农业秸秆综合利用技术探析

于振波，刘玉萍，李广来，刘薇，贾琳琳

（黑龙江省环境科学研究院，黑龙江哈尔滨150056）

作为农业大国，我国秸秆资源相当丰富，而且随着农业生产规模的扩大，秸秆产量也节节攀升[1]。秸秆作为一种可再生的生物质资源，在我国综合利用率相对较低。相关部门统计结果显示，2015年我国农业秸秆产生量为10.4 亿t，其中可收集秸秆量为9.0 亿t，利用量为7.2 亿t，秸秆综合利用率为80.1%[2]。虽然相较于前几年有明显的提升，但是与国外发达国家相比仍存在较大的差距。随着农业生产方式以及农村能源结构的改变，秸秆露天焚烧现象较为突出，不仅造成了资源的严重浪费，而且还会造成空气质量的恶化，这种状况在东北地区表现得尤为突出。由此可见，加快推进秸秆综合利用成为当下亟需解决的问题，现阶段，秸秆综合利用技术层出不穷，以下主要对秸秆“五化”利用技术等进行具体介绍。

1 秸秆肥料化利用技术

1.1 秸秆还田技术

农业秸秆中含有大量的氮、磷、钾等元素，处理得当可以作为农业的有机肥使用。秸秆还田可以改善土壤结构、增加土壤有机质及孔隙度，可以促进农作物根系的发育，起到保肥增产的功效。根据还田的方式不同可以分为直接还田、堆沤还田、过腹还田、腐熟还田等。

1.1.1 直接还田技术

当秸秆产生量较大时，直接还田应用较多，可以分为翻耕还田、混埋还田和翻盖还田3 种形式。翻耕还田主要在前一年农作物收割后，后一年农作物播种前，将秸秆翻入到土壤中，通过微生物作用使其降解。混埋还田主要是通过各种机械作业，比如粉碎、破茬、旋耕、耙压等方式，将处理后的秸秆埋于土壤表层或者浅层中。翻盖还田主要是指在种植作物时，将秸秆覆盖在土壤表面达30%以上的还田技术[3]。

1.1.2 堆沤还田技术

堆沤还田是对秸秆进行发酵处理，腐熟成肥后再进行还田，根据含水量的不同又可以分为堆肥还田和沤肥还田两种形式。在堆沤过程中可以使秸秆腐熟矿化，养分得以释放，同时可以对虫卵、致病菌等进行有效杀灭，但是因为堆沤过程会造成氮元素的流失，若是发生泄漏容易造成水体污染，相较于直接还田，堆沤还田的应用相对较少[4]。

1.1.3 过腹还田技术

过腹还田是将秸秆作为一种饲料，经动物消化吸收形成粪便后再进行还田，这样可以有效地提升土壤肥力，而且还能促进畜禽养殖业的发展，过腹还田可以实现生态效益和经济效益的双丰收，但是现阶段应用相对较少，建议在有条件的地区可以率先进行推广和应用。

1.1.4 腐熟还田技术

腐熟还田是指在农作物进行播种前，将前一年收取的秸秆均匀平铺在农田中，然后通过腐熟菌剂的喷洒以及C/N 比的调节，提升秸秆的腐熟速度，主要在农作物免耕播撒领域应用较多。腐熟还田最核心的技术就是进行腐熟菌剂的筛选和开发，也是当下研究的重点和热点[5]。

1.2 秸秆生物反应堆技术

在秸秆中添加微生物菌种、催化剂以及净化剂，在通风的状态下，秸秆被分解为二氧化碳、有机质、矿物质等，并伴随着一定的热量和菌孢子的产生，生成的物质可以为农作物提供肥料，有利于农作物的生长发育。

1.3 秸秆有机肥生产技术

秸秆有机肥生产主要是在秸秆中加入各种速腐菌剂和酶类，在一定的湿度和温度下，秸秆中的纤维素被迅速分解，同时形成大量的菌体蛋白。通过为微生物营造良好的生长发育环境，可以有效地提升微生物新陈代谢速度，有利于秸秆的分解，并且释放的热量可以杀灭秸秆中的病原菌和寄生虫卵，从而形成优质的有机肥料。

2 秸秆饲料化利用技术

2.1 秸秆青（黄）贮技术

秸秆青（黄）贮主要是通过为厌氧菌提供有利的环境，而嗜氧菌会在氧气耗尽后活动减弱或者停止，从而达到抑制微生物活性，保存饲料的目的。因为青（黄）贮过程中会发生发酵作用，所生成的代谢物会让饲料带有芳香、酸、甜等味道，会在一定程度上增加牲畜的适口性。

