jī)械化服務(wù)農(nóng)藝的的應(yīng)用方向，由農(nóng)藝工作者提供水稻秸稈還田參數(shù)給農(nóng)機(jī)部門，從而實現(xiàn)農(nóng)藝農(nóng)機(jī)配套化、標(biāo)準(zhǔn)化。