机械化秸秆还田技术及其应用

机械化秸秆还田技术及其应用何飞15950257963概述一、农作物秸秆综合利用的背景农作物秸秆是农业生产的副产品，主要包括稻秸、麦秸、玉米秸、油菜秸、大豆秸、棉花秸等，产量大，分布广。作为一项重要的生物资源，我国的秸秆资源拥有量居世界第一，年产量约为6.5亿吨，并且呈增长趋势，预计到2010年可达7.26亿吨。据2000年的统计资料，我国年产农作物秸秆中约30%用作农用燃料，27%用作饲料，2～3%用作工副业生产原料，6～7%直接还田，还有33%未被合理利用。表12000年秸秆资源分布及2010年的预计可获得量单位（万吨）年份秸秆总产量直接还田作为饲料作为造纸原料用作能源未被利用2000年64792.34535.4617744.7210019437.6921381.462010年7260021780213002800250001720注：本表数据摘自《中国生物质资源可获得性评价》中国农业部/美国能源部项目专家组。图1秸秆利用分布图4%33%3%27%30%7%未被利用33％能源30％饲料27％还田7％造纸原料3％秸秆发电等4％二、秸秆焚烧的危害及原因秸杆焚烧不仅浪费能源，污染环境，危害人体健康，造成土壤板结。而且影响交通安全，引发火灾，给国家和人民的生命财产造成严重的威胁。具体而言：1、污染空气环境，危害人体健康有数据表明，焚烧秸秆时，大气中二氧化硫、二氧化氮、可吸入颗粒物三项污染指数达到高峰值，其中二氧化硫的浓度比平时高出1倍，二氧化氮、可吸入颗粒物的浓度比平时高出3倍，相当于日均浓度的五级水平。当可吸入颗粒物浓度达到一定程度时，对人的眼睛、鼻子和咽喉含有黏膜的部分刺激较大，轻则造成咳嗽、胸闷、流泪，严重时可能导致支气管炎发生。2、引发火灾，威胁群众的生命财产安全秸秆焚烧，极易引燃周围的易燃物，尤其是在村庄附近，一旦引发火灾，后果将不堪设想。3、引发交通事故，影响道路交通和航空安全焚烧秸秆形成的烟雾，造成空气能见度下降，可见范围降低，容易引发交通事故。4、破坏土壤结构，造成耕地质量下降焚烧秸秆使地面温度急剧升高，能直接烧死、烫死土壤中的有益微生物，影响作物对土壤养分的充分吸收，直接影响农田作物的产量和质量，影响农业收益。5、破坏环境形象秸秆所形成的滚滚烟雾、片片焦土，对一个地区的环境形象是最大的破坏。秸秆焚烧的原因：1、农村劳动力减少随着农村进城务工人员逐年增加，农村劳动力相对较少，夏收、夏种任务加重。尤其是小麦实行联合收割机收获后，联合收割机在收割的过程中，给农作物留茬高达30公分左右，麦秆随着机械抛洒在田里，收拾费工、费力、费时，使下茬作物无法耕种，农户为了抢农时和下茬作物种植方便，就一烧了之。加上农民有焚烧秸秆的错误认识，认为秸秆就地焚烧，等于给田地施加了草木灰。2、秸秆无处利用随着社会的发展，人们生活水平的提高，农村生活用能结构发生了改变，生活用秸秆数量大幅度减少。化肥的大量使用，在一定程度上降低了秸秆沤肥还田率。这些传统的秸秆利用方式逐渐被人们抛弃，而现代科学的秸秆利用方式和意识尚未建立起来。秸秆多年来得不到有效的利用，农民从秸秆上获得的收益有限，即便收集起来，也不知道怎么用，因而不愿意收集，致使农作物秸秆出现大量剩余并直接导致露天焚烧。3、监督、管理和综合利用指导的力度不够由于认识偏差，很多农民认为秸秆是废弃物，而不是资源，因此开发利用的重视程度不够，国家政策和资金扶持不够，设备研究相对滞后，尤其是在茬口紧的多熟农区，秸秆便捷处理设施配套明显不足。三、国外农作物秸秆综合利用的发展趋势秸秆的综合利用是一个世界性的课题，世界各国特别是发达国家已作了大量研究，取得了相当的进展，它的应用主要包括四个领域:饲料、燃料、肥料和工业原料。而饲料和燃料的利用及其转化技术，是工业化综合利用的主要领域。（一）饲料畜牧业发达国家早已利用秸秆饲料进行养殖，取得了良好的效果。如美国的饲喂秸秆的肉食转化率达73%，澳洲达90%。