王金武 唐 漢 王金峰

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

東北地區(qū)作物秸稈資源綜合利用現(xiàn)狀與發(fā)展分析

王金武 唐 漢 王金峰

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

作物秸稈是一種重要的可供開發(fā)利用的生物質(zhì)資源，其綜合利用對(duì)穩(wěn)定農(nóng)業(yè)生態(tài)平衡、促進(jìn)農(nóng)民增產(chǎn)增收、緩解能源與環(huán)境壓力具有重要作用。結(jié)合東北地區(qū)地域環(huán)境及資源配置特點(diǎn)，綜合評(píng)價(jià)了秸稈資源產(chǎn)量分布及焚燒問題，闡述分析了秸稈收儲(chǔ)運(yùn)模式和“五化”綜合利用(能源化、飼料化、肥料化、原料化和基料化)技術(shù)特點(diǎn)、配套裝備及應(yīng)用現(xiàn)狀。深入了解了國內(nèi)外其他地區(qū)秸稈利用發(fā)展特點(diǎn)與借鑒經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)歸納了國家及地方各級(jí)政府秸稈利用政策措施。在此基礎(chǔ)上結(jié)合秸稈利用政策、技術(shù)狀況、市場(chǎng)企業(yè)需求及存在問題，指出了東北地區(qū)秸稈資源綜合利用產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展方向。

秸稈； 資源； 綜合利用； 東北地區(qū)

引言

作物秸稈是一類具有豐富氮、磷、鉀及有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分的可再生生物質(zhì)資源，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要副產(chǎn)品[1]。東北地區(qū)是中國最主要的糧食及商品糧生產(chǎn)基地，其作物秸稈資源十分豐富，2015年東北地區(qū)可收集秸稈產(chǎn)量約1.59億t，約占全國秸稈總產(chǎn)量19.2%[2]。隨著東北地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，農(nóng)民生活條件和農(nóng)村燃料結(jié)構(gòu)改變，作物秸稈逐漸變?yōu)檗r(nóng)產(chǎn)品廢棄物，秸稈焚燒成為春秋兩季農(nóng)忙時(shí)節(jié)的標(biāo)志性現(xiàn)象，同時(shí)因其所引發(fā)的強(qiáng)霧霾天氣等環(huán)境問題已成為亟需解決的社會(huì)性問題[3-4]。自1992年國家及地方各級(jí)政府相繼出臺(tái)系列政策對(duì)秸稈禁燒及其綜合利用的總體目標(biāo)、重點(diǎn)任務(wù)和技術(shù)措施進(jìn)行闡述[5-7]，并將秸稈資源綜合利用規(guī)劃為“五化”技術(shù)工程(能源化、飼料化、肥料化、原料化和基料化)。秸稈資源綜合利用對(duì)穩(wěn)定農(nóng)業(yè)生態(tài)平衡、促進(jìn)農(nóng)民增產(chǎn)增收、緩解能源與環(huán)境壓力具有重要作用[8]。目前東北地區(qū)雖通過多種途徑利用秸稈資源，但由于部分政策規(guī)定較為模糊，部門監(jiān)督指導(dǎo)落實(shí)程度較差，對(duì)農(nóng)戶及企業(yè)等公眾指導(dǎo)激勵(lì)性不強(qiáng)，且并未綜合考慮地區(qū)氣候條件、地域環(huán)境、資源配置、種植業(yè)結(jié)構(gòu)、技術(shù)體系、資金狀況及農(nóng)戶認(rèn)識(shí)等因素[9-11]，導(dǎo)致秸稈整體利用尚處于初級(jí)粗放階段，無法在短期內(nèi)完全遏制秸稈焚燒現(xiàn)象。

在此背景下，本文對(duì)東北地區(qū)秸稈資源利用現(xiàn)狀進(jìn)行全面調(diào)研，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)研究，重點(diǎn)對(duì)其秸稈資源產(chǎn)量分布、焚燒問題、收儲(chǔ)運(yùn)模式及“五化”綜合利用技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行闡述分析，深入了解國內(nèi)外其他地區(qū)秸稈綜合利用發(fā)展特點(diǎn)與經(jīng)驗(yàn)，歸納總結(jié)國家及地方各級(jí)政府秸稈利用政策措施，并指出秸稈綜合利用產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展方向與建議，以期為構(gòu)建具有東北特色的秸稈資源綜合利用技術(shù)體系提供參考。

1 東北地區(qū)作物秸稈資源概況

1.1 作物秸稈資源產(chǎn)量分布

近些年東北地區(qū)糧食產(chǎn)量逐年增加，其副產(chǎn)品作物秸稈資源量也隨之增長，作物秸稈資源量與區(qū)域作物產(chǎn)量具有顯著正相關(guān)性[12]，同時(shí)與其種植規(guī)模、作物品種和氣候條件等相關(guān)。通常采用傳統(tǒng)谷草比法、農(nóng)作物副產(chǎn)品比重法和農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)法等對(duì)作物秸稈產(chǎn)量進(jìn)行估算評(píng)價(jià)[13-15]，根據(jù)東北地區(qū)作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)對(duì)2008—2015年秸稈可收集產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)估測(cè)，其估算公式為

(1)

式中S——秸稈可收集總產(chǎn)量，萬tSi——第i年作物總產(chǎn)量，萬tXi——第i年作物谷草比di——第i年作物秸稈可收集利用系數(shù)

參考農(nóng)業(yè)區(qū)域規(guī)劃研究[16-17]，對(duì)近年東北三省(黑龍江省、吉林省和遼寧省)秸稈可收集產(chǎn)量進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，其中作物谷草比主要參考《農(nóng)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)手冊(cè)》，作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計(jì)年鑒2008—2015》，結(jié)果如表1所示。

表1 2008—2015年東北地區(qū)主要作物秸稈可收集產(chǎn)量Tab.1 Recyclable yield of main crop straw in Northeast China from 2008 to 2015 萬t

由表1可知， 2008—2015年東北地區(qū)作物秸稈總產(chǎn)量呈逐漸增長趨勢(shì)，其歷年年均增長率約6.1%，2015年秸稈可收集產(chǎn)量約1.59億t，其中玉米秸稈總量約0.98億t，水稻秸稈總量約0.43億t。結(jié)合各省市作物種植區(qū)域特點(diǎn)分析，由于種植業(yè)結(jié)構(gòu)、耕作環(huán)境及糧食部署方案等因素影響[18-19]，東北地區(qū)秸稈資源存在明顯地域性特點(diǎn)，以玉米和谷物糧食作物秸稈為主。黑龍江省秸稈產(chǎn)量最高，約占東北地區(qū)秸稈總產(chǎn)量50.5%(2015年)，其中哈爾濱市、綏化市及農(nóng)墾系統(tǒng)秸稈產(chǎn)量約占全省2/3，玉米、水稻及大豆等3種主要作物秸稈產(chǎn)量約占全省秸稈總產(chǎn)量的93%。玉米秸稈主要分布于松嫩平原中南部半濕潤區(qū)、松嫩平原西部干旱半干旱區(qū)和三江平原溫和半濕潤區(qū)，處于第一、第二和第三積溫帶。水稻秸稈分布于黑龍江省各地，種植水稻萬公頃以上市縣近40個(gè)，形成稻谷秸稈生產(chǎn)集中區(qū)。吉林省處于世界“三大黃金玉米帶”地域之一，玉米占吉林省種植面積60%以上[20-21]，其玉米秸稈為該省主要秸稈資源種類，主要分布于長春市、松原市、四平市和吉林市等地。遼寧省以玉米、水稻、大豆、高粱和花生等為主要作物，其中玉米秸稈集中于遼中低丘平原區(qū)，包括沈陽市、鞍山市、營口市、遼陽市和鐵嶺市等地，約占遼寧省秸稈資源總產(chǎn)量的60%。水稻秸稈集中于遼河三角洲類型區(qū)，約占遼寧省秸稈資源總產(chǎn)量的30%?；ㄉ痛蠖菇斩捴饕杏诟沸率?、鐵嶺市、沈陽市和葫蘆島市等地，約占遼寧省秸稈資源總產(chǎn)量的5%。在秸稈綜合利用發(fā)展過程中，應(yīng)結(jié)合各地區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，發(fā)展區(qū)域優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，將秸稈資源合理有效利用，建立布局合理、多元利用、節(jié)能環(huán)保的產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系[22]。

1.2 作物秸稈焚燒現(xiàn)狀

近些年隨著東北地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)民生活條件和農(nóng)村燃料結(jié)構(gòu)的改變，作物秸稈逐漸變?yōu)楦吨痪娴霓r(nóng)產(chǎn)品廢棄物。由于大面積秸稈焚燒和供暖起爐，加之近地面風(fēng)力較小，大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象，引發(fā)大范圍強(qiáng)霧霾天氣，造成秸稈資源嚴(yán)重浪費(fèi)，同時(shí)易發(fā)生火災(zāi)與環(huán)境污染，影響道路及航空交通[23-25]。秸稈焚燒所引發(fā)的強(qiáng)霧霾天氣已成為東北地區(qū)乃至全國亟待解決的社會(huì)性問題，航拍焚燒現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

圖1 秸稈焚燒現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 Scenes of straw burning

對(duì)2014—2016年11月份東北三省(黑龍江省、吉林省和遼寧省)單周(11月2日—8日)秸稈焚燒火情進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(數(shù)據(jù)來源于國家環(huán)保部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心)，結(jié)果如表2所示。

表2 2014—2016年東北地區(qū)秸稈焚燒火情統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of straw burning in Northeast China from 2014 to 2016

