東北地區(qū)作物秸稈資源綜合利用現(xiàn)狀與發(fā)展分析

王金武 唐 漢 王金峰

(東北農業(yè)大學工程學院， 哈爾濱 150030)

東北地區(qū)作物秸稈資源綜合利用現(xiàn)狀與發(fā)展分析

王金武 唐 漢 王金峰

(東北農業(yè)大學工程學院， 哈爾濱 150030)

作物秸稈是一種重要的可供開發(fā)利用的生物質資源，其綜合利用對穩(wěn)定農業(yè)生態(tài)平衡、促進農民增產增收、緩解能源與環(huán)境壓力具有重要作用。結合東北地區(qū)地域環(huán)境及資源配置特點，綜合評價了秸稈資源產量分布及焚燒問題，闡述分析了秸稈收儲運模式和“五化”綜合利用(能源化、飼料化、肥料化、原料化和基料化)技術特點、配套裝備及應用現(xiàn)狀。深入了解了國內外其他地區(qū)秸稈利用發(fā)展特點與借鑒經驗，總結歸納了國家及地方各級政府秸稈利用政策措施。在此基礎上結合秸稈利用政策、技術狀況、市場企業(yè)需求及存在問題，指出了東北地區(qū)秸稈資源綜合利用產業(yè)未來發(fā)展方向。

秸稈； 資源； 綜合利用； 東北地區(qū)

引言

作物秸稈是一類具有豐富氮、磷、鉀及有機質養(yǎng)分的可再生生物質資源，是農業(yè)生產的主要副產品[1]。東北地區(qū)是中國最主要的糧食及商品糧生產基地，其作物秸稈資源十分豐富，2015年東北地區(qū)可收集秸稈產量約1.59億t，約占全國秸稈總產量19.2%[2]。隨著東北地區(qū)農業(yè)經濟快速發(fā)展，農民生活條件和農村燃料結構改變，作物秸稈逐漸變?yōu)檗r產品廢棄物，秸稈焚燒成為春秋兩季農忙時節(jié)的標志性現(xiàn)象，同時因其所引發(fā)的強霧霾天氣等環(huán)境問題已成為亟需解決的社會性問題[3-4]。自1992年國家及地方各級政府相繼出臺系列政策對秸稈禁燒及其綜合利用的總體目標、重點任務和技術措施進行闡述[5-7]，并將秸稈資源綜合利用規(guī)劃為“五化”技術工程(能源化、飼料化、肥料化、原料化和基料化)。秸稈資源綜合利用對穩(wěn)定農業(yè)生態(tài)平衡、促進農民增產增收、緩解能源與環(huán)境壓力具有重要作用[8]。目前東北地區(qū)雖通過多種途徑利用秸稈資源，但由于部分政策規(guī)定較為模糊，部門監(jiān)督指導落實程度較差，對農戶及企業(yè)等公眾指導激勵性不強，且并未綜合考慮地區(qū)氣候條件、地域環(huán)境、資源配置、種植業(yè)結構、技術體系、資金狀況及農戶認識等因素[9-11]，導致秸稈整體利用尚處于初級粗放階段，無法在短期內完全遏制秸稈焚燒現(xiàn)象。

在此背景下，本文對東北地區(qū)秸稈資源利用現(xiàn)狀進行全面調研，結合相關文獻研究，重點對其秸稈資源產量分布、焚燒問題、收儲運模式及“五化”綜合利用技術現(xiàn)狀進行闡述分析，深入了解國內外其他地區(qū)秸稈綜合利用發(fā)展特點與經驗，歸納總結國家及地方各級政府秸稈利用政策措施，并指出秸稈綜合利用產業(yè)未來發(fā)展方向與建議，以期為構建具有東北特色的秸稈資源綜合利用技術體系提供參考。

1 東北地區(qū)作物秸稈資源概況

1.1 作物秸稈資源產量分布

近些年東北地區(qū)糧食產量逐年增加，其副產品作物秸稈資源量也隨之增長，作物秸稈資源量與區(qū)域作物產量具有顯著正相關性[12]，同時與其種植規(guī)模、作物品種和氣候條件等相關。通常采用傳統(tǒng)谷草比法、農作物副產品比重法和農作物經濟系數(shù)法等對作物秸稈產量進行估算評價[13-15]，根據(jù)東北地區(qū)作物產量數(shù)據(jù)對2008—2015年秸稈可收集產量進行統(tǒng)計估測，其估算公式為

(1)

式中S——秸稈可收集總產量，萬tSi——第i年作物總產量，萬tXi——第i年作物谷草比di——第i年作物秸稈可收集利用系數(shù)

參考農業(yè)區(qū)域規(guī)劃研究[16-17]，對近年東北三省(黑龍江省、吉林省和遼寧省)秸稈可收集產量進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，其中作物谷草比主要參考《農業(yè)技術經濟手冊》，作物產量數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計年鑒2008—2015》，結果如表1所示。

表1 2008—2015年東北地區(qū)主要作物秸稈可收集產量Tab.1 Recyclable yield of main crop straw in Northeast China from 2008 to 2015 萬t

由表1可知， 2008—2015年東北地區(qū)作物秸稈總產量呈逐漸增長趨勢，其歷年年均增長率約6.1%，2015年秸稈可收集產量約1.59億t，其中玉米秸稈總量約0.98億t，水稻秸稈總量約0.43億t。結合各省市作物種植區(qū)域特點分析，由于種植業(yè)結構、耕作環(huán)境及糧食部署方案等因素影響[18-19]，東北地區(qū)秸稈資源存在明顯地域性特點，以玉米和谷物糧食作物秸稈為主。黑龍江省秸稈產量最高，約占東北地區(qū)秸稈總產量50.5%(2015年)，其中哈爾濱市、綏化市及農墾系統(tǒng)秸稈產量約占全省2/3，玉米、水稻及大豆等3種主要作物秸稈產量約占全省秸稈總產量的93%。玉米秸稈主要分布于松嫩平原中南部半濕潤區(qū)、松嫩平原西部干旱半干旱區(qū)和三江平原溫和半濕潤區(qū)，處于第一、第二和第三積溫帶。水稻秸稈分布于黑龍江省各地，種植水稻萬公頃以上市縣近40個，形成稻谷秸稈生產集中區(qū)。吉林省處于世界“三大黃金玉米帶”地域之一，玉米占吉林省種植面積60%以上[20-21]，其玉米秸稈為該省主要秸稈資源種類，主要分布于長春市、松原市、四平市和吉林市等地。遼寧省以玉米、水稻、大豆、高粱和花生等為主要作物，其中玉米秸稈集中于遼中低丘平原區(qū)，包括沈陽市、鞍山市、營口市、遼陽市和鐵嶺市等地，約占遼寧省秸稈資源總產量的60%。水稻秸稈集中于遼河三角洲類型區(qū)，約占遼寧省秸稈資源總產量的30%?；ㄉ痛蠖菇斩捴饕杏诟沸率小㈣F嶺市、沈陽市和葫蘆島市等地，約占遼寧省秸稈資源總產量的5%。在秸稈綜合利用發(fā)展過程中，應結合各地區(qū)作物種植結構特點，發(fā)展區(qū)域優(yōu)勢產業(yè)，將秸稈資源合理有效利用，建立布局合理、多元利用、節(jié)能環(huán)保的產業(yè)技術體系[22]。

1.2 作物秸稈焚燒現(xiàn)狀

近些年隨著東北地區(qū)農業(yè)經濟的快速發(fā)展，農民生活條件和農村燃料結構的改變，作物秸稈逐漸變?yōu)楦吨痪娴霓r產品廢棄物。由于大面積秸稈焚燒和供暖起爐，加之近地面風力較小，大氣層結構穩(wěn)定，出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象，引發(fā)大范圍強霧霾天氣，造成秸稈資源嚴重浪費，同時易發(fā)生火災與環(huán)境污染，影響道路及航空交通[23-25]。秸稈焚燒所引發(fā)的強霧霾天氣已成為東北地區(qū)乃至全國亟待解決的社會性問題，航拍焚燒現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 秸稈焚燒現(xiàn)場Fig.1 Scenes of straw burning

對2014—2016年11月份東北三省(黑龍江省、吉林省和遼寧省)單周(11月2日—8日)秸稈焚燒火情進行統(tǒng)計(數(shù)據(jù)來源于國家環(huán)保部衛(wèi)星環(huán)境應用中心)，結果如表2所示。

