一種利用農業廢棄物發酵進行設施大棚CO2施肥的新技術可行性分析

褚長彬 趙 崢 周德平 吳淑杭

（上海市農業科學院生態環境研究所，上海市奉賢區 201403）

農業廢棄物主要指在整個農業生產過程中被丟棄的有機類物質，包括農林生產過程中產生的植物殘余類廢棄物，畜牧漁業生產過程中產生的動物類殘余廢棄物，農產品加工過程中產生的加工類殘余廢棄物和農村城鎮生活垃圾等[1]。近年來，我國農業生產發展迅速，如何對這些農業廢棄物進行循環綜合利用是一個亟需解決的問題。

當前，我國農業廢棄物主要利用途徑包括：（1）用作飼料，如物理法(粉碎)、化學法(堿化、氨化)、生物法(青貯、堆垛）；（2）用作肥料，利用微生物進行生化反應轉化成類似腐殖質的堆肥、漚肥、沼氣肥后還田；（3）用作培養料，用棉籽殼、秸稈等培養食用菌或養殖高蛋白蠅蛆等；(4)秸稈氣化，農作物秸稈在高溫、高壓、厭氧條件下經熱解氣化成可燃性氣體；(5）秸稈發酵生產酒精，利用秸稈可水解形成木糖、阿拉伯糖等混合糖液，這些糖類物質經發酵后可生成酒精[2]；(6)用作單細胞蛋白質的提煉和新能源的開發[3]；(7)其它利用，如利用麥稈造紙或編織，利用棉桿造紙板，利用玉米稈提取淀粉、糖醛等。但上述利用途徑均有不足之處，難以對農業廢棄物進行充分合理利用。目前，我國絕大部分的農業廢棄物被用于商品有機肥的生產，而其發酵過程產生的大量CO2則被直接排放進入大氣，這不僅對環境造成二次污染，更是一種資源的浪費。因此，將農業廢棄物發酵產生的CO2作為肥源用于農業生產，可使相當一部分農業廢棄物得到合理處置，從而開辟出一條具有較高經濟效益和社會效益的農業廢棄物資源化利用的全新之路。為驗證農業廢棄物發酵進行設施大棚CO2施肥技術是否是一條理想的農業廢棄物利用途徑，筆者擬對該新技術的意義和優勢進行闡述，并總結介紹，該技術的難點和研究進展以及在日光溫室生產中的應用情況。

1 利用農業廢棄物發酵進行設施大棚CO2施肥的意義及優勢

隨著農村經濟結構和種植業結構的不斷調整以及人民生活水平的逐漸提高，設施栽培技術得到不斷發展，設施栽培面積也在逐年擴大，且進行反季節設施栽培的作物種類越來越多。設施栽培在滿足市場需要的同時，也帶來了可觀的經濟效益。統計結果表明，截至2012年底，全國以蔬菜栽培為主體的設施園藝面積已達1.27×106hm2，居世界首位[4]。

由于設施大棚的環境相對封閉，常導致棚內CO2匱乏，從而對作物的生長發育及產量、品質等帶來不利影響，其中，CO2濃度不足，會導致作物葉片光合作用效率下降、作物產量減少和品質降低等，也已成為影響設施農業質量提升的關鍵因素。鑒于此，國內外已進行大量有關設施大棚CO2施肥的研究。例如，早在1840年，De Saussure就對豌豆進行高濃度CO2的處理試驗[5]。自1920年德國首先提出“碳酸氣施肥”后，國外在設施栽培中的CO2施肥就在歐美、日本等地開始大規模推廣應用；挪威有75%、荷蘭有90%以上的作物生產采用日光溫室增施CO2氣肥，其中設施番茄的產量由20世紀70年代的20 kg/m2增加到現在的50～60 kg/m2[6]。我國在20世紀70年代末開始推廣CO2施肥技術，朱世東等[7]對春季大棚櫻桃番茄增施CO2，發現CO2適宜施用濃度為1000μL/L左右；陳雙臣等[8]研究表明，增施CO2使番茄株高增加18.29%，葉綠素含量增加33%，產量增加18.69%，果實維生素C含量增加33.27%。以上研究均表明，CO2施肥對提高設施溫室作物的產量、品質作用十分明顯。因此，研發適合我國農業生產現狀的CO2施肥技術具有積極意義。

