秸秆综合利用对农业生态环境保护的实施途径综述
作者: 冯敏 朱哲秸秆综合利用以可持续发展理念为基础,以循环经济为导向,以生态环境建设为保障,使秸秆向可利用资源转化,达到秸秆循环利用、节能减排的目的。通过论述秸秆综合利用和农业生态环境保护之间的联系,对秸秆综合利用的重要意义,方式及目前存在问题进行分析,提出解决对策。秸秆这一珍贵的可再生资源的综合利用对提高农业资源利用效率,改善农村环境和农业可持续发展等方面都有着十分重要的作用。文章对秸秆机械化还田、秸秆气化集中供气、秸秆种植食用菌等几种综合利用方式进行了综述,旨在为保护与改善农业生态环境提供参考。
农作物秸秆作为农业生产不可缺少的副产品,但长期以来大量秸秆直接烧掉或者丢弃,既浪费宝贵资源又对环境产生严重污染。焚烧秸秆所排放的大量烟尘及有害气体严重污染空气、影响人民群众身体健康及生活质量。同时焚烧秸秆也会破坏土壤结构、降低土壤肥力、严重威胁农业生态环境。所以秸秆综合利用成了现阶段农业生态环境保护中的一项重要任务。文章将对秸秆综合利用的重要性、利用方式、存在问题及解决对策展开论述,旨在为农业生态环境保护工作提供一些有益借鉴。
一、秸秆综合利用与农业生态环境保护的关系
秸秆综合利用和农业生态环境保护有着密切而又深刻的联系,这一联系不仅表现在资源循环利用层面上,而且深刻影响到农业可持续发展未来趋势。
从资源循环利用角度看,秸秆是一种大量而又含有丰富有机质及各种营养元素的重要农业副产品。传统处理方式如焚烧或者任意抛弃等既浪费这些珍贵资源又对环境产生严重污染。焚烧农作物秸秆所释放的烟尘、一氧化碳和氮氧化物等有毒气体,不仅对人体健康构成威胁,还进一步加剧了温室效应和空气质量的恶化。而综合利用秸秆,可以通过一系列科学合理的技术手段把这些废弃物变成宝贵的资源。如秸秆经发酵处理后可作为生物饲料应用于畜牧业;通过气化和热解等多种技术手段,可以将其转变为清洁的能源形式,例如生物质气和生物油,这些都是用于农村地区能源供应的;也可用作有机肥料还田以增加土壤肥力和促进作物的生长。这些综合利用方式在使秸秆资源化利用的同时,也降低了对环境的污染,对农业生态环境保护起到了积极的促进作用。
秸秆的综合利用对农业生态环境的改善有重大意义。秸秆还田一方面能增加土壤有机质含量、改善土壤结构、增强土壤保水保肥性能,使农田生态系统更加稳定、更具抵抗力。它对减少水土流失,防治土地荒漠化,提高农作物的产量与质量,都有着十分重要的作用。另一方面秸秆综合利用也降低了化肥、农药用量。化肥、农药的超量施用是目前农业面源污染中最重要的一个来源,给水体、土壤及大气环境带来严重的污染。秸秆用作有机肥料还田时,可在一定程度上代替化肥使用,减少化肥使用量,降低农业生产成本。同时秸秆还田也能增加土壤微生物活性和土壤抗病虫害能力以降低农药用量。这对缓解农业面源污染,保护生态环境有着十分重要的意义。
二、秸秆综合利用和农业生态环境保护的实施途径
1、秸秆机械化还田
秸秆机械化还田是秸秆综合利用最重要的方式,对推动农业生态环境保护和实现绿色循环发展有着难以估量的价值,这一方法不仅能够有效解决秸秆焚烧带来的环境污染问题,还能显著提升土壤质量,为农作物的持续高产奠定坚实基础。
具体而言,秸秆机械化还田是指利用先进农业机械直接把收割过的秸秆进行破碎,均匀地抛撒到农田地表,然后再利用深耕或者旋耕把秸秆翻埋到土壤中。在此过程中秸秆内有机质及养分被逐步分解释放至土壤,从而有效地提高土壤有机质含量、改良土壤结构、增强土壤保水保肥性能。研究发现,在连续多年采用秸秆机械化还田技术的农田中,土壤中的有机质含量能够提升大约0.5%~1%,同时土壤的容重有所下降,孔隙度有所增加,土壤的团粒结构也得到了显著的优化。另外秸秆机械化还田有利于降低化肥用量,在传统的农业生产过程中,农户通常靠大量使用化肥以获得较高产量,然而这一方式在提高农业生产成本的同时也易造成土壤板结、肥力降低、水体富营养化严重等一系列环境问题。秸秆还田以后,分解出来的营养可以满足农作物一部分生长所需,因此降低了人们对于化肥的依赖性。根据数据显示,将农作物的秸秆还入土地可以减少化肥的使用量大约20%~30%,同时还能增加农作物的产出5%~10%。为使秸秆机械化还田技术得到较好的推广应用,各地方政府相继出台多项政策和措施。比如为购买秸秆还田机械农户提供补助;组织专业技术人员到田间地头开展技术指导与服务工作;通过组织培训班,现场演示会,增强农民认知度,提高操作技能。这些举措的落实,大大推动了秸秆机械化还田技术在我国的推广应用。
2、秸秆气化,集中供气
秸秆气化集中供气是秸秆综合利用的另一条重要途径,它为优化农村能源结构、改善生态环境开辟了一条新途径。这一方法通过气化装置将秸秆转化为可燃气体(主要是生物质气),再通过管道输送至农户家中供炊事、取暖等使用。该清洁能源使用方式既减少秸秆焚烧对环境的污染问题,又降低农民能源消费成本。
具体地说,秸秆气化集中供气系统包括气化炉,净化装置,储气柜及输送管道。气化炉高温条件驱动秸秆热解气化反应产生含一氧化碳、氢气、甲烷等可燃成分生物质气。然后,对这些气体进行净化处理,除去杂质及有害物质,再将其存储在储气柜内,通过管道传输到用户端。根据估算,一个具有每日处理10t秸秆能力的气化设施,能够满足大约500户农家在烹饪和取暖方面的需求。秸秆气化集中供气推广使用,既有利于解决农村能源短缺,又有利于农业废弃物资源化利用。传统农村能源消费多依靠薪柴,秸秆等生物质能源直接焚烧,该方法不但效率低而且污染大。而秸秆气化技术使生物质能源得到高效转化与清洁利用,对农村能源结构优化升级具有强大支持。与此同时,秸秆气化集中供气也拉动了相关行业的发展,以气化设备为例,气化设备在制造,安装及维修过程中都需要得到专业技术支持与服务;气化后的灰渣和其他废弃物可用作有机肥料,也可用作建材原料,实现再利用。
3、秸秆种植食用菌
秸秆栽培食用菌是秸秆综合利用创新模式之一,既丰富农业产业结构又有利于农业资源循环利用与生态环境保护。这一方法通过将秸秆作为食用菌的栽培基质,实现了农业废弃物的资源化利用和增值转化。
秸秆富含纤维素和半纤维素,这些营养成分非常适合食用菌的生长。在栽培过程中,经过预处理(如粉碎、消毒等)的秸秆与适量的辅料(如麦麸、石膏等)混合均匀后装入菌袋或菌床中,再接种食用菌菌种进行培养。在食用菌生长发育过程中,秸秆所含营养成分被逐步吸收利用,转化成食用菌菌丝体及子实体。该工艺不仅使秸秆减量化、资源化,而且生产出高营养价值食用菌制品。据统计资料表明,每产食用菌1t可耗秸秆2~3t左右。这就意味着利用秸秆种植食用菌技术可使大量农业废弃物变成宝贵农产品。同时,食用菌的生长过程还能产生大量的菌丝体和子实体残基(菌渣),这些菌渣经过处理后还可以作为有机肥料或饲料进行再利用。该循环利用方式既降低环境污染与资源浪费,又有利于农业生态系统良性循环与可持续发展。另外,秸秆种植食用菌经济效益显著,食用菌作为高蛋白、低脂肪,含有多种维生素及矿物质的健康食品已被越来越多的消费者所喜爱。利用秸秆栽培食用菌技术制成的食用菌产品,不但质量好,而且经济实惠,给农民增收开辟了一条新路。同时,食用菌产业的发展还带动了相关产业(比如菌种的生产,加工包装,销售物流)的协同发展,促进了农村经济的繁荣和可持续发展。
4、秸秆发电改善农村能源结构
秸秆发电是秸秆综合利用过程中的另一大亮点,显示出农业废弃物向清洁能源转化的广阔前景。本实用新型通过秸秆进入生物质发电厂后,经预处理,燃烧等工序,可高效地转化成电能并提供给周边区域。该发电方式在降低秸秆焚烧对环境造成污染的同时,也使农业废弃物资源化,对改善农村能源结构,达到节能减排的目的起到积极作用。秸秆发电项目在实施过程中,既给农户提供了一种新的秸秆处理方式,又推动了农村经济向多元化方向发展,同时也是我国农业循环经济发展的一次重大实践。
5、秸秆肥料化
在讨论秸秆综合利用和农业生态环境保护问题时,秸秆肥料化毫无疑问是关键一环+这一方法不仅能够有效减少秸秆焚烧带来的环境污染,还能为农田提供宝贵的有机养分,促进土壤健康与农业生产的可持续发展。要使秸秆肥料化,关键是要把秸秆变成土壤中容易吸收和利用的有机肥料,机械粉碎是秸秆肥料化生产的首要环节,农作物收获季节采用专用秸秆粉碎机械将田间残留秸秆就地粉碎,使得秸秆长度变短,体积变小,方便后续加工还田,粉碎秸秆更容易混入土壤并加快土壤分解进程,在粉碎秸秆中掺入适量农家肥或者化肥,经堆肥发酵进一步转化成高效有机肥料,堆肥时温度、湿度及通气条件的控制是关键,合适的环境条件可促进微生物繁殖与活动,加速秸秆分解。发酵一定时间后,秸秆的难降解成分如纤维素和半纤维素,逐步转化成腐殖质等植物易于吸收和利用的形式,同时堆肥所产生的热也可有效地杀死秸秆所带有的病原菌及虫卵,降低病虫害发生率,以此来为实际工作提供一定的支持,促进农业的良好发展。最后将发酵后的秸秆有机肥料匀速撒在农田表层,采用深耕和深翻的方法翻埋在土壤中。这不仅可以确保秸秆肥料得到充分地利用,而且可以改善土壤结构和增强土壤的保水保肥性能。当秸秆在土壤里逐步分解时,它的营养就会慢慢释放出来,被作物根系所吸收和利用,从而给作物生长带来源源不断的营养支撑。
6、秸秆饲料化
秸秆是农作物生产的副产品,富含纤维素与半纤维素,是畜牧业很有前途的饲料资源之一。经过科学加工处理及技术创新可使秸秆变成优质畜禽饲料以促进畜牧业生产效率和资源利用率。物理处理在秸秆饲料化过程中占有基本地位,秸秆经切割、粉碎、揉搓等物理方法处理,使之成为适宜畜禽采食的形式。这些加工过程可破坏秸秆纤维结构、增大秸秆表面积、提高秸秆孔隙度、方便畜禽咀嚼消化。同时,物理处理也可降低秸秆中尘土及杂质,改善饲料卫生质量。同时,要以化学处理为重点促进秸秆饲料品质改善。通过添加适量的化学试剂(例如,碱液、酸液、酶制剂)对秸秆进行浸泡或喷洒处理,可以破坏秸秆中的纤维素和木质素之间的结合键,使其变得更为柔软和易于消化。化学处理也可提高秸秆营养成分含量及可利用性、改善饲料营养价值。但在化学试剂的应用过程中,需注意用量及处理时间的控制,以免给环境及畜禽健康带来不利影响。
生物发酵处理是秸秆饲料化中的新技术,通过微生物发酵作用,使秸秆中纤维素、半纤维素等难降解成分变成易为畜禽吸收和利用的糖类,氨基酸及其他小分子物质。生物发酵处理不仅能够提高秸秆饲料的适口性和营养价值,还能产生一些有益的生物活性物质(如益生菌、酶等),对畜禽健康具有积极的促进作用。同时生物发酵处理具有环保和节能的优势,也是今后秸秆饲料化的一个主要发展方向。
7、秸秆原料化
秸秆原料化过程本质上就是自然资源深度挖掘和高效利用过程,既要从技术上不断取得突破,又要从理念上有所改变,由“废弃物”角度向“资源”角度过渡。在这种思想指导下,秸秆在许多工业领域中得到广泛的应用并显示出特有的魅力与潜能。
①秸秆越来越多地被用于造纸工业。传统造纸业对木材资源依赖程度大,然而在森林资源日趋紧张的情况下,寻求替代原料已成为该产业的当务之急。秸秆具有纤维素含量丰富等优点,是一种较为理想的造纸原料。利用特定化学或者生物处理方法可从秸秆中提取纤维素加工优质纸浆。该秸秆基纸张不仅物理性能好,印刷适应性强,而且环保可再生,顺应现代社会绿色消费潮流。
②将秸秆用于建筑材料领域亦有明显进步。随着环保和节能建筑材料要求的日益提高,秸秆复合材料被提出。该原料是利用秸秆作为基材,加入适量树脂、胶黏剂和其他辅料经混合,成型和固化而成。秸秆复合材料不但质量轻,强度大,耐腐蚀,保温隔热,而且环保性能好,可降解。在建筑领域中,可应用于制造墙体、屋顶和地板等构件,对绿色建筑发展起到强大的支撑作用。
③秸秆在生物化工和环保治理方面也具有举足轻重的地位。比如,用秸秆的木质素和其他组分可制造各种生物化学品,比如香料,染料和药物中间体。这类产品应用范围广、附加值高,给秸秆原料化深度开发带来更多的可能。同时,秸秆也可作为生物吸附剂和生物膜的原料应用于废水处理和空气净化等环保领域中,对生态环境质量的提高起到促进作用。
值得关注的是秸秆原料化进程也遇到了挑战与问题。如秸秆收集,贮存及运输成本高等;秸秆原料质量及其稳定性受到很多因素的影响;秸秆原料化产品市场认知度与接受度亟待提升等。为解决上述问题,必须强化科技创新与政策引导以促进秸秆原料化技术日趋成熟与完善,在加大宣传与推广力度的同时,增强群众对秸秆原料化产品认知与接受程度,另外,必须建立完善的市场机制与产业链体系,才能为秸秆原料化产业良性发展提供强有力的保障。
随着世界范围内对于可持续发展与环境保护关注程度的不断提高,秸秆综合利用在农业生态环境保护中的关键一环显得越来越重要。通过文章的论述,使大家深深体会到秸秆既是农业生产的副产品,又是一种具有很大潜力的可再生资源。它的综合利用既解决了秸秆焚烧对环境造成的污染,又增强了土壤肥力,推动了农业循环经济的发展,同时也为农村能源供应开辟了一条新的途径。
(作者单位:723100 陕西省汉中市南郑区生态资源统筹发展中心;465400 河南省光山县农业生态与资源保护站)