“雙碳”背景下農業廢棄物基料化利用可行性分析*

崔文仲 ，周晚來

（1.成都大學機械工程學院，四川 成都 610100；2.中國農業科學院都市農業研究所，四川 成都 610213）

氣候的惡化，尤其是溫室效應的加劇使全球平均氣溫升高，引發冰川融化、極端天氣、海平面上升等一系列的環境問題[1]，防止全球變暖已經成為全球可持續發展的重要命題和挑戰[2]。為應對氣候變化，我國提出“碳達峰、碳中和”的“雙碳”目標，希望能盡早進入“絕對減排”時代[3]。一方面，植株是最好的碳捕獲和固碳載體[4]，因此最好的固碳減排方式便是增加綠色植株種植體量，基質種植能夠很好地達到這個目的。另一方面，我國是農業大國，隨著農業現代化的建設，農業作業效率較以往快速提高，產出量也隨之快速增加，直接導致農業生產過程產生大量廢棄物。據統計，我國每年產生的畜禽糞污、農作物秸稈和農產品加工廢棄物分別為38 億t、9 億t 和2 億t，種類繁多，數量巨大，卻只有極少數得到了充分利用，更多的廢棄物則是通過填埋、焚燒等方式進行處理。低效的利用與不適宜的處理方式不僅浪費了資源，更加重了溫室氣體的排放，如何合理利用如此大量的廢棄物是迫切需要解決的問題。因此，應基于基質種植的優勢及處理農業廢棄物的需求，以實現“雙碳”為最終目標，多渠道減少碳排放、增加碳吸收。以能源優化、廢棄資源再利用為突破口的農業廢棄物基料化利用技術，有著廣闊的應用前景及重大的環保意義[5-6]。

1 農業廢棄物基料化利用及新型基質種植的發展和應用現狀

基質指的是能生長植物的非原位土壤，是人工配置的能夠為種子萌發和植物生長提供根系環境的多元混合物，基質材料通常應當具備支持固定、提供水分通氣條件、提供營養、結構穩定這四個基本功能。

基質種植技術則是一種利用基質進行無土栽培的技術。相較于水培和霧培，基質栽培的投入成本更低，技術要求也更低，整體培養過程和傳統土壤培養更相似[7]?；|種植技術的研究和應用始于20 世紀80 年代，隨著科技的不斷進步和環境問題的日益嚴峻，基質種植技術得到了廣泛的關注和研究，現今的基質栽培在省水省肥的情況下，已經能夠做到比常規土壤栽培產量更高、質量更好[6]。目前，基質種植技術已經在城市綠化、農業生產、土壤修復、生態環境保護等領域得到了廣泛應用，成為我國無土種植栽培最重要的方式。

因為泥炭廉價且具備適宜植株生長的理化特性[5]，一直是世界上使用最廣泛的基質種植材料[7]，然而，泥炭是一種需求量巨大的有限資源，泥炭沼澤的開采會對環境造成負面影響，減少泥炭沼澤中的碳匯，并通過不飽和泥炭層的降解和氧化向大氣中釋放溫室氣體，每年產生約1 500 萬t 的碳排放當量，不利于“雙碳”目標的達成[8]。因此，近年來世界各地廣泛研究各種廢料作為泥炭替代物，其中，農業廢棄物基料化利用有著廣闊前景[9]。

農業廢棄物基料化利用是指通過無害化和穩定化處理后將農業廢棄物用作基質種植材料的過程。農業廢棄物中包含了大量的作物秸稈，截至2016 年，我國農作物秸稈理論資源量達到9.53×108t[6]。作物秸稈主要由纖維素、半纖維素及木質素組成，易于保持良好的持水透氣性，此外，因為本身是植物源廢棄物，作物秸稈富含植物所需養分，有著很大的基料化利用潛力[5]。

農業廢棄物經基料化利用后成為種植基質，而后基質材料又可以用于植株的種植，減少土壤及泥炭需求，不僅對環境友好，響應了“雙碳”政策，而且在一定程度上可以形成成體系、低投入、高回報且環境友好的“農業廢棄物—基料化利用—植株種植—農業廢棄物”農業生產循環體系。

2 “雙碳”背景下農業廢棄物基料化利用及新型基質種植的具體應用案例

2.1 農業廢棄物所制備的新型基質可參與海綿城市建設

海綿城市最根本的目的是進行城市雨洪管理，讓城市能夠像海綿一樣順應環境變化且對雨洪帶來的自然災害具有良好彈性。但與此同時，海綿城市實際也具備緩解城市熱島效應、調節微氣候及減碳的作用，因此在“雙碳”目標達成的過程中有重要意義[10]。因為基質種植本身的特性，可以很好地實現立體綠化及垂直綠化，故可以通過基質種植實現在城市中利用建筑物、屋頂、墻面等空間進行種植，極大地增加了城市綠化覆蓋面積，提高了城市的生態系統服務能力，助力實現海綿城市的生態目標[11]。

