于振波，劉玉萍，李廣來(lái)，劉薇，賈琳琳

（黑龍江省環(huán)境科學(xué)研究院，黑龍江哈爾濱150056）

作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)秸稈資源相當(dāng)豐富，而且隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)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(guó)綜合利用率相對(duì)較低。相關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2015年我國(guó)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(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)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(jié)構(gòu)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(yán)重浪費(fèi)，而且還會(huì)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(jiàn)，加快推進(jìn)秸稈綜合利用成為當(dāng)下亟需解決的問(wèn)題，現(xiàn)階段，秸稈綜合利用技術(shù)層出不窮，以下主要對(duì)秸稈“五化”利用技術(shù)等進(jìn)行具體介紹。

1 秸稈肥料化利用技術(shù)

1.1 秸稈還田技術(shù)

農(nóng)業(yè)秸稈中含有大量的氮、磷、鉀等元素，處理得當(dāng)可以作為農(nóng)業(yè)的有機(jī)肥使用。秸稈還田可以改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤有機(jī)質(zhì)及孔隙度，可以促進(jìn)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(guò)腹還田、腐熟還田等。

1.1.1 直接還田技術(shù)

當(dāng)秸稈產(chǎn)生量較大時(shí)，直接還田應(yīng)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(guò)微生物作用使其降解?；炻襁€田主要是通過(guò)各種機(jī)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(shí)，將秸稈覆蓋在土壤表面達(dá)30%以上的還田技術(shù)[3]。

1.1.2 堆漚還田技術(shù)

堆漚還田是對(duì)秸稈進(jìn)行發(fā)酵處理，腐熟成肥后再進(jìn)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(guò)程中可以使秸稈腐熟礦化，養(yǎng)分得以釋放，同時(shí)可以對(duì)蟲(chóng)卵、致病菌等進(jìn)行有效殺滅，但是因?yàn)槎褲a過(guò)程會(huì)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(yīng)用相對(duì)較少[4]。

1.1.3 過(guò)腹還田技術(shù)

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

1.1.4 腐熟還田技術(shù)

腐熟還田是指在農(nóng)作物進(jìn)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(guò)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(lǐng)域應(yīng)用較多。腐熟還田最核心的技術(shù)就是進(jìn)行腐熟菌劑的篩選和開(kāi)發(fā)，也是當(dāng)下研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[5]。

1.2 秸稈生物反應(yīng)堆技術(shù)

在秸稈中添加微生物菌種、催化劑以及凈化劑，在通風(fēng)的狀態(tài)下，秸稈被分解為二氧化碳、有機(jī)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(zhǎng)發(fā)育。

1.3 秸稈有機(jī)肥生產(chǎn)技術(shù)

秸稈有機(jī)肥生產(chǎn)主要是在秸稈中加入各種速腐菌劑和酶類(lèi)，在一定的濕度和溫度下，秸稈中的纖維素被迅速分解，同時(shí)形成大量的菌體蛋白。通過(guò)為微生物營(yíng)造良好的生長(zhǎng)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(chóng)卵，從而形成優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料。

2 秸稈飼料化利用技術(shù)

2.1 秸稈青（黃）貯技術(shù)

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

2.2 秸稈堿化/氨化技術(shù)

氨化秸稈的原理主要有以下幾個(gè)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(shí)能夠造成細(xì)胞壁膨脹，進(jìn)而使其變得更加疏松，有利于家畜對(duì)秸稈的消化；第二，氨化作用，氨與秸稈中的有機(jī)質(zhì)發(fā)生反應(yīng)形成醋酸銨，其可以作為牲畜胃中微生物的重要營(yíng)養(yǎng)源，進(jìn)而會(huì)形成菌體蛋白質(zhì)被動(dòng)物吸收，可以有效地提升秸稈的營(yíng)養(yǎng)價(jià)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(yīng)，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(shù)

3.1 秸稈基料食用菌種植技術(shù)

麥秸、稻草等禾木科秸稈作為栽培草腐生菌類(lèi)的優(yōu)質(zhì)原料，其可以為菌類(lèi)提供碳源，而且通過(guò)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(shù)

該技術(shù)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(jī)物質(zhì)，并將物料含水量調(diào)整到60%～70%，通過(guò)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(diǎn)：第一，可以滿(mǎn)足多種植物及不同生長(zhǎng)期的需求；第二，密度較小，操作及運(yùn)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(lái)的損傷；第五。具有較強(qiáng)的吸水性和持水能力。

4 秸稈燃料化利用技術(shù)

4.1 秸稈固化成型技術(shù)

秸稈固化成型燃料主要是通過(guò)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(diǎn)，二氧化硫排放量較低，可以實(shí)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(gè)領(lǐng)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(shù)

在能源危機(jī)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(wèn)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(shì)，現(xiàn)階段已經(jīng)在發(fā)電產(chǎn)業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。秸稈發(fā)電兼具社會(huì)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?yàn)榭諝赓|(zhì)量改善助力。秸稈發(fā)電起源于國(guó)外，現(xiàn)已形成較為成熟的技術(shù)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(dá)到85%以上，以秸稈發(fā)電為代表的可再生能源占丹麥全國(guó)能源消費(fèi)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(shù)較為成熟，適用于大規(guī)模生產(chǎn)活動(dòng)，熱效率較高，但卻存在投資成本高，易造成空氣污染等缺點(diǎn)；氣化發(fā)電技術(shù)較為成熟，投資相對(duì)較少，對(duì)空氣污染較輕，但卻存在工藝過(guò)程較為復(fù)雜，熱效率低等缺點(diǎn)；混燃發(fā)電投資較少，建設(shè)周期相對(duì)較短，但卻存在設(shè)備易腐蝕、容易造成二次污染等缺點(diǎn)。相較于國(guó)外先進(jìn)國(guó)家，我國(guó)秸稈發(fā)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，近年來(lái)，在國(guó)家的大力扶持下，我國(guó)秸稈發(fā)電產(chǎn)業(yè)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，已有大批的秸稈發(fā)電項(xiàng)目在建或者投產(chǎn)。

