农业有机固废资源化利用对碳减排的贡献

付锦涛　高玉峰　胡东生　侯磊　姚惠娇　马瑞强　杨阳

摘要：现阶段农业有机固废处理在我国农业活动中具有极大的影响，尤其是在碳减排和土壤固碳等方面具有很大的潜力。农业有机固废的不同处理方式其农业固碳减排潜力也不同。因此实现农业有机固废资源化处理和农业减排固碳协同，既能提高农业增产增效，还能助力国家碳中和战略目标。

关键词：有机固废; 碳减排; 土壤固碳; 资源化

近年来，随着经济社会的发展和物质水平的提高，温室气体排放也随之加剧，气候变化已经成为全人类面临的共同挑战。其中农业因为其具有的“碳源”和“碳汇”双重作用而被广泛关注，一方面农业作为碳源，通过肠道发酵、化肥施用、农业废弃物田间焚烧等农业活动排放温室气体[1]；另一方面，农业有机废弃物又可以制备成生物炭，提高土壤中的腐殖质和碳固存效率[2]。因此实现“双碳”目标，农业减排固碳既是重要的手段，又具有很大潜力。

1 我国农业有机固废资源状况

1.1 秸秆资源现状

我国是农业大国，近年来，随着粮食产量的快速增长，秸秆资源总量不断上涨，据调查显示目前最主要的利用方式是秸秆还田，占比39%左右，其次是饲料化和燃料化，分别占20%、13%。此外，不同的处理方式之间，温室气体减排量以及土壤固碳等方面存在很大差别[3]。秸秆焚烧和自然腐解等碳排放含量相对于秸秆还田厌氧发酵等处理方式更高（图1）。

1.2 畜禽粪便资源现状

畜禽养殖为人类提供营养物质需求的同时，也成了农业面源污染的主要问题，据联合国及农业组织统计，畜禽养殖业排放的温室气体占全球总量的18%[4]。据统计2015年，我国畜禽粪污产生量为5.69×109t，综合利用率不到60%，截至2020年畜禽粪污资源化利用率为75%[5]。因此仍有25%左右的畜禽粪污未得到有效利用，这些粪污在堆积过程中，产生造成恶臭来源的含氮化合物、含硫化合物以及少量的有机化合物[6-7]。据调查，农业是N2O、CH4，NH3等污染气体的主要排放源[8]。这些大量堆积的畜禽粪便带来严重的环境污染问题，也造成了资源的浪费。而畜禽粪便中含有丰富的养分，畜禽粪便中固定的总养分量为1.73×108t，其中氮、磷（P2O5）、钾（K2O）占总养分的32.6%、46.8%、20.6%[9]。沙茜等研究，猪粪的总氮占总量的0.6%，其中粪便中的总氮占粪污总氮31.96%，牛粪中的总氮为0.32%，粪便中的总氮占粪污总氮90%以上，这些氮素一部分会以氨气的形式挥发到大气中，造成土壤或水体的酸化以及富营养化，一部分氮素会通过微生物的反硝化作用形成N2O[10]。王秀芬等研究，当前农用地可承载的畜禽养殖粪便均未超过最大负荷，还有很大的消纳空间[11]。

1.3 农业加工废弃物资源现状

农业加工有机固体废弃物主要是农副产品加工后的剩余物，例如稻壳、麦麸、树皮、果壳等，其主要特点是量大面广，在各地均有分布[12]。在农产品加工过程中有30%～50%的原料最后成为废弃物，在我国年产80多万t的淀粉行业中，污水排放量为800多万t，同时有15%～20%的粉渣[13]，这些农业加工废弃物由于没有专门的场地和处置措施，常随意堆放，成为病原菌滋生繁殖的场所，对周边空气、土壤等构成威胁，进而导致环境恶化。据统计，加工废弃物污染造成的经济损失高达80多亿。

1.4 生活垃圾资源现状

生活垃圾是指在日常生活或者为日常生活提供服务产生的固体废物[14]。据生态环境部公布的数据，2019年大、中城市的垃圾产生量是2.36×108t，处理量为2.35×108t，处理率达到99.7%。2015～2020年，生活垃圾中的厨余垃圾占比不断下降，从51.04%下降到42.78%[15]。2018年，全国碳排放约100亿tCO2e，生活垃圾处理碳排放1.04亿tCO2e[16]。目前生活垃圾主要的处理方式为填埋、焚烧、堆肥和厌氧消化。其中填埋和焚烧是主要的处理方式，这也造成了甲烷排放的增多，据美国环保局统计，处理生活垃圾排放的温室气体占全球的3%～5%，其中甲烷是主要的排放来源（图2）。

