農業廢棄物資源化梯次利用低碳模式研究

石惠嫻，沈昊文，潘方慧，朱洪光，王孜競，周雪飛，張亞雷

(同濟大學新農村發展研究院/同濟大學國家設施農業工程技術研究中心，上海 200092)

農業廢棄物每年都會大量產生，但其中大部分沒有得到充分利用。據估算，全球每年產生約2 000億t 秸稈，僅我國每年產生秸稈量近9億t，產生的畜禽糞污達38億t，但這些廢棄物的綜合利用率不到60%。2020年9月1日實施的《中華人民共和國固體廢物污染環境防治法》明確規定作物秸稈和畜禽糞污需要回收利用，以避免環境污染[1-3]。在發展中國家，農業廢棄物能源化、飼料化、肥料化、材料化、基質化等都具有產業化發展潛力[4-7]。但是，長期以來農業發展存在依賴化肥農藥、區域畜禽產業發展與農業發展相互分離、種養不平衡、農業廢棄物資源浪費、農產品品質有待提升等問題。

據文獻[4，8-9]報道，國內外農業廢棄物資源化利用模式很多，比較典型的有菲律賓瑪雅農場以沼氣工程為樞紐的廢棄物利用產業集群模式，利用沼氣工程管控糞肥污染和梯次利用各種廢棄物，提供農場生產和家庭生活所需的沼氣能源，產沼氣后的沼渣梯次回收用作牲畜飼料或制成有機肥料還田。產沼氣后的沼液經藻類氧化塘處理后，梯次送入水塘養魚養鴨，最后取塘水、塘泥去營養農田；美國有機農場以有機肥還田為目的的多種農林廢棄物梯次利用生產有機農產品模式，以青草、木材加工廠木屑、小麥秸稈、畜牧場廢物為原料，與黏土混合，密封堆漚生產有機肥；北京留民營村以農業生態系統綜合循環為核心的農業廢棄物梯次利用模式，將農田、菜園產生的蔬菜和玉米秸稈、糠麩等廢棄物制成飼料再供給養雞場、奶牛場、養豬場和魚塘，雞糞、牛糞、豬糞及農戶糞尿入沼氣站發酵生產沼氣、沼渣、沼液，灌溉農田、菜園、果園和苗圃等。這些農業廢棄物利用模式值得借鑒，且需要因地制宜加以消化吸收和創新優化。

碳達峰、碳中和背景下，如何針對不同種類農業廢棄物的物理、化學特性和不同區域農業廢棄物的資源特點，打造區域農業廢棄物聯合資源化梯次利用低碳模式，解決農業綠色產業化發展問題是實現農業廢棄物高效、生態、環保、循環利用的保障。

農業廢棄物梯次利用是指農作物或禽畜糞便已經使用過(如作為糧食或能源)，再通過其他方法使其繼續使用的過程，且該過程屬于基本同級、降級或循環利用的方式。隨著技術的不斷發展，梯次循環使用也是全球提倡低碳、環保發展的趨勢，梯次利用是循環高質化利用的前端環節。筆者在分析安徽阜陽和上海崇明城橋鎮農業廢棄物資源化利用現狀的基礎上，構建出區域農業廢棄物沼氣工程全產業鏈物質流梯次利用和農作物秸稈還田資源化循環利用2種低碳模式。

1 農業廢棄物的分類

農業廢棄物是在整個農業生產過程中被廢棄的有機類物質。按其來源，農業廢棄物可分為種植業廢棄物、養殖業廢棄物、農業加工業廢棄物、農村生活廢棄物。

農業廢棄物通常分為畜禽糞便和農作物秸稈兩大類[10]。根據腐熟難度，農業廢棄物可分為極易腐熟類、容易腐熟類和不易腐熟類3類；根據養分富含程度，農業廢棄物又可分為養分偏高、養分中等、養分低和養分偏低等[11]。極易腐熟類農業廢棄物有養分偏高的雞糞、鴿糞和鵪鶉糞，養分中等的羊糞和兔糞，養分低的豬糞、牛糞和馬糞。容易腐熟類農業廢棄物有養分低的農作物秸稈(如稻稈、麥稈、油菜稈等)和養分偏低的花生藤、番薯藤等。不易腐熟、養分偏低的農作物秸稈有棉花稈和黃豆稈等。不易腐熟、養分偏低的農作物秸稈有玉米秸稈等。農業廢棄物的細化分類如圖1所示。

圖1 農業廢棄物的細化分類 Fig.1 The classification of agricultural wastes

由于農業廢棄物來源不同，其理化性質存在很大差異，但也有共同特點。從物理特性來看，農業廢棄物普遍具有表面密度小、韌性大以及抗拉、抗彎、抗沖擊能力強的特點。植物類廢棄物干燥后對熱、電的絕緣性和對聲音的吸收能力較好，且具有較好的可燃性。從化學特性來看，C、H、O的含量為65%～90%，還含有豐富的N、P、K、Ca、Mg、S等元素。從有機化學特性來看，農業廢棄物可分為天然高分子聚合物和天然小分子化合物。天然高分子聚合物包括纖維素、半纖維素、淀粉、蛋白質、天然橡膠、果膠和木質素等；天然小分子化合物包括生物堿、氨基酸、單糖、抗生素、脂肪、脂肪酸、激素、酮類、甾體化合物、萜烯類和各種碳氫化合物等[12]。