4.3 秸稈沼氣生產(chǎn)技術(shù)

4.3.1 戶(hù)用秸稈沼氣生產(chǎn)技術(shù)

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(hù)用沼氣生產(chǎn)技術(shù)是建立在現(xiàn)有農(nóng)村戶(hù)用沼氣池基礎(chǔ)上，以秸稈為主要發(fā)酵原料的厭氧沼氣生產(chǎn)技術(shù)。

4.3.2 大中型秸稈沼氣生產(chǎn)技術(shù)

大中型秸稈沼氣生產(chǎn)技術(shù)主要是指成規(guī)模的沼氣生產(chǎn)技術(shù)，單個(gè)厭氧發(fā)酵裝置容量需要達(dá)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(shù)

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(guò)一系列的處理工藝可以制成乙醇。近年來(lái)，世界各國(guó)都加大了對(duì)新能源的研發(fā)投入力度，生物燃料乙醇應(yīng)運(yùn)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(zhǎng)期來(lái)看具有規(guī)模限制和不可持續(xù)性。2008年以來(lái)，我國(guó)全面叫停以糧食為原料的乙醇開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，富含木質(zhì)纖維素的秸稈，成為當(dāng)下發(fā)展生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)研究對(duì)象。2014年，我國(guó)在纖維素制乙醇方面取得重大技術(shù)突破，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)秸稈制乙醇工業(yè)化提供有力的技術(shù)支持。

5.2 秸稈造紙

我國(guó)是世界上紙消耗量最大的國(guó)家，而造紙?jiān)系娜狈σ呀?jīng)影響到造紙行業(yè)的進(jìn)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(diǎn)[8]，是未來(lái)造紙行業(yè)不可或缺的原料。在國(guó)家出臺(tái)的《造紙工業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中明確指出，應(yīng)加大對(duì)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(lái)，我國(guó)在秸稈造紙方面投入了大量的資金，并取得了一定的成績(jī)。天津科技大學(xué)以科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)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(shù)在保證紙張質(zhì)量的基礎(chǔ)上，更具經(jīng)濟(jì)性?，F(xiàn)階段，隨著我國(guó)森林資源的匱乏，我國(guó)造紙行業(yè)對(duì)國(guó)外紙漿的依賴(lài)越來(lái)越大，秸稈造紙技術(shù)的深入研究和逐漸應(yīng)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(shù)應(yīng)用前景

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

第一，秸稈肥料化技術(shù)，其中翻耕還田技術(shù)應(yīng)用較多，在秋季收割農(nóng)作物時(shí)將秸稈打碎，秋整地時(shí)直接將秸稈深翻入地下，但是在應(yīng)用過(guò)程中存在兩方面的限制因素，一方面是無(wú)論打碎秸稈作業(yè)還是深翻作業(yè)，都需要專(zhuān)門(mén)的機(jī)械設(shè)備才能完成，需要大量的資金投入；另一方面是當(dāng)下黑龍江很大一部分耕地黑土層厚度不夠，深翻時(shí)會(huì)將黃土帶出，影響下一年的耕種。在經(jīng)濟(jì)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(shù)，現(xiàn)階段，秸稈翻耕還田技術(shù)在農(nóng)墾地區(qū)應(yīng)用效果良好。

第二，秸稈飼料化利用技術(shù)，其中秸稈青（黃）貯技術(shù)應(yīng)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(jī)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(duì)牲畜養(yǎng)殖業(yè)的扶植力度，在促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，提升農(nóng)業(yè)秸稈的消耗量。

第三，秸稈基料化利用技術(shù)，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(yīng)對(duì)秸稈基料利用技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究和優(yōu)化，提升種植效果，擴(kuò)大秸稈基料應(yīng)用范圍和應(yīng)用規(guī)模。

第四，秸稈燃料化利用技術(shù)，其中秸稈固化成型技術(shù)和秸稈發(fā)電技術(shù)優(yōu)勢(shì)較為明顯，也是黑龍江省秸稈綜合利用重要的發(fā)展方向。現(xiàn)階段，黑龍江省生物質(zhì)鍋爐應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，為秸稈固化成型技術(shù)的應(yīng)用找到了出口，而且對(duì)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(hù)，生物質(zhì)電廠應(yīng)得到進(jìn)一步的推廣。因?yàn)槎緶囟冗^(guò)低，微生物的活性不足，若是采取保溫措施則運(yùn)行費(fèi)用過(guò)高，因此秸稈沼氣生產(chǎn)技術(shù)在黑龍江地區(qū)并不適用。

第五，秸稈原料化利用技術(shù)，現(xiàn)階段，秸稈原料化利用在黑龍江仍處于初級(jí)階段，還有很大的上升空間。黑龍江省應(yīng)加大對(duì)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(xiàng)目的引進(jìn)，加快秸稈綜合利用產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著各項(xiàng)政策的出臺(tái)和落實(shí)，我國(guó)農(nóng)業(yè)秸稈綜合利用工作取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，同時(shí)也存在諸多問(wèn)題有待于進(jìn)一步的解決。現(xiàn)階段，我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平偏低，秸稈的收集、加工、儲(chǔ)運(yùn)等方面仍相對(duì)薄弱，這就需要國(guó)家加強(qiáng)相關(guān)資金的投入，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼邇A斜，提升秸稈的綜合利用率，并鼓勵(lì)和支持相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)研究工作，促進(jìn)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）