1、秸秆还田技术
利用多种形式的秸秆还田(表1),不仅可增加土壤有机质和速效养分含量,培肥地力,缓解氮、磷、钾肥比例失调的矛盾;调节土壤物理性能,改造中低产田;形成土壤有机质覆盖,抗旱保墒;还可以增加作物产量,优化农田生态环境。
2、秸秆利用现状及存在的问题
近年我国粮食产区田间焚烧秸秆,污染环境,威胁飞机起降,影响车辆行驶,已成为一大社会问题。为此国家有关部门做了大量的工作,加大研究各种秸秆综合利用技术[5],建设各种秸秆利用示范工程,并采取禁烧秸秆管理措施,加大执法力度,虽取得一些成效,但目前焚烧秸秆行为仍很严重。目前存在的秸秆问题一是废弃量逐年增加,据2000年统计资料表明全国年产农作物秸秆量为6.48亿吨,其中以玉米、小麦和稻谷秸秆为主,占总秸秆产量的80%。每年秸秆用于造肥、机械还田和用作饲料、工业原料及种植基料等总消耗量为2.96亿吨,占总秸秆产量的45.7%,其余54.3%(3.52亿吨)用于燃料或被废弃,且其中用于燃料的秸秆量将逐年减少,而废弃量逐年增加。二是区域不均衡,秸秆年产量最多为华东地区(1.85亿吨),其次为华南地区(1.47亿吨)、东北地区(1亿吨)、华北地区(0.91亿吨)、西南地区(0.79亿吨)、西北地区(0.46亿吨);而山东、河南、四川、河北、黑龙江、江苏、吉林、安徽、湖北和湖南省10省秸秆产生量最多,其中河南、河北和山东省焚烧秸秆污染问题最突出。三是时间不均衡,焚烧秸秆发生在收获期与下次播种期之间,时间短,处理量大,有的地方必须在几天内“处理”掉秸秆,满山遍野秸秆只有付之一炬。四是焚烧秸秆地区经济较发达,农民生活水平较高,宁肯买液化气也不愿用秸秆做燃料,而城乡结合部和农村规划小区秸秆废弃问题尤为严重。
就其物质属性而言,秸秆利用可归纳为燃料、饲料、肥料、基料和原材料“五料”。一是秸秆用作畜牧优质饲料。机械设备可以归纳为颗�；�，秸秆颗�；�，秸秆压块机，饲料颗粒机，秸秆粉碎机等随着我国肉、奶制品生产量的增加,对秸秆消耗量也在不断增加,目前秸秆消耗量占总秸秆量的27%左右。二是秸秆用作基料。目前主要用于食用菌栽培和无土栽培,也有用于养殖蚯蚓等,其秸秆消耗量很少。三是秸秆用作原料。主要用于造纸,少量用于制帘栅、餐盒、包装板、隔音板、保温材料、人造炭和糠醛原料等,总消耗量占秸秆总量的3%左右。四是秸秆用作肥料。过去主要是与禽畜粪便一同发酵为有机肥。广泛利用化肥后,这种传统沤肥逐渐减少。近年来秸秆大量过剩的地区实行秸秆机械化还田(粉碎撒于田间),其秸秆消耗量占总秸秆量的15%左右。而秸秆还田技术中最理想的是“秸秆消化”技术,即植物秸秆返回土壤中,在微生物作用下又生成水、一氧化碳、矿物质形成良性循环。但秸秆还田也有很大局限性,我国人多地少,耕地不能实行轮作休耕制,连续耕种,将未发酵腐烂的干枯秸秆埋于农田中非但起不到肥田作用,反而影响作物出苗率,实际应用中秸秆机械化还田在很多地方已被放弃。五是秸秆用作燃料,目前全国广大农村仍主要用秸秆作燃料。国内频频出现“秸秆焚烧问题”后,有关部门试图采取生物能转化技术以提高燃料质量,进而提高使用秸秆作燃料的积极性。
自“七五”开始国家有关部门加大了这方面的工作力度,相继建立了几百个秸秆气化示范点。其工艺路线有3种。一是空气氧化气化法,即将秸秆在气化炉中不完全燃烧,获得以一氧化碳为主的低热值可燃气,供农民生活用气;二是干馏热解法,即将秸秆在热解炉中进行隔绝空气干馏,获得以CH4,H2为主的中热值可燃气,供农民生活用气,同时获得人造木炭和木焦油等工业产品;三是气化发电法,即将秸秆气化获得可燃气,再通过燃气发电机发电。秸秆气化技术是一种很好的生物质能转化技术[6],为“消化”秸秆的好方法,但目前农村建设供100～200户管道燃气的秸秆气化系统存在很多问题。一是用秸秆制造燃气和用煤制造煤气其技术本质没有区别,某个城市能否建设煤气供应系统不是取决于是否有原料,而是取决于该城市的经济发展和财政收入状况及市民文化物质水平的高低等因素[7],而农村建设人工燃气管道供应系统也未尝不是这些因素所决定的。目前我国农村仍属低水平、不全面的小康型,有些地区尚未达到温饱型,故在相当长的历史时期内居住分散、生活水平较低的农村不可能大面积推广管道化秸秆气化工程,况且目前我国很多中小城市尚未普及管道燃气。