秸稈資源綜合利用現狀及展望

宋志偉 王晶 朱旭麗 鐘子楠 潘宇 喬艷云

摘要 為促進秸稈資源最大化利用，總結了國內外秸稈資源綜合利用情況，從燃料化利用、肥料化利用、飼料化利用、工業原料化利用和基料化利用幾方面，探討了我國秸稈綜合利用技術，并對我國未來秸稈資源綜合利用的發展方向進行了展望。

關鍵詞 秸稈；資源；綜合利用

中圖分類號 S216.2 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）07-0064-03

Present Research Status and Prospects of the Comprehensive Utilization of Straw Resources

SONG Zhi-wei， WANG Jing， ZHU Xu-li et al

（School of Environmental and Chemical Engineering， Heilongjiang University of Science and Technology， Harbin， Heilongjiang 150022）

Abstract In order to promote the maximum utilization of straw resources， the comprehensive utilization of straw resources at home and abroad was summarized， the technology of comprehensive utilization in China was discussed from the aspects of fuel utilization， fertilizer utilization， feed utilization， industrial raw materials utilization and material utilization， and the future development direction of comprehensive utilization of straw resources in China was prospected

Key words Straw；Resource；Comprehensive utilization

我國農作物種類繁多，以水稻、小麥、玉米為主；秸稈作為農作物的主要副產物數量龐大。據統計，2015年全國主要農作物秸稈可收集資源量為9.000億t，利用量為7.209億t，秸稈綜合利用率為80.1%[1]。秸稈中粗纖維含量為31%～41%，粗蛋白含量3%～6%，無氮浸出物含量42%，消化能為7.79～10.46 MJ/kg，是一種重要的可利用生物資源[2]。

近年來，隨著我國農業的快速發展，糧食產量不斷提高的同時秸稈產量也不斷增加，農作物秸稈存在大量剩余現象，且秸稈焚燒、亂堆亂放等現象屢見不鮮，已產生了嚴重的環境污染問題。近年來，雖然已在秸稈飼料化、肥料化和燃料化等資源化利用方面取得顯著成效，但仍存在利用率較低的問題。如秸稈的飼料化處理，由于其粗纖維含量高，飼喂過程中的消化、轉化率低，使秸稈飼料難以實現商品化、產業化；秸稈的肥料化利用中因原料來源分散，造成收集、運輸、儲存、發酵等成本偏高，往往需要政府補貼；秸稈燃料化利用技術雖是一種資源化利用效果較好的處理方式，但是仍存在著二次污染、設備投資大及原料利用效率低等問題；將秸稈作為食用菌基料和工業原料，消耗的秸稈數量十分有限。因此，進一步加大秸稈的利用，既能緩解燃料、飼料、肥料和工業原料日益緊張的現狀，又符合國家政策，還能減少資源浪費及保護農村生態環境。筆者綜述了國內外秸稈資源綜合利用現狀，旨在為提高秸稈的利用效率及減輕環境污染提供科學依據。

1 國內外秸稈資源綜合利用現狀

1.1 國外秸稈資源綜合利用現狀

國外比我國更早注意到秸稈的利用價值，特別是在發達國家，農作物秸稈資源綜合利用主要是將農作物秸稈用于能源和還田處理，如圖1所示，直接用于生活能源焚燒或者還田的秸稈占66%，是最主要的利用方式，加工成為建筑材料、蔬菜生產覆蓋等材料占19%，加工為飼料喂養家畜占12%，制作成手工藝品占3%[3]。此外，在秸稈發電、秸稈汽化、秸稈乙醇、秸稈建材等綜合利用方面也有很大進展和突破。

美國、西歐、加拿大、阿根廷等國家和地區，大部分麥秸和生產籽實的玉米秸稈都用于還田；在澳大利亞秸稈還田覆蓋已成為發展可持續農業的重要措施之一[4]。日本、韓國等國家以水稻為主要作物，日本的水稻秸稈大多翻入土層還田，約占68%；日本微生物學家正在研究一種秸稈分解菌技術，可以用于制作農作物秸稈肥，進一步發揮良好的經濟、生態和社會效益[5]。英國的洛桑試驗站進行連續試驗發現，7～8 t/（hm2·a）玉米秸稈翻壓還田，土壤有機質含量可提高2.2%～2.4%，而且通過對比試驗，秸稈直接還田對增加土壤有機質的效果明顯高于農作物秸稈堆腐后再還田[6]。

