秸稈五化的利用現狀及展望

劉俊杰 郭柯凡 蔣敏

(江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/江蘇省作物栽培生理重點實驗室/江蘇省糧食作物現代產業技術協同創新中心/揚州大學，江蘇 揚州 225009)

我國是傳統的農業大國，玉米、水稻、小麥是我國主要的糧食作物，光合作用50%以上的產物存在于秸稈中[1]，目前我國每年產生的農作物秸稈占世界總秸稈量的20%以上[2]。但是，我國農作物秸稈的利用率很低，大量的農作物秸稈被焚燒，使大氣中的有機碳等有害物質的濃度提高[3]，還有很多秸稈被隨意丟棄，造成很大的資源浪費和生態環境的破壞。

2019年農業農村部發布了《農業農村部辦公廳關于全面做好秸稈綜合利用工作的通知》指出了開展秸稈綜合利用工作，是提升耕地質量、改善農業農村環境、實現農業高質量發展、綠色發展的重要舉措。

1 農作物秸稈概述

秸稈作為農業生產的副產品，本身具有氮、磷、鉀、粗蛋白、纖維素、木質素等中微量元素和有機質[4-6](表1)，決定了秸稈可以進行肥料化、飼料化、基料化、燃料化、原料化利用，俗稱“五化”。

表1 不同農作物秸稈主要成分含量表

根據中國統計年鑒，統計了中國在2014—2019年玉米、水稻、小麥的產量(表2)，根據草谷比測算出玉米、水稻、小麥在2014—2019年的秸稈產量(圖1)。

圖1 2014—2019年玉米、水稻、小麥秸稈總產量

2 農作物秸稈的利用現狀

農作物秸稈是一種豐富、可再生的資源“用則利，棄則害”，近年來，國家有關部門綜合施策，不斷推進農作物秸稈的綜合利用。國家財政部、發改委、農業部在2012年聯合發布了《“十二五”農作物秸稈綜合利用實施方案》，在2019年農業農村部發布了《農業農村部辦公廳關于全面做好秸稈綜合利用工作的通知》，指出了開展秸稈綜合利用工作是提升耕地質量、改善農業農村環境、實現農業高質量發展、綠色發展的重要舉措。這些文件都在積極推動我國秸稈資源綜合再利用，減少資源的浪費和環境的污染。

3 秸稈“五化”利用

3.1 秸稈肥料化利用

秸稈還田是肥料化利用主要的方式，秸稈中含有植物生長所必須的有機質以及氮磷鉀和微量元素，是比較理想的有機肥料[7]。秸稈還田的成本較低且方法簡單[8]，被廣泛運用。秸稈還田是我國傳統的資源化利用方式，歐美國家2/3的秸稈被用于秸稈還田[9]。

秸稈還田又分為直接還田和間接還田，直接還田是將秸稈粉碎直接還田[10]，利用機械將秸稈粉碎，同時又將粉碎的秸稈翻耕到田中，比較容易腐熟分解，利用比較充分，這種方式比較適合一些大田的農作物，如小麥、水稻、玉米；覆蓋還田，覆蓋還田就是將農作物的秸稈直接覆蓋于農田的土壤表面，雖然可以一定程度上保護土壤使之不受風、水等自然侵蝕，不過如果沒有完全的腐熟分解會影響第2年作物的種植，一般適合于人工種植田地[11]。

間接還田的方式有堆漚還田，是指將秸稈收割下來，在田邊就近堆放或者挖坑埋放，經過高溫將秸稈腐化，這種方式相對秸稈直接還田的好處是可以將秸稈中的病蟲菌害殺死，使秸稈腐熟的時間縮短，在這個過程中腐熟降解菌是關鍵[12]，尋找更加高效的秸稈降解菌也是目前需要持續研究的一個方向點；焚燒還田，是最為傳統的方法，也是用的比較多的方法，直接在田里將秸稈焚燒還田，雖然效果比較明顯但是會造成嚴重的環境污染以及存在極大安全隱患，也是政府所禁止的；過腹還田，是指利用動物將秸稈消化，變成畜牧的糞便加以利用，雖然秸稈的蛋白質含量不高(3%～6%)，但是經過一些處理，補充適量的粗飼料即可滿足牲畜的營養需求[13]。牲畜秸稈既可以滿足畜牧的飼料需求也滿足了秸稈還田的循環發展，但是糞便中會含有重金屬以及一些抗生素，增加了一些難以控制的因素。

3.2 秸稈飼料化利用

秸稈當作飼料在我國有悠久的歷史，秸稈飼料化可以有效緩解牲畜的飼料短缺問題，可以減少環境污染以及資源浪費[14]。一般秸稈加工成飼料主要有物理、化學、生物3種方法[13]。物理方法主要是對秸稈的物理性狀進行改變，如切斷、粉碎等，并不能改變秸稈的化學成分，不能提高秸稈的營養成分；化學方法是通過一定量的化學試劑，經過一系列的化學反應，從而改變秸稈的化學性質使其變得更加容易利用[16]。生物方法是利用可以降解粗纖維的微生物，如細菌、真菌、放線菌、霉菌、酵母菌、各種酶等來改變木質素的分子結構，降解難溶解的纖維素等有機物[17]，使秸稈做成的飼料更容易被牲畜吸收消化。目前，秸稈飼料市場上的處理方法有限，大多是青貯、顆粒和微貯飼料，還有很多的處理方法仍然在利用階段。