表2 2014—2016年東北地區(qū)秸稈焚燒火情統(tǒng)計Tab.2 Statistics of straw burning in Northeast China from 2014 to 2016

由表2可知，2016年東北地區(qū)秸稈焚燒整體情況得到一定緩解，較2015年同期降低207個焚燒點，但對比全國各區(qū)域秸稈焚燒總數(shù)據(jù)，其整體仍居全國首位，其中黑龍江省第一，約占全國火點總數(shù)76.7%。結合各省市秸稈焚燒火情分布情況可知，黑龍江省哈爾濱市、大慶市和綏化市，吉林省長春市、松原市和白城市，遼寧省沈陽市、鞍山市和遼陽市等地因秸稈焚燒帶來的空氣污染最為嚴重，城市AQI(空氣質量指數(shù))達到500。近些年省市各級政府積極采取各種措施手段[26]，加強推進生態(tài)文明建設、大氣污染防治的戰(zhàn)略部署，研究完善秸稈資源綜合利用的政策措施，加大秸稈禁燒監(jiān)管力度。但因涉及氣候條件、地域環(huán)境、種植業(yè)結構、政策法規(guī)、技術水平、補貼資金及農戶認識等多方面因素，造成無法在短期內完全解決東北地區(qū)秸稈焚燒問題，有效合理利用秸稈資源已成為一個綜合性系統(tǒng)工程。在未來規(guī)劃發(fā)展中，應結合東北地區(qū)地域環(huán)境與資源配置特點，以提高農業(yè)發(fā)展效益，促進資源有效利用為目標，形成“疏堵結合、以疏為主、以堵促疏”的秸稈禁燒長效機制。

2 作物秸稈收儲運技術模式

為減少因秸稈隨意拋棄、焚燒等現(xiàn)象帶來的系列環(huán)境問題，穩(wěn)定農業(yè)生態(tài)平衡，緩解環(huán)境壓力，國家及地方各級政府大力提倡秸稈資源綜合利用，通過“五化”利用技術促進產業(yè)快速發(fā)展，而其綜合利用前提保障是建立有效合理收儲運技術體系與發(fā)展模式[27]。秸稈收儲運技術是在保證秸稈利用價值前提下，通過專業(yè)機具及時有效將散落的秸稈進行收集、運輸和中間儲存或直接運至秸稈利用場所的系統(tǒng)技術，是實現(xiàn)秸稈資源化、商品化利用的重要基礎。秸稈收集環(huán)節(jié)是通過人工手動或機械收集將秸稈打包、打捆及壓縮；秸稈儲存環(huán)節(jié)是指在田邊、收儲站或處理廠等地的防潮防腐存放；秸稈運輸環(huán)節(jié)是將秸稈從田間或收儲站裝載運輸至資源加工廠。

由于各地區(qū)經濟發(fā)展水平和自然地理條件差異，形成了不同種類的收儲運技術模式，主要以分散型和集中型為主[28-29]。其中分散型收儲運模式以農戶、專業(yè)合作經濟組織或秸稈經濟人為主體，將分散秸稈收集后提供給企業(yè)，此種模式將零散秸稈收儲運問題化整為零，但很大程度受制于個人，系統(tǒng)管理原則較差。集中型收儲運模式以專業(yè)秸稈收儲運公司或農場為主體，負責整體收集、晾曬、儲存和運輸?shù)拳h(huán)節(jié)，并按秸稈資源利用進行分類交售，此種模式采用先進技術設備對秸稈原料進行處理，解決秸稈供應隨意性風險，但一次性投入資金較大，固定成本較高。各體系模式建設與秸稈資源綜合效益及產業(yè)發(fā)展具有重要關系，其總體模式規(guī)劃如圖2所示。

圖2 秸稈收儲運技術模式Fig.2Straw collection-storage-transportation technology mode

在秸稈收儲運系統(tǒng)中主要通過專業(yè)機具及時有效進行秸稈撿拾、打捆、壓縮及裝載運輸，以便后續(xù)資源化利用處理。國外學者及農機制造企業(yè)對秸稈撿拾打捆裝載技術與裝備的研究較早，已形成品種齊全、系列完整且智能標準的配套裝備[30-32]；國內對此類技術研究相對較晚，通過引進消化吸收再創(chuàng)新模式進行機具改進優(yōu)化，但其產品應用性能、可靠性及穩(wěn)定性較低[33-34]，如打捆機核心部件打結器仍需依靠進口，未開發(fā)配置成熟智能監(jiān)測控制系統(tǒng)，未有專業(yè)用于秸稈運輸?shù)臋C具(多在常規(guī)裝載機械基礎上改造)，目前東北地區(qū)應用較廣的秸稈撿拾打捆運輸?shù)湫团涮讬C具如表3所示。

表3 秸稈撿拾打捆運輸環(huán)節(jié)典型配套機具Tab.3 Typical machines of straw collection-storage-transportation

秸稈收儲運成本是制約秸稈資源經濟發(fā)展和生產穩(wěn)定的重要因素，相關調研考察表明[35]，秸稈收儲運環(huán)節(jié)經濟投入約占秸稈資源全程利用投入40%～50%，合理優(yōu)化秸稈收儲運模式，建立平衡穩(wěn)定技術體系，對其綜合利用發(fā)展大有裨益。近些年國內外眾多學者圍繞秸稈收儲運模式、收集半徑及成本收益等問題開展研究。FORSBERG[36]采用生命周期評價法對秸稈資源化運輸鏈進行分析，研究各運輸方式對環(huán)境效益影響；徐亞云等[37]對不同秸稈收儲運模式成本及能耗加以分析，建立收儲運成本與利潤間關系，為選擇各地區(qū)合適收儲運模式提供參考依據(jù)。但由于各地區(qū)經濟發(fā)展水平及秸稈分布狀況不同，無法建立完整系統(tǒng)的效益模型分析其內部具體關系，從成本收益角度考慮，應盡量在田間對秸稈就地加工，縮減作業(yè)環(huán)節(jié)，同時合理選擇收集規(guī)模、收集量及運輸路徑，以有效降低收儲運成本。

目前東北地區(qū)收儲運技術實施主要存在以下問題：秸稈田地分散零碎，收儲運難度大；收運周期短，若夾雜雨雪將影響收運效率及質量，其實際有效收運時間僅20余天；撿拾不凈，小型農戶壟作影響機具收凈率；收運機械小型化，以小型撿拾機為主，打捆機逐漸由30 kg小方捆過渡至200 kg大圓捆，缺乏草捆撿拾車及秸稈收運車等配套車輛，且人工運輸裝卸成本較高；收儲運成本難以消化，一般企業(yè)無法解決秸稈加工產品附加值低但收集成本高的矛盾，僅通過政府補貼推動無法平衡各環(huán)節(jié)利益。

為建立適用于東北地區(qū)的秸稈收儲運技術模式，推進秸稈資源綜合利用產業(yè)發(fā)展，借鑒國內其他省市較成功模式及國外收儲運模式經驗[38-39]，綜合東北地區(qū)未來經濟發(fā)展趨勢與收集環(huán)境等狀況，建議統(tǒng)籌分析秸稈收、儲、運、用各環(huán)節(jié)支持方式，將分散型模式與集中型模式相結合，針對區(qū)域特點按秸稈產地合理區(qū)域半徑的就近就地利用原則(建議有效收集半徑50 km內)，降低收儲運成本，建立健全以政府推動為保障，秸稈利用企業(yè)和收儲組織為軸心，專業(yè)合作經濟組織或秸稈經濟人參與，市場化運作的專業(yè)化規(guī)?；斩捠諆\體系。投入資金及激勵政策方面，建議健全秸稈綜合利用稅費、信貸及土地等優(yōu)惠政策，設立綜合利用及收儲運專項補助資金(建議每667 m2耕地秸稈農戶給予10～30元補貼)；技術創(chuàng)新方面，制定合理的田間收儲實施方案，積極扶持以機收撿拾打捆為重點的收儲運服務組織發(fā)展，開發(fā)具有自主知識產權且適合東北地區(qū)的各類型規(guī)格撿拾機、打捆機及裝載運輸機等配套機具。各環(huán)節(jié)共同作用逐步構建“分整結合、區(qū)域收儲、集中轉運、規(guī)模利用”秸稈收儲運技術體系與發(fā)展模式。

