我國農業秸稈高值化利用現狀與困境分析

周治

(南京工業大學科學研究部， 南京 211816)

秸稈是農作物收獲后剩余的重要生物質資源。自我國改革40 多年來，隨著農業的迅猛發展，農作物秸稈產量快速增加。據聯合國糧農組織( Food and Agriculture Organization, FAO)統計資料估算，我國的秸稈產出量居世界之首，約占全球秸稈資源總量的近五分之一[1]。近十幾年來，我國高度重視農業秸稈利用問題并在政策、技術、經濟等方面做了一系列部署[2-3]，在政府主導、企業參與和全社會的共同關注下，秸稈綜合利用率逐年提升，取得了顯著的經濟、社會和生態效益[4]。

然而，在當前我國經濟、社會快速發展和轉型的時代背景下，農業生產和農村生活方式出現了新的變化，加之秸稈區域性、季節性、結構性過剩現象等傳統問題依然存在，導致我國農業秸稈資源化利用依然面臨著嚴峻挑戰。因此，有必要對我國當前農業秸稈綜合利用的成績和存在的問題進行分析和總結，在此基礎之上為我國農業秸稈高值化利用提出有針對性的建議。本文在總結我國秸稈產生和綜合利用現狀基礎之上，重點分析當前秸稈資源化利用的技術途徑及困境；同時結合秸稈資源特點和生物質資源利用技術進展，著重探討我國秸稈資源化、工業化利用的前景，提出潛在的利用技術模式及路徑，旨在為推動我國秸稈綜合利用提供理論支持。

1 我國農業秸稈總量及分布特點

秸稈是籽實收獲后剩余的富含纖維的植物殘留物，是自然界中數量極大且具有多種用途的可再生生物質資源。農作物秸稈主要來源于小麥、水稻、玉米、薯類、油料、棉花等，是農業生產的主要副產品。我國自古以來都是農業生產大國，導致我國成為了秸稈產量大國。國家發展改革委、農業農村部(原農業部)對全國“十二五”期間秸稈綜合利用情況的終期評估結果顯示，我國每年農作物秸稈理論資源量超過10×108t，其中可收集資源量約為9×108t，為世界第一秸稈產量大國，占全球秸稈總產量的18.50%左右[5]。從表1 可以看出，水稻、小麥、玉米三種所產生的作物秸稈總量所占比例較大，三者所占比例之和達到了80%左右。

表1 2014—2018年均主要農作物秸稈產量 Table 1 Average total amount of crop straw generated from 2014 to 2018 (104 t)

農作物秸稈產量與糧食產量有直接對應關系，由于我國不同省(市、區)農業生產的功能不同，導致不同地區農作物秸稈產量具有明顯的差異性和區域特點。我國農作物秸稈資源主要集中在東北、華北和長江中下游地區；從省級行政區層面分析，十三個糧食主產省區農作物秸稈資源占全國秸稈總量的76.1%[7-8]；另外，一些經濟作物呈現更明顯的區域特征，比如棉花秸稈集中分布在新疆地區，花生秸稈主要集中在華北地區，豆類作物秸稈最大的集中地在黑龍江地區[9-12]。

2 我國農業秸稈利用路徑

秸稈利用是伴隨人類社會發展的歷史性話題，各歷史時期、各地區都有各種各樣的利用方式。農業投入要素50%左右轉化為農作物秸稈[13], 秸稈資源的浪費實質上是耕地、水資源和農業投入品的浪費，加強秸稈綜合利用是發展農村經濟、提高農業綜合生產能力的重要方向，也是擴大農村就業、增加農民收入的重要途徑。

秸稈資源化利用是一項復雜的系統工程，需要全社會各層面的共同參與(圖1)。在國家層面，農作物秸稈資源化利用已經成為國家行動，各級各地方政府都出臺了一系列的政策，為秸稈資源化利用的行業發展提供了引導和保障[2-3]。市場層面，在金融、信貸、企業等社會資源廣泛參與下，已經初步形成了秸稈綜合利用體系，尤其離田秸稈的利用取得了長足的進步[19]。在農民層面，大量學者就農民主觀意愿、影響因素進行了深入的分析和探討[20-21]，為在廣大農村順利開展秸稈禁燒、收集等實際工作提供了理論依據和參考。在技術層面，通過細分資源化利用方式、途徑，在廣大科研工作者的參與下，秸稈利用技術不斷提高，為促進秸稈綜合利用水平的全面提升提供了保障[4,19]。

