为了国家利益：优化秸秆归还量与高价值肥料的使用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Toward national benefits: optimizing straw return amount and high-value fertilization

基于太湖流域稻麦轮作体系的秸秆全链条循环利用研究，提出最优还田量9.14吨/公顷，验证8:2原料比例生产高碳低磷有机肥，通过多准则评估确定整合部分还田、多元化下场利用和肥料回收的最优方案，可提升系统碳回收14.09%并创造29.04亿美元/年经济效益，为农业固碳提供科学路径。

　　

周文香|张润浩|张学琦|王迪|田甘培|高莉|边波

南京师范大学环境学院，中国南京210023

摘要

过量秸秆还田会带来环境风险，但优化的全产业链循环利用策略仍不完善。以中国太湖地区的水稻-小麦轮作为例，本研究构建了一个综合秸秆再利用框架和计算模型，旨在同时改善土壤有机质和矿物相关有机碳饱和度。采用熵权重方法对秸秆还田方案进行了全面评估。本研究首次提出了太湖地区最佳的秸秆还田量为9.14吨/公顷。通过协同微生物作用实现了高效的木质纤维素降解。试点规模的好氧堆肥验证了8:2的植物与动物原料比例，生产出的有机肥料具有高碳低磷特性，其质量超过了国家标准（NY/T525-2021）。基于实验验证和田间研究，本研究提出了针对太湖地区的指导方针，设定了更严格的有机质目标和磷含量上限。设计了四种综合利用方案，并使用多标准框架（结合生命周期评估、成本效益分析和系统级碳与物质流分析）进行了评估。通过指标间相关性方法确定权重后，发现部分秸秆还田、多样化场外利用和肥料回收的组合方案是最优的。与当前做法相比，该方法可提高系统碳回收率14.09%，每100吨秸秆可产生2,135美元的净利润。若在全国范围内推广，每年可额外封存1,041万吨土壤碳，并创造290.4亿美元的经济效益。本研究为支持碳中和目标的可持续农业废弃物管理提供了科学依据。

引言

中国是全球最大的农作物秸秆生产国，每年产生约10亿吨秸秆[1]。秸秆分布广泛[2]。受政策影响，主要的秸秆利用方式仍是直接还田[3]。然而，过量还田可能带来负面影响，包括病虫害爆发、温室气体排放增加和农业非点源污染[4][5]。尽管已有大量研究探讨了秸秆还田对水稻-小麦轮作系统中土壤质量和环境保护的影响[6][7]，但在明确土壤碳改善目标下，不同还田方法的最佳秸秆还田量的定量确定仍有限。因此，确定水稻-小麦轮作地区的最佳秸秆还田量以及探索场外秸秆的高价值利用途径已成为当务之急。

秸秆还田对土壤有机碳（SOC）的封存具有巨大潜力，并能改变土壤团聚体组成，从而改善土壤质量[8][9]。持续还田使中国农田的SOC含量平均增加了13.97%[2]。然而，元分析表明，秸秆还田仅在最初12年内能有效积累土壤有机碳[10]。结合APSIM和机器学习的混合模拟显示，长期秸秆还田可能导致SOC饱和，从而降低SOC积累[11][12]。目前关于SOC饱和的研究主要集中在矿物相关有机碳（MAOC）上[13][14]，这是一种高度稳定的成分，容易达到碳饱和状态，在预测土壤碳（OC）储量方面起着关键作用[15][16]。秸秆还田在提高农田SOC方面的效果取决于还田方法、持续时间以及作物轮作模式[17][18][19]。通过整合土壤碳需求和还田方法来确定最佳秸秆还田量，对改进农业管理实践具有科学意义。

