“双碳”背景下农业废弃物基料化利用可行性分析*

2024-05-03崔文仲周晚来

南方农机 2024年6期

崔文仲，周晚来

（1.成都大学机械工程学院，四川成都 610100；2.中国农业科学院都市农业研究所，四川成都 610213）

气候的恶化，尤其是温室效应的加剧使全球平均气温升高，引发冰川融化、极端天气、海平面上升等一系列的环境问题[1]，防止全球变暖已经成为全球可持续发展的重要命题和挑战[2]。为应对气候变化，我国提出“碳达峰、碳中和”的“双碳”目标，希望能尽早进入“绝对减排”时代[3]。一方面，植株是最好的碳捕获和固碳载体[4]，因此最好的固碳减排方式便是增加绿色植株种植体量，基质种植能够很好地达到这个目的。另一方面，我国是农业大国，随着农业现代化的建设，农业作业效率较以往快速提高，产出量也随之快速增加，直接导致农业生产过程产生大量废弃物。据统计，我国每年产生的畜禽粪污、农作物秸秆和农产品加工废弃物分别为38 亿t、9 亿t 和2 亿t，种类繁多，数量巨大，却只有极少数得到了充分利用，更多的废弃物则是通过填埋、焚烧等方式进行处理。低效的利用与不适宜的处理方式不仅浪费了资源，更加重了温室气体的排放，如何合理利用如此大量的废弃物是迫切需要解决的问题。因此，应基于基质种植的优势及处理农业废弃物的需求，以实现“双碳”为最终目标，多渠道减少碳排放、增加碳吸收。以能源优化、废弃资源再利用为突破口的农业废弃物基料化利用技术，有着广阔的应用前景及重大的环保意义[5-6]。

1 农业废弃物基料化利用及新型基质种植的发展和应用现状

基质指的是能生长植物的非原位土壤，是人工配置的能够为种子萌发和植物生长提供根系环境的多元混合物，基质材料通常应当具备支持固定、提供水分通气条件、提供营养、结构稳定这四个基本功能。

基质种植技术则是一种利用基质进行无土栽培的技术。相较于水培和雾培，基质栽培的投入成本更低，技术要求也更低，整体培养过程和传统土壤培养更相似[7]。基质种植技术的研究和应用始于20 世纪80 年代，随着科技的不断进步和环境问题的日益严峻，基质种植技术得到了广泛的关注和研究，现今的基质栽培在省水省肥的情况下，已经能够做到比常规土壤栽培产量更高、质量更好[6]。目前，基质种植技术已经在城市绿化、农业生产、土壤修复、生态环境保护等领域得到了广泛应用，成为我国无土种植栽培最重要的方式。

因为泥炭廉价且具备适宜植株生长的理化特性[5]，一直是世界上使用最广泛的基质种植材料[7]，然而，泥炭是一种需求量巨大的有限资源，泥炭沼泽的开采会对环境造成负面影响，减少泥炭沼泽中的碳汇，并通过不饱和泥炭层的降解和氧化向大气中释放温室气体，每年产生约1 500 万t 的碳排放当量，不利于“双碳”目标的达成[8]。因此，近年来世界各地广泛研究各种废料作为泥炭替代物，其中，农业废弃物基料化利用有着广阔前景[9]。

农业废弃物基料化利用是指通过无害化和稳定化处理后将农业废弃物用作基质种植材料的过程。农业废弃物中包含了大量的作物秸秆，截至2016 年，我国农作物秸秆理论资源量达到9.53×108t[6]。作物秸秆主要由纤维素、半纤维素及木质素组成，易于保持良好的持水透气性，此外，因为本身是植物源废弃物，作物秸秆富含植物所需养分，有着很大的基料化利用潜力[5]。

农业废弃物经基料化利用后成为种植基质，而后基质材料又可以用于植株的种植，减少土壤及泥炭需求，不仅对环境友好，响应了“双碳”政策，而且在一定程度上可以形成成体系、低投入、高回报且环境友好的“农业废弃物—基料化利用—植株种植—农业废弃物”农业生产循环体系。

