趙佳穎 周晚來 戚智勇

摘要：指出了農(nóng)業(yè)廢棄物排放量日益增加但綜合利用率較低是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，利用數(shù)據(jù)計算了我國農(nóng)業(yè)廢棄物的營養(yǎng)物質(zhì)含量和近年農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈排放量，充分說明我國農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)化利用在減少化肥、緩解土地約束力、提高作物產(chǎn)量和實現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟循環(huán)4方面的價值和意義。通過對比好氧發(fā)酵和炭化技術(shù)兩種基質(zhì)化途徑，得出了我國目前農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)化應(yīng)用中原料來源參差不齊、重復(fù)利用率低、產(chǎn)品缺乏創(chuàng)新和缺乏與新技術(shù)手段融合等的5方面問題，為此，提出了未來農(nóng)業(yè)廢棄物規(guī)?；⒓s化、科技化發(fā)展的新方向。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)廢棄物;基質(zhì);發(fā)酵;炭化

中圖分類號：X71 文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1674-9944（2019）22-0232-04

1 引言

近年來，隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)廢棄物的排放呈現(xiàn)出日益增長的態(tài)勢，農(nóng)業(yè)廢棄物的收集、管理和利用已成為世界各國共同面臨的生態(tài)環(huán)境問題。據(jù)估計，我國每年產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)廢棄物高達70×10⁸t[1]，合理利用這些農(nóng)業(yè)廢棄物，將其轉(zhuǎn)化為我國循環(huán)經(jīng)濟的“原料”，對促進我國農(nóng)業(yè)綠色增產(chǎn)增效、改善我國生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。

2 農(nóng)業(yè)廢棄物的內(nèi)涵

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中被丟棄的有機類物質(zhì)稱為農(nóng)業(yè)廢棄物[2]。根據(jù)其來源，農(nóng)業(yè)廢棄物分為植物類、動物類、農(nóng)副產(chǎn)品加工生產(chǎn)類和農(nóng)村城鎮(zhèn)生活類廢棄物[3];根據(jù)其性質(zhì)，農(nóng)業(yè)廢棄物可分為植物性纖維廢棄物和動物性纖維廢棄物;而根據(jù)其形態(tài)，農(nóng)業(yè)廢棄物可分為固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)廢棄物[4]。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等的發(fā)展，農(nóng)業(yè)廢棄物的產(chǎn)生源頭從農(nóng)村地區(qū)擴展到了城市，其內(nèi)涵也逐步擴展到了包括種植廢棄物、養(yǎng)殖廢棄物、園林廢棄物、餐廚垃圾、生活垃圾等在內(nèi)的各種有機廢棄物。

作物秸稈是最具基質(zhì)化利用潛力的農(nóng)業(yè)廢棄物。作物秸稈種類繁多，除了水稻、小麥、玉米等大宗農(nóng)作物，大麥、豆類、薯類、棉花等也產(chǎn)生了大量的秸稈，這些秸稈比較分散，很難準(zhǔn)確統(tǒng)計及產(chǎn)生量，因此，本文根據(jù)中華人民共和國國家統(tǒng)計局《中國統(tǒng)計年鑒》（2009-2016年）公布的我國農(nóng)作物產(chǎn)量年度數(shù)據(jù)和《農(nóng)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟手冊（修訂版）》公布的秸稈系數(shù)，計算了我國2016年農(nóng)作物秸稈理論資源總量，以為評估我國的秸稈資源總量提供參考[5]。本文采用的計算公式如下：

式（1）中，尸代表我國農(nóng)作物秸稈理論資源總量，單位為億t/a;i代表農(nóng)作物種類編號;γi表示第i種作物的秸稈系數(shù)（草谷比）;Gi代表某種作物的年產(chǎn)量，單位為萬t/a。計算結(jié)果如表1所示口

