秸秆资源综合利用现状及展望

宋志伟 王晶 朱旭丽 钟子楠 潘宇 乔艳云

摘要 为促进秸秆资源最大化利用，总结了国内外秸秆资源综合利用情况，从燃料化利用、肥料化利用、饲料化利用、工业原料化利用和基料化利用几方面，探讨了我国秸秆综合利用技术，并对我国未来秸秆资源综合利用的发展方向进行了展望。

关键词 秸秆；资源；综合利用

中图分类号 S216.2 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）07-0064-03

Present Research Status and Prospects of the Comprehensive Utilization of Straw Resources

SONG Zhi-wei， WANG Jing， ZHU Xu-li et al

（School of Environmental and Chemical Engineering， Heilongjiang University of Science and Technology， Harbin， Heilongjiang 150022）

Abstract In order to promote the maximum utilization of straw resources， the comprehensive utilization of straw resources at home and abroad was summarized， the technology of comprehensive utilization in China was discussed from the aspects of fuel utilization， fertilizer utilization， feed utilization， industrial raw materials utilization and material utilization， and the future development direction of comprehensive utilization of straw resources in China was prospected

Key words Straw；Resource；Comprehensive utilization

我國农作物种类繁多，以水稻、小麦、玉米为主；秸秆作为农作物的主要副产物数量庞大。据统计，2015年全国主要农作物秸秆可收集资源量为9.000亿t，利用量为7.209亿t，秸秆综合利用率为80.1%[1]。秸秆中粗纤维含量为31%～41%，粗蛋白含量3%～6%，无氮浸出物含量42%，消化能为7.79～10.46 MJ/kg，是一种重要的可利用生物资源[2]。

近年来，随着我国农业的快速发展，粮食产量不断提高的同时秸秆产量也不断增加，农作物秸秆存在大量剩余现象，且秸秆焚烧、乱堆乱放等现象屡见不鲜，已产生了严重的环境污染问题。近年来，虽然已在秸秆饲料化、肥料化和燃料化等资源化利用方面取得显著成效，但仍存在利用率较低的问题。如秸秆的饲料化处理，由于其粗纤维含量高，饲喂过程中的消化、转化率低，使秸秆饲料难以实现商品化、产业化；秸秆的肥料化利用中因原料来源分散，造成收集、运输、储存、发酵等成本偏高，往往需要政府补贴；秸秆燃料化利用技术虽是一种资源化利用效果较好的处理方式，但是仍存在着二次污染、设备投资大及原料利用效率低等问题；将秸秆作为食用菌基料和工业原料，消耗的秸秆数量十分有限。因此，进一步加大秸秆的利用，既能缓解燃料、饲料、肥料和工业原料日益紧张的现状，又符合国家政策，还能减少资源浪费及保护农村生态环境。笔者综述了国内外秸秆资源综合利用现状，旨在为提高秸秆的利用效率及减轻环境污染提供科学依据。

1 国内外秸秆资源综合利用现状

1.1 国外秸秆资源综合利用现状

国外比我国更早注意到秸秆的利用价值，特别是在发达国家，农作物秸秆资源综合利用主要是将农作物秸秆用于能源和还田处理，如图1所示，直接用于生活能源焚烧或者还田的秸秆占66%，是最主要的利用方式，加工成为建筑材料、蔬菜生产覆盖等材料占19%，加工为饲料喂养家畜占12%，制作成手工艺品占3%[3]。此外，在秸秆发电、秸秆汽化、秸秆乙醇、秸秆建材等综合利用方面也有很大进展和突破。

