（环境科学专业论文）郑州市农业废弃物资源量调查及利用策略研究.pdf

摘要 关键词s 农业废弃物；畜禽粪便；农作物秸秆；有机质；n ；p ；k ；供需平衡 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r ea r el o t so f a g r i c u l t u r a ls t r a wr e s o u r c e sa n dl i v e s t o c ki t l a n u r ei nz h e n g z h o u c i t ye v e r yy e a r h o w e v e r , t h et o t a lq u a n t i t yo f t h ea g r i c u l t u r a ls o l i dw a s t e si sn o tc l e a r i ft h e i rt o t a lq u a n t i t yi sa s c e r t a i n e d ，t h ea g r i c u l t t x a lw a s t e sw i l lb eu t i li s e dm o r e e f f e c t i v e l ya n dr e a s o n a b l yu n d e rt h eg o v e r n m e n tm a k i n gf e a s i b l ea n dc o m p r e h e n s i v e p l a n si nz h e n g z h o uc i t y t h e r e f o r e ，t h et o t a lq u a n t i t ya n dt h eu t i l i s a t i o ns t a t u sa n d p a t h o so fa g r i c u l t t r a ls t r a wa n dl i v e s t o c kr r l 1 n u r ew e r es t u d i e di nt h ep a p e r fk s t l y , b a s e do nal a r g en u m b e ro fr e l e v a n tr e f e r e n c e sa th o m ea n da b r o a d ，as e r i e so f p a r a r n e t e r sw e r ed e r m i n e da f t e rt h ef i e l di n v e s t i g a t i o no n $ o m ol a r g ep l a n t i n ga r e a s a n dl i v e s t o c ka n dp o u l t r yf a r m sa n dh o u s e h o l dw a sc a r r i e do u t , i n c l u d i n gr a t i oo f g r a i nt os t r a w , l i v e s t o c kb r e e d i n gp e r i o d ，l i v e s t o c km a n u r ed i s c h a r g ep e rd a y , a n dt h e p e r c e n t a g ec o m p o s i t i o no fo r g a n i cm a t t e r , n ，pa n dk i nc r o ps t a l k sa n dl i v e s t o c k m a m a e sr e s p e c t i v e l y s e c o n d l y , o nt h eb a s i so ft h ep a r a m e t e r sd e t e r m i n e da b e v et h e t o t a lr e s o u r c e sq m m i t yo fa g r i c u l t u r a lc r o ps t a l k sa n dl i v e s t o c kl r 笸h l u r e ，a tt h e m e a n t i m e ，a n dt h er e s o u r c eq u a n t i t i e so fo r g a n i cm a t t e ra n dna n dpa n dko f a g r i c u l t t a a iw a s t ew e r ec a l c u l a t e d l a s t l y , t h ef e a s i b i l i t yo fs o i la b s o r b i n ga l lt h e n u t r i e n tw h i c ht h ea g r i c u l t t a a lw a s t e sc a np r o v i d ew a sd i s c u s s e d t h ec o n c l u s i o m w e r er e a c