“雙碳”背景下農(nóng)業(yè)廢棄物基料化利用可行性分析*

崔文仲 ，周晚來

（1.成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610100；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所，四川 成都 610213）

氣候的惡化，尤其是溫室效應(yīng)的加劇使全球平均氣溫升高，引發(fā)冰川融化、極端天氣、海平面上升等一系列的環(huán)境問題[1]，防止全球變暖已經(jīng)成為全球可持續(xù)發(fā)展的重要命題和挑戰(zhàn)[2]。為應(yīng)對氣候變化，我國提出“碳達(dá)峰、碳中和”的“雙碳”目標(biāo)，希望能盡早進(jìn)入“絕對減排”時代[3]。一方面，植株是最好的碳捕獲和固碳載體[4]，因此最好的固碳減排方式便是增加綠色植株種植體量，基質(zhì)種植能夠很好地達(dá)到這個目的。另一方面，我國是農(nóng)業(yè)大國，隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的建設(shè)，農(nóng)業(yè)作業(yè)效率較以往快速提高，產(chǎn)出量也隨之快速增加，直接導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生大量廢棄物。據(jù)統(tǒng)計，我國每年產(chǎn)生的畜禽糞污、農(nóng)作物秸稈和農(nóng)產(chǎn)品加工廢棄物分別為38 億t、9 億t 和2 億t，種類繁多，數(shù)量巨大，卻只有極少數(shù)得到了充分利用，更多的廢棄物則是通過填埋、焚燒等方式進(jìn)行處理。低效的利用與不適宜的處理方式不僅浪費(fèi)了資源，更加重了溫室氣體的排放，如何合理利用如此大量的廢棄物是迫切需要解決的問題。因此，應(yīng)基于基質(zhì)種植的優(yōu)勢及處理農(nóng)業(yè)廢棄物的需求，以實(shí)現(xiàn)“雙碳”為最終目標(biāo)，多渠道減少碳排放、增加碳吸收。以能源優(yōu)化、廢棄資源再利用為突破口的農(nóng)業(yè)廢棄物基料化利用技術(shù)，有著廣闊的應(yīng)用前景及重大的環(huán)保意義[5-6]。

1 農(nóng)業(yè)廢棄物基料化利用及新型基質(zhì)種植的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀

基質(zhì)指的是能生長植物的非原位土壤，是人工配置的能夠?yàn)榉N子萌發(fā)和植物生長提供根系環(huán)境的多元混合物，基質(zhì)材料通常應(yīng)當(dāng)具備支持固定、提供水分通氣條件、提供營養(yǎng)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定這四個基本功能。

基質(zhì)種植技術(shù)則是一種利用基質(zhì)進(jìn)行無土栽培的技術(shù)。相較于水培和霧培，基質(zhì)栽培的投入成本更低，技術(shù)要求也更低，整體培養(yǎng)過程和傳統(tǒng)土壤培養(yǎng)更相似[7]?；|(zhì)種植技術(shù)的研究和應(yīng)用始于20 世紀(jì)80 年代，隨著科技的不斷進(jìn)步和環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，基質(zhì)種植技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注和研究，現(xiàn)今的基質(zhì)栽培在省水省肥的情況下，已經(jīng)能夠做到比常規(guī)土壤栽培產(chǎn)量更高、質(zhì)量更好[6]。目前，基質(zhì)種植技術(shù)已經(jīng)在城市綠化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、土壤修復(fù)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為我國無土種植栽培最重要的方式。

因?yàn)槟嗵苛畠r且具備適宜植株生長的理化特性[5]，一直是世界上使用最廣泛的基質(zhì)種植材料[7]，然而，泥炭是一種需求量巨大的有限資源，泥炭沼澤的開采會對環(huán)境造成負(fù)面影響，減少泥炭沼澤中的碳匯，并通過不飽和泥炭層的降解和氧化向大氣中釋放溫室氣體，每年產(chǎn)生約1 500 萬t 的碳排放當(dāng)量，不利于“雙碳”目標(biāo)的達(dá)成[8]。因此，近年來世界各地廣泛研究各種廢料作為泥炭替代物，其中，農(nóng)業(yè)廢棄物基料化利用有著廣闊前景[9]。

