棉秸稈生態化綜合利用技術研究

2014-04-29 01:52:48張麗張佳喜張海春喻晨蔣永新

農學學報 2014年11期

張麗　張佳喜　張海春　喻晨　蔣永新

摘要：為了提高棉花秸稈合理高效的利用，減少可利用資源的浪費及對生態環境產生的不利影響，使棉秸稈發揮出可再生資源的優勢而提出相關技術研究。本研究從棉秸稈生態化綜合利用的角度，提出棉秸稈作肥料、飼料、燃料的利用技術的實施方法及重要問題，以期推動新疆地區棉秸稈資源合理利用的進程。本研究主要包括5個部分：第1部分，引言，綜述了棉秸稈資源利用的國內外研究進展；第2部分，綜合利用優勢，具體提出4個方面的綜合利用優勢；第3部分，傳統處理方式的危害分析；第4部分，綜合利用技術研究；第5部分，結論。總結本研究工作，提出未來工作的重點。

關鍵詞：棉秸稈；生態化；綜合利用技術

中圖分類號：X712 文獻標志碼：A 論文編號：2014-0141

Ecological Utilization Technology of Cotton Stalks

Zhang Li， Zhang Jiaxi， Zhang Haichun， Yu Chen， Jiang Yongxin

（Institute of Agricultural Machinery， Xinjiang Academy of Agricultural sScience/Equipment and Technology Experiment Station of Both Forestry Fruit Cotton and Agricultural Facilities in Xinjiang， Urumqi 830091， Xinjiang， China）

Abstract： The research aims to improve the use of cotton stalks rationally and efficiently， reduce the waste of available resources and avoid adverse impact on the ecological environment， so that the cotton stalks can play its role as renewable resources. From the perspective of ecological utilization of cotton stalks， the author came up with the application technologies and relevant issues of cotton stalks， such as the cotton stalks used as fertilizer， feed and fuel， in order to promote the rational utilization of cotton stalks resources. This paper consists of 5 parts： the first part was the preface： the utilization status of cotton stalks resources at home and abroad； the second part： advantages of utilization and propose advantages of utilization in four specific areas； the third part： the traditional approach of hazard analysis； the fourth part： comprehensive utilization technologies； the fifth part： the conclusion. The author summarized the research work and proposed the focus of future research.

Key words： Cotton Stalks； Ecology； Utilization Technology

0 引言

棉秸稈是農作物的一種副產物，常被用于加熱燃料或是直接遺棄。近年來，隨著中國經濟的飛速發展，秸稈的燃料價值明顯降低，秸稈焚燒帶來的各種環境問題也引起了人們的高度關注和重視。為此，必須探尋一種綜合利用技術，為了提高棉花秸稈合理高效的利用，減少可利用資源的浪費及對生態環境產生的不利影響，使棉秸稈發揮出可再生資源的優勢。本研究提出了相關技術研究。

由于棉花秸稈和小麥秸稈的物理性質較為相似，研究者大多以小麥秸稈作為新能源來進行開發和利用。據美國農業部的一項統計資料，全美每年能夠收集起來的小麥秸稈就多達4500萬t，而這些僅占全年產生的所有小麥秸稈的50%。秸稈在美國的用途很廣，可用作飼料、手工制品等，有的地方還用來蓋房，將整捆的秸稈高強度擠壓后填充新房的墻壁。近幾年，秸稈的綜合回收利用還與纖維素乙醇的提煉聯系起來。近年來，美國加大了秸稈綜合回收利用的研發力度。美國能源部明確指出，小麥秸稈是可再生生物能源的一個重要來源。2007年6月，美國農業部和能源部分別出資1400萬美元和400萬美元，共同設立1項基金，資助有關生物燃料、生物能源及相關產品的研究與開發；丹麥是世界上首先使用秸稈發電的國家。位于丹麥首都哥本哈根以南的阿維多發電廠建于20世紀90年代，被譽為全球效率最高、最環保的熱電聯供電廠之一。阿維多電廠每年燃燒15萬t秸稈，可滿足幾十萬用戶的供熱和用電需求。