2.2 秸秆碱化/氨化技术

氨化秸秆的原理主要有以下几个方面：第一，碱化作用，可以从秸秆中分离出纤维素、半纤维素和木质素，同时能够造成细胞壁膨胀，进而使其变得更加疏松，有利于家畜对秸秆的消化；第二，氨化作用，氨与秸秆中的有机质发生反应形成醋酸铵，其可以作为牲畜胃中微生物的重要营养源，进而会形成菌体蛋白质被动物吸收，可以有效地提升秸秆的营养价值；第三，中和作用，氨能够与秸秆中所含有的潜在酸度发生中和反应，为牲畜胃中微生物提供良好的生存条件[6]。

3 秸秆基料化利用技术

3.1 秸秆基料食用菌种植技术

麦秸、稻草等禾木科秸秆作为栽培草腐生菌类的优质原料，其可以为菌类提供碳源，而且通过与牛粪、豆饼等物质的混合还可以提供稳定的氮源，在合适的条件下，即可培育出美味的食用菌。

3.2 秸秆植物栽培基质技术

该技术以秸秆为主要原料，为了有效地调节C/N比以及各种物理性状，可以向其中添加有机物质，并将物料含水量调整到60%～70%，通过有氧高温堆肥提升物料的稳定性和腐殖度。秸秆植物栽培基质具有如下特点：第一，可以满足多种植物及不同生长期的需求；第二，密度较小，操作及运输更加便捷；第三，总孔隙度较大，可以为植物根系提供充足的氧气；第四，具有良好的绝热性能，可以有效防止外环境温度的变化给植物根系带来的损伤；第五。具有较强的吸水性和持水能力。

4 秸秆燃料化利用技术

4.1 秸秆固化成型技术

秸秆固化成型燃料主要是通过木质素将秸秆黏合在一起并挤压成颗粒、块状、棒状等成型燃料，具有高效、洁净等特点，二氧化硫排放量较低，可以实现规模化和产业化生产，可用于炊事、取暖、农产品烘干、农业大棚等多个领域，此外，还可以代替化石能源，作为生物质工业锅炉的燃料。

4.2 秸秆发电技术

在能源危机越演越烈的背景下，寻找到传统化石能源比如煤、石油等的替代能源成为亟待解决的问题。农业秸秆作为一种可再生的生物质资源，具有热值高、燃烧充分等优势，现阶段已经在发电产业中得到广泛的应用。秸秆发电兼具社会和生态效益，不仅能够有效地缓解能源短缺的压力，而且还能够为空气质量改善助力。秸秆发电起源于国外，现已形成较为成熟的技术体系，例如，在丹麦建有大量的秸秆发电厂，秸秆的有效利用率达到85%以上，以秸秆发电为代表的可再生能源占丹麦全国能源消费量的24%以上[7]。秸秆发电可以分为直燃发电、气化发电、混燃发电3 种形式，直接发电技术较为成熟，适用于大规模生产活动，热效率较高，但却存在投资成本高，易造成空气污染等缺点；气化发电技术较为成熟，投资相对较少，对空气污染较轻，但却存在工艺过程较为复杂，热效率低等缺点；混燃发电投资较少，建设周期相对较短，但却存在设备易腐蚀、容易造成二次污染等缺点。相较于国外先进国家，我国秸秆发电产业起步较晚，近年来，在国家的大力扶持下，我国秸秆发电产业取得了长足的进步，已有大批的秸秆发电项目在建或者投产。

4.3 秸秆沼气生产技术

4.3.1 户用秸秆沼气生产技术

沼气是一种混合气体，由多种成分组成，比如甲烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢等，通常甲烷所占的比例在50%～70%，二氧化碳的比例在30%～40%，而其他的气体含量较少。户用沼气生产技术是建立在现有农村户用沼气池基础上，以秸秆为主要发酵原料的厌氧沼气生产技术。

4.3.2 大中型秸秆沼气生产技术

大中型秸秆沼气生产技术主要是指成规模的沼气生产技术，单个厌氧发酵装置容量需要达到300 m3以上，原料以玉米秸秆、水稻秸秆等农作物秸秆为主。

5 秸秆原料化利用技术

5.1 秸秆制醇

农业秸秆中含有丰富的纤维素、半纤维素木质素等，经过一系列的处理工艺可以制成乙醇。近年来，世界各国都加大了对新能源的研发投入力度，生物燃料乙醇应运而生，并且有希望成为替代传统化石燃料的新能源。现阶段，生产乙醇的主要原料依然是粮食，长期来看具有规模限制和不可持续性。2008年以来，我国全面叫停以粮食为原料的乙醇开发项目，富含木质纤维素的秸秆，成为当下发展生物燃料乙醇产业的重点研究对象。2014年，我国在纤维素制乙醇方面取得重大技术突破，为我国实现秸秆制乙醇工业化提供有力的技术支持。

