秸秆还田技术与装备研究进展

Research progress on technology and equipment for returning straw to fields

摘要

秸秆还田是现代农业可持续发展的重要措施，其相关技术与装备已取得显著进展。本研究系统梳理秸秆粉碎覆盖、整秆还田、高留茬掩埋还田以及间接还田等关键技术环节的研究现状，并深入分析当前研究的热点、难点与不足。结果表明：1）通过优化作业参数和装备设计，秸秆还田技术在不同区域的适应性增强，有效改善了土壤结构和肥力，促进了生态循环；2）新型粉碎刀具、复式作业机具以及智能化控制系统的应用，显著提高了粉碎效率和秸秆抛撒均匀性，并提升了装备的智能化水平；3）创新秸秆腐解技术为加速还田效果提供了新途径，腐熟剂的合理应用和装备集成化设计进一步提升了生态效益与经济效益；4）秸秆覆盖检测技术的发展为精准评估秸秆还田效果提供了有力支撑； 5） 秸秆还田技术在复杂田间环境下的适应性仍需优化，机械装备在作业效率、能耗及智能化水平方面仍有提升空间。

Abstract

Returning straw to the field is an important measure for the sustainable development of modern agriculture， and its related technologies and equipment have made significant progress. This study systematically sorted out the key technical links， such as straw crushing and covering， whole straw returning to the field， high stubble burial returning to the field， and indirect returning to the field， and thoroughly analyzed the hot spots， difficulties， and shortcomings of current research. The results show that： 1） By optimizing the operation parameters and equipment design， the adaptability of straw returning to the field technology in different regions was enhanced， which effectively improved the soil structure and fertility and promoted the ecological cycle； 2） The application of new crushing tools， compound operation tools and intelligent control systems significantly improved the crushing efficiency and spreading uniformity， and the intelligence level of equipment； 3） Innovative straw decomposition technology provided a new way to accelerate the effect of returning to the field， and the reasonable application of decomposing agents and integrated equipment design further improve the ecological and economic benefits； 4） The development of straw covering detection technology provided a strong support for the accurate evaluation of the effect of straw returning to the field； 5） The adaptability of straw returning to the field technology in complex field environments still needs to be optimized， and there is still room for improvement in the operation efficiency， energy consumption and intelligence level of mechanical equipment.

Graphical abstract

关键词

秸秆还田 / 秸秆腐解 / 秸秆覆盖 / 技术与装备

Key words

returning straw to the field / straw decomposition / straw covering / technology and equipment

秸秆还田技术是现代农业可持续发展的重要措施^［1-2］，其核心在于对作物秸秆进行粉碎等方式处理后，以铺设、掩埋等形式将其直接或间接还田，从而改善土壤结构，提高土壤有机质含量，增强农田生态系统稳定性。与传统秸秆处理方式（如焚烧或直接移除）相比，秸秆还田可以有效减少环境污染，提升土壤肥力，促进农作物生长，并提高农业生产的可持续性^［3-5］。国内外围绕秸秆还田技术的研究主要集中在秸秆粉碎与抛撒^［6］、免少耕播种^［7］、整秆还田^［8］、秸秆腐解及覆盖率、覆盖量的检测^［9］以及间接还田等关键技术环节，并针对不同作物、不同土壤条件和不同农机装备进行了深入探索^［10］。然而，秸秆还田技术在实际应用中仍面临诸多挑战，如粉碎效果不佳、还田均匀性差、播种质量受影响等，这些因素在一定程度上限制了其广泛应用，在应对复杂多变的田间环境、机械装备性能提升以及长期生态效应评估等方面仍有许多亟待解决的问题。本研究旨在系统归纳秸秆还田技术与装备的研究进展，深入分析相关机械装备的发展现状及存在问题，并探讨未来技术发展趋势，以期为秸秆还田技术体系的完善及相关装备的高效利用提供参考。

1　秸秆资源现状

1.1　秸秆产量

土壤气候条件、作物类型和种植模式等产生的差异，造成我国各地区作物产量也存在差异。将我国31个省、市、区（不含港澳台）分成六大主要农区：1）华北农区，包括北京、天津、河北、山西、内蒙古、河南和山东；2）东北农区，包括黑龙江、吉林和辽宁；3）长江中下游农区，上海、江苏、浙江、安徽、江西、湖北、湖南；4）西北农区，陕西、甘肃、青海、宁夏和新疆；5）西南农区，包括重庆、四川、贵州、云南和西藏；6）南方农区，包括福建、广东、广西和海南。对选定的9种主要农作物：水稻（早稻、中稻和一季晚稻、双季晚稻）、小麦、玉米、薯类（包括马铃薯、甘薯、木薯）、花生、油菜、大豆、棉花和甘蔗进行秸秆可收集资源量统计汇总。其中农作物产量数据来源于2020—2022年《中国统计年鉴》^［11-13］，秸秆可收集资源量W_cr按照式（1）^［14］计算：

