農(nóng)作物秸稈“五化”綜合利用現(xiàn)狀與前景展望

劉銀秀，聶新軍，葉波，邵建均，金娟，董越勇*，葉靜

(1.浙江省農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)與能源總站，浙江 杭州 324100； 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

我國是農(nóng)業(yè)大國，同樣也是農(nóng)業(yè)生物質(zhì)特別是農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)大國，其產(chǎn)量均居世界首位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年全國農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量為8.05億t，秸稈可收集資源量6.74億t[1]。但長期以來，受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式、秸稈綜合利用科技水平、農(nóng)民消費(fèi)觀念和生活方式等因素的綜合影響，農(nóng)作物秸稈利用方式、渠道比較單一，資源稟賦得不到體現(xiàn)，綜合利用進(jìn)步緩慢，每年有數(shù)億噸秸稈隨意棄置腐爛或在露天直接焚燒，不僅造成了極大的資源浪費(fèi)，還產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境問題，使本來豐富的“再生資源”變成了“燙手山芋”、面廣量大的“污染源”。因此，關(guān)于農(nóng)作物秸稈有效利用的研究已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)資源循環(huán)利用、農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)體系建設(shè)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。

1 農(nóng)作物秸稈概述

1.1 農(nóng)作物秸稈的營養(yǎng)組成

農(nóng)作物秸稈作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)品，具有產(chǎn)量高、分布廣、種類豐富，且蘊(yùn)含大量的氮、磷、鉀、中微量元素和有機(jī)質(zhì)等，是一種多用途可再生生物資源。其中，由碳、氫和氧等元素組成的有機(jī)物質(zhì)，如纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等，占到秸稈成分的大部分[2]。不同農(nóng)作物秸稈的主要組分和養(yǎng)分含量詳見表1和表2。

表1 不同農(nóng)作物秸稈的主要組分含量

由表1可知，水稻、土豆和紅薯的組分中超過60%是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等有機(jī)物質(zhì)，可用于造紙、燃料、還田等；而粗脂肪、粗蛋白等含量高的秸稈(如土豆、花生等)則可用于飼料，但其木質(zhì)素和鹽分等含量高，作為飼料適口性差，需借助發(fā)酵、氨化等技術(shù)對秸稈進(jìn)行改性；另外，灰分含量高的秸稈可制作成肥料；而諸如紅薯秸稈(莖葉)富含蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)等，可開發(fā)成食品、藥品和化妝品等高值產(chǎn)品[6]。

表2 不同農(nóng)作物秸稈的氮磷鉀養(yǎng)分含量

由于受農(nóng)作物類型、區(qū)域生態(tài)特點(diǎn)和施肥習(xí)慣等因素的影響，不同農(nóng)作物秸稈的氮磷鉀養(yǎng)分含量存在較大的差異(表2)。根據(jù)不同農(nóng)作物秸稈的養(yǎng)分含量，選擇合適的利用方式。氮磷鉀養(yǎng)分含量高的，如水稻、花生、豌豆、土豆等秸稈，可肥料化利用(如還田等)，且秸稈肥料化利用簡單有效，是我國秸稈利用傳統(tǒng)的技術(shù)，約占秸稈利用的一半[8]。

1.2 我國農(nóng)作物秸稈資源量

根據(jù)每年農(nóng)作物產(chǎn)量(源于國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù))，結(jié)合最新的草谷比系數(shù)和現(xiàn)有文獻(xiàn)等[9]，估算出我國秸稈資源量，詳見圖1。隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的持續(xù)提高，2010—2017年農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量總體呈現(xiàn)逐步增長趨勢。農(nóng)作物秸稈的產(chǎn)量與我國糧油作物產(chǎn)量的變化密切相關(guān)，糧油作物產(chǎn)量增加、秸稈量增加，糧油作物產(chǎn)量減少、秸稈產(chǎn)量也隨之減少。2016年作物秸稈產(chǎn)量較2015年有所減少，主要是受到我國糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、“糧改飼”試點(diǎn)和休耕輪作試點(diǎn)工作同步推廣等因素的影響。根據(jù)估算結(jié)果推測，隨著農(nóng)業(yè)種植技術(shù)的提高、農(nóng)作物新品種研究應(yīng)用以及輪作休耕制度的不斷推廣，未來我國農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)生量基本可以保持在8～9億t。