h e da sf o f l o w s ： t h e r ew e r ea b u n d a n ts t r a wr e s 0 1 3 1 r c c sa n dd i f f e r e n tk i n d so f c r o p sh a dd i f f e r e n t s u a wq u a n t i t ya n do b v b u sd i s t r i b u t i o nd i f f e r e n c e si n z h e n g z h o uc i t y t h es t r a w q u a n t i t yi n2 0 0 9w a s1 8 5 mt o n n e si nz h e n g z h o uc i t y s p e c i f i c a l l y , m a i z ea n dw h e a t s t r a ww h i c hw e r et h et w om a i ns t r a wr e s o u r c e si nz h e n g z h o uc i t ya m o u n t e da t0 8 9 m t o n n e sa n d0 8 7 mt o n n o s ，a c c o u n t i n gf o r4 4 a n d4 3 r e s p e c t i v e l y m e a n w h i l et h e r e w e r es u b s t a n t i a ln u t r i e n t so ft h ea g r i c u l t t a a ls t r a wi n2 0 0 9 ，e x a c t l y , 1 3 6 mt o n n e s o r g a n i cm a t t e ra n db s st h a n7k i l o t o n sn i t r o g e na n d8 7 4t o n n e sp h o s p h o r u sa n da b o u t 10 k i l o t o n sp o t a s s i u mw e r ef o u n d z h o n g m o uc o u n t yw h e r et h et o t a la g r i c u l t u r a l n u t r i e n t sq u a n t i t ya m o u n t e da t3 2 8k i l o t o n s ，h a dt h em o s tq u a n t i t yo fa g r i c u l t u r a l n u t r i e n ti nz h e n g z h o uc i t y , a c c o u n t i n gf o r2 3 7 4 i nt e r m so f t h eu t i l i s a t i o no f s t r a w , t h ef o u rdi f f e r r e n tu t i l i s a t i o nm e t h o d s a sf e r t i l i z e ra n df e e da n de n e r g ya n dm a t e r i a l a c c o u n t e df o r6 1 7 8 、2 4 6 5 、3 17 a n d5 5 8 ，r e s p e c t i v e l y t h ed i s c h a r g eq u a n t i t yo fl i v e s t o c km a n u r ei n2 0 0 9w a f t5 8 7 mt o n n e si n z h e n g z h o uc i t y s p e c i f i c a l l y , c a t t i e sa n dp i g sp r o d u c e dt h et w om a i nl i v e r s t o c k i i i - m a n u r ei nz h e n g z h o uc i t y , a c c o u n t i n gf o r6 3 1 a n d2 4 5 r e s p e c t i v e l y d i f f e r e n t k i n d so fl i v e s t o c kh a dd i f f e r e n ts t r a wq u a n t i t ya n do b v i o u sd i s t r i b u t i o nd i f f e r e n c e s m o r ep r e c i s e l y , t h el i v e s t o c km a l l u r eq u a n t i t yw a s2 16 mt o n n c si nz h o n g m o uc o u n t y w h i l et h eq u a n t i t yi tw a s0 9 5 mt o n m si nx i n g y a n gc