W_cr=ΣW_i,j ×R_i,j ×K_i,j(1)

式中：W_cr为当年秸秆可收集资源总量，t/a；W_i，j 为第i种作物在第j个省（市、区）的作物产量，t/a；R_i，j 为第i种作物在第j个省（市、区）的草谷比；K_i，j 为第i种作物在第j个省（市、区）的秸秆收集系数。

图1示出2020—2022年我国6大主要农区主要农作物秸秆可收集量的变化趋势，可以看出农作物秸秆可收集总量呈上升趋势，从2020年的8.07×10⁸ t/a增加到2022年的8.35×10⁸ t/a，且玉米、水稻、小麦的秸秆可收集量占比一直排前3位，其中2022年，这3种作物的秸秆可收集量之和占9种主要农作物秸秆可收集总量的89.69%，其次是油菜占2.41%，薯类2.33%，花生2.32%，大豆2.11%，甘蔗0.91%，棉花0.22%。2020—2022年，9种作物产生的秸秆可收集量比例由大至小依次为玉米、水稻、小麦、油菜、薯类、花生、大豆、甘蔗、棉花。

1.2　秸秆分布比例

在地域分布上，华北和长江中下游是秸秆可收集量生产的两大主要农区，2020—2022年这两大农区的9种主要农作物秸秆可收集量平均值分别为2.79×10⁸和1.93×10⁸ t/a，占我国平均可收集总量的33.84%和23.40%，东北农区占22.77%，西南、西北分别占8.72%、6.52%，南方农区占比最小，为4.74%。图2示出2020—2022年我国六大农区9种主要农作物秸秆平均可收集量占总可收集量的比例。可以看出，玉米和小麦秸秆可收集量在华北农区较高，共占90.92%；东北农区的玉米秸秆可收集量在当地达78.17%，其次是水稻占16.04%；水稻秸秆可收集量在长江中下游农区和南方农区的占比都较高，分别为55.74%、55.30%；西北农区的玉米秸秆可收集量在当地达63.06%，其次是小麦占25.01%；西南农区的小麦、水稻和玉米秸秆可收集量在当地分别占40.25%、31.01%和5.15%；南方农区的甘蔗秸秆可收集量在当地仅次于水稻，为15.94%。

综上，我国秸秆资源地域分布具有明显的区域特征，不同农区的主要作物类型决定了秸秆可收集量的结构差异。这些差异也为不同区域秸秆资源的分类利用和装备选型提供了依据。

1.3　秸秆利用情况

根据《秸秆综合利用技术目录（2021）》^［15］，目前秸秆资源综合利用主要包括肥料化、燃料化、饲料化、原料化和基料化（“五料化”）。农业农村部资料显示^［16］：2021年，全国秸秆利用量6.47亿t，综合利用率达88.1%，较2018年增长了3.4%。肥料化、饲料化、燃料化、基料化、原料化利用率分别为60%、18%、8.5%、0.7%和0.9%，其中秸秆肥料化利用主要以秸秆还田为主。

2　秸秆还田技术与装备

根据作物收获后剩余的秸秆是直接进行还田还是作为其他用途后产生的废弃物继续还田，分为直接还田和间接还田。直接还田根据对秸秆的处理方式又可分为高留茬还田、覆盖还田以及掩埋还田。间接还田包括菌糠沼肥还田、秸秆堆沤还田、外置式秸秆生物反应堆气炸液综合利用技术以及草木灰还田等。秸秆还田作为最直接的肥料化途径，不仅能增加有机质、促进微生物活动、提升土壤肥力，而且能通过覆盖作用减少土壤水分蒸发，达到保水保土的效果^［17］。随着世界各国环境保护意识的增强以及对秸秆还田技术的重视度逐步提高，各类相关装备的推广与应用也逐步开展。自20世纪70年代起，欧美率先推广秸秆还田技术，并配套研发了专用机械设备。国内自20世纪90年代起逐步应用，目前已有多种作业模式与装备类型。