美国、西欧、加拿大、阿根廷等国家和地区，大部分麦秸和生产籽实的玉米秸秆都用于还田；在澳大利亚秸秆还田覆盖已成为发展可持续农业的重要措施之一[4]。日本、韩国等国家以水稻为主要作物，日本的水稻秸秆大多翻入土层还田，约占68%；日本微生物学家正在研究一种秸秆分解菌技术，可以用于制作农作物秸秆肥，进一步发挥良好的经济、生态和社会效益[5]。英国的洛桑试验站进行连续试验发现，7～8 t/（hm2·a）玉米秸秆翻压还田，土壤有机质含量可提高2.2%～2.4%，而且通过对比试验，秸秆直接还田对增加土壤有机质的效果明显高于农作物秸秆堆腐后再还田[6]。

秸稈发电技术在欧洲一些国家已得到广泛应用。英国、荷兰、丹麦等国家已采用大型秸秆锅炉用于供暖、发电或热电联产，以减少秸秆露天直接燃烧所带来的能量损失。欧美国家生物质气化发电技术处于领先水平，德国环境部于2001 年制定了《生物质能条例》和《生物质发电条例》，并于 2005 年对2条例进行了修改[7-8]，对秸秆沼气、秸秆发电等秸秆新型能源化利用方式做了明确的规定。丹麦是世界上首先用秸秆发电的国家，可满足上万户居民的用电和供热需求，而秸秆燃烧后的草木灰又无偿地还给农民用作肥料，从而形成了一个工业与农业相衔接的循环经济圈[9]；瑞典能源中心采用生物质气化和联合循环发电等先进技术在巴西建成一座装机容量为20～30 MW的蔗渣发电系统。同时，近年来欧洲等国在生物质液化技术方面开展了大量研究。德国Choren工业公司于2002年在Freigerg建立了大型的生物质液化示范工厂，以木屑和秸秆为原料。该工厂已生产出高品质的生物燃油，达到车用燃油要求。瑞典、德国、法国、意大利、丹麦、瑞士、芬兰、日本等发达国家也十分重视固体成型燃料技术的研发。欧美各国所生产的生物质固体颗粒成型燃料，除了根据订单供给生物质发电厂和供热企业外，还以袋装的方式在市场上销售，为城乡居民家庭提供生活燃料。近年来，利用秸秆等纤维物质制取燃料乙醇的方法引起人们的浓厚兴趣，被认为具有良好的发展前景。以美国、加拿大、瑞典等为代表的发达国家特别重视秸秆燃料乙醇的研发，技术实用水平已接近产业化要求[10]；不仅如此，美国还颁布实施了《资源保护和回收法》[11]，把秸秆作为新兴的生物替代燃料，从而转化得到乙醇。

20世纪20年代初，人们就开始了秸秆板的研究。1921年美国建成了首家蔗渣纤维板厂。20世纪30、40年代，美国对麦秸生产绝缘板进行了研究。20世纪40年代以后，以蔗渣、麻秆、棉秆、稻壳等农作物秸秆为原料的人造板厂曾先后在许多国家有过不同程度的发展。1948年比利时建立了一条以亚麻秆为原料的刨花板生产线，其产量1973年达93万m2；1963年美国建成一家日产100 m3的蔗渣碎料板生产线；20世纪80年代初期，菲律宾采用加拿大技术建成世界上第一座稻壳板厂[12]。

1.2 国内秸秆资源综合利用现状

我国秸秆资源丰富，产量大、分布广、种类多，较为主要的秸秆就有近20种。近期国家发改委、农业部共同组织各省有关部门和专家，对全国“十二五”秸秆综合利用情况进行了终期评估，结果见图2。2015年全国主要农作物秸秆理论资源量为10.400亿t，可收集资源量为9.000亿t，利用量为7.209亿t，秸秆综合利用率为80.1%。