o u n t y t h e r ew e r es u b s t a n t i a l n u t r i e n t so fl i v e s t o c km a m z ei n2 0 0 9 ，t ob em o r ee x a c t , 1 2 3mt o n n e so r g a n i cm a t t e r a n d2 8 9k i l o t o n sn i t r o g e na n dl e s st h a n8 k i l o t o mp h o s p h o r u sa n d0 17 mt o n n c s p o t a s s i u mw e r ed i s c h a r g e dr e s p e c t i v e l y i nt e r m so fi t s u t i l i s a t i o n , a b o u t3 7 2 5 l i v e s t o c ka n dp o u l t r yf a r m sp r o d u c e dm e t h a n e 硒ml i v e s t o c ki y n n u r cw h i l e3 3 8 7 f a r m s ，m a i n l yc a t t l ef a r m , p r o d u c e do r g a n i cf e r t i l i z e ro ri n o r g a n i ca n do r g a n i c c o m p o u n df e r t i l i z e r i ft h es o i lo r g a n i cm a t t e rp e r c e n t a g ec o m p o s i t i o ni si n c r e a s e dl i o m1 6 6 t o 4 7 i nlo y e a r si nz h e n g z h o uc i t y , a b o u t5 2 8 4 1 k go r g a n i cm a t t e rp e ra c r es h o u l db e p mi n t o t h es o i le v e r yy e a r t h e r ew e r e2 5 9 mt o n n e so r g a n i cm a t t e r si nt h e a g r i c u l t u r a lw a s t ei n2 0 0 9i nz h e n g z h o uc i t y , w h i c hm e a n st h es o i lc o u l db es e n d a b o u t5 2 5 9 1 k gp e ra c r e i ng e n e r a l , t h e r ew a sab a h n e eb e t w e e ns u p p l ya n dd e m a n d o f o r g a n i cm a t t e ri nz h e n g z h o uc i t y t ob er r d 佗p r e c i s e ，i nz h o n g m o ua n dx i n g y a n g a n dx i n z h e n gt h es u p p l yw a sg r e a t e rt h a nt h ed e m a n do fo r g a n i cm a t t e rw h i l et h e r e s u l t sw e r er e v e r s ei ng o n g y ia n dx i n m ia n dd e n g f e n g t h e r ew a san e a r l yb a h n c e i nt h ed o w n t o w no f z h c n g z h o uc 咄 t h e r ea 犯3 5 6 2 7 t o n n e sn i t r o g e n , 9 7 5 7 t o n n e sp h o s p h o r u sa n d16 9 6 9 t o n n e s p o t a s s i u mo f a g r i c u l t u r a ls t r a wa n dl i v e s t o c km a n u r ei nz h e n g z h o uc i t y , a n dt h et o t a l q u a n t i t y a c c o u n tf o r 5 0 2 0 a n d9 0 o ft h ec h e m i c a lf e r t i l i z e r - 一n i t r o g e n , p h o s p h o r u sa n dp o t a s s i u mf e r t i l i z e r , r e s p e c t i v e 址 k e y w o r d s ：a g r i c u l t u r a lw a s t e ；l i v e s t o c km a n u r e ；c r o ps t r a w ；o r g a n i cm a t t e r ；n i t r o g e n ；p h o s p h o r u s ； p o t a s s i u m ；t h eb a l a n c eb e t w e e ns u p p l ya n dd e m a n d - i v 1 综述 1 1 研究背景 我国是一个农业大国，农业废弃物产生量巨大，主要包括农作物秸秆和畜禽 粪便等。