2.1　秸秆直接还田

2.1.1　秸秆粉碎覆盖还田

粉碎还田按照作业形式可以分为秸秆粉碎还田机和根茬粉碎还田机。根茬粉碎还田机主要用于播种前的作物秸秆与根茬处理，作业对象为玉米、高粱、棉花等根茬粗壮硬实的作物。秸秆粉碎还田机是用机械粉碎装置将茎秆和茎叶粉碎抛撒覆盖地表，主要适用于小麦、水稻、高粱、玉米等软硬秸秆。对于粗大作物如玉米和高粱，其碎秆合格长度应≤100 mm；而小麦和水稻等细小作物碎秆合格长度应≤150 mm。秸秆粉碎后覆盖还田是当前秸秆还田的主流形式，因为相比于整秆还田，粉碎后的秸秆更容易分解为有机质，有助于提升土壤肥力，改善作物生长条件。机械化秸秆粉碎还田的主要设备为秸秆粉碎还田机，基本作业流程包括秸秆的切割、粉碎、抛撒及混土，主要由高速旋转的锤爪或甩刀对秸秆进行反复的锤击、切割和揉搓处理，将其粉碎成丝瓤状。通常，秸秆粉碎还田机与拖拉机配合工作，由动力输出轴驱动，作业时将秸秆切碎并散布在土壤表面，随后经过旋耕或覆土实现还田效果。

根据秸秆粉碎还田机粉碎轴的结构不同，目前主要有卧式（刀轴呈横向水平配置，安装在刀轴上的甩刀在纵向垂直面内旋转）和立式（刀轴呈垂直方向配置，安装在刀轴上的刀片在横向水平面内旋转）两种类型。卧式秸秆粉碎还田机根据传动方式可分为单边传动和双边传动。单边传动通常只在刀轴的一侧设置传动装置，占用空间小，广泛应用于小型或轻型秸秆还田机；而双边传动两侧同时向刀轴输入动力，适用于秸秆产量大的情况，能够承受更大的载荷。双边传动的设备不仅可以安装在拖拉机后方，还可以放置在收割机前中后方，并且能够与其他作业机具配套，形成复式机具，一次性完成多项作业任务，从而提高作业效率。

粉碎刀片的设计对秸秆与根茬的切碎质量、机具功耗及使用寿命有显著影响。目前市场上应用较为广泛的刀型为锤爪式^［18］，直刀型^［19］及各类甩刀等。为提高秸秆粉碎质量，国内已对甩刀结构进行了大量研究，并设计了Y型^［20］、L型^［21］等，以及新型刀片V-L型^［22］、Y直型锯齿型^［23］、双排定刀^［24］、立轴锯片型^［25］等。近些年，关于秸秆粉碎过程中刀片力学特性的研究较多，大多通过理论分析和试验验证，优化刀片结构和动力学性能，以提高粉碎效率并降低能耗。刘鹏等^［26］基于异速圆盘动态支撑式玉米秸秆粉碎装置的设计，研究秸秆粉碎过程各阶段的力学和能量变化规律，优化后秸秆粉碎长度合格率为93.34%；陈黎卿等^［27］研究了刀具入土深度、粉碎速度对秸秆还田机功耗的影响，结果表明机具功耗随深度和速度增加而增大；Aygun等^［28］研究了不同形状、尺寸和排列方式的刀片，并量化了其对粉碎率、能耗、堵塞频率以及粉碎后秸秆分布均匀性的影响。此外，针对刀片作业参数，已有研究深入分析了速度、切削角度等与刀片动力学性能之间的关系，进一步优化了作业效率，如林涵等^［29］基于等径凸轮机构往复运动原理，实现粉碎装置参数快速匹配。为了提高秸秆粉碎均匀性、延长刀片使用寿命并改善土壤破碎效果，已有研究出现了一些创新设计，刀片设计逐步与多功能装置整合，研究开发了锯盘支撑式、支撑式差速切锯式^［30］和多轴复合式等装置，以提高还田机在不同地块条件下的适应性。郭俊等^［31］基于鼹鼠足趾设计锯齿状正、侧切削刃刀片，耕后地表质量、秸秆粉碎均匀性及秸秆掩埋率方面明显优于国标旋耕刀，实现了一种刀片同时完成旋耕和秸秆粉碎两种不同作业目标；张春岭等^［32］开发了等角螺线的等滑切角二次切刀，专门应对稻茬密集田块的粉碎需求，降低了机具功耗并提高了粉碎率。表1示出部分常用粉碎刀的优缺点及其适应秸秆种类。