他们采用先进的冷压成型技术，将秸秆切碎、搓揉，进行钠化或氨化调质处理，添加微量元素和粘合剂，压制成块或颗料，便于贮藏和运输。这是秸秆饲料处理的发展方向。（二）燃料以秸秆为主要原料的生物质能的利用，是当前技术创新的热点之一，目前在秸秆发电、沼气、成型燃料等方面已有一定的应用。美国和西欧已将秸秆气化技术广泛用于区域取暖、餐饮等民用设施。丹麦是研究秸秆发电较早的国家，1988年诞生了世界上第一座秸秆生物燃烧发电厂，如今有130座秸秆发电厂遍及全国，秸秆发电等可再生能源占全国能源消费量的24%，丹麦靠新兴替代能源由石油进口国成为石油出口国。工业用途方面除传统的纸浆生产外，又在其它领域，如乙醇的制取、建筑材料等得到一定的应用。秸秆还田的方式与技术思路从当前和农机的角度来分析，我国的秸秆综合利用尚未进入工业化的阶段，有相当的秸秆需要靠机械化秸秆还田来消化。农业部积极推进的保护性耕作技术，05年的示范面积达866万亩，“十一五”期间将从试验示范阶段逐步转入推广阶段，实施范围进一步拓展。在今后一段时期，机械化秸秆还田技术仍有较大的应用空间。一、秸秆还田的方式秸秆还田目前主要有三种方式：秸秆直接还田过腹还田间接还田（一）秸秆直接还田1.机械粉碎翻压还田农作物收获后，在田间将秸秆切碎或高留茬直接翻入土壤，归还农田。此法常在水热条件好，土地平坦，机械化程度高的地区应用。2.覆盖还田主要应用于麦——玉米或麦——稻轮作区。即在麦、稻收获后播种玉米、小麦，待出苗后，在行间覆盖麦秸或稻秸。（二）过腹还田将秸秆作为粗饲料，喂养反刍动物（如牛、羊等），然后以粪便的形式还田。（三）间接还田通过堆沤发酵有机肥。堆肥和沤肥都是利用作物秸秆与少量人畜粪尿共同堆积腐熟而成的有机肥。堆肥是在好气条件下堆制而成，多用于北方；沤肥是在嫌气条件下沤制而成，多用于南方。特别是沤制沼气发酵肥，是增辟肥源、提高肥质、获取燃气资源的一种秸秆综合利用的好方法。二、机械秸秆还田的技术思路根据建设绿色环保、资源节约型现代农业的要求，结合农机制造业现状及发展趋势，制定合理的秸秆机械化还田技术方案，大力推广先进、适用的秸秆还田机械，是发挥农机化在建设社会主义新农村的作用的一项重要内容。（一）主攻麦秸秆机械化还田，优先处理“三夏”期间麦秸秆焚烧问题在麦收季节，收获小麦的机器主要使用全喂入式联合收割机。全喂入联合收割机的技术性能适宜收割小麦，兼收水稻，具有效率高、损失低、易卸粮的特点，而且机具价格、维修费用和作业收费低于半喂入履带式联合收割机，利于抢收抢种，因此许多地区大多购置全喂入联合收割机收获小麦。全喂入联合收割机的割茬一般在30厘米左右，脱粒清选后的秸秆成紊乱状条堆在田块中，不利于后续的农机作业。因此，使用带秸秆抛撒装置的全喂入联合收割机，去除人工在田间铺均麦秸秆的环节，以方便后续的秸秆还田和播种作业。采用机械水旋耕麦茬田耕整地，从技术角度来讲，目前工艺和机具都已基本成熟。植稻前麦茬田的耕整地有铧式犁耕翻、干旋耕、免耕和水旋耕等多种作业方式。经多年的试验比较，以水旋耕为较好的耕整地工艺。水旋耕可使麦秸秆与泥土充分搅拌，耕作阻力比旱耕小三分之一左右，同幅宽的机型配套同样的动力，耕作深度可加深2～4厘米，或增加作业幅宽，并可实现多道工序的复式作业，提高生产效率，降低作业成本。（二）大力发展高性能联合收割机，逐步缓解稻秸秆还田的压力稻秸秆的还田机械，现广泛使用的50马力级轮式拖拉机动力不足，需逐步更新换代；稻秸秆具有相对较大的利用价值，如草帘、草包等已在防寒、防汛等方面有广泛的应用。重要的是加速高性能半喂入联合收割机的推广，近年来高性能半喂入联合收割机发展快速，其低割茬、整秸秆、具有秸秆切碎装置的优良性能，使稻秸秆的综合利用具有相当的灵活性。但是在近年内，仍有部分高留茬稻秸秆在田中焚烧，特别是机场周边、高速公路沿线、大中城市附近，禁烧呼声强烈。解决的方案是:选用反旋灭茬机，即增加旋切深度，又使掩埋和覆土得到加强，可获得较好稻秸秆还田效果。但增加了功耗，降低了作业效率。采用双轴灭茬旋耕机进行稻秸秆的还田耕整地作业。