由表2可知，2016年東北地區(qū)秸稈焚燒整體情況得到一定緩解，較2015年同期降低207個(gè)焚燒點(diǎn)，但對(duì)比全國各區(qū)域秸稈焚燒總數(shù)據(jù)，其整體仍居全國首位，其中黑龍江省第一，約占全國火點(diǎn)總數(shù)76.7%。結(jié)合各省市秸稈焚燒火情分布情況可知，黑龍江省哈爾濱市、大慶市和綏化市，吉林省長春市、松原市和白城市，遼寧省沈陽市、鞍山市和遼陽市等地因秸稈焚燒帶來的空氣污染最為嚴(yán)重，城市AQI(空氣質(zhì)量指數(shù))達(dá)到500。近些年省市各級(jí)政府積極采取各種措施手段[26]，加強(qiáng)推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、大氣污染防治的戰(zhàn)略部署，研究完善秸稈資源綜合利用的政策措施，加大秸稈禁燒監(jiān)管力度。但因涉及氣候條件、地域環(huán)境、種植業(yè)結(jié)構(gòu)、政策法規(guī)、技術(shù)水平、補(bǔ)貼資金及農(nóng)戶認(rèn)識(shí)等多方面因素，造成無法在短期內(nèi)完全解決東北地區(qū)秸稈焚燒問題，有效合理利用秸稈資源已成為一個(gè)綜合性系統(tǒng)工程。在未來規(guī)劃發(fā)展中，應(yīng)結(jié)合東北地區(qū)地域環(huán)境與資源配置特點(diǎn)，以提高農(nóng)業(yè)發(fā)展效益，促進(jìn)資源有效利用為目標(biāo)，形成“疏堵結(jié)合、以疏為主、以堵促疏”的秸稈禁燒長效機(jī)制。

2 作物秸稈收儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)模式

為減少因秸稈隨意拋棄、焚燒等現(xiàn)象帶來的系列環(huán)境問題，穩(wěn)定農(nóng)業(yè)生態(tài)平衡，緩解環(huán)境壓力，國家及地方各級(jí)政府大力提倡秸稈資源綜合利用，通過“五化”利用技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，而其綜合利用前提保障是建立有效合理收儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)體系與發(fā)展模式[27]。秸稈收儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是在保證秸稈利用價(jià)值前提下，通過專業(yè)機(jī)具及時(shí)有效將散落的秸稈進(jìn)行收集、運(yùn)輸和中間儲(chǔ)存或直接運(yùn)至秸稈利用場(chǎng)所的系統(tǒng)技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)秸稈資源化、商品化利用的重要基礎(chǔ)。秸稈收集環(huán)節(jié)是通過人工手動(dòng)或機(jī)械收集將秸稈打包、打捆及壓縮；秸稈儲(chǔ)存環(huán)節(jié)是指在田邊、收儲(chǔ)站或處理廠等地的防潮防腐存放；秸稈運(yùn)輸環(huán)節(jié)是將秸稈從田間或收儲(chǔ)站裝載運(yùn)輸至資源加工廠。

由于各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和自然地理?xiàng)l件差異，形成了不同種類的收儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)模式，主要以分散型和集中型為主[28-29]。其中分散型收儲(chǔ)運(yùn)模式以農(nóng)戶、專業(yè)合作經(jīng)濟(jì)組織或秸稈經(jīng)濟(jì)人為主體，將分散秸稈收集后提供給企業(yè)，此種模式將零散秸稈收儲(chǔ)運(yùn)問題化整為零，但很大程度受制于個(gè)人，系統(tǒng)管理原則較差。集中型收儲(chǔ)運(yùn)模式以專業(yè)秸稈收儲(chǔ)運(yùn)公司或農(nóng)場(chǎng)為主體，負(fù)責(zé)整體收集、晾曬、儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)，并按秸稈資源利用進(jìn)行分類交售，此種模式采用先進(jìn)技術(shù)設(shè)備對(duì)秸稈原料進(jìn)行處理，解決秸稈供應(yīng)隨意性風(fēng)險(xiǎn)，但一次性投入資金較大，固定成本較高。各體系模式建設(shè)與秸稈資源綜合效益及產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要關(guān)系，其總體模式規(guī)劃如圖2所示。

圖2 秸稈收儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)模式Fig.2Straw collection-storage-transportation technology mode

在秸稈收儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)中主要通過專業(yè)機(jī)具及時(shí)有效進(jìn)行秸稈撿拾、打捆、壓縮及裝載運(yùn)輸，以便后續(xù)資源化利用處理。國外學(xué)者及農(nóng)機(jī)制造企業(yè)對(duì)秸稈撿拾打捆裝載技術(shù)與裝備的研究較早，已形成品種齊全、系列完整且智能標(biāo)準(zhǔn)的配套裝備[30-32]；國內(nèi)對(duì)此類技術(shù)研究相對(duì)較晚，通過引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新模式進(jìn)行機(jī)具改進(jìn)優(yōu)化，但其產(chǎn)品應(yīng)用性能、可靠性及穩(wěn)定性較低[33-34]，如打捆機(jī)核心部件打結(jié)器仍需依靠進(jìn)口，未開發(fā)配置成熟智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，未有專業(yè)用于秸稈運(yùn)輸?shù)臋C(jī)具(多在常規(guī)裝載機(jī)械基礎(chǔ)上改造)，目前東北地區(qū)應(yīng)用較廣的秸稈撿拾打捆運(yùn)輸?shù)湫团涮讬C(jī)具如表3所示。

表3 秸稈撿拾打捆運(yùn)輸環(huán)節(jié)典型配套機(jī)具Tab.3 Typical machines of straw collection-storage-transportation

秸稈收儲(chǔ)運(yùn)成本是制約秸稈資源經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生產(chǎn)穩(wěn)定的重要因素，相關(guān)調(diào)研考察表明[35]，秸稈收儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)經(jīng)濟(jì)投入約占秸稈資源全程利用投入40%～50%，合理優(yōu)化秸稈收儲(chǔ)運(yùn)模式，建立平衡穩(wěn)定技術(shù)體系，對(duì)其綜合利用發(fā)展大有裨益。近些年國內(nèi)外眾多學(xué)者圍繞秸稈收儲(chǔ)運(yùn)模式、收集半徑及成本收益等問題開展研究。FORSBERG[36]采用生命周期評(píng)價(jià)法對(duì)秸稈資源化運(yùn)輸鏈進(jìn)行分析，研究各運(yùn)輸方式對(duì)環(huán)境效益影響；徐亞云等[37]對(duì)不同秸稈收儲(chǔ)運(yùn)模式成本及能耗加以分析，建立收儲(chǔ)運(yùn)成本與利潤間關(guān)系，為選擇各地區(qū)合適收儲(chǔ)運(yùn)模式提供參考依據(jù)。但由于各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及秸稈分布狀況不同，無法建立完整系統(tǒng)的效益模型分析其內(nèi)部具體關(guān)系，從成本收益角度考慮，應(yīng)盡量在田間對(duì)秸稈就地加工，縮減作業(yè)環(huán)節(jié)，同時(shí)合理選擇收集規(guī)模、收集量及運(yùn)輸路徑，以有效降低收儲(chǔ)運(yùn)成本。

目前東北地區(qū)收儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)實(shí)施主要存在以下問題：秸稈田地分散零碎，收儲(chǔ)運(yùn)難度大；收運(yùn)周期短，若夾雜雨雪將影響收運(yùn)效率及質(zhì)量，其實(shí)際有效收運(yùn)時(shí)間僅20余天；撿拾不凈，小型農(nóng)戶壟作影響機(jī)具收凈率；收運(yùn)機(jī)械小型化，以小型撿拾機(jī)為主，打捆機(jī)逐漸由30 kg小方捆過渡至200 kg大圓捆，缺乏草捆撿拾車及秸稈收運(yùn)車等配套車輛，且人工運(yùn)輸裝卸成本較高；收儲(chǔ)運(yùn)成本難以消化，一般企業(yè)無法解決秸稈加工產(chǎn)品附加值低但收集成本高的矛盾，僅通過政府補(bǔ)貼推動(dòng)無法平衡各環(huán)節(jié)利益。

為建立適用于東北地區(qū)的秸稈收儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)模式，推進(jìn)秸稈資源綜合利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展，借鑒國內(nèi)其他省市較成功模式及國外收儲(chǔ)運(yùn)模式經(jīng)驗(yàn)[38-39]，綜合東北地區(qū)未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)與收集環(huán)境等狀況，建議統(tǒng)籌分析秸稈收、儲(chǔ)、運(yùn)、用各環(huán)節(jié)支持方式，將分散型模式與集中型模式相結(jié)合，針對(duì)區(qū)域特點(diǎn)按秸稈產(chǎn)地合理區(qū)域半徑的就近就地利用原則(建議有效收集半徑50 km內(nèi))，降低收儲(chǔ)運(yùn)成本，建立健全以政府推動(dòng)為保障，秸稈利用企業(yè)和收儲(chǔ)組織為軸心，專業(yè)合作經(jīng)濟(jì)組織或秸稈經(jīng)濟(jì)人參與，市場(chǎng)化運(yùn)作的專業(yè)化規(guī)?；斩捠諆?chǔ)運(yùn)體系。投入資金及激勵(lì)政策方面，建議健全秸稈綜合利用稅費(fèi)、信貸及土地等優(yōu)惠政策，設(shè)立綜合利用及收儲(chǔ)運(yùn)專項(xiàng)補(bǔ)助資金(建議每667 m2耕地秸稈農(nóng)戶給予10～30元補(bǔ)貼)；技術(shù)創(chuàng)新方面，制定合理的田間收儲(chǔ)實(shí)施方案，積極扶持以機(jī)收撿拾打捆為重點(diǎn)的收儲(chǔ)運(yùn)服務(wù)組織發(fā)展，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)且適合東北地區(qū)的各類型規(guī)格撿拾機(jī)、打捆機(jī)及裝載運(yùn)輸機(jī)等配套機(jī)具。各環(huán)節(jié)共同作用逐步構(gòu)建“分整結(jié)合、區(qū)域收儲(chǔ)、集中轉(zhuǎn)運(yùn)、規(guī)模利用”秸稈收儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)體系與發(fā)展模式。

3 作物秸稈資源綜合利用技術(shù)

