刘俊杰 郭柯凡 蒋敏

(江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省作物栽培生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心/扬州大学，江苏 扬州 225009)

我国是传统的农业大国，玉米、水稻、小麦是我国主要的粮食作物，光合作用50%以上的产物存在于秸秆中[1]，目前我国每年产生的农作物秸秆占世界总秸秆量的20%以上[2]。但是，我国农作物秸秆的利用率很低，大量的农作物秸秆被焚烧，使大气中的有机碳等有害物质的浓度提高[3]，还有很多秸秆被随意丢弃，造成很大的资源浪费和生态环境的破坏。

2019年农业农村部发布了《农业农村部办公厅关于全面做好秸秆综合利用工作的通知》指出了开展秸秆综合利用工作，是提升耕地质量、改善农业农村环境、实现农业高质量发展、绿色发展的重要举措。

1 农作物秸秆概述

秸秆作为农业生产的副产品，本身具有氮、磷、钾、粗蛋白、纤维素、木质素等中微量元素和有机质[4-6](表1)，决定了秸秆可以进行肥料化、饲料化、基料化、燃料化、原料化利用，俗称“五化”。

表1 不同农作物秸秆主要成分含量表

根据中国统计年鉴，统计了中国在2014—2019年玉米、水稻、小麦的产量(表2)，根据草谷比测算出玉米、水稻、小麦在2014—2019年的秸秆产量(图1)。

图1 2014—2019年玉米、水稻、小麦秸秆总产量

2 农作物秸秆的利用现状

农作物秸秆是一种丰富、可再生的资源“用则利，弃则害”，近年来，国家有关部门综合施策，不断推进农作物秸秆的综合利用。国家财政部、发改委、农业部在2012年联合发布了《“十二五”农作物秸秆综合利用实施方案》，在2019年农业农村部发布了《农业农村部办公厅关于全面做好秸秆综合利用工作的通知》，指出了开展秸秆综合利用工作是提升耕地质量、改善农业农村环境、实现农业高质量发展、绿色发展的重要举措。这些文件都在积极推动我国秸秆资源综合再利用，减少资源的浪费和环境的污染。

3 秸秆“五化”利用

3.1 秸秆肥料化利用

秸秆还田是肥料化利用主要的方式，秸秆中含有植物生长所必须的有机质以及氮磷钾和微量元素，是比较理想的有机肥料[7]。秸秆还田的成本较低且方法简单[8]，被广泛运用。秸秆还田是我国传统的资源化利用方式，欧美国家2/3的秸秆被用于秸秆还田[9]。

秸秆还田又分为直接还田和间接还田，直接还田是将秸秆粉碎直接还田[10]，利用机械将秸秆粉碎，同时又将粉碎的秸秆翻耕到田中，比较容易腐熟分解，利用比较充分，这种方式比较适合一些大田的农作物，如小麦、水稻、玉米；覆盖还田，覆盖还田就是将农作物的秸秆直接覆盖于农田的土壤表面，虽然可以一定程度上保护土壤使之不受风、水等自然侵蚀，不过如果没有完全的腐熟分解会影响第2年作物的种植，一般适合于人工种植田地[11]。

间接还田的方式有堆沤还田，是指将秸秆收割下来，在田边就近堆放或者挖坑埋放，经过高温将秸秆腐化，这种方式相对秸秆直接还田的好处是可以将秸秆中的病虫菌害杀死，使秸秆腐熟的时间缩短，在这个过程中腐熟降解菌是关键[12]，寻找更加高效的秸秆降解菌也是目前需要持续研究的一个方向点；焚烧还田，是最为传统的方法，也是用的比较多的方法，直接在田里将秸秆焚烧还田，虽然效果比较明显但是会造成严重的环境污染以及存在极大安全隐患，也是政府所禁止的；过腹还田，是指利用动物将秸秆消化，变成畜牧的粪便加以利用，虽然秸秆的蛋白质含量不高(3%～6%)，但是经过一些处理，补充适量的粗饲料即可满足牲畜的营养需求[13]。牲畜秸秆既可以满足畜牧的饲料需求也满足了秸秆还田的循环发展，但是粪便中会含有重金属以及一些抗生素，增加了一些难以控制的因素。

3.2 秸秆饲料化利用

秸秆当作饲料在我国有悠久的历史，秸秆饲料化可以有效缓解牲畜的饲料短缺问题，可以减少环境污染以及资源浪费[14]。一般秸秆加工成饲料主要有物理、化学、生物3种方法[13]。物理方法主要是对秸秆的物理性状进行改变，如切断、粉碎等，并不能改变秸秆的化学成分，不能提高秸秆的营养成分；化学方法是通过一定量的化学试剂，经过一系列的化学反应，从而改变秸秆的化学性质使其变得更加容易利用[16]。生物方法是利用可以降解粗纤维的微生物，如细菌、真菌、放线菌、霉菌、酵母菌、各种酶等来改变木质素的分子结构，降解难溶解的纤维素等有机物[17]，使秸秆做成的饲料更容易被牲畜吸收消化。目前，秸秆饲料市场上的处理方法有限，大多是青贮、颗粒和微贮饲料，还有很多的处理方法仍然在利用阶段。

