我国秸秆综合利用技术进展与展望*

马宏业，刘单卿，张雅君，聂 阳，李顺义

(郑州大学化工与能源学院，河南 郑州 450001)



我国秸秆综合利用技术进展与展望*

马宏业，刘单卿，张雅君，聂 阳，李顺义

(郑州大学化工与能源学院，河南 郑州 450001)

我国的秸秆资源总量位居世界第一，但秸秆的收集贮运、综合利用等体系尚未完善。秸秆的随意丢弃、露天焚烧在浪费资源的同时还引起了严重的环境问题。文章综述了我国秸秆还田、秸秆发电、秸秆制醇、秸秆造纸等秸秆综合利用的技术进展及其在工业中的应用。同时针对当前秸秆综合利用存在的一些问题提出了几点建议，希望对未来我国秸秆综合利用技术及产业的发展有所帮助。

秸秆资源；环境污染；综合利用

我国作为农业大国，秸秆资源非常丰富。随着农业连年丰收,秸秆产量也呈逐年上升趋势[1]。作为一种可再生的环境友好的生物质资源，秸秆在我国的综合利用率仍处较低水平。据农业部门统计，2015年我国主要农作物秸秆理论资源量为10.4亿吨，可收集资源量为9.0亿吨，利用量为7.2亿吨，秸秆综合利用率达到80.1%[2]。虽然较2013年提高了5%，但在有效利用率和技术水平上距发达国家还有不小的差距。随着我国农业生产方式的转变和农村生活水平的提高，在田间地头秸秆被任意抛弃、露天焚烧现象严重，不仅造成资源浪费，还引发了一系列的环境问题。有研究表明，在特定时期，秸秆焚烧已经成为导致雾霾产生的重要污染源之一[3-4]。因此，无论是从资源回收还是环境保护的角度来说，加快推进秸秆的综合利用都是解决以上问题的最佳途径。目前我国针对秸秆的综合利用主要有秸秆还田、秸秆发电、秸秆制醇、秸秆造纸以及其它利用技术等。

1 秸秆还田

秸秆作为一种用途广泛、可持续再生的生物质资源，本身含有丰富的有机质、氮磷钾以及多种微量元素，是农业生产重要的有机肥源。据测算，7亿吨秸秆中约含氮350万吨、磷80万吨、钾800万吨，相当于2010年全国化肥施用总量的五分之一[5]。秸秆还田能够改善土壤结构，增加土壤有机质，使土壤疏松，孔隙度增加，促进微生物活动和作物根系的发育，从而达到保肥增产的效果。秸秆还田的方式主要有直接还田、堆肥还田、过腹还田、腐熟还田。

1.1 直接还田

直接还田可分为翻耕还田、混埋还田和覆盖还田，主要在秸秆数量较多时采用。翻耕还田是指在作物收获后，将前茬秸秆在后茬播种或移栽前翻入土中的方式，可方便快捷地将秸秆翻入土壤使其分解。混埋还田通过秸秆粉碎、破茬、旋耕、耙压等机械作业，将秸秆直接混埋在表层和浅层土壤中。覆盖还田是指种植作物时将秸秆覆盖于土壤表面达30%以上的技术[6]，可以调节土壤温、湿度、提高土壤有机质[7]。

1.2 堆沤还田

堆沤还田是将作物秸秆制成堆肥、沤肥等，发酵腐熟后施入土壤的方式[8]，根据含水量的不同又可分为堆肥还田和沤肥还田。秸秆堆沤可加速腐熟矿化，释放养分，降解有害物质，杀灭病原菌、寄生虫卵及杂草种子等，但因其会导致氮素流失，且工作量大、成本高，相比直接还田利用较少[9]。

1.3 过腹还田

过腹还田是一种把秸秆作为饲料，在动物腹中经消化吸收变成粪便，施入土壤增加土壤肥力的方法。秸秆被动物吸收的营养部分有效地转化为肉、奶等产品，供人们食用，提高了资源利用率。这种方式较为科学，且生态和经济效益比较明显，但应用较少，可在有条件的地方加以推广。秸秆在过腹还田前经过处理可进一步提高其饲用价值。目前我国常见的秸秆处理方法有秸秆青贮和秸秆碱化/氨化处理[10]。秸秆青贮常用于玉米、高粱秸秆的处理，秸秆碱化/氨化处理则主要适用于麦秸、稻秆等。

1.4 腐熟还田

秸秆腐熟还田是指在下茬农作物播种和定植前，将收下的前茬作物秸秆均匀平铺农田，通过施撒腐熟菌剂、调节C/N比等手段，加快还田秸秆的腐熟分解。秸秆腐熟还田可用于水稻免耕抛秧时以及油菜、小麦等作物免耕撒播时覆盖秸秆的快腐处理。秸秆腐熟还田的关键技术是筛选合适高效的腐熟菌剂，目前相关研究多集中在这一领域[11-12]。