针对秸秆缠绕问题，尤其是香蕉秸秆，具有纤维粗且韧性强的特点导致其极易缠绕机具，目前已出现大量相关的防缠设计。如张喜瑞等^［33］针对香蕉秸秆设计了一种双定刀滑切防缠式粉碎还田机，使粉碎室内长秸秆数量减少达到增大关键部件防缠性能的目的；李粤等^［34］设计的定甩刀防缠式秸秆粉碎还田机，其中粉碎定刀与高速运转中的Y型甩刀相互配合，从而有效避免秸秆缠绕；欧忠庆等^［35］研制的正反转倒U型甩刀能对秸秆正反转进行二次作业，提高了秸秆粉碎率并解决了缠绕问题。综上，从刀具结构与运动方式入手，通过优化粉碎路径、提升切割效率及减少长秸秆残留，可以有效增强粉碎还田机具的防缠性能，并为复杂纤维秸秆的高效处理提供技术支撑。

在秸秆粉碎后的抛撒环节，现有研究主要集中在刀片与抛撒装置的协同作用上，许多创新方案如旋切后抛撒和Y型刀多次切割被提出，以优化抛撒均匀性并减少堵塞问题。如黄椿等^［40］提出立式双轴异向转动粉碎方案，提高了秸秆的抛撒均匀度。图3为意大利Maschio公司生产的Scorpione976型秸秆粉碎抛撒机，该设备由拖拉机前方的水平切割圆盘割断秸秆，秸秆经过链条输送进入粉碎箱，在强气流作用下被抛撒到田间地表，最后拖拉机后方的收集箱回收碎秸秆。

秸秆粉碎还田装置可与其他作业机具形成复式机具组合。除了秸秆粉碎免耕播种机和秸秆催腐还田机，西方发达国家的玉米秸秆还田通常采用联合收获机将秸秆粉碎后直接抛撒还田，这一方式可同时完成摘穗、脱粒和秸秆粉碎还田等多项作业，实现作业环节的高度集成和效率提升。表2示出国外部分具有特色秸秆处理技术的联合收获机。

2.1.2　整秆覆盖还田技术

整秆还田指对作物摘穗后直立在田间的整株秸秆进行机械作业，将其倒置并覆盖在农田内，以实现秸秆还田。该方法主要适用于东北和西北一年一熟的旱作农业地区，如玉米、高粱等粗秆作物及小麦的高茬还田。其优点包括抗旱保墒、减少秸秆粉碎作业环节、降低生产费用等。

20世纪90年代，山西省长治市农机研究所研制了４FJY-2型玉米整秆半覆盖机，配合玉米宽窄行种植法使用。该机配有直径400 mm，宽度900 mm的压辊，质量150~170 kg，一次性镇压2行玉米秸秆^［41］。胡春胜等^［42］于21世纪初研制了玉米秸秆梳压机，该机利用圆形压辊防止秸秆反弹，作业时梳导板将玉米秸秆引导至玉米带，并进行免耕播种，图4示出该机具的结构简图。

何建怀^［43］研发了适用于黄淮海一年两季地区的玉米秸秆顺行铺放机（图5），能够有效覆盖整秆并解决根茬难处理问题，减少土壤扰动并节约能耗，提供良好的播种防堵效果。作业后，地表秸秆覆盖率可达55%~70%，平均为61.8%。李建群^［44］针对华北地区的一年两熟玉米小麦种植模式，研制了玉米秸秆顺行铺放小麦免耕播种联合作业机（图6），实现了秸秆压倒、切碎、清理及免耕播种等多项作业的集成，切刀往复式运动将行间玉米秸秆粉碎，随后将粉碎秸秆用圆盘梳理装置进行梳理，在清理后的玉米行间免耕播种小麦。梁枭强^［45］设计了一种小型滚压式秸秆压倒田间覆盖机（图7），利用手扶拖拉机为动力，能够高效完成秸秆压倒、压伤和覆盖作业，压倒作业可有效加速植株失水死亡。

在巴西、美国、巴拉圭等国家，广泛应用于秸秆和覆盖物处理的田间覆盖机称为“Roller Crimper”，常用于压倒覆盖作物、杂草、秸秆（表3），该机具以其结构简洁、价格低廉和便于本地制造的优势，在当地已成为农业系统中不可或缺的一部分^［46］。Roller Crimper通常在圆形滚筒表面安装刀片，构成刀辊“Knife Roller”。刀辊直径一般为304~914 mm，刀片高度76~102 mm，刀片间距为178~203 mm^［47-48］。根据结构类型，Roller Crimper主要分为刀辊、圆辊和双辊3类，目前国外相关研究多聚焦于其对覆盖作物的压倒效果进行定量分析。