圖1 秸稈資源化利用參與群體與技術體系框架Fig.1 Participation group and technical framework of straw utilization

目前，可用于示范推廣或產業應用的秸稈利用技術已有很多模式，為便于宣傳推廣和數據統計，國務院辦公廳印發《關于加快推進農作物秸稈綜合利用的意見》(國辦發[2008]105號)，自此各地區、各部門逐步將秸稈綜合利用技術歸納為肥料化、飼料化、燃料化、原料化、基料化五類主要途徑(表1)，簡稱“五化”或“五料化”[14]。

秸稈肥料化利用最為廣泛，除包括直接還田外，還包括過腹還田以及菌肥聯產、氣肥聯產等。秸稈飼料化利用包括青貯、黃貯、微貯、膨化、成型、干草等秸稈飼料加工技術，適合飼料化利用的秸稈主要包括玉米、花生、油菜和豆類等[15]。秸稈燃料化利用主要包括發電(熱電聯產)、成型、熱解、燃燒等能源化利用技術，其中，秸稈發電(熱電聯產)是目前秸稈燃料化利用最重要的技術形式[16]。秸稈基料化指以秸稈為主要原料，加工或制備為微生物、植物或動物生長提供一定營養和良好條件的有機物料，主要包括食用菌技術、植物栽培育苗基質技術和動物飼養墊料技術等[17]。秸稈原料化指秸稈作為工業原料進行加工利用的技術，主要包括人造板材、復合材料加工、清潔制漿等[18]。

表2 秸稈“五化”綜合利用技術[14]Table 2 Comprehensive utilization technology of crop straw[14]

我國農作物秸稈資源量大，而且地域分布較廣，區域特點明顯，隨著技術的不斷進步，農作物秸稈的資源化利用的范圍不斷拓展。“十二五”期間，我國秸稈 “五料化”綜合利用率已經達到80%，初步形成了農用為主、商業開發為輔的綜合利用格局。“十三五”期間，我國還將進一步加大秸稈綜合利用工作力度，推動秸稈綜合利用產業化、規模化發展[5,13]。

3 我國農業秸稈資源化利用的困境

縱觀近些年應用推廣的實際效益，市場主體、農民意愿均在不同程度上表現出一定的“消極心理”[2]，不利于進一步推動新時期秸稈綜合利用。對秸稈利用當前所面臨的核心困境進行剖析，以期為探索農作物秸稈資源化利用對策提供方向。

3.1 經濟效益困境

市場是自然的人類行為，而非設計的秩序。一個可穩定存在的市場體系需要兩個充分必要條件：一是存在有效的供給與需求，其規模決定了秸稈資源化利用的潛在市場飽和容量；二是交易費用低于需求價格與供給價格之差，決定了參與主體(圖2)是否都能夠獲得較好得經濟效益[7]。

當前，我國農業秸稈的規模總量大，在具體實施過程中充分考慮地區資源特色、資源量即可保障充足的資源供給；由于秸稈資源化利用技術種類多，在不同領域都可以有較好的應用，因此秸稈資源化也有較為廣闊的市場需求。目前，限制秸稈資源化的關鍵問題在于資源化產品普遍比較低端、附加值低，導致產品價格低廉、利潤低，全產業鏈參與者難以保障自身的經濟利益。