1999年國家環(huán)保總局與農(nóng)業(yè)部等部委聯(lián)合發(fā)布《秸稈焚燒和綜合利用管理辦法》、2008年國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)作物秸稈綜合利用的意見》、2011年國家發(fā)改委、農(nóng)業(yè)部和財(cái)政部聯(lián)合發(fā)布《“十二五”農(nóng)作物秸稈綜合利用實(shí)施方案》，至2016年國家秸稈產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟發(fā)行《中國秸稈產(chǎn)業(yè)藍(lán)皮書》，一系列政策及著作相繼對(duì)作物秸稈禁燒和綜合利用進(jìn)行界定，闡述總體目標(biāo)、重點(diǎn)任務(wù)和技術(shù)措施，并將秸稈“五化”綜合利用技術(shù)分解為20余項(xiàng)小類技術(shù)[40-42]。目前東北地區(qū)秸稈以能源化發(fā)電利用及肥料化還田利用為主，飼料化利用和原料化利用潛力較大，基料化利用處于起步階段，整體綜合利用尚處于初級(jí)粗放階段，深度開發(fā)力度不足[43]。在未來發(fā)展中應(yīng)結(jié)合地域環(huán)境及資源配置特點(diǎn)，集成能源化、飼料化、肥料化、基料化和原料化等成熟實(shí)用技術(shù)，構(gòu)建具有東北特色“還田主導(dǎo)型、種養(yǎng)結(jié)合型、多元循環(huán)型、產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)型”的秸稈綜合利用技術(shù)模式并示范推廣。

3.1 作物秸稈能源化利用技術(shù)

東北地區(qū)位于中國北方高寒地帶，是國家實(shí)施振興東北老工業(yè)基地戰(zhàn)略的主要載體，能源對(duì)其整體發(fā)展具有至關(guān)重要作用。作物秸稈作為一種極具潛力的生物質(zhì)資源，含有豐富的碳、氫和氧等養(yǎng)分，具有資源豐富、發(fā)熱量高和清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[44-45]，可有效替代常規(guī)化石燃料，延長各產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，緩解區(qū)域能源與環(huán)境壓力。根據(jù)能源轉(zhuǎn)化方式分為秸稈燃料轉(zhuǎn)化技術(shù)(高效燃燒、固化成型和燃燒發(fā)電)、秸稈氣化技術(shù)(生物氣化和熱解氣化)和秸稈液化技術(shù)(纖維素乙醇和生物柴油)。

3.1.1 秸稈燃料轉(zhuǎn)化技術(shù)

秸稈燃料轉(zhuǎn)化技術(shù)主要包括高效燃燒技術(shù)、固化成型技術(shù)和混合發(fā)電技術(shù)。高效燃燒是以節(jié)約能源、提高效率為目標(biāo)，將秸稈作為燃料直接燃燒的技術(shù)，是一種傳統(tǒng)能源利用形式，其相對(duì)利用率較低，生態(tài)效益及社會(huì)效益較差。目前在東北地區(qū)偏遠(yuǎn)農(nóng)村仍以此種方式為主進(jìn)行炊事和取暖[46-47]，但隨著新農(nóng)村建設(shè)和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，此種利用秸稈供能的傳統(tǒng)方式將逐漸減少并被取代，各地區(qū)正逐步推廣秸稈成型燃料鍋爐供熱(供蒸汽)取代現(xiàn)有燃煤鍋爐，積極建設(shè)低碳能源生態(tài)村等文明工程。

秸稈固化成型是在一定溫度及壓力條件下通過專用設(shè)備將粉碎秸稈壓縮為棒狀、塊狀或顆粒狀等成型燃料的技術(shù)，固化成型后秸稈體積壓縮1/18～1/15，熱效率增加50%～70%，可提高其運(yùn)輸及貯存能力，改善燃燒性能及應(yīng)用范圍。根據(jù)成型工藝分為濕壓成型、熱壓成型和碳化成型3種[48-50]，其配套機(jī)具多針對(duì)玉米秸稈，較為成熟設(shè)備包括螺旋式擠壓成型機(jī)、活塞沖壓式成型機(jī)、壓輥式擠壓成型機(jī)和平模式成型機(jī)。目前相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新多集中于秸稈固化成型技術(shù)理論及配套機(jī)具研究。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)徐楊團(tuán)隊(duì)[51]對(duì)影響秸稈生物質(zhì)壓縮、機(jī)械、流變及成型等工藝特性進(jìn)行研究，為固化成型技術(shù)提供理論參考。東北林業(yè)大學(xué)王述洋團(tuán)隊(duì)[52-53]針對(duì)北方秸稈燃料高效應(yīng)用及固化成型技術(shù)進(jìn)行研究，為固化成型技術(shù)在北方地區(qū)應(yīng)用推廣提供可行性建議。但上述研究多處于試驗(yàn)階段，工藝技術(shù)成熟度有待提高。黑龍江省雞西市、吉林省梨樹鎮(zhèn)及遼寧省凌源市等地對(duì)秸稈固化成型技術(shù)與機(jī)具已實(shí)現(xiàn)部分產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化生產(chǎn)。

燃燒發(fā)電是將秸稈直接燃燒或與煤炭、石油天然氣等化石燃料混合燃燒或氣化為可燃?xì)怏w，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電的現(xiàn)代化綜合利用技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)可有效節(jié)省化石燃料用量，提高生物質(zhì)能源利用率，減少溫室氣體排放，是最直接有效的秸稈利用途徑之一。相關(guān)研究表明[54]，單位質(zhì)量秸稈的熱量相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤的1/2，而其平均含硫量僅為3.8%。自2005年以來《中華人民共和國可再生資源法》、《電網(wǎng)企業(yè)全額收購可再生能源電量監(jiān)管辦法》和《可再生能源發(fā)電價(jià)格和費(fèi)用分?jǐn)偣芾碓囆修k法》等相關(guān)政策法規(guī)的頒布促進(jìn)了此項(xiàng)技術(shù)在國內(nèi)推廣發(fā)展。目前東北地區(qū)已形成較為成熟的秸稈生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)路線，黑龍江省慶安縣、富?？h，吉林省白城市等地相繼開展相關(guān)項(xiàng)目并建設(shè)大型秸稈發(fā)電廠，以便規(guī)模化秸稈資源收集。在秸稈能源發(fā)電建設(shè)規(guī)劃過程中，應(yīng)根據(jù)各地秸稈資源條件、分布特點(diǎn)、收集半徑及保障能力，合理布局發(fā)展，并加強(qiáng)針對(duì)北方寒地秸稈燃料輸送系統(tǒng)技術(shù)及發(fā)電鍋爐的研發(fā)，解決目前絕大部分依靠進(jìn)口發(fā)電設(shè)備，缺乏核心技術(shù)的問題。

3.1.2 秸稈氣化技術(shù)

秸稈氣化是一種將秸稈資源轉(zhuǎn)化為清潔氣態(tài)資源的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)，根據(jù)氣化方法分為熱解氣化和生物氣化。秸稈熱解氣化技術(shù)主要在控制氧含量條件下通過高溫干燥、熱解、燃燒及還原4個(gè)階段將秸稈轉(zhuǎn)化為一氧化碳、氫氣及甲烷等混合可燃?xì)怏w，并通過后處理方式經(jīng)儲(chǔ)氣罐或地下管網(wǎng)形式輸送。目前國內(nèi)秸稈氣化工程多適用于鄉(xiāng)村小型集中供氣和中小型氣化發(fā)電，其整體效率較低，成本較高，且氣化、焦油處理和發(fā)電系統(tǒng)裝備改造難度較大[55]。國內(nèi)高?？蒲袡C(jī)構(gòu)及企業(yè)在熱解氣化理論及設(shè)備等方面進(jìn)行了積極研究，并逐漸進(jìn)行應(yīng)用推廣。山東大學(xué)[56]研究開發(fā)的MW級(jí)下吸式固定床氣化反應(yīng)爐，結(jié)合基于化學(xué)吸收的燃?xì)鈨艋夹g(shù)，已在黑龍江伊春地區(qū)建設(shè)示范項(xiàng)目，是我國中等規(guī)模生物質(zhì)氣化技術(shù)的重要嘗試。

秸稈生物氣化，也稱秸稈沼氣，是一種通過微生物厭氧消化作業(yè)將秸稈轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)沼氣和固態(tài)有機(jī)肥料(沼渣)的處理技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)可有效解決沼氣推廣過程中原料不足的問題，同時(shí)其副產(chǎn)品沼液及沼渣可作為有機(jī)肥料施用，具有能耗低、無污染及經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)[57]，其基本應(yīng)用模式如圖3所示。在東北地區(qū)冬季低溫條件下秸稈沼氣生產(chǎn)質(zhì)量與利用效率均受到影響，存在一定應(yīng)用局限性。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)李文哲團(tuán)隊(duì)[58-59]研究提出了寒冷地區(qū)干濕耦合厭氧發(fā)酵技術(shù)和分布式新農(nóng)村資源化技術(shù)，對(duì)其發(fā)酵罐體、攪拌裝置、進(jìn)料裝置、出料裝置的罐式連續(xù)干法發(fā)酵系統(tǒng)和沼肥田間機(jī)械化暗灌施肥機(jī)械進(jìn)行研究，通過調(diào)整畜禽糞便及秸稈比例，實(shí)現(xiàn)寒區(qū)大型沼氣工程發(fā)酵原料的穩(wěn)定供應(yīng)，解決冬季寒地沼氣利用難題，該成果已與哈爾濱良大實(shí)業(yè)(集團(tuán))有限公司合作進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣，應(yīng)用于黑龍江省哈爾濱市并建設(shè)生態(tài)產(chǎn)業(yè)園區(qū)。

圖3 秸稈沼氣利用基本應(yīng)用模式Fig.3 Basic application model of straw biogas utilization

3.1.3 秸稈液化技術(shù)