堆肥是秸秆场外利用的成熟策略[20]。然而，中国太湖地区水稻-小麦轮作区的土壤有机质含量较低，无法满足现代农业对高产稳产的要求[21]。富含OC的作物秸秆可以加入堆肥堆中，以提高有机肥的有机质含量[22]。然而，秸秆中紧密交织的木质纤维素成分导致水解效率低，阻碍了堆肥的成熟[23]。太湖地区对于控制农业非点源污染至关重要[24]，需要严格控制磷含量以保护水质。与化学肥料相比，有机肥料可使磷损失减少45-237%[25]。因此，需要研究优化原料比例和好氧发酵条件，以生产高碳低磷有机肥料。此外，应制定更严格的地方标准，为提高农田质量和保护区域水环境提供技术支持。

文献中广泛记录了秸秆利用方法的环境影响评估。通过生命周期评估（LCA）全面评估了各种秸秆处理方法的环境负担[26]，结果表明新型秸秆制浆方法的环境性能最佳，而露天焚烧的环境影响最差。虽然一些研究采用了生态足迹分析和物质流分析（MFA）等替代方法[27][28]来评估秸秆利用，但综合评估不应仅依赖环境影响。指标间相关性方法通过结合信息内容和冲突来计算权重，被认为是一种更全面的评估工具[29]。

从化学工程的角度来看，一个关键问题是秸秆管理通常在单一阶段进行评估，而缺乏将物质和碳流动与生命周期环境负担及经济绩效联系起来的综合全链条框架。此外，关于秸秆-粪肥共堆肥的过程导向研究很少将可控的过程设计与区域秸秆分配决策或满足高碳低磷要求的肥料产品交付相结合。为解决这些问题，本研究将秸秆还田优化与试点规模共堆肥验证和多标准评估相结合，包括物质流分析、生命周期评估和成本效益分析。本研究的目标是：（1）确定中国太湖地区水稻-小麦轮作系统中应还田的作物秸秆最佳量；（2）研究场外秸秆生产高碳低磷有机肥的最佳原料比例；（3）使用指标间相关性方法全面评估整个链条的秸秆回收方案。研究结果为提高区域秸秆资源利用效率提供了坚实的科学基础，并为优化秸秆回收途径和提高资源转化效率提供了实用指导。

地区特征和数据收集

太湖农业区位于中国江苏省东南部，地理坐标范围为东经119°52′32″至120°36′10″，北纬30°55′40″至31°32′58″。该地区地形平坦，海拔一般低于5米。属于北亚热带季风气候区，季节变化明显，降水量丰富。主要土壤类型包括黄斑粘土稻田土、深色棱柱状稻田土和黄粘土稻田土

不同管理目标下的秸秆还田量

本研究采用双重目标框架，旨在提高土壤有机质和矿物相关有机碳（MAOC）饱和度，通过整合有机碳生长模型和还田方法来计算秸秆还田量（图2a–b）。针对太湖地区的水稻-小麦轮作模式，设计了两种优化还田方案（图2c–f）：方案1包括全部

结论

本研究确定太湖地区水稻-小麦轮作系统的最佳年秸秆还田量为9.14吨/公顷。这一数值为追求碳封存与污染控制平衡的集约化农业区提供了参考。试点规模堆肥实验表明，8:2的植物与动物原料比例可生产出高碳低磷有机肥料（OM 41.55%；TP

作者贡献声明

田甘培：项目管理、正式分析。边波：撰写、审稿与编辑、监督、资源协调、资金争取。高莉：撰写、审稿与编辑、方法学。张润浩：撰写、审稿与编辑、监督、方法学。周文香：初稿撰写、数据可视化、验证、方法学、实验设计。王迪：撰写、审稿与编辑、实验设计。张学琦：软件开发、数据管理。

利益冲突声明

作者声明以下可能构成利益冲突的财务利益/个人关系：本文作者高莉担任《环境化学工程杂志》的编辑。该手稿由该杂志的其他编辑独立处理和审稿，高莉本人回避了与本工作评估和接受相关的任何决策。

致谢

作者感谢江苏省社会发展项目（项目编号BE2022604和BE2025034）以及盐城工业创新技术支持（工业）专项项目（项目编号YCBG2025330）的财政支持。