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劉先才，平英華，韓柏和，陳明江，王振偉，楊子
（農業農村部南京農業機械化研究所，江蘇南京210014）
摘要：該文總結了國內外秸稈綜合利用的現狀，提出了秸稈的主要利用途徑。同時針對主要利用途徑分析了秸稈綜合利用裝備中存在的主要問題，并提出了保障秸稈綜合利用可持續發展的對策建議。
農作物秸稈是指在農業生產過程中，收獲了稻谷、小麥、玉米等農作物籽粒后，殘留的莖、葉等農作物副產品，不包含農作物地下部分。我國是農業生產大國，年產農作物秸稈達10億t左右。推進農作物秸稈綜合利用，事關資源節約、環境保護、農民增收和農業可持續發展，是鄉村振興的重大課題之一。近年來，在政府部門的高度重視和社會的積極參與下，全國各地積極推進秸稈綜合利用，利用途徑不斷拓寬，科技水平明顯提高，綜合效益快速提升。截至2017年底，全國秸稈綜合利用率達83.68%，以農用為主、以肥料化和飼料化為主的利用格局已經形成，其中肥料化56.53%、飼料化23.24%、燃料化15.19%、基料化2.32%、原料化2.72%[1]。同時也應看到，由于我國幅員遼闊，農作物種類繁多，農村經濟水平和農業生產水平差異較大，適應性強的秸稈處理的技術水平和裝備能力仍然十分不足。明確秸稈綜合利用的主要途徑，強化秸稈利用的技術和裝備支撐，提高秸稈利用的綜合效益，仍有許多待攻克的難題。
1當前秸稈綜合利用的主要方式
縱觀國內外，農作物秸稈綜合利用均以肥料化利用為主。目前，以歐美為代表的發達國家的秸稈利用比較充分，且實際有效利用結構較為簡單，基本的利用框架結構為“三化”利用，即秸稈還田肥料化利用、秸稈飼料化利用和秸稈能源化利用，其中秸稈直接還田約占65%、秸稈飼料化約占20%[2]、能源化等其他應用約占15%。在秸稈離田多元化利用方面，世界各國有明顯的各自特色。作為農業大國，中國自2008年國務院辦公廳印發《關于加快推進農作物秸稈綜合利用的意見》以來，事實上已形成了與發達國家基本一致的利用方式，以秸稈直接還田肥料化利用為主，秸稈還田和飼料化利用約占80%。
1.1肥料化利用 秸稈肥料化利用的途徑主要有直接還田、腐熟還田和堆漚還田、過腹還田等，其中最為主要的方式是秸稈直接還田。秸稈肥料化技術主要有秸稈粉碎耕翻還田、秸稈覆蓋還田、秸稈腐熟還田、秸稈生物反應堆還田和秸稈有機肥生產等技術[3]。國外秸稈還田一般在65%以上，如美國、加拿大、日本等國家，較高的國家是英國，其秸稈直接還田量達到73%[2]。中國的秸稈肥料化利用達到了56.53%，亦以秸稈還田為主要途徑，還田率較高的地區也達到了60%以上，其中上海秸稈直接粉碎還田高達82%，山東秸稈粉碎還田達到62.9%[3]，河南秸稈還田占秸稈總量的61.85%[4]，河北秸稈肥料化利用達到69.8%[5]。總體來說，目前我國秸稈肥料化利用量相對低于國外水平，但這也與我國種植模式與經營體制有極大關系。
1.2秸稈飼料化 通過物理、化學或生物處理方式[6]，制作反芻動物牛、羊等牲畜飼料。飼料化是秸稈較肥料化利用外的最好利用方式。秸稈飼料化技術主要有秸稈青（黃）貯、秸稈微貯、秸稈堿化/氨化、秸稈壓塊（顆粒）以及秸稈揉搓絲化等技術。歐美各國農作物秸稈總量的20%用作飼料[7]，飼料化率較高的國家是韓國，其稻麥秸稈飼料化率高達80%[2]。從《中國秸稈產業藍皮書（2017）》各省市的數據看，我國各地秸稈飼料利用率相差較大，最高的青海達到了52%，其次是重慶達到了25%，山東為19.9%、四川為16.67%，而廣西為6%、上海僅為4.6%[3]，農業大省河南的秸稈飼料化也僅為11.98%[4]。說明我國大部分省市的秸稈飼料化利用還較低，有很大的發展空間。
