秸稈五化的利用現(xiàn)狀及展望

劉俊杰 郭柯凡 蔣敏

(江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省作物栽培生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心/揚(yáng)州大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225009)

我國(guó)是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，玉米、水稻、小麥?zhǔn)俏覈?guó)主要的糧食作物，光合作用50%以上的產(chǎn)物存在于秸稈中[1]，目前我國(guó)每年產(chǎn)生的農(nóng)作物秸稈占世界總秸稈量的20%以上[2]。但是，我國(guó)農(nóng)作物秸稈的利用率很低，大量的農(nóng)作物秸稈被焚燒，使大氣中的有機(jī)碳等有害物質(zhì)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(fèi)和生態(tài)環(huán)境的破壞。

2019年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布了《農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳關(guān)于全面做好秸稈綜合利用工作的通知》指出了開(kāi)展秸稈綜合利用工作，是提升耕地質(zhì)量、改善農(nóng)業(yè)農(nóng)村環(huán)境、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、綠色發(fā)展的重要舉措。

1 農(nóng)作物秸稈概述

秸稈作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)品，本身具有氮、磷、鉀、粗蛋白、纖維素、木質(zhì)素等中微量元素和有機(jī)質(zhì)[4-6](表1)，決定了秸稈可以進(jìn)行肥料化、飼料化、基料化、燃料化、原料化利用，俗稱(chēng)“五化”。

表1 不同農(nóng)作物秸稈主要成分含量表

根據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒，統(tǒng)計(jì)了中國(guó)在2014—2019年玉米、水稻、小麥的產(chǎn)量(表2)，根據(jù)草谷比測(cè)算出玉米、水稻、小麥在2014—2019年的秸稈產(chǎn)量(圖1)。

圖1 2014—2019年玉米、水稻、小麥秸稈總產(chǎn)量

2 農(nóng)作物秸稈的利用現(xiàn)狀

農(nóng)作物秸稈是一種豐富、可再生的資源“用則利，棄則害”，近年來(lái)，國(guó)家有關(guān)部門(mén)綜合施策，不斷推進(jìn)農(nóng)作物秸稈的綜合利用。國(guó)家財(cái)政部、發(fā)改委、農(nóng)業(yè)部在2012年聯(lián)合發(fā)布了《“十二五”農(nóng)作物秸稈綜合利用實(shí)施方案》，在2019年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布了《農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳關(guān)于全面做好秸稈綜合利用工作的通知》，指出了開(kāi)展秸稈綜合利用工作是提升耕地質(zhì)量、改善農(nóng)業(yè)農(nóng)村環(huán)境、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、綠色發(fā)展的重要舉措。這些文件都在積極推動(dòng)我國(guó)秸稈資源綜合再利用，減少資源的浪費(fèi)和環(huán)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(zhǎng)所必須的有機(jī)質(zhì)以及氮磷鉀和微量元素，是比較理想的有機(jī)肥料[7]。秸稈還田的成本較低且方法簡(jiǎn)單[8]，被廣泛運(yùn)用。秸稈還田是我國(guó)傳統(tǒng)的資源化利用方式，歐美國(guó)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(jī)械將秸稈粉碎，同時(shí)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(nóng)作物，如小麥、水稻、玉米；覆蓋還田，覆蓋還田就是將農(nóng)作物的秸稈直接覆蓋于農(nóng)田的土壤表面，雖然可以一定程度上保護(hù)土壤使之不受風(fēng)、水等自然侵蝕，不過(guò)如果沒(méi)有完全的腐熟分解會(huì)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(lái)，在田邊就近堆放或者挖坑埋放，經(jīng)過(guò)高溫將秸稈腐化，這種方式相對(duì)秸稈直接還田的好處是可以將秸稈中的病蟲(chóng)菌害殺死，使秸稈腐熟的時(shí)間縮短，在這個(gè)過(guò)程中腐熟降解菌是關(guān)鍵[12]，尋找更加高效的秸稈降解菌也是目前需要持續(xù)研究的一個(gè)方向點(diǎn)；焚燒還田，是最為傳統(tǒng)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(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染以及存在極大安全隱患，也是政府所禁止的；過(guò)腹還田，是指利用動(dòng)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(zhì)含量不高(3%～6%)，但是經(jīng)過(guò)一些處理，補(bǔ)充適量的粗飼料即可滿(mǎn)足牲畜的營(yíng)養(yǎng)需求[13]。牲畜秸稈既可以滿(mǎn)足畜牧的飼料需求也滿(mǎn)足了秸稈還田的循環(huán)發(fā)展，但是糞便中會(huì)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(dāng)作飼料在我國(guó)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(wèn)題，可以減少環(huán)境污染以及資源浪費(fèi)[14]。一般秸稈加工成飼料主要有物理、化學(xué)、生物3種方法[13]。物理方法主要是對(duì)秸稈的物理性狀進(jìn)行改變，如切斷、粉碎等，并不能改變秸稈的化學(xué)成分，不能提高秸稈的營(yíng)養(yǎng)成分；化學(xué)方法是通過(guò)一定量的化學(xué)試劑，經(jīng)過(guò)一系列的化學(xué)反應(yīng)，從而改變秸稈的化學(xué)性質(zhì)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(xì)菌、真菌、放線菌、霉菌、酵母菌、各種酶等來(lái)改變木質(zhì)素的分子結(jié)構(gòu)，降解難溶解的纖維素等有機(jī)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(chǎng)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(yè)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(shí)，現(xiàn)在越來(lái)越多的人開(kāi)始將秸稈應(yīng)用在建材上，據(jù)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(jié)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(guó)的人造板產(chǎn)業(yè)歷經(jīng)了十幾年的發(fā)展，但是能夠持續(xù)運(yùn)營(yíng)的并不多，主要是受技術(shù)、資金、市場(chǎng)等因素的影響，發(fā)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(huán)保美觀，有較為廣闊的市場(chǎng)。

