我國秸稈綜合利用技術進展與展望*

馬宏業，劉單卿，張雅君，聶 陽，李順義

(鄭州大學化工與能源學院，河南 鄭州 450001)

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我國秸稈綜合利用技術進展與展望*

馬宏業，劉單卿，張雅君，聶 陽，李順義

(鄭州大學化工與能源學院，河南 鄭州 450001)

我國的秸稈資源總量位居世界第一，但秸稈的收集貯運、綜合利用等體系尚未完善。秸稈的隨意丟棄、露天焚燒在浪費資源的同時還引起了嚴重的環境問題。文章綜述了我國秸稈還田、秸稈發電、秸稈制醇、秸稈造紙等秸稈綜合利用的技術進展及其在工業中的應用。同時針對當前秸稈綜合利用存在的一些問題提出了幾點建議，希望對未來我國秸稈綜合利用技術及產業的發展有所幫助。

秸稈資源；環境污染；綜合利用

我國作為農業大國，秸稈資源非常豐富。隨著農業連年豐收,秸稈產量也呈逐年上升趨勢[1]。作為一種可再生的環境友好的生物質資源，秸稈在我國的綜合利用率仍處較低水平。據農業部門統計，2015年我國主要農作物秸稈理論資源量為10.4億噸，可收集資源量為9.0億噸，利用量為7.2億噸，秸稈綜合利用率達到80.1%[2]。雖然較2013年提高了5%，但在有效利用率和技術水平上距發達國家還有不小的差距。隨著我國農業生產方式的轉變和農村生活水平的提高，在田間地頭秸稈被任意拋棄、露天焚燒現象嚴重，不僅造成資源浪費，還引發了一系列的環境問題。有研究表明，在特定時期，秸稈焚燒已經成為導致霧霾產生的重要污染源之一[3-4]。因此，無論是從資源回收還是環境保護的角度來說，加快推進秸稈的綜合利用都是解決以上問題的最佳途徑。目前我國針對秸稈的綜合利用主要有秸稈還田、秸稈發電、秸稈制醇、秸稈造紙以及其它利用技術等。

1 秸稈還田

秸稈作為一種用途廣泛、可持續再生的生物質資源，本身含有豐富的有機質、氮磷鉀以及多種微量元素，是農業生產重要的有機肥源。據測算，7億噸秸稈中約含氮350萬噸、磷80萬噸、鉀800萬噸，相當于2010年全國化肥施用總量的五分之一[5]。秸稈還田能夠改善土壤結構，增加土壤有機質，使土壤疏松，孔隙度增加，促進微生物活動和作物根系的發育，從而達到保肥增產的效果。秸稈還田的方式主要有直接還田、堆肥還田、過腹還田、腐熟還田。

1.1 直接還田

直接還田可分為翻耕還田、混埋還田和覆蓋還田，主要在秸稈數量較多時采用。翻耕還田是指在作物收獲后，將前茬秸稈在后茬播種或移栽前翻入土中的方式，可方便快捷地將秸稈翻入土壤使其分解?；炻襁€田通過秸稈粉碎、破茬、旋耕、耙壓等機械作業，將秸稈直接混埋在表層和淺層土壤中。覆蓋還田是指種植作物時將秸稈覆蓋于土壤表面達30%以上的技術[6]，可以調節土壤溫、濕度、提高土壤有機質[7]。

1.2 堆漚還田

堆漚還田是將作物秸稈制成堆肥、漚肥等，發酵腐熟后施入土壤的方式[8]，根據含水量的不同又可分為堆肥還田和漚肥還田。秸稈堆漚可加速腐熟礦化，釋放養分，降解有害物質，殺滅病原菌、寄生蟲卵及雜草種子等，但因其會導致氮素流失，且工作量大、成本高，相比直接還田利用較少[9]。

