新疆棉花秸稈利用現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策

關(guān)鍵詞：棉花；秸稈；棉稈；農(nóng)作物秸稈；可再生資源；新疆

0引言

新疆維吾爾自治區(qū)（以下簡(jiǎn)稱新疆）是我國最大的棉花產(chǎn)區(qū)，種植面積和產(chǎn)量均居全國首位。棉花秸稈（以下簡(jiǎn)稱棉稈）作為棉花的主要副產(chǎn)物，含有豐富的蛋白質(zhì)、維生素、氮、磷、鉀和微量元素等，是一種重要的農(nóng)業(yè)可再生資源[1]。目前棉稈年產(chǎn)量已超過1000萬t。傳統(tǒng)的棉稈處理方式為粉碎還田充當(dāng)來年的有機(jī)肥，然而棉稈中的木質(zhì)纖維素含量較高，在土壤中不易腐爛，導(dǎo)致棉稈轉(zhuǎn)化為肥料的利用率低，影響播種質(zhì)量[2]。棉稈經(jīng)過不同處理后既可作為燃料、飼料、肥料和基質(zhì)，又可作為建筑和包裝材料等工業(yè)原料，科學(xué)合理地利用棉稈將使之變廢為寶[3]。目前，棉稈資源綜合利用技術(shù)還存在創(chuàng)新不足、利用效率低等突出問題，制約了棉稈資源的有效開發(fā)利用，影響棉花產(chǎn)業(yè)節(jié)本增效和可持續(xù)發(fā)展。本文主要分析新疆棉稈資源現(xiàn)狀、利用方式和存在問題，提出發(fā)展方向和對(duì)策，旨在為提高棉稈利用率、增加棉花種植戶收益、推動(dòng)棉稈多元化綜合利用提供參考，同時(shí)為新疆棉花產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效和可持續(xù)發(fā)展提供新思路。

1新疆棉稈資源現(xiàn)狀

1.1新疆棉花生產(chǎn)情況

據(jù)數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)中全國數(shù)據(jù)包含新疆?dāng)?shù)據(jù)，除注明外新疆?dāng)?shù)據(jù)包含新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)數(shù)據(jù)）統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2021年新疆棉花種植面積達(dá)到250.61萬hm2，皮棉平均單產(chǎn)2046.6kg/hm2，皮棉總產(chǎn)量512.9萬t，占全國的89.5%，棉花總產(chǎn)、單產(chǎn)、種植面積、商品調(diào)撥量連續(xù)20余年居全國第1位[4-5]。

2000-2021年新疆（不含新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)數(shù)據(jù)）、新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)及全國棉花種植面積、產(chǎn)量變化如圖1和圖2所示，2006-2021年，全國棉花種植面積不斷下降，由581.57萬hm2下降至302.81萬hm2，產(chǎn)量由753.28萬t降低至573.1萬t，降低率23.9%；而新疆（不含新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)數(shù)據(jù)）棉花種植面積總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，由68.39萬hm2增長(zhǎng)至163.94萬hm2，在全國所占比例由11.76%增長(zhǎng)至54.14%，產(chǎn)量由168.78萬t增長(zhǎng)至304.6萬t，在全國所占比例由22.4%增長(zhǎng)至53.15%；新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)棉花種植面積同樣呈穩(wěn)步增長(zhǎng)趨勢(shì)，由58.81萬hm2增長(zhǎng)至86.67萬hm2，在全國所占比例由10.11%增長(zhǎng)至28.62%，在新疆所占比例由46.23%下降至34.58%，產(chǎn)量由121.82萬t增長(zhǎng)至208.3萬t，在全國所占比例由16.17%增長(zhǎng)至36.35%，在新疆所占比例由41.92%下降至40.61%。

1.2新疆棉稈資源現(xiàn)狀

根據(jù)新疆（不含新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)數(shù)據(jù)）和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)棉花種植模式及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，棉稈平均產(chǎn)量按4500kg/hm2測(cè)算，棉稈產(chǎn)量隨著種植面積的增加而增大[6-7]。2000-2021年新疆（不含新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)數(shù)據(jù)）和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)的棉稈產(chǎn)量變化如圖3所示。經(jīng)測(cè)算，2021年新疆棉稈總產(chǎn)量約為1127.75萬t，新疆（不含新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)數(shù)據(jù)）棉稈總產(chǎn)量約為737.75萬t，占新疆的65.42%；新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)棉稈總產(chǎn)量約為390萬t，占新疆的34.58%。

