我国农业秸秆高值化利用现状与困境分析

周治

(南京工业大学科学研究部， 南京 211816)

秸秆是农作物收获后剩余的重要生物质资源。自我国改革40 多年来，随着农业的迅猛发展，农作物秸秆产量快速增加。据联合国粮农组织( Food and Agriculture Organization, FAO)统计资料估算，我国的秸秆产出量居世界之首，约占全球秸秆资源总量的近五分之一[1]。近十几年来，我国高度重视农业秸秆利用问题并在政策、技术、经济等方面做了一系列部署[2-3]，在政府主导、企业参与和全社会的共同关注下，秸秆综合利用率逐年提升，取得了显著的经济、社会和生态效益[4]。

然而，在当前我国经济、社会快速发展和转型的时代背景下，农业生产和农村生活方式出现了新的变化，加之秸秆区域性、季节性、结构性过剩现象等传统问题依然存在，导致我国农业秸秆资源化利用依然面临着严峻挑战。因此，有必要对我国当前农业秸秆综合利用的成绩和存在的问题进行分析和总结，在此基础之上为我国农业秸秆高值化利用提出有针对性的建议。本文在总结我国秸秆产生和综合利用现状基础之上，重点分析当前秸秆资源化利用的技术途径及困境；同时结合秸秆资源特点和生物质资源利用技术进展，着重探讨我国秸秆资源化、工业化利用的前景，提出潜在的利用技术模式及路径，旨在为推动我国秸秆综合利用提供理论支持。

1 我国农业秸秆总量及分布特点

秸秆是籽实收获后剩余的富含纤维的植物残留物，是自然界中数量极大且具有多种用途的可再生生物质资源。农作物秸秆主要来源于小麦、水稻、玉米、薯类、油料、棉花等，是农业生产的主要副产品。我国自古以来都是农业生产大国，导致我国成为了秸秆产量大国。国家发展改革委、农业农村部(原农业部)对全国“十二五”期间秸秆综合利用情况的终期评估结果显示，我国每年农作物秸秆理论资源量超过10×108t，其中可收集资源量约为9×108t，为世界第一秸秆产量大国，占全球秸秆总产量的18.50%左右[5]。从表1 可以看出，水稻、小麦、玉米三种所产生的作物秸秆总量所占比例较大，三者所占比例之和达到了80%左右。

表1 2014—2018年均主要农作物秸秆产量 Table 1 Average total amount of crop straw generated from 2014 to 2018 (104 t)

农作物秸秆产量与粮食产量有直接对应关系，由于我国不同省(市、区)农业生产的功能不同，导致不同地区农作物秸秆产量具有明显的差异性和区域特点。我国农作物秸秆资源主要集中在东北、华北和长江中下游地区；从省级行政区层面分析，十三个粮食主产省区农作物秸秆资源占全国秸秆总量的76.1%[7-8]；另外，一些经济作物呈现更明显的区域特征，比如棉花秸秆集中分布在新疆地区，花生秸秆主要集中在华北地区，豆类作物秸秆最大的集中地在黑龙江地区[9-12]。

2 我国农业秸秆利用路径

秸秆利用是伴随人类社会发展的历史性话题，各历史时期、各地区都有各种各样的利用方式。农业投入要素50%左右转化为农作物秸秆[13], 秸秆资源的浪费实质上是耕地、水资源和农业投入品的浪费，加强秸秆综合利用是发展农村经济、提高农业综合生产能力的重要方向，也是扩大农村就业、增加农民收入的重要途径。

秸秆资源化利用是一项复杂的系统工程，需要全社会各层面的共同参与(图1)。在国家层面，农作物秸秆资源化利用已经成为国家行动，各级各地方政府都出台了一系列的政策，为秸秆资源化利用的行业发展提供了引导和保障[2-3]。市场层面，在金融、信贷、企业等社会资源广泛参与下，已经初步形成了秸秆综合利用体系，尤其离田秸秆的利用取得了长足的进步[19]。在农民层面，大量学者就农民主观意愿、影响因素进行了深入的分析和探讨[20-21]，为在广大农村顺利开展秸秆禁烧、收集等实际工作提供了理论依据和参考。在技术层面，通过细分资源化利用方式、途径，在广大科研工作者的参与下，秸秆利用技术不断提高，为促进秸秆综合利用水平的全面提升提供了保障[4,19]。