经过对许多农村的调查表明,农民保证吃、穿后,随着其收入的提高,希望改善生活条件的顺序依次为房屋、电、自来水、电视、电话、交通工具和燃料,这说明广大农村目前对管道燃气需求尚未达到相当迫切程度。没有农民自身的积极性,仅靠国家补贴在农村建设管道燃气是不可取的,且由于财力有限,国家的补贴也有限,目前所建的秸秆气化供气系统投资都偏低,造成建设质量隐患很多,全国所建设的几百个秸秆气化站完全符合燃气建设技术规范的并不多。有些地方和部门虽为推广秸秆气化而制定了部门标准、地方标准,使其气化系统“合法化”,但降低了上百年总结出来的技术标准,只能是“削足适履”,其隐患不除,事故必将不断出现且不可能保证长期安全运行。二是秸秆气化提高了能源利用率,若用秸秆气化代替直接燃烧秸秆,非但不能“消化”秸秆,反而造成秸秆过剩。1个200户的秸秆气化站每年仅消耗400t秸秆,全国几百个气化站每年消耗几十万吨秸秆,仍有大量过剩秸秆得不到有效的利用,也解决不了“秸秆焚烧问题”。三是近年在秸秆气化方面有关部门推行秸秆氧化气化路线,该路线设备简陋且生产的燃气热值低和杂质多,根本达不到国家民用燃气标准,又多在亏损无经济效益下运行,目前全国共建小气化站700多个,投入资金3亿多元,但大部分都已停产或报废。目前秸秆利用仍未跳出“农业问题”的误区,采取小农意识的做法是解决不了秸秆过剩、焚烧秸秆污染环境的社会问题。
3、秸秆综合利用技术
3.1 秸秆饲料技术
秸秆中含量较高的粗纤维(约占秸秆干物质的20%～50%[8]),限制了瘤胃中的微生物和消化酶对细胞壁内溶物的消化作用,导致秸秆适口性和营养性差,无法被动物高效地吸收利用。因此,开发和利用秸秆饲料资源,提高其利用率和营养价值势在必行。在实践中,秸秆饲料的加工调制方法一般可分为物理处理、化学处理和生物处理3种[9]。这些处理方法各有其优缺点。切段、粉碎、膨化、蒸煮、压块等物理方法虽简单易行,容易推广,但一般情况不能增加饲料的营养价值�；Т矸ǹ梢蕴岣呓崭训牟墒沉亢吞逋庀�,但也容易造成化学物质的过量,且使用范围狭窄、推广费用较高。生物处理法可以提高秸秆的营养价值,但要求技术较高,处理不好,容易造成腐烂变质。
3.2 秸秆能源化技术
秸秆的能源密度为13～15mgkg,作为主要生活燃料,其能源化用量占农村生活用能的30%～35%。现行主要的秸秆能源化利用技术有秸秆直燃供热技术、秸秆气化集中供气技术、秸秆发酵制沼技术、秸秆压块成型及炭化技术等。
3.2.1 秸秆直燃供热技术
作为传统的能量转换方式,直接燃烧具有经济方便、成本低廉、易于推广的特点,可在秸秆主产区为中小型企业、政府机关、中小学校和相对比较集中的乡镇居民提供生产、生活热水和用于冬季采暖。目前,英国、荷兰、丹麦等国家已采用大型秸秆锅炉用于供暖、发电或热电联产[10]。我国秸秆直燃供热技术起步较晚,适合我国农村特点的、运行费用低于燃煤锅炉的小型秸秆直燃锅炉的研究正加紧进行。
3.2.2 秸秆气化集中供气技术
秸秆气化是高品位利用秸秆资源的一种生物能转化方式。经适当粉碎后,秸秆在气化装置内不完全燃烧即可获得理论热值为5724kJm3气,其典型成分为:CO20%,H215%,CH42%,CO212%,O21.5%,N24915%。燃气经降温、多级除尘和除焦油等净化和浓缩工艺后,由罗茨风机加压送至储气柜,然后直接用管道供用户使用[11]。秸秆气化集中输供系统通常由秸秆原料处理装置、气化机组、燃气输配系统、燃气管网和用户燃气系统等五部分组成,供气半径一般在1km之内,可供百余户农民用气。目前全国已有380余处秸秆气化集中供气示范点,仅山东就有170余处。秸秆气化经济方便、干净卫生,在小康村镇建设中广受欢迎。但大规模推行秸秆制气还需解决气化系统投资偏高,燃气热值偏低,以及燃气中氮气与焦油含量偏高等问题。
3.2.3 秸秆发酵制沼技术