2 农业有机固废资源化利用途径

2.1 农业有机固废能源化

目前农业固体废弃物的能源化利用主要是畜禽粪便和农作物秸秆等，主要利用途徑是厌氧发酵产沼气和农业废弃物热裂解转化为可利用的燃料。

厌氧发酵生产沼气主要是微生物在厌氧条件下将有机质分解代谢，进行能量转化并生成甲烷等可燃气体的过程。热裂解是利用废弃物中的热不稳定性，在无氧或者氧气含量少的条件下加热，通过有机质热裂解，提取燃气[17]。

2.2 农业有机固废肥料化

现阶段农业固体废弃物肥料化的主要方式是好氧堆肥，好氧堆肥是指好氧微生物在有氧的环境条件下，利用有机固体废弃物中的有机质，并将其转化为稳定的腐殖质的过程[18]。常见的好氧堆肥有膜式堆肥、条垛式堆肥、反应器堆肥、槽式堆肥（表1）。

2.3 农业有机固废饲料化

饲料化是指通过发酵或者干燥等方法将物料进行加工，成为畜禽可食用的饲料（图3）[19]。目前农业有机固废饲料化利用主要为秸秆和农产品加工副产物，农业有机固废饲料化一方面能够解决现有粗饲料原料不足的问题，另一方面可以促进我国农业有机固废的利用。现阶段我国秸秆饲料化利用不足20%，其饲料化利用方式主要为干秸秆直接饲喂，青贮和黄贮利用较少[20]。畜禽粪便的饲料化技术由于畜禽粪便的含有寄生虫，病原微生物等成分复杂，因此应用范围极为有限，目前畜禽饲料化主要针对鸡粪，主要是鸡消化道短，饲料摄入后没有完全消化，作为饲料营养丰富，同时更容易吸收利用[21]。

青贮是原料预处理后，乳酸菌在厌氧的环境条件下利用原料中的有机质，产生乳酸，直至发酵活动终止的过程[22]。压实和密封式青贮工艺中的关键步骤。青贮工艺主要有窖贮、包贮和堆贮。其中窖贮是目前相对成熟的青贮工艺，适用于大中型企业；包贮，可在室外完成打捆、包膜操作后，室内进行发酵，因此适用地点和时间不受限制；堆贮适用于规模小的农户，但受环境影响因素大，且压实密封等难控制[23]。

3 农业有机固废资源化利用碳减排潜力

据研究，目前造成农业固体废弃物温室气体排放量增多的原因主要为农业固体废弃物自然腐解，以及露天燃烧造成的二氧化碳排放量不断上升。霍丽丽等研究，2020年，秸秆温室气体排放总量为1.77×108tCO2 e，到2030年减少到3.4×107tCO2 e，其中，肥料化和燃料化在农业废弃物综合碳减排固碳中占有重要的占比，分别占到温室秸秆温室气体碳减排量的40.7%、55.2%。据测算，2030年农业固体废弃物可替代化石能源的潜力为6.5×107～7.7×107t，温室气体减排量为2.0×108～2.3×108t[24]。王琳等通过核算不同堆肥处理工艺如填埋、焚烧、热解、好氧堆肥、厌氧消化等，发现对于有机质含量为40%～50%的物料，好氧堆肥和湿式空气氧化净碳排放最低，在有机质含量为40%～50%、60%～70%的物料中，填埋、焚烧、热解其净碳排放最高。根据《“十四五”重点流域农业面源污染综合治理建设规划》畜禽粪污综合利用率达到76%，仍有24%的畜禽粪污待解决。

4 结论

建议进一步推进农业有机固体废弃物的资源化利用效率，减少自然腐解以及露天焚烧等低效的利用方式，推进农业有机固废的燃料化、肥料化等高效减排的利用方式，助力“双碳”目标的实现。

参考文献

[1] 霍丽丽， 姚宗路，赵立欣等.秸秆综合利用减排固碳贡献与潜力研究[J].农业机械学报， 2022， 53（01）：349-359.

