未来田园化城市区域的技术构架

刘代俊，陈建钧，吉俊懿

（四川大学化工学院，四川成都610065）

未来田园化城市区域的技术构架

刘代俊，陈建钧，吉俊懿

（四川大学化工学院，四川成都610065）

介绍了具有循环经济特点和低碳节水型的田园化城市的构想，提出了田园城市区域相关农业与工业方面的一些基本战略与发展方向。田园化城市的基本点是要实现主要物质的循环使用，以适应矿产资源日益枯竭的态势，实现城市与农村一体化后可持续发展，达到人与自然互补的和谐境界。

田园化城市；生态型工业园区；循环经济；资源再生；综合利用

历史的发展常常使人们的思维呈螺旋型的发展，处于现代文明高速发展的时代，不禁回味过去理想中宁静，和谐的田园时光。我们不妨从过去时代的一些基本特征与现今科学技术的发展可能性来思索未来的发展。

现代城市一般都是资源消费型城市，大量的资源被消耗后，转变为废料和无法回收的耗散能量。如果从科学技术的层面来看，未来的科学技术虽然可以为城市提供新的材料形式，但有许多人类必须的元素的富集要靠自然界的循环完成，需要上亿年的时间。未来的城市是否能以新的形式进行经营、建设和发展，形成一种可待续发展的形态，使城市不是灰色，而是绿色，不只是表观上的绿化，而是整个经济形态是绿色生态的。未来的田园化城市，特别是城乡一体化日趋成熟，与农业相关的区域应该具备什么样的特点，或应该进行什么样的思考呢？

1 田园化的城市是农业资源循环的重要节点

首先从农业发展来看，现代农业的发展打破了某些基本要素的循环平衡。旧时代自给自足的封闭农业体系在当时的条件下形成了自然平衡，庄稼收获后作为人畜食用，排泄物作为肥料返回田园被重新使用。氮、磷、钾在小范围循环，维持着生产与生活的自然平衡。即使后来城市发展规模不大时，也维持着类似的平衡。如人们在城市消费了食品，其排泄物仍然通过交通工具返回田园。因此传统农业，用人类和动物的粪便做肥料，养分返回土壤的速率大约等于消耗的速率。

但现代农业将食物生产和消耗分离开来，农业品的生产是为了供应全社会，而氮、磷、钾的补充是通过施加化肥来完成的，基本上破坏了这种自然循环。可以这样说，在现代农业中对于这些元素只使用一次，就将它们冲走了。

氮肥的生产资源来源于天然气、煤和空气，磷肥来源于磷矿，钾肥来源于钾矿。作为地下矿产资源，都是不可再生的资源。这些矿产资源将在未来200年间消耗殆尽，而矿产的自然再生时间是非常长的。

以磷为例，正常的陆地生态系统在局部循环中，平均能反复利用磷46次。矿物质通过风化、冲刷进入海洋，在成为海底沉积物之前，还会在海洋生物体中再循环几百次。1 000万年以后，地质构造的隆升会将它们再次返还给陆地。可以看出，如果现在不考虑子孙的问题，则人类将在几百年后失去生存空间。

目前磷在土壤中利用率很低，大部分肥料从田地中进入了水体。农业耕作也干扰和暴露了土壤，更多的磷随着冲刷而流失。来自于土壤流失和人畜粪便并进入湖泊和海洋的磷太多，催生了大量蓝绿藻，形成大面积水华。水藻的腐烂会使其他有机体死于缺氧，形成死亡带，造成渔业损失。从20世纪90年代后期以来，几乎每年春季和夏季太湖都会有蓝藻大量生长繁殖，产生藻华。水体的富营养化，特别磷含量偏高，氮磷比失调，是蓝藻暴发的主要原因。再加上全球气温升高等原由，2007年和2008年数次蓝藻大暴发，严重影响了太湖流域渔业生产和居民饮水安全。这种现象在我国许多城市已非常严重。

因此，作为现代化的田园型城市，除了进行必要的环境保护措施外，应该成为主要生态元素良性循环的园区。作为战略性措施，可以考虑以下三项处理途径，这些也都可以形成一些新的产业链群，形成新的经济效益增长点。