與煤、油、天然氣相比，秸稈成本低、污染少，是電廠認為最劃算的燃料。此外，秸稈燃燒后的草木灰還可以無償地返還給農民作為肥料。使用秸稈發電，電廠降低了原料的成本，百姓享受了便宜的電價，環境受到保護，新能源得以開發，同時還使農民增加了收入，串聯起了一個“黃金圈”；日本處理秸稈的方式主要有2種：混入土中還為肥料，以及作為粗飼料喂養家畜。根據近年統計數據，該國每年產生的秸稈幾乎被全部利用。其中，翻入土層中還田的約占68%，作為粗飼料養牛的約占10.5%，與畜糞混合做成肥料的約占7.5%，制成畜欄用草墊的約占4.7%，只有一小部分難以處理的秸稈被就地燃燒。目前，日本正在積極挖掘秸稈的燃料轉化潛力。有官員表示，當務之急是開發出利用植物纖維的生物燃料，避免影響糧食供應價格。對于燃料和糧食都依賴進口的日本來說，這一點尤為重要。據悉，日本地球環境產業技術研究機構與本田技術研究所已共同研制出從秸稈所含纖維素中提取乙醇燃料的技術[1]。

目前，棉秸稈循環再利用的方式有多種。絕大部分棉秸稈直接還田，影響耕作質量、加劇棉田土傳病害等問題，已嚴重影響棉花產業的健康發展。棉秸稈的飼料化、燃料化、肥料化、基質化綜合利用前景十分廣泛。棉秸稈木質纖維較高，綜合利用過程中均需要將棉秸稈按使用目的進行揉絲粉碎，方可混配、發酵、壓塊等后續加工。對于棉花秸稈這種質地堅硬、木質化程度很高的低質秸稈粗飼料，氨化、微貯、復合等常規的粗飼料處理方法作用甚微，而1% AHP浸泡處理能夠顯著降低秸稈的木質素含量、提高瘤胃微生物的發酵利用率，效果較好[2]。吳杰[3]就目前新疆棉稈在切碎還田、飼料加工、造紙造板、燃料化、食用菌培養以及其他用途中的應用現狀和存在的問題進行了分析，并對棉稈的合理利用作了初步探討，提出了幾種可行的利用路線，為棉稈產業化開發利用提供一定依據。慈溪市庵東鎮經過5年來的實踐證明，利用秸稈切碎還田機，提高了工效，利用棉秸稈資源，改良了土壤，避免了環境污染，增加了棉農收入，促進了農業機械化可持續發展[4]。

近年來，隨著中國《可再生能源法》的頒布實施，生物質能的綜合開發利用受到社會各界的廣泛關注和重視，對棉秸稈進行開發利用不僅符合國家的產業政策，而且還能對農業產業結構起到一定的調整作用，有助于農民收入的增加。由此可見，棉秸稈綜合開發利用具有非常廣闊的發展前景。

1 棉秸稈的綜合利用優勢

棉秸稈屬于一種可再生的生物質能借助相應的轉換技術，能夠對棉秸稈進行炭化、固化及汽化處理，從而使其轉換為木炭、可燃性氣體以及電力[5]。中國的很多地區都以棉花為主要農作物，如新疆等，這些地區每年可以產生出數量極為龐大的棉秸稈，如果可以將這些棉秸稈進行合理、有效地利用，必將會使農民從中大幅受益。棉秸稈炭化試驗結果顯示，每噸棉秸稈大約能夠產出木炭300 kg、木焦油24 kg、木醋液220 kg，其生產成本約為500元左右[6]。按照較保守估計，年處理棉秸稈在100萬t，其產值可達10億元左右，對棉秸稈進行綜合開發利用，能夠為棉花種植地區帶來非常巨大的經濟效益，并且還有可能形成新的產業，這對于推動地區經濟發展具有積極的作用。同時，處理 500萬t棉秸稈，能夠節省250萬t標準煤，其所產生的社會效益也十分明顯[7]。棉秸稈綜合利用的優勢具體體現在以下4個方面。

1.1 有利于提高農民的收入

通過棉秸稈的研究開發利用，能夠使秸稈從現有的焚燒和掩埋處理轉變為合理、有效的利用，棉秸稈的經濟價值可以獲得顯著提高，從而可以使農民從中獲得一定的經濟效益。

1.2 有助于緩解農村能源緊缺問題

通過棉秸稈汽化發電技術，能夠為農村提供生產、生活所需的電能，這樣一來節省了大量的常規能源[8]。同時，棉秸稈合理的規劃利用，還可以實現集中供電、供氣，有利于加快農村城鎮化建設進程，不僅可以進一步提高農民的生活水平，而且還能有效緩解農村能源緊缺的問題。

1.3 有利于改善農村生態環境

借助棉秸稈固化等技術，可以使棉秸稈獲得統一、合理的應用，有效避免了棉秸稈隨處堆放和處置給土質肥力帶來的影響，同時還防止了由于棉秸稈大量焚燒時產生的有害氣體對環境的污染和破壞，農村的自然生態環境獲得了明顯改善。