图1 秸秆资源化利用参与群体与技术体系框架Fig.1 Participation group and technical framework of straw utilization

目前，可用于示范推广或产业应用的秸秆利用技术已有很多模式，为便于宣传推广和数据统计，国务院办公厅印发《关于加快推进农作物秸秆综合利用的意见》(国办发[2008]105号)，自此各地区、各部门逐步将秸秆综合利用技术归纳为肥料化、饲料化、燃料化、原料化、基料化五类主要途径(表1)，简称“五化”或“五料化”[14]。

秸秆肥料化利用最为广泛，除包括直接还田外，还包括过腹还田以及菌肥联产、气肥联产等。秸秆饲料化利用包括青贮、黄贮、微贮、膨化、成型、干草等秸秆饲料加工技术，适合饲料化利用的秸秆主要包括玉米、花生、油菜和豆类等[15]。秸秆燃料化利用主要包括发电(热电联产)、成型、热解、燃烧等能源化利用技术，其中，秸秆发电(热电联产)是目前秸秆燃料化利用最重要的技术形式[16]。秸秆基料化指以秸秆为主要原料，加工或制备为微生物、植物或动物生长提供一定营养和良好条件的有机物料，主要包括食用菌技术、植物栽培育苗基质技术和动物饲养垫料技术等[17]。秸秆原料化指秸秆作为工业原料进行加工利用的技术，主要包括人造板材、复合材料加工、清洁制浆等[18]。

表2 秸秆“五化”综合利用技术[14]Table 2 Comprehensive utilization technology of crop straw[14]

我国农作物秸秆资源量大，而且地域分布较广，区域特点明显，随着技术的不断进步，农作物秸秆的资源化利用的范围不断拓展。“十二五”期间，我国秸秆 “五料化”综合利用率已经达到80%，初步形成了农用为主、商业开发为辅的综合利用格局。“十三五”期间，我国还将进一步加大秸秆综合利用工作力度，推动秸秆综合利用产业化、规模化发展[5,13]。

3 我国农业秸秆资源化利用的困境

纵观近些年应用推广的实际效益，市场主体、农民意愿均在不同程度上表现出一定的“消极心理”[2]，不利于进一步推动新时期秸秆综合利用。对秸秆利用当前所面临的核心困境进行剖析，以期为探索农作物秸秆资源化利用对策提供方向。

3.1 经济效益困境

市场是自然的人类行为，而非设计的秩序。一个可稳定存在的市场体系需要两个充分必要条件：一是存在有效的供给与需求，其规模决定了秸秆资源化利用的潜在市场饱和容量；二是交易费用低于需求价格与供给价格之差，决定了参与主体(图2)是否都能够获得较好得经济效益[7]。

当前，我国农业秸秆的规模总量大，在具体实施过程中充分考虑地区资源特色、资源量即可保障充足的资源供给；由于秸秆资源化利用技术种类多，在不同领域都可以有较好的应用，因此秸秆资源化也有较为广阔的市场需求。目前，限制秸秆资源化的关键问题在于资源化产品普遍比较低端、附加值低，导致产品价格低廉、利润低，全产业链参与者难以保障自身的经济利益。