从“五料化”利用途径来看，秸秆肥料化利用量为3.888亿t，占可收集资源量的43.2%；秸秆饲料化利用量1.692亿t，占可收集资源量的18.8%；秸秆基料化利用量0.360亿t，占可收集资源量的4.0%；秸秆燃料化利用量1.026亿t，占可收集资源量的11.4%；秸秆工业原料化利用量0.243亿t，占可收集资源量的2.7%[1]；秸秆废弃焚烧1.791亿t，占可收集资源量的19.9%（图2）。许多地区都剩余有大量秸秆，特别是山东、福建、四川、河南、河北等省，秸秆资源浪费现象严重，这些地区对秸秆的利用仍停留在以饲料、传统生活燃料、还田肥料为主，其利用方式简单粗放、效率低下、资源浪费严重。因此，如何将秸秆变废为宝、提高秸秆综合利用率、缓解资源约束、减轻环境压力，是农业可持续发展和生态环境持续改善的重大课题。

2 我国秸秆资源综合利用技术

2.1 燃料化利用

我国秸秆资源燃料化利用主要包括秸秆发电、秸秆液化、秸秆气化和秸秆固化几种方式。目前发展迅速且已规模化生产的生物能源产业有生物质发电、纤维素乙醇、沼气和秸秆颗粒燃料。

我国于20世纪90年代末从丹麦引进生物质直燃发电技术，经过10余年的消化吸收，关键设备基本实现国产化。2014年底全国（不含港澳台地区）已经有29个省（区、市）建设了生物质能发电项目，2015年我国生物质发电并网装机总容量为1 031万kW；其中，农林生物质直燃发电并网装机容量约530万kW，占总量的50%以上，我国的生物发电总装机容量已居世界第2位，仅次于美国。“十三五”期间，我国生物质发电的相关政策将进一步明晰，预计到2020年底，生物质发电装机将超过1 500万kW。

2014年我国燃料乙醇产量达233.2万t，混配E10乙醇汽油约2 140.0万t，占当年汽油总消费量的近25.0%。目前已在黑龙江、吉林、辽宁、河南、安徽、广西6省区及湖北、山东、河北、江苏、内蒙古5省区的30个市试点车用乙醇汽油，实现了乙醇汽油的封闭运行。纤维素乙醇原料丰富，但生产技术难度大，我国目前仍处于产业化验证阶段；纤维素乙醇酶制剂成本高，总糖利用率低，规模化生产中酶制剂成本占总成本的20%～30%。酶制剂的精制、运输等过程的成本占总成本的33.3%以上。如何降低酶制剂成本仍是目前纤维素乙醇示范装置经济性考核面临的重大问题。

秸秆生物气化是秸秆在厌氧条件下经微生物发酵而产生沼气和有机肥料的技术工程[13]；经过近年来的不断发展，目前我国沼气用户已达4 300萬户，受益人口超過1.5亿人，规模化沼气工程已发展到10余万处；2015年国家支持建设了日产沼气500 m3以上的大型农村沼气工程386个，并支持建设了25个日产生物天然气1万m3以上的大型生物天然气工程开展建设试点。随着能源问题的日渐突出，沼气提纯制取生物天然气受到了广泛关注，目前我国在广西南宁、山东博兴、内蒙古通辽等地已建成沼气净化提纯制取生物天然气示范项目。但我国沼气净化提纯制取生物天然气正处于起步阶段，部分净化提纯关键技术仍需从国外引进[14]。

我国自20世纪90年代中后期开始研究农作物秸秆固化成型技术，借鉴欧美发达国家先进的农作物秸秆及生物质固化成型加工技术和设备，研制适合我国国情的加工装备[15]。2002年中南林学院在国产饲料制粒机的基础上结合瑞典生物质颗粒燃料成型机技术开发了生物质颗粒成型机及其环保节能灶和取暖炉[16]。2008年农业部规划设计研究院成功研发出具有我国自主知识产权的生物质环模颗粒成型机，同时在北京大兴区建成了年产1万t的生物质固体成型燃料生产线[17]。2012年淮安市新建110条秸秆固化生产线，年消耗秸秆近30万t，生产的秸秆固化燃料“秸秆煤”远销广东、福建、浙江、苏南等地，出现了一批如盱眙国绿、洪泽连弛等为代表的大型和特大型秸秆固化企业，单体年消耗秸秆在3万t以上。目前，淮安市农作物秸秆正在逐步成为稀缺的生物质资源[18]。