第一，生活污水通常是通过活性污泥等方法进行分离，沉淀物进行深埋，水再返回自然。但对于循环型的处理方式，则在分离时须同时回收其中的氮、磷、钾及其他有用物质。这里需要分析磷在污水中的分布，考察磷在液相和固相物中的分布，以决定回收方法。人们排泄的磷约有一半存在于尿液中，通过分离人类的固态和液态排泄物，进行除臭及无害化处理，大规模生产有机肥料。这种处理形式可以通过管道系统实现大规模化工业流程，它可以仿照传统农业还肥于地的循环方法，弥补现代农业的缺陷。同时因尿液也富含氮，因此这种方式可以循环利用磷和氮元素。据报导，美国Ostara公司在俄勒冈州Willanette valley地区建立回收污水中磷的工厂，产量为1 t/d，生产的产品为水晶绿肥（Crystal Green）。日本和英国也进行了类似的工业化系统实验。

第二，可以采用在适当的江河湖海区域用生物群落对氮、磷、钾等农业元素进行拦截与富集，再从生物中回收，同时完成对环境的修复。例如昆明草海因磷氮的流入而富营养化，从而使生态环境恶化。治理时可以筛选对磷氮有强列吸收作用的生物群种，在磷氮进入水体的主要途径上建立富磷湿地或磷氮回收区域，定期进行收获。对这些富集农业元素的生物进行处理，可以直接转化为复合肥料。所以对于新的城市规划，应有相当的湖泊与湿地，这样可以在维持生态平衡和建立生态缓冲地带起到巨大的作用。通过这些城市之肺实现净化水体、回收资源的新功能。因此从长远来说，若要维持大规模农业生产过程，肥料的来源将主要来自于循环过程。成都建立的北鹭湾湿地公园是一个大胆的尝试，湿地同时具有水处理功能和景观功能，带动了当地旅游业的发展。白鹭湾生态湿地位于成都市区东南部，东西方向长约8 km，规划面积13.3 km2，一期占地3.3 km2，水域面积1 km2。两个生物功能区占地2万km2，水域通过栽种、投放水生植物、微生物等生物性手段，每日污水处理能力可达25 000 t。上游的水从陡沟河进入湿地后，生物系统完成杂草拦截、泥沙沉淀、硝化反硝化生物反应等任务，再对氨氮、总氮、总磷等成分进行降解，水质将从劣五类水净化为三类水质，从生活污水达到景观用水。

第三，逐渐实施大区域规划，一个城市区域的生态系统往往与相邻区域相关。做好大区域规划可以提前预见将来可能发生的事件，使区域实现可靠的生态和谐发展。例如成都市、都江堰市和德阳市等区域的水系相互联系，大区域的和谐发展是与局部区域息息相关、相互支撑的。近年在四川沱江下游某些地方出现了水生植物铺展水面之势，可能也是与水域富营养化相关的，也应敲响警钟。

2 田园化的城市是工业资源循环型园区

从18世纪中叶工业革命开始至今，在短短近300年的时间内，人类社会以前所未有的速度飞速发展，创造了惊人的财富，同时世界资源也正悄悄贫化，逐渐走向枯竭。根据目前探明储量，在100—200年，世界主要矿产资源将消耗殆尽。城市的发展和子孙的生存将成为人类面临的重大问题。解决的出路之一是将城市的废弃物转化为资源。

第一，处理生活污水。前面已提到了回收其中的磷，其实还有许多有用的物质，如镉、铬等重金属的回收，有害有机物通过降解转化制成有用的物质。如餐饮行业的废弃油可以制成燃料油。美国曾在2014环太平洋军演时采用了类似原料生产的航空油和军舰的动力油。

第二，城市固体废弃物可以使城市转化为“城市矿山”，对全社会发展提供材料和资源。如电子产业的发展，造成大量的废料堆积，含有大量的可利用资源，对于极为普通的线路板来说，其中含铁2%～5%，铜12%～18%，锡3%～6%，金银0.02%～0.1%，硅化合物大于60%，有机物28%～35%。这些资源的循环利用都可以为化工、冶金、制造等多种行业提供新的资源。我国天津滨海新区的循环经济发展包含了石油化工、现代冶金、加工制造、航空航天、轻工纺织、生物医药、电子技术、新能源利用等庞大的体系，其中城市资源的再利用是一个非常有益的实践［3］。滨海新区目前所建的回收系统可回收贵金属有金、银、钯、铂等，同时也可以回收其他混合金属及非金属，如铜、镍、铝、锡和各种废塑料等。处理流程均为无害化处理，物质的利用率达90%以上。

