一种利用农业废弃物发酵进行设施大棚CO2施肥的新技术可行性分析

褚长彬 赵 峥 周德平 吴淑杭

（上海市农业科学院生态环境研究所，上海市奉贤区 201403）

农业废弃物主要指在整个农业生产过程中被丢弃的有机类物质，包括农林生产过程中产生的植物残余类废弃物，畜牧渔业生产过程中产生的动物类残余废弃物，农产品加工过程中产生的加工类残余废弃物和农村城镇生活垃圾等[1]。近年来，我国农业生产发展迅速，如何对这些农业废弃物进行循环综合利用是一个亟需解决的问题。

当前，我国农业废弃物主要利用途径包括：（1）用作饲料，如物理法(粉碎)、化学法(碱化、氨化)、生物法(青贮、堆垛）；（2）用作肥料，利用微生物进行生化反应转化成类似腐殖质的堆肥、沤肥、沼气肥后还田；（3）用作培养料，用棉籽壳、秸秆等培养食用菌或养殖高蛋白蝇蛆等；(4)秸秆气化，农作物秸秆在高温、高压、厌氧条件下经热解气化成可燃性气体；(5）秸秆发酵生产酒精，利用秸秆可水解形成木糖、阿拉伯糖等混合糖液，这些糖类物质经发酵后可生成酒精[2]；(6)用作单细胞蛋白质的提炼和新能源的开发[3]；(7)其它利用，如利用麦秆造纸或编织，利用棉杆造纸板，利用玉米秆提取淀粉、糖醛等。但上述利用途径均有不足之处，难以对农业废弃物进行充分合理利用。目前，我国绝大部分的农业废弃物被用于商品有机肥的生产，而其发酵过程产生的大量CO2则被直接排放进入大气，这不仅对环境造成二次污染，更是一种资源的浪费。因此，将农业废弃物发酵产生的CO2作为肥源用于农业生产，可使相当一部分农业废弃物得到合理处置，从而开辟出一条具有较高经济效益和社会效益的农业废弃物资源化利用的全新之路。为验证农业废弃物发酵进行设施大棚CO2施肥技术是否是一条理想的农业废弃物利用途径，笔者拟对该新技术的意义和优势进行阐述，并总结介绍，该技术的难点和研究进展以及在日光温室生产中的应用情况。

1 利用农业废弃物发酵进行设施大棚CO2施肥的意义及优势

随着农村经济结构和种植业结构的不断调整以及人民生活水平的逐渐提高，设施栽培技术得到不断发展，设施栽培面积也在逐年扩大，且进行反季节设施栽培的作物种类越来越多。设施栽培在满足市场需要的同时，也带来了可观的经济效益。统计结果表明，截至2012年底，全国以蔬菜栽培为主体的设施园艺面积已达1.27×106hm2，居世界首位[4]。

由于设施大棚的环境相对封闭，常导致棚内CO2匮乏，从而对作物的生长发育及产量、品质等带来不利影响，其中，CO2浓度不足，会导致作物叶片光合作用效率下降、作物产量减少和品质降低等，也已成为影响设施农业质量提升的关键因素。鉴于此，国内外已进行大量有关设施大棚CO2施肥的研究。例如，早在1840年，De Saussure就对豌豆进行高浓度CO2的处理试验[5]。自1920年德国首先提出“碳酸气施肥”后，国外在设施栽培中的CO2施肥就在欧美、日本等地开始大规模推广应用；挪威有75%、荷兰有90%以上的作物生产采用日光温室增施CO2气肥，其中设施番茄的产量由20世纪70年代的20 kg/m2增加到现在的50～60 kg/m2[6]。我国在20世纪70年代末开始推广CO2施肥技术，朱世东等[7]对春季大棚樱桃番茄增施CO2，发现CO2适宜施用浓度为1000μL/L左右；陈双臣等[8]研究表明，增施CO2使番茄株高增加18.29%，叶绿素含量增加33%，产量增加18.69%，果实维生素C含量增加33.27%。以上研究均表明，CO2施肥对提高设施温室作物的产量、品质作用十分明显。因此，研发适合我国农业生产现状的CO2施肥技术具有积极意义。

