張麗　張佳喜　張海春　喻晨　蔣永新

摘 要：為了提高棉花秸稈合理高效的利用，減少可利用資源的浪費(fèi)及對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的不利影響，使棉秸稈發(fā)揮出可再生資源的優(yōu)勢(shì)而提出相關(guān)技術(shù)研究。本研究從棉秸稈生態(tài)化綜合利用的角度，提出棉秸稈作肥料、飼料、燃料的利用技術(shù)的實(shí)施方法及重要問(wèn)題，以期推動(dòng)新疆地區(qū)棉秸稈資源合理利用的進(jìn)程。本研究主要包括5個(gè)部分：第1部分，引言，綜述了棉秸稈資源利用的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展；第2部分，綜合利用優(yōu)勢(shì)，具體提出4個(gè)方面的綜合利用優(yōu)勢(shì)；第3部分，傳統(tǒng)處理方式的危害分析；第4部分，綜合利用技術(shù)研究；第5部分，結(jié)論。總結(jié)本研究工作，提出未來(lái)工作的重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：棉秸稈；生態(tài)化；綜合利用技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：X712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 論文編號(hào)：2014-0141

Ecological Utilization Technology of Cotton Stalks

Zhang Li， Zhang Jiaxi， Zhang Haichun， Yu Chen， Jiang Yongxin

（Institute of Agricultural Machinery， Xinjiang Academy of Agricultural sScience/Equipment and Technology Experiment Station of Both Forestry Fruit Cotton and Agricultural Facilities in Xinjiang， Urumqi 830091， Xinjiang， China）

Abstract： The research aims to improve the use of cotton stalks rationally and efficiently， reduce the waste of available resources and avoid adverse impact on the ecological environment， so that the cotton stalks can play its role as renewable resources. From the perspective of ecological utilization of cotton stalks， the author came up with the application technologies and relevant issues of cotton stalks， such as the cotton stalks used as fertilizer， feed and fuel， in order to promote the rational utilization of cotton stalks resources. This paper consists of 5 parts： the first part was the preface： the utilization status of cotton stalks resources at home and abroad； the second part： advantages of utilization and propose advantages of utilization in four specific areas； the third part： the traditional approach of hazard analysis； the fourth part： comprehensive utilization technologies； the fifth part： the conclusion. The author summarized the research work and proposed the focus of future research.

Key words： Cotton Stalks； Ecology； Utilization Technology

0 引言

棉秸稈是農(nóng)作物的一種副產(chǎn)物，常被用于加熱燃料或是直接遺棄。近年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，秸稈的燃料價(jià)值明顯降低，秸稈焚燒帶來(lái)的各種環(huán)境問(wèn)題也引起了人們的高度關(guān)注和重視。為此，必須探尋一種綜合利用技術(shù)，為了提高棉花秸稈合理高效的利用，減少可利用資源的浪費(fèi)及對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的不利影響，使棉秸稈發(fā)揮出可再生資源的優(yōu)勢(shì)。本研究提出了相關(guān)技術(shù)研究。

由于棉花秸稈和小麥秸稈的物理性質(zhì)較為相似，研究者大多以小麥秸稈作為新能源來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和利用。據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部的一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)資料，全美每年能夠收集起來(lái)的小麥秸稈就多達(dá)4500萬(wàn)t，而這些僅占全年產(chǎn)生的所有小麥秸稈的50%。秸稈在美國(guó)的用途很廣，可用作飼料、手工制品等，有的地方還用來(lái)蓋房，將整捆的秸稈高強(qiáng)度擠壓后填充新房的墻壁。近幾年，秸稈的綜合回收利用還與纖維素乙醇的提煉聯(lián)系起來(lái)。近年來(lái)，美國(guó)加大了秸稈綜合回收利用的研發(fā)力度。美國(guó)能源部明確指出，小麥秸稈是可再生生物能源的一個(gè)重要來(lái)源。2007年6月，美國(guó)農(nóng)業(yè)部和能源部分別出資1400萬(wàn)美元和400萬(wàn)美元，共同設(shè)立1項(xiàng)基金，資助有關(guān)生物燃料、生物能源及相關(guān)產(chǎn)品的研究與開(kāi)發(fā)；丹麥?zhǔn)鞘澜缟鲜紫仁褂媒斩挵l(fā)電的國(guó)家。位于丹麥?zhǔn)锥几绫竟阅系陌⒕S多發(fā)電廠建于20世紀(jì)90年代，被譽(yù)為全球效率最高、最環(huán)保的熱電聯(lián)供電廠之一。阿維多電廠每年燃燒15萬(wàn)t秸稈，可滿(mǎn)足幾十萬(wàn)用戶(hù)的供熱和用電需求。

