崔文仲 ，周晚來

（1.成都大學機械工程學院，四川 成都 610100；2.中國農(nóng)業(yè)科學院都市農(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]。為應對氣候變化，我國提出“碳達峰、碳中和”的“雙碳”目標，希望能盡早進入“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，基質種植能夠很好地達到這個目的。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，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、焚燒等方式進行處理。低效的利用與不適宜的處理方式不僅浪費了資源，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，應基于基質種植的優(yōu)勢及處理農(nóng)業(yè)廢棄物的需求，以實現(xiàn)“雙碳”為最終目標，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，有著廣闊的應用前景及重大的環(huán)保意義[5-6]。

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

基質指的是能生長植物的非原位土壤，是人工配置的能夠為種子萌發(fā)和植物生長提供根系環(huán)境的多元混合物，基質材料通常應當具備支持固定、提供水分通氣條件、提供營養(yǎng)、結構穩(wěn)定這四個基本功能。

基質種植技術則是一種利用基質進行無土栽培的技術。相較于水培和霧培，基質栽培的投入成本更低，技術要求也更低，整體培養(yǎng)過程和傳統(tǒng)土壤培養(yǎng)更相似[7]?；|種植技術的研究和應用始于20 世紀80 年代，隨著科技的不斷進步和環(huán)境問題的日益嚴峻，基質種植技術得到了廣泛的關注和研究，現(xiàn)今的基質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、質量更好[6]。目前，基質種植技術已經(jīng)在城市綠化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、土壤修復、生態(tài)環(huán)境保護等領域得到了廣泛應用，成為我國無土種植栽培最重要的方式。

因為泥炭廉價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 的碳排放當量，不利于“雙碳”目標的達成[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到9.53×108t[6]。作物秸稈主要由纖維素、半纖維素及木質素組成，易于保持良好的持水透氣性，此外，因為本身是植物源廢棄物，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，而后基質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種植的具體應用案例

2.1 農(nóng)業(yè)廢棄物所制備的新型基質可參與海綿城市建設

海綿城市最根本的目的是進行城市雨洪管理，讓城市能夠像海綿一樣順應環(huán)境變化且對雨洪帶來的自然災害具有良好彈性。但與此同時，海綿城市實際也具備緩解城市熱島效應、調節(jié)微氣候及減碳的作用，因此在“雙碳”目標達成的過程中有重要意義[10]。因為基質種植本身的特性，可以很好地實現(xiàn)立體綠化及垂直綠化，故可以通過基質種植實現(xiàn)在城市中利用建筑物、屋頂、墻面等空間進行種植，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)服務能力，助力實現(xiàn)海綿城市的生態(tài)目標[11]。

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

2.1.1 雨水管理

基質種植可以利用植物根系和基質材料的吸水作用，將雨水進行自然滯留和過濾，從而達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，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和環(huán)境污染[12]。

2.1.2 生態(tài)保育

基質化種植可以保護生態(tài)環(huán)境，為城市中的生物提供棲息和繁衍的場所，從而促進城市生態(tài)系統(tǒng)的平衡。保護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)境質量及生物豐度。

2.1.3 控溫減排

基質種植可以讓城市綠化體量在現(xiàn)今的基礎上增加數(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，助力實現(xiàn)雙碳目標[2]。

因此，基質種植滿足了海綿城市的建設需求，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]。而在實現(xiàn)“雙碳”目標的過程中，荒漠化治理是無法繞過的一環(huán)，而基質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，土壤質量下降，最終導致環(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、防風固沙、種草等，來恢復和保護沙漠地區(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，達到“碳中和”的目的。此外，荒漠化治理還可以改善當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，促進植被生長，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”的目標是相互關聯(lián)、相互促進的[15]。

雖然基質種植多用于城市綠化，但是對于荒漠地區(qū)而言，也可以采用基質種植來改善荒漠化的問題?；哪母驹蛟谟谠寥兰皾穸葴囟鹊拳h(huán)境因素不再適合植株生長，而基質種植則正好具備無土種植以及需水量少的優(yōu)勢，因此通過基質種植可以達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，達到了碳中和的目的，也促進了荒漠化地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的恢復和保護[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)廢棄物轉化為具備土壤種植功能的栽培基質[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，但是本質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，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。基料化利用還能將更多有機成分如纖維素、木質素固定下來，產(chǎn)出的基質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，從多方面實現(xiàn)了“固碳”的目標。

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

如上文所說，農(nóng)業(yè)廢棄物基料化利用助力“雙碳”目標達成主要通過以下三個渠道實現(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)廢棄物不當處理導致的溫室氣體排放，達到減排的目的；3）產(chǎn)出種植基質，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，達到固碳的目的。

農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)出的新型基質應用范圍非常廣泛，除去上文所述，種植基質還可以用于城市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境保護等領域，而通過基質種植技術，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，在保護生態(tài)環(huán)境的同時助力實現(xiàn)“雙碳”目標。

因此，農(nóng)業(yè)廢棄物基料化利用對于“雙碳”目標的實現(xiàn)有重要意義，在“固碳減排”層面，基質種植及農(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

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

4.1 運輸成本及貯藏成本高

農(nóng)業(yè)廢棄物體量大、體積大，貯藏成本及運輸成本遠高于廢棄物材料本身的成本，因此，為了降低貯藏及運輸成本，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)濟利益，對實現(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準

從理論層面可以看出，農(nóng)業(yè)廢棄物基料化利用及基質種植在“碳中和”實現(xiàn)道路上意義重大，但是尚缺乏能具體量化的指標，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，但是如何量化相關指標以得到最好的固碳效果還不明確。雖然現(xiàn)在基質種植體量還較小，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種植達成的碳匯相關指標，也應當形成更準確且成體系的標準。

4.3 現(xiàn)有基料化技術不夠穩(wěn)定高效

農(nóng)業(yè)廢棄物的基料化利用和基質種植技術涉及多個學科領域的知識，包括生物、化學、物理等，技術難度較大，且現(xiàn)有技術或多或少都有不足之處，如堆肥處理時間長，需要投入一定的設備，存在堆肥過程中氮損失較多、堆肥結果不穩(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會用到大量的水，清洗劑也會導致排放大量化學廢液，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，為應對快速增長的基質種植需求，開發(fā)穩(wěn)定高效的基料化利用技術是當務之急。

4.4 規(guī)模化及政策環(huán)境瓶頸

當前，農(nóng)業(yè)廢棄物的基料化利用和基質種植技術還不夠成熟，規(guī)模相對較小，很難實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。而技術的研發(fā)也需要設備、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現(xiàn)，包括財政補貼、稅收減免、技術標準等方面。缺乏政策和法律的支持，技術則難以發(fā)展，推廣和大規(guī)模應用也就難以在短期內(nèi)實現(xiàn)。

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