農牧廢棄物工業化利用技術創新與循環生態農業模式構建

王明富，余垚穎

(四川省農業科學院植物保護研究所，四川 成都 610066)

1 概述

隨著農業勞動力向城市轉移，種養模式發生了較大轉變，以農戶為單元種養，快速向合作社、養殖場等集約化規模種養模式轉變。過去，每戶養殖2～4頭豬 ，每年可產出2000～4000kg糞水，平均每戶約0.33hm2，每年有400～800kg/667m2糞水回到自己的土壤中，雖然無害化程度較低，但有效地保證了農作物有機養分供應和土壤有機質含量的穩定。隨著畜禽糞以及秸稈回歸土壤程度降低，導致土壤有機質含量逐年下降，尤其是大田作物較為突出，隨著化學肥料的施肥模式的形成，土壤板結現象不斷加重，作物有機無機養分均衡化供應水平下降，有的土壤有機質含量已經下降到了較低的水平，擠壓了像蚯蚓、益生菌等有益生物群體的生存空間，數量越來越少。不僅帶來了肥料利用率下降以及化肥用量增大、作物抗病能力減弱以及化學農藥用量加大、果實品質以及安全性下降、土壤的自我修復能力下滑以及酸化現象加重、有機質在循環生態農業中的作用變弱等問題；而且對我國的糧食穩定和安全保障帶來了巨大挑戰[1]。

農牧業廢棄物包括秸稈、畜禽糞、菌渣、甘蔗渣、中藥渣、園林渣、煙渣以及工業發酵副產物等多種有機物料，其中以秸稈和畜禽糞數量最大 ，不僅是土壤有機質穩定和農作物有機養分供應的最大來源；而且對循環生態農業構建起著關鍵的作用。目前我國主要在菌渣、甘蔗渣、工業發酵副產物以及部分畜禽糞等有一定細度的農牧廢棄物進行開放式自然堆漚發酵、垛式或槽式發酵制備成粉劑有機肥料或生物有機肥料應用外，由于工業化和無害化程度較低，有機物料中的病蟲源體殺滅效果以及發酵臭氣無害化程度較低，不僅對土壤環境造成二次污染；而且發酵產生的大量廢氣對生產人員以及周邊居民的健康帶來了較大的危害以及對大氣造成很大的污染。除此以外，有的地方采用燃燒發電、變熱轉能(生物質燃料)方式處理有機物料，這種"有機"變"無機"的處理方式不可取，這樣從根本上切斷有機質參與土壤循環的源頭，將會不斷減弱農牧廢棄物在對生態循環的作用，對土壤質量的長期穩定帶來較大的隱患[2]。

2 農牧廢棄物種類及理化特征

農牧廢棄物主要包括畜禽糞便類、秸稈類和生產加工副產物3類，其中以秸稈類和畜禽糞便類數量較大。

畜禽糞便主要包括豬糞、牛羊馬糞、雞鴨蠶糞3類，其中豬糞和雞鴨蠶糞速效有機養分好，作物易于吸收 ，有機質含量50%～70%，C/N比較低(低于15)；而牛羊馬糞肥效較長，屬于緩釋有機養分，有機質含量較高(70%～85%范圍)，C/N比較高(20～30)。畜禽糞便以豬糞數量最大，目前有的養豬場進行干濕分離后進行高溫發酵 ，由于C/N比較低(低于15)，不僅單獨發酵效果較差、氨氣以及臭氣較重；而且液體處理難度較大，尤其是病蟲源體處理效果不佳，如果病蟲源體殺滅不好，將會帶人土壤中二次污染土壤[3]。

秸稈類是農牧廢棄物數量最大的有機物料，主要成分為纖維素和半纖維素，需要微生物降解后作物才能吸收利用，如果秸稈直接還田，不僅秸稈在土壤微生物降解過程中勢必與農作物爭奪養分和氧氣，影響農作物生長[17]；而且秸稈中有害孢子和蟲卵帶人土壤將提高土壤病蟲源體的指數以及提升農作物的發病率，同時秸稈在土壤中形成較大空隙，不利于農作物根系與土壤間的固定。秸稈類都具有體積大不便運輸的缺點，但具有有機質含量高(70%～90%)、含水量較低、C/N比較高的特征[4]。

生產加工副產物類包括菌渣、甘蔗渣、中藥渣、薯渣、煙渣、酒糟等，這類有機物料有機質含量、C/N比、有效養分和含水量有不同程度差異，但是細度均較好[5]。

3 國內外狀況和研究進展

目前，歐美發達國家是將農牧業廢棄物回收后進行工業無害化處理成有機肥(農家肥)后回歸土壤，這樣不僅避免了廢棄物中有害病蟲源體以及有害物質對土壤的再次污染;而且保障了有機質在土壤中的循環作用，保證了土壤中有機質含量的穩定，土壤環境得到有效的保護。然而在我國，雖然有很多企業以及科研單位在農牧業廢棄物的處理加工和應用方面做了大量的工作，由于在交叉學科研究以及工業化程度方面較弱，其應用效果不佳。主要問題在于處理的有機物料面太窄，絕大部分以粉狀有機肥方式應用于果樹等經濟作物，而廣大的大田作物幾乎不用[6]。因此，我國農牧廢棄物處理總體為無害化程度低、工業化程度不高。