2.2 肥料化利用

秸秆还田就是把玉米、水稻等作物的秸秆直接或堆积腐熟后施入土壤中的一种方法，是综合消化利用秸秆的主要途径[2]。目前，秸秆还田的方式主要有直接还田、间接还田和利用生化快速腐熟技术制造优质有机肥3种方式[19]。

直接还田是秸秆资源利用中最原始的技术，是将作物秸秆和粪便等直接施入土壤或覆盖于农田表面，主要包括覆盖还田、翻压还田和留高茬还田3种方式。

该传统技术操作简单，易掌握[19]，但增肥效果缓慢，有效利用率低；实际操作过程中还存在着诸多问题，如秸秆直接还田对农田机械要求高，而我国先进的机械设备在农村大量生产秸秆的地方尚未普及；农田秸秆直接还田会吸收土壤中大量水分，在我国一些灌溉条件差的地块会直接影响作物产量[20-21]。秸秆本身附着的病虫害菌未经杀灭直接还田，增加了次年农田病虫害的发生概率，给农作物生长带来了安全隐患，增大了防治难度。总体来看，虽然秸秆直接还田易实施、成本低，但缺乏创新性，利用率低，推广价值不高。

农作物秸秆间接还田主要包括堆沤还田、烧灰还田、过腹还田、菇渣还田以及沼渣还田等[22]。其中，秸秆堆沤还田也称高温堆肥，是解决我国当前有机肥源短缺的主要途径。它是利用夏季高温季节把秸秆堆积，采用厌氧发酵沤制，其特点是时间长、受环境影响大，劳动强度高，但成本低廉。现已发展到推广应用催腐剂、酵素剂等堆沤秸秆，缩短了沤制时间。烧灰还田是将秸秆焚烧成灰而还田，操作简单方便，碳酸钾含量丰富，但易污染空气，损失大量能源和碳、氮、磷，故一般很少采用。过腹还田是一种效益很高的秸秆利用方式。秸秆经过青贮、氨化、微贮处理，饲喂畜禽，过腹排粪还田，提高秸秆的经济价值。菇渣还田是指秸秆可作为菇类的培养基料，故将秸秆生产菇类后剩下的菇渣还田，其营养丰富，可减少化肥用量，但菇渣产量少，所消耗的秸秆量有限。沼渣是优质的有机肥，但因其产量少，生产周期长，劳动强度大，也不常用[23]。

间接还田可在一定程度上杀死秸秆中的病虫害，避免秸秆中的病虫感染农作物[24]；与直接还田相比，可减少有机质的损失，显著增强肥力，但劳动力成本较高，堆腐过程中会散发出恶臭物质，成为农业环境重要的污染源。此外，由于有机肥含氮量低，增产效果不及化肥明显，影响了农民使用有机肥的积极性[25]。

生化腐熟还田是用微生物技术对复合菌种（由能够强烈分解纤维素、半纤维素、木质素的耐热细菌、真菌、酵母菌和生物酶组成）进行扩大培养，用现代化设备调控温度、湿度和时间，经机械翻抛、高温堆腐、生物发酵等过程，将秸秆转化成优质的有机肥，其代替化肥使用能有效改良土质、防治病虫害[2]。但这种高效清洁的现代还田技术不够成熟，有待进一步研究。杨振兴等[26]采用粉碎还田配施秸秆腐熟剂对玉米增产效果显著，腐熟剂不仅可提高土壤中微生物数量，促进秸秆较快腐解，减轻和防止多量秸秆还田给作物生长带来的不利影响，还可稳定提高土壤养分含量。