與煤、油、天然氣相比，秸稈成本低、污染少，是電廠認(rèn)為最劃算的燃料。此外，秸稈燃燒后的草木灰還可以無(wú)償?shù)胤颠€給農(nóng)民作為肥料。使用秸稈發(fā)電，電廠降低了原料的成本，百姓享受了便宜的電價(jià)，環(huán)境受到保護(hù)，新能源得以開(kāi)發(fā)，同時(shí)還使農(nóng)民增加了收入，串聯(lián)起了一個(gè)“黃金圈”；日本處理秸稈的方式主要有2種：混入土中還為肥料，以及作為粗飼料喂養(yǎng)家畜。根據(jù)近年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，該國(guó)每年產(chǎn)生的秸稈幾乎被全部利用。其中，翻入土層中還田的約占68%，作為粗飼料養(yǎng)牛的約占10.5%，與畜糞混合做成肥料的約占7.5%，制成畜欄用草墊的約占4.7%，只有一小部分難以處理的秸稈被就地燃燒。目前，日本正在積極挖掘秸稈的燃料轉(zhuǎn)化潛力。有官員表示，當(dāng)務(wù)之急是開(kāi)發(fā)出利用植物纖維的生物燃料，避免影響糧食供應(yīng)價(jià)格。對(duì)于燃料和糧食都依賴(lài)進(jìn)口的日本來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)尤為重要。據(jù)悉，日本地球環(huán)境產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究機(jī)構(gòu)與本田技術(shù)研究所已共同研制出從秸稈所含纖維素中提取乙醇燃料的技術(shù)[1]。

目前，棉秸稈循環(huán)再利用的方式有多種。絕大部分棉秸稈直接還田，影響耕作質(zhì)量、加劇棉田土傳病害等問(wèn)題，已嚴(yán)重影響棉花產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。棉秸稈的飼料化、燃料化、肥料化、基質(zhì)化綜合利用前景十分廣泛。棉秸稈木質(zhì)纖維較高，綜合利用過(guò)程中均需要將棉秸稈按使用目的進(jìn)行揉絲粉碎，方可混配、發(fā)酵、壓塊等后續(xù)加工。對(duì)于棉花秸稈這種質(zhì)地堅(jiān)硬、木質(zhì)化程度很高的低質(zhì)秸稈粗飼料，氨化、微貯、復(fù)合等常規(guī)的粗飼料處理方法作用甚微，而1% AHP浸泡處理能夠顯著降低秸稈的木質(zhì)素含量、提高瘤胃微生物的發(fā)酵利用率，效果較好[2]。吳杰[3]就目前新疆棉稈在切碎還田、飼料加工、造紙?jiān)彀?、燃料化、食用菌培養(yǎng)以及其他用途中的應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并對(duì)棉稈的合理利用作了初步探討，提出了幾種可行的利用路線，為棉稈產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)利用提供一定依據(jù)。慈溪市庵東鎮(zhèn)經(jīng)過(guò)5年來(lái)的實(shí)踐證明，利用秸稈切碎還田機(jī)，提高了工效，利用棉秸稈資源，改良了土壤，避免了環(huán)境污染，增加了棉農(nóng)收入，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械化可持續(xù)發(fā)展[4]。

近年來(lái)，隨著中國(guó)《可再生能源法》的頒布實(shí)施，生物質(zhì)能的綜合開(kāi)發(fā)利用受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注和重視，對(duì)棉秸稈進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用不僅符合國(guó)家的產(chǎn)業(yè)政策，而且還能對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)起到一定的調(diào)整作用，有助于農(nóng)民收入的增加。由此可見(jiàn)，棉秸稈綜合開(kāi)發(fā)利用具有非常廣闊的發(fā)展前景。