2棉稈利用方式

新疆是農(nóng)業(yè)大區(qū)，麥稈、稻稈、棉稈等農(nóng)作物秸稈種類全、數(shù)量多、分布廣，僅棉稈每年產(chǎn)量就達(dá)1000萬t以上，充分利用農(nóng)作物秸稈，不僅關(guān)系農(nóng)業(yè)生產(chǎn)綜合效益，也關(guān)系著農(nóng)業(yè)綠色低碳循環(huán)發(fā)展。目前，新疆農(nóng)作物秸稈綜合利用率已超過90%，但棉稈仍主要以直接粉碎還田為主，綜合利用率低，因此需要不斷拓寬利用途徑，使棉稈從廢棄物變?yōu)榭稍倮觅Y源[8]。棉稈主要利用途徑：一是還田肥料化利用，包括直接還田、過腹還田、菌肥聯(lián)產(chǎn)和氣肥聯(lián)產(chǎn)等；二是離田循環(huán)利用，包括飼料化、燃料化、原料化和基料化利用[9]。通過有效延伸棉稈產(chǎn)業(yè)鏈與價(jià)值鏈，可以提高棉花副產(chǎn)物的附加值，實(shí)現(xiàn)秸稈的高效循環(huán)利用，有利于促進(jìn)新疆棉花產(chǎn)業(yè)綠色、可持續(xù)發(fā)展。

2.1還田肥料化利用

還田肥料化利用是把棉稈直接粉碎或堆積腐熟后施人土壤中作為肥料進(jìn)行利用，可以有效改善土壤的結(jié)構(gòu)，提高養(yǎng)分、增加通透性和保持水分等[10]。棉稈直接還田是結(jié)合機(jī)械化粉碎處理直接肥料化，是新疆棉稈還田的主要方式。目前，棉稈粉碎還田機(jī)包括單刀盤立式、雙刀盤立式和臥式等，棉稈還田機(jī)械化水平達(dá)到100%。

過腹還田是基于飼料化利用和種養(yǎng)結(jié)合的肥料化利用模式，是將棉稈加工、調(diào)制后飼喂家畜，產(chǎn)生的糞尿經(jīng)過發(fā)酵作為有機(jī)肥料進(jìn)行利用[12]。菌肥聯(lián)產(chǎn)是以棉稈作為主要原料，制作食用菌栽培基質(zhì)，采收后的菌糠通過高溫堆肥處理作為肥料的一種利用模式；氣肥聯(lián)產(chǎn)是依托厭氧發(fā)酵或慢速熱解技術(shù)，實(shí)現(xiàn)沼氣沼肥或熱解氣炭肥聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供的一種利用模式[13-14]。世界上農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家基本形成了秸稈直接還田十廄肥十化肥的“三合制”施肥制度，其中直接還田和廄肥施用量占施肥總量的2/3左右。

2.2離田循環(huán)利用方式

2.2.1飼料化利用

新疆棉稈除粉碎還田外，飼料化利用是當(dāng)前的主要利用方式，尤其是在飼草資源短缺的南疆地區(qū)，豐富的棉稈資源是南疆牛羊牲畜飼草料的重要補(bǔ)給。有關(guān)研究表明，棉稈具備制作優(yōu)質(zhì)飼料的基礎(chǔ)。魏敏等[15]分析了棉稈中的營(yíng)養(yǎng)成分，其中粗蛋白6.5%、纖維素44.1%、木質(zhì)素15.2%，含量均高于主要農(nóng)作物秸稈，具有較高的飼料利用價(jià)值。朱曉芳等[16]研究發(fā)現(xiàn)，由于棉稈特殊的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)，使得反芻動(dòng)物食用其制成的飼料后能較好地消化吸收，促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育，可進(jìn)一步推動(dòng)棉稈到飼料的轉(zhuǎn)化效率。棉稈轉(zhuǎn)化成飼料，不僅能夠解決飼草短缺的難題，還可以顯著降低養(yǎng)殖成本，拓展發(fā)展空間。隨著棉稈皮芯分離、高溫膨化、微生物發(fā)酵技術(shù)等不斷突破，使棉稈廢棄物轉(zhuǎn)化成優(yōu)質(zhì)飼料成為現(xiàn)實(shí)。2022年新疆锝匯塬現(xiàn)代農(nóng)牧業(yè)科技有限公司從新疆畜牧科學(xué)院飼料研究所引進(jìn)棉稈飼料化專項(xiàng)技術(shù)，投資新建棉稈綜合利用項(xiàng)目，可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)飼料8萬t，該生產(chǎn)線還可使1頭牛每日的飼草成本由15元左右降低至6元左右[8]。