1.3秸稈能源化 秸稈能源化是世界各國處理秸稈的第3大主要領域，是唯一可以儲存和運輸的可再生能源，具有可再生和環境友好雙重性。秸稈能源化技術主要有固化成型、熱解氣化、干餾、沼氣、秸稈發電及液化等技術。利用形式主要有直燃、固化、氣化、液化等模式，以燃料化利用為主，途徑一是在生活領域大量使用生物質國體燃料，如歐洲各國的供熱幾乎100%采用顆粒燃料[8]；途徑二是用于生物質發電，歐盟各國的常規發電廠也開始使用生物質成型燃料，并逐步向純生物質成型燃料發電廠發展[9]。在秸稈發電方面以丹麥為代表，目前丹麥已建立了13家秸稈發電廠，以秸稈發電等可再生能源已占丹麥能源消費量的24%以上[10]。我國秸稈能源化利用方式以燃料化為主，較高的重慶達到了24%[3]、湖北達到了17.7%[11]，河南為8.92%[4]、山東為7.5%[3]。可見各地發展很不平衡，同飼料化一樣，我國的秸稈能源化利用亦有很大發展空間。但應注意秸稈能源化利用產業鏈的建立，不僅要重視秸稈燃料的生產，亦應重視秸稈能源利用裝備的市場開發。
1.4秸稈原料化 秸稈工業原料化利用模式主要有造紙、板材加工、生活用品加工、編制產品等。國外秸稈原料化利用主要有秸稈板材、秸稈建筑、秸稈乙醇等。秸稈板材制品主要有人造板、墻體板、纖維板、模壓制品、包裝材料等。國外秸稈板材利用方面以麥秸和稻秸稈生產秸稈板材為代表，其麥秸稈板材不僅在普通的建材市場銷售，也在期貨市場上掛牌交易。秸稈建筑是隨著綠色和環保觀念而興起的，主要流行于歐美等發達國家，特別是近10多年來，世界各國更加注重秸稈作為建筑材料的實用性，將其作為建筑的填充料，或將壓制好的秸稈切塊作為非承重墻的墻體，形成了框架結構的秸稈建筑[10]。我國秸稈原料化利用途徑有秸稈板材、秸稈包裝制品、秸稈造紙和秸稈容器等，但利用率均偏低，如重慶原料化利用率為2%、四川為2.11%[3]、河南秸稈工業原料化為2.03%[4]。國內外在此領域的應用表明，秸稈原料化利用只能起到拾遺補缺的作用，利用總量有限。
1.5秸稈基料化 秸稈基料（基質）是指以秸稈為主要原料，加工或制備的主要為動物、植物及微生物生長提供良好條件，同時也能為動物、植物及微生物生長提供一定營養的有機固體物料。經文獻資料查詢，國外秸稈基料化應用鮮有報道。國內秸稈基料（基質）化利用主要用于栽培食用菌或花卉。如上海秸稈基料化利用率為2%、河南為2.08%、重慶為3%、四川為4.10%[3]。目前秸稈基料化利用技術主要有秸稈栽培草腐生菌類技術和秸稈植物栽培基質技術。同秸稈原料化利用相同，秸稈基料化利用亦只能起到拾遺補缺的作用，利用總量有限。
綜上所述，雖然秸稈綜合利用包含了肥料化、飼料化、能源化、基料化、原料化等多種途徑，但無論國外還是國內，均具有以下3個特點：一是肥料化是基本途徑。秸稈肥料化利用是秸稈綜合利用的最主要方式，其中又以秸稈就地機械化還田為重要途，是確保秸稈快速利用的基本保障。秸稈肥料化利用占秸稈利用總量的65%左右。二是飼料化或能源化是保障途徑。縱觀國內外，秸稈飼料化或能源化利用是秸稈綜合利用的第2途徑，是秸稈肥料化利用之外的第1大利用途徑，是秸稈全量化利用的保障途徑。秸稈飼料化利用占秸稈利用總量的15%～20%、能源化利用占15%。三是原料化等其他利用是補缺途徑。秸稈原料化、基料化等利用量有限，從總體上看，不可能成為秸稈利用的主要途徑，只能起到補充作用。秸稈其他利用占秸稈總量的5%左右。
2秸稈綜合利用技術裝備存在的主要問題
