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李巖，王立中，王中華，袁鷹
（泰州職業技術學院，江蘇泰州225300）
摘要：秸稈中含有豐富的纖維素、半纖維素、木質素和氮、磷、鉀、鈣、鎂等微量營養元素，是一種很好的可再生清潔生物質能源。我國作為農業大國，每年都會產生大量秸稈。在第四次工業革命“低碳經濟”的大趨勢下，如何將秸稈生物質循環利用成為人們日益關注的問題。因此，從還田、制取沼氣、生物質燃料、培育食用菌、生產工業原料、發電等方面介紹了我國秸稈生物質循環利用的現狀、發展前景以及存在的問題。
生物質是一種源于植物、動物和微生物等非化石能源的有機成分、氣體或液體，作為一種可再生的清潔能源，以實物的形式存在，相比風能、太陽能和潮汐能等可再生能源，其具有可運輸、可儲存、分布廣、貯藏量大和易獲得等優勢，常見的生物質主要源于陸生和水生生物、能源作物以及農業、林業、漁業、工業、動物糞便、城市廢棄物等的殘余物。在大力發展清潔能源以緩解全球氣候變暖的趨勢下，為了避免資源浪費、緩解能源短缺壓力以及治理焚燒造成的環境污染，源于農業殘余物的秸稈生物質循環再利用成為研究熱點。
1還田
1.1粉碎翻壓還田
粉碎翻壓還田是將秸稈通過機械粉碎后直接翻壓回土壤并與土壤充分融合的直接還田技術。秸稈分解速度快，其中的有機質和微量元素等可充分保留在土壤中。實施時，要將秸稈充分粉碎，粉碎長度應控制在10cm內，粉碎有效率應控制在90.0%以上，然后將秸稈均勻鋪撒在土壤表面，翻壓時，應根據不同時節、不同土地情況選擇適宜的翻壓機械，將秸稈翻壓至土壤深處20cm以下。研究表明，該項技術可使土地增產10.0%左右[1]。相關人員還應注意，在還田之前，要對秸稈進行藥劑消毒，減少秸稈和土壤中的病蟲卵。由于秸稈翻壓后土壤中的碳元素大增，且在秸稈與土壤充分融合的過程中會消耗大量氮元素，土壤內碳氮比失衡（以25∶1~30∶1為宜），要增施氮肥。另外，秸稈還田數量不可貪多，應因地制宜。
1.2覆蓋還田
秸稈覆蓋還田是在作物播種后施足肥料的基礎上，直接將粉碎后的秸稈鋪撒在作物行間，利用天然的溫度和降水環境就地漚制秸稈，達到培育土壤、減肥增效、節本增收、蓄水保墑、恢復地力、保護環境的目的。秸稈覆蓋還田應注意選取合適的作物、適宜的覆蓋時間、合理的覆蓋量，與粉碎翻壓還田一樣，要注意防治病蟲害。由于進入土壤的秸稈都要經微生物分解，也要注意控制碳氮比，及時增施尿素。與粉碎翻壓還田相比，直接覆蓋還田技術投入少、操作方便、簡單易行、效果顯著。為了更好地提高增產效果，班贏紅[2]在研究小麥秸稈覆蓋還田技術時發現，采取添加酵菌素、石灰等催腐措施，可提高增產效益和經濟效益，具有推廣施行的價值。此項技術在實際推行時也同樣面臨土地分散經營、部分農戶思想認識不足等困難，要想大面積推廣，仍需進一步加大宣傳示范推廣力度，完善技術體系，增加扶持政策。
1.3堆漚還田
堆漚還田是將秸稈與動物糞便、微生物、催腐劑等混合堆積進行人工發酵，將其制成有機肥的一種還田技術。上述秸稈直接還田方法會導致土壤中的氮素減少，再加上土壤本身的氮素同樣會流失到環境中，堆漚還田這種間接還田方式可以將秸稈本身含量豐富的氮元素施還到土壤中，還可同時補充鎂、磷、鉀、鈣等微量元素，且不受秸稈本身干濕、季節與地點的限制，應用簡單，省時省力，值得農業大力推廣。
1.4過腹還田
