秸秆原位还田的环境经济损益分析及展望_陈前.pdf

秸秆原位还田的环境经济损益分析及展望陈前1，2黄修文1白晓龙1，2余永昌1，2（1.南通科技职业学院，江苏南通 226007；2.南通市固体废弃物资源化利用重点实验室，江苏南通 226007）*摘要：秸秆原位还田是苏中地区秸秆综合利用最为常见的方式。结合实地调研辩证分析机械化秸秆全量还田对土壤的理化性质、病虫害防治作用、产量以及环境的综合影响，并针对原位还田存在的不利影响提出秸秆快速腐熟或深耕、控制秸秆还田量、控制回归水污染等改进措施和建议。关键词：秸秆原位还田；土壤理化性质；病虫草害防治；农田回归水污染控制Abstract：Straw-returned-native-field is the most common comprehensive utilization of straw in the central region ofJiangsu Province.Based on the investigation，this paper analyzes the comprehensive effects of mechanized strawreturning on soil physical and chemical properties，pest control，yield and environment dialectically.In view of theadverse effects of straw-returned-native-field，the paper puts forward some improvement measures and suggestions，such as rapid ripening，deep tillage，control of land return amount，and control of return water pollution.Key words：straw-returned-native-field；soil physical and chemical properties；pest and weed control；farmlandreturn water pollution control中图分类号：X71文献标识码：A文章编号：16741021（2023）010008-041引言我国秸秆资源丰富，近 10 年每年产量稳定在约8 亿 t，其中可收集资源量约占年秸秆产生量的841。在大力发展循环农业的时代背景下，秸秆资源作为重要的生物质能源之一，如何对其进行合理开发利用得到了人们的重视。秸秆利用率逐年稳步递增，利用方式愈发多元化。江苏省秸秆综合利用水平一直走在全国前列，2020 年江苏省秸秆综合利用率已达 952。但基于社会经济发展水平和人力物力限制，目前江苏全省秸秆资源利用仍以秸秆原位还田为最常见的利用方式。虽然秸秆还田已推行多年，但秸秆还田的利弊仍存在一定的争议。本文结合江苏苏中地区普及性利用方式秸秆机械化全量原位还田展开环境经济损益综合分析，尤其对还田技术中应克服的应用难点进行剖析，以助力突破还田技术实施过程中存在的瓶颈问题。2江苏苏中地区秸秆综合利用现状江苏苏中地区一直致力于推进秸秆的多途径综合利用，其中较为典型的有：如东县已建成全国三大草绳生产基地之一，年加工草绳总量超 2 000 万 t；海安绿源生物能源公司年利用秸秆约 5 万 t，将秸秆固化成型用作燃料，该区域能源化利用占综合利用总量的 35，此外，将秸秆作为菌菇培养的基料，或通过氨化、碱化处理后作为食草动物的饲料，废料堆沤、桑园覆草、防风固沙等也逐步呈现产业化趋势。2021 年海安市秸秆资源利用情况见表 1。收稿日期：2022-08-19；修订日期：2023-01-10。作者简介：陈前，女，1977 年生，讲师，硕士，主要研究方向为工业废水污染控制技术、环境管理等。