秸稈發電技術在歐洲一些國家已得到廣泛應用。英國、荷蘭、丹麥等國家已采用大型秸稈鍋爐用于供暖、發電或熱電聯產，以減少秸稈露天直接燃燒所帶來的能量損失。歐美國家生物質氣化發電技術處于領先水平，德國環境部于2001 年制定了《生物質能條例》和《生物質發電條例》，并于 2005 年對2條例進行了修改[7-8]，對秸稈沼氣、秸稈發電等秸稈新型能源化利用方式做了明確的規定。丹麥是世界上首先用秸稈發電的國家，可滿足上萬戶居民的用電和供熱需求，而秸稈燃燒后的草木灰又無償地還給農民用作肥料，從而形成了一個工業與農業相銜接的循環經濟圈[9]；瑞典能源中心采用生物質氣化和聯合循環發電等先進技術在巴西建成一座裝機容量為20～30 MW的蔗渣發電系統。同時，近年來歐洲等國在生物質液化技術方面開展了大量研究。德國Choren工業公司于2002年在Freigerg建立了大型的生物質液化示范工廠，以木屑和秸稈為原料。該工廠已生產出高品質的生物燃油，達到車用燃油要求。瑞典、德國、法國、意大利、丹麥、瑞士、芬蘭、日本等發達國家也十分重視固體成型燃料技術的研發。歐美各國所生產的生物質固體顆粒成型燃料，除了根據訂單供給生物質發電廠和供熱企業外，還以袋裝的方式在市場上銷售，為城鄉居民家庭提供生活燃料。近年來，利用秸稈等纖維物質制取燃料乙醇的方法引起人們的濃厚興趣，被認為具有良好的發展前景。以美國、加拿大、瑞典等為代表的發達國家特別重視秸稈燃料乙醇的研發，技術實用水平已接近產業化要求[10]；不僅如此，美國還頒布實施了《資源保護和回收法》[11]，把秸稈作為新興的生物替代燃料，從而轉化得到乙醇。

20世紀20年代初，人們就開始了秸稈板的研究。1921年美國建成了首家蔗渣纖維板廠。20世紀30、40年代，美國對麥秸生產絕緣板進行了研究。20世紀40年代以后，以蔗渣、麻稈、棉稈、稻殼等農作物秸稈為原料的人造板廠曾先后在許多國家有過不同程度的發展。1948年比利時建立了一條以亞麻稈為原料的刨花板生產線，其產量1973年達93萬m2；1963年美國建成一家日產100 m3的蔗渣碎料板生產線；20世紀80年代初期，菲律賓采用加拿大技術建成世界上第一座稻殼板廠[12]。

1.2 國內秸稈資源綜合利用現狀

我國秸稈資源豐富，產量大、分布廣、種類多，較為主要的秸稈就有近20種。近期國家發改委、農業部共同組織各省有關部門和專家，對全國“十二五”秸稈綜合利用情況進行了終期評估，結果見圖2。2015年全國主要農作物秸稈理論資源量為10.400億t，可收集資源量為9.000億t，利用量為7.209億t，秸稈綜合利用率為80.1%。

從“五料化”利用途徑來看，秸稈肥料化利用量為3.888億t，占可收集資源量的43.2%；秸稈飼料化利用量1.692億t，占可收集資源量的18.8%；秸稈基料化利用量0.360億t，占可收集資源量的4.0%；秸稈燃料化利用量1.026億t，占可收集資源量的11.4%；秸稈工業原料化利用量0.243億t，占可收集資源量的2.7%[1]；秸稈廢棄焚燒1.791億t，占可收集資源量的19.9%（圖2）。許多地區都剩余有大量秸稈，特別是山東、福建、四川、河南、河北等省，秸稈資源浪費現象嚴重，這些地區對秸稈的利用仍停留在以飼料、傳統生活燃料、還田肥料為主，其利用方式簡單粗放、效率低下、資源浪費嚴重。因此，如何將秸稈變廢為寶、提高秸稈綜合利用率、緩解資源約束、減輕環境壓力，是農業可持續發展和生態環境持續改善的重大課題。