在作物播种前，利用Roller Crimper对覆盖作物进行压碎处理，可形成天然覆盖层，是一种有效且可持续的杂草控制方式。例如，在毛苕子（野豌豆属）覆盖物中播种向日葵时，通常需要辅以除草剂以控制杂草。Antichi等^［50］比较了直接使用Roller Crimper碾压杂草与不同剂量除草剂处理的除草效果。研究采用由农户自制的人字形罗代尔式Roller Crimper（图8），安装于拖拉机前部，后方连接免耕播种机，实现毛苕子（品种：Haymaker Plus）的一次性压倒灭茬与向日葵（LG 55-57 HO 杂交品种）免耕播种作业。结果表明，在适宜时期进行碾压灭茬，其农艺效果和经济效益可与施用草甘膦除草剂相媲美。

2.1.3　秸秆高留茬及掩埋还田

当秸秆全部还田出现腐解困难或全部回收效果不佳时，高留茬还田作为兼顾土壤保护与资源利用的方式，在干旱风沙区与双季稻区均展现良好适应性与应用前景^［51］。合理控制留茬高度，不仅能减少风蚀水蚀、改善土壤水分状况，而且有助于提升土壤有机质含量与微生物活性，增强土壤肥力。在装备方面，部分联合收割机优化切割系统后可精准控制留茬高度，并配套秸秆粉碎装置将秸秆上部均匀抛撒地表。如张姬等^［52］在4YZQ-2B1型穗茎兼收玉米收获机割台的下方加装锯盘式玉米秸秆粉碎装置， 实现平均留茬高度52.18 mm。高留茬还田中秸秆上半部分用作饲料回收过程中，成铖等^［53］将自走式捡拾与高留茬切割装置集成至稻麦联合收获打捆机，实现一体化作业。吴启斌^［54］提出在圆捆机捡拾器前加装切割器，解决站秆收获打捆难题。陈立才等^［55］改进设计的南方水田高留茬秸秆还田起浆机能一次性完成水田旋耕整地、秸秆翻埋还田和地表平整等多项作业工序，采用旋耕刀和起浆刀配合使用，优化后的刀具提升了高留茬秸秆的还田起浆效果。吴罗发等^［56］研发的“履带式拖拉机+普通旋耕机”，在作业深度、耕深稳定性、地面平整度、压茬深度、植被覆盖合格率等耕作性能均优于普通的“轮式拖拉机+普通旋耕机”。综上，优化联合收割机切割装置以精准控制留茬高度，以及高效秸秆粉碎、捡拾、打捆及还田起浆装备的研发，都显著提升了机具作业效率和秸秆利用率。

秸秆掩埋还田是利用铧式犁、旋耕机等将秸秆埋至表土15 cm以下，在东北东部耕层厚、不易春旱的平川地块及洪涝灾害地块，这种方式促使秸秆在土壤深部充分腐解转化为有机质，释放氮、磷、钾等养分^［57］，为下茬作物提供长效营养，减少化肥使用，降低农业成本与环境污染^［58-60］。该技术常与旋耕、深松或翻耕作业配合，以确保秸秆均匀混入土壤，提高腐解效率。当前研究重点集中在复式作业机具上，致力于提升秸秆掩埋还田的作业效率、均匀性和稳定性。郑智旗等^［61］等研制的秸秆捡拾粉碎掩埋复式还田机，能实现秸秆掩埋还田比例调节和部分秸秆抛撒还田，能一次完成秸秆捡拾、粉碎、输送和开沟掩埋等作业；王瑞丽等^［62］设计的开沟灭茬机集开深沟、碎土、灭茬等多道工序为一体，开沟稳定性为92.4%；田阳等^［20］研制的气力式1JH-型秸秆深埋还田机一次完成破茬、秸秆捡拾粉碎、开沟碎土、行间深松、秸秆深埋、覆土镇压等功能，深埋率达94%。张绪争等^［63］集成链式开沟装置、水平旋转搂草装置和螺旋绞龙覆土结构，研制的秸秆集中沟埋还田一体机实现入沟率86.3%。

然而，无论是留茬覆盖还是掩埋还田方式，在实际应用中仍面临挑战，如高留茬可能影响播种并诱发病虫害，掩埋还田若粉碎不充分或翻埋过浅，可能导致土壤通气性、秸秆腐解不良，甚至形成“海绵层”阻碍根系生长。秸秆腐解过程受粉碎程度、土壤湿度与温度、微生物活性等多因素影响，因地制宜调整作业参数有助于提升腐解速率与作物产量。为此，应从技术与装备两方面协同优化：技术上，根据区域土壤与作物特性精准控制留茬高度，强化病虫害防控，并在播种前适当施用土壤药剂或采用生物防治措施；装备上，应确保秸秆粉碎质量与翻埋深度符合要求，并及时镇压，促进秸秆与土壤紧密接触，为顺利腐解创造良好条件。