5.2 秸秆造纸

我国是世界上纸消耗量最大的国家，而造纸原料的缺乏已经影响到造纸行业的进一步发展，农业秸秆具有资源量大、纤维含量高、纤维形态好等优点[8]，是未来造纸行业不可或缺的原料。在国家出台的《造纸工业发展“十二五”规划》中明确指出，应加大对非木资源比如秸秆、蔗渣等的利用力度，采取清洁生产工艺，提升综合利用水平及非木纤维制浆造纸质量。近年来，我国在秸秆造纸方面投入了大量的资金，并取得了一定的成绩。天津科技大学以科技成果转化项目为依托，采用棉秆、稻草、木材等原料生产出高质量的纸张[9]，相较于传统工艺，该技术在保证纸张质量的基础上，更具经济性。现阶段，随着我国森林资源的匮乏，我国造纸行业对国外纸浆的依赖越来越大，秸秆造纸技术的深入研究和逐渐应用，有希望从根本上转变这一状况，并有效提升秸秆的综合利用率。

6 黑龙江省秸秆综合利用技术应用前景

作为我国最大的商品粮生产基地，黑龙江省2017年秸秆产量高达1.3 亿t，其中大量的秸秆被露天焚烧，不仅带来了严重的空气污染，而且还造成了资源的浪费。以下对黑龙江省各种秸秆综合利用技术的应用前景进行分析。

第一，秸秆肥料化技术，其中翻耕还田技术应用较多，在秋季收割农作物时将秸秆打碎，秋整地时直接将秸秆深翻入地下，但是在应用过程中存在两方面的限制因素，一方面是无论打碎秸秆作业还是深翻作业，都需要专门的机械设备才能完成，需要大量的资金投入；另一方面是当下黑龙江很大一部分耕地黑土层厚度不够，深翻时会将黄土带出，影响下一年的耕种。在经济条件允许且黑土层厚度足够的地区，适合推广秸秆翻耕还田技术，现阶段，秸秆翻耕还田技术在农垦地区应用效果良好。

第二，秸秆饲料化利用技术，其中秸秆青（黄）贮技术应用较为广泛，不受地域性的限制，可以为牲畜提供充足的饲料。但是随着农业机械化水平的提升，用于农业耕作的牲畜大幅减少，秸秆青（黄）贮量也在显著地减少。地方人民政府可以加大对牲畜养殖业的扶植力度，在促进地方经济发展的同时，提升农业秸秆的消耗量。

第三，秸秆基料化利用技术，黑龙江是重要的食用菌产地，在食用菌生产中可以以秸秆作为基料，但是现阶段在食用菌基料中锯末仍占据主要地位，并且所发挥的效果更好。因此应对秸秆基料利用技术进行进一步的研究和优化，提升种植效果，扩大秸秆基料应用范围和应用规模。

第四，秸秆燃料化利用技术，其中秸秆固化成型技术和秸秆发电技术优势较为明显，也是黑龙江省秸秆综合利用重要的发展方向。现阶段，黑龙江省生物质锅炉应用范围逐步扩大，为秸秆固化成型技术的应用找到了出口，而且对生物质颗粒、生物质压块的需求量逐年增加。在黑龙江省全面秸秆禁烧的背景下，作为秸秆消耗大户，生物质电厂应得到进一步的推广。因为冬季温度过低，微生物的活性不足，若是采取保温措施则运行费用过高，因此秸秆沼气生产技术在黑龙江地区并不适用。

第五，秸秆原料化利用技术，现阶段，秸秆原料化利用在黑龙江仍处于初级阶段，还有很大的上升空间。黑龙江省应加大对以秸秆为原料生产纸、高密度板材、燃料乙醇、航空燃油、降解纸膜等项目的引进，加快秸秆综合利用产业化发展。

7 结语

随着各项政策的出台和落实，我国农业秸秆综合利用工作取得了长足的进步，同时也存在诸多问题有待于进一步的解决。现阶段，我国农业机械化水平偏低，秸秆的收集、加工、储运等方面仍相对薄弱，这就需要国家加强相关资金的投入，并进行适当的政策倾斜，提升秸秆的综合利用率，并鼓励和支持相关基础科学研究工作，促进秸秆综合利用产业可持续发展。

Analysis on the comprehensive utilization technology of agricultural straw

YU Zhenbo, LIU Yuping, LI Guanglai, LIU Wei, JIA Linlin
（Heilongjiang Provincial Environmental Science Research Institute, Harbin 150056, China）