秸稈利用雖然形式多樣，空間巨大，但除秸稈直接粉碎還田技術相對較成熟之外，其他利用方式在技術裝備方面尚還存在許多不足。為進一步提高我國秸稈綜合利用水平，實現規劃確定的秸稈綜合利用目標，亟待解決以下4個方面的制約問題。
2.1秸稈就近肥料化利用裝備待開發完善 由于我國的基本國情是人多地少，全國農業用地6.44億hm2，耕地量為1.35億hm2，人均耕地面積僅為0.076hm2，僅為世界平均值的1/3[12]。因此，出于糧食生產安全考慮，我國農業屬于高強度種植模式，復種指數很高，已由解放初期的93%提升到130%以上[13]。農作物秸稈的產量已經由1991年的5.52×108t，增加到2016年的7.90×108t，年平均增長量9.16×106t[14]。如果按照固定的秸稈產量比例進行秸稈直接還田，導致秸稈還田量不斷增加，難免會出現由于秸稈不能及時腐熟而影響作物生長的弊端，這就需要改變秸稈作為肥料的還田方式，顯然通過生產有機肥是一種可行的有效途徑。但傳統的有機肥生產手段和方式已經不能適應農村社會經濟發展的需要，開發先進適用的就近肥料化利用裝備成為了亟待破解的問題。傳統秸稈肥料化利用主要是堆漚和焚燒。人工經驗性堆漚的農家肥雖然有節省投入的優勢，但容易造成二次污染，肥料質量不穩定，用工強度大，已不適宜采用。秸稈焚燒，對于農業生產者是一條捷徑，由于眾所周的原因，卻是行不通的。
工業化秸稈肥料化生產是控制一定的生產條件，通過一定的技術手段，在工廠中實現秸稈腐爛分解和穩定，最終將其轉化為商品肥料的一種生產方式。目前，產品一般包括精制有機肥和有機-無機復混肥的2種產品。自21世紀初以來，全國精制有機肥和有機-無機復混肥生產量增長了2倍左右。有機肥生產企業主要分布于有機肥原料豐富地區（如山東和河北）和經濟發達地區（如廣東和江蘇），其中山東、河北、遼寧、廣東和江蘇5省企業占50%以上，普遍規模不大，半數以上企業年產不足1萬t[15]。
工業化有機肥生產遠沒有滿足秸稈肥料化利用的需求。由于秸稈原料的分散性和低值性特點，在有限補貼的條件下，利用秸稈大規模工廠化生產有機肥一般是不經濟的，這是大規模企業發展受阻的重要原因。實際上，接近原料地或田間地頭開展肥料化生產無疑是性價比較高的途徑。一些科研單位嘗試開發田頭堆漚肥料的裝備，已經有不少成功的案例，從技術性和經濟性評估，具有較好的市場前景，尤其是以秸稈生物炭為基料的炭化肥，也展現較強的技術優勢。因此，秸稈就近肥料化利用裝備的開發完善是目前提高秸稈肥料化利用的亟待突破的瓶頸。
2.2蔬菜秸稈處理裝備基本空白 我國每年產生10億t左右秸稈中，其中蔬菜秸稈約2億t[16]。蔬菜秸稈是可以循環利用的資源，但是如何處理利用一直是個“老大難”。葉菜類秸稈含水量高達75%～95%，不易運輸、容易腐爛，還夾雜了大量的塑料繩、殘留地膜、石塊等雜物，分撿難度大。蔬菜秸稈亂堆亂放，不僅影響交通、堵塞河流，還會導致病原菌、蟲卵等致病原四處傳播。如何將蔬菜秸稈資源化再利用，實現蔬菜廢棄物處理的減量化、能源化和資源化，成為目前亟待重視和解決的問題。實踐證明，蔬菜秸稈肥料化處理，是一條可行的路徑。目前，山東泰昌生物科技有限公司、張家港市春泰環保工程有限公司等，在蔬菜秸稈肥料化處理上，已經先行探索，初步開發了較實用的技術裝備。然而，對于全國需要處理大量蔬菜秸稈，還是遠遠不夠的。因此，要想有效提高蔬菜秸稈的資源化利用水平，加快處理裝備的研發是不二之選。