*通讯作者：余永昌，男，1981 年生，讲师，博士，主要从事农田植物、微生物生态研究工作，E-mail：。基金项目：2021 年度南通市社会民生科技项目“低温纤维素降解菌在秸秆原位还田中的应用与示范”（MS12021084）。8环境保护与循环经济表 12021 年海安市秸秆资源“五化”综合利用情况万 t在众多利用途径中，秸秆机械化原位还田因操作简单、成本低廉、技术要求不高而受到人们的青睐，在苏中地区占综合利用总量的 80左右。2021年，海安地区夏熟秸秆机械化还田面积 4276 万亩，离田秸秆面积仅为 3 万亩左右；海门地区小麦种植面积近 165 万亩，其中秸秆还田面积约 132 万亩，还田率稳定在 80以上。因此，秸秆机械化原位还田是当前最主要的利用方式。秸秆机械化原位还田是以联合收割机收获作物，同期将秸秆切碎并均匀抛撒地表，再增施氮肥，随即旋耕入土，辅以上水泡田促进其腐烂分解，从而培肥地力。由于秸秆机械化还田省时省力，秸秆腐解后又能有效增加土壤有机质含量，培肥地力，农忙季节人手严重不足且严禁秸秆焚烧，秸秆机械化全量还田成为苏中地区乃至整个江苏广大农户的首选。3秸秆原位还田的环境经济损益成效分析31秸秆还田对土壤理化性质及产量的影响一般认为，推广秸秆还田有利于减少环境污染，同时能有效改良土壤基质。相关研究3表明，秸秆中不仅含有氮、磷、钾等营养物质，还富含多种微量元素。秸秆将改善土壤中锌、锰、铜等缺乏问题，能使有机结合态锰和铜分别增加 19与 103；连续秸秆还田可以有效提高土壤肥力，有利于减少对化肥的过度依赖，减少因过量使用化肥带来的土壤严重板结、水体富营养化等负面环境影响。在推广秸秆还田后，我国化肥用量呈逐年连续负增长状态，从 2015 年的6 022 万 t 下降到 2020 年的 5 250 万 t；秸秆还田除增肥土壤外，还具有疏松土壤、蓄水保墒的作用。但调研发现，秸秆原位还田也带来诸多问题。常有农户反映，在秸秆机械化原位还田的地区，秸秆还田后存在土质过于松散、土壤持水性差等现象。这是因为苏中地区多为机械化全量还田，秸秆比例高加上粉碎不彻底，使大颗粒秸秆混入土壤带来大孔隙，致混合土质过于松散，在秸秆未腐熟转化为土壤时会伴有土壤因过于蓬松而涵水性差的问题，土壤涵水性差又会带来下一季作物发芽率下降的连锁反应，甚至出现缺苗断垄现象；土壤过于疏松将直接影响种子扎根，抑或因扎根不牢，再加上废水管理不当、沟系不畅等导致中晚期作物倒伏的现象。这与杨四军等4研究的结果高度一致，秸秆还田 1 年后显著降低了小麦出苗率和出苗的均匀性，导致小麦减产。32秸秆还田对病虫草害发生的影响当采用特种秸秆或特定方式秸秆还田，将能够在一定程度上产生农作物病虫草害预防作用5。将特定秸秆粉末（如茵陈蒿、大蒜、菊芋等）与土壤按一定比例混匀，对根结线虫有不同程度的抑制预防效果；在马铃薯出苗期采用秸秆覆盖，将使马铃薯 Y 病毒的发病率降低 5070。事实上，将秸秆覆盖还田技术应用在果园、桑园种植中已十分成熟和广泛，秸秆覆盖还田确实能有效发挥一定的控温抑草、加速土壤熟化、减少营养物质流失等作用6。但调研中也发现，苏中地区机械化秸秆全量还田出现明显的病虫害增加的现象，如 2021 年 10 月，通州地区病虫情报通报小麦茎基腐病、小麦腥黑穗病，局部田块危害较重，其发生原因和秸秆还田直接相关。2020 年山东全省小麦茎基腐病害突破 1 200万亩，严重区域白穗率达 3050，严重威胁粮食安全7，专家诊断其根源与秸秆粗放式还田直接相关。小麦茎基腐病属真菌性土传病害，会造成小麦过早死亡或后期枯株白穗和严重减产，目前小麦茎基腐病在秸秆还田较多的省份如河南、河北、山东、安徽、江苏等地均有发生。首要原因为未腐熟的还田秸秆会成为真菌、虫卵等植物病虫害重要的越冬庇护场所，秸秆大量还田且不能腐熟彻底时，病菌将随秸秆残体在土壤中存活，菌种累积将诱导下一季作物的发病，直接增加下一个生产周期的病虫害防治难度及用药、用工成本；另外，秸秆还田时腐熟度不够还将导致秸秆在土壤进一步腐熟过程中吸氮耗氧，与作物争夺水分和养分，不利于作物深扎根，从而降低小麦对病害的抗性8。