3 作物秸稈資源綜合利用技術

1999年國家環(huán)?？偩峙c農業(yè)部等部委聯(lián)合發(fā)布《秸稈焚燒和綜合利用管理辦法》、2008年國務院發(fā)布《關于加快推進農作物秸稈綜合利用的意見》、2011年國家發(fā)改委、農業(yè)部和財政部聯(lián)合發(fā)布《“十二五”農作物秸稈綜合利用實施方案》，至2016年國家秸稈產業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟發(fā)行《中國秸稈產業(yè)藍皮書》，一系列政策及著作相繼對作物秸稈禁燒和綜合利用進行界定，闡述總體目標、重點任務和技術措施，并將秸稈“五化”綜合利用技術分解為20余項小類技術[40-42]。目前東北地區(qū)秸稈以能源化發(fā)電利用及肥料化還田利用為主，飼料化利用和原料化利用潛力較大，基料化利用處于起步階段，整體綜合利用尚處于初級粗放階段，深度開發(fā)力度不足[43]。在未來發(fā)展中應結合地域環(huán)境及資源配置特點，集成能源化、飼料化、肥料化、基料化和原料化等成熟實用技術，構建具有東北特色“還田主導型、種養(yǎng)結合型、多元循環(huán)型、產業(yè)帶動型”的秸稈綜合利用技術模式并示范推廣。

3.1 作物秸稈能源化利用技術

東北地區(qū)位于中國北方高寒地帶，是國家實施振興東北老工業(yè)基地戰(zhàn)略的主要載體，能源對其整體發(fā)展具有至關重要作用。作物秸稈作為一種極具潛力的生物質資源，含有豐富的碳、氫和氧等養(yǎng)分，具有資源豐富、發(fā)熱量高和清潔環(huán)保等優(yōu)點[44-45]，可有效替代常規(guī)化石燃料，延長各產業(yè)鏈發(fā)展，緩解區(qū)域能源與環(huán)境壓力。根據(jù)能源轉化方式分為秸稈燃料轉化技術(高效燃燒、固化成型和燃燒發(fā)電)、秸稈氣化技術(生物氣化和熱解氣化)和秸稈液化技術(纖維素乙醇和生物柴油)。

3.1.1 秸稈燃料轉化技術

秸稈燃料轉化技術主要包括高效燃燒技術、固化成型技術和混合發(fā)電技術。高效燃燒是以節(jié)約能源、提高效率為目標，將秸稈作為燃料直接燃燒的技術，是一種傳統(tǒng)能源利用形式，其相對利用率較低，生態(tài)效益及社會效益較差。目前在東北地區(qū)偏遠農村仍以此種方式為主進行炊事和取暖[46-47]，但隨著新農村建設和城鎮(zhèn)化進程的推進，此種利用秸稈供能的傳統(tǒng)方式將逐漸減少并被取代，各地區(qū)正逐步推廣秸稈成型燃料鍋爐供熱(供蒸汽)取代現(xiàn)有燃煤鍋爐，積極建設低碳能源生態(tài)村等文明工程。

秸稈固化成型是在一定溫度及壓力條件下通過專用設備將粉碎秸稈壓縮為棒狀、塊狀或顆粒狀等成型燃料的技術，固化成型后秸稈體積壓縮1/18～1/15，熱效率增加50%～70%，可提高其運輸及貯存能力，改善燃燒性能及應用范圍。根據(jù)成型工藝分為濕壓成型、熱壓成型和碳化成型3種[48-50]，其配套機具多針對玉米秸稈，較為成熟設備包括螺旋式擠壓成型機、活塞沖壓式成型機、壓輥式擠壓成型機和平模式成型機。目前相關技術創(chuàng)新多集中于秸稈固化成型技術理論及配套機具研究。中國農業(yè)大學徐楊團隊[51]對影響秸稈生物質壓縮、機械、流變及成型等工藝特性進行研究，為固化成型技術提供理論參考。東北林業(yè)大學王述洋團隊[52-53]針對北方秸稈燃料高效應用及固化成型技術進行研究，為固化成型技術在北方地區(qū)應用推廣提供可行性建議。但上述研究多處于試驗階段，工藝技術成熟度有待提高。黑龍江省雞西市、吉林省梨樹鎮(zhèn)及遼寧省凌源市等地對秸稈固化成型技術與機具已實現(xiàn)部分產業(yè)化和規(guī)?；a。

燃燒發(fā)電是將秸稈直接燃燒或與煤炭、石油天然氣等化石燃料混合燃燒或氣化為可燃氣體，進而驅動蒸汽輪機進行發(fā)電的現(xiàn)代化綜合利用技術。此項技術可有效節(jié)省化石燃料用量，提高生物質能源利用率，減少溫室氣體排放，是最直接有效的秸稈利用途徑之一。相關研究表明[54]，單位質量秸稈的熱量相當于標準煤的1/2，而其平均含硫量僅為3.8%。自2005年以來《中華人民共和國可再生資源法》、《電網(wǎng)企業(yè)全額收購可再生能源電量監(jiān)管辦法》和《可再生能源發(fā)電價格和費用分攤管理試行辦法》等相關政策法規(guī)的頒布促進了此項技術在國內推廣發(fā)展。目前東北地區(qū)已形成較為成熟的秸稈生物質發(fā)電技術路線，黑龍江省慶安縣、富?？h，吉林省白城市等地相繼開展相關項目并建設大型秸稈發(fā)電廠，以便規(guī)模化秸稈資源收集。在秸稈能源發(fā)電建設規(guī)劃過程中，應根據(jù)各地秸稈資源條件、分布特點、收集半徑及保障能力，合理布局發(fā)展，并加強針對北方寒地秸稈燃料輸送系統(tǒng)技術及發(fā)電鍋爐的研發(fā)，解決目前絕大部分依靠進口發(fā)電設備，缺乏核心技術的問題。

3.1.2 秸稈氣化技術

秸稈氣化是一種將秸稈資源轉化為清潔氣態(tài)資源的生物質能轉化技術，根據(jù)氣化方法分為熱解氣化和生物氣化。秸稈熱解氣化技術主要在控制氧含量條件下通過高溫干燥、熱解、燃燒及還原4個階段將秸稈轉化為一氧化碳、氫氣及甲烷等混合可燃氣體，并通過后處理方式經儲氣罐或地下管網(wǎng)形式輸送。目前國內秸稈氣化工程多適用于鄉(xiāng)村小型集中供氣和中小型氣化發(fā)電，其整體效率較低，成本較高，且氣化、焦油處理和發(fā)電系統(tǒng)裝備改造難度較大[55]。國內高?？蒲袡C構及企業(yè)在熱解氣化理論及設備等方面進行了積極研究，并逐漸進行應用推廣。山東大學[56]研究開發(fā)的MW級下吸式固定床氣化反應爐，結合基于化學吸收的燃氣凈化技術，已在黑龍江伊春地區(qū)建設示范項目，是我國中等規(guī)模生物質氣化技術的重要嘗試。

秸稈生物氣化，也稱秸稈沼氣，是一種通過微生物厭氧消化作業(yè)將秸稈轉化為生產沼氣和固態(tài)有機肥料(沼渣)的處理技術。此項技術可有效解決沼氣推廣過程中原料不足的問題，同時其副產品沼液及沼渣可作為有機肥料施用，具有能耗低、無污染及經濟效益好等優(yōu)點[57]，其基本應用模式如圖3所示。在東北地區(qū)冬季低溫條件下秸稈沼氣生產質量與利用效率均受到影響，存在一定應用局限性。東北農業(yè)大學李文哲團隊[58-59]研究提出了寒冷地區(qū)干濕耦合厭氧發(fā)酵技術和分布式新農村資源化技術，對其發(fā)酵罐體、攪拌裝置、進料裝置、出料裝置的罐式連續(xù)干法發(fā)酵系統(tǒng)和沼肥田間機械化暗灌施肥機械進行研究，通過調整畜禽糞便及秸稈比例，實現(xiàn)寒區(qū)大型沼氣工程發(fā)酵原料的穩(wěn)定供應，解決冬季寒地沼氣利用難題，該成果已與哈爾濱良大實業(yè)(集團)有限公司合作進行產業(yè)化推廣，應用于黑龍江省哈爾濱市并建設生態(tài)產業(yè)園區(qū)。