2.2　秸秆间接还田

作物收获后，部分秸秆在经过其他用途利用后，其残余物再返回田间的过程被称为间接还田。常见形式包括菌糠沼肥还田、秸秆堆沤还田、生物反应堆气炸液综合利用、草木灰还田等形式。表4展示了各类间接还田技术的优势与存在的不足，为其在不同区域的适用性提供参考。

菌糠沼肥还田是指将秸秆用作食用菌栽培基质，收获菌菇后产生的菌糠中富含经微生物分解后的多种养分，粗蛋白、粗脂肪显著增加，纤维素等得到有效降解，还含有丰富的氨基酸和微量元素。菌糠进一步用于沼气生产，产生的沼渣与沼液作为优质有机肥还田，不仅能够提高土壤有机质含量，改善土壤理化性质，还可增强保水保肥能力，促进作物生长。该技术适用于食用菌种植与沼气生产较为集中，且具备菌糠与沼气处理基础设施的农业区域。

秸秆堆沤还田是将秸秆与腐熟剂、畜禽粪肥等物料混合堆积，微生物发酵使其充分腐熟。在堆沤过程中，秸秆中的复杂有机物逐步分解为可被作物吸收的小分子物质，形成腐殖质，可提升土壤肥力并调节土壤酸碱度。

秸秆生物反应堆气炸液综合利用技术是通过特定微生物菌群作用，使秸秆定向转化为二氧化碳、热量、抗病孢子、酶类以及多种有机与无机养分^［64］，技术分为内置式反应堆与外置式反应堆两种结构形式：前者可直接部署于田间，便于分散管理；后者适合集中处理大规模秸秆。该技术不仅能够提升土壤肥力，还能显著增强病害防控能力，适用于病害频发区或高附加值作物区域^［65-66］。

草木灰还田是利用秸秆不完全燃烧后的灰烬直接施于土壤。草木灰富含钾、钙、镁等矿物质，尤其钾元素含量高，可有效补充土壤养分，增强作物抗倒伏、抗病虫能力。此外，其碱性特性有助于中和酸性土壤、改善土壤环境^［67-68］，改善土壤环境。但在实际施用时，应避免与铵态氮肥混用，以防造成氮素挥发损失。

相关配套装备，也不断推动机械化发展：如菌糠沼肥还田所配套的沼渣沼液施肥设备，可实现精准控制施肥量和深度；秸秆堆沤环节配备有秸秆粉碎设备和翻堆机械，前者可将秸秆破碎至适宜长度以促进发酵，后者有助于加快堆体腐熟与发热均匀性；外置式生物反应堆配有标准化的储气池、交换底座及循环装置，用于保障微生物反应环境的稳定运行；草木灰施用中常采用撒肥机等设备以实现田间的均匀撒布。

总体而言，间接还田拓展了秸秆资源的高效循环利用路径，不仅提升了土壤质量与有机肥供给能力，也为农业生态循环体系的构建提供了重要支撑。

2.3　秸秆腐解

为提高秸秆腐解效率、实现高效还田，国内常采用秸秆打包离田处理，将田间秸秆打包后转运至集中场地，添加腐熟剂、氮肥或畜禽粪便等辅料，以露天堆沤方式发酵制备有机肥料，最终再将腐熟后的有机肥撒施或深施还田。相较于直接还田，堆沤处理在温度、湿度等发酵参数方面更具可控性，显著提高腐解效率。然而，该方式需经历打包、运输、堆肥处理、有机肥回运及施肥等多个环节，过程操作繁琐、成本高、效率低，限制了其大规模推广。特别是在寒冷地区，堆放与运输过程中易诱发病虫害传播，影响作物后期生长。尽管堆肥是一种高效的秸秆资源化手段，但在实际应用中仍面临腐熟速度慢、氮素损失大等问题。因此，相较于直接还田配施腐熟剂方式，打包离田虽在腐解效率上占优，但在作业成本和经济性上存在明显劣势，亟待优化。

近年来，研究重心逐渐转向秸秆直接还田配施腐熟剂技术的生态与经济效益评估^［69-70］。相关研究结果表明，该技术不仅能提升土壤有机质含量，改善土壤结构，还可减少温室气体排放，降低农业投入成本，在实现农业绿色发展方面展现出良好前景，并为其机械化推广应用奠定了基础。秸秆腐解剂的核心作用在于物理、化学及生物机制加速了秸秆的分解与腐殖化。随着农业废弃物资源化需求的上升，腐解剂的研究与推广日益受到重视。根据所添加成分类型，腐解剂主要可分为三大类：无机腐解剂、有机腐解剂和微生物腐解剂^［71］，具体分类及特点见表5。