1.4 有助于推動可再生能源利用

中國的棉秸稈資源非常豐富，而且這種資源具有良好的可再生性[9]。通過對該資源的合理開發利用，以生物質利用技術，再結合棉秸稈自身的特點，可以創造出以棉秸稈為原材料的生物質能應用技術，這對于促進中國可再生能源的綜合利用具有非常重要的意義。

2 棉秸稈傳統處理方式的危害分析

在相當長的一段時期，農村在處置棉秸稈時采用的是直接焚燒，由此所產生的危害非常嚴重，具體體現在以下4個方面。

2.1 污染環境、危害健康

按照相關數據顯示，對棉秸稈進行焚燒處理時，空氣中的SO2、NO2以及可吸入顆粒物這3項污染指標全部都會達到峰值，其中可吸入顆粒物的污染最為嚴重，其濃度要比平時高出3倍左右，相當于日均濃度的5級水平[10]。當人體吸入了超過一定濃度的可吸入顆粒物之后，會對眼睛、上呼吸道器官的黏膜產生極強的刺激，輕則會引起流淚、胸悶、咳嗽等癥狀，嚴重時有可能造成支氣管炎。

2.2 容易引發火災

棉秸稈本身屬于易燃物，尤其是在干燥的環境當中，棉秸稈非常容易燃燒，并且還有可能引燃周圍的易燃物，如果在村莊附近對棉秸稈進行焚燒處理，一旦引起火災，極有可能造成連鎖反應，其后果不堪設想。此外，棉秸稈焚燒的過程中不但會形成大量的煙霧，焚燒之后的地方還會出現大面積焦土，對地區環境形象破壞較大。

2.3 會引起耕地質量下降

在農田當中對棉秸稈進行焚燒會導致地面溫度急劇升高，土壤當中的有益微生物會被直接燒死，這樣一來土壤的自然肥力及保水能力均會大幅度下降，水分損失率約為65%～80%，不僅會影響農田作物的產量及質量，而且還會間接影響到農業收益[11]。

2.4 有可能引發交通事故

在露天環境中對棉秸稈進行焚燒處理時，會產生出大量的濃煙，對公路、鐵路、民航的正常運營均會造成一定程度上的影響，從而給交通安全帶來潛在的威脅。此外，每逢農作物收割的季節，機場都會受到秸稈焚燒的危害，嚴重時會影響航班的正常起落，一旦引起事故，將會造成極其嚴重的社會影響。

3 棉秸稈生態化綜合利用技術研究

鑒于棉秸稈焚燒的種種危害，這種處理方式顯然是不可行的，為此，必須積極探尋出一種合理、有效、可行的棉秸稈處理技術，在專家學者的不斷研究和探索中，開發出了棉秸稈生態化綜合利用技術，不僅有效解決了棉秸稈焚燒處理中造成的危害，而且還使棉秸稈獲得了有效利用，由此產生出巨大的經濟效益，棉秸稈的價值如表1所示。

3.1 棉秸稈燃料

目前，生物質能已經成為僅次于煤炭、石油以及天然氣的第四大能源，在全球能源總消費量中占14%，中國每年農作物秸稈資源量約占生物質能資源量的50%左右[12]。棉秸稈能源轉化的方式主要有2種：一種是秸稈氣化，另一種是厭氧發酵產生沼氣。通過棉秸稈生產沼氣不僅可以為農民提供清潔無污染的能源，而且還能有效改善農民的生活環境。由于棉秸稈的來源比較廣泛、數量也十分巨大，基本不會出現原材料供給不足的情況。通過試驗可知，每千克的棉秸稈大約能夠生產出2 m?左右的燃氣，這部分燃氣在稍高于常壓的狀態下可以通過管道直接輸送給農戶，并且能夠像天然氣一樣燃燒，在整個燃燒過程中，不會產生煙塵和污染，在農村具有非常廣闊的發展前景。此外，也可將棉秸稈固化為成型燃料。這種燃料具有體積小、容量大、燃燒好、熱效率高、清潔無污染、可再生等優點，棉秸稈每千克的熱值約為1.68×104 J，與次煤的熱值基本相同。在煤炭、石油價格持續走高的今天，棉秸稈在燃料方面的利用前景越來越廣闊。