据估算，仅2 0 0 6 年全国主要农作物秸秆的理论资源量就达到4 3 3 亿t ， 其中麦秸7 6 0 0 万t ，玉米秸1 8 2 亿t ，稻草1 2 5 亿t ，油菜秸1 3 0 0 万t ，棉秆 3 7 0 0 万吨，并且随着农作物产量的增加，总秸秆量也在增加。每到农忙季节， 大量的农作物秸秆来不及处理被随意烧掉，秸秆中大量的有机质和氮磷钾等有用 资源得不到有效的回收利用，不仅造成了资源的极大浪费，而且对农村生态环境 造成了严重破坏。据统计，我国每年燃烧的秸秆量约为5 1 0 7 7 1 0 7t ，占秸 秆产生总量的l0 9 6 1 5 晗1 。此外，随着我国畜禽养殖业的发展，养殖场带来的环 境污染问题越来越突出，畜禽粪便也已成为我国农村面源污染的最主要来源之一 嘲。据估算，我国每年畜禽粪便产生量约为1 7 3 i 0 8 t ，畜禽粪便所排放的氮磷 量分别是1 6 0 1 0 7 t 和3 6 3 1 0 6t ，相当于同时期我国化肥施用量的7 8 9 和 5 7 4 h 1 。由于受经济效益和技术普及的限制，许多养殖场并未对畜禽养殖废弃 物进行合理处理而是直接外排，这不仅造成资源的浪费而且给环境带来巨大的污 染。以2 0 0 3 年中国畜禽粪便产生量为例，当年所产生的畜禽粪便总量约2 1 亿t ， 是同期我国工业固体废弃物产生量的2 4 倍；畜禽粪便化学耗氧量的排放量已达 9 1 1 8 万t ，远远超过中国工业废水和生活废水的排放量之和畸】。 因此，农业废弃物中秸秆的大量焚烧和畜禽粪便的肆意排放，导致其所含的 大量养分得不到有效的利用，是资源的一种极大浪费。而另一方面，以大量化肥 代替原有农家有机肥、以人工饲料代替农业废弃物饲料，现代农业把大量农作物 秸秆和畜禽粪便养分作为食物链的终端，使得农业废弃物不能进入农业生产的内 部循环过程，加剧了农业废弃物的浪费，进而产生了更为严重的环境污染问题。 1 1 1 农作物秸秆 在传统的农业生产阶段，农作物秸秆资源主要作为农户燃烧取暖的燃料和饲 养家畜的饲料而被有效使用，还有一部分秸秆经过堆沤制作成农家肥被施入土 壤，作为土壤的养分来源。然而，随着传统农业向现代化农业的转变以及社会经 济的发展，农民的生活方式发生了天翻地覆的变化，秸秆利用途径也发生了历史 性的转变。由于化肥的大量使用，农作物产量有了大幅度的提高，进而秸秆产生 量也随之增多，农业主产区大量的秸秆资源得不到有效的利用，每到农忙季节， 人们纷纷在田间地头将其进行焚烧，不仅严重影响了农村地区空气质量，同时秸 综述 秆含有的大量有机质及n p k 等营养成分也被白白浪费掉。近年来，随着人们对环 境保护和再生资源有效利用的重视，愈来愈多的人开始关注秸秆资源化综合利用 的问题，相关报道也越来越多。目前，关于秸秆综合利用技术主要集中在以下几 个方面： 1 1 1 1 秸秆肥料化 农作物秸秆含有大量的有机质和n p k 等养分，将其还田处理对保持和提高土 壤肥力、改善土壤结构具有相当重要的作用1 。我国自古以来就有秸秆还田的传 统，施用有机肥培肥土壤的习惯可以追溯到2 4 0 0 年前盯1 ，但是随着化肥的广泛 使用，选择堆沤秸秆制成有机肥将其施入农田的农户越来越少。近年来，在国家 对农作物秸秆资源合理利用政策的推动下，我国农作物秸秆还田率已有较大提 高，但与发达国家相比较，我国秸秆还田量还有很大的上升空间。据美国农业部 统计，美国秸秆还田率高达6 8 ，英国秸秆直接还田量则占其发生量的7 3 ，日 本秸秆还田的比例更高，并且由于其高效的秸秆分解菌技术的推广与应用，使得 日本获得了更为良好的秸秆还田效果哺1 。 将秸秆施入农田作为有机肥使用是利用秸秆培肥土壤地力的一项传统技术， 也是现阶段秸秆利用的最主要方式之一。秸秆还田包括秸秆过腹还田、覆盖还田、 快速腐熟还田、堆沤还田、麦套稻秸秆全量还田、机械化直接还田等方法。秸秆 机械还田是我国平原地区小麦秸秆和玉米秸秆普遍采用的还田方式，也是今后有 效解决秸秆焚烧和提高农业固体废弃物综合利用率问题的最便捷方式阴1 。 秸秆还田能够提高土壤有机质含量，降低土壤容重，使得大粒径微团聚体和 通气孔隙增加，耕层土壤较为疏松，同时秸秆还田还可以促进土壤有机磷的矿化， 有利于作物的生长吸收u 乱。秸秆本身还有丰富的碳、一定量的n 、p 、k 及其他 养分物质，在其分解过程中产生的有机质等物质可使得土壤养分的有效性增加 n 羽。根据张振江n 3 1 报道，在不施肥的地区，土壤有机质平均每年减少0 4 5 9 k g ， 而单施秸秆区平均每年减少仅0 1 2 9 k g 。徐祖祥n 们研究表明，连续5 年将秸秆 施入土壤，可以使得土壤有机质含量比不还田的土壤有机质含量高8 5 - 9 9 。 