农牧废弃物工业化利用技术创新与循环生态农业模式构建

2021-12-06王明富余垚颖

四川农业科技 2021年4期

王明富，余垚颖

(四川省农业科学院植物保护研究所，四川成都 610066)

1 概述

随着农业劳动力向城市转移，种养模式发生了较大转变，以农户为单元种养，快速向合作社、养殖场等集约化规模种养模式转变。过去，每户养殖2～4头猪，每年可产出2000～4000kg粪水，平均每户约0.33hm2，每年有400～800kg/667m2粪水回到自己的土壤中，虽然无害化程度较低，但有效地保证了农作物有机养分供应和土壤有机质含量的稳定。随着畜禽粪以及秸秆回归土壤程度降低，导致土壤有机质含量逐年下降，尤其是大田作物较为突出，随着化学肥料的施肥模式的形成，土壤板结现象不断加重，作物有机无机养分均衡化供应水平下降，有的土壤有机质含量已经下降到了较低的水平，挤压了像蚯蚓、益生菌等有益生物群体的生存空间，数量越来越少。不仅带来了肥料利用率下降以及化肥用量增大、作物抗病能力减弱以及化学农药用量加大、果实品质以及安全性下降、土壤的自我修复能力下滑以及酸化现象加重、有机质在循环生态农业中的作用变弱等问题；而且对我国的粮食稳定和安全保障带来了巨大挑战[1]。

农牧业废弃物包括秸秆、畜禽粪、菌渣、甘蔗渣、中药渣、园林渣、烟渣以及工业发酵副产物等多种有机物料，其中以秸秆和畜禽粪数量最大，不仅是土壤有机质稳定和农作物有机养分供应的最大来源；而且对循环生态农业构建起着关键的作用。目前我国主要在菌渣、甘蔗渣、工业发酵副产物以及部分畜禽粪等有一定细度的农牧废弃物进行开放式自然堆沤发酵、垛式或槽式发酵制备成粉剂有机肥料或生物有机肥料应用外，由于工业化和无害化程度较低，有机物料中的病虫源体杀灭效果以及发酵臭气无害化程度较低，不仅对土壤环境造成二次污染；而且发酵产生的大量废气对生产人员以及周边居民的健康带来了较大的危害以及对大气造成很大的污染。除此以外，有的地方采用燃烧发电、变热转能(生物质燃料)方式处理有机物料，这种"有机"变"无机"的处理方式不可取，这样从根本上切断有机质参与土壤循环的源头，将会不断减弱农牧废弃物在对生态循环的作用，对土壤质量的长期稳定带来较大的隐患[2]。

2 农牧废弃物种类及理化特征

农牧废弃物主要包括畜禽粪便类、秸秆类和生产加工副产物3类，其中以秸秆类和畜禽粪便类数量较大。

畜禽粪便主要包括猪粪、牛羊马粪、鸡鸭蚕粪3类，其中猪粪和鸡鸭蚕粪速效有机养分好，作物易于吸收，有机质含量50%～70%，C/N比较低(低于15)；而牛羊马粪肥效较长，属于缓释有机养分，有机质含量较高(70%～85%范围)，C/N比较高(20～30)。畜禽粪便以猪粪数量最大，目前有的养猪场进行干湿分离后进行高温发酵，由于C/N比较低(低于15)，不仅单独发酵效果较差、氨气以及臭气较重；而且液体处理难度较大，尤其是病虫源体处理效果不佳，如果病虫源体杀灭不好，将会带人土壤中二次污染土壤[3]。

秸秆类是农牧废弃物数量最大的有机物料，主要成分为纤维素和半纤维素，需要微生物降解后作物才能吸收利用，如果秸秆直接还田，不仅秸秆在土壤微生物降解过程中势必与农作物争夺养分和氧气，影响农作物生长[17]；而且秸秆中有害孢子和虫卵带人土壤将提高土壤病虫源体的指数以及提升农作物的发病率，同时秸秆在土壤中形成较大空隙，不利于农作物根系与土壤间的固定。秸秆类都具有体积大不便运输的缺点，但具有有机质含量高(70%～90%)、含水量较低、C/N比较高的特征[4]。

生产加工副产物类包括菌渣、甘蔗渣、中药渣、薯渣、烟渣、酒糟等，这类有机物料有机质含量、C/N比、有效养分和含水量有不同程度差异，但是细度均较好[5]。

3 国内外状况和研究进展

目前，欧美发达国家是将农牧业废弃物回收后进行工业无害化处理成有机肥(农家肥)后回归土壤，这样不仅避免了废弃物中有害病虫源体以及有害物质对土壤的再次污染;而且保障了有机质在土壤中的循环作用，保证了土壤中有机质含量的稳定，土壤环境得到有效的保护。然而在我国，虽然有很多企业以及科研单位在农牧业废弃物的处理加工和应用方面做了大量的工作，由于在交叉学科研究以及工业化程度方面较弱，其应用效果不佳。主要问题在于处理的有机物料面太窄，绝大部分以粉状有机肥方式应用于果树等经济作物，而广大的大田作物几乎不用[6]。因此，我国农牧废弃物处理总体为无害化程度低、工业化程度不高。

