关于秸秆和畜禽养殖废弃物综合利用模式和技术创新的思考

郑晓凡周成李孝良夏金林李飞跃华金玲汪建飞

(1.安徽科技学院，安徽 凤阳 233100；2.安徽盛农农业集团有限公司，安徽 当涂 243100；3.农业农村部生物有机肥创制重点实验室，安徽 蚌埠 233400)

我国作为农业生产大国，每年有大量的农业废弃物产生，农业废弃物的处理需求极大。据估算，全国每年产生畜禽粪污近40亿t，综合利用率不到70%；每年产生秸秆近10亿t，约有2亿t没有被利用。这些没有经过无害化处理的农业废弃物如果乱堆乱放、随意填埋或焚烧，不仅会造成资源大量浪费，而且也会严重影响城乡生态环境和人民群众的生活工作[1]。我国耕地由于缺少有机肥补充而质量退化的面积占耕地面积的40%以上，严重威胁国家粮食安全。目前，国家为推动农业废弃物资源的高效利用，相继出台了多部规划和指导意见，同时也在政策和财政方面加大了支持力度。农业废弃物综合利用率已成为构建我国乡村振兴评价指标体系的主要指标之一。

当前，安徽省在进行农业生产的过程中所产生的量大面广的废弃物以秸秆和畜禽养殖废弃物为主，解决了这2类废弃物的资源化利用(通常也简称“两利用”)问题，就相当于牵住了农业废弃物资源化利用的“牛鼻子”。为此，本文从不同的角度分析总结了“两利用”的技术模式，重点介绍了当前农业生产过程中主推的技术，并结合安徽省的实际情况，针对性地提出了未来“两利用”产业发展需要重点突破的关键技术领域。

1 秸秆和畜禽养殖废弃物综合利用模式解析

1.1 秸秆和畜禽养殖废弃物肥料化利用模式

众所周知，无论是秸秆，还是畜禽粪污，其最初源头均来自农田，所以最理想的“归宿”也是农田。我国劳动人民在长期实践中也逐步形成了一套较为完善的秸秆和畜禽粪污肥料化利用的技术体系。1840年，植物营养学奠基人李比希在其发表的著名论文《化学在农业和生理学上的应用》中，就深刻地剖析了其中蕴含的植物矿质营养原理[2]。

图1 秸秆和畜禽养殖废弃物肥料化利用模式

从农业生产的角度，结合当前安徽省农业科技推广应用实际，在传统模式中添加了食用菌、生物炭2个元素，有效延伸了农业废弃物资源化利用的链条，显著提高了产品附加值，吸引了更多的企业参与其中，促进了“两利用”产业的发展。

1.2 秸秆和畜禽养殖废弃物全量资源化利用模式

功能性农业微生物是秸秆和畜禽养殖废弃物资源化利用的“灵魂”。离开了微生物的作用，农业废弃物的处理处置都将受到极大制约，更谈不上全量资源化利用。然而，由于条件所限，再加上多数微生物利用技术还不成熟，农业微生物在秸秆和畜禽养殖废弃物综合利用方面还有很大的提升空间。据报道，2017年全球农用微生物制剂的销售额约为30.9亿美元，预计2022年将达到60.1亿美元，复合年增长率为14.21%[3]。其中，约35%的菌剂品种与农业废弃物资源化利用相关，市场潜力巨大。

为此，本文从农业微生物的角度，构建了秸秆和畜禽养殖废弃物全量资源化利用技术创新模式，见图2。不难看出，功能性微生物在农业废弃物的循环利用中处于核心位置。只有掌握了农业废弃物循环利用过程中全环节的微生物工程技术，才有可能做到真正意义上的种养废弃物全量资源化利用，才有可能实现“两利用”产业的高质量发展。