圖3 秸稈沼氣利用基本應用模式Fig.3 Basic application model of straw biogas utilization

3.1.3 秸稈液化技術

秸稈液化是通過物理、化學和生物等方法，在一定溫度壓力、溶解劑及催化劑作用下，使秸稈木質生物質高分子結構裂解為小分子液態(tài)產物(醇類或可燃性油)的一種高效技術，可有效實現(xiàn)作物秸稈向液態(tài)燃料或化工原料的轉變。此項技術主要包括原料處理、糖化水解、發(fā)酵和蒸餾4道工序，每道工序可選擇的技術模式較多，應結合地區(qū)經濟基礎、技術條件和資源比例等因素進行規(guī)?；攸c發(fā)展。浙江大學陳明[60]對玉米秸稈制取燃料乙醇關鍵技術進行研究，為纖維素乙醇產業(yè)化提供理論參考。華南農業(yè)大學解新安等[61-62]采用集總方法對秸稈在亞/超臨界乙醇中液化機理進行試驗研究，分析其水解臨界規(guī)律。2002年開始在黑龍江部分地區(qū)進行秸稈液化制取乙醇的研究推廣，至2004年在東北三省進行整體推廣，雖然秸稈資源價格成本低廉，但其液化為生物燃料的工藝較復雜，所需能源消耗較大，且收儲運費用過高，造成秸稈試制乙醇燃料經濟效益不具備較強市場優(yōu)勢。在未來發(fā)展過程中應堅持生物精煉與乙醇聯(lián)產模式，提升拓展秸稈底物各組分經濟價值，強化秸稈收儲運技術網(wǎng)絡，有效促進秸稈液態(tài)技術發(fā)展及推廣。

3.2 作物秸稈飼料化利用技術

圖4 秸稈飼料化利用技術分類Fig.4 Technical classification for straw feed unitization

作物秸稈作為牧畜動物主要飼料之一，因富含不易消化的粗纖維素及木質素等非淀粉類物質，造成牧畜采食量小、消化率低、適口性差等問題，限制其在畜牧產業(yè)中發(fā)展[63]。2011年農業(yè)部發(fā)布《全國節(jié)糧型畜牧發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》迅速推進了作物秸稈飼料化利用發(fā)展。秸稈飼料化利用對標準化規(guī)模養(yǎng)殖，解決“人畜爭糧”，保障中國糧食安全產能具有重要意義[64-65]。東北地區(qū)是秸稈飼料化利用發(fā)展核心區(qū)域，其秸稈飼料利用率逐年增長，但有效利用率較低，以黑龍江省飼料利用為例，2014年秸稈飼料化總量約1 700萬t，但僅20%秸稈經精細加工制成飼料，50%秸稈經簡單鹽化處理直接飼喂牧畜[66]。秸稈飼料化利用的主要流程：作物秸稈→秸稈收儲運→秸稈飼料轉化→飼料，其中秸稈飼料轉化是其系統(tǒng)核心技術,秸稈收儲運是系統(tǒng)實施保障，在技術集成推廣時應遵循目的統(tǒng)一、功能匹配、社會協(xié)調、整體優(yōu)化等原則進行發(fā)展，其轉化技術分類如圖4所示。前文已對秸稈收儲運技術模式進行闡述，在此重點總結分析秸稈飼料轉化技術應用特點與現(xiàn)狀。秸稈飼料轉化技術是通過物理處理(粉碎軟化、拉絲揉搓、壓塊粒化、蒸煮膨化和熱噴)、化學處理(酸化、堿化、氧化、氨化和氨堿復合)和微生物處理(青貯、微貯、黃貯、發(fā)酵和酶解)等方式將粗質秸稈轉化為優(yōu)質飼料的技術。目前國內外對飼料轉化技術及裝備研究多集中于青貯收獲、秸稈包膜、揉絲攪拌混合及壓塊加工等方面[67-69]，國外集成機電液控制等多項核心技術，已研制生產高速大型、系列完整、智能標準配套機具，但國內研究仍處于初級階段，缺乏相關基礎理論、工藝方法及機具研究，成熟產品應用較少[70]。東北地區(qū)飼料轉化機具應用以引進為主，其相關部分典型配套機具工作原理、技術特點及參數(shù)如表4所示。

表4 秸稈飼料轉化技術典型配套機具Tab.4 Typical machines of straw feed conversion unitization technology

3.2.1 秸稈飼料物理轉化技術

秸稈拉絲揉搓和壓塊加工是目前東北地區(qū)應用較廣、發(fā)展較快的物理處理方法[71-72]。拉絲揉搓是將秸稈精細加工為柔軟絲狀物，提高牲畜適口性、采食率和消化率。實際生產應用證明[73]，通過揉搓技術研制的反芻動物全混合日糧(TMR)機具可有效將秸稈等粗飼料與多種添加劑充分混合配制，改善單喂時適口性差和消化率低等問題。黑龍江省畜牧機械化研究所[74]設計了一種適用于大型秸稈密度板制造的滾刀式秸稈揉搓機，并對物料拋送過程機理進行研究。東北農業(yè)大學王德福團隊[75-76]設計了轉輪式全混合日糧混合機，結合虛擬仿真優(yōu)化、臺架及田間試驗，提高機具作業(yè)質量與效率。吉林大學[77]采用仿生學原理對反芻動物瘤胃消化進行模擬，提高揉搓過程作業(yè)質量，節(jié)約配套功率消耗。壓塊加工是將鍘切或揉搓粉碎秸稈配混其他營養(yǎng)物質，經高溫高壓軋制成高密度塊狀或顆粒狀飼料，以便于保存運輸且防止霉變，此種處理方法可有效解決東北地區(qū)冬季飼料供給不足問題，在日常飼喂、抗災保畜及商品飼料生產中均可取得較大經濟效益。

3.2.2 秸稈飼料化學轉化技術

化學處理法主要通過酸堿等化學試劑破壞秸稈細胞壁致密結構，增大纖維素間孔隙度，改善秸稈適口性及營養(yǎng)價值。酸堿及氧化等處理方法存在污染嚴重、生產成本高等問題，正逐步被氨堿復合處理所取代[78]。氨堿復合處理主要應用尿素和氫氧化鈣溶液，克服常規(guī)氨化處理秸稈消化率不高等缺點，其應用成本較低，操作簡單安全[79]。目前東北地區(qū)部分縣村已采用氨堿復合方式對稻稈及麥稈進行處理。

3.2.3 秸稈飼料生物轉化技術

物理及化學處理方法主要適用于反芻牲畜動物飼喂，對單胃動物具有一定局限性。相對而言，微生物處理主要通過特定微生物及分泌物對秸稈進行降解處理，將高度聚合多糖分解為低分子多糖或單糖，有效拓展秸稈飼喂范圍。其中青貯、微貯和酶解是目前較常用的微生物處理方法，也是政策積極鼓勵推廣技術[80]，如圖5所示。東北農業(yè)大學王亮[81]對高寒地區(qū)水稻秸稈青貯方式及飼喂效果進行了研究，重點分析了各菌種對處理質量的影響。沈陽農業(yè)大學孫清[82]以纖維素酶對玉米秸稈進行酶解，探究溫度、pH值和酶濃度等因素對秸稈酶解轉化影響。目前東北地區(qū)積極提倡秸稈飼料規(guī)?；瘍?yōu)質生產，推廣秸稈青貯、微貯及氨化等技術，根據(jù)各區(qū)域種植結構變化，適當擴大青貯種植，同時大力扶持青貯飼料基地及飼料加工機械化生產大型養(yǎng)殖企業(yè)發(fā)展，推進秸稈飼料化總體發(fā)展。

圖5 秸稈飼料生物轉化技術主要方式Fig.5 Main ways of straw feed bioconversion technology

3.3 作物秸稈肥料化利用技術

東北黑土區(qū)是世界三大黑土區(qū)之一，典型黑土面積達1.18×105km2，其耕地土層深厚、土壤結構優(yōu)良，蘊含養(yǎng)分豐富，經多年大規(guī)模開墾已將東北地區(qū)打造為我國最重要的糧食及商品糧生產基地[83-84]。但由于長期過度開墾耕作、重用輕養(yǎng)及化肥施用過量，造成土質結構破壞，有機質分解礦化，土壤肥力嚴重退化。相關研究表明[85]，近20年東北地區(qū)土壤有機質含量相對降低22.26%，速效鉀含量相對降低34.47%，pH值相對降低0.38，速效磷相對增加65.49%(大量施用化肥導致)。