秸稈液化是通過物理、化學(xué)和生物等方法，在一定溫度壓力、溶解劑及催化劑作用下，使秸稈木質(zhì)生物質(zhì)高分子結(jié)構(gòu)裂解為小分子液態(tài)產(chǎn)物(醇類或可燃性油)的一種高效技術(shù)，可有效實(shí)現(xiàn)作物秸稈向液態(tài)燃料或化工原料的轉(zhuǎn)變。此項(xiàng)技術(shù)主要包括原料處理、糖化水解、發(fā)酵和蒸餾4道工序，每道工序可選擇的技術(shù)模式較多，應(yīng)結(jié)合地區(qū)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)、技術(shù)條件和資源比例等因素進(jìn)行規(guī)?；攸c(diǎn)發(fā)展。浙江大學(xué)陳明[60]對(duì)玉米秸稈制取燃料乙醇關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，為纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化提供理論參考。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)解新安等[61-62]采用集總方法對(duì)秸稈在亞/超臨界乙醇中液化機(jī)理進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析其水解臨界規(guī)律。2002年開始在黑龍江部分地區(qū)進(jìn)行秸稈液化制取乙醇的研究推廣，至2004年在東北三省進(jìn)行整體推廣，雖然秸稈資源價(jià)格成本低廉，但其液化為生物燃料的工藝較復(fù)雜，所需能源消耗較大，且收儲(chǔ)運(yùn)費(fèi)用過高，造成秸稈試制乙醇燃料經(jīng)濟(jì)效益不具備較強(qiáng)市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。在未來發(fā)展過程中應(yīng)堅(jiān)持生物精煉與乙醇聯(lián)產(chǎn)模式，提升拓展秸稈底物各組分經(jīng)濟(jì)價(jià)值，強(qiáng)化秸稈收儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)，有效促進(jìn)秸稈液態(tài)技術(shù)發(fā)展及推廣。

3.2 作物秸稈飼料化利用技術(shù)

圖4 秸稈飼料化利用技術(shù)分類Fig.4 Technical classification for straw feed unitization

作物秸稈作為牧畜動(dòng)物主要飼料之一，因富含不易消化的粗纖維素及木質(zhì)素等非淀粉類物質(zhì)，造成牧畜采食量小、消化率低、適口性差等問題，限制其在畜牧產(chǎn)業(yè)中發(fā)展[63]。2011年農(nóng)業(yè)部發(fā)布《全國節(jié)糧型畜牧發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》迅速推進(jìn)了作物秸稈飼料化利用發(fā)展。秸稈飼料化利用對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)模養(yǎng)殖，解決“人畜爭糧”，保障中國糧食安全產(chǎn)能具有重要意義[64-65]。東北地區(qū)是秸稈飼料化利用發(fā)展核心區(qū)域，其秸稈飼料利用率逐年增長，但有效利用率較低，以黑龍江省飼料利用為例，2014年秸稈飼料化總量約1 700萬t，但僅20%秸稈經(jīng)精細(xì)加工制成飼料，50%秸稈經(jīng)簡單鹽化處理直接飼喂牧畜[66]。秸稈飼料化利用的主要流程：作物秸稈→秸稈收儲(chǔ)運(yùn)→秸稈飼料轉(zhuǎn)化→飼料，其中秸稈飼料轉(zhuǎn)化是其系統(tǒng)核心技術(shù),秸稈收儲(chǔ)運(yùn)是系統(tǒng)實(shí)施保障，在技術(shù)集成推廣時(shí)應(yīng)遵循目的統(tǒng)一、功能匹配、社會(huì)協(xié)調(diào)、整體優(yōu)化等原則進(jìn)行發(fā)展，其轉(zhuǎn)化技術(shù)分類如圖4所示。前文已對(duì)秸稈收儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)模式進(jìn)行闡述，在此重點(diǎn)總結(jié)分析秸稈飼料轉(zhuǎn)化技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)與現(xiàn)狀。秸稈飼料轉(zhuǎn)化技術(shù)是通過物理處理(粉碎軟化、拉絲揉搓、壓塊?；⒄糁笈蚧蜔釃?、化學(xué)處理(酸化、堿化、氧化、氨化和氨堿復(fù)合)和微生物處理(青貯、微貯、黃貯、發(fā)酵和酶解)等方式將粗質(zhì)秸稈轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)飼料的技術(shù)。目前國內(nèi)外對(duì)飼料轉(zhuǎn)化技術(shù)及裝備研究多集中于青貯收獲、秸稈包膜、揉絲攪拌混合及壓塊加工等方面[67-69]，國外集成機(jī)電液控制等多項(xiàng)核心技術(shù)，已研制生產(chǎn)高速大型、系列完整、智能標(biāo)準(zhǔn)配套機(jī)具，但國內(nèi)研究仍處于初級(jí)階段，缺乏相關(guān)基礎(chǔ)理論、工藝方法及機(jī)具研究，成熟產(chǎn)品應(yīng)用較少[70]。東北地區(qū)飼料轉(zhuǎn)化機(jī)具應(yīng)用以引進(jìn)為主，其相關(guān)部分典型配套機(jī)具工作原理、技術(shù)特點(diǎn)及參數(shù)如表4所示。

表4 秸稈飼料轉(zhuǎn)化技術(shù)典型配套機(jī)具Tab.4 Typical machines of straw feed conversion unitization technology

3.2.1 秸稈飼料物理轉(zhuǎn)化技術(shù)

秸稈拉絲揉搓和壓塊加工是目前東北地區(qū)應(yīng)用較廣、發(fā)展較快的物理處理方法[71-72]。拉絲揉搓是將秸稈精細(xì)加工為柔軟絲狀物，提高牲畜適口性、采食率和消化率。實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用證明[73]，通過揉搓技術(shù)研制的反芻動(dòng)物全混合日糧(TMR)機(jī)具可有效將秸稈等粗飼料與多種添加劑充分混合配制，改善單喂時(shí)適口性差和消化率低等問題。黑龍江省畜牧機(jī)械化研究所[74]設(shè)計(jì)了一種適用于大型秸稈密度板制造的滾刀式秸稈揉搓機(jī)，并對(duì)物料拋送過程機(jī)理進(jìn)行研究。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)王德福團(tuán)隊(duì)[75-76]設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)輪式全混合日糧混合機(jī)，結(jié)合虛擬仿真優(yōu)化、臺(tái)架及田間試驗(yàn)，提高機(jī)具作業(yè)質(zhì)量與效率。吉林大學(xué)[77]采用仿生學(xué)原理對(duì)反芻動(dòng)物瘤胃消化進(jìn)行模擬，提高揉搓過程作業(yè)質(zhì)量，節(jié)約配套功率消耗。壓塊加工是將鍘切或揉搓粉碎秸稈配混其他營養(yǎng)物質(zhì)，經(jīng)高溫高壓軋制成高密度塊狀或顆粒狀飼料，以便于保存運(yùn)輸且防止霉變，此種處理方法可有效解決東北地區(qū)冬季飼料供給不足問題，在日常飼喂、抗災(zāi)保畜及商品飼料生產(chǎn)中均可取得較大經(jīng)濟(jì)效益。

3.2.2 秸稈飼料化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)

化學(xué)處理法主要通過酸堿等化學(xué)試劑破壞秸稈細(xì)胞壁致密結(jié)構(gòu)，增大纖維素間孔隙度，改善秸稈適口性及營養(yǎng)價(jià)值。酸堿及氧化等處理方法存在污染嚴(yán)重、生產(chǎn)成本高等問題，正逐步被氨堿復(fù)合處理所取代[78]。氨堿復(fù)合處理主要應(yīng)用尿素和氫氧化鈣溶液，克服常規(guī)氨化處理秸稈消化率不高等缺點(diǎn)，其應(yīng)用成本較低，操作簡單安全[79]。目前東北地區(qū)部分縣村已采用氨堿復(fù)合方式對(duì)稻稈及麥稈進(jìn)行處理。

3.2.3 秸稈飼料生物轉(zhuǎn)化技術(shù)

物理及化學(xué)處理方法主要適用于反芻牲畜動(dòng)物飼喂，對(duì)單胃動(dòng)物具有一定局限性。相對(duì)而言，微生物處理主要通過特定微生物及分泌物對(duì)秸稈進(jìn)行降解處理，將高度聚合多糖分解為低分子多糖或單糖，有效拓展秸稈飼喂范圍。其中青貯、微貯和酶解是目前較常用的微生物處理方法，也是政策積極鼓勵(lì)推廣技術(shù)[80]，如圖5所示。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)王亮[81]對(duì)高寒地區(qū)水稻秸稈青貯方式及飼喂效果進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析了各菌種對(duì)處理質(zhì)量的影響。沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)孫清[82]以纖維素酶對(duì)玉米秸稈進(jìn)行酶解，探究溫度、pH值和酶濃度等因素對(duì)秸稈酶解轉(zhuǎn)化影響。目前東北地區(qū)積極提倡秸稈飼料規(guī)?；瘍?yōu)質(zhì)生產(chǎn)，推廣秸稈青貯、微貯及氨化等技術(shù)，根據(jù)各區(qū)域種植結(jié)構(gòu)變化，適當(dāng)擴(kuò)大青貯種植，同時(shí)大力扶持青貯飼料基地及飼料加工機(jī)械化生產(chǎn)大型養(yǎng)殖企業(yè)發(fā)展，推進(jìn)秸稈飼料化總體發(fā)展。

圖5 秸稈飼料生物轉(zhuǎn)化技術(shù)主要方式Fig.5 Main ways of straw feed bioconversion technology

3.3 作物秸稈肥料化利用技術(shù)

東北黑土區(qū)是世界三大黑土區(qū)之一，典型黑土面積達(dá)1.18×105km2，其耕地土層深厚、土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)良，蘊(yùn)含養(yǎng)分豐富，經(jīng)多年大規(guī)模開墾已將東北地區(qū)打造為我國最重要的糧食及商品糧生產(chǎn)基地[83-84]。但由于長期過度開墾耕作、重用輕養(yǎng)及化肥施用過量，造成土質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞，有機(jī)質(zhì)分解礦化，土壤肥力嚴(yán)重退化。相關(guān)研究表明[85]，近20年東北地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)降低22.26%，速效鉀含量相對(duì)降低34.47%，pH值相對(duì)降低0.38，速效磷相對(duì)增加65.49%(大量施用化肥導(dǎo)致)。

秸稈肥料化利用技術(shù)主要通過多種秸稈還田方式實(shí)現(xiàn)，是目前東北地區(qū)秸稈利用最主要方式之一，以此項(xiàng)技術(shù)作為黑土地退化修復(fù)的突破口，可有效平衡補(bǔ)充土壤養(yǎng)分，改善土壤物理性狀及蓄水能力，提高作物產(chǎn)量與生產(chǎn)潛力，同時(shí)與發(fā)展可持續(xù)性生態(tài)農(nóng)業(yè)政策相匹配。根據(jù)還田形式可分為直接還田(高茬還田、粉碎還田和覆蓋還田)、間接還田(堆謳還田、沼渣還田和過腹還田)和生化腐熟還田(催腐堆肥和酵菌堆肥)，其中直接還田占秸稈總利用量比例較大，約占黑龍江省秸稈用量25.0%，吉林省秸稈用量8.9%。