在秸秆腐熟剂的成分优化与高效配方研发方面，20世纪初日本岛本觉也率先研发出可用于秸秆堆沤腐熟的岛本酵素菌^［80］，并实现多国应用，奠定了微生物腐熟剂研究基础。近年来，随着对微生物群落结构及代谢机制的深入研究，腐熟剂的研发逐渐向精准调控微生物种类与比例方向发展。例如，美国俄亥俄州农业试验站进行了为期8年的秸秆还田田间试验，虽然研究重点为还田对作物产量的影响，但也为不同处理条件下腐熟效果的比较提供了关键数据，支撑了腐熟剂配方优化。

腐熟剂的大量推广应用，在解决传统秸秆还田中腐解缓慢、氮素损失严重等问题的同时，也在提升土壤有机质、改善理化性质和减少温室气体排放等方面展现出积极效益。然而，腐熟剂在应用过程中仍面临推广成本高、区域适应性差等限制。因此，未来研究亟需聚焦高效、低成本、环境友好型腐熟剂的开发，并加强对腐熟过程微生物机制的解析。为提升腐熟效率并实现机械化作业，目前已研制出多种具备腐熟剂同步喷施功能的秸秆还田装备。如：戴飞等^［81］设计的快速腐熟秸秆还田机，将秸秆粉碎与腐熟剂同步喷施结合，在7个月内腐解率较单独粉碎处理提升了17.1%；葛宜元等^［82］研发的水稻高秆翻埋快腐还田机，在翻埋+腐熟剂协同作用加快腐解，同时改善土壤肥力；方志超等^［83-84］设计的稻麦联合收获多功能机集成开沟、埋草、喷菌等功能，实现秸秆翻埋与腐熟同步，显著提升作业效率与机械化水平；杨雪頔^［85］研制的玉米秸秆聚垄腐熟还田机实现了秸秆聚垄、撒施腐熟剂、镇压覆土一体化操作；向禹舜^［86］设计的水稻秸秆集条沟埋腐熟还田机可一次完成开沟、集条、喷施、覆土全流程，特别适用于东北寒冷地区；高阳等^［87］针对香蕉秸秆特点研发的还田机，由4个扇形喷头实现同步腐熟处理，有效应对缠绕问题并加快腐解进程。这些装备的应用，不仅推动秸秆腐熟技术向高效机械化发展，也为农业绿色转型提供有力支撑。

在腐熟剂喷施技术方面，国外多基于农业药剂喷雾系统展开研究，相关成果为腐熟剂施用技术提供了重要借鉴。如在葡萄、柑橘、香蕉等作物上的农药喷施实验^［88-91］中，采用地面喷雾器、航空喷雾器械以及无人机等多种设备^［92-93］，结合2D激光雷达对作物冠层孔隙率进行建模分析^［94］，从而提升穿透效率和剂量精准控制。这些喷施技术若应用于腐熟剂领域，可显著提升喷洒均匀性与环境友好性，推动秸秆腐熟管理的智能化与精准化。

2.4　秸秆覆盖率及覆盖量检测

为提升秸秆还田效果，精准掌握秸秆覆盖情况至关重要。秸秆覆盖率和覆盖量的多少不仅直接影响播种深度控制、苗齐苗壮及作物生长环境，也是衡量还田质量与效果的重要指标。播种前开展覆盖监测有助于合理调整作业参数，播后则可用于评估秸秆还田对土壤保墒性、养分保持和土壤环境改善的实际作用。随着农业机械智能化水平不断提升，秸秆覆盖率与覆盖量检测技术逐步成熟，不仅为研究还田措施对地表侵蚀、土壤结构及水肥保持的影响提供关键数据支撑，也为优化作业模式和提升秸秆资源利用效率提供科学依据。

2.4.1　秸秆覆盖率检测技术

传统的取样法、估算法或目测法等虽然操作简单，但易受到人为误差影响，检测效率低，难以满足大面积快速检测的需求。近年来，图像分割技术在秸秆覆盖率检测中取得显著进展。分析秸秆与土壤在纹理^［95］、亮度^［96］或颜色^［97］等特征上的差异后，利用阈值分割技术优化两者的区分精度从而达到识别秸秆的目的。如刘媛媛等^［98］提出的差分灰狼优化（DE-GWO）算法可实现图像的快速多阈值分割；杨光等^［99］结合畸变校正与Otsu算法，将检测误差降至5%以内。深度学习技术的引入进一步提升了检测效率和精度，李洪文等^［100］构建的人工神经网络模型将检测效率提升80倍；李佳等^［101］结合傅里叶变换和SVM算法实现4.55%的识别误差，展现出较高精度。