2 秸秆发电

随着化石燃料的短缺和环境的日益恶化，人们试图寻求新的能源来代替以煤和石油为代表的传统能源。秸秆作为一种丰富的生物质资源，兼具热值高、燃烧充分、可再生等优点，已被广泛应用于发电产业。秸秆发电具有较好的经济、社会和生态效益，能有效缓解由能源短缺和环境恶化所带来的双重压力。秸秆发电在国外兴起较早，技术已经相当成熟。以丹麦为例，该国建有大量秸秆燃烧发电厂，在这一领域保持着世界最高水平，有效利用率高达85%～90%。其国内秸秆发电等可再生能源可占该国能源消费量的24%以上[13]，是世界上秸秆发电技术最为成熟、应用最广泛的国家。

秸秆发电常用于规模化应用的主要有直燃发电、气化发电和混燃发电[14]，其优缺点如表1所示。其中，秸秆直燃发电是当前产业化应用的主流。我国秸秆发电产业虽然起步较晚，但是近年来在国家的大力扶持下，发展颇为迅速。自我国第一个秸秆燃烧发电厂在河北晋州建成以来，至今已有大批秸秆燃烧发电项目或在建或投产。根据《可再生能源中长期发展规划》，到2020年，我国生物质发电总装机量有望达到3000万千瓦。

表1 我国秸秆发电主要类型及其特点

3 秸秆制醇

秸秆主要是由纤维素、半纤维素和木质素组成，通过预处理、水解、发酵等步骤可生成乙醇。近年来，随着各大能源消费国加大相关研发投入，生物燃料乙醇技术异军突起，或将成为未来石油等传统能源重要的替代品。目前工业化生产的燃料乙醇绝大多数是以粮食作物为原料，长期来看具有规模限制和不可持续性。以木质纤维素为原料的第二代生物燃料乙醇是决定未来大规模替代石油的关键。我国于2008年全面叫停粮食乙醇的开发，秸秆制醇工艺更是成为当前生物燃料乙醇技术研究的重点。

秸秆制醇的原理如下所示，首先经过纤维素水解，然后葡萄糖发酵产生乙醇：

(1)

(2)

我国每年可收集秸秆总量约9 亿吨，除去用于造纸、饲料、还田及收集损失外，按剩余20%秸秆计，每年约有1.8亿吨秸秆可用于生产乙醇，按照5 吨秸秆产1 吨乙醇计算，年产量可达3600万吨[15]。2014年我国纤维素制乙醇生产技术取得重大突破，掌握了全套纤维素制乙醇的生产技术，从而为我国秸秆制醇大规模工业化应用提供了重要的技术支撑。

4 秸秆造纸

我国是全球纸和纸板生产消费第一大国。随着造纸资源供应的日益紧张，造纸原料开始成为各国争夺的焦点。秸秆因其具有资源量大、纤维含量高、纤维形态好等优点[16]，被视为未来造纸工业的重要原料。我国《造纸工业发展“十二五”规划》中提出，要科学合理利用秸秆、蔗渣等非木资源，实施清洁生产新工艺，提高节能减排和综合利用水平，提高非木纤维制浆造纸质量。

近年来我国在秸秆造纸等研究方面投入巨大，并取得了显著成果。2009年，由天津科技大学承担的“农业废弃物高得率制浆生产高档纸质材料产业化”科技成果转化项目以棉秆、稻草、木材等为原料生产出高档纸质材料[17]。项目技术磨浆浓度高，比传统制浆耗水少，成本低且纸质好；2013年，扬州的永丰余秸秆综合利用项目利用秸秆纤维制成生物制浆，同时将秸秆其他废料加工成燃料棒和菇类生长介质等副产品，实现了“绿色造纸”[18]。当前我国造纸产业对进口木浆依存度高且森林资源匮乏，而秸秆造纸不仅有望打破这一被动局面，还为秸秆综合化利用走出了一条创新发展的新路径。

5 其他利用技术

除上述几种秸秆利用技术外，我国各地还因地制宜出现了许多其他有关秸秆综合利用的技术，如用于食用菌栽培和无土栽培、蚯蚓养殖、发酵制沼、生产可降解包装材料、建筑装饰材料、制作发酵床垫料以及制作编织品等[19-21]。这些技术通常利用秸秆较少，消耗量尚不足秸秆总消耗量的10%，在此不一一展开。

6 结论与建议

随着各项政策的推动落实，当前我国秸秆综合利用呈现出良好的发展趋势，同时也面临着诸多问题亟待解决。我国虽然是农业大国，但农业机械化程度水平较低。且我国实行的是家庭联产承包制，农业种植呈规模小、分布杂等特点[22]。秸秆的收集、加工、储运等基础环节还很薄弱。如何将政策上的支持转化为技术、经济方面的优势，使秸秆综合利用形成可持续化、规模化的大型产业，仍是当前制约我国秸秆综合利用的难题。秸秆的综合利用是一项长期的工程，并非一朝一夕就能完全实现。从长远来看，笔者认为可从以下方面着手：(1)国家政策和资金向农村地区持续倾斜。通过工业反哺农业，加快建设高产高效、生态环保的现代化农业；(2)政府应完善相关法律法规，加快推进土地所有权、承包权及经营权三权分置，支持耕地间相互流转，鼓励农场经营模式并适当给予奖励，推动我国农业规模化、集约化种植；(3)鼓励创新，大力发展秸秆综合利用产业。对于一些缺乏核心竞争力、只能依靠国家补贴存活的“僵尸企业”实行定期淘汰制度；(4)重视并加强相关基础科学研究。通过产学研相结合的方式，使高校及科研院所的研究成果尽快实现工业化应用，促进秸秆综合利用产业的健康快速发展。