具體來說，基質種植在海綿城市建設中的作用主要體現在以下幾個方面。

2.1.1 雨水管理

基質種植可以利用植物根系和基質材料的吸水作用，將雨水進行自然滯留和過濾，從而達到城市雨洪治理的目的。這滿足海綿城市中雨水的處理方式需求，不僅讓城市的蓄水能力、保水能力大大加強，同時也可以提高城市的雨水利用效率，減少城市水資源的浪費和環境污染[12]。

2.1.2 生態保育

基質化種植可以保護生態環境，為城市中的生物提供棲息和繁衍的場所，從而促進城市生態系統的平衡。保護了生物多樣性和生態系統的穩定性，間接提高了城市的生態環境質量及生物豐度。

2.1.3 控溫減排

基質種植可以讓城市綠化體量在現今的基礎上增加數倍，而大量的綠色植株可以通過光合作用和蒸騰作用釋放氧氣，吸收二氧化碳，凈化空氣，減少溫室氣體的排放。此外，由于溫室氣體排放的有效控制，城市的熱島效應也可以很好地得到解決，從而節約城市降溫排氣方面的能源消耗，助力實現雙碳目標[2]。

因此，基質種植滿足了海綿城市的建設需求，甚至可以幫助海綿城市由“低碳”向著“零碳”方向發展，助力人工碳匯[13]。而在實現“雙碳”目標的過程中，荒漠化治理是無法繞過的一環，而基質種植也是荒漠化治理的重要手段之一。

2.2 農業廢棄物所制備的新型基質種植可參與荒漠化治理

荒漠化是指土地上的植被逐漸消失，土壤質量下降，最終導致環境退化的過程，有氣候干旱等自然因素和植被破壞等人為因素兩方面原因[14]。而荒漠化治理則是通過各種手段，包括植樹造林、防風固沙、種草等，來恢復和保護沙漠地區的生態環境。這些措施可以幫助增加土地的碳吸收能力，從而減少大氣中的二氧化碳含量，達到“碳中和”的目的。此外，荒漠化治理還可以改善當地的生態環境，促進植被生長，提高土地的生產力，增加自然碳匯，形成良性循環。因此，荒漠化治理與“碳中和”的目標是相互關聯、相互促進的[15]。

雖然基質種植多用于城市綠化，但是對于荒漠地區而言，也可以采用基質種植來改善荒漠化的問題?；哪母驹蛟谟谠寥兰皾穸葴囟鹊拳h境因素不再適合植株生長，而基質種植則正好具備無土種植以及需水量少的優勢，因此通過基質種植可以達到荒漠綠化增加的目的，改善沙漠地區的生態環境，抑制荒漠化的過程[16]。與此同時，綠色植株的增加減少了碳排放量，達到了碳中和的目的，也促進了荒漠化地區生態系統的恢復和保護[17]。

2.3 農業廢棄物基料化利用可助力農業生產“減排固碳”

據統計，包括二氧化碳和甲烷在內，我國農業生產過程中的溫室氣體排放占溫室氣體總排放量的10%左右[18]，而其中占比很大的一部分便是作物秸稈的降解。農業生產原本土壤量巨大，固碳潛力巨大，因此“雙碳”背景下的農業生產重心更應放在減排上，基于這個目的，對作物秸稈及糞污的資源化利用就顯得尤為重要。就“減排”這一角度，對農業廢棄物最好的資源化利用方式便是基料化利用：利用堆肥、熱處理及化學去毒等手段，將需要焚燒或厭氧發酵的農業廢棄物轉化為具備土壤種植功能的栽培基質[5]。

“雙碳”背景下的農業廢棄物基料化利用相較于能源化、肥料化及飼料化等傳統資源化利用手段，其優勢主要體現在以下兩方面。

2.3.1 “減排”：溫室氣體排放更少

作物秸稈最常用的處理方式是填埋、堆放及焚燒，這幾種處理方式都會造成溫室氣體如二氧化碳及甲烷等的過量排放。少量得到傳統資源化利用手段處理的廢棄物經處理成為肥料，經厭氧發酵生成沼氣，雖然做到了廢物利用，減少了資源浪費，但是本質上沒有減少溫室氣體的排放。而基料化利用相較于其他資源化利用方式，僅有少部分廢氣排放。