2 “双碳”背景下农业废弃物基料化利用及新型基质种植的具体应用案例

2.1 农业废弃物所制备的新型基质可参与海绵城市建设

海绵城市最根本的目的是进行城市雨洪管理，让城市能够像海绵一样顺应环境变化且对雨洪带来的自然灾害具有良好弹性。但与此同时，海绵城市实际也具备缓解城市热岛效应、调节微气候及减碳的作用，因此在“双碳”目标达成的过程中有重要意义[10]。因为基质种植本身的特性，可以很好地实现立体绿化及垂直绿化，故可以通过基质种植实现在城市中利用建筑物、屋顶、墙面等空间进行种植，极大地增加了城市绿化覆盖面积，提高了城市的生态系统服务能力，助力实现海绵城市的生态目标[11]。

具体来说，基质种植在海绵城市建设中的作用主要体现在以下几个方面。

2.1.1 雨水管理

基质种植可以利用植物根系和基质材料的吸水作用，将雨水进行自然滞留和过滤，从而达到城市雨洪治理的目的。这满足海绵城市中雨水的处理方式需求，不仅让城市的蓄水能力、保水能力大大加强，同时也可以提高城市的雨水利用效率，减少城市水资源的浪费和环境污染[12]。

2.1.2 生态保育

基质化种植可以保护生态环境，为城市中的生物提供栖息和繁衍的场所，从而促进城市生态系统的平衡。保护了生物多样性和生态系统的稳定性，间接提高了城市的生态环境质量及生物丰度。

2.1.3 控温减排

基质种植可以让城市绿化体量在现今的基础上增加数倍，而大量的绿色植株可以通过光合作用和蒸腾作用释放氧气，吸收二氧化碳，净化空气，减少温室气体的排放。此外，由于温室气体排放的有效控制，城市的热岛效应也可以很好地得到解决，从而节约城市降温排气方面的能源消耗，助力实现双碳目标[2]。

因此，基质种植满足了海绵城市的建设需求，甚至可以帮助海绵城市由“低碳”向着“零碳”方向发展，助力人工碳汇[13]。而在实现“双碳”目标的过程中，荒漠化治理是无法绕过的一环，而基质种植也是荒漠化治理的重要手段之一。

2.2 农业废弃物所制备的新型基质种植可参与荒漠化治理

荒漠化是指土地上的植被逐渐消失，土壤质量下降，最终导致环境退化的过程，有气候干旱等自然因素和植被破坏等人为因素两方面原因[14]。而荒漠化治理则是通过各种手段，包括植树造林、防风固沙、种草等，来恢复和保护沙漠地区的生态环境。这些措施可以帮助增加土地的碳吸收能力，从而减少大气中的二氧化碳含量，达到“碳中和”的目的。此外，荒漠化治理还可以改善当地的生态环境，促进植被生长，提高土地的生产力，增加自然碳汇，形成良性循环。因此，荒漠化治理与“碳中和”的目标是相互关联、相互促进的[15]。

虽然基质种植多用于城市绿化，但是对于荒漠地区而言，也可以采用基质种植来改善荒漠化的问题。荒漠化的根本原因在于原生土壤及湿度温度等环境因素不再适合植株生长，而基质种植则正好具备无土种植以及需水量少的优势，因此通过基质种植可以达到荒漠绿化增加的目的，改善沙漠地区的生态环境，抑制荒漠化的过程[16]。与此同时，绿色植株的增加减少了碳排放量，达到了碳中和的目的，也促进了荒漠化地区生态系统的恢复和保护[17]。

2.3 农业废弃物基料化利用可助力农业生产“减排固碳”

据统计，包括二氧化碳和甲烷在内，我国农业生产过程中的温室气体排放占温室气体总排放量的10%左右[18]，而其中占比很大的一部分便是作物秸秆的降解。农业生产原本土壤量巨大，固碳潜力巨大，因此“双碳”背景下的农业生产重心更应放在减排上，基于这个目的，对作物秸秆及粪污的资源化利用就显得尤为重要。就“减排”这一角度，对农业废弃物最好的资源化利用方式便是基料化利用：利用堆肥、热处理及化学去毒等手段，将需要焚烧或厌氧发酵的农业废弃物转化为具备土壤种植功能的栽培基质[5]。