3.2 棉秸稈肥料

棉秸稈在發酵之后除了能夠產生出沼氣作為燃料之外，而且還能產生出沼液、沼渣，這2種物質能夠直接作為肥料進行使用，這使得棉秸稈資源獲得了更為有效的利用。棉秸稈當中含有大量的微量元素和有機質，是農業生產中較為重要的有機肥源，并且還具有良好的生態效應，是綠色及無公害農業的重要肥源[13]。如果利用棉秸稈還田的話，每500 kg可相當于向土壤當中施用50 kg左右的標準肥，這樣一來不僅能夠有效減少土壤本身的容量，而且還能增加土壤的透氣性和透水性，有助于緩解土壤板結問題。在棉秸稈的實際利用中，可以結合化學肥料一起施用，具體做法是將棉秸稈粉碎漚制，與化肥一并施入到土壤中，當棉秸稈發酵腐爛之后，便會轉化為供農作物吸收的養分，從而使土壤肥力大幅度提高。通過綜合利用可將棉秸稈作為肥料回歸農田，這樣不僅能夠起到改良土壤的作用，而且還有助于提高耕地的基礎地力，對于促進中國農業可持續發展具有非常重要的現實意義。

3.3 棉秸稈飼料

中國是一個典型的農業大國，與國外的一些發達國家相比，中國的畜牧業比例相對偏低，而想要大力發展畜牧業，飼料資源是不可或缺的條件之一[14]。然而，近年來，國內大部分地區的草原退化及沙化現象越來越嚴重，牧草供應明顯不足，為了推動畜牧業的發展，必須尋找一種牧草飼料，棉秸稈飼料無疑是最佳選擇。但由于棉秸稈的自然密度約為30～50 kg/m?，屬于典型的蓬松原料，這種原料的缺點是不利于運輸和存儲，從而使得棉秸稈的深加工和二次開發利用受到一定程度的影響[15]。為此，想要使棉秸稈成為飼料，首要解決的問題是高密度壓縮，一些研究機構針對該問題進行了不同程度的壓縮試驗，結果顯示，作為棉秸稈壓縮飼料，其不但便于運輸，而且還會進一步提高飼料的營養水平。棉秸稈經過高溫壓縮處理之后，可以形成塊狀飼料，這樣既便于儲藏、運輸和長期保存，而且壓縮之后的棉秸稈還不容易燃燒，其營養水平顯著提高，能夠滿足動物對粗纖維的需求。以棉秸稈為主的畜牧粗飼料具有非常大的開發潛力，根據相關測算結果顯示，每萬噸棉秸稈壓縮飼料用于養殖業，可供3000頭牛1年食用的粗飼料，如果是肉牛的話可增加體重15%左右，奶牛則可增產增收16%左右，并且這些飼料還可以形成糞便，不僅能夠用于沼氣制作，而且還能形成可替代化肥[16]。大量的實踐表明，棉秸稈是最為豐富、品質較佳的粗飼料資源。

4 結論

總而言之，棉秸稈作為一種可再生資源，其作為燃料、肥料和飼料進行應用，這使得棉秸稈變廢為寶。在未來一段時期，應當重點對棉秸稈生態化綜合利用技術進行研究，充分發揮棉秸稈自身的應用價值。建議加大棉秸稈綜合利用力度，加快實施棉秸稈能源化、原料化、肥料化，以此來提高其綜合利用水平。同時，還應加大輿論宣傳，對棉秸稈焚燒行為進行嚴查。此外，應開展科技攻關，進一步擴大棉秸稈的工業化利用量。

參考文獻

[1] 竇樂.看國外如何處理秸稈[J].農家參謀，2013（1）：41.

[2] 方雷.棉花秸稈不同飼用處理的效果評價[J].營養飼料，2010，46（1）：40-42.

[3] 吳杰.新疆棉花秸稈利用現狀分析和探討[J].中國棉花，2005，33（2）：9-11.

[4] 姚毛龍，陳紀康，屠小其.棉秸稈切碎還田效果與技術探討[J].安徽農學通報，2007，13（9）：119.

[5] 石陽.農作物秸稈綜合利用研究及其在濱州市的示范應用[D].濟南：山東大學，2012：27-29.

[6] 景璟.廣西農作物秸稈綜合利用現狀與對策研究[D].南寧：廣西大學，2012：37-38.

[7] 相俊紅.農作物秸稈綜合利用機械化技術推廣研究[D].北京：中國農業大學，2005：36-37.

[8] 葛明華.吉林省秸稈資源現狀與綜合利用研究[D].長春：東北師范大學，2011：24-26.

[9] 崔紅梅.農民秸稈利用行為選擇：理論與實證分析[D].揚州：揚州大學，2010：14-16.

[10] 于春燕.黑龍江作物秸稈不同利用模式下的效益評價[D].哈爾濱：東北農業大學，2010：10-13.

[11] 侯新強.新疆農作物秸稈資源化綜合利用模式研究[D].烏魯木齊：新疆農業大學，2012：28-29.