1 棉秸稈的綜合利用優(yōu)勢(shì)

棉秸稈屬于一種可再生的生物質(zhì)能借助相應(yīng)的轉(zhuǎn)換技術(shù)，能夠?qū)γ藿斩掃M(jìn)行炭化、固化及汽化處理，從而使其轉(zhuǎn)換為木炭、可燃性氣體以及電力[5]。中國(guó)的很多地區(qū)都以棉花為主要農(nóng)作物，如新疆等，這些地區(qū)每年可以產(chǎn)生出數(shù)量極為龐大的棉秸稈，如果可以將這些棉秸稈進(jìn)行合理、有效地利用，必將會(huì)使農(nóng)民從中大幅受益。棉秸稈炭化試驗(yàn)結(jié)果顯示，每噸棉秸稈大約能夠產(chǎn)出木炭300 kg、木焦油24 kg、木醋液220 kg，其生產(chǎn)成本約為500元左右[6]。按照較保守估計(jì)，年處理棉秸稈在100萬(wàn)t，其產(chǎn)值可達(dá)10億元左右，對(duì)棉秸稈進(jìn)行綜合開(kāi)發(fā)利用，能夠?yàn)槊藁ǚN植地區(qū)帶來(lái)非常巨大的經(jīng)濟(jì)效益，并且還有可能形成新的產(chǎn)業(yè)，這對(duì)于推動(dòng)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有積極的作用。同時(shí)，處理 500萬(wàn)t棉秸稈，能夠節(jié)省250萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，其所產(chǎn)生的社會(huì)效益也十分明顯[7]。棉秸稈綜合利用的優(yōu)勢(shì)具體體現(xiàn)在以下4個(gè)方面。

1.1 有利于提高農(nóng)民的收入

通過(guò)棉秸稈的研究開(kāi)發(fā)利用，能夠使秸稈從現(xiàn)有的焚燒和掩埋處理轉(zhuǎn)變?yōu)楹侠?、有效的利用，棉秸稈的?jīng)濟(jì)價(jià)值可以獲得顯著提高，從而可以使農(nóng)民從中獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 有助于緩解農(nóng)村能源緊缺問(wèn)題

通過(guò)棉秸稈汽化發(fā)電技術(shù)，能夠?yàn)檗r(nóng)村提供生產(chǎn)、生活所需的電能，這樣一來(lái)節(jié)省了大量的常規(guī)能源[8]。同時(shí)，棉秸稈合理的規(guī)劃利用，還可以實(shí)現(xiàn)集中供電、供氣，有利于加快農(nóng)村城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程，不僅可以進(jìn)一步提高農(nóng)民的生活水平，而且還能有效緩解農(nóng)村能源緊缺的問(wèn)題。

1.3 有利于改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境

借助棉秸稈固化等技術(shù)，可以使棉秸稈獲得統(tǒng)一、合理的應(yīng)用，有效避免了棉秸稈隨處堆放和處置給土質(zhì)肥力帶來(lái)的影響，同時(shí)還防止了由于棉秸稈大量焚燒時(shí)產(chǎn)生的有害氣體對(duì)環(huán)境的污染和破壞，農(nóng)村的自然生態(tài)環(huán)境獲得了明顯改善。

1.4 有助于推動(dòng)可再生能源利用

中國(guó)的棉秸稈資源非常豐富，而且這種資源具有良好的可再生性[9]。通過(guò)對(duì)該資源的合理開(kāi)發(fā)利用，以生物質(zhì)利用技術(shù)，再結(jié)合棉秸稈自身的特點(diǎn)，可以創(chuàng)造出以棉秸稈為原材料的生物質(zhì)能應(yīng)用技術(shù)，這對(duì)于促進(jìn)中國(guó)可再生能源的綜合利用具有非常重要的意義。