[1] 郭冬生,黄春红.近10年来中国农作物秸秆资源量的时空分布与利用模式[J].西南农业学报,2016,29(4):948-954.

[2] 农业部新闻办公室.我国2015年主要农作物秸秆综合利用率超过80%[EB/OL].(2016-05)[2016-07].http://www.xinnong.net/news/20160526/1306813.html.

[3] 严文莲,刘端阳,孙燕,等.秸秆焚烧导致的江苏持续雾霾天气过程分析[J].气候与环境研究,2014,19(2):237-247.

[4] 周悦,岳岩裕,李兰,等.秸秆焚烧导致湖北中东部一次严重霾天气过程的分析[J].气候与环境研究,2016,21(2):141-152.

[5] 国家发改委.发展改革委就《“十二五”秸秆综合利用方案》答问[EB/OL].(2012-01)[2016-07]. http://news.xinhuanet.com/energy/2012-01/05/c_122539348_4.htm.

[6] Olaf Erenstein.Crop residue mulching in tropical and semi-tropicalcountries: An evaluation of residue availability and other technological implications[J].Soil and Tillage Research,2002(67):115-133.

[7] 卿国林.稻草覆盖对稻茬免耕秋玉米生理特性及产量的影响[J].贵州农业科学，2009，37(11):38-40.

[8] 杨丽娟.农作物秸秆还田的方式及技术要求[J].现代农业，2011(5):165.

[9] 刘长跃.秸秆还田的利与弊[J].农业环境与发展，2004(5):37-38.

[10]高海,李国东,刘伟,等.农作物秸秆综合利用现状及技术[J].现代农业科技,2011(18):290-291.

[11]胡诚,陈云峰,乔艳,等.秸秆还田配施腐熟剂对低产黄泥田的改良作用[J].植物营养与肥料学报,2016,22(1):59-66.

[12]陈帅,刘峙嵘,曾凯.腐秆剂对水稻秸秆腐解性能的影响[J].环境工程学报,2016,10(2):839-844.

[13]朱立志,冯伟,邱君,秸秆产业的国外经验与中国的发展路径[J].世界农业,2013(3):114-117.

[14]张卫杰，关海滨，姜建国，等.我国秸秆发电技术的应用及前景[J].农机化研究,2009(5):10-13.

[15]袁于飞.我国秸秆制乙醇技术获重大突破[J].化工管理,2014(28):72.

[17]李忠正.我国造纸用农业秸秆资源现状[J].中国造纸,2014,33(3):56-60.

[17]朱斌.秸秆造纸技术前景好[J].共产党员,2009(14):50.

[18]杜娟.永丰余:环保纸“秸秆造”[J].WTO经济导刊,2013(10):60-61.

[19]陈智远,石东伟,王恩学,等.农业废弃物资源化利用技术的应用进展[J].中国人口·资源与环境,2010,20(12):112-116.

[20]刘宇锋,罗佳,严少华,等.发酵床垫料特性与资源化利用研究进展[J].江苏农业学报,2015,31(3):700-707.

[21]秸秆“变身”包装盒[J].福建纸业信息,2014(10):13-14.

[22]郝瑞彬,李子田,孙云鹏.我国农业机械化现状及影响因素浅析[J].唐山师范学院学报,2006,28(1):100-101.

Progress and Prospect of Comprehensive Utilization of Straws in China*

MAHong-ye,LIUDan-qing,ZHANGYa-jun,NIEYang,LIShun-yi

(School of Chemical Engineering and Energy, Zhengzhou University, Henan Zhengzhou 450001, China)

China has the most amounts of straw resources in the world. However, the collection, storage and comprehensive utilization of straws are not yet perfect. Discard and open burning of straws are not only a waste of resources but also cause the serious environmental problems. Technical progresses of comprehensive utilization of straws and their applications in China were reviewed. Several suggestions were given simultaneously in order to solve the problems existed in the process of straw comprehensive utilization, hoping to be useful to the development of straw stalk comprehensive utilization technology and industry in the future.

straw resources; environmental pollution; comprehensive utilization

国家水体污染控制与治理科技重大专项淮河项目清潩河课题(2015ZX07204-002)。

马宏业(1993-)，男，硕士研究生，主要从事农田面源污染防治研究。

李顺义(1976-)，男，副教授，主要研究方向：大气污染防治与固废处理。

X712

A

1001-9677(2016)024-0004-03