另外，现场走访通州地区水稻田，发现有马唐、稗草、千金子多种类杂草。农户反馈秸秆机械化全量还田后带来草害的发生概率和速度相对要高，影响利用方向用量主要用途能源化10.42直接或制成秸秆颗粒用于本地锅炉燃料肥料化1.01肥料堆沤、桑园覆草基料化5.37菌菇培育的基料饲料化6.70秸秆碱化、氨化后作为食草动物的饲料原料化6.15打草绳、打草帘、草垫等9产量，农户秸秆还田后对化学除草剂依赖性高。分析原因为小麦生长期带来的草种依然依附在秸秆上，秸秆全量还田又覆盖在地表，加上土层搅动不大，引发下一季草害。33秸秆还田与环境损益效应实现资源绿色利用，环境效益是大力推广秸秆还田的出发点之一。秸秆还田有助于改善因过量使用化肥引发的水体富营养化现象，能间接防止因秸秆焚烧带来的空气污染，秸秆还田能够降低麦季径流水量和稻麦两季径流侵蚀泥沙量9，减少农田氮磷流失等；秸秆还田有利于增加碳固定和温室气体减排10。但秸秆机械化全量还田也会带来新的环境问题，如汛期农田回归水将导致附近河流水质污染。每年 6 月份苏中地区往往会出现明显的河流断面水质指标上扬现象，甚至部分断面有持续超标现象。贾蕾研究表明11，秸秆还田后，稻田水质 COD 将在一周内迅速上升至 70 mg/L 左右，能明显增加水体 COD浓度；同期总磷浓度也将大幅提高。杨志敏等认为12，各种途径进入土壤中的碳、氮利用率仅为 3040，大约 60以上的碳、氮将通过表层水流失进入水体，造成面源污染；秸秆还田量越大，面源污染物浓度越高。苏中地区秸秆还田造成地表水严重污染还与当地的季节特点有关。当地秸秆还田时间段往往与汛期临近，还田秸秆尚未腐烂完全和被土壤吸收固化，经稻田灌溉水浸泡发酵后，产生大量的有机质和营养盐，再遇雨季就会随地表水径流汇入周边河道，将导致河流水质超标，甚至对水生生物产生不良影响。同时，秸秆还田前粉碎过程中，会产生大量的灰尘，并和其他污染物发挥协同作用引发环境空气污染，尤以阳光强烈和干燥的天气更为多见。秸秆用作编织等其他利用途径时也会对操作者呼吸道产生一定影响。4秸秆原位还田的技术改进41秸秆快速腐熟还田秸秆还田能否有效改良土壤、发挥良性环境效益需建立在秸秆充分腐殖的基础上。秸秆还田后如不能彻底腐熟，不仅不能转化为人们期待的土壤营养补充剂，其作为寄主还将增加病虫害发生概率。因此，秸秆是否腐熟完全也就成了优化秸秆原位还田的关键。目前，苏中地区秸秆直接还田的弊端主要来自秸秆还田期与播种期过于临近，秸秆来不及腐殖完全，利用高效降解的多功能菌群提升秸秆腐殖速度有望解决这一难题。研究表明13，在秸秆原位还田的基础上加入合适的低温纤维素降解菌，有利于加快秸秆降解速度；其增殖的大量有益活性菌还将加强根基有益微生物的活动与土壤中的有机质结合，能增加土壤有机质含量，进一步提高土壤肥力，减少化肥的使用；利用位点竞争，产生抗病性物质，抑制导致植物枯萎病、根腐病等的土壤病原菌；可以提高土壤无机盐含量，对于作物增产和土壤改良以及减少温室气体排放等方面均有重要的意义。42推广深耕还田积极推广深耕犁耕作业方式有利于提升秸秆还田实效。对比犁耕和旋耕这两种常见的整地方式：旋耕虽耕层较浅，一般仅 1015 cm，但因省时省力在江中地区应用更为广泛。旋耕秸秆还田后弊端明显14，秸秆仅和浅表层土壤混合，还田的秸秆占据耕作表层，阻碍小麦种子与土壤充分接触和影响水分的吸收；还田秸秆量大、腐殖时间短、来不及腐熟完全，常出现土壤表层过于疏松现象，不利于小麦根系扎根，易出现中后期倒伏，从而影响产量。深耕犁耕耕层厚度能达到 2025 cm，虽费时费力，但深耕能将地面上的秸秆翻到深层土壤中，从而有利于秸秆的长期腐殖稳定且不影响表层作物生长，提高还田效果；另一方面，地面杂草种子也会被翻到地下，将有效抑制杂草的发芽和出苗率，能有效降低杂草害风险。