過腹還田就是將秸稈當作飼料喂養牛、羊等食草家畜，再將所得動物糞便加以處理成為有機肥還田，不僅可以增加土壤中的有機質含量，被家畜吸收的部分還可轉化為奶、肉等營養物質，提高禽畜產品產量，對改善生態環境、降低農作物成本、促進生態可持續發展等都有重要意義。堆肥時，應注意維持適宜的碳氮比，若將氮匱乏的有機肥施入土地，會造成原有氮元素的流失，因此可在過腹還田的同時加施氮肥。趙凌霄等[3]的研究結果表明，秸稈過腹還田配施氮肥處理改善土壤理化性質的效果顯著高于秸稈直接還田。從總體上看，過腹還田是培肥和增產的最優秸稈還田方式。
隨著科研工作人員的深入研究，秸稈還田方式越來越多樣化，增肥增產效果顯著。但是，如果采用的方法不當，也會導致土地微生態環境失衡、土壤孔隙不適、秸稈帶菌體無法殺滅，造成土壤病菌增加、農作物病害加重、糧食減產等。我國很多地區仍然采用一家一戶分散小型農耕，大型統一機械化技術尚未普及，還田質量參差不齊且易造成環境污染，想要達到良好的循環利用效果，需采取合理的措施。只要找到適合我國國情的方式方法，在國家有關部門的號召和領導下，被廣大農民接受、認可和配合，秸稈還田技術一定會在更大程度上促進作物增產。
2制取沼氣
利用沼氣設備嚴格的厭氧環境和適宜的溫度、水分、酸堿等條件，秸稈在微生物厭氧發酵作用下可產生一種可燃氣體，轉化為天然氣、熱能、電能等，實現節能減排的效果。現階段，我國規模化秸稈發酵制取沼氣已經有了很大的突破，但仍存在收集運輸成本高、儲存難度大、發酵過程中碳氮比易失衡、降解周期長、技術不成熟、沼氣工程收支不平衡、政策不完善等問題，如在發酵前的預處理階段，物理機械化破碎會消耗很多能量且不能有效提高沼氣產量；化學堿處理后堿濃度過高會抑制發酵；生物乳酸菌處理時間較長且存在一定的局限性；高溫蒸汽爆破技術要求高，難以推廣；在發酵階段，接種物的質量、數量、碳氮比和料液pH等均可對沼氣產量造成影響。目前，科研工作人員也在積極研究，尋找解決上述問題的方法。李金懷等[4]的研究結果表明，當原料接種物比例為30.0%、碳氮比為20∶1~30∶1、pH為7.0時，沼氣產量較為理想；喬瑋等[5]研究發現，通入外源性H2可以實現沼氣提純。
總體上，我國秸稈制取沼氣仍存在很多問題，單一優化某個環節可能對大規模沼氣生產收效作用不明顯，但該項目前景廣闊，應考慮從整體出發，統籌運輸、集中儲存，學習國外的先進經驗，引進技術和設備，形成大規模化秸稈沼氣集成工程。
農作物秸稈制取沼氣流程如圖1所示。
3生物質燃料
若將秸稈直接燃燒，不僅利用率低，還會造成環境污染。從提高資源利用率、保護環境的角度出發，如何將秸稈生物質轉化為新型高效的生物質燃料成為當前研究的熱點。目前，人們通常將秸稈通過氣化、固態成型、制取沼氣等途徑轉化為氣、液、固態生物質燃料。
3.1秸稈氣化
秸稈氣化可產生CO、H2、CH4等可燃氣體，實現秸稈生物質的清潔高效利用，主要的氣化工藝有熱解氣化、氣化劑氣化、超臨界水氣化等。其中，氣化劑氣化中的水蒸氣氣化是將秸稈生物質轉化為高質量氫能的有效途徑；空氣-水蒸氣混合氣化綜合了兩者的優點，可以更好地提高燃氣的熱值。
3.2固態成型
秸稈直燃發電曾是國家經濟政策大力扶持的項目，但由于運輸儲存成本高且秸稈產出存在季節性差異，秸稈發電廠一直處于虧損狀態，經濟和社會效益兩缺。
秸稈固態成型是將松散的秸稈收集后，經粉碎、擠壓成易運輸儲存的形狀，體積僅為原來的1/10，其中，棒狀和顆粒狀較為常見。秸稈固態成型并非想象中簡單地粉碎后擠壓成型，需要注意秸稈的濕度、粉碎顆粒大小、擠壓密度等，不同的濕度、密度對其使用效率均會產生一定的影響，且不同作物的秸稈技術工藝略有不同。研究表明，秸稈生物質固態燃料燃燒后排放的煙塵濃度低，有害氣體排放量比煤炭少，熱效率可提高7.0%，節約能源約10.0%[6]。
