農(nóng)業(yè)秸稈綜合利用技術探析

于振波，劉玉萍，李廣來，劉薇，賈琳琳

（黑龍江省環(huán)境科學研究院，黑龍江哈爾濱150056）

作為農(nóng)業(yè)大國，我國秸稈資源相當豐富，而且隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴大，秸稈產(chǎn)量也節(jié)節(jié)攀升[1]。秸稈作為一種可再生的生物質(zhì)資源，在我國綜合利用率相對較低。相關部門統(tǒng)計結果顯示，2015年我國農(nóng)業(yè)秸稈產(chǎn)生量為10.4 億t，其中可收集秸稈量為9.0 億t，利用量為7.2 億t，秸稈綜合利用率為80.1%[2]。雖然相較于前幾年有明顯的提升，但是與國外發(fā)達國家相比仍存在較大的差距。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式以及農(nóng)村能源結構的改變，秸稈露天焚燒現(xiàn)象較為突出，不僅造成了資源的嚴重浪費，而且還會造成空氣質(zhì)量的惡化，這種狀況在東北地區(qū)表現(xiàn)得尤為突出。由此可見，加快推進秸稈綜合利用成為當下亟需解決的問題，現(xiàn)階段，秸稈綜合利用技術層出不窮，以下主要對秸稈“五化”利用技術等進行具體介紹。

1 秸稈肥料化利用技術

1.1 秸稈還田技術

農(nóng)業(yè)秸稈中含有大量的氮、磷、鉀等元素，處理得當可以作為農(nóng)業(yè)的有機肥使用。秸稈還田可以改善土壤結構、增加土壤有機質(zhì)及孔隙度，可以促進農(nóng)作物根系的發(fā)育，起到保肥增產(chǎn)的功效。根據(jù)還田的方式不同可以分為直接還田、堆漚還田、過腹還田、腐熟還田等。

1.1.1 直接還田技術

當秸稈產(chǎn)生量較大時，直接還田應用較多，可以分為翻耕還田、混埋還田和翻蓋還田3 種形式。翻耕還田主要在前一年農(nóng)作物收割后，后一年農(nóng)作物播種前，將秸稈翻入到土壤中，通過微生物作用使其降解。混埋還田主要是通過各種機械作業(yè)，比如粉碎、破茬、旋耕、耙壓等方式，將處理后的秸稈埋于土壤表層或者淺層中。翻蓋還田主要是指在種植作物時，將秸稈覆蓋在土壤表面達30%以上的還田技術[3]。

1.1.2 堆漚還田技術

堆漚還田是對秸稈進行發(fā)酵處理，腐熟成肥后再進行還田，根據(jù)含水量的不同又可以分為堆肥還田和漚肥還田兩種形式。在堆漚過程中可以使秸稈腐熟礦化，養(yǎng)分得以釋放，同時可以對蟲卵、致病菌等進行有效殺滅，但是因為堆漚過程會造成氮元素的流失，若是發(fā)生泄漏容易造成水體污染，相較于直接還田，堆漚還田的應用相對較少[4]。

1.1.3 過腹還田技術

過腹還田是將秸稈作為一種飼料，經(jīng)動物消化吸收形成糞便后再進行還田，這樣可以有效地提升土壤肥力，而且還能促進畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，過腹還田可以實現(xiàn)生態(tài)效益和經(jīng)濟效益的雙豐收，但是現(xiàn)階段應用相對較少，建議在有條件的地區(qū)可以率先進行推廣和應用。

1.1.4 腐熟還田技術

腐熟還田是指在農(nóng)作物進行播種前，將前一年收取的秸稈均勻平鋪在農(nóng)田中，然后通過腐熟菌劑的噴灑以及C/N 比的調(diào)節(jié)，提升秸稈的腐熟速度，主要在農(nóng)作物免耕播撒領域應用較多。腐熟還田最核心的技術就是進行腐熟菌劑的篩選和開發(fā)，也是當下研究的重點和熱點[5]。

1.2 秸稈生物反應堆技術

在秸稈中添加微生物菌種、催化劑以及凈化劑，在通風的狀態(tài)下，秸稈被分解為二氧化碳、有機質(zhì)、礦物質(zhì)等，并伴隨著一定的熱量和菌孢子的產(chǎn)生，生成的物質(zhì)可以為農(nóng)作物提供肥料，有利于農(nóng)作物的生長發(fā)育。