2.3.2 “固碳”：提供更多植株種植載體

農業廢棄物經過基料化利用得到的產物是種植基質，可以繼續用于作物的栽培，并且和傳統土壤種植比較，基質種植所需肥料更少，作物產出量更高。我國雖然是農業大國，但是我國人均耕地面積遠低于世界人均耕地面積，而農業廢棄物的基料化利用在一定程度上緩解了耕地資源稀缺的問題?；匣眠€能將更多有機成分如纖維素、木質素固定下來，產出的基質可以用來種植更多綠植，綠植的增多又能夠吸收更多的二氧化碳，從多方面實現了“固碳”的目標。

3 農業廢棄物基料化利用及基質種植在“雙碳”中的應用價值

如上文所說，農業廢棄物基料化利用助力“雙碳”目標達成主要通過以下三個渠道實現：1）減少泥炭的開采，保證泥炭沼澤的自然碳匯，減少不飽和泥炭層的降解和氧化；2）減少農業廢棄物不當處理導致的溫室氣體排放，達到減排的目的；3）產出種植基質，提供更多植株種植載體，綠植種植體量增加則能吸收更多溫室氣體，達到固碳的目的。

農業廢棄物產出的新型基質應用范圍非常廣泛，除去上文所述，種植基質還可以用于城市農業生產、生態環境保護等領域，而通過基質種植技術，可以通過增加綠植栽種量提高生態系統的穩定性和可持續性，在保護生態環境的同時助力實現“雙碳”目標。

因此，農業廢棄物基料化利用對于“雙碳”目標的實現有重要意義，在“固碳減排”層面，基質種植及農業廢棄物基料化利用是大有可為的[19]。

4 未來展望及難點

可以肯定的是，農業廢棄物基料化利用及新型基質種植技術具有廣闊的應用前景且對于“雙碳”目標的實現具有重要意義，但是依然存在一些根本問題。

4.1 運輸成本及貯藏成本高

農業廢棄物體量大、體積大，貯藏成本及運輸成本遠高于廢棄物材料本身的成本，因此，為了降低貯藏及運輸成本，最直接有效的方式便是就地取材。因原材料為農業廢棄物，產出基質可以繼續栽種農作物，后續作物的廢棄物又可以再利用，故希望能夠形成體量大且技術成熟的“農業廢棄物—基料化利用—植物種植—農業廢棄物”近閉環系統[6]。隨著全球碳交易市場的逐步建立和發展，成體系的近閉環系統可以更好地建立人工碳匯，從而具有更大的碳減排潛力和經濟利益，對實現“碳中和”和推動可持續發展具有重要意義。

4.2 缺乏碳匯計算分析標準

從理論層面可以看出，農業廢棄物基料化利用及基質種植在“碳中和”實現道路上意義重大，但是尚缺乏能具體量化的指標，如碳排放量、減排量、碳匯量及碳中和量等，僅能從原理及概念上指出其未來前景是光明的，但是如何量化相關指標以得到最好的固碳效果還不明確。雖然現在基質種植體量還較小，但是就市場需求及發展趨勢來看，未來基質種植體量會以較快的速度增長，因此，對于相對難以量化的基質種植達成的碳匯相關指標，也應當形成更準確且成體系的標準。

4.3 現有基料化技術不夠穩定高效

農業廢棄物的基料化利用和基質種植技術涉及多個學科領域的知識，包括生物、化學、物理等，技術難度較大，且現有技術或多或少都有不足之處，如堆肥處理時間長，需要投入一定的設備，存在堆肥過程中氮損失較多、堆肥結果不穩定且有滲濾液臭氣排放的問題。而熱處理則存在高設備投入、高能耗及尾氣排放的問題。水洗時，為了能夠全面去除植物毒性物質會用到大量的水，清洗劑也會導致排放大量化學廢液，于環境而言并不友好。老化則需要極長的處理時間，同時也有臭氣和滲濾液排放。因此，為應對快速增長的基質種植需求，開發穩定高效的基料化利用技術是當務之急。

4.4 規?；罢攮h境瓶頸

當前，農業廢棄物的基料化利用和基質種植技術還不夠成熟，規模相對較小，很難實現產業化生產。而技術的研發也需要設備、人力、物資等方面的大量投入，需要政府和企業共同合作才能夠逐步實現，包括財政補貼、稅收減免、技術標準等方面。缺乏政策和法律的支持，技術則難以發展，推廣和大規模應用也就難以在短期內實現。

農業廢棄物的基料化利用和基質種植技術在“雙碳”道路上具有很大的發展前景和應用潛力，但是雖然前景光明，目前也還有很多問題需要解決，只有克服了技術難點、體系問題、規?；瘑栴}和政策環境等方面的挑戰，才能夠實現可持續發展和廣泛應用。