2 我國秸稈資源綜合利用技術

2.1 燃料化利用

我國秸稈資源燃料化利用主要包括秸稈發電、秸稈液化、秸稈氣化和秸稈固化幾種方式。目前發展迅速且已規模化生產的生物能源產業有生物質發電、纖維素乙醇、沼氣和秸稈顆粒燃料。

我國于20世紀90年代末從丹麥引進生物質直燃發電技術，經過10余年的消化吸收，關鍵設備基本實現國產化。2014年底全國（不含港澳臺地區）已經有29個省（區、市）建設了生物質能發電項目，2015年我國生物質發電并網裝機總容量為1 031萬kW；其中，農林生物質直燃發電并網裝機容量約530萬kW，占總量的50%以上，我國的生物發電總裝機容量已居世界第2位，僅次于美國。“十三五”期間，我國生物質發電的相關政策將進一步明晰，預計到2020年底，生物質發電裝機將超過1 500萬kW。

2014年我國燃料乙醇產量達233.2萬t，混配E10乙醇汽油約2 140.0萬t，占當年汽油總消費量的近25.0%。目前已在黑龍江、吉林、遼寧、河南、安徽、廣西6省區及湖北、山東、河北、江蘇、內蒙古5省區的30個市試點車用乙醇汽油，實現了乙醇汽油的封閉運行。纖維素乙醇原料豐富，但生產技術難度大，我國目前仍處于產業化驗證階段；纖維素乙醇酶制劑成本高，總糖利用率低，規模化生產中酶制劑成本占總成本的20%～30%。酶制劑的精制、運輸等過程的成本占總成本的33.3%以上。如何降低酶制劑成本仍是目前纖維素乙醇示范裝置經濟性考核面臨的重大問題。

秸稈生物氣化是秸稈在厭氧條件下經微生物發酵而產生沼氣和有機肥料的技術工程[13]；經過近年來的不斷發展，目前我國沼氣用戶已達4 300萬戶，受益人口超過1.5億人，規模化沼氣工程已發展到10余萬處；2015年國家支持建設了日產沼氣500 m3以上的大型農村沼氣工程386個，并支持建設了25個日產生物天然氣1萬m3以上的大型生物天然氣工程開展建設試點。隨著能源問題的日漸突出，沼氣提純制取生物天然氣受到了廣泛關注，目前我國在廣西南寧、山東博興、內蒙古通遼等地已建成沼氣凈化提純制取生物天然氣示范項目。但我國沼氣凈化提純制取生物天然氣正處于起步階段，部分凈化提純關鍵技術仍需從國外引進[14]。

我國自20世紀90年代中后期開始研究農作物秸稈固化成型技術，借鑒歐美發達國家先進的農作物秸稈及生物質固化成型加工技術和設備，研制適合我國國情的加工裝備[15]。2002年中南林學院在國產飼料制粒機的基礎上結合瑞典生物質顆粒燃料成型機技術開發了生物質顆粒成型機及其環保節能灶和取暖爐[16]。2008年農業部規劃設計研究院成功研發出具有我國自主知識產權的生物質環模顆粒成型機，同時在北京大興區建成了年產1萬t的生物質固體成型燃料生產線[17]。2012年淮安市新建110條秸稈固化生產線，年消耗秸稈近30萬t，生產的秸稈固化燃料“秸稈煤”遠銷廣東、福建、浙江、蘇南等地，出現了一批如盱眙國綠、洪澤連弛等為代表的大型和特大型秸稈固化企業，單體年消耗秸稈在3萬t以上。目前，淮安市農作物秸稈正在逐步成為稀缺的生物質資源[18]。

2.2 肥料化利用

秸稈還田就是把玉米、水稻等作物的秸稈直接或堆積腐熟后施入土壤中的一種方法，是綜合消化利用秸稈的主要途徑[2]。目前，秸稈還田的方式主要有直接還田、間接還田和利用生化快速腐熟技術制造優質有機肥3種方式[19]。