2 棉秸稈傳統(tǒng)處理方式的危害分析

在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期，農(nóng)村在處置棉秸稈時(shí)采用的是直接焚燒，由此所產(chǎn)生的危害非常嚴(yán)重，具體體現(xiàn)在以下4個(gè)方面。

2.1 污染環(huán)境、危害健康

按照相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，對(duì)棉秸稈進(jìn)行焚燒處理時(shí)，空氣中的SO2、NO2以及可吸入顆粒物這3項(xiàng)污染指標(biāo)全部都會(huì)達(dá)到峰值，其中可吸入顆粒物的污染最為嚴(yán)重，其濃度要比平時(shí)高出3倍左右，相當(dāng)于日均濃度的5級(jí)水平[10]。當(dāng)人體吸入了超過(guò)一定濃度的可吸入顆粒物之后，會(huì)對(duì)眼睛、上呼吸道器官的黏膜產(chǎn)生極強(qiáng)的刺激，輕則會(huì)引起流淚、胸悶、咳嗽等癥狀，嚴(yán)重時(shí)有可能造成支氣管炎。

2.2 容易引發(fā)火災(zāi)

棉秸稈本身屬于易燃物，尤其是在干燥的環(huán)境當(dāng)中，棉秸稈非常容易燃燒，并且還有可能引燃周?chē)囊兹嘉?，如果在村莊附近對(duì)棉秸稈進(jìn)行焚燒處理，一旦引起火災(zāi)，極有可能造成連鎖反應(yīng)，其后果不堪設(shè)想。此外，棉秸稈焚燒的過(guò)程中不但會(huì)形成大量的煙霧，焚燒之后的地方還會(huì)出現(xiàn)大面積焦土，對(duì)地區(qū)環(huán)境形象破壞較大。

2.3 會(huì)引起耕地質(zhì)量下降

在農(nóng)田當(dāng)中對(duì)棉秸稈進(jìn)行焚燒會(huì)導(dǎo)致地面溫度急劇升高，土壤當(dāng)中的有益微生物會(huì)被直接燒死，這樣一來(lái)土壤的自然肥力及保水能力均會(huì)大幅度下降，水分損失率約為65%～80%，不僅會(huì)影響農(nóng)田作物的產(chǎn)量及質(zhì)量，而且還會(huì)間接影響到農(nóng)業(yè)收益[11]。

2.4 有可能引發(fā)交通事故

在露天環(huán)境中對(duì)棉秸稈進(jìn)行焚燒處理時(shí)，會(huì)產(chǎn)生出大量的濃煙，對(duì)公路、鐵路、民航的正常運(yùn)營(yíng)均會(huì)造成一定程度上的影響，從而給交通安全帶來(lái)潛在的威脅。此外，每逢農(nóng)作物收割的季節(jié)，機(jī)場(chǎng)都會(huì)受到秸稈焚燒的危害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響航班的正常起落，一旦引起事故，將會(huì)造成極其嚴(yán)重的社會(huì)影響。

3 棉秸稈生態(tài)化綜合利用技術(shù)研究

鑒于棉秸稈焚燒的種種危害，這種處理方式顯然是不可行的，為此，必須積極探尋出一種合理、有效、可行的棉秸稈處理技術(shù)，在專(zhuān)家學(xué)者的不斷研究和探索中，開(kāi)發(fā)出了棉秸稈生態(tài)化綜合利用技術(shù)，不僅有效解決了棉秸稈焚燒處理中造成的危害，而且還使棉秸稈獲得了有效利用，由此產(chǎn)生出巨大的經(jīng)濟(jì)效益，棉秸稈的價(jià)值如表1所示。