2.2.2燃料化利用

棉稈的熱值超過18MJ/kg（4300kcal/kg），是理想的生物質(zhì)發(fā)電燃料。棉稈燃料化利用主要途徑包括制成固體燃料、氣化、發(fā)電等。才金玲等[17]研究發(fā)現(xiàn)，棉稈燃燒值為17.1～18.1MJ/kg，與木材燃燒值接近，可作為潛在的能源材料。此外，棉稈經(jīng)過厭氧發(fā)酵及其他預(yù)處理技術(shù)能產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)氣體燃料甲烷和液體燃料乙醇等，具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?jù)了解，水泥窯利用棉稈替代燃料技術(shù)在新疆水泥企業(yè)運(yùn)用，有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，有助于推動(dòng)新疆水泥行業(yè)綠色低碳發(fā)展。目前棉稈替代燃料生產(chǎn)水泥的技術(shù)已經(jīng)成熟[18]。

2.2.3原料化利用

棉稈經(jīng)過不同預(yù)處理方式可作為建材、輕工或紡織原料進(jìn)行利用。棉稈可分離出棉稈芯和棉稈皮，盛冠忠等[19]研究發(fā)現(xiàn)，棉稈芯纖維長(zhǎng)寬比、壁腔比和柔性系數(shù)相對(duì)較好，分別為30、0.28、68.2，可作為優(yōu)質(zhì)的造紙、人造板的原材料。棉稈皮通過處理可制成棉皮纖維，與棉稈芯黏合后可作為碎料板或纖維板。新疆弘瑞達(dá)纖維有限公司研發(fā)出工業(yè)化棉稈皮芯分離技術(shù)，廢棄的棉稈經(jīng)過機(jī)器粉碎、揉搓、剝離和除凈等工序，實(shí)現(xiàn)了皮芯分離[20-21]。

2.2.4基料化利用

秸稈基料化技術(shù)是以秸稈為原料加工制作成有機(jī)固體物料，給微生物、植物或動(dòng)物提供生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)和條件[22]。目前，棉稈基料化主要用于食用菌，通過機(jī)械粉碎后按照一定比例與其他原料混合作為培養(yǎng)基質(zhì)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富、食用菌長(zhǎng)勢(shì)良好，并且節(jié)約成本從而增加種植戶的收益[23]。此外，棉稈還可應(yīng)用于植物無土栽培及動(dòng)物飼養(yǎng)墊料等。

2.3離田回收方式

秸稈的大規(guī)模綜合利用，收儲(chǔ)運(yùn)是必不可少的作業(yè)環(huán)節(jié)，而秸稈離田的首要環(huán)節(jié)是田間機(jī)械化回收。目前，棉稈離田回收主要包括兩種方式：一是粉碎后裝箱回收，主要采用自走式棉稈收獲機(jī)，如圖4所示；二是撿拾打捆回收，主要采用拖拉機(jī)牽引式方捆打捆機(jī)，如圖5所示[24]。秸稈打捆有以下幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：大幅減少貯存占地面積；透氣性好，易于儲(chǔ)存；提高運(yùn)輸能力；減少環(huán)境污染；提高秸稈的利用率等[25]。打捆機(jī)按使用方式分為固定式打捆機(jī)和撿拾式打捆機(jī)。撿拾式打捆機(jī)按打捆的形狀可分為方捆撿拾打捆機(jī)和圓捆撿拾打捆機(jī)；按行走方式可分為牽引式和自走式；按壓捆室結(jié)構(gòu)可分為活塞式和卷壓式。

近年來，隨著畜牧養(yǎng)殖要求的不斷提高和打捆技術(shù)的不斷發(fā)展，秸稈田間粉碎除塵打捆機(jī)成為市場(chǎng)新產(chǎn)品。以新疆農(nóng)墾科學(xué)院和黑龍江德沃科技開發(fā)有限公司聯(lián)合研制的9YQ-2200S型雙噴除塵方捆打捆機(jī)（圖6）為例，該機(jī)可一次性完成自動(dòng)撿拾、粉碎、除土、揉搓、輸送、除塵、壓實(shí)和出包工序，秸稈揉絲強(qiáng)、除塵好、效率高和成本低，效率可達(dá)5～7捆/min，作業(yè)成本1.0～1.5元／捆，每捆質(zhì)量15～20 kg（可調(diào)），適用于牧草，以及玉米、小麥、大豆、高梁和棉花等秸稈打捆回收[26-27]。