3.3.1 秸稈直接還田技術(shù)

秸稈直接還田技術(shù)主要通過農(nóng)業(yè)機(jī)械將收獲后秸稈粉碎并拋撒在田間后耕翻掩埋，或?qū)⒄杲斩捈案吡舨缰苯痈采w于土壤深層還田，實(shí)現(xiàn)蓄水保墑、增加地表積溫及土壤肥力的目的，具有快捷方便、高效低耗等優(yōu)點(diǎn)，是東北地區(qū)重點(diǎn)推廣技術(shù)[86]。東北地區(qū)秋季收獲期集中，冬季封凍時(shí)間長，土壤積溫較低，氣候干燥，直接還田秸稈分解速度緩慢，影響還田作業(yè)效果，因此對(duì)還田農(nóng)藝要求較嚴(yán)格。相關(guān)試驗(yàn)研究表明[87]，其秸稈還田率應(yīng)大于85%，還田深度應(yīng)大于18 cm，才可基本滿足秸稈還田腐爛降解要求。

目前東北地區(qū)大型墾區(qū)多通過大型聯(lián)合收獲機(jī)具在收獲時(shí)進(jìn)行同步粉碎還田作業(yè)[88]，代表機(jī)型如約翰迪爾公司C120型稻麥聯(lián)合收獲機(jī)，在機(jī)具后側(cè)出料口處配置秸稈粉碎拋撒裝置，收獲過程中直接將脫離秸稈進(jìn)行粉碎并均勻拋撒覆蓋于地表，再通過旋耕或犁翻作業(yè)將粉碎秸稈埋入土壤。對(duì)于小型地塊采用半喂入式聯(lián)合收獲機(jī)收獲后秸稈整株放置于田間的情況，在秸稈風(fēng)干后多采用粉碎還田機(jī)進(jìn)行直接粉碎作業(yè)[89]，代表機(jī)型如格蘭公司FXN280型秸稈粉碎滅茬還田機(jī)，通過高速旋轉(zhuǎn)刀軸配置重載型刀片將秸稈粉碎(碎段長度10 cm內(nèi))并均勻鋪撒于田間，再通過旋耕或犁翻進(jìn)行翻埋還田。由于二次粉碎翻埋還田增加農(nóng)戶作業(yè)成本，影響經(jīng)濟(jì)收益，因此多數(shù)農(nóng)戶在耕整地時(shí)直接通過旋耕機(jī)或犁直接翻埋還田作業(yè)[90]，但其作業(yè)效果不理想，還田深度較淺，無法滿足農(nóng)藝要求。近些年國內(nèi)創(chuàng)新研制多種機(jī)械化聯(lián)合作業(yè)機(jī)具，在東北部分地區(qū)示范推廣應(yīng)用。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)王金武團(tuán)隊(duì)[91-93]提出一種水稻秸稈整株深埋還田聯(lián)合作業(yè)整地技術(shù)，研制了系列配套作業(yè)機(jī)具，該機(jī)具可一次性完成切土、碎土、埋土、壓草及覆土等多道工序，將水稻整株秸稈直接深埋入地下，克服秸稈粉碎還田后在水整地過程中秸稈浮出的弊端，并于2013—2016年間在黑龍江省佳木斯市、綏化市和建三江農(nóng)場(chǎng)等地開展示范推廣。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)與黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)用研究所[94]聯(lián)合研制了一種秸稈開溝深埋還田機(jī)，通過配置鏈條傳動(dòng)式刀片將土壤切削為上寬下窄溝體進(jìn)行秸稈深埋還田，為秸稈還田機(jī)具結(jié)構(gòu)形式創(chuàng)新提供新思路。黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院設(shè)計(jì)了一種與大功率拖拉機(jī)配套的滅茬深松整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)[95]，對(duì)其關(guān)鍵部件高速旋耕滅茬機(jī)構(gòu)、斜式深松土鏟、波紋盤耙及碎土輥進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)生產(chǎn)應(yīng)用證明，該機(jī)具可有效提高玉米耕整地及還田質(zhì)量。吉林大學(xué)賈洪雷團(tuán)隊(duì)[96]設(shè)計(jì)了一種雙刀輥秸稈-根茬粉碎還田聯(lián)合作業(yè)機(jī)，為東北地區(qū)保護(hù)性耕作及秸稈還田提供了一種機(jī)具選擇的可行方案。沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)林靜團(tuán)隊(duì)[97]結(jié)合東北地區(qū)玉米種植農(nóng)藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種動(dòng)定刀配合反旋式玉米秸稈還田機(jī)，并進(jìn)行虛擬仿真分析及田間試驗(yàn)，為相關(guān)機(jī)具及關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。上述東北地區(qū)直接還田典型配套機(jī)具工作原理、技術(shù)特點(diǎn)及相關(guān)參數(shù)如表5所示。

表5 秸稈直接還田技術(shù)典型配套機(jī)具Tab.5 Typical machines of straw returning directly technology

3.3.2 秸稈間接還田技術(shù)

秸稈間接還田是利用作物秸稈進(jìn)行養(yǎng)畜和發(fā)酵，在完成畜禽飼喂和生成沼氣后，對(duì)其糞便或沼渣等進(jìn)行處理還田的一種提高秸稈利用效益的技術(shù)，可有效解決因未能充分分解的秸稈影響次年耕播作業(yè)、抑制出苗和誘發(fā)病蟲害等問題，其發(fā)展與秸稈飼料化及能源化具有一定關(guān)聯(lián)，主要方式如圖6所示。目前對(duì)間接還田糞便或沼渣的處理方式主要有2種：經(jīng)傳統(tǒng)方法堆漚，自然發(fā)酵后直接還田利用；經(jīng)生物技術(shù)發(fā)酵處理，生產(chǎn)商品有機(jī)肥[98]。上述處理方式均通過微生物降解秸稈中難以利用的纖維素、蛋白質(zhì)和尿酸鹽等高分子有機(jī)物，將其轉(zhuǎn)化為菌體蛋白、氨基酸或其他促進(jìn)作物生長有益成分，并利用微生物發(fā)酵高溫殺滅病原菌和蟲卵，實(shí)現(xiàn)肥料有效轉(zhuǎn)化[99]。此項(xiàng)技術(shù)發(fā)展及推廣過程中，應(yīng)考慮東北寒冷地區(qū)環(huán)境約束，調(diào)整畜禽糞便與秸稈資源混合比例，實(shí)現(xiàn)資源有效轉(zhuǎn)化，構(gòu)建循環(huán)生態(tài)農(nóng)業(yè)模式，促進(jìn)畜牧養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)及能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

圖6 秸稈間接還田技術(shù)主要方式Fig.6 Main ways of straw returning indirectly technology

3.3.3 秸稈生化腐熟還田技術(shù)

秸稈生化腐熟還田是將粉碎后作物秸稈與生物菌劑、催化劑等混合，灑水堆壓后高溫漚制使高分子粗纖維分解為小分子糖醇等物質(zhì)形成有機(jī)熟肥的技術(shù)，具有腐化分解速度快(節(jié)省腐熟時(shí)間15～20 d)，腐解充分完全，肥效作用較高且穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[100]。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)丁為民團(tuán)隊(duì)[101-102]將秸稈集溝還田技術(shù)與腐解劑噴施技術(shù)相結(jié)合，開溝深埋秸稈的同時(shí)噴施腐解劑，并研制開發(fā)相關(guān)配套機(jī)具，在長江中下游等多地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)示范，如圖7所示。甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)戴飛等[103]研制了一種秸稈快速腐解聯(lián)合作業(yè)機(jī)，將秸稈快速腐解技術(shù)與田間秸稈機(jī)械粉碎作業(yè)相結(jié)合，在秸稈機(jī)械化還田作業(yè)的同時(shí)噴施腐菌劑加速秸稈腐解。生化腐熟技術(shù)在東北部分地區(qū)溫室大棚瓜果及蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物推廣應(yīng)用，但由于氣候及土壤地溫等因素限制，秸稈腐熟速率受到影響，在大田作物生產(chǎn)中應(yīng)用較少。

圖7 稻麥聯(lián)合收獲開溝埋草多功能一體機(jī)及作業(yè)效果Fig.7 Harvest ditch and stalk-disposing machine and its operation effect

3.4 作物秸稈原料化利用技術(shù)

秸稈纖維是一種天然纖維素，其生物降解性能好，可采用清潔生產(chǎn)工藝用于造紙?jiān)瓭{、輕型建材、包裝材料及可降解農(nóng)用生產(chǎn)材料等產(chǎn)品的生產(chǎn)制造，促進(jìn)秸稈產(chǎn)業(yè)化高效利用[104]。在國家“十二五”發(fā)展期間，東北地區(qū)有效利用秸稈資源豐富的優(yōu)勢(shì)，提高秸稈工業(yè)原料利用水平，多地試點(diǎn)建設(shè)秸稈造紙、秸稈木糖醇、活性炭及復(fù)合人造板等工程[105]。根據(jù)作用轉(zhuǎn)化對(duì)象分為清潔制漿技術(shù)、復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)和農(nóng)用材料配制技術(shù)。

3.4.1 秸稈清潔制漿技術(shù)

秸稈清潔制漿是通過有機(jī)溶劑、微生物或催化劑等，借助機(jī)械助力作用將秸稈中木質(zhì)素與纖維素充分分離的生產(chǎn)技術(shù)，可有效緩解我國造紙?jiān)牧系亩倘眴栴}。常規(guī)用于造紙纖維原料秸稈為禾草類，包括稻草、麥稈、玉米稈和高粱稈等[106]。華南理工大學(xué)陳克復(fù)團(tuán)隊(duì)[107-108]建立了適用于我國秸稈制漿造紙的評(píng)價(jià)體系與模式，為秸稈制漿造紙總體發(fā)展規(guī)劃提供思路；山東輕工業(yè)學(xué)院許偉[109]采用多種木聚糖酶優(yōu)化玉米秸稈制紙工藝，對(duì)開發(fā)新型基料造紙及提高紙張性能具有重要意義。近些年黑龍江省佳木斯市、慶安縣，吉林省德惠市和遼寧省開原市等多地建設(shè)秸稈綜合利用造紙工程項(xiàng)目，并進(jìn)行相應(yīng)外匯出口，使秸稈資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，具有較為可觀的發(fā)展前景。