直接還田是秸稈資源利用中最原始的技術，是將作物秸稈和糞便等直接施入土壤或覆蓋于農田表面，主要包括覆蓋還田、翻壓還田和留高茬還田3種方式。

該傳統技術操作簡單，易掌握[19]，但增肥效果緩慢，有效利用率低；實際操作過程中還存在著諸多問題，如秸稈直接還田對農田機械要求高，而我國先進的機械設備在農村大量生產秸稈的地方尚未普及；農田秸稈直接還田會吸收土壤中大量水分，在我國一些灌溉條件差的地塊會直接影響作物產量[20-21]。秸稈本身附著的病蟲害菌未經殺滅直接還田，增加了次年農田病蟲害的發生概率，給農作物生長帶來了安全隱患，增大了防治難度。總體來看，雖然秸稈直接還田易實施、成本低，但缺乏創新性，利用率低，推廣價值不高。

農作物秸稈間接還田主要包括堆漚還田、燒灰還田、過腹還田、菇渣還田以及沼渣還田等[22]。其中，秸稈堆漚還田也稱高溫堆肥，是解決我國當前有機肥源短缺的主要途徑。它是利用夏季高溫季節把秸稈堆積，采用厭氧發酵漚制，其特點是時間長、受環境影響大，勞動強度高，但成本低廉。現已發展到推廣應用催腐劑、酵素劑等堆漚秸稈，縮短了漚制時間。燒灰還田是將秸稈焚燒成灰而還田，操作簡單方便，碳酸鉀含量豐富，但易污染空氣，損失大量能源和碳、氮、磷，故一般很少采用。過腹還田是一種效益很高的秸稈利用方式。秸稈經過青貯、氨化、微貯處理，飼喂畜禽，過腹排糞還田，提高秸稈的經濟價值。菇渣還田是指秸稈可作為菇類的培養基料，故將秸稈生產菇類后剩下的菇渣還田，其營養豐富，可減少化肥用量，但菇渣產量少，所消耗的秸稈量有限。沼渣是優質的有機肥，但因其產量少，生產周期長，勞動強度大，也不常用[23]。

間接還田可在一定程度上殺死秸稈中的病蟲害，避免秸稈中的病蟲感染農作物[24]；與直接還田相比，可減少有機質的損失，顯著增強肥力，但勞動力成本較高，堆腐過程中會散發出惡臭物質，成為農業環境重要的污染源。此外，由于有機肥含氮量低，增產效果不及化肥明顯，影響了農民使用有機肥的積極性[25]。

生化腐熟還田是用微生物技術對復合菌種（由能夠強烈分解纖維素、半纖維素、木質素的耐熱細菌、真菌、酵母菌和生物酶組成）進行擴大培養，用現代化設備調控溫度、濕度和時間，經機械翻拋、高溫堆腐、生物發酵等過程，將秸稈轉化成優質的有機肥，其代替化肥使用能有效改良土質、防治病蟲害[2]。但這種高效清潔的現代還田技術不夠成熟，有待進一步研究。楊振興等[26]采用粉碎還田配施秸稈腐熟劑對玉米增產效果顯著，腐熟劑不僅可提高土壤中微生物數量，促進秸稈較快腐解，減輕和防止多量秸稈還田給作物生長帶來的不利影響，還可穩定提高土壤養分含量。

2.3 飼料化利用

秸稈直接作為飼料是目前大多數農村所采用的方式，這種方式方便、省時、易操作，但該方式營養利用率較低；在目前畜牧產業中，利用農作物秸稈加工生產禽畜飼料的方法很多，主要有秸稈黃貯、青貯、微貯、氨化和壓塊等方式；秸稈菌糠飼料加工和秸稈顆粒飼料加工使用和推廣最為廣泛[3]。