以秸秆燃烧发电为例，截至 2017 年底，我国生物质发电并网装机总容量为1 476.2万kW，其中农林生物质发电累计并网装机700.9万kW，占全国发电量的比例不足1%[22]，其中最主要的问题就是项目建设成本、运营成本高昂，导致生物质电厂难以实现有效盈利。具体分析，我国秸秆发电设备研发起步较晚，为避免秸秆中较高的钾、氯含量带来的秸秆锅炉受热面腐蚀问题，通常大量采用特种耐腐蚀钢材，直接导致发电设备的成本高昂；同时，由于秸秆燃料比重小、原料供给分散，秸秆运输、储存需要更多的运输成本、土地购置成本；在多重成本压力下，我国秸秆发电项目成本约为火力发电项目的两倍。为了鼓励企业参与建设，早在2009年12月，《可再生能源法》修订案就提出：“国家实行可再生能源发电全额保障性收购制度”。2010年起，国家发展改革委确定未采用招标确定投资人的新建农林生物质发电项目，统一执行标杆上网电价每千瓦时 0.75 元；通过招标确定投资人的上网电价按中标确定的价格执行，但不得高于全国农林生物质发电标杆上网电价[23],该价格远高于燃煤机组上网电价。通过上述政策强制规定和对生物质发电的国家电价支持，以此来保障诸如秸秆类生物质电厂的有效运行和经济效益。如果没有此类国家政策保障、财政补贴，社会和企业投资生物质电厂的动力和积极性将大大降低，严重限制了秸秆发电行业的发展。

因此，农业秸秆综合利用的突出问题就是现有利用模式成本高、产品附加值较低，难以形成有市场竞争力的产品，导致产业链涉及的供给者、中间参与者、需求者积极性不足，形成了秸秆综合利用前景广阔却又困难重重的不利局面。

3.2 技术开发困境

从目前秸秆“五料化”利用的系列产品及规模可以发现，当前我国的秸秆综合利用侧重于解决秸秆资源量大的问题，例如在秸秆丰富地区大力普及农村户用沼气，结合畜禽粪便的处理建设了各类沼气工程，还有一些秸秆造粒作为燃料进行生物质发电等。这些措施在国家和各地政府的政策保障下虽然取得了很好效果，初步解决了当前秸秆资源化利用率低的困局，但是一旦脱离了保护性政策，这类利用方式很难进行持续的市场化运作。相反，诸如木糖醇生产、纤维素乙醇、热解气化等具有较高附加值的工业化产品种类却很少，所占比例很小，难以有效吸引企业、资本等市场资源参与其中。因此，秸秆高附加值工业产品的开发将是未来秸秆资源化利用的重要途径，而相关领域的科技攻关是实现这一途径的唯一方法。

为了提高秸秆资源化产品的附加值，就需要突破现有技术体系，开发新的秸秆利用技术和具有更好市场竞争力的工业化产品，从根本上解决秸秆综合利用的主要问题。研究表明，秸秆类生物质资源的工业化开发技术同样面临着诸多困难，其中最突出的问题是秸秆降解速率慢、难度大、利用效率低[24]。

秸秆属于生物质资源，进入21世纪后研究人员对生物质资源的物理转化、化学转化和生物转化开展了大量的研究，至今仍是科学研究的热点问题。研究表明，植物在长期的自然演变过程中进化出了复杂的细胞壁结构和特殊的理化机制，形成了抗微生物和酶等攻击的天然屏障，以此来保护自身免受外部不利因素的影响，一般称之为抗降解屏障[25]。然而，在秸秆类生物质资源的资源化利用过程中，该屏障却使得目前生物质转化的效率难以满足大规模工业化的要求，严重限制了其工业化利用的进程。如在纤维乙醇的生物转化过程中，用于水解木质纤维素的纤维素酶生产成本占到整个工艺的一半以上。目前，为了突破生物质抗降解屏障，提高秸秆转化生产工业化产品的转化效率，一般会采取酸、碱、高温等预处理的方式首先破除抗秸秆的降解屏障作用，但因此付出的设备、物资、环境等成本也就相应提高，不具有长远的发展前景。

4 秸秆资源化利用发展的对策和建议

基于上述秸秆综合利用现状和困境分析，结合我国经济社会发展需求和科学技术基础，特提出进一步提升我国农业秸秆高值化利用水平的策略。

4.1 国家规划下各地因地制宜制定长期目标、规划和政策

秸秆资源化利用是一项复杂的系统工程，需要全社会、各层面的共同参与。农作物秸秆资源化利用已经成为国家行动，列入了国家发展的战略规划中。然而，我国秸秆资源量大、种类多、分步广，不同地区秸秆资源化利用特点差异很大，这就需要各级各地方也从长远发展的角度出发，因地制宜，制定符合区域特色的政策，为行业发展提供引导和保障。例如借鉴西方先行国家的经验，在技术和设备研发、项目示范、产品补贴等方面加大政府投资扶持力度，充分发挥引领作用，调动相关产业的积极性。