以秸稈燃燒發電為例，截至 2017 年底，我國生物質發電并網裝機總容量為1 476.2萬kW，其中農林生物質發電累計并網裝機700.9萬kW，占全國發電量的比例不足1%[22]，其中最主要的問題就是項目建設成本、運營成本高昂，導致生物質電廠難以實現有效盈利。具體分析，我國秸稈發電設備研發起步較晚，為避免秸稈中較高的鉀、氯含量帶來的秸稈鍋爐受熱面腐蝕問題，通常大量采用特種耐腐蝕鋼材，直接導致發電設備的成本高昂；同時，由于秸稈燃料比重小、原料供給分散，秸稈運輸、儲存需要更多的運輸成本、土地購置成本；在多重成本壓力下，我國秸稈發電項目成本約為火力發電項目的兩倍。為了鼓勵企業參與建設，早在2009年12月，《可再生能源法》修訂案就提出：“國家實行可再生能源發電全額保障性收購制度”。2010年起，國家發展改革委確定未采用招標確定投資人的新建農林生物質發電項目，統一執行標桿上網電價每千瓦時 0.75 元；通過招標確定投資人的上網電價按中標確定的價格執行，但不得高于全國農林生物質發電標桿上網電價[23],該價格遠高于燃煤機組上網電價。通過上述政策強制規定和對生物質發電的國家電價支持，以此來保障諸如秸稈類生物質電廠的有效運行和經濟效益。如果沒有此類國家政策保障、財政補貼，社會和企業投資生物質電廠的動力和積極性將大大降低，嚴重限制了秸稈發電行業的發展。

因此，農業秸稈綜合利用的突出問題就是現有利用模式成本高、產品附加值較低，難以形成有市場競爭力的產品，導致產業鏈涉及的供給者、中間參與者、需求者積極性不足，形成了秸稈綜合利用前景廣闊卻又困難重重的不利局面。

3.2 技術開發困境

從目前秸稈“五料化”利用的系列產品及規模可以發現，當前我國的秸稈綜合利用側重于解決秸稈資源量大的問題，例如在秸稈豐富地區大力普及農村戶用沼氣，結合畜禽糞便的處理建設了各類沼氣工程，還有一些秸稈造粒作為燃料進行生物質發電等。這些措施在國家和各地政府的政策保障下雖然取得了很好效果，初步解決了當前秸稈資源化利用率低的困局，但是一旦脫離了保護性政策，這類利用方式很難進行持續的市場化運作。相反，諸如木糖醇生產、纖維素乙醇、熱解氣化等具有較高附加值的工業化產品種類卻很少，所占比例很小，難以有效吸引企業、資本等市場資源參與其中。因此，秸稈高附加值工業產品的開發將是未來秸稈資源化利用的重要途徑，而相關領域的科技攻關是實現這一途徑的唯一方法。

為了提高秸稈資源化產品的附加值，就需要突破現有技術體系，開發新的秸稈利用技術和具有更好市場競爭力的工業化產品，從根本上解決秸稈綜合利用的主要問題。研究表明，秸稈類生物質資源的工業化開發技術同樣面臨著諸多困難，其中最突出的問題是秸稈降解速率慢、難度大、利用效率低[24]。

秸稈屬于生物質資源，進入21世紀后研究人員對生物質資源的物理轉化、化學轉化和生物轉化開展了大量的研究，至今仍是科學研究的熱點問題。研究表明，植物在長期的自然演變過程中進化出了復雜的細胞壁結構和特殊的理化機制，形成了抗微生物和酶等攻擊的天然屏障，以此來保護自身免受外部不利因素的影響，一般稱之為抗降解屏障[25]。然而，在秸稈類生物質資源的資源化利用過程中，該屏障卻使得目前生物質轉化的效率難以滿足大規模工業化的要求，嚴重限制了其工業化利用的進程。如在纖維乙醇的生物轉化過程中，用于水解木質纖維素的纖維素酶生產成本占到整個工藝的一半以上。目前，為了突破生物質抗降解屏障，提高秸稈轉化生產工業化產品的轉化效率，一般會采取酸、堿、高溫等預處理的方式首先破除抗秸稈的降解屏障作用，但因此付出的設備、物資、環境等成本也就相應提高，不具有長遠的發展前景。

4 秸稈資源化利用發展的對策和建議

基于上述秸稈綜合利用現狀和困境分析，結合我國經濟社會發展需求和科學技術基礎，特提出進一步提升我國農業秸稈高值化利用水平的策略。

4.1 國家規劃下各地因地制宜制定長期目標、規劃和政策

秸稈資源化利用是一項復雜的系統工程，需要全社會、各層面的共同參與。農作物秸稈資源化利用已經成為國家行動，列入了國家發展的戰略規劃中。然而，我國秸稈資源量大、種類多、分步廣，不同地區秸稈資源化利用特點差異很大，這就需要各級各地方也從長遠發展的角度出發，因地制宜，制定符合區域特色的政策，為行業發展提供引導和保障。例如借鑒西方先行國家的經驗，在技術和設備研發、項目示范、產品補貼等方面加大政府投資扶持力度，充分發揮引領作用，調動相關產業的積極性。