第三，农业废弃物转化反哺城市。据估计，作为植物生物质的最主要成分——木质素和纤维素，每年以约1 640亿t的速度不断再生，如以能量换算，相当于目前石油年产量的15～20倍。农业桔杆转化为柴油是很有前途的，但采用大规模化的集约模式可能难以奏效，这主要是桔杆收集困难。不久前俄亥俄州velocys公司采用间接法，即先在900℃裂解成气体，再采用纳米钴催化剂在微通道中通过费托合成转化为液体，这样可以将设备微型化，集成撬装化，很方便地实现小规模低成本化生产。这些工业方法经规范化和标准化，可在广大农村建立众多半集约化生产厂，以作为解决能源问题的方法之一。

3 田园化城市是低碳型和节水型的园区

全球变暖已经成为不可逆转的趋势。气候变暖会引起冰川委缩，河川径流减量，同时也会影响大气环流，使区域气候变化，产生干旱。具报导，当前岷江上游高山积雪比2014年少了50%。同时自2010年以来，川西高原气温偏高，降水偏少，特别是进入1月下旬后，川西南山地气温异常偏高，曾出现50年一遇的秋旱连冬干现象。面对这些问题要从现在开始就得有所准备，逐步调整和建立新型的农业生产方式。

第一，在有计划建立水库分布的基础上，逐步建立多样化的节水型农业生产方式。例如，喷灌和滴灌是两种有效的办法，特别是滴灌很适合大棚生产，它不仅节水，而且可配合定量施肥和施药，实现农业的现代化生产。输水可以采用管道式运输，以避免明槽水量的无效蒸发，同时管道式运输也有利于喷灌的大规模实施。

第二，可以采用基因工程，快速培养一批新的农业品种，能适应较高浓度的二氧化碳，较高温度，并具有节水和节肥的特点。虽然大气二氧化碳升高，温度变暖对人类环境产生诸多不利影响，另一方面也可以促进一些作物的生长，也可利用这种变化进行新的育种，实现单产的增加。再如，可以在大田作物接上根瘤基因，以使根瘤菌入驻，作物自己生产氮肥。

第三，对现有农业生产方式进行改进。可以采用更为有效的农业措施，比如梯田和免耕，来减少土壤侵蚀，从而减少化肥的使用。收获的作物中无法食用的部分，如秸秆，也可退还给土壤，其中包含的肥源也返还给了土壤。来自肉类和乳品生产的动物废弃物，包括骨骼，可以经处理后返回田园作为肥料。还可以使用长效肥与可控制释放肥料，提高肥料利用率，减少肥料在土壤中的流失，同时也可以减少肥料的施用量，以节约资源。在干旱地区使用作物微型水库，即在种植时，根部埋入可降解的高吸水膜，吸入水分后可形成局部藏水，外部缺水时可以逐步释放。

第四，可以有计划地实施退耕还林，在实现高产农业的同时，将贫瘠的地方转化为森林。这样可以吸纳大气中的二氧化碳，净化大气环境。同时根据森林的种植面积和生长情况，可以通过国际碳汇市场，换来货币，促进当地经济的发展。另一方面可以发展林区经济，如旅游事业的发展，林区精细化学品的生产。人们将来还可以依据森林资源建立新型的绿色化工基地，显然，可以将组成植物体的淀粉、纤维素、半纤维素、木质素等大分子物质转化为葡萄糖等低分子物质，以便作为燃料和有机化工原料使用。而这一种燃料燃烧后得到的二氧化碳是来自于可以循环的生物体系，而不是被封存在地球中的碳源。目前已研究的方法包括物理法、化学法和生物转化法。最吸引人的是通过基因改造的微生物法，例如美国和日本把从酶菌中分离得到的葡萄糖淀粉酶基因克隆到酵母中，可直接发酵生产酒精，省去了淀粉蒸煮糊化，这就为农业和林业废弃物作原料来制造酒精创造了条件。除了燃料，以石油工业派生的塑料在工程材料的总产量中居第二位，仅次于钢铁。现在已开发成功以农业废弃物为原料的生物技术合成乳酸的新工艺，它可以降低乳酸成本，使聚乳酸成为制造通用塑料和纤维的首选。因此生物技术的突破，可再生生物质资源替代石油等矿物资源将成为未来发展趋势之一。