4.2 培育秸秆综合利用全产业链的各级市场主体

基于我国目前秸秆资源化利用的现状，各级农业农村部门坚持政府引导的同时要遵循市场规律，吸引市场资源，有针对性地培育和保护产业链各级市场主体。我国农户分散经营向新型农业龙头企业、农业合作组织等农业集中模式尚未有效形成，小规模、分散式的秸秆资源收储难以保证农户的经济效益，导致农户参与秸秆综合利用的积极性不高。同时，我国目前的秸秆收储和供应网络不健全，亟需相应的市场主体来开发和运营，进而构建区域全覆盖的秸秆离田收、储、运网络。除此以外，围绕秸秆“五料化”的发展现状，必须发展和保护下游产品生产企业、运营公司等相应的市场化利用主体，才能保持全产业链持续、有序、高效的市场运作。

4.3 加强科技攻坚，开发高附加值秸秆工业化产品

科技是第一生产力，秸秆资源化利用离不开科学技术的进步。如前所述，在农作物秸秆资源化利用的上游环节，当前生物质资源利用的瓶颈之一在于其抗降解屏障难以突破。针对该瓶颈，国内外科技工作者开展了大量地研究，对植物细胞壁高度有序、稳定的结构进行了深入解析；同时，已通过基因工程手段改造细胞壁成分和结构，削弱细胞壁抗降解能力，在一定程度上提高了植物、秸秆等降解效率，为该领域研究提供了有效参考。未来，应继续加强植物学、生物质领域等领域的基础研究，寻求突破生物质抗降解屏障的途径，为提高秸秆类生物质资源的利用效率打下坚实的理论和实践基础，助力秸秆资源化利用产业的全面发展。

在农作物资源化利用的下游环节，我国秸秆“五料化”利用还是以相对弱质低效的方式为主，其总体经济效益也不具备市场化优势。因此，未来重要的研究方向是在现有利用方式基础上，按照国务院《关于创新体制机制推进农业绿色发展的意见》提出的“开展秸秆高值化、产业化利用”的要求，定位高端产品市场，依托我国高校、科研院所的科研力量，开发具有更高附加值和市场竞争力的秸秆工业化产品，例如通过基因工程、微生物系统工程构建可生产高附加值产物的工程菌，提高现有高端产品的产量和收率，提升经济效益；利用当前合成生物学等新兴技术，逐步探索、开发自然界不存在的生物代谢途径，以期在更远的将来构建全新的微生物细胞工厂，生产高附加值产品。2018年，科学技术部颁布首批 “合成生物学”重点专项，项目3.8(低劣生物质转化利用的人工多细胞体系构建)中明确指出要利用合成生物学手段，建立系统鲁棒、稳定和可控的人工多细胞体系，实现利用秸秆等低劣生物质到有机酸衍生物、氨基酸衍生物、表面活性剂等高附加值化学品的高效生物制备；此外，在材料、化工等领域应该结合秸秆综合利用新形势，不断开发新产品、新工艺，进而生产新型精细化、高值化产品，为农业秸秆高值化利用提供保障。

5 结语

目前，我国秸秆综合利用尚处在起步阶段，大规模、简单粗放的利用方式难以形成可市场化运作的秸秆综合利用产业。在当前所面临的各个问题中，秸秆产品附加值低、经济效益差是最为重要的核心环节。未来需要结合我国的国情特点进一步完善政策保障、市场主体等，维持有活力的秸秆全产业链条；另外，迫切需要重点在科技创新方面加大投入力度，鼓励和依托高校、科研院所的科技力量，在突破生物质抗降解屏障、高附加值下游产品开发等方面加大科研投入，以科技创新突破产业瓶颈，以高附加值产品带动产业发展，将我国秸秆新型产业化利用推向一个新台阶。