農(nóng)業(yè)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(jì)大學(xué)新農(nóng)村發(fā)展研究院/同濟(jì)大學(xué)國家設(shè)施農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 200092)

農(nóng)業(yè)廢棄物每年都會大量產(chǎn)生，但其中大部分沒有得到充分利用。據(jù)估算，全球每年產(chǎn)生約2 000億t 秸稈，僅我國每年產(chǎn)生秸稈量近9億t，產(chǎn)生的畜禽糞污達(dá)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(shí)施的《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》明確規(guī)定作物秸稈和畜禽糞污需要回收利用，以避免環(huán)境污染[1-3]。在發(fā)展中國家，農(nóng)業(yè)廢棄物能源化、飼料化、肥料化、材料化、基質(zhì)化等都具有產(chǎn)業(yè)化發(fā)展?jié)摿4-7]。但是，長期以來農(nóng)業(yè)發(fā)展存在依賴化肥農(nóng)藥、區(qū)域畜禽產(chǎn)業(yè)發(fā)展與農(nóng)業(yè)發(fā)展相互分離、種養(yǎng)不平衡、農(nóng)業(yè)廢棄物資源浪費(fèi)、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)有待提升等問題。

據(jù)文獻(xiàn)[4，8-9]報(bào)道，國內(nèi)外農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用模式很多，比較典型的有菲律賓瑪雅農(nóng)場以沼氣工程為樞紐的廢棄物利用產(chǎn)業(yè)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(nóng)場生產(chǎn)和家庭生活所需的沼氣能源，產(chǎn)沼氣后的沼渣梯次回收用作牲畜飼料或制成有機(jī)肥料還田。產(chǎn)沼氣后的沼液經(jīng)藻類氧化塘處理后，梯次送入水塘養(yǎng)魚養(yǎng)鴨，最后取塘水、塘泥去營養(yǎng)農(nóng)田；美國有機(jī)農(nóng)場以有機(jī)肥還田為目的的多種農(nóng)林廢棄物梯次利用生產(chǎn)有機(jī)農(nóng)產(chǎn)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(chǎn)有機(jī)肥；北京留民營村以農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合循環(huán)為核心的農(nóng)業(yè)廢棄物梯次利用模式，將農(nóng)田、菜園產(chǎn)生的蔬菜和玉米秸稈、糠麩等廢棄物制成飼料再供給養(yǎng)雞場、奶牛場、養(yǎng)豬場和魚塘，雞糞、牛糞、豬糞及農(nóng)戶糞尿入沼氣站發(fā)酵生產(chǎn)沼氣、沼渣、沼液，灌溉農(nóng)田、菜園、果園和苗圃等。這些農(nóng)業(yè)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(chuàng)新優(yōu)化。

碳達(dá)峰、碳中和背景下，如何針對不同種類農(nóng)業(yè)廢棄物的物理、化學(xué)特性和不同區(qū)域農(nóng)業(yè)廢棄物的資源特點(diǎn)，打造區(qū)域農(nóng)業(yè)廢棄物聯(lián)合資源化梯次利用低碳模式，解決農(nóng)業(yè)綠色產(chǎn)業(yè)化發(fā)展問題是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物高效、生態(tài)、環(huán)保、循環(huán)利用的保障。

農(nóng)業(yè)廢棄物梯次利用是指農(nóng)作物或禽畜糞便已經(jīng)使用過(如作為糧食或能源)，再通過其他方法使其繼續(xù)使用的過程，且該過程屬于基本同級、降級或循環(huán)利用的方式。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，梯次循環(huán)使用也是全球提倡低碳、環(huán)保發(fā)展的趨勢，梯次利用是循環(huán)高質(zhì)化利用的前端環(huán)節(jié)。筆者在分析安徽阜陽和上海崇明城橋鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，構(gòu)建出區(qū)域農(nóng)業(yè)廢棄物沼氣工程全產(chǎn)業(yè)鏈物質(zhì)流梯次利用和農(nóng)作物秸稈還田資源化循環(huán)利用2種低碳模式。

1 農(nóng)業(yè)廢棄物的分類

農(nóng)業(yè)廢棄物是在整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中被廢棄的有機(jī)類物質(zhì)。按其來源，農(nóng)業(yè)廢棄物可分為種植業(yè)廢棄物、養(yǎng)殖業(yè)廢棄物、農(nóng)業(yè)加工業(yè)廢棄物、農(nóng)村生活廢棄物。

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

圖1 農(nóng)業(yè)廢棄物的細(xì)化分類 Fig.1 The classification of agricultural wastes

由于農(nóng)業(yè)廢棄物來源不同，其理化性質(zhì)存在很大差異，但也有共同特點(diǎn)。從物理特性來看，農(nóng)業(yè)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(qiáng)的特點(diǎn)。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(xué)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(jī)化學(xué)特性來看，農(nóng)業(yè)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(zhì)、天然橡膠、果膠和木質(zhì)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?xì)浠衔锏萚12]。