2.3收儲運體系缺乏有效裝備支撐 秸稈收儲運是實現秸稈產業化綜合利用的前提。秸稈具備質地蓬松、能量密度低、運輸成本高、空間分散和時間集中度高等特點。盡管目前秸稈綜合利用率已達到83.68%，但秸稈收集率不足40%[17]。秸稈離田“最初一公里”難題已成為秸稈規模化利用的瓶頸。秸稈收儲運難，除了運行機制、種植模式、利用方式等方面的因素，技術裝備缺乏也是很重要的原因。一是秸稈收集裝備功能單一。秸稈收集的方式主要分打捆收集和散草收集2種。秸稈的打捆收集需要摟草、打捆、裝運3個環節，需3～4種以上機型參與，購置和維護成本高，機具多次作業成本高，土壤被壓實破壞。綜合測算，秸稈收集成本數倍于糧食收獲成本，且秸稈利用價值顯然低于糧食，農戶積極性自然不高。目前，與草捆撿拾車、秸稈收運車配套的設備研究相對較少，導致收集裝備功能簡單且效率低下，運輸、裝卸成本高。二是缺乏散草收集裝備。短距離運輸時，散草收集的方式在人工投入、收集、運輸效率等方面明顯優于打捆收集；而在中長距離運輸時，效益不高。散草收集裝備在國內尚無市場化設備，依賴于進口散草撿拾拖車，使用主要局限于大型農場和畜牧養殖基地。三是缺乏小地塊和丘陵地塊秸稈收集的專用機械。大型、高效率的設備無法在南方小田塊運行，即便是小型設備，面臨多且雜的小田塊，效率、效益也不高。國內現有秸稈收集裝備主要以牽引式小方捆機和圓捆機為主，田間通過性不好，尤其缺乏針對南方小地塊和丘陵地的專用秸稈收集裝備。因此，研究開發先進適用的秸稈收儲運實用裝備，支撐秸稈資源化利用。
2.4生物質成型燃料及清潔爐效率有待提高 生物質成型燃料是高效潔凈能源，可替代礦物能源用于生產與生活領域，應用領域及范圍將逐步擴大。我國生物質成型燃料的加工機械主要不足是單位能耗大、模具壽命短、設備可靠性低、生產成本高。生物質成型燃料燃燒設備存在著空氣流動場分布、爐膛溫度場分布、濃度場分布、過量空氣系數大小、受熱面布置等不合理現象，嚴重影響生物質成型燃料燃燒正常速度與工作狀況，存在著熱效率低，排煙中的污染物含量高，易結渣等問題。清潔爐具方面，20世紀90年代，日本、美國及歐洲一些國家生物質成型燃料燃燒設備已經定型，并形成了產業化，在加熱、供暖、干燥、發電等領域已普遍推廣應用。相對而言，國內清潔爐具存在著價格高、使用燃料品種單一、易結渣、電耗高等缺點。以上2個方面，都大有改進余地。因此，促進生物質成型燃料市場化，必須把生物質成型燃料生產與應用的產業鏈條有效連接起來，促進生物質成型燃料產業的可持續發展。
3對策建議
3.1加強秸稈綜合利用產業的政策導引 長期以來，我們一直把秸稈看成農業廢棄物，用低效甚至虧本方式進行處理，為了禁燒，每年還消耗大量的政府補貼。目前全國主要農作物秸稈可收集資源量8.24億t，綜合利用率每提高1%就意味著要處理800萬t秸稈量。可見，秸稈利用是一個巨大的產業，應該在戰略上給予高度重視，把它當作“第二農業”看待。秸稈綜合利用應該“農用為主，‘五化’并舉”，加強產業體系、政策體系、裝備體系研究和關鍵技術、重點裝備的攻關，提升秸稈利用的產業化水平。
要堅持以秸稈還田的肥料化利用為主，做好過腹還田和秸稈堆漚肥、生物有機肥等間接還田；大力推進秸稈飼料化利用，積極推廣集農機制造、秸稈膨化、肉牛養殖及廢棄物還田利用等一體化全產業鏈的模式；創新開展秸稈基料化利用，用于食用菌栽培和作物育苗及栽培等；著力推動秸稈能源化利用，更新農村用能方式，改善農居環境；要大力扶持秸稈工業原料化利用，加大招商引資力度，扶持秸稈生化加工企業。此外，要依托農業新型經營主體，建立秸稈綜合利用科技示范基地；要加強秸稈綜合利用的科學研究，大力支持鼓勵科技創新，重點支持產學研集成創新開發項目，探索數字化技術在秸稈綜合利用的應用；要合理規劃農業產業布局，規模適度、布局合理的畜牧養殖業對于平衡生態，產業鏈完整，促進農業資源的良性循環具有不可替代的作用，不宜一刀切禁止畜牧養殖業。