3.3 秸稈原料化利用

秸稈也可以作為一種工業原料，秸稈中含有大量的天然纖維素，是造紙的好原料[18]，同時，現在越來越多的人開始將秸稈應用在建材上，據研究，秸稈墻板建成的建筑比一般的黏土磚更加保暖，并且制作秸稈墻的能耗更低[19]，建筑物利用秸稈建材在采暖季節所釋放的能量是直接用燃料燃燒所釋放能量的幾倍[20]，雖然我國的人造板產業歷經了十幾年的發展，但是能夠持續運營的并不多，主要是受技術、資金、市場等因素的影響，發生虧損資金鏈斷裂[21]。此外，秸稈被制作成各種生活用品，清潔環保美觀，有較為廣闊的市場。

3.4 秸稈基料化利用

很多人會將肥料與基料弄混淆，其實這2個是有區別的，肥料是一種用于保護、維持或改善植物營養和土壤理化特性、生物學特性，可以增加產品產量或提高產品質量活性，增加植物抗性的有機、無機、微生物及其混合物料[22]；秸稈基料主要的作用就是提供植物營養。秸稈基料是以秸稈為主要原料進行加工制作，為植物、動物以及微生物生長提供良好的條件和營養的有機固體物料，主要包括栽培基質、動物飼養過程中的秸稈墊料以及具有保水保肥等功能的秸稈物料[23]。

運用最多且比較成熟的是食用菌栽培領域。農業秸稈中含有蛋白質、維生素以及微量元素，比較適合栽培食用菌[24]。如在玉米秸稈中含有比較豐富的氮，在菌菇栽培的基質中添加玉米秸稈可以提高菌菇的出菇量，增加經濟效益[25]。目前，國內的秸稈作為食用菌基質技術比較成熟，平均生產1kg的食用菌可以消耗1kg的秸稈，菌菇渣經過食用菌的分解存在一些可以促進植物生長的化合物，可以作為有機肥料進行再利用，實現利用循環[26]。

3.5 秸稈能源化利用

秸稈的能源化利用按照不同的轉化形態可以分為液化技術(生物燃料和乙醇)、直燃技術(直燃發電)、氣化技術、固化技術(碳化和固化成型)[27]。

液化技術是指利用催化、水解或者熱解等手段，使秸稈的化學性質發生變化，將生物質秸稈轉化為液體能源[28]。

直燃技術是直接將秸稈燃燒，最常見的為直燃發電技術，直燃發電技術已經成為當前最主要的發電技術，這種發電技術和傳統的燃煤發電在本質上并沒有太大的區別。

秸稈氣化是指將玉米秸稈、麥秸稈等粉碎后，倒入一種氣化的設備再經過一系列的氧化和還原反應轉化為一種可燃氣體，這是一種在沼氣、液化氣、天然氣后又一種比較清潔、無污染且原材料來源廣泛的農村能源[29]，這對改善農村生活環境、建立資源節約型社會有著舉足輕重的意義。

液化技術是生物質能通過熱解水解等發生一系列化學變化，從而變成能夠燃燒的液體燃料。第1代的技術是用經濟作物如玉米、油菜籽等為原料制作成燃料乙醇和生物柴油，這種方式成本較高，且造成了糧食的較大消耗和浪費，越來越不符合我國的基本國情。第2代液化技術將農林業的廢棄物通過發酵得到乙醇，如纖維素乙醇技術[30]。目前我國中糧集團已經啟動建設了產量500t·a-1的纖維素乙醇實驗裝置，糖轉化率超過了85%、半纖維轉化率超過了95%、纖維素轉化率超過90%，多項關鍵技術是國內最先進的，同時在國際上也屬于較為先進的水平[31]。

將秸稈制作成固體燃料的技術就是固化成型，早在20世紀國外就已經開展了固化成型相關的研究，我國的相關技術研究始于20世紀80年代，目前已經實現了商業化的發展。不過這類的生物質固體燃料還存在一些不足，如熱值比較低、品質不夠穩定[32]，不能夠滿足使用要求比較高的場景。這項技術仍然有較大的提升空間，不過使用方便，能夠有效地減少秸稈生物質資源的浪費。

4 小結與討論

農作物秸稈是一種“用則利、棄則廢”的可再生生物質資源?；诠澞軠p排和可持續發展的環境背景，農作物秸稈綜合利用已為大勢所趨[4]。

從前文的秸稈“五化”利用來看，目前基料化的利用是綜合經濟效益比較高的一種利用方式。能源化利用由于對研發要求比較高，技術不是特別成熟，秸稈的收集、運輸、儲存的成本較高，設備也比較貴，總的成本較高，利潤較小[33]，且技術上有較大的提升空間。秸稈還田中粉碎還田效果比較好，但是需要比較專業的機械，且成本較高，在沒有補貼的情況下農民難以接受這么高的成本。在秸稈的原料化利用上我國近年來高校、研究所、企業取得了不少的突破，應用慢慢延伸到了眾多的生活領域[34]，利用范圍越來越廣。秸稈飼料比較多，但是秸稈飼料化的手法還很單一，其余的研究還處于試驗階段。