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王穎潔1，張朋2，宋晨愿1，查向浩1，3
（1.喀什大學化學與環(huán)境科學學院，新疆喀什844000；2.喀什大學馬克思主義學院，新疆喀什844000；3.新疆生物類固廢資源化工程技術研究中心，新疆喀什844000）
摘要：秸稈是農作物種植生產的主要農副產品。近年來，秸稈被禁止燃燒，如何處理農業(yè)固廢秸稈現(xiàn)已成為農民最大的困擾。我國的豆類秸稈和禾本科秸稈資源非常豐富，但是利用率卻非常低，大面積無法被利用的秸稈直接造成土地資源的浪費以及種植環(huán)境的污染。為營造良好的耕種環(huán)境，保護農田的正常生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，高效節(jié)約土地資源，促進農業(yè)經濟發(fā)展，本文以小麥秸稈、玉米秸稈、水稻秸稈和棉花秸稈的多樣化預處理為例，歸納、總結并分析了秸稈資源化綜合利用技術的優(yōu)缺點，提出了完善秸稈再利用的建議和措施。
1秸稈分類和綜合利用現(xiàn)狀
秸稈通常被認為是某些植物莖和葉的總和，是一種富含纖維素、半纖維素、木質素以及氮、磷、鉀、鈣、鎂等多種營養(yǎng)元素的生物質資源，具有重要的科學研究價值。農作物秸稈種類多樣，豆類植物的秸稈主要包括黃豆、蠶豆、豌豆、紅豆、羽扇豆和花生藤蔓等。禾本科作物秸稈主要包括大麥、小麥、燕麥、黑麥、稻草、高粱、玉米和薯類藤蔓等。本文以常見的小麥秸稈、玉米秸稈和水稻秸稈為例，闡述秸稈的多樣化利用，以期為提高農戶經濟收益，改善環(huán)境，進而推動自然資源的可持續(xù)利用提供路徑。
1.1小麥秸稈
小麥秸稈纖維短、雜細胞較多、硅的含量較高，常作為傳統(tǒng)的造紙原料，但在制造紙漿過程中排放的污染物無法實現(xiàn)有效治理，容易造成較為嚴重的環(huán)境污染[1]。研究表明，對于麥稈制漿造紙的治污方法是安裝正規(guī)的堿回收裝置，但該裝置成本過高，而造紙企業(yè)大多是中小企業(yè)，往往拿不出大量資金，成為制約中小型造紙企業(yè)正常發(fā)展的難題。
此外，小麥的莖稈還含有少量的粗蛋白和脂肪，因此非常適合用作飼料，特別適合反芻動物[2]。成熟小麥用小麥聯(lián)合收割機收獲后，用打捆機對麥秸進行撿拾打捆，用粉碎機加工，能提高適口性，通過提供適量的優(yōu)質飼料和充足的水分，可以有效地滿足反芻動物的營養(yǎng)需求，從而降低飼養(yǎng)成本。
小麥秸稈可用于還田，主要有2種具體方法：（1）采用免耕覆蓋沃土技術。該技術操作簡單，省時省力、節(jié)約資金，可促進土壤系統(tǒng)生態(tài)循環(huán)，是目前有效利用小麥秸稈的主要方式。小麥收割時將小麥秸稈平鋪田面并施用“腐稈劑”[3]，根據(jù)氣候時節(jié)選擇松土時間，連續(xù)免耕，這樣可使土壤越來越肥沃。（2）小麥秸稈腐熟還田技術。通過利用腐熟劑中的木質纖維素降解菌，在適宜的溫度、濕度、通氣量和pH值條件下，可以有效地將小麥秸稈中的木質纖維物質降解成簡單的有機物質，從而大大提高小麥秸稈的利用率和經濟效益[4]。其腐殖質以及礦物養(yǎng)分可促進小麥秸稈腐熟后再還田，這種還田方式具有自動化程度高、環(huán)境效益好、科學配比肥效高和短周期產量高等特點。
1.2玉米秸稈
玉米秸稈屬于重要的可再生資源[5]，具有分布面積廣、質量輕、占地面積大等特點。據(jù)統(tǒng)計，我國玉米秸稈年產量約2億t，有近1億t的玉米秸稈資源可實現(xiàn)綜合利用。玉米秸稈綜合利用技術包括飼料轉化技術、培育食用菌技術、粉碎還田技術、生物秸稈反應堆技術等[6]。在反芻動物的飼養(yǎng)過程中也使用玉米秸稈[7]，但由于其蛋白質含量偏低，鈣和磷的比例不能滿足草食家畜的生長發(fā)育所需，為了保證飼料的營養(yǎng)平衡，必須將其他有益的成分，如動物蛋白質或非蛋白氮物質等添加進去[8-9]，才可滿足動物營養(yǎng)所需。