[2] Qingyang Wang，Jun Yuan， Wenfu Chen et al. Responses of soil respiration and C sequestration efficiency to biochar amendment in maize field of Northeast China[J]. Soil and Tillage Research， 2022，223.

[3] 陈敬华， 王绍强， Florian KRAXNER等.基于模型模拟的中国秸秆还田固碳潜力空间格局分析（英文）[J]. Journal of Resources and Ecology， 2019，10（02）.

[4] 翟郧秋，张芊芊，刘芳，等.我国畜禽养殖业碳排放研究进展[J].华南师范大学学报（自然科学版），2022，54（3）：72-82.

[5] 郭佳俐，郑蕾，朱立新，等.畜禽粪便资源化处理的研究进展[J].中国乳业，2021（11）：47-55.

[6] Xue Niantao， Wang Qunhui， Wang Juan， et al.Odorous composting gas abatement and microbial community diversity in a biotrickling filter[J].International Biodeterioration & Biodegradation， 2013（82）：73-80.

[7] Li Han; Huang Shaobin; Wei Zhendong， et al. Performance of a new suspended filler biofilter for removal of nitrogen oxides under thermophilic conditions and microbial community analysis[J].Science of The Total Environment，2016，56（2）：533-541.

[8] S.O. Petersen， S.G. Sommer， F. Béline， et al. Recycling of livestock manure in a whole-farm perspective[J]. Livestock Science，2007，3（112）：180-191.

[9] 李飞跃，吴旋，李俊锁，等.畜禽粪便生物炭固碳量、养分量的估算及田间施用潜在风险预测[J].农业环境科学学报，2019，38（9）：2202-2209.

[10] 张乃弟，沙茜.土地消纳畜禽粪污容量的初步分析[J].环境科学与技术，2011，34（S1）：128-130.

[11] 王秀芬，尤飞，郑海霞，等.中国畜禽粪尿肥料化利用养分平衡分析[J].中国农业资源与区划，2022（2）：26-28.

[12] 董献彬.农业废弃物资源化利用现状与前景展望[J].农村.农业.农民（B版），2022（3）：209.

[13] 孫展英，陈宝江，程书梅，等.微生物固态发酵马铃薯渣生产蛋白饲料的研究进展[J].饲料与畜牧，2012（10）：37-39.

[14] 全国人大常委会法工委经济法室，国务院法制局农林城建司.中华人民共和国固体废物污染环境防治法释义[M].中国环境科学出版社，1997.

[15] 蒋建国，耿树标，罗维，等.2020年中国垃圾分类背景下厨余垃圾处理热点回眸[J].科技导报，2021，39（1）：261-276.

[16] 龙吉生，杜海亮，邹昕，等.关于城市生活垃圾处理碳减排的系统研究[J].中国科学院院刊，2022，37（8）：1143-1153.

[17] 王伟文， 冯小芹， 段继海等. 秸秆生物质热裂解技术的研究进展[J]. 中国农学通报， 2011，27（06）

[18] 李明章， 李彦明， 王珏等. 好氧堆肥去除畜禽粪便病原体的研究进展[J]. 农业资源与环境学报， 2022.

[19] 刘晨阳，马广旭，刘春，等.畜禽粪便资源化利用研究综述与对策建议——基于供给与需求二维度视角[J].黑龙江畜牧兽医，2022（2）：13-25.

[20] 梁运祥，胡宝娥，陈宏声，等.利用生物技术，加快秸秆“高值饲料化”转化，促进草食畜牧业发展[J].饲料工业，2022，43（12）：1-9.

[21] 刘春，刘晨阳，王济民，等.我国畜禽粪便资源化利用现状与对策建议[J].中国农业资源与区划，2021，42（2）：35-43.

[22] 马雪亭，廖结安，王得伟，等.青贮技术研究与应用现状及问题分析[J].中国饲料，2022（15）：5-12.

[23] 孙文博，李天银，等.紫花苜蓿青贮（堆贮）实践与效果[J].中国农业信息，2017（11）：53-57.

[24] 霍丽丽， 赵立欣， 魏欣宇等. 农业生物质能温室气体减排潜力[J]. 农业工程学报， 2021，37（22）