3.3 秸秆原料化利用

秸秆也可以作为一种工业原料，秸秆中含有大量的天然纤维素，是造纸的好原料[18]，同时，现在越来越多的人开始将秸秆应用在建材上，据研究，秸秆墙板建成的建筑比一般的黏土砖更加保暖，并且制作秸秆墙的能耗更低[19]，建筑物利用秸秆建材在采暖季节所释放的能量是直接用燃料燃烧所释放能量的几倍[20]，虽然我国的人造板产业历经了十几年的发展，但是能够持续运营的并不多，主要是受技术、资金、市场等因素的影响，发生亏损资金链断裂[21]。此外，秸秆被制作成各种生活用品，清洁环保美观，有较为广阔的市场。

3.4 秸秆基料化利用

很多人会将肥料与基料弄混淆，其实这2个是有区别的，肥料是一种用于保护、维持或改善植物营养和土壤理化特性、生物学特性，可以增加产品产量或提高产品质量活性，增加植物抗性的有机、无机、微生物及其混合物料[22]；秸秆基料主要的作用就是提供植物营养。秸秆基料是以秸秆为主要原料进行加工制作，为植物、动物以及微生物生长提供良好的条件和营养的有机固体物料，主要包括栽培基质、动物饲养过程中的秸秆垫料以及具有保水保肥等功能的秸秆物料[23]。

运用最多且比较成熟的是食用菌栽培领域。农业秸秆中含有蛋白质、维生素以及微量元素，比较适合栽培食用菌[24]。如在玉米秸秆中含有比较丰富的氮，在菌菇栽培的基质中添加玉米秸秆可以提高菌菇的出菇量，增加经济效益[25]。目前，国内的秸秆作为食用菌基质技术比较成熟，平均生产1kg的食用菌可以消耗1kg的秸秆，菌菇渣经过食用菌的分解存在一些可以促进植物生长的化合物，可以作为有机肥料进行再利用，实现利用循环[26]。

3.5 秸秆能源化利用

秸秆的能源化利用按照不同的转化形态可以分为液化技术(生物燃料和乙醇)、直燃技术(直燃发电)、气化技术、固化技术(碳化和固化成型)[27]。

液化技术是指利用催化、水解或者热解等手段，使秸秆的化学性质发生变化，将生物质秸秆转化为液体能源[28]。

直燃技术是直接将秸秆燃烧，最常见的为直燃发电技术，直燃发电技术已经成为当前最主要的发电技术，这种发电技术和传统的燃煤发电在本质上并没有太大的区别。

秸秆气化是指将玉米秸秆、麦秸秆等粉碎后，倒入一种气化的设备再经过一系列的氧化和还原反应转化为一种可燃气体，这是一种在沼气、液化气、天然气后又一种比较清洁、无污染且原材料来源广泛的农村能源[29]，这对改善农村生活环境、建立资源节约型社会有着举足轻重的意义。

液化技术是生物质能通过热解水解等发生一系列化学变化，从而变成能够燃烧的液体燃料。第1代的技术是用经济作物如玉米、油菜籽等为原料制作成燃料乙醇和生物柴油，这种方式成本较高，且造成了粮食的较大消耗和浪费，越来越不符合我国的基本国情。第2代液化技术将农林业的废弃物通过发酵得到乙醇，如纤维素乙醇技术[30]。目前我国中粮集团已经启动建设了产量500t·a-1的纤维素乙醇实验装置，糖转化率超过了85%、半纤维转化率超过了95%、纤维素转化率超过90%，多项关键技术是国内最先进的，同时在国际上也属于较为先进的水平[31]。

将秸秆制作成固体燃料的技术就是固化成型，早在20世纪国外就已经开展了固化成型相关的研究，我国的相关技术研究始于20世纪80年代，目前已经实现了商业化的发展。不过这类的生物质固体燃料还存在一些不足，如热值比较低、品质不够稳定[32]，不能够满足使用要求比较高的场景。这项技术仍然有较大的提升空间，不过使用方便，能够有效地减少秸秆生物质资源的浪费。

4 小结与讨论

农作物秸秆是一种“用则利、弃则废”的可再生生物质资源。基于节能减排和可持续发展的环境背景，农作物秸秆综合利用已为大势所趋[4]。

从前文的秸秆“五化”利用来看，目前基料化的利用是综合经济效益比较高的一种利用方式。能源化利用由于对研发要求比较高，技术不是特别成熟，秸秆的收集、运输、储存的成本较高，设备也比较贵，总的成本较高，利润较小[33]，且技术上有较大的提升空间。秸秆还田中粉碎还田效果比较好，但是需要比较专业的机械，且成本较高，在没有补贴的情况下农民难以接受这么高的成本。在秸秆的原料化利用上我国近年来高校、研究所、企业取得了不少的突破，应用慢慢延伸到了众多的生活领域[34]，利用范围越来越广。秸秆饲料比较多，但是秸秆饲料化的手法还很单一，其余的研究还处于试验阶段。