农作物秸秆“五化”综合利用现状与前景展望

刘银秀，聂新军，叶波，邵建均，金娟，董越勇*，叶静

(1.浙江省农业农村生态与能源总站，浙江 杭州 324100； 2.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

我国是农业大国，同样也是农业生物质特别是农作物秸秆生产大国，其产量均居世界首位。据统计，2017年全国农作物秸秆产量为8.05亿t，秸秆可收集资源量6.74亿t[1]。但长期以来，受农业生产方式、秸秆综合利用科技水平、农民消费观念和生活方式等因素的综合影响，农作物秸秆利用方式、渠道比较单一，资源禀赋得不到体现，综合利用进步缓慢，每年有数亿吨秸秆随意弃置腐烂或在露天直接焚烧，不仅造成了极大的资源浪费，还产生了严重的环境问题，使本来丰富的“再生资源”变成了“烫手山芋”、面广量大的“污染源”。因此，关于农作物秸秆有效利用的研究已成为当前农业资源循环利用、农业农村生态体系建设的热点和难点问题。

1 农作物秸秆概述

1.1 农作物秸秆的营养组成

农作物秸秆作为农业生产的副产品，具有产量高、分布广、种类丰富，且蕴含大量的氮、磷、钾、中微量元素和有机质等，是一种多用途可再生生物资源。其中，由碳、氢和氧等元素组成的有机物质，如纤维素、半纤维素和木质素等，占到秸秆成分的大部分[2]。不同农作物秸秆的主要组分和养分含量详见表1和表2。

表1 不同农作物秸秆的主要组分含量

由表1可知，水稻、土豆和红薯的组分中超过60%是纤维素、半纤维素和木质素等有机物质，可用于造纸、燃料、还田等；而粗脂肪、粗蛋白等含量高的秸秆(如土豆、花生等)则可用于饲料，但其木质素和盐分等含量高，作为饲料适口性差，需借助发酵、氨化等技术对秸秆进行改性；另外，灰分含量高的秸秆可制作成肥料；而诸如红薯秸秆(茎叶)富含蛋白质、维生素、矿物质等，可开发成食品、药品和化妆品等高值产品[6]。

表2 不同农作物秸秆的氮磷钾养分含量

由于受农作物类型、区域生态特点和施肥习惯等因素的影响，不同农作物秸秆的氮磷钾养分含量存在较大的差异(表2)。根据不同农作物秸秆的养分含量，选择合适的利用方式。氮磷钾养分含量高的，如水稻、花生、豌豆、土豆等秸秆，可肥料化利用(如还田等)，且秸秆肥料化利用简单有效，是我国秸秆利用传统的技术，约占秸秆利用的一半[8]。

1.2 我国农作物秸秆资源量

根据每年农作物产量(源于国家统计局数据)，结合最新的草谷比系数和现有文献等[9]，估算出我国秸秆资源量，详见图1。随着我国农业生产水平的持续提高，2010—2017年农作物秸秆产量总体呈现逐步增长趋势。农作物秸秆的产量与我国粮油作物产量的变化密切相关，粮油作物产量增加、秸秆量增加，粮油作物产量减少、秸秆产量也随之减少。2016年作物秸秆产量较2015年有所减少，主要是受到我国粮食种植结构调整、“粮改饲”试点和休耕轮作试点工作同步推广等因素的影响。根据估算结果推测，随着农业种植技术的提高、农作物新品种研究应用以及轮作休耕制度的不断推广，未来我国农作物秸秆年产生量基本可以保持在8～9亿t。

图1 我国农作物秸秆年产量和增速趋势

1.3 农作物秸秆的利用现状

农作物秸秆资源丰富、可再生，“用则利，弃则害”，是一种重要的生物质资源。近年来，国家有关部门综合施策，不断推进农作物秸秆的综合利用。2011年，国家发改委、农业部、财政部联合印发了《“十二五”农作物秸秆综合利用实施方案》，明确提出开展农作物秸秆“五化”综合利用模式[9-10]，即肥料化、饲料化、基料化、原料化、燃料化。进入“十三五”以来，国家又相继颁布了多项政策，对秸秆综合利用进行规划和支持，目前已基本形成了肥料化利用为主，饲料化、燃料化稳步推进，基料化、原料化为辅的综合利用格局[8]，全国农作物秸秆综合利用率已连续多年超过80%(图2)。

图2 农作物秸秆综合利用率和“五化”利用变化趋势

2 农作物秸秆“五化”利用

随着秸秆综合利用工作的不断推进，我国农作物秸秆综合利用取得了良好的经济效益、社会效益和环境效益。目前，经过多年努力和多方配合，在秸秆还田、饲料化利用、秸秆发酵、能源燃料、基质化利用和复合功能材料等方面取得了较大突破和进步，已初步形成成熟的“五化”实用技术，以及一些高值化利用的新兴技术[10-11]。