1.3 過腹還田

過腹還田是一種把秸稈作為飼料，在動物腹中經消化吸收變成糞便，施入土壤增加土壤肥力的方法。秸稈被動物吸收的營養部分有效地轉化為肉、奶等產品，供人們食用，提高了資源利用率。這種方式較為科學，且生態和經濟效益比較明顯，但應用較少，可在有條件的地方加以推廣。秸稈在過腹還田前經過處理可進一步提高其飼用價值。目前我國常見的秸稈處理方法有秸稈青貯和秸稈堿化/氨化處理[10]。秸稈青貯常用于玉米、高粱秸稈的處理，秸稈堿化/氨化處理則主要適用于麥秸、稻稈等。

1.4 腐熟還田

秸稈腐熟還田是指在下茬農作物播種和定植前，將收下的前茬作物秸稈均勻平鋪農田，通過施撒腐熟菌劑、調節C/N比等手段，加快還田秸稈的腐熟分解。秸稈腐熟還田可用于水稻免耕拋秧時以及油菜、小麥等作物免耕撒播時覆蓋秸稈的快腐處理。秸稈腐熟還田的關鍵技術是篩選合適高效的腐熟菌劑，目前相關研究多集中在這一領域[11-12]。

2 秸稈發電

隨著化石燃料的短缺和環境的日益惡化，人們試圖尋求新的能源來代替以煤和石油為代表的傳統能源。秸稈作為一種豐富的生物質資源，兼具熱值高、燃燒充分、可再生等優點，已被廣泛應用于發電產業。秸稈發電具有較好的經濟、社會和生態效益，能有效緩解由能源短缺和環境惡化所帶來的雙重壓力。秸稈發電在國外興起較早，技術已經相當成熟。以丹麥為例，該國建有大量秸稈燃燒發電廠，在這一領域保持著世界最高水平，有效利用率高達85%～90%。其國內秸稈發電等可再生能源可占該國能源消費量的24%以上[13]，是世界上秸稈發電技術最為成熟、應用最廣泛的國家。

秸稈發電常用于規?；瘧玫闹饕兄比及l電、氣化發電和混燃發電[14]，其優缺點如表1所示。其中，秸稈直燃發電是當前產業化應用的主流。我國秸稈發電產業雖然起步較晚，但是近年來在國家的大力扶持下，發展頗為迅速。自我國第一個秸稈燃燒發電廠在河北晉州建成以來，至今已有大批秸稈燃燒發電項目或在建或投產。根據《可再生能源中長期發展規劃》，到2020年，我國生物質發電總裝機量有望達到3000萬千瓦。

表1 我國秸稈發電主要類型及其特點

3 秸稈制醇

秸稈主要是由纖維素、半纖維素和木質素組成，通過預處理、水解、發酵等步驟可生成乙醇。近年來，隨著各大能源消費國加大相關研發投入，生物燃料乙醇技術異軍突起，或將成為未來石油等傳統能源重要的替代品。目前工業化生產的燃料乙醇絕大多數是以糧食作物為原料，長期來看具有規模限制和不可持續性。以木質纖維素為原料的第二代生物燃料乙醇是決定未來大規模替代石油的關鍵。我國于2008年全面叫停糧食乙醇的開發，秸稈制醇工藝更是成為當前生物燃料乙醇技術研究的重點。

秸稈制醇的原理如下所示，首先經過纖維素水解，然后葡萄糖發酵產生乙醇：

(1)

(2)

我國每年可收集秸稈總量約9 億噸，除去用于造紙、飼料、還田及收集損失外，按剩余20%秸稈計，每年約有1.8億噸秸稈可用于生產乙醇，按照5 噸秸稈產1 噸乙醇計算，年產量可達3600萬噸[15]。2014年我國纖維素制乙醇生產技術取得重大突破，掌握了全套纖維素制乙醇的生產技術，從而為我國秸稈制醇大規模工業化應用提供了重要的技術支撐。

4 秸稈造紙

我國是全球紙和紙板生產消費第一大國。隨著造紙資源供應的日益緊張，造紙原料開始成為各國爭奪的焦點。秸稈因其具有資源量大、纖維含量高、纖維形態好等優點[16]，被視為未來造紙工業的重要原料。我國《造紙工業發展“十二五”規劃》中提出，要科學合理利用秸稈、蔗渣等非木資源，實施清潔生產新工藝，提高節能減排和綜合利用水平，提高非木纖維制漿造紙質量。