3.4.2 秸稈復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)

秸稈復(fù)合材料生產(chǎn)是以秸稈纖維為主要原料，配混一定比例高分子聚合基料及粘結(jié)劑，通過物理、化學(xué)或生物工程等手段，經(jīng)特殊工藝處理為系列多用途可降解綠色循環(huán)新材料的技術(shù)。已利用此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行輕型材料類的纖維板、復(fù)合板及空心砌塊和餐飲包裝類的餐具、筷子等[110]的生產(chǎn)。西北農(nóng)林科技大學(xué)丁武等[111]采用熱壓成型工藝對(duì)秸稈復(fù)合餐具進(jìn)行耐水性能研究；哈爾濱商業(yè)大學(xué)朱琳等[112]采用壓膜成型技術(shù)將玉米秸稈加工為性能較好可替代泡沫塑料的緩沖包裝材料，并對(duì)其制備條件進(jìn)行優(yōu)化；南京林業(yè)大學(xué)周曉燕等[113]采用輕質(zhì)秸稈板與其他材料組裝的平壓法研制秸稈復(fù)合墻體。秸稈復(fù)合材料制取技術(shù)的應(yīng)用可緩解對(duì)塑料等材料應(yīng)用壓力，對(duì)人們生活品質(zhì)提高，綠色生態(tài)環(huán)境發(fā)展具有重要意義，但由于相關(guān)技術(shù)工藝及市場(chǎng)企業(yè)效益等問題，制約其在東北地區(qū)發(fā)展。

3.4.3 秸稈農(nóng)用材料配制技術(shù)

秸稈農(nóng)用材料配制是將秸稈完全降解為植物纖維，混合配施生物基質(zhì)進(jìn)行農(nóng)用材料二次轉(zhuǎn)化的新型技術(shù)，對(duì)秸稈高值化利用具有重要意義。東北地區(qū)主要運(yùn)用此種技術(shù)進(jìn)行水稻育秧盤及纖維地膜等農(nóng)用材料的研制。黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)汪春團(tuán)隊(duì)[114-115]研究了水稻植質(zhì)缽育秧盤制備技術(shù)，并研制系列配套機(jī)具，在黑龍江部分墾區(qū)進(jìn)行推廣使用，如圖8a所示。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)陳海濤團(tuán)隊(duì)[116-117]分別以沼渣、水稻秸稈、大豆秸稈及玉米秸稈等為原料，對(duì)可降解植物纖維基地膜技術(shù)進(jìn)行系列研究，實(shí)現(xiàn)了植物纖維地膜的制取，如圖8b所示。上述研究成果為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可再生資源循環(huán)利用提供有效技術(shù)支撐，但由于經(jīng)濟(jì)成本等因素制約，并未在東北地區(qū)大面積推廣使用。

圖8 秸稈農(nóng)用材料配制技術(shù)應(yīng)用Fig.8 Applications of straw agricultural material preparation technology

3.5 作物秸稈基料化利用技術(shù)

秸稈基料是指以秸稈為主要原料，加工制備為動(dòng)物、植物及微生物生長提供良好條件和一定營養(yǎng)的有機(jī)固體物料。狹義的秸稈基料化僅指利用秸稈栽培食用菌的技術(shù)，但隨著綜合利用技術(shù)的發(fā)展，已將此項(xiàng)技術(shù)擴(kuò)展至溫室大棚育苗、花木基質(zhì)和草坪基料等新途徑[118]，如圖9所示。根據(jù)秸稈品種、基料用途分為秸稈食用菌種植基料技術(shù)和秸稈植物栽培基料技術(shù)。1996年中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所蔣衛(wèi)杰等[119]首次提出有機(jī)生態(tài)型無土栽培，將腐熟玉米秸稈、消毒雞糞等有機(jī)廢棄物與草炭、爐渣等混合作為基質(zhì)進(jìn)行溫室作物栽培試驗(yàn)，證明了作物秸稈作為栽培基質(zhì)的可行性；大連民族學(xué)院胡傳琪等[120]以秸稈和木屑混合物作為基料培育滑菇，研究各混合條件下滑姑生長狀況，確定其最優(yōu)基料配比。目前國內(nèi)秸稈基料化利用技術(shù)仍有待提高，生產(chǎn)工藝與流程尚不規(guī)范，缺乏統(tǒng)一科學(xué)操作標(biāo)準(zhǔn)[121]。東北地區(qū)對(duì)秸稈基料化應(yīng)用比例較低，尚未建立健全管理制度和實(shí)施方案，僅在黑龍江省尚志市、牡丹江市、東寧市和伊春市，吉林省延邊州和農(nóng)安縣，遼寧省本溪市和葫蘆島市等食用菌產(chǎn)業(yè)帶進(jìn)行應(yīng)用生產(chǎn)。在未來發(fā)展過程中應(yīng)拓寬黑木耳、猴頭菇、香菇、杏鮑菇、白靈菇和姬松茸等珍稀食藥用菌的多元開發(fā)利用，擴(kuò)大食用菌及其他產(chǎn)業(yè)對(duì)秸稈基料的需求。

圖9 秸稈基料化技術(shù)應(yīng)用Fig.9 Applications of straw basic material technology

4 國內(nèi)外其他地區(qū)秸稈利用特點(diǎn)與經(jīng)驗(yàn)

東北地區(qū)因地制宜地發(fā)展秸稈資源綜合利用產(chǎn)業(yè)，并已取得了一定成果，但實(shí)際秸稈利用必須以現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展尤其是農(nóng)業(yè)機(jī)械化推廣應(yīng)用為保障。相對(duì)而言，世界各農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家一直十分重視秸稈循環(huán)利用、土壤用養(yǎng)結(jié)合等生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展[122-123]，秸稈利用水平已達(dá)到世界前列，在此重點(diǎn)對(duì)國外及國內(nèi)其他地區(qū)秸稈利用特點(diǎn)、發(fā)展經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)梳理總結(jié)分析，以期為完善東北地區(qū)秸稈資源利用技術(shù)體系與發(fā)展模式提供決策參考。

4.1 國外秸稈利用特點(diǎn)與發(fā)展經(jīng)驗(yàn)

綜合整理分析文獻(xiàn)資料，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家注重秸稈綜合利用技術(shù)研發(fā)，大力開展秸稈還田循環(huán)利用(直接還田和畜牧飼料)，建立完善秸稈收儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)體系，積極推行秸稈離田產(chǎn)業(yè)化利用(秸稈發(fā)電、成型燃料和工業(yè)原料等)[124]，其研究進(jìn)展與成功經(jīng)驗(yàn)對(duì)東北地區(qū)乃至全國范圍秸稈綜合利用具有重要啟示與借鑒意義。

秸稈還田循環(huán)利用方式是秸稈資源利用體系中最經(jīng)濟(jì)且可持續(xù)的方法，可有效增加土壤有機(jī)質(zhì)及微量元素等，在世界各地已得到普遍推行。相關(guān)資料表明[125]，歐美各國約2/3秸稈用于直接還田，約1/5秸稈用于飼料化利用，基本形成直接還田+廄肥+化肥“三合制”施肥制度。其中秸稈直接還田與現(xiàn)代農(nóng)機(jī)耕作方式及機(jī)械化程度具有重要關(guān)系，發(fā)達(dá)國家多采用機(jī)械化收獲同時(shí)，將秸稈直接粉碎均勻拋撒地表，通過旋耕或犁翻進(jìn)行深埋還田。20世紀(jì)60年代初美國全面實(shí)現(xiàn)谷物機(jī)械化收獲，其配套新型秸稈還田裝置也隨之研制[126]，多年來世界各地先后研制多種類型還田機(jī)具適用不同環(huán)境作物秸稈直接還田。20世紀(jì)50年代，美國、西歐等地已規(guī)?；茝V秸稈畜牧飼料轉(zhuǎn)化[127]，研制秸稈撿拾、打捆、注氨及包膜一體化處理機(jī)具，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)、智能監(jiān)測(cè)與控制等功能，可在田間直接進(jìn)行氨化處理，并通過專用裝載運(yùn)輸機(jī)具將秸稈運(yùn)至處理場(chǎng)與精飼料混合攪拌進(jìn)行全程機(jī)械化處理。其中以韓國為代表的家庭畜牧農(nóng)場(chǎng)生產(chǎn)方式較為突出，其稻麥秸稈已實(shí)現(xiàn)全量化利用，近20%秸稈直接還田，80%秸稈飼料轉(zhuǎn)化利用[128]。秸稈直接還田及畜牧飼料轉(zhuǎn)化有效延長秸稈循環(huán)利用鏈條，形成“秸-畜-沼-肥”為主要方式的循環(huán)利用模式。其中德國是世界沼氣循環(huán)利用水平最先進(jìn)的國家之一[129]，建立以種養(yǎng)結(jié)合農(nóng)場(chǎng)為單元，混合原料(秸稈、糞便、有機(jī)生活垃圾及有機(jī)工業(yè)廢棄物等混合)與沼渣沼液肥料循環(huán)利用模式，截止2012年其沼氣工程數(shù)量已達(dá)7500余座，其發(fā)電總量約為20.5億kW·h/a。