2.1 秸秆肥料化利用

农作物秸秆肥料化利用的主要形式是秸秆还田，该技术是我国秸秆资源化利用方式中较传统的模式，因其具有方法简单、成本低等优势，目前被广泛应用。秸秆还田不仅在国内是主导的利用方式，在国外也是主要的利用方式，如欧美等国家超三分之二的秸秆被用于还田[12]。秸秆还田不仅可以提高土壤有机质和氮、磷、钾、微量元素等养分，改善土壤物理性质，还可以保持土壤水分和土温平衡，在提高农作物产量的同时，还可减少化肥的使用和减轻病虫害等[13]，可解决秸秆闲置和焚烧等环境问题，是发展可持续农业的理想途径之一。

根据还田方式不同，秸秆还田主要分为直接还田和间接还田两大类。直接还田，是利用机械设备将秸秆粉碎并抛回田间翻耕覆盖，或留茬或整株还田等，让秸秆与土壤混合腐烂，如此减少将秸秆从田间收集、运输等投入，具有简单快捷、高效低耗的特点，同时可增强土壤肥力，改良土壤和调节生态环境。在一项8年(2010—2018年)的试验中，崔思远等[14]发现，水稻秸秆连续还田对土壤有机碳和全氮有良好的固存作用，可显著提高稻麦产量。间接还田，对于我国北方等冬季气候干燥、温度较低的地区，农作物秸秆降解速度慢，未分解的秸秆影响到次年的耕作，和农作物争夺养分，同时还可能诱发病虫害[15]。因此，针对上述问题，常将秸秆通过牲畜喂养过腹或生化腐熟等方式，以粪便、沼渣或有机肥等形式间接还田，能够加快秸秆腐熟速度，同时可规模化生产。童文彬等[16]用猪粪和稻草发酵，发现秸秆有机肥可提高土壤有机质含量和土壤pH，增加土壤养分，促进水稻生长，水稻增产幅度在33.5%以上。

2.2 秸秆饲料化利用

农作物秸秆含有丰富的有机质等养分，是草食牲畜重要的粗饲料来源，我国80%以上的农作物秸秆可用作饲料[17]。据测算，1 t普通秸秆的饲用营养价值与0.25 t的粮食相当[18]。由于未经处理的秸秆，粗蛋白等含量低，适口性差，难以消化，需经过青储、氨化、碱化、发酵等工序，将纤维素、半纤维素和木质素等转化为牲畜容易吸收的营养物质[19]。

目前，秸秆饲料化的利用途径主要有3种。物理法，通过切碎、浸泡、压块等，以及蒸煮膨化、热处理喷涂等，改变秸秆的物理性质以提高其适口性和采食量，但无法显著提升秸秆饲料的营养价值，不易大面积推广，一般作为秸秆利用的预处理步骤。化学法，主要包括碱化、氨化和氧化处理[20]，通过破坏秸秆的细胞壁结构，产生诸如乳酸等营养物质，从而改善秸秆的适口性和营养价值。碱化和氧化虽然可提高秸秆营养价值，但生产成本高，且易造成“二次污染”，而氨化处理操作简单安全，可很好改善饲料品质(粗蛋白含量可提高40%以上，牲畜消化率大幅提升[21])，是理想的秸秆饲料处理方式之一。微生物法，物理和化学法处理的秸秆饲料一般只适用于反刍动物，应用有一定的局限性，而微生物法通过加入发酵菌将玉米、高粱等秸秆厌氧发酵，将秸秆中高度聚合的多糖降解为低分子的多糖或单糖等，养分丰富，有酸甜味，适口性好，一定程度上拓展了饲料饲喂的范围。目前，通常将2种或2种以上秸秆组合混贮[22]，或者添加一些助剂等[23]，提高饲料中可溶性糖、粗蛋白和乳酸等营养成分含量，进一步改善秸秆饲料的品质。

2.3 秸秆燃料化利用

农作物通过光合作用将一半左右的产物贮存在秸秆中，而秸秆富含纤维素、半纤维素和木质素等成分，主要为碳、氢、氧等元素，且氮、硫含量低，具有很高的能量(热能约为标煤的一半)，因此，农作物秸秆是一种良好的燃料化原料资源[24]。秸秆燃料化利用技术多种多样，根据转化方式不同，主要分为直燃供热、秸秆气化和秸秆液化3种(表3)。

2.4 秸秆原料化利用

农作物秸秆作为原材料的用途非常广泛，国家发改委和农业部联合发文《关于编制“十三五”秸秆综合利用实施方案的指导意见》明确提出，鼓励以秸秆为原料生产纸浆造纸、建筑材料、轻质板材、包装材料、编织材料、餐具、降解膜等产品，大力发展秸秆原料产业，提高秸秆高值和产业化水平[27]。