4.2 培育秸稈綜合利用全產業鏈的各級市場主體

基于我國目前秸稈資源化利用的現狀，各級農業農村部門堅持政府引導的同時要遵循市場規律，吸引市場資源，有針對性地培育和保護產業鏈各級市場主體。我國農戶分散經營向新型農業龍頭企業、農業合作組織等農業集中模式尚未有效形成，小規模、分散式的秸稈資源收儲難以保證農戶的經濟效益，導致農戶參與秸稈綜合利用的積極性不高。同時，我國目前的秸稈收儲和供應網絡不健全，亟需相應的市場主體來開發和運營，進而構建區域全覆蓋的秸稈離田收、儲、運網絡。除此以外，圍繞秸稈“五料化”的發展現狀，必須發展和保護下游產品生產企業、運營公司等相應的市場化利用主體，才能保持全產業鏈持續、有序、高效的市場運作。

4.3 加強科技攻堅，開發高附加值秸稈工業化產品

科技是第一生產力，秸稈資源化利用離不開科學技術的進步。如前所述，在農作物秸稈資源化利用的上游環節，當前生物質資源利用的瓶頸之一在于其抗降解屏障難以突破。針對該瓶頸，國內外科技工作者開展了大量地研究，對植物細胞壁高度有序、穩定的結構進行了深入解析；同時，已通過基因工程手段改造細胞壁成分和結構，削弱細胞壁抗降解能力，在一定程度上提高了植物、秸稈等降解效率，為該領域研究提供了有效參考。未來，應繼續加強植物學、生物質領域等領域的基礎研究，尋求突破生物質抗降解屏障的途徑，為提高秸稈類生物質資源的利用效率打下堅實的理論和實踐基礎，助力秸稈資源化利用產業的全面發展。

在農作物資源化利用的下游環節，我國秸稈“五料化”利用還是以相對弱質低效的方式為主，其總體經濟效益也不具備市場化優勢。因此，未來重要的研究方向是在現有利用方式基礎上，按照國務院《關于創新體制機制推進農業綠色發展的意見》提出的“開展秸稈高值化、產業化利用”的要求，定位高端產品市場，依托我國高校、科研院所的科研力量，開發具有更高附加值和市場競爭力的秸稈工業化產品，例如通過基因工程、微生物系統工程構建可生產高附加值產物的工程菌，提高現有高端產品的產量和收率，提升經濟效益；利用當前合成生物學等新興技術，逐步探索、開發自然界不存在的生物代謝途徑，以期在更遠的將來構建全新的微生物細胞工廠，生產高附加值產品。2018年，科學技術部頒布首批 “合成生物學”重點專項，項目3.8(低劣生物質轉化利用的人工多細胞體系構建)中明確指出要利用合成生物學手段，建立系統魯棒、穩定和可控的人工多細胞體系，實現利用秸稈等低劣生物質到有機酸衍生物、氨基酸衍生物、表面活性劑等高附加值化學品的高效生物制備；此外，在材料、化工等領域應該結合秸稈綜合利用新形勢，不斷開發新產品、新工藝，進而生產新型精細化、高值化產品，為農業秸稈高值化利用提供保障。

5 結語

目前，我國秸稈綜合利用尚處在起步階段，大規模、簡單粗放的利用方式難以形成可市場化運作的秸稈綜合利用產業。在當前所面臨的各個問題中，秸稈產品附加值低、經濟效益差是最為重要的核心環節。未來需要結合我國的國情特點進一步完善政策保障、市場主體等，維持有活力的秸稈全產業鏈條；另外，迫切需要重點在科技創新方面加大投入力度，鼓勵和依托高校、科研院所的科技力量，在突破生物質抗降解屏障、高附加值下游產品開發等方面加大科研投入，以科技創新突破產業瓶頸，以高附加值產品帶動產業發展，將我國秸稈新型產業化利用推向一個新臺階。