根據(jù)表1，2016年我國農(nóng)作物秸稈理論資源量達9.53×10⁸t，與1991年秸稈理論資源量5.52×10⁸t相比，增加了72.6%。

3 農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)化利用的意義

農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)化利用是指將農(nóng)業(yè)有機廢棄物通過無害化和穩(wěn)定化處理，經(jīng)過適當(dāng)?shù)呐浞竭^程，產(chǎn)生用于作物栽培基質(zhì)的過程，是極具開發(fā)前景的農(nóng)業(yè)廢棄物利用途徑。

3.1 減少化學(xué)肥料投入

2017年，我國的化學(xué)氮肥施用量達到2221.8×10⁴t，磷肥施用量797.6×10⁴t，鉀肥施用量619.7×10⁴t，復(fù)合肥施用量2220.3×10⁴t[5]。而農(nóng)業(yè)廢棄物中含有大量的氮、磷、鉀、鈣、鎂等元素，如表2所示，這些廢棄物中含有的氮元素高達2857.4×10⁴t，磷元素633.6×10⁴t，鉀元素3162.7×10⁴t，遠遠超過了當(dāng)年的化肥消耗量，如果有效利用，可大量減少我國化學(xué)肥料的使用，是實現(xiàn)我國“化學(xué)肥料零增長”的重要途徑。

3.2 提高作物產(chǎn)量

農(nóng)業(yè)廢棄物中含有豐富的營養(yǎng)元素和粗纖維等化合物，通過基質(zhì)化處理后形成的高品質(zhì)栽培基質(zhì)有利于提高作物產(chǎn)量。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對基質(zhì)化利用農(nóng)業(yè)廢棄物提高作物產(chǎn)量進行了大量的研究，例如作物秸稈、畜禽糞便、稻殼等農(nóng)林廢棄物中都富含大量的木質(zhì)纖維素等粗纖維有機物質(zhì)，有效分解后可轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)等有機營養(yǎng)物質(zhì)，為植株生產(chǎn)提供長效肥源。農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)化后作為植株栽培基質(zhì)，具有支持、固定植株的作用，腐熟后再添加適合的基質(zhì)調(diào)節(jié)劑可配制出滿足根系生長所需的水、氣、肥等穩(wěn)定條件，為植物生長提供適宜的理化環(huán)境，減少植物病蟲害，保證植株高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。劉偉等利用爐渣、菇渣、鋸末和玉米秸稈混配有機質(zhì)在智能溫室中進行番茄栽培，結(jié)果顯示基質(zhì)栽培較土壤栽培增產(chǎn)37.4%[6]。李謙盛、卜崇凡等用混配后的菇渣基質(zhì)栽培的網(wǎng)紋瓜，不僅平均單重比草炭和珍珠巖混合基質(zhì)的對照組增產(chǎn)0.25kg，瓜的等級也從2級提高到1級[7]。

3.3 緩解土壤資源約束

我國是世界上的人口大國，但我國的人均耕地面積遠低于世界人均耕地水平，統(tǒng)計結(jié)果顯示2017年我國人均耕地面積僅有0.097hm²/人，遠低于世界人均耕地面積0.193hm²/人。一直以來，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)片面追求農(nóng)作物產(chǎn)量而忽視了對土地資源的保護，大量施用化肥和除草劑，導(dǎo)致土壤肥力下降，甚至嚴重的重金屬污染，而近年來我國快速發(fā)展的城市化進程進一步減少了我國的耕地面積，導(dǎo)致我國耕地資源更加稀缺。發(fā)展無土栽培是解決耕地資源短缺的有效途徑，通過農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)化利用，生產(chǎn)大量用于無土栽培的高品質(zhì)基質(zhì)，可緩解土壤資源對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的約束。