4 農牧廢棄物的綜合利用技術體系

農牧廢棄物的綜合利用，是一項系統工程，涉及到有機物料發酵、肥料造粒、土壤化學、植物營養、畜牧等多門學科交叉，不僅在有機物料發酵技術以及有機-無機肥料造粒制備技術上面需要創新突破;而且需要政府(包括村社)、科研單位、企業(養殖場、發酵場、肥料廠)以及種植戶以及合作社等協同，建立完善農牧廢棄物的供、產、用以及秸稈與肥料置換和政府補貼機制，最終的目的是讓農牧廢棄物經科學的工業無害化處理后，生產出不同作物的專用有機-無機復混肥和顆粒有機肥或專用復合微生物肥料和顆粒生物有機肥用于農業生產中，進而取代以純化學肥料施肥模式，促進我國循環生態農業的發展以及土壤環境的改善[7]。同時，農牧廢棄物經工業無害化處理后"對位回歸"土壤，即從那塊田出來的秸稈以肥料方式回歸那塊土壤，確保每塊田的有機質含量的穩定，有機資源本地化循環利用，尤其對我國基本良田以及農業科技園區土壤質量保障和糧食安全穩定具有重要的作用和生產實際意義。

4.1 農牧廢棄物發酵場地建設布局思路以及生產工藝及創新

過去，各地建立了不少的有機肥加工廠，建設規模越大越好，都希望將一個縣境內或更多地方的農牧廢棄物運輸到肥料廠統一加工處理 。然而，由于秸稈類體積較大，畜禽糞便含水量較高，即使干濕分離后其含水量仍然在60%～65%，導致運輸成本較高，大大地增加了肥料生產成本；同時畜禽糞便運到加工廠后如果不及時處理，會滋生大量的蚊蟲和產生大量的臭氣，將對場地以及周邊環境造成嚴重污染，以目前的開放式發酵方式是很難解決這些環保問題。由此可見，這種遠距運輸、集中處理的方式難于運行。

秸稈或畜禽糞由于碳氮比、含水量的關系，單獨發酵處理效果不佳。秸稈經破碎成1～5cm長度(便于包裝運輸)與畜禽糞混合發酵加工是較為理想的方法，這樣畜禽糞不需要再進行干濕分離 ，利用較干的秸稈吸附畜禽糞中的水分使含水量達到60%左右，充分利用了含有養分的糞水，并采用槽式密閉無害化發酵技術生產加工成細度、含水量、有機質含量標準化以及無害化程度高的有機原料，為有機肥(生物有機肥)以及有機無機復混肥(復合微生物肥)的造粒生產提供大量優質有機原料，即解決了養殖場畜禽糞便帶來的環境污染問題，又解決了周圍的秸稈無害化還田問題，一舉兩得，這對我國循環生態農業構建具有重要的作用[8]。

因此，農牧廢棄物處理應根據原料的集散狀況，采用種植和養殖結合，通過提升工業化進程、創新有機物料無害化發酵加工以及肥料制造技術水平后，農牧廢棄物的綜合利用才能達到理想的效果。

4.2 循環生態農業構建思路

農牧廢棄物工業化處理應用，以種植業的秸稈以及養殖業的畜禽糞農牧廢棄物為典型代表，利用其養分、含水量、粗細度等指標的互補性，通過有機物料發酵、肥料造粒技術及其工藝的創新研究，并研制出無害化程度高的優質有機原料，再生產出顆粒有機肥料和速效與緩釋為一體的有機無機復混肥料，同時通過具有殺滅土壤中有害真菌孢子和蟲卵以及對細菌性病害有防治奇效的微生物菌種篩選組合、顆粒肥料表面孢子粉噴涂技術等內容研究，最終研制生產出有機無機復混肥或復合微生物肥料和顆粒有機肥或顆粒生物有機肥產品。這樣不僅可以進行機械化施肥，把大量的農牧業廢棄物無害化回歸土壤，對土壤碳循環起到了重要的作用，同時促進了土壤有機質含量的提升，土壤環境得到有效改善[9]。經過我們多年研究結果顯示，化學肥料與有機物料絡合成有機-無機營養體后，其肥效具有顯著的緩釋效果，同時在肥料速效性與緩釋性融合技術和有機物料工業無害化處理技術上取得重大突破，不僅充分地把肥料的速效性與緩釋性融為一體，肥料的利用率得到明顯提升，化學肥料可減少10%以上的用量，達到了化肥減量和減工降本、有機無機養分均衡的施肥效果，功能性微生物菌的協同作用，可有效減少了土壤中的有害病蟲源體數量，可大大降低病蟲害對作物的危害程度，從而減少化學農藥的使用量;而且固態有機物料槽式密閉發酵創新技術，具有有機物料發酵均勻、工業化程度高(發酵周期短和生產效能高)、無害化程度高(病蟲源體殺滅徹底和臭氣凈化效果好)、發酵好的有機原料標準化程度高(細度≥30目、含水量≤20%、適宜運輸)等優點，為我國循環生態農業構建以及化肥農藥雙減戰略實施提供了新的技術措施，尤其是在我國基本良田建立"農牧廢棄物(秸稈等+畜禽糞便)-工業無害化發酵-新型專用型有機無機復混肥(新型專用型復合微生物肥)、顆粒有機肥(顆粒生物肥)制造-有機無機復混肥(復合微生物肥)+顆粒有機肥(顆粒生物肥)施肥"循環生態農業栽培模式，將對我國土壤環境改善和有機質含量保障、糧食產量穩定和質量安全提升、大氣環境保護具有重要和長遠的生產生態作用[10]。