玉米秸稈不僅可以用來生產飼料，還可以用來培養(yǎng)食用菌。首先將玉米秸稈粉碎，然后加入磷肥、氮肥、石灰水等，控制好溫度，定期翻動，使所有原材料都得到充分發(fā)酵。在玉米秸稈及其他原料發(fā)酵15d后，技術人員可以將這些熟料用塑料袋包裝整理起來，用來生產平菇、雞腿菇和銀針菇等食用菌，這樣不僅可以大大降低食用菌培養(yǎng)的成本，而且農民也可以利用玉米秸稈發(fā)展食用菌種植產業(yè)，從而獲得更多的經濟效益。利用玉米秸稈的潛力，發(fā)揮其最大價值[10]。
玉米秸稈粉碎還田技術是一種直接、方便和有效的秸稈利用技術[11]。在玉米完成收獲，秸稈還處于綠色狀態(tài)時，農民通過粉碎機將玉米秸稈粉碎，將其均勻撒在農田表面以提高土壤養(yǎng)分。這種方式需要選擇最佳時機，即玉米秸稈含水量在30%以上時容易粉碎且腐熟速度快、利于更新土壤的腐殖質和有效調控農田的生態(tài)環(huán)境。
生物秸稈反應堆技術能夠將玉米秸稈轉化為CO2、熱量以及其他的營養(yǎng)物質，這種反應堆可以推動溫室中蔬菜等植物的光合作用，不但有效提高地面溫度，而且減少農作物的病蟲害，優(yōu)化蔬菜、水果的品質[12]。
1.3水稻秸稈
近年來，我國水稻秸稈產量穩(wěn)定在20000萬t左右。水稻秸稈主要分布在中南和華東地區(qū)，其次是東北和西南地區(qū)，少量分布于西北和華北地區(qū)[13]。水稻秸稈作為飼草有一定利用價值，經物理、化學和生物等方法處理后，水稻秸稈適口性和瘤胃降解率有明顯提高[14]。但是其用作飼料時也有一定的限制，首先是農機和農藝條件有限，秸稈收割和飼料加工的設備水平較低且費用昂貴，增加了秸稈利用的成本；其次是水稻秸稈中細胞壁的成分較大，其凝聚態(tài)結構、纖維素層次結構降低了動物消化秸稈的利用率[15]；最后是我國水稻種植分布面積廣，種類繁多，具有的營養(yǎng)價值也有所不同，相關研究較少。
在秸稈還田方面，部分地區(qū)采用機械化還田的方式[16]，這種方式有效解決了大量秸稈就地還田或水稻秸稈腐爛或焚燒帶來的相關環(huán)境污染的問題，且很好地改善了土壤環(huán)境，但只適用于部分地區(qū)，有一定的局限性。
2秸稈利用的環(huán)境效益和經濟效益
2.1對生態(tài)環(huán)境的影響
秸稈資源化利用對生態(tài)環(huán)境有著極大的價值，若將秸稈直接進行焚燒處理，不僅會造成土壤肥效降低，而且還會使空氣污染加重。通過對秸稈的資源化綜合利用，既可以為人們帶來可觀的經濟效益，也能節(jié)約資源，保護生態(tài)環(huán)境，是推動經濟社會發(fā)展綠色化也是實現(xiàn)高質量發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)[17]。
2.1.1對土壤環(huán)境的影響。秸稈還田可以顯著改善土壤的物理特征，其中最顯著的表現(xiàn)是降低土壤的容重，改善土壤的孔隙度，提升土壤的保水能力。經過還田處理，0~10cm厚的低層土壤的孔隙率可以達12%以上；而20~30cm厚的深層土壤的孔隙率可達30%以上[18]。就降低土壤容重而言，秸稈直接還田和在農田深埋之間雖存在顯著差異，但兩者在改善土壤滲透性等方面都發(fā)揮了積極作用。