3.4 實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟

農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨著資源、生態(tài)、環(huán)境、能源等多方面的嚴峻挑戰(zhàn)，而農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)化利用是實現(xiàn)“農(nóng)業(yè)廢棄物一基質(zhì)化利用一動/植物一農(nóng)業(yè)廢棄物”農(nóng)業(yè)生產(chǎn)循環(huán)體系的重要步驟，是以經(jīng)濟效益為驅(qū)動力，以生態(tài)、科學(xué)的基質(zhì)化技術(shù)為基礎(chǔ)，以可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展和經(jīng)濟循環(huán)為目的的廢棄資源循環(huán)利用方式，是逐步實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟循環(huán)和農(nóng)村可持續(xù)發(fā)展的重要措施。

4 農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)化處理的主要技術(shù)途徑

4.1 好氧堆肥技術(shù)

堆肥技術(shù)是把農(nóng)業(yè)廢棄物與添加劑按比例混合，調(diào)節(jié)物料含水率、在通氣條件下利用微生物代謝降解有機質(zhì)、分解酚類等有毒物質(zhì)，同時殺死堆肥中病原菌、草籽，最終產(chǎn)生穩(wěn)定有機質(zhì)的過程[8]。根據(jù)堆肥過程中微生物的需氧情況不同，微生物發(fā)酵技術(shù)還可以分為好氧堆肥技術(shù)和厭氧發(fā)酵技術(shù)。好氧堆肥過程中微生物代謝活動會大量放熱，促使堆體溫度升高到50-65℃，能最大限度地殺滅病原菌，同時提高降解速率，因此高溫好氧堆肥成為了應(yīng)用最為廣泛的農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)化處理技術(shù)[9]。

靜態(tài)、半靜態(tài)、動態(tài)堆肥是好氧堆肥技術(shù)的三種形式。靜態(tài)好氧堆肥缺少翻堆這一環(huán)節(jié)，因此發(fā)酵裝置較簡單，投資成本較低。但是由于靜態(tài)堆肥堆體內(nèi)部容易接觸不到氧氣，缺氧環(huán)境下導(dǎo)致物料易板結(jié)，微生物繁衍也因此受限，發(fā)酵速率低，發(fā)酵周期較長，堆肥品質(zhì)差。而且靜態(tài)好氧堆肥堆體面積較大，為滿足堆體充足通風(fēng)，使用的設(shè)備內(nèi)需含有比動態(tài)堆肥設(shè)施多的供風(fēng)和引風(fēng)機，設(shè)施占地面積大于動態(tài)堆肥設(shè)施，更適合于場地不受限的地區(qū)。動態(tài)好氧堆肥相比靜態(tài)堆肥，物料通過粉碎和充分攪拌后可以均勻地接觸氧氣，促進微生物代謝繁殖，堆肥周期也大大縮短，農(nóng)業(yè)廢棄物降解速度更快，因此動態(tài)好氧堆肥技術(shù)的使用率更高。例如北京阿蘇衛(wèi)垃圾堆肥處理廠的筒式發(fā)酵裝置是目前我國處理能力最大，處理速度最快的發(fā)酵裝置，每天廢棄物處理量可高達2000t，發(fā)酵周期僅需要2d，而半靜態(tài)機械翻堆條形堆肥的發(fā)酵周期需要21d，二級靜態(tài)堆肥周期需要70～90d[10]。動態(tài)堆肥與靜態(tài)堆肥在具備同樣容納量的處理設(shè)施中，動態(tài)堆肥的耗時遠少于靜態(tài)和半靜態(tài)，所以耗電量差異顯著。動態(tài)堆肥設(shè)施占地面積相對小，可實現(xiàn)全自動化，勞動力成本也較少，但動態(tài)好氧堆肥機械成本高，所以更適合于土地稀缺的發(fā)達地區(qū)。

4.2 低溫炭化技術(shù)

低溫炭化是指在無氧或低氧的環(huán)境下，通過熱裂解（<700℃）有機物產(chǎn)生生物質(zhì)炭、可燃氣、生物油等可利用物質(zhì)的技術(shù)方法。農(nóng)業(yè)廢棄物原料經(jīng)低溫炭化后，體積變小，自身所帶的病原菌等有害物質(zhì)也被殺死。其主要產(chǎn)物生物炭具有質(zhì)量輕、表面多孔隙，有較大的比表面等特點，既可以儲存充足的水分和養(yǎng)分，也可為植物根系呼吸作用提供充足的氧氣和吸收養(yǎng)分的空間，為微生物代謝提供一個好的場所，且陽離子交換能力較強，可最大程度減少養(yǎng)分淋失，是可代替草炭進行植物育苗和栽培的高品質(zhì)基質(zhì)。