3.2促進秸稈炭基肥料技術裝備開發推廣 “秸—炭—肥”還田改土模式是將農作物秸稈通過中低溫熱裂解工藝轉化為富含穩定有機質的生物炭，然后以生物炭為介質生產炭基肥料并返回農田以改善土壤結構及其它理化性狀，增加土壤有機碳含量。目前，沈陽農業大學、南京農業大學等單位對相關課題已經進行了深入研究和大量實驗。實踐證明，生物炭具有顯著的增產增收、改善農產品品質、改良土壤的效果。我國生物炭研究及產業化應用水平在國際上已處于前列，生物炭基肥料等新產品及其生產工藝已被農業農村部《農業綠色發展技術導則（2018—2030年）》列為我國未來10多年農業綠色發展集成示范技術，必須乘勢推進。一是加強機理研究。組織土壤、肥料、農機、農業環保生態等領域專家，深入開展機理研究，進一步明確生物質炭基肥的主要特性和功能。
二是推進集成創新。結合實施“化學肥料和農藥減施增效綜合技術”國家重點研發計劃，組織科研院所、企業開展聯合攻關，加強秸稈炭化還田技術及其配套機具研發，提高技術的適用性。三是加快推廣應用。結合實施耕地保護與質量提升、農作物秸稈綜合利用試點等項目，加大農作物秸稈炭化還田技術試驗示范力度，積累一套成熟的技術模式，逐步加以推廣應用。要抓住這個重大技術動向，組織相關行業技術專家，開發自動化程度高，適應性廣，操作簡便的固定式乃至移動式農作物秸稈炭化還田裝備。
3.3加強秸稈收儲運技術與裝備攻關 目前，我國在秸稈收集儲運和綜合利用技術與裝備方面與國際先進水平相差仍然較大。今后要加大投入，組織產學研攻關，提高設備性能、拓展設備用途，降低設備成本，促進建立有效的秸稈收儲運體系，破解秸稈產業化瓶頸。一是加大秸稈撿拾、打捆作業技術及裝備的研究。針對稻麥、玉米聯合收獲作業后遺留在田間的秸稈，重點突破秸稈高效清潔撿拾、物料壓縮密度三維傳感反饋控制、均勻布料、填料、壓縮、自動捆扎運動相位耦合等“開式”壓縮成型關鍵共性技術，創新研制自走式秸稈撿拾打捆裝備，優化牽引式秸稈撿拾打捆裝備，滿足不同模式下秸稈收獲裝備需求。二是加大秸稈切割、打捆作業技術及裝備的研究。針對高留茬收獲后的稻麥秸稈、摘穗收獲后的玉米秸稈，突破硬質莖稈減阻低耗切割技術、割臺仿形技術、切割刀具自磨刃技術、草捆暫儲技術，研究開發自走式秸稈切割打捆裝備，形成適應不同作業模式的秸稈收獲裝備體系，促進秸稈的綜合利用。三是加大秸稈撿拾、粉碎、集箱作業技術及裝備研究。為滿足秸稈快速化收集、轉運需求，區別于秸稈打捆收獲裝備，突破切割刀具自磨刃技術、粉碎秸稈低密度集箱技術、關鍵部件快速更換技術，研究開發一種適用于稻麥、玉米、蔬菜廢棄物的撿拾、粉碎、集箱裝備，一次性完成秸稈撿拾、切碎、裝箱操作，提高秸稈堆積密度，降低秸稈收獲成本。
3.4加快改進秸稈能源化利用關鍵裝備 針對生物質成型燃料及清潔爐效率不高的普遍問題，開展一系列項目攻關。開展移動式秸稈成型燃料加工設備研究，研究可在田間撿拾秸稈并粉碎、壓制成型燃料的裝備；開展成型燃料規模化連續生產線研究，研究開發一種多臺機組共用的規模化連續生產線，通過采用多臺成型機組共用一條原料粉碎、烘干、上料機構，提高生產效率，降低生產成本，同時，通過采用自動化的控制方法，提升裝備的智能化程度和環境友好度；開展新型節能環保爐具研究，解決生物質爐具燃燒不充分、熱效率低、氣體污染物排放高等難題，重點進行爐排設計研究、爐膛設計研究、爐口爐蓋設計研究、配風系統設計研究、換熱器設計研究、水套設計研究、煙囪和通煙坑道設計研究、爐體壁保溫層及爐體外殼設計研究。
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