農(nóng)業(yè)廢棄物基料化利用是指通過無害化和穩(wěn)定化處理后將農(nóng)業(yè)廢棄物用作基質(zhì)種植材料的過程。農(nóng)業(yè)廢棄物中包含了大量的作物秸稈，截至2016 年，我國農(nóng)作物秸稈理論資源量達(dá)到9.53×108t[6]。作物秸稈主要由纖維素、半纖維素及木質(zhì)素組成，易于保持良好的持水透氣性，此外，因?yàn)楸旧硎侵参镌磸U棄物，作物秸稈富含植物所需養(yǎng)分，有著很大的基料化利用潛力[5]。

農(nóng)業(yè)廢棄物經(jīng)基料化利用后成為種植基質(zhì)，而后基質(zhì)材料又可以用于植株的種植，減少土壤及泥炭需求，不僅對環(huán)境友好，響應(yīng)了“雙碳”政策，而且在一定程度上可以形成成體系、低投入、高回報且環(huán)境友好的“農(nóng)業(yè)廢棄物—基料化利用—植株種植—農(nóng)業(yè)廢棄物”農(nóng)業(yè)生產(chǎn)循環(huán)體系。

2 “雙碳”背景下農(nóng)業(yè)廢棄物基料化利用及新型基質(zhì)種植的具體應(yīng)用案例

2.1 農(nóng)業(yè)廢棄物所制備的新型基質(zhì)可參與海綿城市建設(shè)

海綿城市最根本的目的是進(jìn)行城市雨洪管理，讓城市能夠像海綿一樣順應(yīng)環(huán)境變化且對雨洪帶來的自然災(zāi)害具有良好彈性。但與此同時，海綿城市實(shí)際也具備緩解城市熱島效應(yīng)、調(diào)節(jié)微氣候及減碳的作用，因此在“雙碳”目標(biāo)達(dá)成的過程中有重要意義[10]。因?yàn)榛|(zhì)種植本身的特性，可以很好地實(shí)現(xiàn)立體綠化及垂直綠化，故可以通過基質(zhì)種植實(shí)現(xiàn)在城市中利用建筑物、屋頂、墻面等空間進(jìn)行種植，極大地增加了城市綠化覆蓋面積，提高了城市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力，助力實(shí)現(xiàn)海綿城市的生態(tài)目標(biāo)[11]。

具體來說，基質(zhì)種植在海綿城市建設(shè)中的作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1.1 雨水管理

基質(zhì)種植可以利用植物根系和基質(zhì)材料的吸水作用，將雨水進(jìn)行自然滯留和過濾，從而達(dá)到城市雨洪治理的目的。這滿足海綿城市中雨水的處理方式需求，不僅讓城市的蓄水能力、保水能力大大加強(qiáng)，同時也可以提高城市的雨水利用效率，減少城市水資源的浪費(fèi)和環(huán)境污染[12]。

2.1.2 生態(tài)保育

基質(zhì)化種植可以保護(hù)生態(tài)環(huán)境，為城市中的生物提供棲息和繁衍的場所，從而促進(jìn)城市生態(tài)系統(tǒng)的平衡。保護(hù)了生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，間接提高了城市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及生物豐度。

2.1.3 控溫減排

基質(zhì)種植可以讓城市綠化體量在現(xiàn)今的基礎(chǔ)上增加數(shù)倍，而大量的綠色植株可以通過光合作用和蒸騰作用釋放氧氣，吸收二氧化碳，凈化空氣，減少溫室氣體的排放。此外，由于溫室氣體排放的有效控制，城市的熱島效應(yīng)也可以很好地得到解決，從而節(jié)約城市降溫排氣方面的能源消耗，助力實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)[2]。

因此，基質(zhì)種植滿足了海綿城市的建設(shè)需求，甚至可以幫助海綿城市由“低碳”向著“零碳”方向發(fā)展，助力人工碳匯[13]。而在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的過程中，荒漠化治理是無法繞過的一環(huán)，而基質(zhì)種植也是荒漠化治理的重要手段之一。

2.2 農(nóng)業(yè)廢棄物所制備的新型基質(zhì)種植可參與荒漠化治理

荒漠化是指土地上的植被逐漸消失，土壤質(zhì)量下降，最終導(dǎo)致環(huán)境退化的過程，有氣候干旱等自然因素和植被破壞等人為因素兩方面原因[14]。而荒漠化治理則是通過各種手段，包括植樹造林、防風(fēng)固沙、種草等，來恢復(fù)和保護(hù)沙漠地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。這些措施可以幫助增加土地的碳吸收能力，從而減少大氣中的二氧化碳含量，達(dá)到“碳中和”的目的。此外，荒漠化治理還可以改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，促進(jìn)植被生長，提高土地的生產(chǎn)力，增加自然碳匯，形成良性循環(huán)。因此，荒漠化治理與“碳中和”的目標(biāo)是相互關(guān)聯(lián)、相互促進(jìn)的[15]。