3.1 棉秸稈燃料

目前，生物質(zhì)能已經(jīng)成為僅次于煤炭、石油以及天然氣的第四大能源，在全球能源總消費(fèi)量中占14%，中國(guó)每年農(nóng)作物秸稈資源量約占生物質(zhì)能資源量的50%左右[12]。棉秸稈能源轉(zhuǎn)化的方式主要有2種：一種是秸稈氣化，另一種是厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣。通過(guò)棉秸稈生產(chǎn)沼氣不僅可以為農(nóng)民提供清潔無(wú)污染的能源，而且還能有效改善農(nóng)民的生活環(huán)境。由于棉秸稈的來(lái)源比較廣泛、數(shù)量也十分巨大，基本不會(huì)出現(xiàn)原材料供給不足的情況。通過(guò)試驗(yàn)可知，每千克的棉秸稈大約能夠生產(chǎn)出2 m?左右的燃?xì)猓@部分燃?xì)庠谏愿哂诔旱臓顟B(tài)下可以通過(guò)管道直接輸送給農(nóng)戶(hù)，并且能夠像天然氣一樣燃燒，在整個(gè)燃燒過(guò)程中，不會(huì)產(chǎn)生煙塵和污染，在農(nóng)村具有非常廣闊的發(fā)展前景。此外，也可將棉秸稈固化為成型燃料。這種燃料具有體積小、容量大、燃燒好、熱效率高、清潔無(wú)污染、可再生等優(yōu)點(diǎn)，棉秸稈每千克的熱值約為1.68×104 J，與次煤的熱值基本相同。在煤炭、石油價(jià)格持續(xù)走高的今天，棉秸稈在燃料方面的利用前景越來(lái)越廣闊。

3.2 棉秸稈肥料

棉秸稈在發(fā)酵之后除了能夠產(chǎn)生出沼氣作為燃料之外，而且還能產(chǎn)生出沼液、沼渣，這2種物質(zhì)能夠直接作為肥料進(jìn)行使用，這使得棉秸稈資源獲得了更為有效的利用。棉秸稈當(dāng)中含有大量的微量元素和有機(jī)質(zhì)，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中較為重要的有機(jī)肥源，并且還具有良好的生態(tài)效應(yīng)，是綠色及無(wú)公害農(nóng)業(yè)的重要肥源[13]。如果利用棉秸稈還田的話，每500 kg可相當(dāng)于向土壤當(dāng)中施用50 kg左右的標(biāo)準(zhǔn)肥，這樣一來(lái)不僅能夠有效減少土壤本身的容量，而且還能增加土壤的透氣性和透水性，有助于緩解土壤板結(jié)問(wèn)題。在棉秸稈的實(shí)際利用中，可以結(jié)合化學(xué)肥料一起施用，具體做法是將棉秸稈粉碎漚制，與化肥一并施入到土壤中，當(dāng)棉秸稈發(fā)酵腐爛之后，便會(huì)轉(zhuǎn)化為供農(nóng)作物吸收的養(yǎng)分，從而使土壤肥力大幅度提高。通過(guò)綜合利用可將棉秸稈作為肥料回歸農(nóng)田，這樣不僅能夠起到改良土壤的作用，而且還有助于提高耕地的基礎(chǔ)地力，對(duì)于促進(jìn)中國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3.3 棉秸稈飼料

中國(guó)是一個(gè)典型的農(nóng)業(yè)大國(guó)，與國(guó)外的一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)的畜牧業(yè)比例相對(duì)偏低，而想要大力發(fā)展畜牧業(yè)，飼料資源是不可或缺的條件之一[14]。然而，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)的草原退化及沙化現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，牧草供應(yīng)明顯不足，為了推動(dòng)畜牧業(yè)的發(fā)展，必須尋找一種牧草飼料，棉秸稈飼料無(wú)疑是最佳選擇。但由于棉秸稈的自然密度約為30～50 kg/m?，屬于典型的蓬松原料，這種原料的缺點(diǎn)是不利于運(yùn)輸和存儲(chǔ)，從而使得棉秸稈的深加工和二次開(kāi)發(fā)利用受到一定程度的影響[15]。為此，想要使棉秸稈成為飼料，首要解決的問(wèn)題是高密度壓縮，一些研究機(jī)構(gòu)針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了不同程度的壓縮試驗(yàn)，結(jié)果顯示，作為棉秸稈壓縮飼料，其不但便于運(yùn)輸，而且還會(huì)進(jìn)一步提高飼料的營(yíng)養(yǎng)水平。棉秸稈經(jīng)過(guò)高溫壓縮處理之后，可以形成塊狀飼料，這樣既便于儲(chