鄭曉凡周成李孝良夏金林李飛躍華金玲汪建飛

(1.安徽科技學(xué)院，安徽 鳳陽 233100；2.安徽盛農(nóng)農(nóng)業(yè)集團(tuán)有限公司，安徽 當(dāng)涂 243100；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部生物有機(jī)肥創(chuàng)制重點實驗室，安徽 蚌埠 233400)

我國作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，每年有大量的農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)生，農(nóng)業(yè)廢棄物的處理需求極大。據(jù)估算，全國每年產(chǎn)生畜禽糞污近40億t，綜合利用率不到70%；每年產(chǎn)生秸稈近10億t，約有2億t沒有被利用。這些沒有經(jīng)過無害化處理的農(nóng)業(yè)廢棄物如果亂堆亂放、隨意填埋或焚燒，不僅會造成資源大量浪費，而且也會嚴(yán)重影響城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境和人民群眾的生活工作[1]。我國耕地由于缺少有機(jī)肥補(bǔ)充而質(zhì)量退化的面積占耕地面積的40%以上，嚴(yán)重威脅國家糧食安全。目前，國家為推動農(nóng)業(yè)廢棄物資源的高效利用，相繼出臺了多部規(guī)劃和指導(dǎo)意見，同時也在政策和財政方面加大了支持力度。農(nóng)業(yè)廢棄物綜合利用率已成為構(gòu)建我國鄉(xiāng)村振興評價指標(biāo)體系的主要指標(biāo)之一。

當(dāng)前，安徽省在進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中所產(chǎn)生的量大面廣的廢棄物以秸稈和畜禽養(yǎng)殖廢棄物為主，解決了這2類廢棄物的資源化利用(通常也簡稱“兩利用”)問題，就相當(dāng)于牽住了農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的“牛鼻子”。為此，本文從不同的角度分析總結(jié)了“兩利用”的技術(shù)模式，重點介紹了當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中主推的技術(shù)，并結(jié)合安徽省的實際情況，針對性地提出了未來“兩利用”產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要重點突破的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域。

1 秸稈和畜禽養(yǎng)殖廢棄物綜合利用模式解析

1.1 秸稈和畜禽養(yǎng)殖廢棄物肥料化利用模式

眾所周知，無論是秸稈，還是畜禽糞污，其最初源頭均來自農(nóng)田，所以最理想的“歸宿”也是農(nóng)田。我國勞動人民在長期實踐中也逐步形成了一套較為完善的秸稈和畜禽糞污肥料化利用的技術(shù)體系。1840年，植物營養(yǎng)學(xué)奠基人李比希在其發(fā)表的著名論文《化學(xué)在農(nóng)業(yè)和生理學(xué)上的應(yīng)用》中，就深刻地剖析了其中蘊(yùn)含的植物礦質(zhì)營養(yǎng)原理[2]。

圖1 秸稈和畜禽養(yǎng)殖廢棄物肥料化利用模式

從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的角度，結(jié)合當(dāng)前安徽省農(nóng)業(yè)科技推廣應(yīng)用實際，在傳統(tǒng)模式中添加了食用菌、生物炭2個元素，有效延伸了農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的鏈條，顯著提高了產(chǎn)品附加值，吸引了更多的企業(yè)參與其中，促進(jìn)了“兩利用”產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1.2 秸稈和畜禽養(yǎng)殖廢棄物全量資源化利用模式

功能性農(nóng)業(yè)微生物是秸稈和畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的“靈魂”。離開了微生物的作用，農(nóng)業(yè)廢棄物的處理處置都將受到極大制約，更談不上全量資源化利用。然而，由于條件所限，再加上多數(shù)微生物利用技術(shù)還不成熟，農(nóng)業(yè)微生物在秸稈和畜禽養(yǎng)殖廢棄物綜合利用方面還有很大的提升空間。據(jù)報道，2017年全球農(nóng)用微生物制劑的銷售額約為30.9億美元，預(yù)計2022年將達(dá)到60.1億美元，復(fù)合年增長率為14.21%[3]。其中，約35%的菌劑品種與農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用相關(guān)，市場潛力巨大。

為此，本文從農(nóng)業(yè)微生物的角度，構(gòu)建了秸稈和畜禽養(yǎng)殖廢棄物全量資源化利用技術(shù)創(chuàng)新模式，見圖2。不難看出，功能性微生物在農(nóng)業(yè)廢棄物的循環(huán)利用中處于核心位置。只有掌握了農(nóng)業(yè)廢棄物循環(huán)利用過程中全環(huán)節(jié)的微生物工程技術(shù)，才有可能做到真正意義上的種養(yǎng)廢棄物全量資源化利用，才有可能實現(xiàn)“兩利用”產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

圖2 以功能性微生物為核心的農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用技術(shù)創(chuàng)新模式

1.3 秸稈和畜禽養(yǎng)殖廢棄物綜合利用產(chǎn)業(yè)鏈集成模式

按照不同的來源，農(nóng)業(yè)廢棄物被劃分為3大類。農(nóng)作物秸稈、蔬菜尾菜、果樹枝條、果皮果殼、雜草、落葉等，也稱為第一性生產(chǎn)廢棄物；畜禽排泄物和欄圈墊料等，也稱為第二性生產(chǎn)廢棄物；農(nóng)副產(chǎn)品加工后的剩余物[4]。這些廢棄物卻是“兩利用”產(chǎn)業(yè)不可或缺的原料。換言之，種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)副產(chǎn)品加工業(yè)構(gòu)成了“兩利用”這個中樞產(chǎn)業(yè)的源頭產(chǎn)業(yè)，將農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行轉(zhuǎn)化實現(xiàn)再利用可以有效緩解農(nóng)業(yè)資源約束問題。以功能性微生物為核心，分化出有機(jī)肥料、飼料、生物炭、土壤調(diào)理劑、食用菌、生物天然氣等眾多主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步衍生出數(shù)量更多的下游延伸產(chǎn)業(yè)。從而形成了以功能性微生物為核心，將源頭產(chǎn)業(yè)、中樞產(chǎn)業(yè)和延伸產(chǎn)業(yè)連接于一體的農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用產(chǎn)業(yè)集群創(chuàng)新模式，實現(xiàn)了整個農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈條從生產(chǎn)源頭到終端服務(wù)的延伸，有效帶動了三產(chǎn)融合發(fā)展。在減少環(huán)境污染、促進(jìn)資源高效循環(huán)利用的同時，推動了鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)發(fā)展，帶動了農(nóng)業(yè)剩余勞動力就業(yè)，增加了農(nóng)民收入。

圖3 農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新集成模式

2 秸稈和畜禽養(yǎng)殖廢棄物綜合利用關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用示范

2.1 生物有機(jī)肥制造與施用技術(shù)

相對于普通商品有機(jī)肥，生物有機(jī)肥屬于“高端”產(chǎn)品。在秸稈與畜禽糞污肥料化利用模式中，發(fā)揮著獨特而重要的作用[5]。近年來，人們在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)并逐漸意識到，健康的土壤微生物區(qū)系對于農(nóng)作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)具有基礎(chǔ)的保障性作用，生物有機(jī)肥也因此成為肥料市場的“新寵”，尤其是受到了蔬菜水果等經(jīng)濟(jì)作物種植戶的青睞。

瞄準(zhǔn)這一市場需求，自2013年開始，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部生物有機(jī)肥重點創(chuàng)制實驗室利用自身的技術(shù)、人才優(yōu)勢，與安徽省內(nèi)多家有機(jī)肥生產(chǎn)企業(yè)合作，就地就近取材，共同研發(fā)生物有機(jī)肥。在全省多年、多地田間實驗表明，施用生物有機(jī)肥可以改良和培肥土壤，提升農(nóng)作物的產(chǎn)量與品質(zhì)。更重要的是，較好地消納了畜禽糞污和農(nóng)作物秸稈，減少了化肥用量，對區(qū)域農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展發(fā)揮了有效的支撐作用。以安徽萊姆佳肥業(yè)有限公司生產(chǎn)解磷生物有機(jī)肥為例，5a共生產(chǎn)有機(jī)肥41.85萬t，新增銷售收入約6.4億元，新增利潤3255.6萬元。

2.2 秸稈和畜禽糞污無害化處理生產(chǎn)食用菌技術(shù)

食用菌一般指蘑菇，通常是真菌中能產(chǎn)生較大的子實體或菌核類組織并可提供食用的種類。利用農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便生產(chǎn)食用菌，就是把大量的農(nóng)業(yè)廢料或?qū)r(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行加工時產(chǎn)生的下腳料作為食用菌生產(chǎn)的原材料，變廢為寶[6]。其基本原理：在適宜的環(huán)境下，食用菌的菌絲通過其分泌的超纖維氧化酶將秸稈表面的蠟質(zhì)進(jìn)行溶解，然后菌絲進(jìn)入秸稈內(nèi)部合成并分泌纖維素酶、半纖維素酶、內(nèi)切聚糖酶、外切聚糖酶等酶。對降解木質(zhì)素起關(guān)鍵作用的酶有2種：木質(zhì)素過氧化物酶和錳過氧化物酶，其在活性氧的作用下，特別是在過氧化氫參與下，能夠激發(fā)一系列自由基鏈反應(yīng)，使木質(zhì)素發(fā)生氧化。這些酶的聯(lián)合作用能夠?qū)⒛举|(zhì)素分解為可溶性的小分子木質(zhì)素殘片。在這個過程中，食用菌得以生長。

利用麥秸和新鮮雞糞生產(chǎn)雙孢菇，是一項在單一生產(chǎn)過程中，將秸稈和糞便2類不同的廢棄物同時加以利用的最經(jīng)典的資源化利用技術(shù)。以安徽眾興菌興為代表的一些食用菌生產(chǎn)企業(yè)，充分利用安徽省沿淮淮北較為豐富的麥秸和雞糞資源生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)雙孢菇。以日產(chǎn)60t鮮菇企業(yè)為例，每年大約可以利用小麥秸稈4萬t，新鮮雞糞3萬t；采收雙孢菇之后菌渣通過處理加工，可制成6萬t左右有機(jī)肥料。整個生產(chǎn)過程從源頭到末端可以直接帶動近千人就業(yè)，社會經(jīng)濟(jì)效益顯著。更為重要的是，解決了小麥秸稈和雞糞的出路問題?？梢哉f，雙孢菇生產(chǎn)過程真正實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)廢棄物全量資源化循環(huán)利用。

2.3 生物炭農(nóng)用技術(shù)

生物炭是農(nóng)作物秸稈和畜禽糞污等生物質(zhì)殘體在限氧(缺氧或是無氧)條件下，經(jīng)高溫慢熱解產(chǎn)生的富含碳素的固態(tài)物質(zhì)。由秸稈炭化制成的生物炭施入農(nóng)田，可以釋放一定量的氮磷鉀速效養(yǎng)分，滿足植物生長需要。更為重要的是，生物炭有著較大的孔隙度和比表面積，具有較強(qiáng)的吸附、抗氧化和抗生物分解等特性，可有效改善土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)[7]。施用生物炭，可以顯著提高土壤吸附性能，降低養(yǎng)分損失，提高化肥利用率。研究發(fā)現(xiàn)，以稻殼生物炭為材料，當(dāng)添加量在5～30t·hm-2，隨著生物炭施用量的增加，玉米產(chǎn)量逐漸提高，增產(chǎn)范圍在6.73%～31.41%[8]。與對照相比，氮肥利用率、土壤全氮量和有機(jī)肥含量增幅分別為28.50%～85.15%、21.31%～56.56%和0.54%～69.26%[8]。

生物碳具有吸附重金屬的性能，將其用作土壤改良劑，可以對農(nóng)田中的重金屬進(jìn)行鈍化處理，起到土壤修復(fù)作用[9]。近年來，在南方酸性水稻土地區(qū)，人們施用生物炭加工的肥料或改良劑，顯著提升了土壤對重金屬的阻控性能，降低了水稻對鎘的吸收富集，提升了農(nóng)產(chǎn)品的食品安全質(zhì)量。此外，生物炭自身含碳量高，施用含生物炭類投入品，能夠?qū)⒋髿庵械亩趸荚丛床粩嗟墓潭ú⒎獯嬖谕寥乐校且环N高效的碳匯方法[10]。值得關(guān)注的是，研究人員還發(fā)現(xiàn)，稻田施用生物炭，可以顯著減少N2O排放[11]。

2020年秸稈炭基肥利用增效技術(shù)被推介為農(nóng)業(yè)農(nóng)村部10大引領(lǐng)技術(shù)。炭基肥、炭基有機(jī)肥等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)推出[12]。炭基有機(jī)肥生產(chǎn)與施用已成為助力碳達(dá)峰、碳中和的一項重要技術(shù)舉措。

2.4 基于種養(yǎng)結(jié)合的發(fā)酵床養(yǎng)豬墊料循環(huán)利用技術(shù)

利用木屑、粉碎的作物秸稈、稻殼等廢棄物鋪設(shè)在特殊設(shè)計的豬舍內(nèi)，并接種多種有益微生物，將生豬放在這種墊料上飼養(yǎng)，就是通常所說的發(fā)酵床養(yǎng)豬法。發(fā)酵床養(yǎng)豬技術(shù)擁有改善豬舍衛(wèi)生環(huán)境、不用人工清糞和大量水沖圈舍、實現(xiàn)污染零排放、提高飼料轉(zhuǎn)化率節(jié)省飼料等諸多優(yōu)點。而老化、廢棄的發(fā)酵床墊料能否循環(huán)利用則是一個新問題[13]。

近年來，因為企業(yè)生產(chǎn)需求，省內(nèi)一些專家團(tuán)隊開展了發(fā)酵床老化墊料循環(huán)利用技術(shù)探索。在安徽盛農(nóng)農(nóng)業(yè)集團(tuán)有限公司，成功開發(fā)出以發(fā)酵床墊料為主要原材料的育秧基質(zhì)。這項技術(shù)的應(yīng)用，不僅解決了養(yǎng)豬場墊料清理難題，每年還直接為企業(yè)節(jié)省了30萬元購買育秧基質(zhì)的經(jīng)費開支。目前，這項技術(shù)推廣到了全省5家養(yǎng)殖企業(yè)，深受歡迎。尤為重要的是，企業(yè)與高等院校、科研院所，以生產(chǎn)需求為導(dǎo)向，以省重大科技專項為紐帶，建立了緊密而穩(wěn)固的產(chǎn)學(xué)研合作關(guān)系，雙方優(yōu)勢互補(bǔ)，互利共贏，有效地推動了科技成果轉(zhuǎn)化和行業(yè)科技進(jìn)步。

3 未來需要重點加強(qiáng)的“兩利用”技術(shù)措施

3.1 提升秸稈農(nóng)用技術(shù)，提高秸稈農(nóng)用技術(shù)到位率

使用由秸稈轉(zhuǎn)化而來的肥料和飼料能夠有效增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)循環(huán)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。要根據(jù)不同的耕作制度，制定不同的秸稈還田標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)秸稈機(jī)械化還田、生物腐熟還田、養(yǎng)畜過腹還田；促進(jìn)種養(yǎng)結(jié)合，進(jìn)一步提高肥料化、飼料化綜合利用率。同時也要注重發(fā)揮集體力量，協(xié)同解決秸稈能源化、基料化利用企業(yè)生產(chǎn)中存在的突出問題。

針對秸稈綜合利用中存在的資源產(chǎn)出效率低、產(chǎn)業(yè)鏈短、產(chǎn)業(yè)布局不合理等問題，在總結(jié)成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化高附加值產(chǎn)品及其精深加工技術(shù)研發(fā)，如利用秸稈發(fā)酵生產(chǎn)聚乳酸，用聚乳酸加工成全降解無污染餐盤，或是用來制成天然親膚并具有抑菌抗螨蟲效果的衣服。從而達(dá)到延伸產(chǎn)業(yè)鏈條，形成產(chǎn)業(yè)集聚的目的，推動安徽省秸稈綜合利用產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

3.2 加強(qiáng)種養(yǎng)有效銜接技術(shù)研究，助推畜禽糞污全量化利用

針對當(dāng)前普遍存在的種養(yǎng)分離、不匹配問題，明確以農(nóng)用有機(jī)肥和農(nóng)村能源為主要利用方向，加強(qiáng)接地氣的實用技術(shù)熟化、集成和推廣，利用微生物制劑減輕糞便惡臭氣味，加快促進(jìn)糞便發(fā)酵，使用先進(jìn)的糞便快速發(fā)酵裝置和糞肥農(nóng)田施用設(shè)備等技術(shù)與產(chǎn)品，明確糞污還田利用適用標(biāo)準(zhǔn)，推動建立市場化機(jī)制，暢通糞污還田渠道，切實提高畜禽養(yǎng)殖糞污資源化利用水平。