曾木祥等u 叫研究表明，秸秆还田之后土壤中速效氮增加0 5 - 5 1 l m g k g ，速效磷 增加0 7 5 1 5 m g k g ，速效钾增加最为显著，增幅为1 3 - 1 9 3 m g k g 。李新举等n 叼 研究发现，秸秆还田3 年后耕层土壤总空隙度增加4 - 11 ，通气孔隙增加7 5 ， 土壤容重减少0 1 - 0 2 9 c m s 。张志国等n 研究表明，只要把作物秸秆还田，无论 在砂壤土上长期免耕或者犁耕都不会引起土壤板结，而在免耕条件下砂壤土其土 壤容重更接于自然植被下的土壤容重。 秸秆还田具有诸多优点，然而仍然有大量的农户并不选择通过秸秆还田的方 2 综述 法对秸秆进行综合利用。有关学者对此问题的原因进行了研究与分析，表明自然 因素、土壤条件、农业生产成本限制以及替代技术成熟度等是影响农户秸秆处理 方式的重要因素n 引。我国芮雯奕等n 卅研究发现，不同地区农户对于秸秆是否还田 的积极性存在差异：在经济发达地区，农户主要从秸秆处理的边际成本出发，而 略欠发达地区，更多则是基于秸秆的利用效益来考虑秸秆是否还田。 1 1 1 2 秸秆能源化 随着农村经济的发展和农业机械化生产的推广，低效的秸秆利用方式一直接 燃烧取暖做饭一已经不适应农民实际生活的需要。在经济发达区域的农村，为了 保持良好的农村生态环境，农民迫切需要优质方便的清洁能源。为此，国家有关 技术部门致力于秸秆清洁高效能源的开发利用，已经取得了一些阶段性成果。国 内现行的秸秆优质能源利用技术主要有秸秆气化集中供气技术、秸秆压块成型及 炭化技术等，这些技术日趋成熟，并得到了一定程度的推广啪】。 秸秆气化是农村废弃物资源综合利用领域中的一项重要技术，其目标是建立 农村生活集中供气工程。秸秆气化是将秸秆切碎后放入特制的气化炉内，秸秆在 炉内氧气不足的条件下，经过干馏、热解、气化一系列步骤被还原成c o 、h 2 、c 儿 等可燃性混合气体一秸秆气，可燃气经过冷却降温之后，进入气液分离器，水和 焦油被过滤去除，之后可得到纯净可燃气体，供居民和工业发电使用心。据报道， 秸秆气化装置可使l k g 农作物秸秆产生大约2 m 3 的可燃气体1 。目前，美国和英 国等发达国家学者开始了对循环流化床、加压流化床等技术的研究，可使秸秆气 化效率高达6 0 - 8 0 ，这些技术已经实现了工业化应用乜射。经过多年的深入研究， 我国以自然村为单元进行的秸秆气化集中供气工程已初步完成，秸秆气化工艺已 较为成熟，能够提供一定数量、并符合农户质量要求的燃气。尽管近年来我国秸 秆气化工程得到了快速发展，但是由于燃气中焦油及灰尘等杂质含量超标、燃气 质量不高等一系列技术问题的出现使得秸秆的推广和实际应用有所停滞乜钔。据农 业部统计船舶，截止2 0 0 6 年底，全国已建成规模化秸秆气化站6 0 2 处，然而，仅 2 0 0 6 年全年全国报废秸秆气化站就达1 3 0 处，报废数占当年新建秸秆气化站数 量的6 8 。如此高的报废率影响了秸秆气化站的推广，另一方面经济成本过高的 问题也限制了其大规模的应用。吕忠志等啦6 1 对秸秆气化进行了经济性分析，结果 发现正常情况下秸秆气和液化石油气的价格基本持平，但通过调整税收政策可使 得秸秆气成本降低0 0 8 元n m 3 ，调整后的税收政策使得秸秆气具有了较好的经 济性和竞争力，在一定程度上促进了秸秆气化产业的发展。 秸秆厌氧发酵制取沼气是秸秆能源化的另一个重要途径，即将秸秆与畜禽粪 便按一定比例混合，在厌氧条件下发酵生产以甲烷为主要成分的可燃气体。由于 综述 其燃烧热值高，沼液沼渣可再利用，工程运行成本及管理费用相对较低等优势， 沼气在我国农村地区得到了广泛的推广。据悉，一个3 - 5 口人的家庭，建一口8 l o m 3 的沼气池，年产3 0 0 - - 3 5 0m 3 沼气，可满足一日三餐和晚间的照明用能心 。 由于户用沼气的发展会受到不同区域内的气候、资源、经济发展水平等诸多因素 的影响，毕于运等晗印对我国农村户用沼气自然适宜性进行划分，结果表明华南( 包 括海南、闽南、滇南、广西中南部、广东中南部以及藏东南低热河谷区) 农村户 用沼气发展基本不受冻土和低温等自然因素的限制，是我国最适合发展沼气工程 的区域，而包括内蒙古东北端、黑龙江西北部以及青海南半部、除藏南和藏东谷 地东段外的西藏大部属于沼气不适宜区。不同的作物秸秆厌氧产甲烷的能力不 同，杨立等心们对三种农作物秸秆进行厌氧发酵产沼气效果进行研究，结果发现以 猪粪为接种物，棉花秸秆的甲烷含量、平均日产气量和累积产气量均高于玉米秸 秆和水稻秸秆，同时棉花秸秆的利用程度也高于其他两种。目前我国对于沼气运 用技术已比较成熟，近年来针对秸秆发酵制沼气的研究主要集中在秸秆的预处理 方面。研究表明，经过碱处理以及气爆处理的秸秆其分解率较高，其中气爆处理 由于其环境污染小，比碱处理具有较好的发展前景啪，。 秸秆发电技术是将秸秆原料送入锅炉中直接燃烧，产出的高压过热蒸汽，通 过汽轮机的涡轮膨胀做功，驱动发电机发电。秸秆发电技术起源于2 0 世纪7 0 年 代，目前这种技术在国外已经成熟，在欧洲一些国家得到了广泛的应用 3 1 o 丹麦 是世界上最早开始大力推行秸秆等生物质发电的国家，目前已建立了1 5 家大型 生物质直燃发电厂，可提供全国5 的电力供应口羽。