根據(jù)炭化原理，農(nóng)業(yè)廢棄物低溫炭化技術(shù)可分為熱裂解法、水熱炭化法和微波炭化法[11]，其中熱裂解法是其中最常用的一種方法。水熱炭化技術(shù)是荷蘭在20世紀(jì)80年代發(fā)明的一種熱轉(zhuǎn)化技術(shù)，該技術(shù)是把具有固定含水率的生物質(zhì)在反應(yīng)器特定溫度和壓力下，生成固體和液體并產(chǎn)生氣體產(chǎn)物的過程，與熱裂解炭化法相比，水熱炭化少了原料預(yù)處理階段的干燥原料步驟，因此當(dāng)農(nóng)業(yè)廢棄物含水量較高時，采用水熱炭化法進行生物炭的制備就無需干燥環(huán)節(jié)，節(jié)約了大量的勞動力，降低了炭化設(shè)備的成本。無論是熱解炭化還是水熱炭化，都需要保持對加熱爐的持續(xù)加熱和保溫，而微波炭化法是利用頻率為300MHz～300GHz的電磁波在完全無氧或少量氧氣的條件下作用于農(nóng)業(yè)廢棄物，使其分子內(nèi)外產(chǎn)生劇烈振動發(fā)熱從而制備生物質(zhì)炭的過程，不需要對反應(yīng)爐進行加熱，相比較傳統(tǒng)炭化方法，微波炭化法受熱均勻，沒有額外的熱量損失，所以加熱速度快，能源消耗少[12]。在追求降低勞動力和時間成本，提高能源利用率和實現(xiàn)全自動化炭化的選擇上，微波炭化法具有優(yōu)勢。彭金輝等利用農(nóng)林廢棄物為原料，利用微波炭化法，僅幾分鐘就可快速完成傳統(tǒng)工藝的預(yù)熱、干燥、炭化和活化四個工藝環(huán)節(jié)，制得優(yōu)質(zhì)生物質(zhì)炭[13]。

5 農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)化利用出現(xiàn)的問題及發(fā)展途徑

5.1 農(nóng)業(yè)廢棄物來源廣泛，產(chǎn)品一致性差

除了不同種類的農(nóng)業(yè)廢棄物存在巨大的理化性狀差異，即使同一種類的農(nóng)業(yè)廢棄物，由于品種、來源等原因，在碳含量、含氮量、干濕情況、重金屬含量等理化性質(zhì)上也存在著巨大的差異，這些理化性質(zhì)的參差不齊會導(dǎo)致發(fā)酵腐熟進度和程度上的差異，降低基質(zhì)化速率并影響堆肥產(chǎn)品的品質(zhì)。對農(nóng)業(yè)廢棄物原料實施科學(xué)有效的收集和分類，對性質(zhì)差異大的農(nóng)業(yè)廢棄物實施針對性處理，是提高農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵。

5.2 農(nóng)業(yè)廢棄物成分復(fù)雜，可控性差

農(nóng)業(yè)廢棄物組成較復(fù)雜且理化性狀相差巨大。多數(shù)農(nóng)業(yè)廢棄物中還存在著一些不穩(wěn)定、難降解的粗纖維以及酚類等有害物質(zhì)，如果處理不充分就用作栽培基質(zhì)會影響植物的正常發(fā)育，阻礙植物根系對營養(yǎng)元素的吸收。因此在研究農(nóng)業(yè)廢棄物中木質(zhì)纖維素物質(zhì)對農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)化處理結(jié)果和效率上具有關(guān)鍵作用。MohdHuzairi MohdZainudin研究表明在整個堆肥過程中添加增稠的POME污泥可同時為木質(zhì)纖維素OPEFB的生物降解提供營養(yǎng)物和微生物來源，這可以減少堆肥期，從而提高堆肥生產(chǎn)的生產(chǎn)率[14]。