秸秆制沼历史悠久,它是多种微生物在厌氧条件下,将秸秆降解成沼气,并副产沼液和沼渣的过程。沼气含有50%～70%的甲烷,是高品位的清洁燃料,它可在稍高于常压的状态下,通过PVC管道供应农家,用于炊事、照明、果品保鲜等,或加工成动力燃料和甲醇等,做双料发动机燃料。秸秆可直接投入沼气池,也常用做牲畜饲料,转化成粪便进入沼气池。池中秸秆、人畜粪便和水的配比一般为1∶1∶8,在产沼过程中,需定期投入发酵基质及清理沼渣。实践表明:一个3～5口人的家庭,建一口8～10m3的沼气池,年产300～350m3的沼气,可满足一日三餐和晚间的照明用能[13]。因此,秸秆制沼不仅可优化农村能源结构,节约不可再生能源的消耗,还具有良好的经济、环境和生态效益。
3.2.4 秸秆压块成型及炭化技术
秸秆的基本组织是纤维素、半纤维素和木质素,它们通常在200～300℃下软化,将其粉碎后,添加适量的粘结剂和水混合,施加一定的压力使其固化成型,即得到棒状或颗粒状“秸秆炭”,若再利用炭化炉可将其进一步加工处理成为具有一定机械强度的“生物煤”。秸秆成型燃料容重为112～114gcm3,热值为14～18MJkg,具有近似中质烟煤的燃烧性能,且含硫量低,灰分小。其优点有:(1)制作工艺简单,可加工成多种形状规格,体积小,贮运方便;(2)品位较高,利用率可提高到40%左右;(3)使用方便,干净卫生,燃烧时污染极小;(4)除民用和烧锅炉外,还可用于热解气化产煤气、生产活性炭和各类“成型”炭。
3.3 秸秆的工业应用
3.3.1 生产可降解的包装材料
用麦秸、稻草、玉米秸、苇秆、棉花秆等生产出的可降解型包装材料,如瓦楞纸芯、保鲜膜、一次性餐具、果蔬内包装衬垫等,具有安全卫生、体小质轻、无毒、无臭、通气性好等特点,同时又有一定的柔韧性和强度,制造成本与发泡塑料相当,而大大低于纸制品和木制品。在自然环境中,一个月左右即可全部降解成有机肥。
3.3.2 用作建筑装饰材料
将粉碎后的秸秆按一定比例加入粘合剂、阻燃剂和其他配料,进行机械搅拌、挤压成型、恒温固化,可制得高质量的轻质建材,如秸秆轻体板、轻型墙体隔板、粘土砖、蜂窝芯复合轻质板等,这些材料成本低、重量轻、美观大方,且生产过程中无污染,因此广受用户欢迎。目前,秸秆在建材领域内的应用已相当广泛,秸秆消耗量大、产品附加值高,又能节约木材,很有发展前景。按胶凝剂分有水泥基、石膏基、氯氧镁基、树脂基等。按制品分有复合板、纤维板、定向板、模压板、空心板等。按用途分为阻燃型、耐水型、防腐型等。
3.3.3 生产工业原料
玉米秸、豆荚皮、稻草、麦秸、谷类秕壳等经过加工所制取的淀粉,不仅能制作多种食品与糕点,还能酿醋酿酒、制作饴糖等。如玉米秸含有12%～15%的糖分,其加工饴糖的工艺流程为:原料-蒸料-糖化-过滤-浓缩-冷却-成品。李莉等用稻草、玉米秸代替棉花、棉短绒为原料,制成纤维素,然后经化学改性、提纯等工序制得羧甲基纤维素产品,成本降低了20%。张启峰等[15]将玉米秸秆经过预处理、水解、净化、催化氢化、浓缩和结晶等步骤所制取的木糖醇,其质量可达到食品级标准。刘俊峰等[16]以稻草和麦秆为原料,用复合添加法制取了糠醛,出醛率达理论出醛率的70%～80%,废渣全部变为中性复合肥料。秸秆酸、碱水解发酵制酒精的工艺条件苛刻,对设备有腐蚀,运行成本高,而秸秆酶解发酵酒精选择性强,且较化学水解条件温和,目前国内外的研究已有一定进展[17]。
3.3.4 秸秆用于编织业
秸秆用于编织业最常见、用途最广的就是稻草编织草帘、草苫、草席、草垫、草编制品等。如草帘、草苫等可用于蔬菜工程的温室大棚中;草席、草垫既可保温防冻,又具有吸汗防湿的功效;而品种花色繁多的草编制品,如草帽、草提蓝、草毡、壁挂及其它多种工艺品和装饰品,由于工艺精巧,透气保暖性好,装饰性佳,深受国内外消费者的喜爱,因而已经成为一条效益很好的创汇渠道。
4、结论和建议
目前秸秆的综合利用技术,正从早期的蔽日遮雨材料、直接或堆沤还田、烧火做饭取暖、加工粗饲料,向着快速腐熟堆肥、气化集中供气、优质生物煤、高蛋白饲料、轻质建材和易降解包装材料、有价工业原料及高附加值工艺品等方向发展。从农业生态系统能量转化的角度来分析,单纯采用某一种利用方式,秸秆能量转化率和利用率会受到限制。因此,根据各类秸秆的组成特点,因地制宜,把其中几种方法有机地组合起来,形成一种多层次、多途径综合利用的方式,从而实现秸秆利用的资源化、高效化和产业化是未来生态农业发展的必然趋势。