此外，中國科學技術大學可再生潔凈能源實驗室將秸稈熱解液化再加工后轉化為生物油，轉化率在50.0%以上。生物油可作為燃料直接在燃油鍋爐和工業窯爐中燃燒使用，精制提煉后可作為車用燃料使用，替代柴油和重油，提供同樣的熱量，價格分別相當于柴油和重油現有價格的43.2%和63.1%。
從發展的角度看，秸稈生物質燃料可以減輕燃燒煤炭造成的環境污染，緩解能源短缺問題，且有助于國家秸稈禁燃政策的實施和推廣，“以用促禁”。雖然現在生物質燃料的生產仍存在很多問題，但不可否認其具有廣闊的應用前景。
4培育食用菌
雖然秸稈再循環途徑多樣，但數據顯示，仍有近1/5的秸稈資源未被充分利用。近年來，隨著人們對膳食結構認知的成熟，食用菌行業快速發展，逐漸呈現出食用菌供不應求的現象，常見的食用菌栽培多用棉籽殼。我國作為農業大國，秸稈儲量豐富，若將秸稈作為培養基發酵培育木耳、香菇等食用菌，不僅可以豐富秸稈的用途，滿足人們的膳食需求，獲得較高的經濟效益，使用后的培養基還可作為優質有機肥還田，完善了秸稈高效循環利用途徑。該項技術操作簡單、周期短、經濟效益高且污染小。由于菌種培育對氣候環境的要求較高，培育食用菌需注意因地制宜，保證適用性。
現在我國利用秸稈培育食用菌的技術已處于領先水平，但代表性產業較少，這也意味著市場前景廣闊。未來秸稈培養基培育食用菌的主要問題集中在篩選高產型、廣溫型和抗逆型菌種，優化秸稈培養基配方以及實現規模化生產3個方面。
5發電
秸稈作物在生長時會吸收大氣中的CO2，燃燒時釋放的CO2再次被吸收，不會導致大氣CO2含量升高，即所謂的零排碳量。在第四次工業革命“低碳經濟”的大趨勢下，將秸稈燃燒時的熱能轉化用于發電是一種新型發電技術，緩解了化石燃料資源短缺的問題，減輕了我國的用電壓力。秸稈燃燒后形成的草木灰內含有豐富的鉀、磷、鈣等微量元素，是極佳的肥料。當前，利用秸稈發電的方式主要有直燃發電、混燃發電和熱解氣化發電3種。直燃發電是將秸稈直接燃燒，把熱能轉化為電能，可有效降低CO2和SO2的排放量，是較為環保的發電方式，但秸稈燃燒的熱值較低；混燃發電是將秸稈和煤炭等化石能源混合燃燒，大大提高了秸稈的利用率，且煤炭燃燒產生的SO2可吸附在秸稈顆粒上，也有很好的環保效益；相比于直燃發電和混燃發電，熱解氣化發電能耗低、產能高且排碳量較低，是當前研究的主要方向[7]。
在我國采用一家一戶農耕制的地區，收購秸稈的工作較為煩瑣，且秸稈的運輸和儲存都未找到最適方式。此外，秸稈燃燒生成的堿性物質會降低灰渣中有效微量營養元素的含量。由于收購來源不同，雜質含量較多且不確定，灰渣處理也存在一定的困難。堿性物質還會使燃燒機組的脫硝催化劑失活，影響工作效率。
從長遠發展的角度看，秸稈發電是一個新興朝陽產業，若能加以國家相關政策的扶持和推動，統一收購，解決相關技術難題，并針對秸稈燃燒的特點自主研發新的機械設備，積極探索核心技術，可有效推動該產業快速發展，進一步促進社會經濟可持續發展。
6結語
秸稈生物質循環再利用的途徑有很多，但每種再利用方式都存在一些尚未解決的難題。不可否認的是，秸稈再利用有著巨大的潛力和環保節能等優勢，相信不久的將來，相關產業技術會更加成熟和規范。
[參考文獻]
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[7]叢宏斌，趙立欣，孟海波，等.農林廢棄物高效循環利用模式與效益分析[J].農業工程學報，2019（10）：199-204. |
