我国农业生产废弃物资源循环利用模式探究

温志英，刘 晶

（1.河北经贸大学工商管理学院，河北石家庄 050061；2.河北经贸大学生物科学与工程学院，河北石家庄 050061）

农业废弃物是指在整个农业生产过程中被丢弃的有机类物质，其中农作物及果蔬残留物是主要的农业生产废弃物，包括农作物秸秆、果树枝条、落叶和果实外壳、以及杂草和农副产品加工剩余物等[1]。我国农业废弃物不仅数量大而且高分散，居世界前列[2]，2019 年秸秆产生量达到8.65 亿t，蔬菜废弃物总量高达2.45 亿t[2-4]。这些副产物除了少部分被用作中药、饲料和燃料外，资源的浪费极其严重。大量的农业生产废弃物随意丢弃或任意排放到环境中，既增加了农业资源浪费，又加重农业环境污染，使农村生态环境日趋恶化。因此，寻找一条适合我国农业废弃物资源化利用的有效途径，实现农业、经济、生态可持续发展意义重大。

1 我国农业生产废弃物资源化利用的传统途径

目前，农业废弃物的能源化、肥料化、饲料化、材料化和基质化是我国农业生产废弃物资源化利用的主要途径[5]。

1.1 能源化

生物质能源占世界总能源消费总量的14%，具有绿色、低碳等优势，且还是可再生的清洁能源。《3060 零碳生物质能发展潜力蓝皮书》显示，我国生物质资源开发潜力约相当于4.6 亿t 标准煤。借助碳捕获和储存技术，预计到2060 年生物质能将为全社会减碳20 亿t 以上[6]。

农业废弃物中的秸秆是生物质能转化的主要原料，能有效促进农业废弃物资源利用。2019 年我国能源化利用的秸秆约48.4%用于成型燃料，27.8%用于生物质发电，16.4%用于规模化沼气和生物天然气，总利用量达到5 025.4 万t。生物质资源能源化利用，既有效解决了农村环境污染问题、提升了土壤固碳能力，又减少了温室气体排放，实现了可持续的零碳或负碳[7]，为有效缓解因石油、煤炭等化石能源过度开发带来的能源危机提供了新的途径。

1.2 肥料化

通过直接还田和发酵还田2 种方式可实现农业生产废弃物中有机质和氮磷钾的高效利用。统计数据显示，2017 年我国农作物秸秆及残存物的二氧化碳当量高达3 920 万t （联合国粮农组织数据）。我国有机肥每年未被利用部分约为1 亿t，约占理论可生量（2.79 亿t） 的1/3。秸秆全量还田将增加农田氮肥38.4%，磷肥18.9%和钾肥85.5%，充分合理利用这些资源，可有效替代化肥施用，有效缓解中国有机肥短缺的难题，促进农作物高产、优质，同时降低农产品成本，并减少化肥生产引起的碳排放[8]。

1.3 饲料化

农作物秸秆饲料化为奶牛、肉牛和肉羊饲养提供充足的粗饲料，不仅可以缓解畜牧业畜草矛盾，还能保障“节粮型”畜牧业的高质量发展。青（黄）贮、碱化或氨化、汽爆等饲料化利用技术，显著提高秸秆在瘤胃内的消化率，促进秸秆资源饲料化[9]。秸秆饲料化技术可以有效解决我国粗饲料资源短缺，实现秸秆资源化利用。据统计，约30.7%的农作物秸秆用于生产动物饲料[10]。

1.4 材料化

农业废弃物富含植物性纤维，可广泛用于生产生物质材料。不仅包括各种包装材料，如植物纤维板、可降解餐具、发泡缓冲材料，还可用于生产纤维素薄膜和保温材料。利用纳米技术制备出的纳米纤维素，广泛用于各类功能材料的复合增强等场合。秸秆的精深加工与低碳利用，实现了农业废弃物高科技产业化发展[11]。

1.5 基质化

秸秆、木薯、蔗渣、芦苇末、花生壳、棉秆和其他作物秸秆等废弃物混合、杀菌并快速发酵，作为食用菌、水稻、蔬菜和花卉等绿色有机产品的基质，实现废弃物基料化应用[12-13]。基质化的关键是要筛选能快速促进作物秸秆及农残废弃物基质化的适宜微生物及菌种，使形成的生物质基质具有良好的理化性质，能满足不同植物生长发育所需。基质的标准化和商品化生产将大大提高农业废弃物利用率，减少污染，创造生态及经济价值。