5.3 基質(zhì)重復(fù)利用率低

農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)制備成本較高，若可多次重復(fù)利用就可降低其制備和使用成本，使基質(zhì)化生產(chǎn)低成本化、基質(zhì)的使用更符合社會經(jīng)濟條件。然而，任何基質(zhì)在使用后，基質(zhì)內(nèi)部理化性質(zhì)都會有所改變。這種變化受栽培和養(yǎng)殖作物本身、內(nèi)外環(huán)境、微生物種類及含量和施肥等因素影響。程智慧等人把栽培一茬辣椒的有機基質(zhì)混合泥炭、玉米秸稈和牛糞等農(nóng)業(yè)廢棄物共腐熟后用于大白菜、辣椒、番茄三種蔬菜的栽培，結(jié)果顯示用栽培了一茬作物后復(fù)配的農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)種植三種蔬菜的出苗率和效果都優(yōu)于以泥炭為主成分的鮮配育苗基質(zhì)，說明農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)化再利用切實可行[151。因此在農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)化研究上應(yīng)注重如何把使用過的舊基質(zhì)進行處理后重新利用，實現(xiàn)封閉式循環(huán)利用。

5.4 基質(zhì)化產(chǎn)品缺乏創(chuàng)新

隨著農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)化逐漸得到重視，未來大規(guī)模的基質(zhì)化生產(chǎn)、流通和異地運輸都對基質(zhì)化產(chǎn)品有更高的要求。但是目前我國研究并投人生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)化產(chǎn)品在規(guī)?；a(chǎn)和異地運輸過程中容易受外部環(huán)境條件影響，導(dǎo)致基質(zhì)產(chǎn)品內(nèi)部溫度忽高忽低、板結(jié)和營養(yǎng)元素揮發(fā)等問題，不利于后期的作物栽培。因此，創(chuàng)新和發(fā)展保水性能好，形狀穩(wěn)定，內(nèi)部溫度恒定且可以固化成型的基質(zhì)化產(chǎn)品是方便運輸和使用，避免板結(jié)、營養(yǎng)成分揮發(fā)等問題的未來基質(zhì)化發(fā)展之路。

5.5 缺乏對高科技手段的利用

農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)化處理各階段的影響因素較多，以好氧堆肥為例，隨著發(fā)酵的發(fā)生，農(nóng)業(yè)廢棄物的水分、pH值和微生物活性等都處于動態(tài)變化的狀態(tài)，需要對農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)化處理的溫度、含水率、酸堿性、有毒物質(zhì)等進行實時數(shù)據(jù)收集和調(diào)控，以免基質(zhì)化速率和效率受影響。因此運用大數(shù)據(jù)分析，分子識別、DNA識別、智能化管理等高科技手段，可以及時捕捉農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)化處理中溫度、水份、微生物生理活性的變化，并對搜集的數(shù)據(jù)進行儲存、處理和分析，辨別出需要作出調(diào)整的成分和調(diào)整量，再通過智能化控制系統(tǒng)進行自動化調(diào)控。通過把農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)化與GPs等系統(tǒng)結(jié)合，還可以實現(xiàn)在異地客戶端對基質(zhì)化過程的實時監(jiān)控和調(diào)節(jié)，從而減少勞動力投入，實現(xiàn)“一人管一個工廠”的科技化、集約化發(fā)展目標(biāo)。

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收稿日期：2019-10-14

作者簡介：趙佳穎（1996-），女，碩士研究生，研究方向為城市生態(tài)代謝與廢棄物資源化。

通訊作者：戚智勇（1980-），男，副教授，研究方向為城市生態(tài)代謝與廢棄物資源化。