3.4 秸稈基料化利用

很多人會(huì)將肥料與基料弄混淆，其實(shí)這2個(gè)是有區(qū)別的，肥料是一種用于保護(hù)、維持或改善植物營(yíng)養(yǎng)和土壤理化特性、生物學(xué)特性，可以增加產(chǎn)品產(chǎn)量或提高產(chǎn)品質(zhì)量活性，增加植物抗性的有機(jī)、無(wú)機(jī)、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(yíng)養(yǎng)。秸稈基料是以秸稈為主要原料進(jìn)行加工制作，為植物、動(dòng)物以及微生物生長(zhǎng)提供良好的條件和營(yíng)養(yǎng)的有機(jī)固體物料，主要包括栽培基質(zhì)、動(dòng)物飼養(yǎng)過(guò)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(yùn)用最多且比較成熟的是食用菌栽培領(lǐng)域。農(nóng)業(yè)秸稈中含有蛋白質(zhì)、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(zhì)中添加玉米秸稈可以提高菌菇的出菇量，增加經(jīng)濟(jì)效益[25]。目前，國(guó)內(nèi)的秸稈作為食用菌基質(zhì)技術(shù)比較成熟，平均生產(chǎn)1kg的食用菌可以消耗1kg的秸稈，菌菇渣經(jīng)過(guò)食用菌的分解存在一些可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)的化合物，可以作為有機(jī)肥料進(jìn)行再利用，實(shí)現(xiàn)利用循環(huán)[26]。

3.5 秸稈能源化利用

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

液化技術(shù)是指利用催化、水解或者熱解等手段，使秸稈的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，將生物質(zhì)秸稈轉(zhuǎn)化為液體能源[28]。

直燃技術(shù)是直接將秸稈燃燒，最常見(jiàn)的為直燃發(fā)電技術(shù)，直燃發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前最主要的發(fā)電技術(shù)，這種發(fā)電技術(shù)和傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電在本質(zhì)上并沒(méi)有太大的區(qū)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(shè)備再經(jīng)過(guò)一系列的氧化和還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為一種可燃?xì)怏w，這是一種在沼氣、液化氣、天然氣后又一種比較清潔、無(wú)污染且原材料來(lái)源廣泛的農(nóng)村能源[29]，這對(duì)改善農(nóng)村生活環(huán)境、建立資源節(jié)約型社會(huì)有著舉足輕重的意義。

液化技術(shù)是生物質(zhì)能通過(guò)熱解水解等發(fā)生一系列化學(xué)變化，從而變成能夠燃燒的液體燃料。第1代的技術(shù)是用經(jīng)濟(jì)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(fèi)，越來(lái)越不符合我國(guó)的基本國(guó)情。第2代液化技術(shù)將農(nóng)林業(yè)的廢棄物通過(guò)發(fā)酵得到乙醇，如纖維素乙醇技術(shù)[30]。目前我國(guó)中糧集團(tuán)已經(jīng)啟動(dòng)建設(shè)了產(chǎn)量500t·a-1的纖維素乙醇實(shí)驗(yàn)裝置，糖轉(zhuǎn)化率超過(guò)了85%、半纖維轉(zhuǎn)化率超過(guò)了95%、纖維素轉(zhuǎn)化率超過(guò)90%，多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的，同時(shí)在國(guó)際上也屬于較為先進(jìn)的水平[31]。

將秸稈制作成固體燃料的技術(shù)就是固化成型，早在20世紀(jì)國(guó)外就已經(jīng)開(kāi)展了固化成型相關(guān)的研究，我國(guó)的相關(guān)技術(shù)研究始于20世紀(jì)80年代，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化的發(fā)展。不過(guò)這類(lèi)的生物質(zhì)固體燃料還存在一些不足，如熱值比較低、品質(zhì)不夠穩(wěn)定[32]，不能夠滿(mǎn)足使用要求比較高的場(chǎng)景。這項(xiàng)技術(shù)仍然有較大的提升空間，不過(guò)使用方便，能夠有效地減少秸稈生物質(zhì)資源的浪費(fèi)。

4 小結(jié)與討論

農(nóng)作物秸稈是一種“用則利、棄則廢”的可再生生物質(zhì)資源?；诠?jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境背景，農(nóng)作物秸稈綜合利用已為大勢(shì)所趨[4]。

從前文的秸稈“五化”利用來(lái)看，目前基料化的利用是綜合經(jīng)濟(jì)效益比較高的一種利用方式。能源化利用由于對(duì)研發(fā)要求比較高，技術(shù)不是特別成熟，秸稈的收集、運(yùn)輸、儲(chǔ)存的成本較高，設(shè)備也比較貴，總的成本較高，利潤(rùn)較小[33]，且技術(shù)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(zhuān)業(yè)的機(jī)械，且成本較高，在沒(méi)有補(bǔ)貼的情況下農(nóng)民難以接受這么高的成本。在秸稈的原料化利用上我國(guó)近年來(lái)高校、研究所、企業(yè)取得了不少的突破，應(yīng)用慢慢延伸到了眾多的生活領(lǐng)域[34]，利用范圍越來(lái)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(yàn)階段。