“双碳”背景下的农业废弃物基料化利用相较于能源化、肥料化及饲料化等传统资源化利用手段，其优势主要体现在以下两方面。

2.3.1 “减排”：温室气体排放更少

作物秸秆最常用的处理方式是填埋、堆放及焚烧，这几种处理方式都会造成温室气体如二氧化碳及甲烷等的过量排放。少量得到传统资源化利用手段处理的废弃物经处理成为肥料，经厌氧发酵生成沼气，虽然做到了废物利用，减少了资源浪费，但是本质上没有减少温室气体的排放。而基料化利用相较于其他资源化利用方式，仅有少部分废气排放。

2.3.2 “固碳”：提供更多植株种植载体

农业废弃物经过基料化利用得到的产物是种植基质，可以继续用于作物的栽培，并且和传统土壤种植比较，基质种植所需肥料更少，作物产出量更高。我国虽然是农业大国，但是我国人均耕地面积远低于世界人均耕地面积，而农业废弃物的基料化利用在一定程度上缓解了耕地资源稀缺的问题。基料化利用还能将更多有机成分如纤维素、木质素固定下来，产出的基质可以用来种植更多绿植，绿植的增多又能够吸收更多的二氧化碳，从多方面实现了“固碳”的目标。

3 农业废弃物基料化利用及基质种植在“双碳”中的应用价值

如上文所说，农业废弃物基料化利用助力“双碳”目标达成主要通过以下三个渠道实现：1）减少泥炭的开采，保证泥炭沼泽的自然碳汇，减少不饱和泥炭层的降解和氧化；2）减少农业废弃物不当处理导致的温室气体排放，达到减排的目的；3）产出种植基质，提供更多植株种植载体，绿植种植体量增加则能吸收更多温室气体，达到固碳的目的。

农业废弃物产出的新型基质应用范围非常广泛，除去上文所述，种植基质还可以用于城市农业生产、生态环境保护等领域，而通过基质种植技术，可以通过增加绿植栽种量提高生态系统的稳定性和可持续性，在保护生态环境的同时助力实现“双碳”目标。

因此，农业废弃物基料化利用对于“双碳”目标的实现有重要意义，在“固碳减排”层面，基质种植及农业废弃物基料化利用是大有可为的[19]。

4 未来展望及难点

可以肯定的是，农业废弃物基料化利用及新型基质种植技术具有广阔的应用前景且对于“双碳”目标的实现具有重要意义，但是依然存在一些根本问题。

4.1 运输成本及贮藏成本高

农业废弃物体量大、体积大，贮藏成本及运输成本远高于废弃物材料本身的成本，因此，为了降低贮藏及运输成本，最直接有效的方式便是就地取材。因原材料为农业废弃物，产出基质可以继续栽种农作物，后续作物的废弃物又可以再利用，故希望能够形成体量大且技术成熟的“农业废弃物—基料化利用—植物种植—农业废弃物”近闭环系统[6]。随着全球碳交易市场的逐步建立和发展，成体系的近闭环系统可以更好地建立人工碳汇，从而具有更大的碳减排潜力和经济利益，对实现“碳中和”和推动可持续发展具有重要意义。

4.2 缺乏碳汇计算分析标准

从理论层面可以看出，农业废弃物基料化利用及基质种植在“碳中和”实现道路上意义重大，但是尚缺乏能具体量化的指标，如碳排放量、减排量、碳汇量及碳中和量等，仅能从原理及概念上指出其未来前景是光明的，但是如何量化相关指标以得到最好的固碳效果还不明确。虽然现在基质种植体量还较小，但是就市场需求及发展趋势来看，未来基质种植体量会以较快的速度增长，因此，对于相对难以量化的基质种植达成的碳汇相关指标，也应当形成更准确且成体系的标准。

4.3 现有基料化技术不够稳定高效

农业废弃物的基料化利用和基质种植技术涉及多个学科领域的知识，包括生物、化学、物理等，技术难度较大，且现有技术或多或少都有不足之处，如堆肥处理时间长，需要投入一定的设备，存在堆肥过程中氮损失较多、堆肥结果不稳定且有渗滤液臭气排放的问题。而热处理则存在高设备投入、高能耗及尾气排放的问题。水洗时，为了能够全面去除植物毒性物质会用到大量的水，清洗剂也会导致排放大量化学废液，于环境而言并不友好。老化则需要极长的处理时间，同时也有臭气和渗滤液排放。因此，为应对快速增长的基质种植需求，开发稳定高效的基料化利用技术是当务之急。