3存在問題

3.1棉酚脫除技術(shù)應(yīng)用尚不成熟

棉酚又名棉毒素或棉籽醇，是棉屬植物體內(nèi)形成的一種多元酚化合物，存在于棉株的各部器官，其中棉籽仁中含量最高。游離棉酚具有活性醛基和羥基，毒性較大，可破壞胃黏膜被并引起消化功能紊亂，超過一定含量甚至導(dǎo)致中毒或死亡。棉花全株均含有一定的游離棉酚，飼料制品中棉酚含量的多少直接影響其飼用價(jià)值。雖然棉酚脫除方法較多，包括物理法、化學(xué)法、復(fù)合或多次溶劑浸提和微生物發(fā)酵法，但受到條件的限制在實(shí)際生產(chǎn)過程中仍然存在一定問題．棉酚脫除技術(shù)應(yīng)用尚不成熟，棉稈的脫酚工藝仍需深入研究與改進(jìn)優(yōu)化[28]。

3.2飼料化利用率低

長(zhǎng)期以來，棉稈因其木質(zhì)纖維素含量高、適口性差等限制因素，直接作為飼料利用率低、效果差，阻礙了棉稈規(guī)模化綜合利用；加之新疆氣候干旱，連年秋收后將棉稈翻人地下，不易腐爛，影響土壤墑情和播種質(zhì)量。新疆棉稈飼喂方式仍主要以田間放牧為主。目前，秸稈飼料化處理技術(shù)主要包括青貯、微貯和氨化3種，均可以改善秸稈產(chǎn)品的適口性，提高其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和吸收效果，但僅在少量大型飼料廠應(yīng)用[29]。孫新文等[30]對(duì)棉稈進(jìn)行了裹包微貯飼喂研究，結(jié)果表明發(fā)酵棉稈營(yíng)養(yǎng)平衡度較高，飼喂效果較好，微生物均衡且活菌數(shù)高，對(duì)動(dòng)物瘤胃具有一定的保健作用，可顯著提高飼料的消化率。但由于實(shí)際生產(chǎn)中相關(guān)設(shè)備、技術(shù)手段等不夠完善，導(dǎo)致推廣難度較大，應(yīng)用效果還有待進(jìn)一步提高。

3.3新技術(shù)研發(fā)與推廣不足

棉稈資源化利用新技術(shù)研發(fā)、推廣投入不足，飼料化、能源等技術(shù)難題尚未有效突破，特別是適宜農(nóng)戶分散經(jīng)營(yíng)的小型化、實(shí)用化技術(shù)缺乏。同時(shí)新疆秸稈綜合利用研發(fā)平臺(tái)尚未建立，專業(yè)從事秸稈綜合利用研發(fā)的科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)少，并且產(chǎn)學(xué)研結(jié)合不緊密，自主創(chuàng)新不夠，未成立專門的研發(fā)中心，這些都進(jìn)一步制約著全疆秸稈綜合利用技術(shù)突破。

3.4收儲(chǔ)運(yùn)體系尚不完善

近年來，新疆不斷探索創(chuàng)新秸稈收儲(chǔ)運(yùn)機(jī)制，形成了一批有效模式，但整體而言，秸稈尤其是棉稈收儲(chǔ)運(yùn)問題并未得到根本解決，全疆仍未建立起一套完善的秸稈收儲(chǔ)運(yùn)體系，收儲(chǔ)運(yùn)體系尚不完善。企業(yè)、合作社、農(nóng)戶之間未形成有效穩(wěn)定的利益聯(lián)結(jié)機(jī)制，造成秸稈收集過程中企業(yè)收集成本高，而農(nóng)戶出售積極性卻低的局面。

4發(fā)展對(duì)策

4.1加大政策扶持和專項(xiàng)資金投入

加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)和謀劃，實(shí)施一批棉稈綜合利用重點(diǎn)工程，主要包括肥料化利用提質(zhì)工程、燃料化利用增效工程、基料化利用栽培工程、原料化利用拓展工程、收儲(chǔ)運(yùn)體系建設(shè)轉(zhuǎn)承工程和關(guān)鍵技術(shù)及裝備研發(fā)支撐工程等。加大專項(xiàng)資金投入，進(jìn)一步拓寬棉稈飼用轉(zhuǎn)化、肥料化、基料化、能源化和原料化利用途徑，推進(jìn)棉稈收儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、市場(chǎng)化，著力打造棉稈綜合利用典型模式，探索建立以綠色低碳為導(dǎo)向的棉稈生態(tài)補(bǔ)償制度，進(jìn)一步提高棉稈綜合利用水平。