秸稈肥料化利用技術主要通過多種秸稈還田方式實現(xiàn)，是目前東北地區(qū)秸稈利用最主要方式之一，以此項技術作為黑土地退化修復的突破口，可有效平衡補充土壤養(yǎng)分，改善土壤物理性狀及蓄水能力，提高作物產量與生產潛力，同時與發(fā)展可持續(xù)性生態(tài)農業(yè)政策相匹配。根據(jù)還田形式可分為直接還田(高茬還田、粉碎還田和覆蓋還田)、間接還田(堆謳還田、沼渣還田和過腹還田)和生化腐熟還田(催腐堆肥和酵菌堆肥)，其中直接還田占秸稈總利用量比例較大，約占黑龍江省秸稈用量25.0%，吉林省秸稈用量8.9%。

3.3.1 秸稈直接還田技術

秸稈直接還田技術主要通過農業(yè)機械將收獲后秸稈粉碎并拋撒在田間后耕翻掩埋，或將整株秸稈及高留茬直接覆蓋于土壤深層還田，實現(xiàn)蓄水保墑、增加地表積溫及土壤肥力的目的，具有快捷方便、高效低耗等優(yōu)點，是東北地區(qū)重點推廣技術[86]。東北地區(qū)秋季收獲期集中，冬季封凍時間長，土壤積溫較低，氣候干燥，直接還田秸稈分解速度緩慢，影響還田作業(yè)效果，因此對還田農藝要求較嚴格。相關試驗研究表明[87]，其秸稈還田率應大于85%，還田深度應大于18 cm，才可基本滿足秸稈還田腐爛降解要求。

目前東北地區(qū)大型墾區(qū)多通過大型聯(lián)合收獲機具在收獲時進行同步粉碎還田作業(yè)[88]，代表機型如約翰迪爾公司C120型稻麥聯(lián)合收獲機，在機具后側出料口處配置秸稈粉碎拋撒裝置，收獲過程中直接將脫離秸稈進行粉碎并均勻拋撒覆蓋于地表，再通過旋耕或犁翻作業(yè)將粉碎秸稈埋入土壤。對于小型地塊采用半喂入式聯(lián)合收獲機收獲后秸稈整株放置于田間的情況，在秸稈風干后多采用粉碎還田機進行直接粉碎作業(yè)[89]，代表機型如格蘭公司FXN280型秸稈粉碎滅茬還田機，通過高速旋轉刀軸配置重載型刀片將秸稈粉碎(碎段長度10 cm內)并均勻鋪撒于田間，再通過旋耕或犁翻進行翻埋還田。由于二次粉碎翻埋還田增加農戶作業(yè)成本，影響經濟收益，因此多數(shù)農戶在耕整地時直接通過旋耕機或犁直接翻埋還田作業(yè)[90]，但其作業(yè)效果不理想，還田深度較淺，無法滿足農藝要求。近些年國內創(chuàng)新研制多種機械化聯(lián)合作業(yè)機具，在東北部分地區(qū)示范推廣應用。東北農業(yè)大學王金武團隊[91-93]提出一種水稻秸稈整株深埋還田聯(lián)合作業(yè)整地技術，研制了系列配套作業(yè)機具，該機具可一次性完成切土、碎土、埋土、壓草及覆土等多道工序，將水稻整株秸稈直接深埋入地下，克服秸稈粉碎還田后在水整地過程中秸稈浮出的弊端，并于2013—2016年間在黑龍江省佳木斯市、綏化市和建三江農場等地開展示范推廣。東北農業(yè)大學與黑龍江省農業(yè)機械運用研究所[94]聯(lián)合研制了一種秸稈開溝深埋還田機，通過配置鏈條傳動式刀片將土壤切削為上寬下窄溝體進行秸稈深埋還田，為秸稈還田機具結構形式創(chuàng)新提供新思路。黑龍江省農業(yè)機械工程科學研究院設計了一種與大功率拖拉機配套的滅茬深松整地聯(lián)合作業(yè)機[95]，對其關鍵部件高速旋耕滅茬機構、斜式深松土鏟、波紋盤耙及碎土輥進行優(yōu)化設計，經生產應用證明，該機具可有效提高玉米耕整地及還田質量。吉林大學賈洪雷團隊[96]設計了一種雙刀輥秸稈-根茬粉碎還田聯(lián)合作業(yè)機，為東北地區(qū)保護性耕作及秸稈還田提供了一種機具選擇的可行方案。沈陽農業(yè)大學林靜團隊[97]結合東北地區(qū)玉米種植農藝特點，設計了一種動定刀配合反旋式玉米秸稈還田機，并進行虛擬仿真分析及田間試驗，為相關機具及關鍵部件優(yōu)化設計提供參考。上述東北地區(qū)直接還田典型配套機具工作原理、技術特點及相關參數(shù)如表5所示。

表5 秸稈直接還田技術典型配套機具Tab.5 Typical machines of straw returning directly technology

3.3.2 秸稈間接還田技術

秸稈間接還田是利用作物秸稈進行養(yǎng)畜和發(fā)酵，在完成畜禽飼喂和生成沼氣后，對其糞便或沼渣等進行處理還田的一種提高秸稈利用效益的技術，可有效解決因未能充分分解的秸稈影響次年耕播作業(yè)、抑制出苗和誘發(fā)病蟲害等問題，其發(fā)展與秸稈飼料化及能源化具有一定關聯(lián)，主要方式如圖6所示。目前對間接還田糞便或沼渣的處理方式主要有2種：經傳統(tǒng)方法堆漚，自然發(fā)酵后直接還田利用；經生物技術發(fā)酵處理，生產商品有機肥[98]。上述處理方式均通過微生物降解秸稈中難以利用的纖維素、蛋白質和尿酸鹽等高分子有機物，將其轉化為菌體蛋白、氨基酸或其他促進作物生長有益成分，并利用微生物發(fā)酵高溫殺滅病原菌和蟲卵，實現(xiàn)肥料有效轉化[99]。此項技術發(fā)展及推廣過程中，應考慮東北寒冷地區(qū)環(huán)境約束，調整畜禽糞便與秸稈資源混合比例，實現(xiàn)資源有效轉化，構建循環(huán)生態(tài)農業(yè)模式，促進畜牧養(yǎng)殖產業(yè)及能源產業(yè)發(fā)展。

圖6 秸稈間接還田技術主要方式Fig.6 Main ways of straw returning indirectly technology

3.3.3 秸稈生化腐熟還田技術

秸稈生化腐熟還田是將粉碎后作物秸稈與生物菌劑、催化劑等混合，灑水堆壓后高溫漚制使高分子粗纖維分解為小分子糖醇等物質形成有機熟肥的技術，具有腐化分解速度快(節(jié)省腐熟時間15～20 d)，腐解充分完全，肥效作用較高且穩(wěn)定等優(yōu)點[100]。南京農業(yè)大學丁為民團隊[101-102]將秸稈集溝還田技術與腐解劑噴施技術相結合，開溝深埋秸稈的同時噴施腐解劑，并研制開發(fā)相關配套機具，在長江中下游等多地區(qū)進行試驗示范，如圖7所示。甘肅農業(yè)大學戴飛等[103]研制了一種秸稈快速腐解聯(lián)合作業(yè)機，將秸稈快速腐解技術與田間秸稈機械粉碎作業(yè)相結合，在秸稈機械化還田作業(yè)的同時噴施腐菌劑加速秸稈腐解。生化腐熟技術在東北部分地區(qū)溫室大棚瓜果及蔬菜等經濟作物推廣應用，但由于氣候及土壤地溫等因素限制，秸稈腐熟速率受到影響，在大田作物生產中應用較少。

圖7 稻麥聯(lián)合收獲開溝埋草多功能一體機及作業(yè)效果Fig.7 Harvest ditch and stalk-disposing machine and its operation effect

3.4 作物秸稈原料化利用技術

秸稈纖維是一種天然纖維素，其生物降解性能好，可采用清潔生產工藝用于造紙原漿、輕型建材、包裝材料及可降解農用生產材料等產品的生產制造，促進秸稈產業(yè)化高效利用[104]。在國家“十二五”發(fā)展期間，東北地區(qū)有效利用秸稈資源豐富的優(yōu)勢，提高秸稈工業(yè)原料利用水平，多地試點建設秸稈造紙、秸稈木糖醇、活性炭及復合人造板等工程[105]。根據(jù)作用轉化對象分為清潔制漿技術、復合材料生產技術和農用材料配制技術。