2 农业生产废弃物资源循环利用的理论基础

2.1 循环经济理论

循环经济是一种遵循可持续发展理念的经济模式，其核心是资源的高效利用和循环利用。通过废弃物资源的减量化（Reduction）、再循环（Rrecy cle）、再利用（Rreuse） 3R 原则，实现资源低消耗、低排放和高效率利用，与自然生态系统和谐共存，通过构建“资源- 产品- 再生资源”闭路循环过程，达到资源的最佳利用[14]。在当前的环境背景下，发展循环经济对于应对气候变化、遏制生物多样性丧失和减少浪费污染等全球环境挑战具有重要意义。

资源节约和循环利用是循环经济的特征，不同于传统的开环经济，循环经济是一种闭环经济，通过“资源投入- 产出- 消费- 废弃物- 转化利用-资源”这一闭路循环，实现污染排放最小化与资源的无限循环利用。因此，循环经济是一种把清洁生产、生态优化、废弃物综合利用和可持续消费等融为一体的经济发展模式[15]。循环经济模式下，人不再是破坏生态环境、限制经济发展的障碍，而是表现为通过利用先进科技和管理理念，实现一种社会、经济和环境“共赢”的有利局面。

2.2 价值创新理论

资源价值创新是将价值创新理论应用于农业废弃物资源，以循环经济理论为依据，借助现代科技术与管理理念，最大限度挖掘资源的潜在利用价值，追求差异化和低成本，实现高价值利用[16]。基于循环经济的视角，环境中很少有真正的“废物”。农业4.0 时代借助创新技术在农业生产废弃物中的应用，催生了农业生产废弃物价值的发现，这种“放错位置的资源”作为工农业生产原料被广泛利用。因此，该模式提高废物的价值的同时减少了环境压力，实现农业生产废弃物价值利用的最大化和生态化。

3 我国农业生产废弃物资源创新利用模式的探索

近年来，对副产品直接进行能源化、肥料化、饲料化、材料化和基质化利用，在一定程度上减少了环境压力，实现了资源的再循环和再利用。但是，我国目前农业废弃物的利用方式仍以粗放型方式为主，不能适应当前农业可持续发展要求和生态文明建设需求。根据循环经济理论和价值创新理论，将目前的粗放循环利用模式进行转换，建立粗放低值转化- 增效综合利用-集约精细增值相结合的梯度化综合利用模式体系。

3.1 粗放低值转化

农业生产废弃物饲料化、肥料化、基质化、能源化是其粗放低值转化的主要模式，通过转化，成为再生资源产品，初步消除其对环境的污染和生态的破坏。例如，秸秆还田和堆沤还田有助于增强土壤肥力和改善土壤结构，实现农作物增产；玉米、花生等农作物秸秆粉碎氨化加工的饲料便于禽畜消化吸收，有效缓解畜草矛盾。以秸秆为例，据统计，15%的秸秆直接还田，30.7%的秸秆用于生产动物饲料，17.9%的秸秆用于工业能源，5.25%用于材料制备等其它领域，直接废弃燃烧的秸秆资源比例高达31.6%[17]。

3.2 增效综合利用

转化增效的核心是提高利用效率，降低农业生产废弃物品产生量。因此，转化增效循环利用模式是指运用先进技术，如酶转化技术、微生物转化技术、发酵转化技术及相关技术的集成提高废弃物的利用效率，将可资源化的成分转化为具有较高利用价值的资源性物质，降低末端产物排放量。例如，利用秸秆、果蔬皮壳生产食用菌基质，而生产食用菌的副产品食用菌糠由于富含粗蛋白质、粗纤维，以及各种氨基酸，不仅可以作为畜牧业的优质饲料，还是农业生产的优质有机肥[18]。