目前，CO2施肥技術和方法主要有：（1）化學反應法。利用硫酸與碳酸氫銨反應產生CO2進行施肥。（2）施肥法。將有機肥施于土壤或堆積于棚室外，利用有機質腐爛產生CO2進行施肥。（3）干冰埋施法。在大棚內每1 m2挖1個坑，坑內埋入少量干冰，使CO2緩慢釋放到大棚里。（4）燃燒法。直接燃燒煤油、天然氣、焦炭或秸稈等，產生CO2進行施肥。但這些技術和方法都存在一定缺陷， 如大棚通風換氣后，棚內CO2濃度最高只能達到大氣的CO2濃度（350 μL/L)，冬天敞棚還會引起大棚溫度急降[9];干冰法雖能基本滿足作物生長的需求，但成本較高；燃燒法產生CO2相對簡便，但不易控制CO2濃度，并常有CO和SO2等有害氣體產生[10]；化學反應法的產物硫酸銨還可再利用，但在施用過程中其反應殘液酸度增高，施入土壤后會造成土壤環境惡化、作物秧苗死亡等。由此可見，亟需開發一種廉價、安全、應用效果好的CO2肥源。因此，利用農業廢棄物發酵產生的CO2進行大棚施肥，相對傳統方法的優點是顯而易見的。

利用農業廢棄物發酵進行設施大棚CO2施肥的重要優勢在于，可充分提高農業廢棄物的資源化效率，保持農業生態系統的能量和物質平衡；解決農業有機廢棄物所帶來的環境污染問題，促進生態農業的發展；降低大棚CO2施肥的成本，可因地制宜地進行操作，減少前期投入；農業有機廢棄物發酵產物還可用于加工制造各種有機生物肥料。因此，利用農業廢棄物發酵進行設施大棚CO2施肥，對于開創農業有機廢棄物資源化新途徑、改良土壤結構、降低生產成本、發展無公害蔬菜生產、促進我國農業的高效可持續發展等，都具有重要意義。

2 利用農業廢棄物發酵進行設施大棚CO2施肥的技術難點和新技術

2.1 技術難點

由于農業廢棄物中含有大量的碳素及礦物質營養元素，利用農業廢棄物產生CO2主要是依靠微生物的分解作用，且發酵釋放CO2是在分解過程中進行的。因此，CO2的釋放量受發酵溫度、濕度、pH、C/N值、供氧等因素的影響。同時，由于目的及產物需求不同，農業廢棄物好氧發酵的適宜條件也會不同。此外，對農業廢棄物發酵最佳條件的摸索往往直接采用單因子試驗，很少考慮各因子間的交互作用，因而得出的最佳條件與實際情況有較大偏差。

因此，在利用農業廢棄物發酵生產CO2并進行設施大棚施肥的實際應用過程中，應注意以下幾個問題：（1）加快CO2生成速度的條件；（2）增加CO2釋放量的方法；（3）確定適宜的CO2施肥時間、用量，使CO2施肥更有利于植株生長；（4）控制農業廢棄物的發酵條件，選擇適宜的發酵裝置和通風方式，以有效防止有害氣體的產生，提高農業有機廢棄物的腐熟度；（5）維持并監測高濃度CO2的產生，并根據蔬菜生長周期，將CO2適時有效地控制在合理的濃度范圍[11-12]。

2.2 研發的新技術

目前，利用農業廢棄物發酵進行大棚CO2施肥的技術研究已有少量報道，但尚處于初級階段，且存在許多不足，例如，裝置過分簡易，物料發酵不完全；發酵裝置的供氣量不能得到控制。同時，利用農業廢棄物發酵進行大棚CO2施肥的方法主要有：（1）農田堆疊式。即把農業廢棄物層層堆放在田壟上，每天不斷地給農業廢棄物噴灑水和施農家肥料[13］。（2）浙江大學章永松教授團隊設計的一種簡易發酵裝置[14-15］。即以木棍制作成底座，將塑料編織袋面料內襯一層塑料薄膜制作發酵筒體。（3）高瑞龍等采用自動控制的方式，設計了一種自動化程度高、易操作的二氧化碳施肥器，由發酵箱體、加熱裝置、加水裝置、通風裝置、物料箱、空壓機等組成[16]。（4）農業部南京農業機械化研究所肖宏宇團隊研究設計的由電機、上蓋、主軸、橫軸、副軸、絞龍、底板、出料口、支撐三腳架、脫硫裝置、脫氨裝置等組成的一體化發酵裝置[17]。以上幾種方式可以實現對溫室CO2的供給，但開放式的簡易方法易造成資源浪費，而自動化程度較高的裝置使用成本高，推廣使用存在困難。

鑒于此，筆者所在團隊在設施大棚CO2施肥技術方面進行了大量的研究工作，發明了一種可移動的、設施大棚用、利用農業廢棄物發酵生產CO2的裝置，主體包括發酵箱、支架、底座和滑輪；發酵箱為透氣性尼龍編織布發酵箱，且根據實際需要，可以為一個或多個。該裝置的優點為結構簡單、占地面積小、操作便捷、成本低廉。同時，通過選擇尼龍編織布材質的發酵箱，大幅度降低造價成本和重量；發酵箱底部設有滑輪，移動省力方便；發酵箱可從上面或側面打開或關閉，方便使用者根據實際生產需要選擇進出料方向。此外，該技術在實際應用過程中，可根據設施大棚實際及農業廢棄物數量，將農作物秸稈和輔料畜禽糞便（如將兩者按重量比1∶2進行混合，控制含水率在50%左右）進行發酵堆肥，將產生的大量CO2提供給大棚作物作肥源，將生物發酵產生的熱能用于冬季大棚保溫，將發酵殘渣作有機肥施用，可謂一舉三得。