目前，CO2施肥技术和方法主要有：（1）化学反应法。利用硫酸与碳酸氢铵反应产生CO2进行施肥。（2）施肥法。将有机肥施于土壤或堆积于棚室外，利用有机质腐烂产生CO2进行施肥。（3）干冰埋施法。在大棚内每1 m2挖1个坑，坑内埋入少量干冰，使CO2缓慢释放到大棚里。（4）燃烧法。直接燃烧煤油、天然气、焦炭或秸秆等，产生CO2进行施肥。但这些技术和方法都存在一定缺陷， 如大棚通风换气后，棚内CO2浓度最高只能达到大气的CO2浓度（350 μL/L)，冬天敞棚还会引起大棚温度急降[9];干冰法虽能基本满足作物生长的需求，但成本较高；燃烧法产生CO2相对简便，但不易控制CO2浓度，并常有CO和SO2等有害气体产生[10]；化学反应法的产物硫酸铵还可再利用，但在施用过程中其反应残液酸度增高，施入土壤后会造成土壤环境恶化、作物秧苗死亡等。由此可见，亟需开发一种廉价、安全、应用效果好的CO2肥源。因此，利用农业废弃物发酵产生的CO2进行大棚施肥，相对传统方法的优点是显而易见的。

利用农业废弃物发酵进行设施大棚CO2施肥的重要优势在于，可充分提高农业废弃物的资源化效率，保持农业生态系统的能量和物质平衡；解决农业有机废弃物所带来的环境污染问题，促进生态农业的发展；降低大棚CO2施肥的成本，可因地制宜地进行操作，减少前期投入；农业有机废弃物发酵产物还可用于加工制造各种有机生物肥料。因此，利用农业废弃物发酵进行设施大棚CO2施肥，对于开创农业有机废弃物资源化新途径、改良土壤结构、降低生产成本、发展无公害蔬菜生产、促进我国农业的高效可持续发展等，都具有重要意义。

2 利用农业废弃物发酵进行设施大棚CO2施肥的技术难点和新技术

2.1 技术难点

由于农业废弃物中含有大量的碳素及矿物质营养元素，利用农业废弃物产生CO2主要是依靠微生物的分解作用，且发酵释放CO2是在分解过程中进行的。因此，CO2的释放量受发酵温度、湿度、pH、C/N值、供氧等因素的影响。同时，由于目的及产物需求不同，农业废弃物好氧发酵的适宜条件也会不同。此外，对农业废弃物发酵最佳条件的摸索往往直接采用单因子试验，很少考虑各因子间的交互作用，因而得出的最佳条件与实际情况有较大偏差。

因此，在利用农业废弃物发酵生产CO2并进行设施大棚施肥的实际应用过程中，应注意以下几个问题：（1）加快CO2生成速度的条件；（2）增加CO2释放量的方法；（3）确定适宜的CO2施肥时间、用量，使CO2施肥更有利于植株生长；（4）控制农业废弃物的发酵条件，选择适宜的发酵装置和通风方式，以有效防止有害气体的产生，提高农业有机废弃物的腐熟度；（5）维持并监测高浓度CO2的产生，并根据蔬菜生长周期，将CO2适时有效地控制在合理的浓度范围[11-12]。

2.2 研发的新技术

目前，利用农业废弃物发酵进行大棚CO2施肥的技术研究已有少量报道，但尚处于初级阶段，且存在许多不足，例如，装置过分简易，物料发酵不完全；发酵装置的供气量不能得到控制。同时，利用农业废弃物发酵进行大棚CO2施肥的方法主要有：（1）农田堆叠式。即把农业废弃物层层堆放在田垄上，每天不断地给农业废弃物喷洒水和施农家肥料[13］。（2）浙江大学章永松教授团队设计的一种简易发酵装置[14-15］。即以木棍制作成底座，将塑料编织袋面料内衬一层塑料薄膜制作发酵筒体。（3）高瑞龙等采用自动控制的方式，设计了一种自动化程度高、易操作的二氧化碳施肥器，由发酵箱体、加热装置、加水装置、通风装置、物料箱、空压机等组成[16]。（4）农业部南京农业机械化研究所肖宏宇团队研究设计的由电机、上盖、主轴、横轴、副轴、绞龙、底板、出料口、支撑三脚架、脱硫装置、脱氨装置等组成的一体化发酵装置[17]。以上几种方式可以实现对温室CO2的供给，但开放式的简易方法易造成资源浪费，而自动化程度较高的装置使用成本高，推广使用存在困难。

鉴于此，笔者所在团队在设施大棚CO2施肥技术方面进行了大量的研究工作，发明了一种可移动的、设施大棚用、利用农业废弃物发酵生产CO2的装置，主体包括发酵箱、支架、底座和滑轮；发酵箱为透气性尼龙编织布发酵箱，且根据实际需要，可以为一个或多个。该装置的优点为结构简单、占地面积小、操作便捷、成本低廉。同时，通过选择尼龙编织布材质的发酵箱，大幅度降低造价成本和重量；发酵箱底部设有滑轮，移动省力方便；发酵箱可从上面或侧面打开或关闭，方便使用者根据实际生产需要选择进出料方向。此外，该技术在实际应用过程中，可根据设施大棚实际及农业废弃物数量，将农作物秸秆和辅料畜禽粪便（如将两者按重量比1∶2进行混合，控制含水率在50%左右）进行发酵堆肥，将产生的大量CO2提供给大棚作物作肥源，将生物发酵产生的热能用于冬季大棚保温，将发酵残渣作有机肥施用，可谓一举三得。