圖1 我國農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量和增速趨勢

1.3 農(nóng)作物秸稈的利用現(xiàn)狀

農(nóng)作物秸稈資源豐富、可再生，“用則利，棄則害”，是一種重要的生物質(zhì)資源。近年來，國家有關(guān)部門綜合施策，不斷推進(jìn)農(nóng)作物秸稈的綜合利用。2011年，國家發(fā)改委、農(nóng)業(yè)部、財(cái)政部聯(lián)合印發(fā)了《“十二五”農(nóng)作物秸稈綜合利用實(shí)施方案》，明確提出開展農(nóng)作物秸稈“五化”綜合利用模式[9-10]，即肥料化、飼料化、基料化、原料化、燃料化。進(jìn)入“十三五”以來，國家又相繼頒布了多項(xiàng)政策，對秸稈綜合利用進(jìn)行規(guī)劃和支持，目前已基本形成了肥料化利用為主，飼料化、燃料化穩(wěn)步推進(jìn)，基料化、原料化為輔的綜合利用格局[8]，全國農(nóng)作物秸稈綜合利用率已連續(xù)多年超過80%(圖2)。

圖2 農(nóng)作物秸稈綜合利用率和“五化”利用變化趨勢

2 農(nóng)作物秸稈“五化”利用

隨著秸稈綜合利用工作的不斷推進(jìn)，我國農(nóng)作物秸稈綜合利用取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。目前，經(jīng)過多年努力和多方配合，在秸稈還田、飼料化利用、秸稈發(fā)酵、能源燃料、基質(zhì)化利用和復(fù)合功能材料等方面取得了較大突破和進(jìn)步，已初步形成成熟的“五化”實(shí)用技術(shù)，以及一些高值化利用的新興技術(shù)[10-11]。

2.1 秸稈肥料化利用

農(nóng)作物秸稈肥料化利用的主要形式是秸稈還田，該技術(shù)是我國秸稈資源化利用方式中較傳統(tǒng)的模式，因其具有方法簡單、成本低等優(yōu)勢，目前被廣泛應(yīng)用。秸稈還田不僅在國內(nèi)是主導(dǎo)的利用方式，在國外也是主要的利用方式，如歐美等國家超三分之二的秸稈被用于還田[12]。秸稈還田不僅可以提高土壤有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀、微量元素等養(yǎng)分，改善土壤物理性質(zhì)，還可以保持土壤水分和土溫平衡，在提高農(nóng)作物產(chǎn)量的同時(shí)，還可減少化肥的使用和減輕病蟲害等[13]，可解決秸稈閑置和焚燒等環(huán)境問題，是發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)的理想途徑之一。

根據(jù)還田方式不同，秸稈還田主要分為直接還田和間接還田兩大類。直接還田，是利用機(jī)械設(shè)備將秸稈粉碎并拋回田間翻耕覆蓋，或留茬或整株還田等，讓秸稈與土壤混合腐爛，如此減少將秸稈從田間收集、運(yùn)輸?shù)韧度耄哂泻唵慰旖荨⒏咝У秃牡奶攸c(diǎn)，同時(shí)可增強(qiáng)土壤肥力，改良土壤和調(diào)節(jié)生態(tài)環(huán)境。在一項(xiàng)8年(2010—2018年)的試驗(yàn)中，崔思遠(yuǎn)等[14]發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈連續(xù)還田對土壤有機(jī)碳和全氮有良好的固存作用，可顯著提高稻麥產(chǎn)量。間接還田，對于我國北方等冬季氣候干燥、溫度較低的地區(qū)，農(nóng)作物秸稈降解速度慢，未分解的秸稈影響到次年的耕作，和農(nóng)作物爭奪養(yǎng)分，同時(shí)還可能誘發(fā)病蟲害[15]。因此，針對上述問題，常將秸稈通過牲畜喂養(yǎng)過腹或生化腐熟等方式，以糞便、沼渣或有機(jī)肥等形式間接還田，能夠加快秸稈腐熟速度，同時(shí)可規(guī)模化生產(chǎn)。童文彬等[16]用豬糞和稻草發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)秸稈有機(jī)肥可提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤pH，增加土壤養(yǎng)分，促進(jìn)水稻生長，水稻增產(chǎn)幅度在33.5%以上。

2.2 秸稈飼料化利用

農(nóng)作物秸稈含有豐富的有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分，是草食牲畜重要的粗飼料來源，我國80%以上的農(nóng)作物秸稈可用作飼料[17]。據(jù)測算，1 t普通秸稈的飼用營養(yǎng)價(jià)值與0.25 t的糧食相當(dāng)[18]。由于未經(jīng)處理的秸稈，粗蛋白等含量低，適口性差，難以消化，需經(jīng)過青儲(chǔ)、氨化、堿化、發(fā)酵等工序，將纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等轉(zhuǎn)化為牲畜容易吸收的營養(yǎng)物質(zhì)[19]。