3 新技術應用案例

3.1 試點概況

果洛藏族自治州（以下簡稱果洛州）地處青藏高原腹地、黃河源頭，位于青海省的東南部，總面積7.8×104km2。果洛州大氣含氧量僅為海平面的60%，年均降水量為400～700 mm，年均氣溫為-4℃，是全國30個少數民族自治州中海拔最高、自然條件與氣候最惡劣、環境最艱苦的一個州。為貫徹上海市對口支援果洛州的精神，上海市農業科學院發揮自身優勢，與青海省科技廳、果洛州科技局建立了合作關系，為果洛州農牧業生態科技示范園建設、溫室保溫設施改建和綠色蔬菜生產提供技術支持。

3.2 項目實施內容

根據果洛州的實際需求，針對其農業現狀、地理環境和日光溫室中農牧廢棄物污染嚴重、設施作物CO2虧缺和土壤障礙等問題，在現有技術的基礎上，進一步優化農牧廢棄物日光溫室生態循環利用技術，完善CO2發生配套裝置，實現果洛州日光溫室高效生產和環境保護的雙贏。項目實施內容如下：（1）優化農業廢棄物生產CO2肥料裝置。根據果洛州日光溫室和大棚農業生產狀況，結合農牧廢棄物的類型，在自主專利的基礎上，優化農牧廢棄物生產CO2肥料裝置的設計，研發占地面積小、成本低、操作簡易且美觀的農牧廢棄物生產CO2肥料裝置。（2）優化農牧廢棄物生產CO2肥料生態循環利用技術。根據CO2發生裝置的設計特點，綜合考慮生產成本和發酵效果等因素，優化農牧廢棄物生態循環利用技術，結合農作物秸稈、畜禽糞便等農牧廢棄物的降解特性，摸清輔料的品種和投加比例與方法、堆料的初期含水量和發酵過程的水分控制等關鍵工藝參數，低成本、高效率、高質量地完成日光溫室中農牧廢棄物的腐熟與資源化循環再利用。（3）示范農牧廢棄物生產CO2肥料生態循環利用技術。針對溫室目標作物的不同CO2需求量、外界環境溫度、天氣情況以及運行成本，確定生產CO2肥料裝置的擺放位置、擺放個數和擺放時間等，并確定裝置的填料量，形成日光溫室中快速啟動和平穩運行的農牧廢棄物快腐生產CO2肥料生態循環利用技術的標準操作規程，并示范推廣。

3.3 取得的成效

根據果洛州實際氣候條件及農牧業生產情況，綜合考慮生產成本和發酵效果等因素，結合農作物秸稈、畜禽糞便等農牧廢棄物的降解特性，因地制宜地完成了日光溫室中農牧廢棄物的腐熟與資源化循環再利用。主要取得了以下成效：（1）根據果洛州日光溫室大棚農業生產狀況，結合果洛州當地農牧廢棄物的類型，在自主專利（設施大棚內利用農牧廢棄物發酵產CO2的移動式裝置和秸稈溫室快腐產CO2的簡易裝置）的基礎上，優化了農牧廢棄物生產CO2肥料裝置，并申請了相關專利。（2）利用果洛州當地溫室大棚及當地農牧業廢棄物為發酵原料，因地制宜地設計并完成了不同模式的農牧廢棄物發酵試驗，得出在碳氮比為 38∶1、含水量為65%、溫度在35 ℃的條件下，CO2產氣速度最快，并得出影響CO2產氣量的最主要因素是碳氮比，其次是溫度，含水量對CO2產氣量的影響最弱。（3）初步形成了果洛州農業廢棄物日光溫室循環利用技術，實現了溫室蔬菜廢棄物全量循環利用，通過應用新技術，番茄增產16.2%、黃瓜增產12.8%、小青菜增產21.6%、生菜增產14.5%，增收達15%以上，且作物上市時間提前6～8 d。

4 結 語

在我國現有經濟條件下，充分利用農業廢棄物中豐富的碳源及各種養分，堆肥發酵進行設施大棚CO2施肥，不僅可解決農村秸稈過剩、畜禽糞便污染問題，促進設施農業生產對CO2施肥技術的應用，提高農業廢棄物的資源化效率，還有利于調控農業生產活動，開辟一條農業廢棄物良性循環的新路子，實現農業廢棄物資源更理想地循環利用。