2 安徽阜陽農(nóng)業(yè)廢棄物資源化梯次利用低碳模式

安徽阜陽阜南縣龍王鄉(xiāng)針對畜禽糞污及其他有機(jī)廢棄物，以厭氧發(fā)酵技術(shù)為核心，采用碳、氮、磷梯次利用工程技術(shù)和有機(jī)廢棄物能肥聯(lián)產(chǎn)物質(zhì)流梯次利用循環(huán)技術(shù)，集成創(chuàng)新畜禽糞污收儲運(yùn)、預(yù)處理技術(shù)、高效厭氧發(fā)酵碳轉(zhuǎn)化技術(shù)、發(fā)酵殘余物碳、氮、磷等養(yǎng)分農(nóng)田回用再循環(huán)利用等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)廢棄物綜合轉(zhuǎn)化和生物天然氣產(chǎn)業(yè)聯(lián)動技術(shù)體系產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[13]。畜禽糞污生物質(zhì)廢棄物初步利用容易產(chǎn)生二次污染問題，全面提升生物質(zhì)廢棄物厭氧消化產(chǎn)物品質(zhì)。沼渣具有固態(tài)有機(jī)緩釋肥的性質(zhì)，可作為農(nóng)田基肥；沼液可噴灑農(nóng)田用作葉面肥，C、N、P營養(yǎng)回收利用，反哺農(nóng)田。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建出區(qū)域農(nóng)業(yè)廢棄物沼氣工程全產(chǎn)業(yè)鏈物質(zhì)流梯次利用循環(huán)模式，如圖2所示。

在安徽區(qū)域農(nóng)業(yè)廢棄物沼氣工程全產(chǎn)業(yè)鏈物質(zhì)流梯次利用循環(huán)模式中，產(chǎn)生的生物天然氣除保障居民日常用氣外，余量還可用來發(fā)電。生物天然氣本身替代燃煤可以減碳40%以上，減碳量遠(yuǎn)大于自身因電力消耗所排放的二氧化碳量。畜禽糞污經(jīng)濟(jì)高效資源化利用采用成套關(guān)鍵裝備，突破“減量化收集、穩(wěn)定化運(yùn)行和高值化利用”技術(shù)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(shí)現(xiàn)污水減量60%以上；通過研發(fā)沼液濃縮、儲存池防滲就地改造、糞水農(nóng)田均勻噴灌等技術(shù)，保障了液肥經(jīng)濟(jì)安全輸送、貯存和施用；通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)干法厭氧發(fā)酵、自動翻料好氧發(fā)酵等高含固率糞污無害化處理技術(shù)，處理效率提升50%以上；通過開發(fā)好氧堆肥產(chǎn)品、厭氧沼氣/沼液產(chǎn)品多元化利用系列新技術(shù)，促進(jìn)末端資源化產(chǎn)品常年高效、穩(wěn)定、安全利用。通過資源化梯次利用，通過糞污生態(tài)還田技術(shù)，保障種養(yǎng)平衡，可以增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，避免土壤板結(jié)。通過該模式多維可控生物天然氣先進(jìn)技術(shù)處理，生物天然氣甲烷含量達(dá)到96%，促進(jìn)并保障了區(qū)域生態(tài)農(nóng)業(yè)循環(huán)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和農(nóng)村能源產(chǎn)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。

通過分析圖2模式中物質(zhì)流動情況發(fā)現(xiàn)，該模式中營養(yǎng)物質(zhì)在種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)之間形成了良性循環(huán)流動，體現(xiàn)了生態(tài)農(nóng)業(yè)和有機(jī)農(nóng)業(yè)種養(yǎng)有機(jī)平衡的理念，在此理念框架下得出農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)種養(yǎng)結(jié)合資源化物質(zhì)流動梯次循環(huán)利用流程，如圖3所示。

圖3中種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)有機(jī)平衡，種養(yǎng)結(jié)合在系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)流資源化梯次循環(huán)利用，用地和養(yǎng)地結(jié)合，形成種養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)。將種植業(yè)產(chǎn)生的秸稈類資源送至生物質(zhì)加工單元加工后，與養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生糞便污水的2個(gè)環(huán)節(jié)廢棄物收納在廢棄物處理單元，通過該單元厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼液、沼渣，生成速效葉面肥和緩釋固態(tài)有機(jī)肥，營養(yǎng)物質(zhì)N、P、K和有機(jī)碳重新回歸到土壤，土壤消納有機(jī)廢棄物，同時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，土壤碳氮比增加。通過畜禽糞便厭氧發(fā)酵后還田，促進(jìn)了有機(jī)碳的固定和儲備，同時(shí)促進(jìn)了土壤孔隙發(fā)育和土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定。畜禽糞便中含有一定量的氮和磷，厭氧發(fā)酵后作為固態(tài)有機(jī)肥返田，可提高土壤有機(jī)碳含量，減少化肥用量，平衡養(yǎng)分供應(yīng)，改善土壤保水保肥以及緩沖性能，防止養(yǎng)分流失，提升土壤地力，提高肥料利用率。