目前，秸稈飼料化的利用途徑主要有3種。物理法，通過切碎、浸泡、壓塊等，以及蒸煮膨化、熱處理噴涂等，改變秸稈的物理性質(zhì)以提高其適口性和采食量，但無法顯著提升秸稈飼料的營養(yǎng)價(jià)值，不易大面積推廣，一般作為秸稈利用的預(yù)處理步驟。化學(xué)法，主要包括堿化、氨化和氧化處理[20]，通過破壞秸稈的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生諸如乳酸等營養(yǎng)物質(zhì)，從而改善秸稈的適口性和營養(yǎng)價(jià)值。堿化和氧化雖然可提高秸稈營養(yǎng)價(jià)值，但生產(chǎn)成本高，且易造成“二次污染”，而氨化處理操作簡單安全，可很好改善飼料品質(zhì)(粗蛋白含量可提高40%以上，牲畜消化率大幅提升[21])，是理想的秸稈飼料處理方式之一。微生物法，物理和化學(xué)法處理的秸稈飼料一般只適用于反芻動(dòng)物，應(yīng)用有一定的局限性，而微生物法通過加入發(fā)酵菌將玉米、高粱等秸稈厭氧發(fā)酵，將秸稈中高度聚合的多糖降解為低分子的多糖或單糖等，養(yǎng)分豐富，有酸甜味，適口性好，一定程度上拓展了飼料飼喂的范圍。目前，通常將2種或2種以上秸稈組合混貯[22]，或者添加一些助劑等[23]，提高飼料中可溶性糖、粗蛋白和乳酸等營養(yǎng)成分含量，進(jìn)一步改善秸稈飼料的品質(zhì)。

2.3 秸稈燃料化利用

農(nóng)作物通過光合作用將一半左右的產(chǎn)物貯存在秸稈中，而秸稈富含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等成分，主要為碳、氫、氧等元素，且氮、硫含量低，具有很高的能量(熱能約為標(biāo)煤的一半)，因此，農(nóng)作物秸稈是一種良好的燃料化原料資源[24]。秸稈燃料化利用技術(shù)多種多樣，根據(jù)轉(zhuǎn)化方式不同，主要分為直燃供熱、秸稈氣化和秸稈液化3種(表3)。

2.4 秸稈原料化利用

農(nóng)作物秸稈作為原材料的用途非常廣泛，國家發(fā)改委和農(nóng)業(yè)部聯(lián)合發(fā)文《關(guān)于編制“十三五”秸稈綜合利用實(shí)施方案的指導(dǎo)意見》明確提出，鼓勵(lì)以秸稈為原料生產(chǎn)紙漿造紙、建筑材料、輕質(zhì)板材、包裝材料、編織材料、餐具、降解膜等產(chǎn)品，大力發(fā)展秸稈原料產(chǎn)業(yè)，提高秸稈高值和產(chǎn)業(yè)化水平[27]。

目前，秸稈原料化的利用途徑主要有3種。秸稈造紙，農(nóng)作物秸稈富含天然纖維素纖維，是很好的造紙材料。根據(jù)國家“十三五”規(guī)劃預(yù)測，到2020年，秸稈漿的消耗量將達(dá)到3 600萬t，占到紙漿消耗量的3成[28]，一定程度上緩解了我國造紙?jiān)喜蛔愕膯栴}。近年來，秸稈造紙趨于可持續(xù)發(fā)展，將秸稈清潔制漿與廢液資源化利用結(jié)合起來，除了制漿造紙外，還得到乙醇、有機(jī)肥等副產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)“秸稈-造紙-再生資源”良性循環(huán)。秸稈建材，農(nóng)作物秸稈與黏結(jié)劑、強(qiáng)化材料等混合可制成具有阻燃、防腐等特殊功能和結(jié)構(gòu)的建筑材料，具有成本低、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。目前，秸稈建材在美國、加拿大、澳大利亞、英國等蓬勃發(fā)展。美國早在19世紀(jì)就出現(xiàn)了秸稈墻體材料，如今美國的麥秸板材年產(chǎn)量高達(dá)1 600萬m3[29]。我國秸稈建材起步較晚，始于20世紀(jì)80年代。近年來，國家出臺(tái)政策鼓勵(lì)推廣應(yīng)用秸稈建材，如秸稈磚、秸稈人造板、秸稈加筋土等。秸稈材質(zhì)餐具、包裝等材料，農(nóng)作物秸稈(植物纖維)與聚丙烯混煉可生產(chǎn)出快餐盒、雞蛋托、果蔬包裝盒、冰淇淋杯和育秧盤等產(chǎn)品[28]，進(jìn)一步豐富了秸稈的利用空間。然而，相對于傳統(tǒng)發(fā)泡塑料而言，秸稈植物纖維的餐具及包裝材料成本較高，如何開發(fā)成本低、性能好和綠色環(huán)保的秸稈材料是未來的發(fā)展方向。