雖然基質(zhì)種植多用于城市綠化，但是對于荒漠地區(qū)而言，也可以采用基質(zhì)種植來改善荒漠化的問題。荒漠化的根本原因在于原生土壤及濕度溫度等環(huán)境因素不再適合植株生長，而基質(zhì)種植則正好具備無土種植以及需水量少的優(yōu)勢，因此通過基質(zhì)種植可以達(dá)到荒漠綠化增加的目的，改善沙漠地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，抑制荒漠化的過程[16]。與此同時，綠色植株的增加減少了碳排放量，達(dá)到了碳中和的目的，也促進(jìn)了荒漠化地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和保護(hù)[17]。

2.3 農(nóng)業(yè)廢棄物基料化利用可助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“減排固碳”

據(jù)統(tǒng)計，包括二氧化碳和甲烷在內(nèi)，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的溫室氣體排放占溫室氣體總排放量的10%左右[18]，而其中占比很大的一部分便是作物秸稈的降解。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)原本土壤量巨大，固碳潛力巨大，因此“雙碳”背景下的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重心更應(yīng)放在減排上，基于這個目的，對作物秸稈及糞污的資源化利用就顯得尤為重要。就“減排”這一角度，對農(nóng)業(yè)廢棄物最好的資源化利用方式便是基料化利用：利用堆肥、熱處理及化學(xué)去毒等手段，將需要焚燒或厭氧發(fā)酵的農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化為具備土壤種植功能的栽培基質(zhì)[5]。

“雙碳”背景下的農(nóng)業(yè)廢棄物基料化利用相較于能源化、肥料化及飼料化等傳統(tǒng)資源化利用手段，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下兩方面。

2.3.1 “減排”：溫室氣體排放更少

作物秸稈最常用的處理方式是填埋、堆放及焚燒，這幾種處理方式都會造成溫室氣體如二氧化碳及甲烷等的過量排放。少量得到傳統(tǒng)資源化利用手段處理的廢棄物經(jīng)處理成為肥料，經(jīng)厭氧發(fā)酵生成沼氣，雖然做到了廢物利用，減少了資源浪費(fèi)，但是本質(zhì)上沒有減少溫室氣體的排放。而基料化利用相較于其他資源化利用方式，僅有少部分廢氣排放。

2.3.2 “固碳”：提供更多植株種植載體

農(nóng)業(yè)廢棄物經(jīng)過基料化利用得到的產(chǎn)物是種植基質(zhì)，可以繼續(xù)用于作物的栽培，并且和傳統(tǒng)土壤種植比較，基質(zhì)種植所需肥料更少，作物產(chǎn)出量更高。我國雖然是農(nóng)業(yè)大國，但是我國人均耕地面積遠(yuǎn)低于世界人均耕地面積，而農(nóng)業(yè)廢棄物的基料化利用在一定程度上緩解了耕地資源稀缺的問題?；匣眠€能將更多有機(jī)成分如纖維素、木質(zhì)素固定下來，產(chǎn)出的基質(zhì)可以用來種植更多綠植，綠植的增多又能夠吸收更多的二氧化碳，從多方面實(shí)現(xiàn)了“固碳”的目標(biāo)。

3 農(nóng)業(yè)廢棄物基料化利用及基質(zhì)種植在“雙碳”中的應(yīng)用價值

如上文所說，農(nóng)業(yè)廢棄物基料化利用助力“雙碳”目標(biāo)達(dá)成主要通過以下三個渠道實(shí)現(xiàn)：1）減少泥炭的開采，保證泥炭沼澤的自然碳匯，減少不飽和泥炭層的降解和氧化；2）減少農(nóng)業(yè)廢棄物不當(dāng)處理導(dǎo)致的溫室氣體排放，達(dá)到減排的目的；3）產(chǎn)出種植基質(zhì)，提供更多植株種植載體，綠植種植體量增加則能吸收更多溫室氣體，達(dá)到固碳的目的。

農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)出的新型基質(zhì)應(yīng)用范圍非常廣泛，除去上文所述，種植基質(zhì)還可以用于城市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域，而通過基質(zhì)種植技術(shù)，可以通過增加綠植栽種量提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性，在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的同時助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