圖2 安徽阜陽農(nóng)業(yè)廢棄物沼氣工程全產(chǎn)業(yè)鏈梯次利用循環(huán)模式Fig.2 Cascade recycling mode of the whole industrial chain of agricultural waste biogas project in Fuyang, Anhui

圖3 農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)種養(yǎng)結(jié)合資源化物質(zhì)流動梯次循環(huán)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(qū)城橋鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化還田利用低碳模式

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域溫室氣體排放的主要驅(qū)動因素為農(nóng)田N2O排放和稻田甲烷排放，其中農(nóng)田N2O排放又包括化肥、秸稈和糞肥的氮排放。通過研究發(fā)現(xiàn)，存在因大量使用化肥導(dǎo)致的溫室氣體排放占比較大的問題，即種養(yǎng)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(zhì)化)利用率低等問題。同時(shí)，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(qū)城橋鎮(zhèn)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(jī)質(zhì)含量。農(nóng)作物主要輪作方式為稻麥輪作，還有部分稻油輪作。農(nóng)作物秸稈全量還田既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)在于有利于耕地質(zhì)量的改善、作物產(chǎn)量的提高、減少面源污染；缺點(diǎn)在于秸稈產(chǎn)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(fēng)失墑，局部農(nóng)田會出現(xiàn)出苗率低、苗黃、苗弱甚至死苗等現(xiàn)象，蟲害和菌害也會不同程度增加，影響種子發(fā)芽生長、種苗扎根不牢甚至出現(xiàn)吊根現(xiàn)象。在稻油輪作時(shí)，水稻機(jī)插秧時(shí)，受油菜秸稈的影響，田塊中會出現(xiàn)飄秧現(xiàn)象。

綜合考慮以上情況，稻麥輪作時(shí)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(shí)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(shí)秸稈還田資源化梯次利用模式中，水稻生長收獲，收割機(jī)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(jī)收割二麥、切碎麥稈、均勻鋪撒地塊，適當(dāng)機(jī)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(shí)后直播或栽插水稻。

稻麥秸稈還田后，土壤有機(jī)質(zhì)得到了補(bǔ)充，還田區(qū)土壤疏松度和團(tuán)粒結(jié)構(gòu)明顯好于未還田區(qū)。據(jù)上海崇明區(qū)有關(guān)部門測定，連續(xù)2次秸稈還田后土壤有機(jī)質(zhì)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(yàn)對比田塊觀察發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)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(chǎn)1.86%，小麥?zhǔn)斋@后秸稈繼續(xù)全量還田后種植水稻的產(chǎn)量比不還田的田塊增加6.36%[14]。

農(nóng)業(yè)廢棄物資源秸稈還田利用是發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)的一種有效模式，它可以充分發(fā)揮農(nóng)業(yè)系統(tǒng)固碳減排的潛力。在考慮耕作制度、秸稈還田的基礎(chǔ)上，在雙碳背景下，在實(shí)際應(yīng)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(shí)間、有機(jī)肥、化肥施用量和綜合利用等；針對不同作物加強(qiáng)精準(zhǔn)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(dá)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(jī)肥。同時(shí)，加強(qiáng)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(diào)節(jié)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(jìn)有機(jī)碳固定和儲備，促進(jìn)土壤孔隙發(fā)育和土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定。最佳土壤碳氮比在13左右。

4 結(jié)論

鑒于區(qū)域資源稟賦、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平差異，針對農(nóng)業(yè)廢棄物，安徽阜陽和上海崇明區(qū)城橋鎮(zhèn)采取適當(dāng)模式進(jìn)行聯(lián)合資源化產(chǎn)業(yè)化利用，防治農(nóng)業(yè)面源污染，推進(jìn)農(nóng)藥、化肥減量增效、秸稈綜合利用，推進(jìn)規(guī)模養(yǎng)殖場污染治理及整縣區(qū)域畜禽糞污資源化利用，推進(jìn)具有地方特色的農(nóng)業(yè)廢棄物循環(huán)利用及產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

在深入分析安徽阜陽和上海崇明區(qū)城橋鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用情況的基礎(chǔ)上，構(gòu)建出區(qū)域農(nóng)業(yè)廢棄物沼氣工程全產(chǎn)業(yè)鏈物質(zhì)流梯次利用模式和農(nóng)作物秸稈資源化還田循環(huán)利用2個(gè)典型模式，以農(nóng)業(yè)廢棄物聯(lián)合厭氧發(fā)酵技術(shù)為核心，發(fā)展生物天然氣產(chǎn)業(yè)，并進(jìn)行碳、氮、磷梯次回收利用，能肥聯(lián)產(chǎn)、種養(yǎng)結(jié)合，系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)流資源化循環(huán)利用；綜合考慮秸稈還田的優(yōu)勢和不足，總結(jié)出稻麥輪作時(shí)秸稈適當(dāng)還田循環(huán)化利用技術(shù)模式，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)部農(nóng)業(yè)廢棄物梯次利用和循環(huán)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)外部資源投入減量化，從而保障區(qū)域農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。