1.3 秸稈有機肥生產(chǎn)技術

秸稈有機肥生產(chǎn)主要是在秸稈中加入各種速腐菌劑和酶類，在一定的濕度和溫度下，秸稈中的纖維素被迅速分解，同時形成大量的菌體蛋白。通過為微生物營造良好的生長發(fā)育環(huán)境，可以有效地提升微生物新陳代謝速度，有利于秸稈的分解，并且釋放的熱量可以殺滅秸稈中的病原菌和寄生蟲卵，從而形成優(yōu)質(zhì)的有機肥料。

2 秸稈飼料化利用技術

2.1 秸稈青（黃）貯技術

秸稈青（黃）貯主要是通過為厭氧菌提供有利的環(huán)境，而嗜氧菌會在氧氣耗盡后活動減弱或者停止，從而達到抑制微生物活性，保存飼料的目的。因為青（黃）貯過程中會發(fā)生發(fā)酵作用，所生成的代謝物會讓飼料帶有芳香、酸、甜等味道，會在一定程度上增加牲畜的適口性。

2.2 秸稈堿化/氨化技術

氨化秸稈的原理主要有以下幾個方面：第一，堿化作用，可以從秸稈中分離出纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，同時能夠造成細胞壁膨脹，進而使其變得更加疏松，有利于家畜對秸稈的消化；第二，氨化作用，氨與秸稈中的有機質(zhì)發(fā)生反應形成醋酸銨，其可以作為牲畜胃中微生物的重要營養(yǎng)源，進而會形成菌體蛋白質(zhì)被動物吸收，可以有效地提升秸稈的營養(yǎng)價值；第三，中和作用，氨能夠與秸稈中所含有的潛在酸度發(fā)生中和反應，為牲畜胃中微生物提供良好的生存條件[6]。

3 秸稈基料化利用技術

3.1 秸稈基料食用菌種植技術

麥秸、稻草等禾木科秸稈作為栽培草腐生菌類的優(yōu)質(zhì)原料，其可以為菌類提供碳源，而且通過與牛糞、豆餅等物質(zhì)的混合還可以提供穩(wěn)定的氮源，在合適的條件下，即可培育出美味的食用菌。

3.2 秸稈植物栽培基質(zhì)技術

該技術以秸稈為主要原料，為了有效地調(diào)節(jié)C/N比以及各種物理性狀，可以向其中添加有機物質(zhì)，并將物料含水量調(diào)整到60%～70%，通過有氧高溫堆肥提升物料的穩(wěn)定性和腐殖度。秸稈植物栽培基質(zhì)具有如下特點：第一，可以滿足多種植物及不同生長期的需求；第二，密度較小，操作及運輸更加便捷；第三，總孔隙度較大，可以為植物根系提供充足的氧氣；第四，具有良好的絕熱性能，可以有效防止外環(huán)境溫度的變化給植物根系帶來的損傷；第五。具有較強的吸水性和持水能力。

4 秸稈燃料化利用技術

4.1 秸稈固化成型技術

秸稈固化成型燃料主要是通過木質(zhì)素將秸稈黏合在一起并擠壓成顆粒、塊狀、棒狀等成型燃料，具有高效、潔凈等特點，二氧化硫排放量較低，可以實現(xiàn)規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，可用于炊事、取暖、農(nóng)產(chǎn)品烘干、農(nóng)業(yè)大棚等多個領域，此外，還可以代替化石能源，作為生物質(zhì)工業(yè)鍋爐的燃料。