2.5 秸稈基料化利用

農(nóng)作物秸稈含有大量的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和氮磷鉀等養(yǎng)分，是生產(chǎn)栽培基質(zhì)的良好原料。在國外，利用秸稈作為基料種植蔬菜等已有50多年的歷史，尤其在歐洲和加拿大等地秸稈基料使用非常普遍[30]。由于我國在秸稈栽培基料領(lǐng)域起步較晚，相關(guān)技術(shù)尚不成熟，生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品性能還有待進(jìn)一步提高。秸稈基料往往需要混合一定比例的豬糞、牛糞等畜禽糞便和過磷酸鈣、尿素、石灰等輔料，提供必要的養(yǎng)分和調(diào)控基料性能。另外，秸稈混合發(fā)酵過程中，會(huì)產(chǎn)生50～70 ℃的高溫，不僅可以干燥物料，還可以殺滅病蟲害，具有安全、低成本、環(huán)保的特點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景[31]。

目前，秸稈基料主要用于食用菌、蔬菜、花卉等栽培[32]。其中，秸稈基料栽培食用菌應(yīng)用最為廣泛[33]。食用菌收獲后，菌糠經(jīng)堆肥后還田，建立一條“秸稈從田里來到田里去”的循環(huán)鏈條，增加了經(jīng)濟(jì)效益，減少了秸稈對環(huán)境的污染(圖3)。秸稈基料一般農(nóng)戶即可生產(chǎn)，亦可規(guī)模化生產(chǎn)，操作方便。

圖3 農(nóng)作物秸稈基料栽培食用菌循環(huán)流程

3 小結(jié)與討論

我國農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量有8～9億t，其中，玉米稈、稻草和麥秸是秸稈的主要來源，占到總量的75%以上，是一種“用則利，棄則害”的可再生資源，具有廣闊的應(yīng)用范圍和巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＷ浴笆濉蓖菩薪斩挕拔寤本C合利用以來，我國秸稈綜合利用率達(dá)到80%以上，基本形成以肥料化利用為主，飼料化、燃料化穩(wěn)步推進(jìn)，基料化、原料化為輔的格局。

然而，農(nóng)作物秸稈資源化利用上也存在諸多問題和困境。由于技術(shù)和成本等問題的限制，各個(gè)領(lǐng)域發(fā)展并不均衡，肥料化和飼料化發(fā)展過快，產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)，而燃料化躊躇不前，原料化和基料化應(yīng)用也十分有限。另外，國家層面力推秸稈綜合利用，“熱情”高漲，而企業(yè)和農(nóng)民等實(shí)施主體參與“冷淡”，面臨著在政策、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和認(rèn)知等層面的“不暢”。

基于節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境背景，農(nóng)作物秸稈綜合利用已為大勢所趨。因此，針對當(dāng)前秸稈綜合利用存在的問題，應(yīng)當(dāng)逐步完善促進(jìn)秸稈綜合利用的政策措施，根據(jù)不同區(qū)域和秸稈特點(diǎn)因地制宜地開展綜合利用工作，開發(fā)針對性的秸稈利用技術(shù)和產(chǎn)品，提高實(shí)施主體的參與度。另外，在現(xiàn)有成熟技術(shù)和產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，由秸稈“資源化”向“高值化”發(fā)展，向功能性材料(生物塑料、納米纖維素、發(fā)泡緩沖材料和3D打印材料等)、高值化學(xué)品(木糖醇、生物丁醇等)和高效肥料(緩釋肥料等)等經(jīng)濟(jì)價(jià)值高、市場潛力大的利用方向轉(zhuǎn)變，勢必可以有效推動(dòng)農(nóng)作物秸稈綜合利用進(jìn)程，提高秸稈綜合利用能力和水平。