图2 以功能性微生物为核心的农业废弃物资源化利用技术创新模式

1.3 秸秆和畜禽养殖废弃物综合利用产业链集成模式

按照不同的来源，农业废弃物被划分为3大类。农作物秸秆、蔬菜尾菜、果树枝条、果皮果壳、杂草、落叶等，也称为第一性生产废弃物；畜禽排泄物和栏圈垫料等，也称为第二性生产废弃物；农副产品加工后的剩余物[4]。这些废弃物却是“两利用”产业不可或缺的原料。换言之，种植业、养殖业、农副产品加工业构成了“两利用”这个中枢产业的源头产业，将农业废弃物进行转化实现再利用可以有效缓解农业资源约束问题。以功能性微生物为核心，分化出有机肥料、饲料、生物炭、土壤调理剂、食用菌、生物天然气等众多主导产业。在此基础上，进一步衍生出数量更多的下游延伸产业。从而形成了以功能性微生物为核心，将源头产业、中枢产业和延伸产业连接于一体的农业废弃物资源化利用产业集群创新模式，实现了整个农业产业链条从生产源头到终端服务的延伸，有效带动了三产融合发展。在减少环境污染、促进资源高效循环利用的同时，推动了乡村产业发展，带动了农业剩余劳动力就业，增加了农民收入。

图3 农业废弃物资源化利用全产业链创新集成模式

2 秸秆和畜禽养殖废弃物综合利用关键技术应用示范

2.1 生物有机肥制造与施用技术

相对于普通商品有机肥，生物有机肥属于“高端”产品。在秸秆与畜禽粪污肥料化利用模式中，发挥着独特而重要的作用[5]。近年来，人们在生产中发现并逐渐意识到，健康的土壤微生物区系对于农作物高产优质具有基础的保障性作用，生物有机肥也因此成为肥料市场的“新宠”，尤其是受到了蔬菜水果等经济作物种植户的青睐。

瞄准这一市场需求，自2013年开始，农业农村部生物有机肥重点创制实验室利用自身的技术、人才优势，与安徽省内多家有机肥生产企业合作，就地就近取材，共同研发生物有机肥。在全省多年、多地田间实验表明，施用生物有机肥可以改良和培肥土壤，提升农作物的产量与品质。更重要的是，较好地消纳了畜禽粪污和农作物秸秆，减少了化肥用量，对区域农业绿色发展发挥了有效的支撑作用。以安徽莱姆佳肥业有限公司生产解磷生物有机肥为例，5a共生产有机肥41.85万t，新增销售收入约6.4亿元，新增利润3255.6万元。

2.2 秸秆和畜禽粪污无害化处理生产食用菌技术

食用菌一般指蘑菇，通常是真菌中能产生较大的子实体或菌核类组织并可提供食用的种类。利用农作物秸秆、畜禽粪便生产食用菌，就是把大量的农业废料或对农产品进行加工时产生的下脚料作为食用菌生产的原材料，变废为宝[6]。其基本原理：在适宜的环境下，食用菌的菌丝通过其分泌的超纤维氧化酶将秸秆表面的蜡质进行溶解，然后菌丝进入秸秆内部合成并分泌纤维素酶、半纤维素酶、内切聚糖酶、外切聚糖酶等酶。对降解木质素起关键作用的酶有2种：木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶，其在活性氧的作用下，特别是在过氧化氢参与下，能够激发一系列自由基链反应，使木质素发生氧化。这些酶的联合作用能够将木质素分解为可溶性的小分子木质素残片。在这个过程中，食用菌得以生长。

利用麦秸和新鲜鸡粪生产双孢菇，是一项在单一生产过程中，将秸秆和粪便2类不同的废弃物同时加以利用的最经典的资源化利用技术。以安徽众兴菌兴为代表的一些食用菌生产企业，充分利用安徽省沿淮淮北较为丰富的麦秸和鸡粪资源生产优质双孢菇。以日产60t鲜菇企业为例，每年大约可以利用小麦秸秆4万t，新鲜鸡粪3万t；采收双孢菇之后菌渣通过处理加工，可制成6万t左右有机肥料。整个生产过程从源头到末端可以直接带动近千人就业，社会经济效益显著。更为重要的是，解决了小麦秸秆和鸡粪的出路问题。可以说，双孢菇生产过程真正实现了农业废弃物全量资源化循环利用。