芬兰生物质发电占本国发电 量的1 1 ：奥地利生物质能在总能耗中比例约为2 5 ；德国对生物质直燃发电也 非常重视，生物质热电联产应用在该国很普遍；美国能源部提出“能源农场”、 日本“阳光计划”、印度“绿色能源农场都是利用秸秆生物质进行发电旧洲】。 目前国外的秸秆发电装置已达到商业化利用，实现了规模化经营，而我国的秸秆 发电技术远远落后于发达国家，大部分设备采用进口。我国第一座生物质发电厂 是山东单县秸秆发电厂，于2 0 0 6 年1 2 月1 日正式投产，如今该公司已有1 0 个生 物质直燃发电项目实现并网发吲3 引。我国的秸秆发电条件与国外并不相同：国外 都是大农场经营，秸秆收集方便，收集成本低；而我国农村人多地少，自然村分 散，户农田不多，所产生的秸秆较少，秸秆收集困难，而秸秆发电厂一般需秸秆 上万吨，如果扩大收集半径，则大大增加了收集成本，最终导致秸秆发电的成本 大幅度增加1 。郭菊娥等b 力比较分析了安徽宿州1 2 2 m w 秸秆发电项目和河南新 乡6 0 0 2 m w 火力发电项目，结果发现，秸秆发电的财务指标、内外部成本均高 于火力发电，而政府并未对秸秆发电项目形成完善的优惠政策，造成了“发电就 赔钱”的局面，最终导致我国秸秆发电投资者积极性不高。 4 综述 1 1 1 3 秸秆饲料 农作物秸秆含有大量的纤维素、半纤维素、木质素、少量的粗蛋白和粗脂肪 等养分物质，是反刍动物的一种潜力巨大的饲料资源。因农作物秸秆的粗蛋白、 消化能、维生素、c a 、p 含量低等因素导致其适口性差，消化率低，直接用作饲 料的饲喂效果并不是很好啪】。但如果对其进行适当合理的加工调制，可使秸秆饲 料利用率、适口性、采食量增加，从而提高饲喂效果。随着青贮、微贮、氨化等 秸秆处理技术的推广和技术改进，我国农作物秸秆饲料化进程明显加快，在一定 程度上满足了畜牧业快速发展的需求。另外，随着秸秆饲料产品商品化生产的发 展，异地消化利用的现象日趋显著，秸秆饲料成套生产设备应运而生，其中秸秆 压块技术是目前国内秸秆饲料加工技术中较为领先的技术，具有广阔的推广应用 前景m 1 。秸秆机械化压块饲料技术是以农作物秸秆为主要原料，利用专用设备， 经过干燥、切碎、加入适量添加剂进行混配搅拌、高压高温挤压等加工过程，将 秸秆制成适口性较好的的块状秸秆饲料的一项技术m 1 。机械化秸秆压块饲料技术 由于其能充分发挥秸秆价值，提高其利用率，是未来秸秆饲料化的一个不错的发 展方向，具有广阔的发展前景。利用秸秆作为饲料饲养家畜，不仅能够减少人畜 争粮的现象，同时可以实现秸秆的过腹还田，对经济、社会和生态环境具有良好 的效益，值得大力推广。 1 1 1 4 秸秆原料化 秸秆纤维作为一种天然纤维素纤维，生物降解性好，可作为工业原料。农作 物秸秆由于含有大量的纤维素和木质素，这些植物纤维是发展制浆造纸工业的基 本原料，利用秸秆纤维造纸在我国具有悠久的历史传统，但是近年来秸秆造纸因 污染问题具有持续下滑的趋势。由于消耗秸秆量大、产品附加值高，又能节约木 材，秸秆在建筑材料领域的应用己相当广泛。与其它板材相比，以农作物秸秆为 主要原料制成的秸秆板材，因制作成本低，强度高、耐腐蚀，经特殊处理更具有防 火性等优点，越来越受到装饰板材及家具制造商的青睐，具有广阔的市场前景h 。 另外，由于秸秆的生物降解性好，可用其生产可降解型包装材料，包括生产新型 环保秸秆防火门、防火装饰板等轻质板材，例如用稻麦草为原料制成的快餐盒， 其成本低，制作过程中能够完全实现无毒化、无害化，无二次污染，且使用过后， 降解速度快，更能增加土壤肥力，不增加环境负担等优点，受到人们的欢迎，市场 前景广阔“羽。利用秸秆编织的草帘、草苫、草席等制品既可保温防冻，又具有吸 汗防湿的功效，深受消费者喜爱。草编和秸秆工艺品制作技术等能够提高秸秆利 用率，进一步拓宽了秸秆综合利用的途径。由于秸秆中含有丰富的碳、氮、磷、 钾等矿物质及激素等营养成分，且成本低廉，资源丰富，已被用做多种食用菌的 综述 培养料h 引，培养基使用后可用作优质的有机肥还田，是秸秆利用一举多得的好办 法。张燕n 钔认为，未来唯有发展秸秆人造板等新型环保及经济效益显著的工业生 态产业，才是符合中国国情的明智之举。 1 1 2 畜禽粪便 1 1 2 1 畜禽粪便的危害 伴随着畜禽业的急剧发展，由畜禽养殖业带来的环境污染呈现总量增加、程 度加剧和污染范围扩大的趋势。据调查，我国每年有1 7 亿吨之多的畜禽粪便排 出，其利用率低，仅为4 9 ，一些地区畜禽粪便所产生的污染远远超过了工业 污染，已占到农业面源污染的3 5 h 射。畜禽粪便对环境所造成的危害区域主要 包括水体、大气和土壤。畜禽粪便和冲洗粪便废水可以通过地表径流污染地表水， 也可以通过土壤渗入地下从而污染地下水。畜禽粪便污染水体的方式比较复杂， 一般包括富营养化、粪便有机物分解造成污染和生物病原污染。水体的富营养化 是指作为植物的营养物质一n 和p 含量过高，使得水中藻类大量生长，导致鱼类 及水生物因缺少氧气而死亡并在水底层进行厌氧分解，产生n h 。、h ：s 、硫醇类有 机物等恶臭物质，最终使得水体发臭变黑，破坏了水体的生态平衡，给人和动物 的健康造成危害n 8 1 。