因此，農(nóng)業(yè)廢棄物基料化利用對于“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有重要意義，在“固碳減排”層面，基質(zhì)種植及農(nóng)業(yè)廢棄物基料化利用是大有可為的[19]。

4 未來展望及難點(diǎn)

可以肯定的是，農(nóng)業(yè)廢棄物基料化利用及新型基質(zhì)種植技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景且對于“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義，但是依然存在一些根本問題。

4.1 運(yùn)輸成本及貯藏成本高

農(nóng)業(yè)廢棄物體量大、體積大，貯藏成本及運(yùn)輸成本遠(yuǎn)高于廢棄物材料本身的成本，因此，為了降低貯藏及運(yùn)輸成本，最直接有效的方式便是就地取材。因原材料為農(nóng)業(yè)廢棄物，產(chǎn)出基質(zhì)可以繼續(xù)栽種農(nóng)作物，后續(xù)作物的廢棄物又可以再利用，故希望能夠形成體量大且技術(shù)成熟的“農(nóng)業(yè)廢棄物—基料化利用—植物種植—農(nóng)業(yè)廢棄物”近閉環(huán)系統(tǒng)[6]。隨著全球碳交易市場的逐步建立和發(fā)展，成體系的近閉環(huán)系統(tǒng)可以更好地建立人工碳匯，從而具有更大的碳減排潛力和經(jīng)濟(jì)利益，對實(shí)現(xiàn)“碳中和”和推動可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

4.2 缺乏碳匯計算分析標(biāo)準(zhǔn)

從理論層面可以看出，農(nóng)業(yè)廢棄物基料化利用及基質(zhì)種植在“碳中和”實(shí)現(xiàn)道路上意義重大，但是尚缺乏能具體量化的指標(biāo)，如碳排放量、減排量、碳匯量及碳中和量等，僅能從原理及概念上指出其未來前景是光明的，但是如何量化相關(guān)指標(biāo)以得到最好的固碳效果還不明確。雖然現(xiàn)在基質(zhì)種植體量還較小，但是就市場需求及發(fā)展趨勢來看，未來基質(zhì)種植體量會以較快的速度增長，因此，對于相對難以量化的基質(zhì)種植達(dá)成的碳匯相關(guān)指標(biāo)，也應(yīng)當(dāng)形成更準(zhǔn)確且成體系的標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 現(xiàn)有基料化技術(shù)不夠穩(wěn)定高效

農(nóng)業(yè)廢棄物的基料化利用和基質(zhì)種植技術(shù)涉及多個學(xué)科領(lǐng)域的知識，包括生物、化學(xué)、物理等，技術(shù)難度較大，且現(xiàn)有技術(shù)或多或少都有不足之處，如堆肥處理時間長，需要投入一定的設(shè)備，存在堆肥過程中氮損失較多、堆肥結(jié)果不穩(wěn)定且有滲濾液臭氣排放的問題。而熱處理則存在高設(shè)備投入、高能耗及尾氣排放的問題。水洗時，為了能夠全面去除植物毒性物質(zhì)會用到大量的水，清洗劑也會導(dǎo)致排放大量化學(xué)廢液，于環(huán)境而言并不友好。老化則需要極長的處理時間，同時也有臭氣和滲濾液排放。因此，為應(yīng)對快速增長的基質(zhì)種植需求，開發(fā)穩(wěn)定高效的基料化利用技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急。

4.4 規(guī)?；罢攮h(huán)境瓶頸

當(dāng)前，農(nóng)業(yè)廢棄物的基料化利用和基質(zhì)種植技術(shù)還不夠成熟，規(guī)模相對較小，很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。而技術(shù)的研發(fā)也需要設(shè)備、人力、物資等方面的大量投入，需要政府和企業(yè)共同合作才能夠逐步實(shí)現(xiàn)，包括財政補(bǔ)貼、稅收減免、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面。缺乏政策和法律的支持，技術(shù)則難以發(fā)展，推廣和大規(guī)模應(yīng)用也就難以在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

農(nóng)業(yè)廢棄物的基料化利用和基質(zhì)種植技術(shù)在“雙碳”道路上具有很大的發(fā)展前景和應(yīng)用潛力，但是雖然前景光明，目前也還有很多問題需要解決，只有克服了技術(shù)難點(diǎn)、體系問題、規(guī)?；瘑栴}和政策環(huán)境等方面的挑戰(zhàn)，才能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和廣泛應(yīng)用。