近年來我國在秸稈造紙等研究方面投入巨大，并取得了顯著成果。2009年，由天津科技大學承擔的“農業廢棄物高得率制漿生產高檔紙質材料產業化”科技成果轉化項目以棉稈、稻草、木材等為原料生產出高檔紙質材料[17]。項目技術磨漿濃度高，比傳統制漿耗水少，成本低且紙質好；2013年，揚州的永豐余秸稈綜合利用項目利用秸稈纖維制成生物制漿，同時將秸稈其他廢料加工成燃料棒和菇類生長介質等副產品，實現了“綠色造紙”[18]。當前我國造紙產業對進口木漿依存度高且森林資源匱乏，而秸稈造紙不僅有望打破這一被動局面，還為秸稈綜合化利用走出了一條創新發展的新路徑。

5 其他利用技術

除上述幾種秸稈利用技術外，我國各地還因地制宜出現了許多其他有關秸稈綜合利用的技術，如用于食用菌栽培和無土栽培、蚯蚓養殖、發酵制沼、生產可降解包裝材料、建筑裝飾材料、制作發酵床墊料以及制作編織品等[19-21]。這些技術通常利用秸稈較少，消耗量尚不足秸稈總消耗量的10%，在此不一一展開。

6 結論與建議

隨著各項政策的推動落實，當前我國秸稈綜合利用呈現出良好的發展趨勢，同時也面臨著諸多問題亟待解決。我國雖然是農業大國，但農業機械化程度水平較低。且我國實行的是家庭聯產承包制，農業種植呈規模小、分布雜等特點[22]。秸稈的收集、加工、儲運等基礎環節還很薄弱。如何將政策上的支持轉化為技術、經濟方面的優勢，使秸稈綜合利用形成可持續化、規?；拇笮彤a業，仍是當前制約我國秸稈綜合利用的難題。秸稈的綜合利用是一項長期的工程，并非一朝一夕就能完全實現。從長遠來看，筆者認為可從以下方面著手：(1)國家政策和資金向農村地區持續傾斜。通過工業反哺農業，加快建設高產高效、生態環保的現代化農業；(2)政府應完善相關法律法規，加快推進土地所有權、承包權及經營權三權分置，支持耕地間相互流轉，鼓勵農場經營模式并適當給予獎勵，推動我國農業規?；?、集約化種植；(3)鼓勵創新，大力發展秸稈綜合利用產業。對于一些缺乏核心競爭力、只能依靠國家補貼存活的“僵尸企業”實行定期淘汰制度；(4)重視并加強相關基礎科學研究。通過產學研相結合的方式，使高校及科研院所的研究成果盡快實現工業化應用，促進秸稈綜合利用產業的健康快速發展。

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Progress and Prospect of Comprehensive Utilization of Straws in China*

MAHong-ye,LIUDan-qing,ZHANGYa-jun,NIEYang,LIShun-yi

(School of Chemical Engineering and Energy, Zhengzhou University, Henan Zhengzhou 450001, China)

China has the most amounts of straw resources in the world. However, the collection, storage and comprehensive utilization of straws are not yet perfect. Discard and open burning of straws are not only a waste of resources but also cause the serious environmental problems. Technical progresses of comprehensive utilization of straws and their applications in China were reviewed. Several suggestions were given simultaneously in order to solve the problems existed in the process of straw comprehensive utilization, hoping to be useful to the development of straw stalk comprehensive utilization technology and industry in the future.

straw resources; environmental pollution; comprehensive utilization

國家水體污染控制與治理科技重大專項淮河項目清潩河課題(2015ZX07204-002)。

馬宏業(1993-)，男，碩士研究生，主要從事農田面源污染防治研究。

李順義(1976-)，男，副教授，主要研究方向：大氣污染防治與固廢處理。

X712

A

1001-9677(2016)024-0004-03