農作物秸稈飼料化解決了冬季牲畜飼料缺乏問題，節省了飼料糧，在秸稈飼料化前景廣闊的同時也相應出現了一些亟待解決的問題，但是農作物秸稈的飼用價值很低，適口性差，鈣、磷的含量極少，幾乎不含維生素，胡蘿卜素含量僅為2～5 mg/kg。同時，秸稈中的纖維素、半纖維素和木質素緊密結合，形成了獨特的木質化纖維結構，限制了消化酶對細胞壁及細胞內容物的消化利用。畜禽對秸稈的采食量很小，消化率也很低。此外，在秸稈氨化過程中氨的利用率很低，資源浪費嚴重；氨化的原料液氨對環境的污染風險較大；青貯技術也僅僅用在玉米秸稈上，在稻草秸稈上的應用尚不成熟。上述問題都限制了秸稈飼料化的發展。

2.4 工業原料化利用

秸稈是重要的工業加工原料，主要應用于板材加工、造紙、建材、編織、化工及包裝材料等領域。我國秸稈資源在工業造紙方面應用已久，全國每年約有2 000萬t秸稈作為紙漿原料被利用。造紙制漿原料中有30%左右來源于秸稈，用秸稈制漿具有成本低廉、成紙平滑度好、容易施膠等優點。秸稈替代木材制成建筑、裝修用的結構板、纖維板、復合板等材料，是近幾年來國內新興的建筑材料，具有阻燃、防潮、隔音、不開裂、強度高等優點，且無毒、無味、無輻射，無“三廢”污染。用秸稈和煤灰加工的秸稈板，保溫性、裝飾性和耐用性良好[27]。還可提取秸稈中的淀粉用于加工飴糖，用秸稈編織工藝品等。將秸稈用作工業原料，不僅可減少資源浪費，還能增加農民收入[28]，是實現秸稈再利用的有效途徑。

2.5 基料化利用

基料化是指秸稈經過一定的加工處理后用作栽培花卉和食用菌、養殖蚯蚓和高蛋白蠅蛆的基質原料[8]。目前，我國主要以食用菌基料為主，秸稈當中富含食用菌所必需的碳源[29]，許多農作物秸稈都適宜，用作栽培食

用菌的原材料。秸稈用作栽培食用菌，可以使秸稈資源的經濟價值翻倍，具有投資少、回報高的特點，且生產食用菌后的基料富含營養，既能加工成飼料實現過腹還田，又可作為優質有機肥直接還田。但目前我國的食用菌生產普遍處于分散、人工操作的狀況，生產效率低下，培養料發酵效果極不均衡[30]。

3 展望

發展和擴大秸稈資源綜合利用技術不僅能減少秸稈焚燒對大氣造成的污染，又可作為一種新型資源應用于各行各業。未來秸稈綜合利用的方向主要集中在以下幾個方面：

（1）由于不可再生能源的日漸枯竭和秸稈本身的可再生性，秸稈生產纖維素乙醇、秸稈生物質發電、秸稈沼氣和秸稈顆粒燃料具有廣闊的發展前景。

（2）利用微生物技術擴大培養復合菌種，現代化技術控制反應過程及條件，將秸稈轉化成優質高效清潔的有機肥，既能改良土質，又可防治病蟲害，是未來秸稈肥料化的主要發展方向。

（3）如何破壞秸稈木質化纖維結構，補充秸稈飼料中的營養元素，提高畜禽對秸稈的采食量和消化率，是未來秸稈在飼料化過程中的主要研究內容。

（4）提高秸稈材料產品的防腐、防霉、阻燃等性能，并降低膠黏劑成本，為秸稈人造板整個產業鏈制訂統一的流程和標準是今后秸稈板材的研究重點。

參考文獻

[1] 農業部新聞辦公室.我國主要農作物秸稈綜合利用率超過80%[EB/OL].（2016-05-27）[2016-11-18].http：//www.lnjn.gov.cn/news/nongyeyaowen/2016/5/599464.shtml.

[2] 王永振，高輝，趙江，等.秸稈資源綜合利用技術概述[J].環境工程，2014，32（S1）：730-733.

[3] 車莉.農作物秸稈資源量估算、分布與利用潛力研究[D].大連：大連理工大學，2014：1-8.

[4] 朱立志，馮偉，邱君.秸稈產業的國外經驗與中國的發展路徑[J].世界農業，2013（3）：114-117.