2 安徽阜陽農業廢棄物資源化梯次利用低碳模式

安徽阜陽阜南縣龍王鄉針對畜禽糞污及其他有機廢棄物，以厭氧發酵技術為核心，采用碳、氮、磷梯次利用工程技術和有機廢棄物能肥聯產物質流梯次利用循環技術，集成創新畜禽糞污收儲運、預處理技術、高效厭氧發酵碳轉化技術、發酵殘余物碳、氮、磷等養分農田回用再循環利用等關鍵技術，實現了農業廢棄物綜合轉化和生物天然氣產業聯動技術體系產業化應用[13]。畜禽糞污生物質廢棄物初步利用容易產生二次污染問題，全面提升生物質廢棄物厭氧消化產物品質。沼渣具有固態有機緩釋肥的性質，可作為農田基肥；沼液可噴灑農田用作葉面肥，C、N、P營養回收利用，反哺農田。在此基礎上，構建出區域農業廢棄物沼氣工程全產業鏈物質流梯次利用循環模式，如圖2所示。

在安徽區域農業廢棄物沼氣工程全產業鏈物質流梯次利用循環模式中，產生的生物天然氣除保障居民日常用氣外，余量還可用來發電。生物天然氣本身替代燃煤可以減碳40%以上，減碳量遠大于自身因電力消耗所排放的二氧化碳量。畜禽糞污經濟高效資源化利用采用成套關鍵裝備，突破“減量化收集、穩定化運行和高值化利用”技術瓶頸。通過研制刮板干法清糞、糞污水兩級固液分離、高濃度糞污收集等源頭減量化成套裝備，實現污水減量60%以上；通過研發沼液濃縮、儲存池防滲就地改造、糞水農田均勻噴灌等技術，保障了液肥經濟安全輸送、貯存和施用；通過創新設計干法厭氧發酵、自動翻料好氧發酵等高含固率糞污無害化處理技術，處理效率提升50%以上；通過開發好氧堆肥產品、厭氧沼氣/沼液產品多元化利用系列新技術，促進末端資源化產品常年高效、穩定、安全利用。通過資源化梯次利用，通過糞污生態還田技術，保障種養平衡，可以增加土壤有機質含量，避免土壤板結。通過該模式多維可控生物天然氣先進技術處理，生物天然氣甲烷含量達到96%，促進并保障了區域生態農業循環、生態環境保護和農村能源產業的綠色可持續發展。

通過分析圖2模式中物質流動情況發現，該模式中營養物質在種植業和養殖業之間形成了良性循環流動，體現了生態農業和有機農業種養有機平衡的理念，在此理念框架下得出農業系統內種養結合資源化物質流動梯次循環利用流程，如圖3所示。

圖3中種植業和養殖業有機平衡，種養結合在系統內物質流資源化梯次循環利用，用地和養地結合，形成種養物質循環。將種植業產生的秸稈類資源送至生物質加工單元加工后，與養殖業產生糞便污水的2個環節廢棄物收納在廢棄物處理單元，通過該單元厭氧發酵產生沼液、沼渣，生成速效葉面肥和緩釋固態有機肥，營養物質N、P、K和有機碳重新回歸到土壤，土壤消納有機廢棄物，同時土壤有機質含量增加，土壤碳氮比增加。通過畜禽糞便厭氧發酵后還田，促進了有機碳的固定和儲備，同時促進了土壤孔隙發育和土壤團聚體穩定。畜禽糞便中含有一定量的氮和磷，厭氧發酵后作為固態有機肥返田，可提高土壤有機碳含量，減少化肥用量，平衡養分供應，改善土壤保水保肥以及緩沖性能，防止養分流失，提升土壤地力，提高肥料利用率。

圖2 安徽阜陽農業廢棄物沼氣工程全產業鏈梯次利用循環模式Fig.2 Cascade recycling mode of the whole industrial chain of agricultural waste biogas project in Fuyang, Anhui

圖3 農業系統內種養結合資源化物質流動梯次循環利用流程 Fig.3 Cascade recycling utilization process of resource flow with the planting-breeding combination in agricultural system

3 上海崇明區城橋鎮農業廢棄物資源化還田利用低碳模式

農業領域溫室氣體排放的主要驅動因素為農田N2O排放和稻田甲烷排放，其中農田N2O排放又包括化肥、秸稈和糞肥的氮排放。通過研究發現，存在因大量使用化肥導致的溫室氣體排放占比較大的問題，即種養不平衡及土壤碳氮比例不平衡的問題。另外，存在秸稈多種利用途徑較少，“五化”(肥料化、飼料化、能源化、材料化、基質化)利用率低等問題。同時，還存在秸稈還田方式和還田量控制較為粗放以及秸稈總量較多和全量還田壓力大等問題。