在国际研究方面，欧美国家自20世纪80年代便开始探索电子图像分析在秸秆检测中的应用^［102］。90年代起，基于颜色特征的分割方法逐步成熟^［103］。近年来，遥感技术与机器学习融合发展，显著提高了复杂田间环境下的目标识别能力。Hemming等^［104］提出基于光照控制与模糊逻辑的图像分类方法，增强了土壤与作物残茬的分割效果；Owen等^［105］等采用决策树算法成功分离裸土与植被。短波红外（Shortwave infrared， SWIR）波段因具备较强的秸秆与土壤识别能力，被广泛用于覆盖率模型构建，如Daughtry等^［106］基于SWIR反射特性构建的模型在中高覆盖率条件下精度较高。卫星遥感影像因其覆盖范围广、获取成本低，也被用于大范围覆盖监测。Memon等^［107］结合Landsat数据评估了稻麦轮作体系的秸秆覆盖率，并分析了与小麦产量的关系。然而，田间图像与卫星影像的分析结果受限于数据质量和预处理效果。如田间图像与卫星影像的检测精度受限于图像分辨率、光照条件与噪声干扰；多数算法适用范围局限于特定作物或区域，通用性不足；此外，大多方法关注静态图像分析，未能充分考虑秸秆覆盖的动态变化，如作物生长阶段或机械扰动带来的影响。因此，后续研究亟需在提升算法适应性、动态监测能力及多源数据融合等方面深入推进，以构建更加智能、稳定、可扩展的秸秆覆盖率检测体系。

2.4.2　秸秆覆盖量检测技术

秸秆覆盖量对土壤性质和作物生长具有显著影响。在秸秆还田过程中，适量覆盖有助于改善土壤养分与水分状况，提升免耕播种效率，促进作物光合作用并提高产量。秸秆还田能增加土壤有机质、改善结构，地表覆盖还能减少水分蒸发，为作物提供更优良的生长环境^{［108-115］}。然而，覆盖量过多或过少均可能对作物生长及生态环境产生不利影响。因此，构建高效、精准的秸秆覆盖量检测技术体系，可为作业参数调节与作业质量评估提供依据，从而提高秸秆还田作业的整体效果。

20世纪90年代，Morrison等^［116］为探究残茬覆盖度与土壤侵蚀关系，总结并提出了多种作物残茬量测定方法，包括田间目测法、直立残茬圆圈法、照像技术、录像图像分析、残茬量测定仪和残茬测轮等，为覆盖量测定提供了初步技术路径。然而，这些方法大多依赖人工操作，效率低且受主观因素影响较大。目前，GB/T 20865—2017《免（少）耕施肥播种机》^［117］中规定的残茬覆盖量测定方法仍采用人工采样和称重的方法，在测试地块中使用对角线法随机选取5个1 m×1 m的测试点，采用测试框取样并称重计算平均值。尽管方法简便，但存在效率低、劳动强度大、数据精度有限等问题，难以适应现代农业对高效、精准管理的需求。近年来，随着感知与智能分析技术的发展，基于图像处理的秸秆覆盖量检测技术逐渐兴起。如利用RGB-D传感器采集彩色与深度图像^［118］，结合图像处理算法分析秸秆分布与厚度信息。此外，部分研究基于气力输送原理开发了机械化检测方法，例如利用负压气流吸取秸秆并精准称重，有效去除杂质，提升检测精度^［119］。这些新兴技术显著提高了秸秆覆盖量测定的效率与精度，为自动化、智能化检测提供了可行路径。随着人工智能、传感器技术与机械控制系统的融合发展，覆盖量检测有望进一步向实时、高通量、多维度方向演进，为精准农业管理和土壤生态保护提供坚实技术支撑。

3　展 望

秸秆还田技术与装备的发展将朝着智能化、高效化和多功能一体化的方向迈进。自动驾驶、精准作业控制系统与智能感知技术将在秸秆处理装备中得到广泛应用，以提升作业精度和作业均匀性。高效、复式的多功能装备将更好适应不同作物秸秆的处理需求，减少作业环节，提高作业效率。秸秆还田技术将在增强养分循环和改善土壤结构方面发挥更大作用，借助生物降解剂加快秸秆腐熟进程，提升土壤有机质含量，降低对化肥的依赖。同时，装备的区域化适配能力将不断增强，以适应各类土壤条件与气候环境，扩大其适用范围。此外，大数据和物联网技术将助力实现精准化的农田秸秆产量管理，支持实时监测与智能调控，最大限度提高资源利用效率，推动农业向可持续方向发展。随着相关技术不断突破，秸秆还田装备将更趋智能与高效，助力农业生产管理水平迈上新台阶。

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基金资助

国家小麦产业技术体系(CARS-03)