这种机型国内已有多家生产厂制造，工作中采用前轴破茬，后轴旋耕的原理，能使泥土与稻秸秆充分搅匀，耕深可达16厘米，是目前稻秸秆还田作业性能较好的机型。在解决了轻型化设计之后，水田作业也可得到较好的效果。（三）推广玉米秸秆机械化还田技术玉米秸秆还田普遍采用的技术路线，是在玉米成熟期，采用人工摘穗，然后利用秸秆还田机直接将秸秆粉碎还田。为此技术配套的玉米秸秆粉碎还田机比较成熟，由锤爪或甩刀将秸秆粉碎，其长度在10厘米以下。双轴传动的复式作业机械，能一次完成玉米秸秆粉碎、旋耕、播种小麦三项作业，可提高作业效率，减少拖拉机的进地次数。山东、河北等省是我国的玉米种植大省，玉米收获机械的应用已走在全国前列。除玉米收获、秸秆还田在大面积上采用机械粉碎还田的方法外，玉米的联合收获机型趋于成熟。主要为两种机型：①2行悬挂式玉米联合收获机，一次完成摘穗、果穗升运、集箱和秸秆粉碎还田作业；②3行自走式玉米联合收获机，一次完成摘穗、果穗升运、集箱和秸秆粉碎还田作业。悬挂式玉米联合收获机的技术性能基本可满足玉米收获和秸秆还田的需要，具有结构简单，价格适中的优点，并可提高50马力级轮式拖拉机的利用率。在玉米种植面积不太大，而且田块相对较小的地区，从农村购买能力、动力的保有量、经营管理水平综合分析，在“十一五”期间推荐悬挂式玉米联合收获机为主导推广机型。自走式玉米联合收获机结构紧凑，性能好，作业效率高，并且应用了液压、机电一体化等高新技术，是今后发展的必然选择。（四）油菜、棉花机械化秸秆还田尚待时日油菜的收获机械化目前处于起步阶段，棉花的收获机械化还是空白，这两种作物的收获主要靠人工作业。分析认为由于秸秆较硬，机械切碎的功耗必然较大，秸秆还田会有较大的难度，现实的考虑方案应着眼于人工收获后的秸秆综合利用。土壤有机质与秸秆还田的作用有机质是土壤的重要组成部分，它不仅含有各种营养元素，而且还是土壤微生物生命活动的能源。此外，它对土壤结构、耕性等理化也有重要的影响。一、土壤有机质的来源（一）土壤有机质的来源土壤有机质包括土壤中各种动、植物残体，微生物体及其分解和合成的有机物质。严格地说，动、植物残体和动物排泄物只能算作土壤有机质的原料，而不是真正的土壤有机质。真正的土壤有机质叫做腐殖质，它们主要是土壤微生物活动的产物。各种动植物残体和动物排泄物进入土壤后，将经历各种生物和化学的变化。在转化过程中，有相当大的部分从土壤中消失，剩下的部分，其化学组成和结构也或多或少的有所改变；同时，微生物的代谢活动，也合成了很多新的有机化合物，包括微生物体细胞的各种有机化合物，各种代谢产物以及另一类特殊的高分子有机化合物，即腐殖质。（二）作物对营养元素的吸收作物必需的各种营养元素的来源是不相同的。碳、氢、氧三种元素是作物通过光合作用从空气和水中获取，一般不需特殊供应。其他的营养元素主要是作物从土壤中吸收。此外，作物可以从降雨中获得少量氮素。豆科作物借助根瘤菌的作用，能吸收空气中的分子态氮素。但是，土壤对某些营养的供应量，并不都满足作物的需要。只有通过施用相应的肥料来加以补充。秸秆中的营养元素来自于植物从土壤中的吸收，保存于植物体中。如果把秸秆归还于土壤，那么这些营养元素就又回到了土壤中，供下一季作物再度吸收利用，从而实现这些元素在土壤、作物间的良性循环。（三）秸秆还田的作用秸秆还田可以改善农作物的生长环境，提高农作物的产量，秸秆还田的增产机理主要表现在三个主面：养分效应、改土效应和改善农田生态环境效应。1、秸秆还田的养分效应作物秸秆的主要成分纤维素和是半纤维素。此外，还含有一定数量的木质素、少量的蛋白质及灰分和氮、磷、钾、硅、锌、硼、铁、钙、硫、锰、镁等元素，其总量达30多种。表2几种作物秸秆中营养元素含量及碳氮比例秸秆种类主要营养元素含量（风干重计%）碳氮比（C/N）NP2O5K2O麦秸0.50～0.670.20～0.340.5～0.60104.2稻草0.630.110.8561.8玉米秸0.4～0.500.38～0.