2.3 饲料化利用

秸秆直接作为饲料是目前大多数农村所采用的方式，这种方式方便、省时、易操作，但该方式营养利用率较低；在目前畜牧产业中，利用农作物秸秆加工生产禽畜饲料的方法很多，主要有秸秆黄贮、青贮、微贮、氨化和压块等方式；秸秆菌糠饲料加工和秸秆颗粒饲料加工使用和推广最为广泛[3]。

农作物秸秆饲料化解决了冬季牲畜饲料缺乏问题，节省了饲料粮，在秸秆饲料化前景广阔的同时也相应出现了一些亟待解决的问题，但是农作物秸秆的饲用价值很低，适口性差，钙、磷的含量极少，几乎不含维生素，胡萝卜素含量仅为2～5 mg/kg。同时，秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素紧密结合，形成了独特的木质化纤维结构，限制了消化酶对细胞壁及细胞内容物的消化利用。畜禽对秸秆的采食量很小，消化率也很低。此外，在秸秆氨化过程中氨的利用率很低，资源浪费严重；氨化的原料液氨对环境的污染风险较大；青贮技术也仅仅用在玉米秸秆上，在稻草秸秆上的应用尚不成熟。上述问题都限制了秸秆饲料化的发展。

2.4 工业原料化利用

秸秆是重要的工业加工原料，主要应用于板材加工、造纸、建材、编织、化工及包装材料等领域。我国秸秆资源在工业造纸方面应用已久，全国每年约有2 000万t秸秆作为纸浆原料被利用。造纸制浆原料中有30%左右来源于秸秆，用秸秆制浆具有成本低廉、成纸平滑度好、容易施胶等优点。秸秆替代木材制成建筑、装修用的结构板、纤维板、复合板等材料，是近几年来国内新兴的建筑材料，具有阻燃、防潮、隔音、不开裂、强度高等优点，且无毒、無味、無辐射，无“三废”污染。用秸秆和煤灰加工的秸秆板，保温性、装饰性和耐用性良好[27]。还可提取秸秆中的淀粉用于加工饴糖，用秸秆编织工艺品等。将秸秆用作工业原料，不仅可减少资源浪费，还能增加农民收入[28]，是实现秸秆再利用的有效途径。

2.5 基料化利用

基料化是指秸秆经过一定的加工处理后用作栽培花卉和食用菌、养殖蚯蚓和高蛋白蝇蛆的基质原料[8]。目前，我国主要以食用菌基料为主，秸秆当中富含食用菌所必需的碳源[29]，许多农作物秸秆都适宜，用作栽培食

用菌的原材料。秸秆用作栽培食用菌，可以使秸秆资源的经济价值翻倍，具有投资少、回报高的特点，且生产食用菌后的基料富含营养，既能加工成饲料实现过腹还田，又可作为优质有机肥直接还田。但目前我国的食用菌生产普遍处于分散、人工操作的状况，生产效率低下，培养料发酵效果极不均衡[30]。

3 展望

发展和扩大秸秆资源综合利用技术不仅能减少秸秆焚烧对大气造成的污染，又可作为一种新型资源应用于各行各业。未来秸秆综合利用的方向主要集中在以下几个方面：

（1）由于不可再生能源的日渐枯竭和秸秆本身的可再生性，秸秆生产纤维素乙醇、秸秆生物质发电、秸秆沼气和秸秆颗粒燃料具有广阔的发展前景。

（2）利用微生物技术扩大培养复合菌种，现代化技术控制反应过程及条件，将秸秆转化成优质高效清洁的有机肥，既能改良土质，又可防治病虫害，是未来秸秆肥料化的主要发展方向。

（3）如何破坏秸秆木质化纤维结构，补充秸秆饲料中的营养元素，提高畜禽对秸秆的采食量和消化率，是未来秸秆在饲料化过程中的主要研究内容。

（4）提高秸秆材料产品的防腐、防霉、阻燃等性能，并降低胶黏剂成本，为秸秆人造板整个产业链制订统一的流程和标准是今后秸秆板材的研究重点。

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