畜禽粪便有机物分解产生的大量小分子有机物，会加剧水体 的富营养化：而生物病原菌例如大肠杆菌等，一旦进入地下水被人饮用，就会对 人体造成不适与伤害。尤其在规模化养殖场，因畜禽粪便肆意排放所造成的水体 污染达到9 4 4 h 7 1 。 畜禽粪便对空气的污染区域主要包括畜牧场圈舍内外和粪堆、粪池、厕所周 围的空间。由于畜禽粪便含有大量的有机物和氮磷钾以及钙镁硫等多种矿物质及 微量元素，这些成分在嫌气条件下会产生大量恶臭成分，如硫化氢、醛类、酮类、 氨、酰胺类、吲哚和对氮苯醇类、酚类等，这些有害气体恶臭物质不仅会危害 人畜健康，还会导致家畜生产力降低，使养殖场周围生态环境恶化。研究发现， 大量的畜禽粪便如果不及时处理，还会产生甲硫醚，二甲胺，甲基硫醇，二甲基 二硫醚及多种低级脂肪酸等有毒有害气体，排放进入空气会导致空气中含氧量降 低，造成畜禽的免疫力下降，畜禽染病的几率高，进而影响畜禽产品质量1 。另 一方面，畜禽粪便在分解过程中所排放c h 和n 地这两种物质还是形成酸雨和温 室效应的主要来源之一呻1 。 长期以来，畜禽粪便由于含有大量的有机质及氮磷钾等营养成分而一直作为 农业生产的肥料返田使用。从畜禽粪便发生到将其施入田问应用这个过程中，氮 磷钾等营养成分会有所流失，其中n 是损失成分最多的物质。在美国的畜禽粪便 管理系统中，通过水解成氨挥发到大气中而流失的氮接近7 5 强。在大多数粪便 6 综述 管理体系中，有近1 5 的有机磷和钾在处理过程中损失掉。在土地体系中有4 0 的钾和5 0 的磷能通过降雨、渗透与土地表面的土壤混合；在江河体系中，有8 0 的氮和磷被流失掉b 副，而这些损失掉的氮磷养分不是进入大气就是进入水体或者 土壤，最终都会给环境带来不良影响。在渗透的土壤体系中，总氮、总磷的浓度 随着粪便施用量的增加而成线性递增。然而，如果粪便施用过度则会破坏土壤 结构使得土壤通透性降低，发生盐积化，土壤肥力下降，最终影响农作物的生长， 给农民的生活带来不利的影响。目前，我国并没有对农田畜禽粪便中氮磷的投入 量有具体的规定，但是欧盟的硝酸盐和磷酸盐法规中明确规定畜禽粪便中氮负荷 和磷负荷的环境阈值分别为1 7 0 k g h m 2 和3 5k g h m 2 ，即一旦畜禽粪便施入土壤中 的氮磷负荷高于以上两个限定值，土壤就会发生硝酸盐和磷酸盐污染阳5 引。张绪 美等m 1 对我国畜禽粪便氮污染负荷量进行预警分析发现，我国畜禽粪便对环境的 潜在威胁存在地域差异，全国只有8 个省市畜禽粪便氮负荷未对环境构成潜在威 胁，同时发现我国东部地区畜禽粪便氮负荷带来的环境压力要远高于西部地区。 武深树等对湖南洞庭湖区畜禽粪便所造成的环境污染进行研究发现，2 0 0 6 年 洞庭湖区畜禽粪便中仅氮素污染所造成的环境成本已高达8 7 7 亿元，其中对农 田污染的环境成本为2 3 2 亿元。王晓燕等嘲1 对北京市密云县耕地畜禽粪便负荷 进行估算表明，该地区l o 个乡镇均已受到不同程度的污染威胁。王方浩等嘞1 报 道认为，我国共有7 个省区单位面积的粪便耕地承载量超过还田限量，存在畜禽 粪便过载问题。 1 1 2 2 粪便资源化利用现状 畜禽粪便的处理方法很多，但目前尚难找出某一通用的方法来满足其无害化 资源化的所有要求。某一种处理方法是否能被选用，不仅要考虑到其在技术上的 优势，还要考虑到一次性投资成本，日常运行费用和操作方便与否等问题。目前， 畜禽粪污处理方法可简单地归纳为物理法、物化法、化学法和生物法。物理法包 括固液分离、过滤沉淀等；化学法包括中和、氧化还原、絮凝沉淀等；物化法包 括吸附、反渗透、电渗析、离子交换、萃取等；生物法包括好氧、厌氧、综合处 理等。由于单一的物理法处理效率低，化学法存在二次污染，物化法费用过高等 问题，这三种方法在实际畜禽粪便处理中应用较少。生物处理法是利用微生物消 耗有机物同时将其转化为新的微生物细胞和简单的无机物，从而达到去除有机物 和n p 等养分物质的方法。生物法由于不会造成二次污染，且处理成本相对较低， 目前得到了广泛的应用，被认为是最有发展前途的畜禽粪便处理方法。 畜禽粪便虽然是污染物，但由于其含有大量的有机质和各种营养物质，冈此 它又是一种不可忽略的资源。畜禽粪便的处理和最终利用途径与一个国家的经济 7 综述 发展水平有关，欧美、日本等经济发达国家很早都开始重视畜禽粪便资源化利用； 而我国由于畜禽粪便通常具有数量大、品质差等特点，相关部门对其资源化的重 视程度不够，畜禽粪便资源总量不清、政府引导不力等问题一直没有解决，这在 一定程度上制约了我国养殖业废弃物资源化的推广和应用。近年来随着畜禽粪便 资源化等相关研究的增多，资源化技术和法律法规有了较大的改进和完善，这在 一定程度上推动了我国畜禽粪便资源化的良性发展。 目前，我国畜禽粪便的利用途径主要包括肥料化、饲料化和能源化三个方面。 畜禽粪便肥料化主要是将畜禽粪便与纤维素秸秆等混合，在微生物作用下通过高 温发酵将其中的病原菌杀死同时将有机物分解生成腐熟的肥料。粪便作为肥料施 入土壤对促进农牧结合、发展有机农业和实现农业的良性循环起着非常重要的作 用m 1 。由于高温堆肥技术具有耗时短、有机物分解充分、操作方便、成本低廉、 异味少等突出优点，成为目前研究开发的热点随。