3 新技术应用案例

3.1 试点概况

果洛藏族自治州（以下简称果洛州）地处青藏高原腹地、黄河源头，位于青海省的东南部，总面积7.8×104km2。果洛州大气含氧量仅为海平面的60%，年均降水量为400～700 mm，年均气温为-4℃，是全国30个少数民族自治州中海拔最高、自然条件与气候最恶劣、环境最艰苦的一个州。为贯彻上海市对口支援果洛州的精神，上海市农业科学院发挥自身优势，与青海省科技厅、果洛州科技局建立了合作关系，为果洛州农牧业生态科技示范园建设、温室保温设施改建和绿色蔬菜生产提供技术支持。

3.2 项目实施内容

根据果洛州的实际需求，针对其农业现状、地理环境和日光温室中农牧废弃物污染严重、设施作物CO2亏缺和土壤障碍等问题，在现有技术的基础上，进一步优化农牧废弃物日光温室生态循环利用技术，完善CO2发生配套装置，实现果洛州日光温室高效生产和环境保护的双赢。项目实施内容如下：（1）优化农业废弃物生产CO2肥料装置。根据果洛州日光温室和大棚农业生产状况，结合农牧废弃物的类型，在自主专利的基础上，优化农牧废弃物生产CO2肥料装置的设计，研发占地面积小、成本低、操作简易且美观的农牧废弃物生产CO2肥料装置。（2）优化农牧废弃物生产CO2肥料生态循环利用技术。根据CO2发生装置的设计特点，综合考虑生产成本和发酵效果等因素，优化农牧废弃物生态循环利用技术，结合农作物秸秆、畜禽粪便等农牧废弃物的降解特性，摸清辅料的品种和投加比例与方法、堆料的初期含水量和发酵过程的水分控制等关键工艺参数，低成本、高效率、高质量地完成日光温室中农牧废弃物的腐熟与资源化循环再利用。（3）示范农牧废弃物生产CO2肥料生态循环利用技术。针对温室目标作物的不同CO2需求量、外界环境温度、天气情况以及运行成本，确定生产CO2肥料装置的摆放位置、摆放个数和摆放时间等，并确定装置的填料量，形成日光温室中快速启动和平稳运行的农牧废弃物快腐生产CO2肥料生态循环利用技术的标准操作规程，并示范推广。

3.3 取得的成效

根据果洛州实际气候条件及农牧业生产情况，综合考虑生产成本和发酵效果等因素，结合农作物秸秆、畜禽粪便等农牧废弃物的降解特性，因地制宜地完成了日光温室中农牧废弃物的腐熟与资源化循环再利用。主要取得了以下成效：（1）根据果洛州日光温室大棚农业生产状况，结合果洛州当地农牧废弃物的类型，在自主专利（设施大棚内利用农牧废弃物发酵产CO2的移动式装置和秸秆温室快腐产CO2的简易装置）的基础上，优化了农牧废弃物生产CO2肥料装置，并申请了相关专利。（2）利用果洛州当地温室大棚及当地农牧业废弃物为发酵原料，因地制宜地设计并完成了不同模式的农牧废弃物发酵试验，得出在碳氮比为 38∶1、含水量为65%、温度在35 ℃的条件下，CO2产气速度最快，并得出影响CO2产气量的最主要因素是碳氮比，其次是温度，含水量对CO2产气量的影响最弱。（3）初步形成了果洛州农业废弃物日光温室循环利用技术，实现了温室蔬菜废弃物全量循环利用，通过应用新技术，番茄增产16.2%、黄瓜增产12.8%、小青菜增产21.6%、生菜增产14.5%，增收达15%以上，且作物上市时间提前6～8 d。

4 结 语

在我国现有经济条件下，充分利用农业废弃物中丰富的碳源及各种养分，堆肥发酵进行设施大棚CO2施肥，不仅可解决农村秸秆过剩、畜禽粪便污染问题，促进设施农业生产对CO2施肥技术的应用，提高农业废弃物的资源化效率，还有利于调控农业生产活动，开辟一条农业废弃物良性循环的新路子，实现农业废弃物资源更理想地循环利用。