秸稈還田對土壤化學方面的主要影響是土壤固碳量的增加。增加秸稈還田總量可以增加土壤中的養(yǎng)分總量和提高土壤吸收養(yǎng)分的能力[19]；通過施肥和還田的結合，可以有效地維持土壤中各種元素的平衡，同時也能夠提升土壤中有機物的含量，從而達到改善土壤質量的目的。通過秸稈還田，還可以顯著提高土壤的生物活性，其中包括促進土壤微生物的繁殖和酶的活性。研究表明，隨著秸稈還田量的增加，土壤中的有益菌數(shù)量也會呈正相關增長[20]。此外，經過腐熟處理的秸稈還田還可以顯著提高土壤中的有益菌的數(shù)量，從而達到更好的還田效果。例如玉米秸稈還田處理可以把土壤酶活性提高到137.4mg/kg，顯著增強土壤呼吸強度。如果采取長期的秸稈還田處理，可以顯著提升土壤的脲酶活性和堿性磷酶活性，從而有效地促進土壤吸收化肥[21]。
2.1.2對大氣環(huán)境的影響。土壤釋放CO2中有相當部分來源于還田秸稈和殘留根系的分解。以玉米秸稈為例，在其種植的前3年，大部分秸稈都在分解過程中轉化為CO2[22]。與未還田的情況相比，將小麥秸稈或玉米秸稈還田后，大量的有機碳被轉化，從而顯著降低了對大氣的污染；此外，甲烷菌活動也是導致土壤中CH4排放總量增加的重要因素。因此，專家學者們在這方面的研究結果基本一致，即將小麥秸稈或玉米秸稈還田后，可以顯著提高土壤中CH4的排放總量[23]。
2.1.3對作物光合作用的影響。通過正確施肥，可以顯著提高植物的光合作用效率，從而促進其生長發(fā)育，提升葉綠素的含量，有效地提高農作物的產量。如種植冬小麥，其種植區(qū)域廣泛，對土壤要求較高。適當數(shù)量的玉米秸稈還田可以抑制灌溉中后期葉綠素a的降解，調節(jié)光合速率[24]。在施用過程中與氮肥科學搭配，可以顯著提高光合速率和蒸發(fā)率。就產量而言，玉米秸稈還田可以提高作物肥料輸送速率，從而有效改善土壤質量，增加土壤有機物含量，提高土壤結構、水分保持能力和透氣性，使作物根系更加堅固，并且可以調節(jié)土壤水分、溫度和通氣性，為小麥的生長提供一個適宜的環(huán)境[25]。
2.2秸稈利用的經濟效益
秸稈生物質循環(huán)利用不僅具有較好的經濟價值，還具有較高的環(huán)境效益。秸稈生物質循環(huán)利用的經濟效益表現(xiàn)在以下幾個方面。（1）增加農民收入，例如秸稈發(fā)酵成有機肥料后，可直接用于土地改良，提高作物產量。（2）節(jié)省成本，通過秸稈生物質能源的利用，可以降低對傳統(tǒng)燃料的依賴。同時，秸稈肥料也可以替代化肥，降低農業(yè)生產成本[26]。（3）促進地方經濟發(fā)展。秸稈生物質循環(huán)利用可以形成完整的產業(yè)鏈，從原料采集、加工、運輸?shù)戒N售等環(huán)節(jié)均可為失業(yè)人群提供就業(yè)機會，為社會創(chuàng)造價值。（4）降低環(huán)境治理成本。通過秸稈生物質循環(huán)利用，可以有效減少焚燒、填埋等不當處理方法對環(huán)境的影響，從而降低環(huán)境治理成本[27]。總之，秸稈生物質資源化循環(huán)利用有多重經濟效益。正確利用秸稈生物質可以為國家、地方和農民帶來可觀的經濟收益。秸稈還田增加土壤肥效，減少肥料用量；秸稈制生物質燃料、纖維絲、發(fā)電、產氣、制板、飼料等都可產生經濟效益[28]。
3棉花秸稈綜合利用現(xiàn)狀分析
我國每年的棉花產量約占全球總產量的25%，棉花收獲后，大量的秸稈廢棄物可達約4000萬t[27-30]，可被廣泛地應用到工業(yè)、農業(yè)、畜牧業(yè)、能源環(huán)境保護等各行業(yè)，從而為社會帶來巨大的經濟效益。
3.1作為建筑材料
近年來，棉花秸稈被廣泛應用于建筑材料領域中，如制造建筑隔音板、保溫材料等，其性能優(yōu)良，深受市場青睞。然而，由于其抗折強度較低，容易受到硫酸鹽的侵蝕，耐久性有待提高。此外，工程中使用的鹽漬土，可能出現(xiàn)鹽脹、溶陷、腐蝕和吸濕軟化等問題[31]。為了提高鹽土的強度和穩(wěn)定性，可利用棉花秸稈，其纖維可以作為一種有效的加筋材料，應用于水泥土和混凝土中，可以顯著提升它們的整體韌性，從而更好地滿足工程建設的要求。
3.2作為生物質能源