在国外，堆肥技术正在向着机 械化、自动化的方向发展，而我国由于经济因素的限制，成本过高的高度机械化、 自动化的堆肥设备的大规模应用受到限制；另一方面低成本的高温堆肥技术得到 了广泛的发展 6 2 o 研究发现，利用蚯蚓处理畜禽粪便，能够获得优质有机肥和 高蛋白饲料，不会产生二次污染，同时由于这种方法操作简单，且投资小效益高， 越来越受到人们的青睐。由于畜禽粪便含有丰富的营养成分，曾经被作为潜在 的饲料得到大力的推广，但是随着畜禽养殖的规模化和产业化经营，畜禽粪便含 有的大量病原微生物、杀虫剂、重金属、化学物质和激素等有害物质的累积，导 致其饲料化的安全性日益受到人们的质疑阳】。在畜禽粪便能源化方面，目前研究 最多的是将其沼气化。畜禽粪便沼气化在我国具有较长时间的应用，技术比较成 熟，工艺相对简单，且沼液沼渣可以用作肥料施入农田进行使用。陈广银等阳5 1 研究表明，将牛粪与互花米草混合发酵可提高厌氧沼气系统的缓冲能力，牛粪的 比例越高，系统的缓冲能力越强，且不会出现有机酸的积累；以互花米草与牛粪 混合比例为3 ：l 时，发酵产沼气量最多。赵文峰等嘲1 开发设计了一种农牧养殖户 制沼气的成套装置，能够自动上料、密闭储存、搅拌、厌氧发酵和自动清除沼渣， 该装置是一种常压装置，非常安全，目前已申请专利。目前，我国不同地区根据 当地的自然经济条件以及农业产业结构调整的需要，将沼气与农业产业化发展相 结合，形成了以南方“猪一沼一果”和北方“四位一体 为代表的农村户用沼 气生态能源发展模式。郑华英掣6 将武汉地区畜禽粪便发酵产生的沼液沼渣用于 种植绿色蔬菜和养鱼，结果发现粪便经沼气发酵处理后大肠菌群值、活蛔虫卵、 寄生虫等对菜地土壤、蔬菜、鱼塘水质、鱼产品污染均有明显降低。畜禽粪便厌 氧发酵工艺由于其在产沼气的同时也解决了大型畜牧养殖场的畜禽粪便污染问 题，越来越受到人们的青睐。 综述 1 1 3 土壤碳库 随着对全球变暖问题的深入了解，有关碳排放与碳吸收的研究日益受到人们 的关注。研究表明碳排放最有可能存在于陆地生态系统中旧】，耕地面积约为1 7 亿公顷的全球农田，其碳贮量约为1 7 0 p g ，超过全球陆地碳贮量的1 0 呦】。据王 绍强等人1 估算，我国陆地土壤总有机碳储量为9 2 4 p g ，其中农业土壤有机碳储 量约为1 4 p g ，占总的土壤有机碳储量的1 5 。土壤作为陆地生态系统中不可忽视 的有机碳库，在耕作、灌溉和施肥等一系列人类活动的影响下，其数量发生了巨 大的变化，对区域和全球环境以及人类赖以生存的粮食生产带来巨大影响。土壤 有机碳的影响因素一直是土壤碳循环领域的研究热点，受到全球碳循环研究者的 高度关注。研究表明，土壤碳库不仅受到土壤矿物组成、风化程度、植被状况与 环境温度等因素的影响，同时也受到土壤中有机质组成的影响口们。土壤有机质主 要包括微生物分解动植物遗体所产生的排泄物、分泌物和土壤腐殖质等，其主要 功能在于能改善土壤结构、提高土壤生产力，增加农产品质量和产量。除少量钙 质土壤中碳以碳酸盐形式存在外，其余大量的碳均以有机质的形式存留在土壤 中。另一方面，土壤有机质含量降低会导致土壤肥力的下降，进一步导致农作物 减产。因此，增加土壤有机碳含量，不仅能够维持和提高土壤肥力，为农业的可 持续发展提供良好的条件，同时也可以减少大气中的c o 。含量，对减少碳排放和 缓解温室效应等起到积极的作用。农田管理措施在很大程度上影响土壤有机碳 ( s o c ) 的变化，不合理开垦会造成土壤有机碳含量大幅度降低，减少土壤碳汇量， 对维持全球的碳平衡产生不利影响。因此近年来关于土壤碳汇的研究主要集中在 农田管理和土壤有机质含量的提高上。 由于有机肥中含有大量的碳元素，长期施用有机肥可显著提高土壤有机质含 量。施入有机肥不仅可以提高农作物产量，增加土壤中植物残体的输入，而且往 土壤中施入有机肥也会提高土壤微生物的数量和活性，促进土壤中有机物质的生 物降解与转化，增加土壤有机质含量h 。李学平等口2 1 发现在水旱轮作条件下，连 续1 1 年施入有机肥可以使得紫色土土壤有机质含量从2 2 o g k g 。1 增长到 2 8 5 9 k g ，化肥与有机肥配施增加土壤有机质含量的效果更为显著。国外有学 者 3 1 经过4 5 年的长期定位试验，发现在化肥与有机肥配施条件下，土壤有机碳 含量从6 3 9 9 k g 1 升高到1 1 3 7 9 k g 。增加土壤有机质的另外一条途径为秸秆 还田，因为秸秆还田为土壤有机碳含量的提高提供了重要物质来源。秸秆还田的 方式、还田量以及秸秆种类都将影响土壤有机碳储量的增加。混施还田h 们的秸秆 与土壤接触更充分，分解更加迅速，除了少部分有机物质如小分子有机酸等被作 物吸收之外，其余的大部分转化为土壤有机质：而表施还田的秸秆分解缓慢，且 9 综述 降水及灌溉都会引起土壤养分的丢失，因此秸秆混施比秸秆表施更能促进土壤有 机碳的增加，尤其是在水稻的分孽期和成熟期，混施能够提高稻草和土壤的接触 面积，不仅促进了土壤团粒结构的形成，而且减少因水土流失而损失的有机质量 盯钔。除此之外，免耕作为一种省时、省工、高效的耕作方法，能够减少土壤侵蚀， 促进表层土有机碳累积，是提高农田土壤有机质含量的有效途径之一。研究表明， 长期耕作的土壤其表层中的有机碳含量较自然植被减少