第五，将来在适当的时候和地区还可以建立紧凑型立体型农业体系。不要以为高楼大厦只适合城市，对于田园化的城市，农业生产也可采用高楼建筑，这已经不是科学幻想。高楼式的密集型自动化农作物生产线可以建立在各楼层，太阳光可以通过光纤或光导系统引入到室内。水分和肥料可以按要求加入，达到节水节肥高效的最佳状态。收割时可采用移动草皮的形式输送到收割车间，用自动化方式进行收获，废弃物可以回收作为肥料返回生产系统。同时，这种方式也便于对作物进行综合利用，在某些楼层则是精细化学品生产车间。更进一步，人们还可以模拟植物的光合作用，不再通过植物的转化，而通过光合作用模拟式的合成化农业工厂直接生产淀粉、糖、微生素和各种营养成分。到那时，人们可以在农业领域中达到自在的境界，将从根本上解决全球的饥饿问题。同时可以向大自然归还更多的吸碳植物区域，最终使全球达到一个新的碳平衡，进入自然和谐发展的新时期。

因此可以预见到，未来的田园化城市应是按功能分区域规划建设的园区，有生活园区，有元素循环园区等，各个功能区域分工协调，实现整体良性发展。

4 展望

20多年前丹麦建立了世界首个生态型工业园区卡伦堡（Kalunborg），笔者当时第一次步入这个区域时，尤如进入童话梦境。这是一个仅有2万居民的工业小城市。它通过逐步拓展，最终形成了一种有益于环境的共生关系。它们通过“废物”联系在一起，如火电厂主要作为能源输出，除了电力输出外还有余热作为小区供热。脱硫排出的废物石膏作为板材厂的原料，粉煤灰作为道路材料。生产青霉素和胰岛素的生物制药厂以农作物为主要发酵原料，其废渣经处理后再作为液体肥料返回耕地。同时炼油厂脱出的二氧化硫送入硫酸厂制硫酸，其可燃废气和渣油也送入电厂作为补充燃料。卡伦堡市政府参与协调，各个功能区域间建立了颇为创新的生态共生关系。通过市场交易共享水、气、废气、废物等，实现经济利益的共享。当然这只是对于区域性工业的循环经济式的组装，而对于建立田园式的大城市区域，是一个更为复杂的系统，需要走更长的路。但决不是过去历史的简单再现，而是高层次的创新。但我们相信，经过人们的努力，一个在传统上就具有自然与和谐发展的千年文明区域，将会走向新的田园时代，实际上就是一个可持续发展的新的社会结构形态。

［1］金涌，Jakob de Swaan Arons.资源能源环境社会［M］.北京：化学工业出版社，2009.

［2］中科院矿产战略研究组.中国至2050年矿产资源科技发展路线图［M］.北京：科学出版社，2009.

［3］李健.全国循环经济与生态工业年会［C］.天津，2010.

［4］封志明.资源科学导论［M］.北京：科学出版社，2004.

Technology structure of future garden farming city area

LIU Daijun，CHEN Jianjun，JI Junyi
（Chemical Engineering Institute，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

The thinking of garden farming city structure was introduced，with characteristics of circular economy，low carbon，and water conservation.The basic strategy and development direction involving agriculture and industry in the area were also discussed.The key point is to bring about circulating utilization of main substances to suit the situation of exhausting mineral resource，and realize sustainable development with urban-rural integration，and finally reach a new harmony between human and nature.

garden farming city；ecology industrial park；circular economy；regenerating resource；comprehensive utilization

F062.2；X196

A

1674-0912（2015）10-0010-04

简讯

2015－08－19）

国家自然科学基金委资助项目（20676048，21076131）；四川省重点项目（2012GZX0152，2013CC0018，SC2012511124006，2014GZ0076）

刘代俊（1950-），男，四川成都人，博士，教授，博士生导师，四川省磷化学与工程重点实验室主任，全国化工学会无机酸碱盐专委会学术委员会委员，中国生态经济学会生态经济与技术专业委员会常务理事，主要从事资源化学与工程、场协同作用与液膜分离技术的研究。