目前，秸秆原料化的利用途径主要有3种。秸秆造纸，农作物秸秆富含天然纤维素纤维，是很好的造纸材料。根据国家“十三五”规划预测，到2020年，秸秆浆的消耗量将达到3 600万t，占到纸浆消耗量的3成[28]，一定程度上缓解了我国造纸原料不足的问题。近年来，秸秆造纸趋于可持续发展，将秸秆清洁制浆与废液资源化利用结合起来，除了制浆造纸外，还得到乙醇、有机肥等副产品，实现“秸秆-造纸-再生资源”良性循环。秸秆建材，农作物秸秆与黏结剂、强化材料等混合可制成具有阻燃、防腐等特殊功能和结构的建筑材料，具有成本低、绿色环保等优点。目前，秸秆建材在美国、加拿大、澳大利亚、英国等蓬勃发展。美国早在19世纪就出现了秸秆墙体材料，如今美国的麦秸板材年产量高达1 600万m3[29]。我国秸秆建材起步较晚，始于20世纪80年代。近年来，国家出台政策鼓励推广应用秸秆建材，如秸秆砖、秸秆人造板、秸秆加筋土等。秸秆材质餐具、包装等材料，农作物秸秆(植物纤维)与聚丙烯混炼可生产出快餐盒、鸡蛋托、果蔬包装盒、冰淇淋杯和育秧盘等产品[28]，进一步丰富了秸秆的利用空间。然而，相对于传统发泡塑料而言，秸秆植物纤维的餐具及包装材料成本较高，如何开发成本低、性能好和绿色环保的秸秆材料是未来的发展方向。

2.5 秸秆基料化利用

农作物秸秆含有大量的纤维素、半纤维素、木质素和氮磷钾等养分，是生产栽培基质的良好原料。在国外，利用秸秆作为基料种植蔬菜等已有50多年的历史，尤其在欧洲和加拿大等地秸秆基料使用非常普遍[30]。由于我国在秸秆栽培基料领域起步较晚，相关技术尚不成熟，生产工艺和产品性能还有待进一步提高。秸秆基料往往需要混合一定比例的猪粪、牛粪等畜禽粪便和过磷酸钙、尿素、石灰等辅料，提供必要的养分和调控基料性能。另外，秸秆混合发酵过程中，会产生50～70 ℃的高温，不仅可以干燥物料，还可以杀灭病虫害，具有安全、低成本、环保的特点，有着广阔的应用和发展前景[31]。

目前，秸秆基料主要用于食用菌、蔬菜、花卉等栽培[32]。其中，秸秆基料栽培食用菌应用最为广泛[33]。食用菌收获后，菌糠经堆肥后还田，建立一条“秸秆从田里来到田里去”的循环链条，增加了经济效益，减少了秸秆对环境的污染(图3)。秸秆基料一般农户即可生产，亦可规模化生产，操作方便。

图3 农作物秸秆基料栽培食用菌循环流程

3 小结与讨论

我国农作物秸秆年产量有8～9亿t，其中，玉米秆、稻草和麦秸是秸秆的主要来源，占到总量的75%以上，是一种“用则利，弃则害”的可再生资源，具有广阔的应用范围和巨大的发展潜力。自“十二五”推行秸秆“五化”综合利用以来，我国秸秆综合利用率达到80%以上，基本形成以肥料化利用为主，饲料化、燃料化稳步推进，基料化、原料化为辅的格局。

然而，农作物秸秆资源化利用上也存在诸多问题和困境。由于技术和成本等问题的限制，各个领域发展并不均衡，肥料化和饲料化发展过快，产品质量不过关，而燃料化踌躇不前，原料化和基料化应用也十分有限。另外，国家层面力推秸秆综合利用，“热情”高涨，而企业和农民等实施主体参与“冷淡”，面临着在政策、经济、技术和认知等层面的“不畅”。

基于节能减排和可持续发展的环境背景，农作物秸秆综合利用已为大势所趋。因此，针对当前秸秆综合利用存在的问题，应当逐步完善促进秸秆综合利用的政策措施，根据不同区域和秸秆特点因地制宜地开展综合利用工作，开发针对性的秸秆利用技术和产品，提高实施主体的参与度。另外，在现有成熟技术和产品的基础上，由秸秆“资源化”向“高值化”发展，向功能性材料(生物塑料、纳米纤维素、发泡缓冲材料和3D打印材料等)、高值化学品(木糖醇、生物丁醇等)和高效肥料(缓释肥料等)等经济价值高、市场潜力大的利用方向转变，势必可以有效推动农作物秸秆综合利用进程，提高秸秆综合利用能力和水平。