3.4.1 秸稈清潔制漿技術

秸稈清潔制漿是通過有機溶劑、微生物或催化劑等，借助機械助力作用將秸稈中木質素與纖維素充分分離的生產技術，可有效緩解我國造紙原材料的短缺問題。常規(guī)用于造紙纖維原料秸稈為禾草類，包括稻草、麥稈、玉米稈和高粱稈等[106]。華南理工大學陳克復團隊[107-108]建立了適用于我國秸稈制漿造紙的評價體系與模式，為秸稈制漿造紙總體發(fā)展規(guī)劃提供思路；山東輕工業(yè)學院許偉[109]采用多種木聚糖酶優(yōu)化玉米秸稈制紙工藝，對開發(fā)新型基料造紙及提高紙張性能具有重要意義。近些年黑龍江省佳木斯市、慶安縣，吉林省德惠市和遼寧省開原市等多地建設秸稈綜合利用造紙工程項目，并進行相應外匯出口，使秸稈資源優(yōu)勢轉化為經濟優(yōu)勢，具有較為可觀的發(fā)展前景。

3.4.2 秸稈復合材料生產技術

秸稈復合材料生產是以秸稈纖維為主要原料，配混一定比例高分子聚合基料及粘結劑，通過物理、化學或生物工程等手段，經特殊工藝處理為系列多用途可降解綠色循環(huán)新材料的技術。已利用此項技術進行輕型材料類的纖維板、復合板及空心砌塊和餐飲包裝類的餐具、筷子等[110]的生產。西北農林科技大學丁武等[111]采用熱壓成型工藝對秸稈復合餐具進行耐水性能研究；哈爾濱商業(yè)大學朱琳等[112]采用壓膜成型技術將玉米秸稈加工為性能較好可替代泡沫塑料的緩沖包裝材料，并對其制備條件進行優(yōu)化；南京林業(yè)大學周曉燕等[113]采用輕質秸稈板與其他材料組裝的平壓法研制秸稈復合墻體。秸稈復合材料制取技術的應用可緩解對塑料等材料應用壓力，對人們生活品質提高，綠色生態(tài)環(huán)境發(fā)展具有重要意義，但由于相關技術工藝及市場企業(yè)效益等問題，制約其在東北地區(qū)發(fā)展。

3.4.3 秸稈農用材料配制技術

秸稈農用材料配制是將秸稈完全降解為植物纖維，混合配施生物基質進行農用材料二次轉化的新型技術，對秸稈高值化利用具有重要意義。東北地區(qū)主要運用此種技術進行水稻育秧盤及纖維地膜等農用材料的研制。黑龍江八一農墾大學汪春團隊[114-115]研究了水稻植質缽育秧盤制備技術，并研制系列配套機具，在黑龍江部分墾區(qū)進行推廣使用，如圖8a所示。東北農業(yè)大學陳海濤團隊[116-117]分別以沼渣、水稻秸稈、大豆秸稈及玉米秸稈等為原料，對可降解植物纖維基地膜技術進行系列研究，實現(xiàn)了植物纖維地膜的制取，如圖8b所示。上述研究成果為實現(xiàn)農業(yè)可再生資源循環(huán)利用提供有效技術支撐，但由于經濟成本等因素制約，并未在東北地區(qū)大面積推廣使用。

圖8 秸稈農用材料配制技術應用Fig.8 Applications of straw agricultural material preparation technology

3.5 作物秸稈基料化利用技術

秸稈基料是指以秸稈為主要原料，加工制備為動物、植物及微生物生長提供良好條件和一定營養(yǎng)的有機固體物料。狹義的秸稈基料化僅指利用秸稈栽培食用菌的技術，但隨著綜合利用技術的發(fā)展，已將此項技術擴展至溫室大棚育苗、花木基質和草坪基料等新途徑[118]，如圖9所示。根據(jù)秸稈品種、基料用途分為秸稈食用菌種植基料技術和秸稈植物栽培基料技術。1996年中國農業(yè)科學院蔬菜花卉研究所蔣衛(wèi)杰等[119]首次提出有機生態(tài)型無土栽培，將腐熟玉米秸稈、消毒雞糞等有機廢棄物與草炭、爐渣等混合作為基質進行溫室作物栽培試驗，證明了作物秸稈作為栽培基質的可行性；大連民族學院胡傳琪等[120]以秸稈和木屑混合物作為基料培育滑菇，研究各混合條件下滑姑生長狀況，確定其最優(yōu)基料配比。目前國內秸稈基料化利用技術仍有待提高，生產工藝與流程尚不規(guī)范，缺乏統(tǒng)一科學操作標準[121]。東北地區(qū)對秸稈基料化應用比例較低，尚未建立健全管理制度和實施方案，僅在黑龍江省尚志市、牡丹江市、東寧市和伊春市，吉林省延邊州和農安縣，遼寧省本溪市和葫蘆島市等食用菌產業(yè)帶進行應用生產。在未來發(fā)展過程中應拓寬黑木耳、猴頭菇、香菇、杏鮑菇、白靈菇和姬松茸等珍稀食藥用菌的多元開發(fā)利用，擴大食用菌及其他產業(yè)對秸稈基料的需求。

圖9 秸稈基料化技術應用Fig.9 Applications of straw basic material technology

4 國內外其他地區(qū)秸稈利用特點與經驗

東北地區(qū)因地制宜地發(fā)展秸稈資源綜合利用產業(yè)，并已取得了一定成果，但實際秸稈利用必須以現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展尤其是農業(yè)機械化推廣應用為保障。相對而言，世界各農業(yè)發(fā)達國家一直十分重視秸稈循環(huán)利用、土壤用養(yǎng)結合等生態(tài)農業(yè)發(fā)展[122-123]，秸稈利用水平已達到世界前列，在此重點對國外及國內其他地區(qū)秸稈利用特點、發(fā)展經驗進行系統(tǒng)梳理總結分析，以期為完善東北地區(qū)秸稈資源利用技術體系與發(fā)展模式提供決策參考。

4.1 國外秸稈利用特點與發(fā)展經驗

綜合整理分析文獻資料，農業(yè)發(fā)達國家注重秸稈綜合利用技術研發(fā)，大力開展秸稈還田循環(huán)利用(直接還田和畜牧飼料)，建立完善秸稈收儲運技術體系，積極推行秸稈離田產業(yè)化利用(秸稈發(fā)電、成型燃料和工業(yè)原料等)[124]，其研究進展與成功經驗對東北地區(qū)乃至全國范圍秸稈綜合利用具有重要啟示與借鑒意義。

秸稈還田循環(huán)利用方式是秸稈資源利用體系中最經濟且可持續(xù)的方法，可有效增加土壤有機質及微量元素等，在世界各地已得到普遍推行。相關資料表明[125]，歐美各國約2/3秸稈用于直接還田，約1/5秸稈用于飼料化利用，基本形成直接還田+廄肥+化肥“三合制”施肥制度。其中秸稈直接還田與現(xiàn)代農機耕作方式及機械化程度具有重要關系，發(fā)達國家多采用機械化收獲同時，將秸稈直接粉碎均勻拋撒地表，通過旋耕或犁翻進行深埋還田。20世紀60年代初美國全面實現(xiàn)谷物機械化收獲，其配套新型秸稈還田裝置也隨之研制[126]，多年來世界各地先后研制多種類型還田機具適用不同環(huán)境作物秸稈直接還田。20世紀50年代，美國、西歐等地已規(guī)?；茝V秸稈畜牧飼料轉化[127]，研制秸稈撿拾、打捆、注氨及包膜一體化處理機具，實現(xiàn)自動調節(jié)、智能監(jiān)測與控制等功能，可在田間直接進行氨化處理，并通過專用裝載運輸機具將秸稈運至處理場與精飼料混合攪拌進行全程機械化處理。其中以韓國為代表的家庭畜牧農場生產方式較為突出，其稻麥秸稈已實現(xiàn)全量化利用，近20%秸稈直接還田，80%秸稈飼料轉化利用[128]。秸稈直接還田及畜牧飼料轉化有效延長秸稈循環(huán)利用鏈條，形成“秸-畜-沼-肥”為主要方式的循環(huán)利用模式。其中德國是世界沼氣循環(huán)利用水平最先進的國家之一[129]，建立以種養(yǎng)結合農場為單元，混合原料(秸稈、糞便、有機生活垃圾及有機工業(yè)廢棄物等混合)與沼渣沼液肥料循環(huán)利用模式，截止2012年其沼氣工程數(shù)量已達7500余座，其發(fā)電總量約為20.5億kW·h/a。