4.3 技術產品生產與應用模式構建

通過不同有機物料的養分及成分組成、含水量及干濕度、物理性狀等理化指標以及病蟲源體種類的檢測，對不同有機物料的配比、工業無害化發酵加工技術(包括發酵菌組成、有機物料混配裝置、發酵時間控制、機械翻料出料、自動送氣和抽氣裝置、烘干粉碎分篩裝置、廢氣和粉塵無害化處理裝置等內容)進行系統研究，創新集成槽式密閉工業無害化發酵新型生產工藝，并生產出養分、有機質、水分含量以及細度標準化和無害化程度高的優質有機原料。通過有機無機復混肥料造粒工藝創新研究，并結合土壤養分、作物需肥特性、有機無機復混肥料養分釋放特征、殺蟲卵和病源孢子的功能微生物菌種篩選以及添加技術研究，研制出速效與緩釋為一體、有機無機養分均衡的有機-無機復混肥和顆粒有機肥，或含高活性微生物菌的新型復合微生物肥料(NPK含量在25%～35%、有機質含量在15%～20%、有效活菌數≥2000萬個)和顆粒生物有機肥(NPK含量≥5%、有機質含量≥40%、有效活菌數≥2000萬個)產品，并創建"有機-無機復混肥+顆粒有機肥"或"復合微生物肥+顆粒生物有機肥"的新型施肥模式，施用后不再施用其它化學肥料(包括復合肥)，從而結束我國目前的以純化學肥料為主體的施肥模式[11]，并生產出高鉀型:果樹、煙草等經濟作物，高氮型:玉米、水稻、小麥、油菜等大田作物，均衡型:蔬菜、茶葉、中藥材等作物，塊莖型:馬鈴薯、花生、大蒜、中藥材等作物新型專用配方肥料。

5 建議

5.1 建立相應規模的密閉無害化發酵場或車間

根據不同地區農牧業廢棄物狀況，當然是養殖和種植結合綜合處理效果最好，養殖場可根據糞便產出量，建立相應規模的密閉發酵車間或場，消耗附近各鄉鎮秸稈等資源生產出優質有機原料供肥料廠使用，有條件的養殖場也可生產顆粒有機肥和有機無機復混肥，養牛羊場可以生產蘑菇等草腐型食用菌栽培原料，其菌渣再生產成肥料[12]。

5.2 建立以村社為單元的秸稈回收、粉碎、包裝、運輸體系

包括機械收割、秸稈粉碎包裝或打捆為一體的機械設備，這項工作需要政府的支持和適當資金補貼，同時建立秸稈與肥料置換以及使用監管機制，以確保秸稈從那塊田來，以有機肥或生物肥方式就回到那塊田去，達到本地化循環利用的效果，確保土壤有機質含量的穩定。

5.3 組建由科研單位牽頭建強大的科研團隊

團隊由土壤化學、植物營養、微生物、畜牧、植保以及肥料制造等多學科科研人員組成，重點對土壤養分供應狀況，作物養分吸收以及土壤對養分吸收限制因子，農牧廢棄物養分組成及發酵配比，高活性微生物菌的防病蟲效果、抗逆能力(抗高溫、抗干燥、抗鹽分、耐酸堿)、菌種間的拮抗篩選優化組合，肥料養分釋放機理，有機物料密閉無害化工業處理技術 ，專用新型有機無機復混肥和顆粒有機肥以及復合微生物肥和顆顆粒生物肥的工業化生產工藝及造粒技術創新，不同作物的應用示范等方面進行深入系統研究，為企業生產提供技術支撐和保障。

5.4 肥料廠或發酵場實施科研團隊的技術創新和科研成果

生產出不同作物速效與緩釋為一體、有機無機養分均衡的不同作物類型的專用有機無機復混肥或復合微生物肥，以及無害化程度高的顆粒有機肥或顆粒生物肥。

5.5 政府牽頭建立應用監管體系

“農戶(合作社)-村社(政府)-發酵場(養殖場)-肥料廠-村社(政府)-農戶(合作社)”秸稈粗加工運輸、肥料生產運輸。