4 农牧废弃物的综合利用技术体系

农牧废弃物的综合利用，是一项系统工程，涉及到有机物料发酵、肥料造粒、土壤化学、植物营养、畜牧等多门学科交叉，不仅在有机物料发酵技术以及有机-无机肥料造粒制备技术上面需要创新突破;而且需要政府(包括村社)、科研单位、企业(养殖场、发酵场、肥料厂)以及种植户以及合作社等协同，建立完善农牧废弃物的供、产、用以及秸秆与肥料置换和政府补贴机制，最终的目的是让农牧废弃物经科学的工业无害化处理后，生产出不同作物的专用有机-无机复混肥和颗粒有机肥或专用复合微生物肥料和颗粒生物有机肥用于农业生产中，进而取代以纯化学肥料施肥模式，促进我国循环生态农业的发展以及土壤环境的改善[7]。同时，农牧废弃物经工业无害化处理后"对位回归"土壤，即从那块田出来的秸秆以肥料方式回归那块土壤，确保每块田的有机质含量的稳定，有机资源本地化循环利用，尤其对我国基本良田以及农业科技园区土壤质量保障和粮食安全稳定具有重要的作用和生产实际意义。

4.1 农牧废弃物发酵场地建设布局思路以及生产工艺及创新

过去，各地建立了不少的有机肥加工厂，建设规模越大越好，都希望将一个县境内或更多地方的农牧废弃物运输到肥料厂统一加工处理。然而，由于秸秆类体积较大，畜禽粪便含水量较高，即使干湿分离后其含水量仍然在60%～65%，导致运输成本较高，大大地增加了肥料生产成本；同时畜禽粪便运到加工厂后如果不及时处理，会滋生大量的蚊虫和产生大量的臭气，将对场地以及周边环境造成严重污染，以目前的开放式发酵方式是很难解决这些环保问题。由此可见，这种远距运输、集中处理的方式难于运行。

秸秆或畜禽粪由于碳氮比、含水量的关系，单独发酵处理效果不佳。秸秆经破碎成1～5cm长度(便于包装运输)与畜禽粪混合发酵加工是较为理想的方法，这样畜禽粪不需要再进行干湿分离，利用较干的秸秆吸附畜禽粪中的水分使含水量达到60%左右，充分利用了含有养分的粪水，并采用槽式密闭无害化发酵技术生产加工成细度、含水量、有机质含量标准化以及无害化程度高的有机原料，为有机肥(生物有机肥)以及有机无机复混肥(复合微生物肥)的造粒生产提供大量优质有机原料，即解决了养殖场畜禽粪便带来的环境污染问题，又解决了周围的秸秆无害化还田问题，一举两得，这对我国循环生态农业构建具有重要的作用[8]。

因此，农牧废弃物处理应根据原料的集散状况，采用种植和养殖结合，通过提升工业化进程、创新有机物料无害化发酵加工以及肥料制造技术水平后，农牧废弃物的综合利用才能达到理想的效果。