4.2 秸稈發(fā)電技術

在能源危機越演越烈的背景下，尋找到傳統(tǒng)化石能源比如煤、石油等的替代能源成為亟待解決的問題。農(nóng)業(yè)秸稈作為一種可再生的生物質(zhì)資源，具有熱值高、燃燒充分等優(yōu)勢，現(xiàn)階段已經(jīng)在發(fā)電產(chǎn)業(yè)中得到廣泛的應用。秸稈發(fā)電兼具社會和生態(tài)效益，不僅能夠有效地緩解能源短缺的壓力，而且還能夠為空氣質(zhì)量改善助力。秸稈發(fā)電起源于國外，現(xiàn)已形成較為成熟的技術體系，例如，在丹麥建有大量的秸稈發(fā)電廠，秸稈的有效利用率達到85%以上，以秸稈發(fā)電為代表的可再生能源占丹麥全國能源消費量的24%以上[7]。秸稈發(fā)電可以分為直燃發(fā)電、氣化發(fā)電、混燃發(fā)電3 種形式，直接發(fā)電技術較為成熟，適用于大規(guī)模生產(chǎn)活動，熱效率較高，但卻存在投資成本高，易造成空氣污染等缺點；氣化發(fā)電技術較為成熟，投資相對較少，對空氣污染較輕，但卻存在工藝過程較為復雜，熱效率低等缺點；混燃發(fā)電投資較少，建設周期相對較短，但卻存在設備易腐蝕、容易造成二次污染等缺點。相較于國外先進國家，我國秸稈發(fā)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，近年來，在國家的大力扶持下，我國秸稈發(fā)電產(chǎn)業(yè)取得了長足的進步，已有大批的秸稈發(fā)電項目在建或者投產(chǎn)。

4.3 秸稈沼氣生產(chǎn)技術

4.3.1 戶用秸稈沼氣生產(chǎn)技術

沼氣是一種混合氣體，由多種成分組成，比如甲烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫等，通常甲烷所占的比例在50%～70%，二氧化碳的比例在30%～40%，而其他的氣體含量較少。戶用沼氣生產(chǎn)技術是建立在現(xiàn)有農(nóng)村戶用沼氣池基礎上，以秸稈為主要發(fā)酵原料的厭氧沼氣生產(chǎn)技術。

4.3.2 大中型秸稈沼氣生產(chǎn)技術

大中型秸稈沼氣生產(chǎn)技術主要是指成規(guī)模的沼氣生產(chǎn)技術，單個厭氧發(fā)酵裝置容量需要達到300 m3以上，原料以玉米秸稈、水稻秸稈等農(nóng)作物秸稈為主。

5 秸稈原料化利用技術

5.1 秸稈制醇

農(nóng)業(yè)秸稈中含有豐富的纖維素、半纖維素木質(zhì)素等，經(jīng)過一系列的處理工藝可以制成乙醇。近年來，世界各國都加大了對新能源的研發(fā)投入力度，生物燃料乙醇應運而生，并且有希望成為替代傳統(tǒng)化石燃料的新能源?，F(xiàn)階段，生產(chǎn)乙醇的主要原料依然是糧食，長期來看具有規(guī)模限制和不可持續(xù)性。2008年以來，我國全面叫停以糧食為原料的乙醇開發(fā)項目，富含木質(zhì)纖維素的秸稈，成為當下發(fā)展生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的重點研究對象。2014年，我國在纖維素制乙醇方面取得重大技術突破，為我國實現(xiàn)秸稈制乙醇工業(yè)化提供有力的技術支持。

5.2 秸稈造紙

我國是世界上紙消耗量最大的國家，而造紙原料的缺乏已經(jīng)影響到造紙行業(yè)的進一步發(fā)展，農(nóng)業(yè)秸稈具有資源量大、纖維含量高、纖維形態(tài)好等優(yōu)點[8]，是未來造紙行業(yè)不可或缺的原料。在國家出臺的《造紙工業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中明確指出，應加大對非木資源比如秸稈、蔗渣等的利用力度，采取清潔生產(chǎn)工藝，提升綜合利用水平及非木纖維制漿造紙質(zhì)量。近年來，我國在秸稈造紙方面投入了大量的資金，并取得了一定的成績。天津科技大學以科技成果轉(zhuǎn)化項目為依托，采用棉稈、稻草、木材等原料生產(chǎn)出高質(zhì)量的紙張[9]，相較于傳統(tǒng)工藝，該技術在保證紙張質(zhì)量的基礎上，更具經(jīng)濟性?，F(xiàn)階段，隨著我國森林資源的匱乏，我國造紙行業(yè)對國外紙漿的依賴越來越大，秸稈造紙技術的深入研究和逐漸應用，有希望從根本上轉(zhuǎn)變這一狀況，并有效提升秸稈的綜合利用率。