深耕犁耕需要一定的人力物力做保障，现阶段解决农忙时期人力物力的资源匮乏问题是有效推广深耕犁耕的前提。43拓展综合利用秸秆还田量是制约秸秆还田效果的重要影响因素。徐国伟15的实验表明，随着秸秆还田量增加，水稻产量先增加后降低，秸秆还田量在 6 t/hm2时，水稻增产 179；而过高的秸秆还田量会造成水稻结实率下降，当秸秆还田量在 75 t/hm2时导致减产42。因此，减少秸秆还田量，拓展秸秆离田利用方式是解决秸秆现实问题的重要途径。近年来苏中地区秸秆离田数量呈上升趋势，离田秸秆利用方式多样化，拓展了防风固沙等多条途径。秸秆间接还田也能有效改善直接还田腐熟不够带来的弊端，提高还田效果。除利用秸秆堆沤还田、10环境保护与循环经济秸秆过腹还田传统间接还田方式外，近年来借鉴草木灰原理，秸秆炭化后制复合肥以改善土壤理化性质是研究和应用新热点方向之一。陈芳等16研究表明，施用秸秆炭能促进水稻干物质积累和产量增加，施用量 20 t/hm2时谷粒产量增加 7255。44重视农田回归水的污染治理秸秆还田技术实施后农田回归水污染问题具有一定的普遍性，对周边水环境质量造成较大影响。因此有效控制农田回归水面源污染迫在眉睫，可以尝试以下办法：（1）给废水增氧。在常规水污染治理中通常采用通过曝气增氧促进好氧微生物降解水中污染物，但此技术在稻田回归水应用和研究中并不多见。潘艳川等17通过给秸秆还田后泡田期田面表层水加气，能有效降低水体 NH4N 与 TP 浓度峰值，提前和缩短 NO3N 与 TP 高浓度持续时间，一定程度上可以控制田面水质恶化。（2）建人工湿地。在大片农田汇水下游兴建生态湿地增强水体自净能力，将有效减少农田回归水直排入河造成的污染，助力区域生态环境质量持续改善。如果结合水生经济植物、鱼类养殖，还将有效提高农产品的附加值。5结论与展望秸秆原位还田是当下秸秆综合利用的主流方法，在多年来的实际应用中发挥出较好的循环经济效益。同时也暴露诸多亟待解决的问题，如降解效率低、易发生病虫草害及一定程度上的不良环境影响等，这些问题如解决不好，既挫伤了农民秸秆还田的积极性，也制约了农业的可持续发展。解决思路要立足于如何既不增加农民负担，又最大程度地实现秸秆还田的良好效益。高质量实现秸秆综合利用是践行农村绿色发展的重要举措，也是一项复杂的系统性工程，涉及经济、社会、生态环境等多个方面，需要通盘谋划、科学有序推进，以推动农业可持续发展。在具体对策和措施上，首先，加强技术指导是形成良性生态循环的前提和保证，如采用加入外源低温纤维素降解菌、推广深耕犁耕技术、精准控制秸秆还田量等新技术新工艺，将加快秸秆还田技术的提档升级；其次，加强多部门协调联动，多角度多维度考量秸秆利用的综合经济环境效益，科学制定秸秆机械化还田和离田的质与量；最后，未来秸秆综合利用的走势取决于成本和市场，以市场为驱动，借助政策财税调节，才能不断拓展和创新秸秆利用途径。参考文献1 高忠坡，倪嘉波，李宁宁，等我国农作物秸秆资源量及利用问题研究 J 农机化研究，2022（4）：1-6，25.2 郭德杰，罗佳，马艳，等江苏省秸秆综合利用途径现状及发展策略 J 江苏农业科学，2022，50（3）：248-252.3 汪金舫，刘月娟，李本银，等秸秆还田对砂浆黑土理化性与锰、锌、铜有效性的影响 J 中国生态学报，2006，14（3）：49-51.4 杨四军，顾克军，张恒敢，等影响稻茬麦出苗的关键因子与应对措施 J 江苏农业科学，2011，39（5）：89-91.5 刘大伟，陈婧，司修洋，等作物秸秆在植物病虫草害防治中的应用 J 北方园艺，2021（4）：128-133.6 陈军锋，郑秀清，秦作栋，等冻融期秸秆覆盖量对土壤剖面水热时空变化的影响 J 农业工程学报，2013（20）：102-110.7 王丽杰，于海涛，宋顺，等山东省小麦茎基腐病的发生及综合防控 J 现代农业科技，2022（2）：111-113.8 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