4.2增強(qiáng)科技創(chuàng)新和技術(shù)引領(lǐng)作用

組織產(chǎn)學(xué)研單位聯(lián)合建立棉稈綜合利用產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)平臺(tái)，聚集科技人才，打造創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，協(xié)同開展棉稈綜合利用技術(shù)創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化，增強(qiáng)棉稈綜合利用科技支撐能力。探索建立新疆棉稈資源數(shù)據(jù)庫、資源適宜性評(píng)價(jià)體系，建立健全棉稈資源綜合利用評(píng)價(jià)模型，科學(xué)合理指導(dǎo)棉稈資源綜合利用。圍繞棉稈綜合利用產(chǎn)業(yè)化發(fā)展技術(shù)瓶頸，重點(diǎn)實(shí)施棉稈資源綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和棉稈綜合利用設(shè)備裝備產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目。重點(diǎn)研發(fā)棉稈快速腐熟劑、快速腐熟還田、機(jī)械化粉碎除塵打捆、棉稈脫酚、飼料精深加工、清潔造紙漿、蔬菜花木育苗栽培基質(zhì)生產(chǎn)、新型板材及固體成型燃料等關(guān)鍵技術(shù)。重點(diǎn)推進(jìn)棉稈收集儲(chǔ)運(yùn)機(jī)械設(shè)備、飼料加工機(jī)械、能源化利用裝備及原料化利用設(shè)備等綜合利用裝備引進(jìn)、研發(fā)、生產(chǎn)和推廣。

4.3完善棉稈收儲(chǔ)運(yùn)體系建設(shè)

棉稈從廢棄物變成可利用資源，不僅需要加工環(huán)節(jié)的技術(shù)支持，更需要完善的收儲(chǔ)運(yùn)體系。只有暢通從收割到加工的各個(gè)環(huán)節(jié)，才能實(shí)現(xiàn)持續(xù)有效的資源化利用。推進(jìn)棉稈綜合利用，農(nóng)民、社會(huì)化服務(wù)組織和企業(yè)是主體。積極扶持培育設(shè)備適用、技術(shù)先進(jìn)的棉稈加工轉(zhuǎn)化市場(chǎng)主體，形成政府、企業(yè)、農(nóng)戶共贏利益聯(lián)結(jié)機(jī)制，推進(jìn)新疆棉稈實(shí)現(xiàn)資源化、商品化、產(chǎn)業(yè)化利用，不斷延伸產(chǎn)業(yè)鏈、提升價(jià)值鏈，實(shí)現(xiàn)棉稈利用產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和提質(zhì)增效。扶持規(guī)模化企業(yè)、專業(yè)合作社建立棉稈收儲(chǔ)中心或收儲(chǔ)點(diǎn)，加大購置撿拾打捆機(jī)、切碎機(jī)和小型運(yùn)輸機(jī)械等機(jī)械設(shè)備的補(bǔ)貼力度，推廣村級(jí)秸稈初級(jí)壓縮處理，建設(shè)收儲(chǔ)運(yùn)示范基地，開展棉稈收儲(chǔ)運(yùn)示范。此外，可以借鑒2022年安徽省毫州市渦陽縣石弓鎮(zhèn)秸稈收儲(chǔ)權(quán)拍賣經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑粩嗤七M(jìn)新疆棉稈產(chǎn)業(yè)綜合利用取得的創(chuàng)造性革命成果[31]。

5結(jié)束語

新疆擁有我國最大的棉稈資源，如果能實(shí)現(xiàn)資源回收再高效利用將大大地促進(jìn)棉花產(chǎn)業(yè)增效和農(nóng)民增收。然而棉稈的綜合利用技術(shù)研究尚不成熟，收儲(chǔ)運(yùn)體系尚不完善、粉碎收獲機(jī)械利用率還相對(duì)較低，仍需要加大人員和資金投入力度，加快綜合利用技術(shù)和生產(chǎn)工藝的研究，開發(fā)相應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備和回收機(jī)械，從而合理有效地利用棉稈資源，提升其附加值。棉稈的綜合利用技術(shù)可促進(jìn)新疆棉花產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，將在新疆具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。