鞏固秸稈綜合利用試點、畜禽養(yǎng)殖廢棄物綜合利用整縣推進(jìn)、果菜茶有機(jī)肥替代化肥試點工作成果，抓住當(dāng)前農(nóng)業(yè)農(nóng)村部正在大力推進(jìn)的綠色種養(yǎng)循環(huán)農(nóng)業(yè)試點工作的大好機(jī)遇，為企業(yè)或第三方服務(wù)組織集中收集處理周邊畜禽糞污、建立專業(yè)化肥料處理利用中心提供技術(shù)支撐。在創(chuàng)新方面要進(jìn)一步強(qiáng)化各部門之間的合作意識，利用試驗示范將技術(shù)成果輻射到周邊地區(qū)，擴(kuò)大技術(shù)的推廣范圍，實現(xiàn)由點帶面的突破，促進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物的“能源化、肥料化”利用和畜牧業(yè)的綠色發(fā)展。

3.3 發(fā)力功能性微生物研發(fā)，擴(kuò)大農(nóng)用微生物制劑產(chǎn)能

功能性微生物菌劑在“雙利用”產(chǎn)業(yè)發(fā)展中處于核心位置。目前，安徽省在農(nóng)業(yè)功能性微生物研發(fā)水平不高、農(nóng)業(yè)微生物制劑產(chǎn)能很小的現(xiàn)狀，顯然與糧食大省、畜牧大省的地位不相匹配。必須要通過自主研發(fā)和引進(jìn)，加強(qiáng)各種功能性微生物制劑的研發(fā)。保守估算，安徽省每年生產(chǎn)生物有機(jī)肥需要的功能微生物菌種發(fā)酵液約10萬t，按3000元·t-1價格計算，則銷售額達(dá)3億元。再加上秸稈腐熟劑、高溫堆肥菌劑、除臭劑、飼料生物添加劑等，市場潛力巨大。

3.4 優(yōu)選“兩利用”機(jī)械裝備，提升產(chǎn)業(yè)智能化水平

當(dāng)前，安徽省正在深入實施科技強(qiáng)農(nóng)、機(jī)械強(qiáng)農(nóng)、促進(jìn)農(nóng)民增收“兩強(qiáng)一增”行動?！皟衫谩碑a(chǎn)業(yè)要搶抓這一大好機(jī)遇，在總結(jié)現(xiàn)有經(jīng)驗基礎(chǔ)上，優(yōu)選或自主研發(fā)秸稈收儲加工機(jī)械裝備，加快畜禽糞污全量收集技術(shù)與裝備，糞污高效輸送、施用技術(shù)與裝備的研發(fā)及推廣進(jìn)程，致力于解決糞污資源化利用過程中存在的技術(shù)和成本壁壘。走種養(yǎng)結(jié)合的道路，引導(dǎo)養(yǎng)殖企業(yè)加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施投入，建設(shè)相對完善的規(guī)模養(yǎng)殖場糞污處理、畜禽糞污集中處理、農(nóng)用有機(jī)肥生產(chǎn)、沼液儲運等配套設(shè)施，打通糞污肥料化、能源化利用通道。

強(qiáng)化大數(shù)據(jù)、人工智能、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算技術(shù)在“兩利用”產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用，切實提升產(chǎn)業(yè)智能化水平。

2017年以來，安徽省已成功舉辦了5屆秸稈暨畜禽養(yǎng)殖廢棄物綜合利用產(chǎn)業(yè)博覽會，極大地提升了安徽省“兩利用”技術(shù)水準(zhǔn)，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展源源不斷地注入新動力。2020年，安徽省秸稈和畜禽糞污綜合利用率分別達(dá)到90%、80%以上，比全國平均水平高出5個百分點以上。毫無疑問，在較高的利用率基礎(chǔ)上，秸稈和養(yǎng)殖廢棄物綜合利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間更小、難度更大。2021年，安徽省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳又主導(dǎo)組建了全國首個省級秸稈和畜禽養(yǎng)殖廢棄物綜合利用產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系，旨在集聚全省專業(yè)技術(shù)人才，圍繞農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的目標(biāo)，創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中的關(guān)鍵核心技術(shù)，消除關(guān)鍵環(huán)節(jié)無體系支撐的“盲點”、彌補(bǔ)產(chǎn)業(yè)條塊分割的“縫隙”，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用領(lǐng)域的優(yōu)勢特色產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)業(yè)鏈中關(guān)鍵環(huán)節(jié)的科技支撐全覆蓋、無死角，催生一批新技術(shù)、新產(chǎn)品、新裝備、新模式，并將其運用到“兩利用”產(chǎn)業(yè)布局中，延伸產(chǎn)業(yè)鏈條、形成產(chǎn)業(yè)集聚，進(jìn)而為安徽省構(gòu)建“兩利用”領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展的新格局提供基礎(chǔ)支撐。