2.3 生物炭农用技术

生物炭是农作物秸秆和畜禽粪污等生物质残体在限氧(缺氧或是无氧)条件下，经高温慢热解产生的富含碳素的固态物质。由秸秆炭化制成的生物炭施入农田，可以释放一定量的氮磷钾速效养分，满足植物生长需要。更为重要的是，生物炭有着较大的孔隙度和比表面积，具有较强的吸附、抗氧化和抗生物分解等特性，可有效改善土壤结构和理化性质[7]。施用生物炭，可以显著提高土壤吸附性能，降低养分损失，提高化肥利用率。研究发现，以稻壳生物炭为材料，当添加量在5～30t·hm-2，随着生物炭施用量的增加，玉米产量逐渐提高，增产范围在6.73%～31.41%[8]。与对照相比，氮肥利用率、土壤全氮量和有机肥含量增幅分别为28.50%～85.15%、21.31%～56.56%和0.54%～69.26%[8]。

生物碳具有吸附重金属的性能，将其用作土壤改良剂，可以对农田中的重金属进行钝化处理，起到土壤修复作用[9]。近年来，在南方酸性水稻土地区，人们施用生物炭加工的肥料或改良剂，显著提升了土壤对重金属的阻控性能，降低了水稻对镉的吸收富集，提升了农产品的食品安全质量。此外，生物炭自身含碳量高，施用含生物炭类投入品，能够将大气中的二氧化碳源源不断的固定并封存在土壤中，是一种高效的碳汇方法[10]。值得关注的是，研究人员还发现，稻田施用生物炭，可以显著减少N2O排放[11]。

2020年秸秆炭基肥利用增效技术被推介为农业农村部10大引领技术。炭基肥、炭基有机肥等相关标准陆续推出[12]。炭基有机肥生产与施用已成为助力碳达峰、碳中和的一项重要技术举措。

2.4 基于种养结合的发酵床养猪垫料循环利用技术

利用木屑、粉碎的作物秸秆、稻壳等废弃物铺设在特殊设计的猪舍内，并接种多种有益微生物，将生猪放在这种垫料上饲养，就是通常所说的发酵床养猪法。发酵床养猪技术拥有改善猪舍卫生环境、不用人工清粪和大量水冲圈舍、实现污染零排放、提高饲料转化率节省饲料等诸多优点。而老化、废弃的发酵床垫料能否循环利用则是一个新问题[13]。

近年来，因为企业生产需求，省内一些专家团队开展了发酵床老化垫料循环利用技术探索。在安徽盛农农业集团有限公司，成功开发出以发酵床垫料为主要原材料的育秧基质。这项技术的应用，不仅解决了养猪场垫料清理难题，每年还直接为企业节省了30万元购买育秧基质的经费开支。目前，这项技术推广到了全省5家养殖企业，深受欢迎。尤为重要的是，企业与高等院校、科研院所，以生产需求为导向，以省重大科技专项为纽带，建立了紧密而稳固的产学研合作关系，双方优势互补，互利共赢，有效地推动了科技成果转化和行业科技进步。

3 未来需要重点加强的“两利用”技术措施

3.1 提升秸秆农用技术，提高秸秆农用技术到位率

使用由秸秆转化而来的肥料和饲料能够有效增加土壤有机质含量，促进循环农业的发展。要根据不同的耕作制度，制定不同的秸秆还田标准，推进秸秆机械化还田、生物腐熟还田、养畜过腹还田；促进种养结合，进一步提高肥料化、饲料化综合利用率。同时也要注重发挥集体力量，协同解决秸秆能源化、基料化利用企业生产中存在的突出问题。

针对秸秆综合利用中存在的资源产出效率低、产业链短、产业布局不合理等问题，在总结成功经验的基础上，强化高附加值产品及其精深加工技术研发，如利用秸秆发酵生产聚乳酸，用聚乳酸加工成全降解无污染餐盘，或是用来制成天然亲肤并具有抑菌抗螨虫效果的衣服。从而达到延伸产业链条，形成产业集聚的目的，推动安徽省秸秆综合利用产业的高质量发展。