崇明區城橋鎮大力推廣稻麥秸稈還田，以減少面源污染，提高土壤碳氮比和有機質含量。農作物主要輪作方式為稻麥輪作，還有部分稻油輪作。農作物秸稈全量還田既有優點也有缺點：優點在于有利于耕地質量的改善、作物產量的提高、減少面源污染；缺點在于秸稈產量較大(9 750～11 250 kg/hm2)，如果不注意方式方法，秸稈全量還田有可能影響作物生長。如果土壤中秸稈量較大，秸稈分解緩慢，會使得土壤過松、大孔隙過多，會跑風失墑，局部農田會出現出苗率低、苗黃、苗弱甚至死苗等現象，蟲害和菌害也會不同程度增加，影響種子發芽生長、種苗扎根不牢甚至出現吊根現象。在稻油輪作時，水稻機插秧時，受油菜秸稈的影響，田塊中會出現飄秧現象。

綜合考慮以上情況，稻麥輪作時秸稈還田資源化梯次利用模式如圖4所示。

圖4 稻麥輪作時秸稈還田資源化梯次利用模式 Fig.4 Cascade utilization mode of returning straw to the field in rice-wheat rotation

稻麥輪作時秸稈還田資源化梯次利用模式中，水稻生長收獲，收割機收割水稻、切碎稻稈、均勻鋪撒地塊，施加磷肥和氮肥用作基肥，然后播種二麥、施加蠶豆綠肥。最后淺耕滅茬、開溝、接通溝頭，二麥生長收獲。收割機收割二麥、切碎麥稈、均勻鋪撒地塊，適當機耕地塊后灌水；灌水量不宜過大，用水田耙平整地塊，施加基肥，土壤沉實后直播或栽插水稻。

稻麥秸稈還田后，土壤有機質得到了補充，還田區土壤疏松度和團粒結構明顯好于未還田區。據上海崇明區有關部門測定，連續2次秸稈還田后土壤有機質含量從20.1 g/kg增加到22.6 g/kg，增幅為12.4%；土壤容重從1.24 g/cm3降到1.16 g/cm3。通過試驗對比田塊觀察發現，秸稈還田田塊的稻麥前期長勢比較老健，成熟期莖稈清秀，稈青籽熟，產量也略有提高，稻草全量還田后種植小麥的田塊比稻草不還田的田塊增產1.86%，小麥收獲后秸稈繼續全量還田后種植水稻的產量比不還田的田塊增加6.36%[14]。

農業廢棄物資源秸稈還田利用是發展低碳農業的一種有效模式，它可以充分發揮農業系統固碳減排的潛力。在考慮耕作制度、秸稈還田的基礎上，在雙碳背景下，在實際應用過程中要綜合考慮多種因素，如品種選擇、全生育期平均溫度(移栽—抽穗期平均溫度)、土壤碳氮比、 pH、水分管理方式、土壤淹水時間、有機肥、化肥施用量和綜合利用等；針對不同作物加強精準管理，不同栽培措施下水稻分蘗期前后甲烷釋放量會影響稻田低碳程度。無論是早稻還是晚稻，成活期每天的甲烷釋放量較少，隨著水稻生長而逐漸增加，分蘗期達到最高值，隨后又逐漸減少，因此水稻生長管理過程中宜采取間歇灌水方式，避免長期淹水、大量使用氮肥或有機肥。同時，加強綜合管理，針對土壤測土配方，摸清地力，通過輪作、休耕、免耕、綠肥和秸稈還田等多種方式調節土壤碳氮比，使其接近最佳值。通過秸稈還田和畜禽糞便堆肥還田，促進有機碳固定和儲備，促進土壤孔隙發育和土壤團聚體穩定。最佳土壤碳氮比在13左右。

4 結論

鑒于區域資源稟賦、農業產業結構、經濟發展水平差異，針對農業廢棄物，安徽阜陽和上海崇明區城橋鎮采取適當模式進行聯合資源化產業化利用，防治農業面源污染，推進農藥、化肥減量增效、秸稈綜合利用，推進規模養殖場污染治理及整縣區域畜禽糞污資源化利用，推進具有地方特色的農業廢棄物循環利用及產業發展。

在深入分析安徽阜陽和上海崇明區城橋鎮農業廢棄物資源化利用情況的基礎上，構建出區域農業廢棄物沼氣工程全產業鏈物質流梯次利用模式和農作物秸稈資源化還田循環利用2個典型模式，以農業廢棄物聯合厭氧發酵技術為核心，發展生物天然氣產業，并進行碳、氮、磷梯次回收利用，能肥聯產、種養結合，系統內物質流資源化循環利用；綜合考慮秸稈還田的優勢和不足，總結出稻麥輪作時秸稈適當還田循環化利用技術模式，實現區域內部農業廢棄物梯次利用和循環，促進農業外部資源投入減量化，從而保障區域農業循環經濟的可持續發展。