[5] 楊濱娟，錢海燕，黃國勤，等.秸稈還田及其研究進展[J].農學學報，2012，2（5）：1-4.

[6] 靳貞來，靳宇恒.國外秸稈利用經驗借鑒與中國發展路徑選擇[J].世界農業，2015（5）：129-132.

[7] VASILYEV M.Regulation and trends in electric power industry：Renewable generation in Germany and Switzerland[C]//Powertech，IEEE Trondheim.[s.l.]：[s.n.]，2011：1-5.

[8] KIRSTEN S.Renewable energy sources act and trading of emission certificates：A national and a supranational tool direct energy turnover to renewable electricity-supply in Germany[J].Energy policy，2014，64：302-312.

[9] 俞駿威.淺析我國報廢汽車的回收與再利用[J].質量與標準化，2011（6）：28-31.

[10] 彭源德.莖纖維生物提取和發酵燃料乙醇技術研究進展[J].中國麻業科學，2007，29（S2）：415-419.

[11] 宮渤海，徐家英，龐立習，等.農村和農業有機廢物綜合利用工藝研究[J].環境衛生工程，2015，23（4）：17-20.

[12] 楊越飛，葉新強，司琳琳.非木材植物人造板的發展現狀與問題初探[J].木材加工機械，2010，21（5）：33-36.

[13] 陳光，吳卓夫，張兆業.秸稈綜合利用研究動態及展望[J].吉林農業大學學報，2016，38（5）：505-510.

[14] 何周蓉.沼氣產業發展的稅收補貼政策支持[J].中國沼氣，2015，33（1）：53-57.

[15] 阮建雯，蔡宗壽，余繼文，等.國內外農作物秸稈固化成型技術研究[J].世界農業，2014（4）：40-43.

[16] 寧廷州，馬阿娟，俞洋，等.生物質環模顆粒成型存在的問題及對策分析[J].中國農機化學學報，2016，37（1）：272-276.

[17] 俞國勝，侯孟.生物質成型燃料加工裝備發展現狀及趨勢[J].林業機械與木工設備，2009，37（2）：4-8.

[18] 殷志明，王一線，徐繼明.淮安市秸稈固化成型燃料產業化實踐與思考[J].農業環境與發展，2013，30（1）：38-40.

[19] 任萌萌，紀瓔芯.對我國農作物秸稈利用現狀的思考[J].科技致富向導，2013（20）：88.

[20] 田飛，茍正貴，陳穎.黔中、黔北地區玉米秸稈再利用調查與分析[J].貴州農業科學，2007，35（3）：58-60.

[21] 李英，李建國，邊中生.農作物秸稈的綜合利用[J].中國畜牧業，2004（17）：67-68.

[22] 張艷哲，李毅，劉吉平.秸稈綜合利用技術進展[J].纖維素科學與技術，2003，11（2）：57-61.

[23] 劉麗香，吳承禎，洪偉，等.農作物秸稈綜合利用的進展[J].亞熱帶農業研究，2006，2（1）：75-80.

[24] 申源源，陳宏.秸稈還田對土壤改良的研究進展[J].中國農學通報，2009，25（19）：291-294.

[25] 鞠昌華.我國農作物秸稈處理的困境與對策[J].貴州農業科學，2011，39（6）：221-224.

[26] 楊振興，周懷平，關春林，等.秸稈腐熟劑在玉米秸稈還田中的效果[J].山西農業科學，2013，41（4）：354-357.

[27] 潘亞東，馬君，孫大明.黑龍江省農作物秸稈資源綜合利用現狀和建議[J].農機化研究，2014（11）：253-257.

[28] 彭春艷，羅懷良，孔靜.中國作物秸稈資源量估算與利用狀況研究進展[J].中國農業資源與區劃，2014，35（3）：14-20.

[29] 畢于運.秸稈資源評價與利用研究[D].北京：中國農業科學院，2010：20-21.

[30] 翁伯琦，廖建華，羅濤，等.發展農田秸稈菌業的技術集成與資源循環利用管理對策[J].中國生態農業學報，2009，17（5）：1007-1011.