隨著工業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展，工業(yè)采礦、冶煉、化工等行業(yè)所產生的重金屬離子隨其工業(yè)廢棄物進入水體中，許多有毒物質和難以降解的污染物嚴重影響水環(huán)境。目前對廢水的處理非常嚴格，據(jù)學者研究，吸附法[32]是一種從廢水中除去重金屬離子的高效且經濟的方法，通過改用棉稈纖維素，可以大大降低廢水處理的成本，同時還能夠提高吸附效果，而且這種方法更加環(huán)保，現(xiàn)已成為一種更加經濟實惠的廢水處理技術[33]。以農業(yè)廢棄物棉花秸稈為原料，經過改性生物炭處理后，可以有效地去除PPCPs污染物，如氧氟沙星和布洛芬，從而改善水質。此外，該技術也為農業(yè)廢棄物棉花秸稈的資源化利用開辟出一條全新的道路[34]。通過利用棉花秸稈，還可以制備出多種形式的生物質能源，如熱能、沼氣和液體燃料，這些能源可以有效地替代傳統(tǒng)的化石燃料，從而實現(xiàn)清潔能源的可持續(xù)發(fā)展。
3.3作為農業(yè)有機肥料
棉花秸稈可以作為農業(yè)有機肥料，通過堆肥、壓實等方法提高肥料的質量和效果，使其更好地供給農作物營養(yǎng)元素。通過采用機械化的方式，棉花秸稈可以被有效地還田肥料化利用，其中2種最常見的方法是直接粉碎還田和堆漚發(fā)酵還田。其中，直接粉碎還田需要在棉花采摘后，使用大型農業(yè)機械將棉花秸稈收割，然后經過翻耕或旋耕，將粉碎后的棉稈作為肥料直接埋入農田，具有機械化程度高、速度快、成本低等優(yōu)勢，可以有效地提高棉花秸稈的還田效率，減少農藥的投入，提升農業(yè)的經濟效益[35]。
3.4作為動物飼料
研究表明，棉花秸稈的主要成分含量受到多個因素的影響，包括種植地區(qū)、品種、收獲時機、施肥水平、儲藏條件以及其他相關技術手段。這些因素共同決定了棉花秸稈的質量，從而使其具有良好的可持續(xù)性，提高其生產效率[36]。1998年，許國英等[37]開始研究新疆地區(qū)的棉花秸稈，發(fā)現(xiàn)它的營養(yǎng)價值極為豐富，不僅包括鈣、磷、粗蛋白質和木質素[34-38]，還有可能被用于生產優(yōu)質的動物飼料。因此，他們認為新疆的棉花秸稈有望成為一種理想的動物飼料來源。
4生物質秸稈綜合利用策略與展望
現(xiàn)階段，生物質秸稈在多行業(yè)實現(xiàn)綜合利用，人們在秸稈還田、秸稈作飼料、秸稈作生物質新能源以及有機肥料的過程中，研究了工業(yè)化、規(guī)模化、量化和廣泛的現(xiàn)代化利用技術，減少焚燒產生的二次污染[39]，在實現(xiàn)經濟可持續(xù)發(fā)展的同時達到了保護環(huán)境和資源節(jié)約的目的。為促進秸稈資源的高效利用和實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興目標，政府和相關部門必須給予充足的資金和政策支持，建立示范點[40]，同時鼓勵企業(yè)投入資金、人力、物力等方面資助，加快推進秸稈生物質綜合利用產業(yè)的發(fā)展。此外，還應大力推廣秸稈綜合利用技術，并加強相關科學研究，以解決在這一進程中面臨的技術難題[41]，提高生物質能源利用效率。（1）加強生物質化學品的開發(fā)利用。利用化學方法將秸稈的木質素、纖維素等轉化為生物質化學品，如生物燃料、淀粉和醇類、木質素等，實現(xiàn)生物質資源的高效利用[42]。（2）研究用稻草造紙或秸稈編織裝飾的方法，進一步開發(fā)和完善針織產品和技術市場。（3）科學高效地利用稻草生產木糖醇和活性炭。（4）通過推廣機械秸稈技術，進一步完善秸稈飼料的深加工，促進畜牧業(yè)綠色發(fā)展。
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