同時(shí)農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家十分注重秸稈收儲(chǔ)運(yùn)體系與離田產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，增加秸稈多樣化利用形式，主要集中于能源化及工業(yè)化利用，如秸稈發(fā)電、纖維素乙醇、成型燃料及工業(yè)建材等。目前國外已形成了秸稈收儲(chǔ)運(yùn)與綜合利用產(chǎn)業(yè)相銜接、與農(nóng)業(yè)裝備相配套的技術(shù)裝備體系，滿足新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求[130]。在土地耕整、播種、田間管理、收獲、秸稈收集儲(chǔ)存及運(yùn)輸系列環(huán)節(jié)皆實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化，注重與工業(yè)化原料標(biāo)準(zhǔn)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)、農(nóng)機(jī)裝備配套及信息化自動(dòng)化技術(shù)的一致性。秸稈發(fā)電利用方面，丹麥?zhǔn)鞘澜缱钤鐟?yīng)用秸稈發(fā)電的國家，20世紀(jì)90年代在其首都哥本阿根建立的阿維多發(fā)電廠是全球發(fā)電量最高、最環(huán)保的生物質(zhì)燃料供電廠之一[131]，在運(yùn)輸、供料、燃料爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行等多環(huán)節(jié)充分考慮秸稈原料和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，目前正力爭建立完全擺脫對(duì)化石能源依賴，且不含核能的能源體系；秸稈纖維素乙醇制取方面，美國、加拿大、英國及巴西等積極開展乙醇制取技術(shù)研發(fā)并實(shí)現(xiàn)試點(diǎn)生產(chǎn)運(yùn)營，將其作為可再生能源技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制高點(diǎn)，2014年美國第一家商業(yè)級(jí)纖維素乙醇生產(chǎn)廠正式投產(chǎn)[132]，其收集半徑約70 km，年均消耗玉米秸稈28.50萬t，年產(chǎn)纖維素乙醇約1億L；秸稈成型燃料制取方面，20世紀(jì)30年代美國開始研究生物質(zhì)成型燃料技術(shù)[133]，并研制開發(fā)螺旋擠壓成型機(jī)具，經(jīng)幾十年研究完善，發(fā)達(dá)國家基本實(shí)現(xiàn)原料收集、粉碎、干燥及致密成型系列機(jī)械化、自動(dòng)化和專業(yè)化生產(chǎn)，同時(shí)歐洲各國已開發(fā)適用于實(shí)際生產(chǎn)需求的配套采暖爐、熱水爐及自動(dòng)上料系統(tǒng)；秸稈工業(yè)建材制取方面，20世紀(jì)70年代國外對(duì)秸稈制造人造板物理及工藝特性進(jìn)行大量研究，但并未真正推廣應(yīng)用，隨著異氰酸酯(MDI)特性逐步拓展研究才較好解決秸稈人造板膠合問題，目前世界上秸稈人造板研發(fā)成效及生產(chǎn)規(guī)模最突出的仍為美國，比利時(shí)、瑞典和俄羅斯等國也制造出多種合格人造板產(chǎn)品[134]。

4.2 國內(nèi)其他地區(qū)秸稈利用特點(diǎn)與發(fā)展經(jīng)驗(yàn)

經(jīng)過長期努力國內(nèi)部分地區(qū)秸稈綜合利用產(chǎn)業(yè)也得到較好發(fā)展，結(jié)合自身環(huán)境資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)及人文習(xí)慣等特點(diǎn)，逐漸建立適用于該地區(qū)秸稈綜合利用體系，如西南地區(qū)四川省，雖與東北地區(qū)秸稈利用具體情況存在一定差異，但其發(fā)展模式與經(jīng)驗(yàn)仍具有重要參考價(jià)值。

四川省主要處于西南成都平原地區(qū)，是中國西部主要糧食及副產(chǎn)品生產(chǎn)基地，該地區(qū)氣候溫暖濕潤，種植制度為一年兩熟制(如稻-麥、稻-油或稻-稻)，是我國秸稈資源總量集中分布區(qū)之一[135]。近些年四川省結(jié)合地區(qū)條件、作物分布和農(nóng)業(yè)功能等特點(diǎn)，將其劃分為成都平原高效發(fā)展區(qū)、盆周丘陵循環(huán)發(fā)展區(qū)、盆周山地生態(tài)發(fā)展區(qū)和西高原特色發(fā)展區(qū)等4個(gè)區(qū)域[136]。結(jié)合區(qū)域“五化”綜合利用發(fā)展要求，重點(diǎn)開展稻麥輪作種植覆蓋或粉碎全量還田技術(shù)、林果立體種植整稈還田及腐熟還田技術(shù)研究，積極探索超高茬麥套稻秸稈全量還田栽培技術(shù)等耕作方式；建立秸稈養(yǎng)牛-牛糞種菇-菇料還田飼料化技術(shù)模式，對(duì)秸稈飼料氨化、青貯及微貯等處理技術(shù)進(jìn)行推廣，保證西南地區(qū)節(jié)糧型畜牧業(yè)穩(wěn)定發(fā)展；積極建立食用菌培養(yǎng)料集中處理中心，加大高附加值食用菌生產(chǎn)力度，帶動(dòng)區(qū)域市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[137]。政策扶持及監(jiān)管方面，積極鼓勵(lì)農(nóng)戶及合作組織購買秸稈利用機(jī)具，在國家政策補(bǔ)貼基礎(chǔ)上追加20%～30%經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼，同時(shí)基本形成各市區(qū)禁燒管理網(wǎng)絡(luò)，區(qū)域合作聯(lián)防聯(lián)控治理秸稈焚燒問題，其整體成效較為明顯。多角度共同作用建立高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、低投高效、節(jié)能減排秸稈循環(huán)利用模式及運(yùn)行保障體系。

5 政府政策及管理措施

近些年國家主管部門先后對(duì)秸稈焚燒及其綜合利用辦法制定系列政策措施，體現(xiàn)國家治理秸稈焚燒問題、發(fā)展秸稈綜合利用決心[138]。1999年國家環(huán)?？偩峙c農(nóng)業(yè)部等部委聯(lián)合發(fā)布《秸稈焚燒和綜合利用管理辦法》，在政策、資金及科技等方面提出并解釋秸稈資源綜合利用意義；2008年國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)作物秸稈綜合利用的意見》提出推進(jìn)秸稈資源利用目標(biāo)及任務(wù)；2011年國家發(fā)改委及農(nóng)業(yè)部等部委聯(lián)合發(fā)布《“十二五”農(nóng)作物秸稈綜合利用實(shí)施方案》提出加快秸稈資源化利用及引導(dǎo)各地區(qū)秸稈利用規(guī)劃方案；2015年國家發(fā)改委發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加快推進(jìn)農(nóng)作物秸稈綜合利用和禁燒工作的通知》再次強(qiáng)調(diào)秸稈資源綜合利用與秸稈禁燒總體目標(biāo)與重要任務(wù)。東北地區(qū)各級(jí)政府也結(jié)合自身發(fā)展特點(diǎn)，提出了多項(xiàng)政府政策與管理措施，如2016年遼寧省提出了全國首個(gè)省級(jí)秸稈焚燒防控政策《遼寧省秸稈焚燒防控責(zé)任追究暫行規(guī)定》。本文對(duì)各級(jí)政策措施進(jìn)行總結(jié)分析：

(1)加強(qiáng)落實(shí)地方政府管理職責(zé)。結(jié)合地區(qū)實(shí)際情況，發(fā)揮秸稈資源綜合利用統(tǒng)籌協(xié)調(diào)機(jī)制作用，制定各地方區(qū)域秸稈綜合管理實(shí)施方案，重點(diǎn)任務(wù)逐級(jí)分解至各級(jí)政府部門，嚴(yán)格監(jiān)控秸稈焚燒情況，建立考核問責(zé)制度。

(2)完善政策措施并加大扶持力度。針對(duì)各地區(qū)秸稈資源產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢(shì)，研究多種秸稈資源利用方式途徑，完善促進(jìn)綜合利用相關(guān)政策，積極加大秸稈綜合利用專項(xiàng)資金支持力度，鼓勵(lì)秸稈利用市場(chǎng)化、企業(yè)化發(fā)展。

(3)加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)及推廣應(yīng)用。整合各領(lǐng)域科研資源，建立科技創(chuàng)新機(jī)制，結(jié)合國外先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行自主創(chuàng)新，突破秸稈資源綜合利用關(guān)鍵技術(shù)與薄弱環(huán)節(jié)，開展相關(guān)基層技能培訓(xùn)及技術(shù)推廣。

(4)強(qiáng)化宣傳引導(dǎo)教育。發(fā)揮媒體引導(dǎo)和監(jiān)督作用，通過多種途徑形式開展秸稈禁燒及綜合利用的宣傳教育，大力宣傳秸稈資源利用對(duì)可持續(xù)型生態(tài)農(nóng)業(yè)與循環(huán)農(nóng)業(yè)的發(fā)展作用，對(duì)資源節(jié)約與農(nóng)民增產(chǎn)增收的長效作用。

同時(shí)在資金利用、稅收優(yōu)惠和科研投入等方面也出臺(tái)相關(guān)扶持政策[139-140]，如設(shè)定專項(xiàng)資金對(duì)秸稈能源化企業(yè)給予綜合性補(bǔ)助及建設(shè)經(jīng)費(fèi)，提高企業(yè)盈利能力和生產(chǎn)積極性；規(guī)定秸稈工業(yè)化企業(yè)可享受資源企業(yè)所得稅優(yōu)惠政策；通過“863”計(jì)劃、“973”計(jì)劃及國家科技支撐計(jì)劃等科研項(xiàng)目支持秸稈資源綜合利用技術(shù)研發(fā)。