3.2 加强种养有效衔接技术研究，助推畜禽粪污全量化利用

针对当前普遍存在的种养分离、不匹配问题，明确以农用有机肥和农村能源为主要利用方向，加强接地气的实用技术熟化、集成和推广，利用微生物制剂减轻粪便恶臭气味，加快促进粪便发酵，使用先进的粪便快速发酵装置和粪肥农田施用设备等技术与产品，明确粪污还田利用适用标准，推动建立市场化机制，畅通粪污还田渠道，切实提高畜禽养殖粪污资源化利用水平。

巩固秸秆综合利用试点、畜禽养殖废弃物综合利用整县推进、果菜茶有机肥替代化肥试点工作成果，抓住当前农业农村部正在大力推进的绿色种养循环农业试点工作的大好机遇，为企业或第三方服务组织集中收集处理周边畜禽粪污、建立专业化肥料处理利用中心提供技术支撑。在创新方面要进一步强化各部门之间的合作意识，利用试验示范将技术成果辐射到周边地区，扩大技术的推广范围，实现由点带面的突破，促进畜禽养殖废弃物的“能源化、肥料化”利用和畜牧业的绿色发展。

3.3 发力功能性微生物研发，扩大农用微生物制剂产能

功能性微生物菌剂在“双利用”产业发展中处于核心位置。目前，安徽省在农业功能性微生物研发水平不高、农业微生物制剂产能很小的现状，显然与粮食大省、畜牧大省的地位不相匹配。必须要通过自主研发和引进，加强各种功能性微生物制剂的研发。保守估算，安徽省每年生产生物有机肥需要的功能微生物菌种发酵液约10万t，按3000元·t-1价格计算，则销售额达3亿元。再加上秸秆腐熟剂、高温堆肥菌剂、除臭剂、饲料生物添加剂等，市场潜力巨大。

3.4 优选“两利用”机械装备，提升产业智能化水平

当前，安徽省正在深入实施科技强农、机械强农、促进农民增收“两强一增”行动。“两利用”产业要抢抓这一大好机遇，在总结现有经验基础上，优选或自主研发秸秆收储加工机械装备，加快畜禽粪污全量收集技术与装备，粪污高效输送、施用技术与装备的研发及推广进程，致力于解决粪污资源化利用过程中存在的技术和成本壁垒。走种养结合的道路，引导养殖企业加强基础设施投入，建设相对完善的规模养殖场粪污处理、畜禽粪污集中处理、农用有机肥生产、沼液储运等配套设施，打通粪污肥料化、能源化利用通道。

强化大数据、人工智能、移动互联网、云计算技术在“两利用”产业中的应用，切实提升产业智能化水平。

2017年以来，安徽省已成功举办了5届秸秆暨畜禽养殖废弃物综合利用产业博览会，极大地提升了安徽省“两利用”技术水准，为相关产业发展源源不断地注入新动力。2020年，安徽省秸秆和畜禽粪污综合利用率分别达到90%、80%以上，比全国平均水平高出5个百分点以上。毫无疑问，在较高的利用率基础上，秸秆和养殖废弃物综合利用产业发展空间更小、难度更大。2021年，安徽省农业农村厅又主导组建了全国首个省级秸秆和畜禽养殖废弃物综合利用产业技术体系，旨在集聚全省专业技术人才，围绕农业废弃物资源化利用产业化发展的目标，创新产业发展过程中的关键核心技术，消除关键环节无体系支撑的“盲点”、弥补产业条块分割的“缝隙”，实现农业废弃物资源化利用领域的优势特色产业和产业链中关键环节的科技支撑全覆盖、无死角，催生一批新技术、新产品、新装备、新模式，并将其运用到“两利用”产业布局中，延伸产业链条、形成产业集聚，进而为安徽省构建“两利用”领域高质量发展的新格局提供基础支撑。