6 黑龍江省秸稈綜合利用技術應用前景

作為我國最大的商品糧生產(chǎn)基地，黑龍江省2017年秸稈產(chǎn)量高達1.3 億t，其中大量的秸稈被露天焚燒，不僅帶來了嚴重的空氣污染，而且還造成了資源的浪費。以下對黑龍江省各種秸稈綜合利用技術的應用前景進行分析。

第一，秸稈肥料化技術，其中翻耕還田技術應用較多，在秋季收割農(nóng)作物時將秸稈打碎，秋整地時直接將秸稈深翻入地下，但是在應用過程中存在兩方面的限制因素，一方面是無論打碎秸稈作業(yè)還是深翻作業(yè)，都需要專門的機械設備才能完成，需要大量的資金投入；另一方面是當下黑龍江很大一部分耕地黑土層厚度不夠，深翻時會將黃土帶出，影響下一年的耕種。在經(jīng)濟條件允許且黑土層厚度足夠的地區(qū)，適合推廣秸稈翻耕還田技術，現(xiàn)階段，秸稈翻耕還田技術在農(nóng)墾地區(qū)應用效果良好。

第二，秸稈飼料化利用技術，其中秸稈青（黃）貯技術應用較為廣泛，不受地域性的限制，可以為牲畜提供充足的飼料。但是隨著農(nóng)業(yè)機械化水平的提升，用于農(nóng)業(yè)耕作的牲畜大幅減少，秸稈青（黃）貯量也在顯著地減少。地方人民政府可以加大對牲畜養(yǎng)殖業(yè)的扶植力度，在促進地方經(jīng)濟發(fā)展的同時，提升農(nóng)業(yè)秸稈的消耗量。

第三，秸稈基料化利用技術，黑龍江是重要的食用菌產(chǎn)地，在食用菌生產(chǎn)中可以以秸稈作為基料，但是現(xiàn)階段在食用菌基料中鋸末仍占據(jù)主要地位，并且所發(fā)揮的效果更好。因此應對秸稈基料利用技術進行進一步的研究和優(yōu)化，提升種植效果，擴大秸稈基料應用范圍和應用規(guī)模。

第四，秸稈燃料化利用技術，其中秸稈固化成型技術和秸稈發(fā)電技術優(yōu)勢較為明顯，也是黑龍江省秸稈綜合利用重要的發(fā)展方向?，F(xiàn)階段，黑龍江省生物質(zhì)鍋爐應用范圍逐步擴大，為秸稈固化成型技術的應用找到了出口，而且對生物質(zhì)顆粒、生物質(zhì)壓塊的需求量逐年增加。在黑龍江省全面秸稈禁燒的背景下，作為秸稈消耗大戶，生物質(zhì)電廠應得到進一步的推廣。因為冬季溫度過低，微生物的活性不足，若是采取保溫措施則運行費用過高，因此秸稈沼氣生產(chǎn)技術在黑龍江地區(qū)并不適用。

第五，秸稈原料化利用技術，現(xiàn)階段，秸稈原料化利用在黑龍江仍處于初級階段，還有很大的上升空間。黑龍江省應加大對以秸稈為原料生產(chǎn)紙、高密度板材、燃料乙醇、航空燃油、降解紙膜等項目的引進，加快秸稈綜合利用產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

7 結語

隨著各項政策的出臺和落實，我國農(nóng)業(yè)秸稈綜合利用工作取得了長足的進步，同時也存在諸多問題有待于進一步的解決?，F(xiàn)階段，我國農(nóng)業(yè)機械化水平偏低，秸稈的收集、加工、儲運等方面仍相對薄弱，這就需要國家加強相關資金的投入，并進行適當?shù)恼邇A斜，提升秸稈的綜合利用率，并鼓勵和支持相關基礎科學研究工作，促進秸稈綜合利用產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

Analysis on the comprehensive utilization technology of agricultural straw

YU Zhenbo, LIU Yuping, LI Guanglai, LIU Wei, JIA Linlin
（Heilongjiang Provincial Environmental Science Research Institute, Harbin 150056, China）