6 存在問題與發(fā)展建議

國家及地方各級(jí)政府積極推動(dòng)秸稈資源綜合利用技術(shù)實(shí)施，緩解秸稈焚燒帶來的環(huán)境壓力，但由于相關(guān)部分政策較為模糊，各級(jí)部門監(jiān)督指導(dǎo)落實(shí)程度較差，對(duì)農(nóng)戶及企業(yè)等公眾指導(dǎo)激勵(lì)性不強(qiáng)，且并未綜合考慮地區(qū)氣候條件、地域環(huán)境、種植業(yè)結(jié)構(gòu)、政策法規(guī)、技術(shù)水平、補(bǔ)貼資金及農(nóng)戶認(rèn)識(shí)等因素，導(dǎo)致東北地區(qū)秸稈資源綜合利用仍存在一定問題，無法在短期內(nèi)完全遏制秸稈焚燒現(xiàn)象。目前東北地區(qū)秸稈資源利用主要存在以下問題[141]：缺乏完整扶持監(jiān)管政策體系，缺乏針對(duì)黑土地修復(fù)、霧霾消除及秸稈資源綜合利用等方面的政策體系，如秸稈還田成本增加缺乏資金補(bǔ)助，生物質(zhì)發(fā)電電量受限，工業(yè)原料化缺少技術(shù)與經(jīng)濟(jì)扶持；缺乏成熟合理收儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)模式研究與市場(chǎng)產(chǎn)業(yè)化協(xié)調(diào)發(fā)展意識(shí)，如秸稈收儲(chǔ)運(yùn)體系成本難以消化，收儲(chǔ)運(yùn)季節(jié)約束性強(qiáng)，儲(chǔ)存難度大且收益無法平衡，秸稈還田增加農(nóng)戶作業(yè)成本，影響整體經(jīng)濟(jì)收益；缺乏先進(jìn)成熟可靠技術(shù)支撐，針對(duì)東北寒地區(qū)域秸稈“五化”綜合利用轉(zhuǎn)化存在技術(shù)瓶頸，關(guān)鍵技術(shù)裝備總體薄弱環(huán)節(jié)有待突破；缺乏宣傳推廣力度，疏堵結(jié)合協(xié)調(diào)不當(dāng)，農(nóng)戶及企業(yè)固有思想及習(xí)慣無法根本解決焚燒問題。

在此背景下，綜合分析東北地區(qū)秸稈資源綜合利用現(xiàn)狀、政府政策、技術(shù)應(yīng)用、市場(chǎng)企業(yè)需求及存在問題，為促進(jìn)東北地區(qū)秸稈綜合利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展，緩解秸稈焚燒環(huán)境與資源壓力，提出秸稈綜合利用發(fā)展方向與對(duì)策建議：

(1)構(gòu)建扶持與監(jiān)管政策體系，規(guī)范產(chǎn)業(yè)發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合東北地區(qū)實(shí)際情況，堅(jiān)持疏堵結(jié)合、以疏為主、區(qū)域統(tǒng)籌、農(nóng)用優(yōu)先的原則，將政府支持、市場(chǎng)運(yùn)作、社會(huì)參與、綜合施策等方式相結(jié)合，力求在政策措施上有所突破。研究出臺(tái)針對(duì)性強(qiáng)、可操作的秸稈綜合利用政策，構(gòu)建系統(tǒng)配套的集保障資金、運(yùn)輸綠色通道、用地支持、稅收優(yōu)惠及收儲(chǔ)運(yùn)為一體的政策體系，為完善國家層面的政策提供寶貴實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。形成中央政府督促指導(dǎo)、省級(jí)政府主導(dǎo)、縣級(jí)政府具體實(shí)施的“三位一體”工作體系，建立以秸稈資源綜合利用及焚燒監(jiān)管為核心的工作評(píng)價(jià)、考核辦法和獎(jiǎng)懲機(jī)制。發(fā)揮國家、地方行業(yè)協(xié)會(huì)及骨干企業(yè)帶頭作用，建立規(guī)范秸稈深加工、收儲(chǔ)運(yùn)、生物質(zhì)能源利用及污染排放等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范企業(yè)生產(chǎn)及市場(chǎng)秩序，促進(jìn)秸稈資源綜合利用產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。

(2)建立收儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)體系，拓寬資源利用途徑。按秸稈產(chǎn)地合理區(qū)域半徑的就近就地利用原則，建立健全政府推動(dòng)、秸稈利用企業(yè)和收儲(chǔ)組織為軸心、專業(yè)合作經(jīng)濟(jì)組織或秸稈經(jīng)濟(jì)人參與、市場(chǎng)化運(yùn)作的專業(yè)化規(guī)?；斩捠諆?chǔ)運(yùn)體系模式。建立“還田主導(dǎo)型、種養(yǎng)結(jié)合型、多元循環(huán)型、產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)型”秸稈綜合利用技術(shù)模式，拓寬利用途徑，發(fā)展肥料化和能源化優(yōu)勢(shì)技術(shù)環(huán)節(jié)，開發(fā)飼料化和原料化利用潛力，保證基料化穩(wěn)步前行。

(3)突破綜合利用共性關(guān)鍵技術(shù)，優(yōu)化配套裝備結(jié)構(gòu)。探索建立適應(yīng)東北地區(qū)的簡便高效農(nóng)作制度、栽培模式，提高秸稈利用質(zhì)量和效率。積極引進(jìn)融合國外先進(jìn)前瞻技術(shù)，重點(diǎn)開展共性關(guān)鍵技術(shù)研究，建立以骨干企業(yè)為主體，大專院校及科研院所共同參加的秸稈綜合利用產(chǎn)學(xué)研攻關(guān)團(tuán)隊(duì)與創(chuàng)新體系，加大綜合利用技術(shù)的研發(fā)、推廣和全程服務(wù)。培養(yǎng)組建高素質(zhì)科研工作團(tuán)隊(duì)，統(tǒng)領(lǐng)區(qū)域秸稈綜合利用技術(shù)支撐工作，提高裝備水平和技術(shù)能力，為政府科學(xué)決策和精準(zhǔn)發(fā)力提供咨詢服務(wù)。集成優(yōu)化寒地秸稈綜合利用配套裝備，針對(duì)能源化利用，重點(diǎn)開展秸稈燃料輸送系統(tǒng)技術(shù)與發(fā)電鍋爐、秸稈生物質(zhì)成型機(jī)理與螺旋式擠壓成型機(jī)械、秸稈沼氣厭氧發(fā)酵技術(shù)與深施沼渣機(jī)械研究，解決寒地秸稈能源損耗大、機(jī)具成型摩擦磨損嚴(yán)重、沼氣生態(tài)工程原料短缺等問題；針對(duì)飼料化利用，重點(diǎn)開展秸稈撿拾打捆收集技術(shù)與青貯微貯氨化處理工藝研究，結(jié)合機(jī)電液自動(dòng)控制技術(shù)研究配置金屬檢測(cè)、故障自動(dòng)報(bào)警及智能信息反饋的撿拾打捆機(jī)械；針對(duì)肥料化利用，重點(diǎn)開展收獲機(jī)配套秸稈粉碎均勻拋撒還田技術(shù)及高速粉碎機(jī)械、整株或高留茬秸稈深埋還田技術(shù)及整地作業(yè)機(jī)械、集中堆謳技術(shù)及工藝配比方法研究，解決秸稈粉碎拋撒分布不均、翻埋深度不足、堆腐發(fā)酵效率較低等問題；針對(duì)原料化利用，重點(diǎn)開展秸稈粉碎碾磨處理技術(shù)與破碎機(jī)械、人造板復(fù)合工藝與農(nóng)用材料配比工藝優(yōu)化研究，提高工業(yè)化原料物理性能并其降低生產(chǎn)成本；針對(duì)基料化利用，重點(diǎn)開展秸稈基料配方及工藝優(yōu)化研究，注重基料化關(guān)鍵參數(shù)(溫度、微生物、碳氮比和木質(zhì)素等)及基礎(chǔ)規(guī)律探索，分析各工藝模式與降解轉(zhuǎn)化產(chǎn)量關(guān)系。

(4)推進(jìn)秸稈資源市場(chǎng)化，加大宣傳示范力度。評(píng)價(jià)秸稈資源長期經(jīng)濟(jì)價(jià)值及社會(huì)價(jià)值，積極鼓勵(lì)地區(qū)秸稈資源利用工程發(fā)展，以市場(chǎng)為主導(dǎo)打通產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)，以管理專業(yè)化、市場(chǎng)商品化發(fā)展模式促進(jìn)資源穩(wěn)定運(yùn)行持續(xù)利用。堅(jiān)持示范先行、以點(diǎn)帶面的工作方法，以秸稈綜合利用試點(diǎn)項(xiàng)目為載體，總結(jié)秸稈綜合利用的典型模式，將工作措施、技術(shù)措施和政策措施有機(jī)結(jié)合，形成可持續(xù)、可復(fù)制、可推廣的秸稈綜合利用模式。發(fā)揮媒體輿論引導(dǎo)作用，廣泛宣傳秸稈綜合利用及焚燒法律法規(guī)和先進(jìn)典型，樹立全民節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境意識(shí)。

7 結(jié)束語

隨著東北地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，作物秸稈資源總量將不斷增加，目前東北地區(qū)在秸稈資源化利用方面已積累部分經(jīng)驗(yàn)，但整體發(fā)展并不成熟，政策法規(guī)仍不完善，秸稈資源利用“五化”技術(shù)仍存在瓶頸難題，農(nóng)民對(duì)其綜合利用認(rèn)識(shí)較低。在國家大力發(fā)展綠色循環(huán)可持續(xù)型生態(tài)農(nóng)業(yè)的背景下，秸稈資源綜合利用迎來了前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，具有巨大的市場(chǎng)開發(fā)潛力及產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間。結(jié)合東北地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展區(qū)域特點(diǎn)及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，因地制宜地進(jìn)行秸稈資源化利用，對(duì)振興東北老工業(yè)基地，緩解東北資源及環(huán)境壓力具有重要意義。

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Comprehensive Utilization Status and Development Analysis of Crop Straw Resource in Northeast China

WANG Jinwu TANG Han WANG Jinfeng
(CollegeofEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

Crop straw is an important available biomass resource. The comprehensive utilization of crop straw not only acts to keep the ecological balance and promote the farmers to increase production, but also eases the continued tension and pressure in energy and environment. Considering the characteristics of geographical conditions and resources allocation in Northeast China, the total distribution and burning pollution of crop straw were illustrated and evaluated. The technical features, equipment and utilization status of collection-storage-transportation mode and various technologies were analyzed, such as energy regeneration, fodder, fertilizer, raw material and basic material. The characteristic and experience of comprehensive utilization of crop straw in other domestic and international areas were generally studied. The policy measures by state and local governments were summarized. Finally, the future development direction and suggestion of straw resource industry were shown clearly based on policy, technology and the demands of market and enterprise.

straw； resource； comprehensive utilization； Northeast China

2017-04-10

2017-04-24

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0300909-04)和“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAD08B04)

王金武(1968—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事田間機(jī)械及機(jī)械可靠性研究，E-mail： jinwuw@163.com

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.05.001

S216.2

A

1000-1298(2017)05-0001-21