3.3 集约精细增值

集约精细增值循环模式利用先进的化学分离、提纯技术、纳米技术、生物技术，生产出具有潜在开发价值的生物活性化学成分或转化为具有生物功能的高附加值资源性物质。农业生产废弃物中的皮壳类富含丰富的色素、营养物质等生物活性成分，通过集约精细增值将其用于生产药品、医药保健产品、化妆品、香精香料、化学标准品等，实现化工、医药、食品产业化增值[19-20]。中国农科院环发所种植废弃物清洁转化与高值利用团队突破性的利用热解炭气联产技术使秸秆转变为生物炭[21]，实现了秸秆能源化精细增值。总之，精细增值模式是目前对农业生产废弃物利用效率最高、价值增值最大的一种模式，这种模式的实现对科技水平和技术工艺的要求更高，产生更高的社会效益、经济效益和生态效益。

4 农业生产废弃物资源超循环经济模式体系构建

超循环理论是建立在分子生物学基础上的关于非平衡态系统的自组织理论，由德国科学家艾根（Manfred Eigen） 在20 世纪70 年代提出，近年来已广泛应用于生态文明建设。超循环经济模式以循环经济的3R 原则为基础，加入再分配（Redistribution）和再培育（Recultivation） 原则，构建出5R 原则。在超循环经济中，资源链、生态链和价值链基层循环进一步耦合，相互促进相互催化，提升资源、生态和价值，使生态与农业互利共生，实现资源利用、生态改善和价值提升的共生运行机制[22]。

资源链是农业生产废弃物实现超循环利用的基础，是生态链的生物学基础，又是价值链的物质基础。资源链按照“农业资源耗用→农业生产→农产品使用→农业废弃物→资源再生→农业资源耗用”的闭环运行。资源再生环节的加入实现了资源增值的超循环，减量化是资源链的关键。价值链通过利益机制促进资源链和生态链的良性发展，发挥动力和纽带作用，是超循环经济运行的关键因素[22]。农业生产废弃物价值链的具体体现为将废弃物循环利用的3 种模式嵌入了超循环体系中，通过低值转化，实现能源化、肥料化、饲料化、材料化和基质化；通过微生物转化、酶转化、发酵转化技术，实现农业废弃物到生物能源、活性成分的增效利用；通过化学分离技术、生物技术和化学提纯技术，实现生物活性物质提取纯化，并用于医药保健、化妆品、食品行业，实现农业废弃物的精细增值。生态链为实现资源链持续增长和价值链的良好运行提供了支撑[22]。生态链是将农业资源耗用、农业生产、农产品使用、农业废弃物、处理排放的生态过程连接起来形成的开放链条。在生态链运行过程中，绿色种植、节水减排、清洁生产等有利于生态链的良好运行，实现生态改善与优化。

超循环经济模式通过资源的减量化、废弃物的再循环、再利用、可再生资源的培育和再配置，通过生态链、价值链和资源链的相互嵌套，最大程度降低废物的排放和自然资源耗用对环境有负向作用，从而实现农业废弃物资源的最充分利用，并实现废弃物的价值创新和整个产业链的价值提升，构建出“资源→生产→消费→再生资源→创新→新循环"”超循环经济模式。超循环经济的开放性，使之与经济、社会、生态系统协调一致，有效融合，从而促进农业由“浅绿”到“深绿”的可持续发展，促进“人工超生物文明”的实现[23-24]。

农业生产废弃物超循环经济利用模式见图1。

图1 农业生产废弃物超循环经济利用模式

5 结语

农业生产废弃物超循环利用对解决我国资源瓶颈问题具有重大战略意义。2030 年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和，是中国对世界的承诺，实现我国农业生产废弃物资源循化利用刻不容缓。整合农业废弃物资源，构建超循环经济模式，是实现碳达峰、碳中和的重要举措，也是潜力所在。构筑起完善的保障体系，加快农业生产废弃物超循环经济模式实现，离不开政策、技术、品牌建设等方面的协同作用。建立健全以法律政策为基础、政府为导向、市场调节为补充、农民积极参与的运行机制，建立健全废弃物的资源化利用法律法规等政策支持体系；建立健全资源利用高新技术开发、专业人才支撑体系；建立健全农业废弃物精细增值的品牌发展战略。农业生产废弃物超循环经济模式的实施将为实现农业可持续发展和生态文明建设作出重要贡献。