同時農業(yè)發(fā)達國家十分注重秸稈收儲運體系與離田產業(yè)化發(fā)展，增加秸稈多樣化利用形式，主要集中于能源化及工業(yè)化利用，如秸稈發(fā)電、纖維素乙醇、成型燃料及工業(yè)建材等。目前國外已形成了秸稈收儲運與綜合利用產業(yè)相銜接、與農業(yè)裝備相配套的技術裝備體系，滿足新興產業(yè)發(fā)展需求[130]。在土地耕整、播種、田間管理、收獲、秸稈收集儲存及運輸系列環(huán)節(jié)皆實現(xiàn)全程機械化，注重與工業(yè)化原料標準、社會經濟協(xié)調、農機裝備配套及信息化自動化技術的一致性。秸稈發(fā)電利用方面，丹麥是世界最早應用秸稈發(fā)電的國家，20世紀90年代在其首都哥本阿根建立的阿維多發(fā)電廠是全球發(fā)電量最高、最環(huán)保的生物質燃料供電廠之一[131]，在運輸、供料、燃料爐設計和運行等多環(huán)節(jié)充分考慮秸稈原料和設備標準化，目前正力爭建立完全擺脫對化石能源依賴，且不含核能的能源體系；秸稈纖維素乙醇制取方面，美國、加拿大、英國及巴西等積極開展乙醇制取技術研發(fā)并實現(xiàn)試點生產運營，將其作為可再生能源技術突破與產業(yè)發(fā)展的制高點，2014年美國第一家商業(yè)級纖維素乙醇生產廠正式投產[132]，其收集半徑約70 km，年均消耗玉米秸稈28.50萬t，年產纖維素乙醇約1億L；秸稈成型燃料制取方面，20世紀30年代美國開始研究生物質成型燃料技術[133]，并研制開發(fā)螺旋擠壓成型機具，經幾十年研究完善，發(fā)達國家基本實現(xiàn)原料收集、粉碎、干燥及致密成型系列機械化、自動化和專業(yè)化生產，同時歐洲各國已開發(fā)適用于實際生產需求的配套采暖爐、熱水爐及自動上料系統(tǒng)；秸稈工業(yè)建材制取方面，20世紀70年代國外對秸稈制造人造板物理及工藝特性進行大量研究，但并未真正推廣應用，隨著異氰酸酯(MDI)特性逐步拓展研究才較好解決秸稈人造板膠合問題，目前世界上秸稈人造板研發(fā)成效及生產規(guī)模最突出的仍為美國，比利時、瑞典和俄羅斯等國也制造出多種合格人造板產品[134]。

4.2 國內其他地區(qū)秸稈利用特點與發(fā)展經驗

經過長期努力國內部分地區(qū)秸稈綜合利用產業(yè)也得到較好發(fā)展，結合自身環(huán)境資源、社會經濟及人文習慣等特點，逐漸建立適用于該地區(qū)秸稈綜合利用體系，如西南地區(qū)四川省，雖與東北地區(qū)秸稈利用具體情況存在一定差異，但其發(fā)展模式與經驗仍具有重要參考價值。

四川省主要處于西南成都平原地區(qū)，是中國西部主要糧食及副產品生產基地，該地區(qū)氣候溫暖濕潤，種植制度為一年兩熟制(如稻-麥、稻-油或稻-稻)，是我國秸稈資源總量集中分布區(qū)之一[135]。近些年四川省結合地區(qū)條件、作物分布和農業(yè)功能等特點，將其劃分為成都平原高效發(fā)展區(qū)、盆周丘陵循環(huán)發(fā)展區(qū)、盆周山地生態(tài)發(fā)展區(qū)和西高原特色發(fā)展區(qū)等4個區(qū)域[136]。結合區(qū)域“五化”綜合利用發(fā)展要求，重點開展稻麥輪作種植覆蓋或粉碎全量還田技術、林果立體種植整稈還田及腐熟還田技術研究，積極探索超高茬麥套稻秸稈全量還田栽培技術等耕作方式；建立秸稈養(yǎng)牛-牛糞種菇-菇料還田飼料化技術模式，對秸稈飼料氨化、青貯及微貯等處理技術進行推廣，保證西南地區(qū)節(jié)糧型畜牧業(yè)穩(wěn)定發(fā)展；積極建立食用菌培養(yǎng)料集中處理中心，加大高附加值食用菌生產力度，帶動區(qū)域市場經濟發(fā)展[137]。政策扶持及監(jiān)管方面，積極鼓勵農戶及合作組織購買秸稈利用機具，在國家政策補貼基礎上追加20%～30%經濟補貼，同時基本形成各市區(qū)禁燒管理網(wǎng)絡，區(qū)域合作聯(lián)防聯(lián)控治理秸稈焚燒問題，其整體成效較為明顯。多角度共同作用建立高產優(yōu)質、低投高效、節(jié)能減排秸稈循環(huán)利用模式及運行保障體系。

5 政府政策及管理措施

近些年國家主管部門先后對秸稈焚燒及其綜合利用辦法制定系列政策措施，體現(xiàn)國家治理秸稈焚燒問題、發(fā)展秸稈綜合利用決心[138]。1999年國家環(huán)?？偩峙c農業(yè)部等部委聯(lián)合發(fā)布《秸稈焚燒和綜合利用管理辦法》，在政策、資金及科技等方面提出并解釋秸稈資源綜合利用意義；2008年國務院發(fā)布《關于加快推進農作物秸稈綜合利用的意見》提出推進秸稈資源利用目標及任務；2011年國家發(fā)改委及農業(yè)部等部委聯(lián)合發(fā)布《“十二五”農作物秸稈綜合利用實施方案》提出加快秸稈資源化利用及引導各地區(qū)秸稈利用規(guī)劃方案；2015年國家發(fā)改委發(fā)布《關于進一步加快推進農作物秸稈綜合利用和禁燒工作的通知》再次強調秸稈資源綜合利用與秸稈禁燒總體目標與重要任務。東北地區(qū)各級政府也結合自身發(fā)展特點，提出了多項政府政策與管理措施，如2016年遼寧省提出了全國首個省級秸稈焚燒防控政策《遼寧省秸稈焚燒防控責任追究暫行規(guī)定》。本文對各級政策措施進行總結分析：

(1)加強落實地方政府管理職責。結合地區(qū)實際情況，發(fā)揮秸稈資源綜合利用統(tǒng)籌協(xié)調機制作用，制定各地方區(qū)域秸稈綜合管理實施方案，重點任務逐級分解至各級政府部門，嚴格監(jiān)控秸稈焚燒情況，建立考核問責制度。

(2)完善政策措施并加大扶持力度。針對各地區(qū)秸稈資源產業(yè)發(fā)展優(yōu)勢，研究多種秸稈資源利用方式途徑，完善促進綜合利用相關政策，積極加大秸稈綜合利用專項資金支持力度，鼓勵秸稈利用市場化、企業(yè)化發(fā)展。

(3)加強技術創(chuàng)新研發(fā)及推廣應用。整合各領域科研資源，建立科技創(chuàng)新機制，結合國外先進技術進行自主創(chuàng)新，突破秸稈資源綜合利用關鍵技術與薄弱環(huán)節(jié)，開展相關基層技能培訓及技術推廣。

(4)強化宣傳引導教育。發(fā)揮媒體引導和監(jiān)督作用，通過多種途徑形式開展秸稈禁燒及綜合利用的宣傳教育，大力宣傳秸稈資源利用對可持續(xù)型生態(tài)農業(yè)與循環(huán)農業(yè)的發(fā)展作用，對資源節(jié)約與農民增產增收的長效作用。

同時在資金利用、稅收優(yōu)惠和科研投入等方面也出臺相關扶持政策[139-140]，如設定專項資金對秸稈能源化企業(yè)給予綜合性補助及建設經費，提高企業(yè)盈利能力和生產積極性；規(guī)定秸稈工業(yè)化企業(yè)可享受資源企業(yè)所得稅優(yōu)惠政策；通過“863”計劃、“973”計劃及國家科技支撐計劃等科研項目支持秸稈資源綜合利用技術研發(fā)。