4.2 循环生态农业构建思路

农牧废弃物工业化处理应用，以种植业的秸秆以及养殖业的畜禽粪农牧废弃物为典型代表，利用其养分、含水量、粗细度等指标的互补性，通过有机物料发酵、肥料造粒技术及其工艺的创新研究，并研制出无害化程度高的优质有机原料，再生产出颗粒有机肥料和速效与缓释为一体的有机无机复混肥料，同时通过具有杀灭土壤中有害真菌孢子和虫卵以及对细菌性病害有防治奇效的微生物菌种筛选组合、颗粒肥料表面孢子粉喷涂技术等内容研究，最终研制生产出有机无机复混肥或复合微生物肥料和颗粒有机肥或颗粒生物有机肥产品。这样不仅可以进行机械化施肥，把大量的农牧业废弃物无害化回归土壤，对土壤碳循环起到了重要的作用，同时促进了土壤有机质含量的提升，土壤环境得到有效改善[9]。经过我们多年研究结果显示，化学肥料与有机物料络合成有机-无机营养体后，其肥效具有显著的缓释效果，同时在肥料速效性与缓释性融合技术和有机物料工业无害化处理技术上取得重大突破，不仅充分地把肥料的速效性与缓释性融为一体，肥料的利用率得到明显提升，化学肥料可减少10%以上的用量，达到了化肥减量和减工降本、有机无机养分均衡的施肥效果，功能性微生物菌的协同作用，可有效减少了土壤中的有害病虫源体数量，可大大降低病虫害对作物的危害程度，从而减少化学农药的使用量;而且固态有机物料槽式密闭发酵创新技术，具有有机物料发酵均匀、工业化程度高(发酵周期短和生产效能高)、无害化程度高(病虫源体杀灭彻底和臭气净化效果好)、发酵好的有机原料标准化程度高(细度≥30目、含水量≤20%、适宜运输)等优点，为我国循环生态农业构建以及化肥农药双减战略实施提供了新的技术措施，尤其是在我国基本良田建立"农牧废弃物(秸秆等+畜禽粪便)-工业无害化发酵-新型专用型有机无机复混肥(新型专用型复合微生物肥)、颗粒有机肥(颗粒生物肥)制造-有机无机复混肥(复合微生物肥)+颗粒有机肥(颗粒生物肥)施肥"循环生态农业栽培模式，将对我国土壤环境改善和有机质含量保障、粮食产量稳定和质量安全提升、大气环境保护具有重要和长远的生产生态作用[10]。

4.3 技术产品生产与应用模式构建

通过不同有机物料的养分及成分组成、含水量及干湿度、物理性状等理化指标以及病虫源体种类的检测，对不同有机物料的配比、工业无害化发酵加工技术(包括发酵菌组成、有机物料混配装置、发酵时间控制、机械翻料出料、自动送气和抽气装置、烘干粉碎分筛装置、废气和粉尘无害化处理装置等内容)进行系统研究，创新集成槽式密闭工业无害化发酵新型生产工艺，并生产出养分、有机质、水分含量以及细度标准化和无害化程度高的优质有机原料。通过有机无机复混肥料造粒工艺创新研究，并结合土壤养分、作物需肥特性、有机无机复混肥料养分释放特征、杀虫卵和病源孢子的功能微生物菌种筛选以及添加技术研究，研制出速效与缓释为一体、有机无机养分均衡的有机-无机复混肥和颗粒有机肥，或含高活性微生物菌的新型复合微生物肥料(NPK含量在25%～35%、有机质含量在15%～20%、有效活菌数≥2000万个)和颗粒生物有机肥(NPK含量≥5%、有机质含量≥40%、有效活菌数≥2000万个)产品，并创建"有机-无机复混肥+颗粒有机肥"或"复合微生物肥+颗粒生物有机肥"的新型施肥模式，施用后不再施用其它化学肥料(包括复合肥)，从而结束我国目前的以纯化学肥料为主体的施肥模式[11]，并生产出高钾型:果树、烟草等经济作物，高氮型:玉米、水稻、小麦、油菜等大田作物，均衡型:蔬菜、茶叶、中药材等作物，块茎型:马铃薯、花生、大蒜、中药材等作物新型专用配方肥料。

5 建议

5.1 建立相应规模的密闭无害化发酵场或车间

根据不同地区农牧业废弃物状况，当然是养殖和种植结合综合处理效果最好，养殖场可根据粪便产出量，建立相应规模的密闭发酵车间或场，消耗附近各乡镇秸秆等资源生产出优质有机原料供肥料厂使用，有条件的养殖场也可生产颗粒有机肥和有机无机复混肥，养牛羊场可以生产蘑菇等草腐型食用菌栽培原料，其菌渣再生产成肥料[12]。

5.2 建立以村社为单元的秸秆回收、粉碎、包装、运输体系

包括机械收割、秸秆粉碎包装或打捆为一体的机械设备，这项工作需要政府的支持和适当资金补贴，同时建立秸秆与肥料置换以及使用监管机制，以确保秸秆从那块田来，以有机肥或生物肥方式就回到那块田去，达到本地化循环利用的效果，确保土壤有机质含量的稳定。

5.3 组建由科研单位牵头建强大的科研团队

团队由土壤化学、植物营养、微生物、畜牧、植保以及肥料制造等多学科科研人员组成，重点对土壤养分供应状况，作物养分吸收以及土壤对养分吸收限制因子，农牧废弃物养分组成及发酵配比，高活性微生物菌的防病虫效果、抗逆能力(抗高温、抗干燥、抗盐分、耐酸碱)、菌种间的拮抗筛选优化组合，肥料养分释放机理，有机物料密闭无害化工业处理技术，专用新型有机无机复混肥和颗粒有机肥以及复合微生物肥和颗颗粒生物肥的工业化生产工艺及造粒技术创新，不同作物的应用示范等方面进行深入系统研究，为企业生产提供技术支撑和保障。