6 存在問題與發(fā)展建議

國家及地方各級政府積極推動秸稈資源綜合利用技術實施，緩解秸稈焚燒帶來的環(huán)境壓力，但由于相關部分政策較為模糊，各級部門監(jiān)督指導落實程度較差，對農戶及企業(yè)等公眾指導激勵性不強，且并未綜合考慮地區(qū)氣候條件、地域環(huán)境、種植業(yè)結構、政策法規(guī)、技術水平、補貼資金及農戶認識等因素，導致東北地區(qū)秸稈資源綜合利用仍存在一定問題，無法在短期內完全遏制秸稈焚燒現(xiàn)象。目前東北地區(qū)秸稈資源利用主要存在以下問題[141]：缺乏完整扶持監(jiān)管政策體系，缺乏針對黑土地修復、霧霾消除及秸稈資源綜合利用等方面的政策體系，如秸稈還田成本增加缺乏資金補助，生物質發(fā)電電量受限，工業(yè)原料化缺少技術與經濟扶持；缺乏成熟合理收儲運技術模式研究與市場產業(yè)化協(xié)調發(fā)展意識，如秸稈收儲運體系成本難以消化，收儲運季節(jié)約束性強，儲存難度大且收益無法平衡，秸稈還田增加農戶作業(yè)成本，影響整體經濟收益；缺乏先進成熟可靠技術支撐，針對東北寒地區(qū)域秸稈“五化”綜合利用轉化存在技術瓶頸，關鍵技術裝備總體薄弱環(huán)節(jié)有待突破；缺乏宣傳推廣力度，疏堵結合協(xié)調不當，農戶及企業(yè)固有思想及習慣無法根本解決焚燒問題。

在此背景下，綜合分析東北地區(qū)秸稈資源綜合利用現(xiàn)狀、政府政策、技術應用、市場企業(yè)需求及存在問題，為促進東北地區(qū)秸稈綜合利用產業(yè)發(fā)展，緩解秸稈焚燒環(huán)境與資源壓力，提出秸稈綜合利用發(fā)展方向與對策建議：

(1)構建扶持與監(jiān)管政策體系，規(guī)范產業(yè)發(fā)展標準。結合東北地區(qū)實際情況，堅持疏堵結合、以疏為主、區(qū)域統(tǒng)籌、農用優(yōu)先的原則，將政府支持、市場運作、社會參與、綜合施策等方式相結合，力求在政策措施上有所突破。研究出臺針對性強、可操作的秸稈綜合利用政策，構建系統(tǒng)配套的集保障資金、運輸綠色通道、用地支持、稅收優(yōu)惠及收儲運為一體的政策體系，為完善國家層面的政策提供寶貴實踐經驗。形成中央政府督促指導、省級政府主導、縣級政府具體實施的“三位一體”工作體系，建立以秸稈資源綜合利用及焚燒監(jiān)管為核心的工作評價、考核辦法和獎懲機制。發(fā)揮國家、地方行業(yè)協(xié)會及骨干企業(yè)帶頭作用，建立規(guī)范秸稈深加工、收儲運、生物質能源利用及污染排放等行業(yè)標準規(guī)范企業(yè)生產及市場秩序，促進秸稈資源綜合利用產業(yè)健康有序發(fā)展。

(2)建立收儲運技術體系，拓寬資源利用途徑。按秸稈產地合理區(qū)域半徑的就近就地利用原則，建立健全政府推動、秸稈利用企業(yè)和收儲組織為軸心、專業(yè)合作經濟組織或秸稈經濟人參與、市場化運作的專業(yè)化規(guī)?；斩捠諆\體系模式。建立“還田主導型、種養(yǎng)結合型、多元循環(huán)型、產業(yè)帶動型”秸稈綜合利用技術模式，拓寬利用途徑，發(fā)展肥料化和能源化優(yōu)勢技術環(huán)節(jié)，開發(fā)飼料化和原料化利用潛力，保證基料化穩(wěn)步前行。

(3)突破綜合利用共性關鍵技術，優(yōu)化配套裝備結構。探索建立適應東北地區(qū)的簡便高效農作制度、栽培模式，提高秸稈利用質量和效率。積極引進融合國外先進前瞻技術，重點開展共性關鍵技術研究，建立以骨干企業(yè)為主體，大專院校及科研院所共同參加的秸稈綜合利用產學研攻關團隊與創(chuàng)新體系，加大綜合利用技術的研發(fā)、推廣和全程服務。培養(yǎng)組建高素質科研工作團隊，統(tǒng)領區(qū)域秸稈綜合利用技術支撐工作，提高裝備水平和技術能力，為政府科學決策和精準發(fā)力提供咨詢服務。集成優(yōu)化寒地秸稈綜合利用配套裝備，針對能源化利用，重點開展秸稈燃料輸送系統(tǒng)技術與發(fā)電鍋爐、秸稈生物質成型機理與螺旋式擠壓成型機械、秸稈沼氣厭氧發(fā)酵技術與深施沼渣機械研究，解決寒地秸稈能源損耗大、機具成型摩擦磨損嚴重、沼氣生態(tài)工程原料短缺等問題；針對飼料化利用，重點開展秸稈撿拾打捆收集技術與青貯微貯氨化處理工藝研究，結合機電液自動控制技術研究配置金屬檢測、故障自動報警及智能信息反饋的撿拾打捆機械；針對肥料化利用，重點開展收獲機配套秸稈粉碎均勻拋撒還田技術及高速粉碎機械、整株或高留茬秸稈深埋還田技術及整地作業(yè)機械、集中堆謳技術及工藝配比方法研究，解決秸稈粉碎拋撒分布不均、翻埋深度不足、堆腐發(fā)酵效率較低等問題；針對原料化利用，重點開展秸稈粉碎碾磨處理技術與破碎機械、人造板復合工藝與農用材料配比工藝優(yōu)化研究，提高工業(yè)化原料物理性能并其降低生產成本；針對基料化利用，重點開展秸稈基料配方及工藝優(yōu)化研究，注重基料化關鍵參數(shù)(溫度、微生物、碳氮比和木質素等)及基礎規(guī)律探索，分析各工藝模式與降解轉化產量關系。

(4)推進秸稈資源市場化，加大宣傳示范力度。評價秸稈資源長期經濟價值及社會價值，積極鼓勵地區(qū)秸稈資源利用工程發(fā)展，以市場為主導打通產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)，以管理專業(yè)化、市場商品化發(fā)展模式促進資源穩(wěn)定運行持續(xù)利用。堅持示范先行、以點帶面的工作方法，以秸稈綜合利用試點項目為載體，總結秸稈綜合利用的典型模式，將工作措施、技術措施和政策措施有機結合，形成可持續(xù)、可復制、可推廣的秸稈綜合利用模式。發(fā)揮媒體輿論引導作用，廣泛宣傳秸稈綜合利用及焚燒法律法規(guī)和先進典型，樹立全民節(jié)約資源和保護環(huán)境意識。

7 結束語

隨著東北地區(qū)農業(yè)經濟的快速發(fā)展，作物秸稈資源總量將不斷增加，目前東北地區(qū)在秸稈資源化利用方面已積累部分經驗，但整體發(fā)展并不成熟，政策法規(guī)仍不完善，秸稈資源利用“五化”技術仍存在瓶頸難題，農民對其綜合利用認識較低。在國家大力發(fā)展綠色循環(huán)可持續(xù)型生態(tài)農業(yè)的背景下，秸稈資源綜合利用迎來了前所未有的機遇與挑戰(zhàn)，具有巨大的市場開發(fā)潛力及產業(yè)發(fā)展空間。結合東北地區(qū)農業(yè)發(fā)展區(qū)域特點及產業(yè)結構，因地制宜地進行秸稈資源化利用，對振興東北老工業(yè)基地，緩解東北資源及環(huán)境壓力具有重要意義。

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Comprehensive Utilization Status and Development Analysis of Crop Straw Resource in Northeast China

WANG Jinwu TANG Han WANG Jinfeng
(CollegeofEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

Crop straw is an important available biomass resource. The comprehensive utilization of crop straw not only acts to keep the ecological balance and promote the farmers to increase production, but also eases the continued tension and pressure in energy and environment. Considering the characteristics of geographical conditions and resources allocation in Northeast China, the total distribution and burning pollution of crop straw were illustrated and evaluated. The technical features, equipment and utilization status of collection-storage-transportation mode and various technologies were analyzed, such as energy regeneration, fodder, fertilizer, raw material and basic material. The characteristic and experience of comprehensive utilization of crop straw in other domestic and international areas were generally studied. The policy measures by state and local governments were summarized. Finally, the future development direction and suggestion of straw resource industry were shown clearly based on policy, technology and the demands of market and enterprise.

straw； resource； comprehensive utilization； Northeast China

2017-04-10

2017-04-24

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0300909-04)和“十二五”國家科技支撐計劃項目(2013BAD08B04)

王金武(1968—)，男，教授，博士生導師，主要從事田間機械及機械可靠性研究，E-mail： jinwuw@163.com

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.05.001

S216.2

A

1000-1298(2017)05-0001-21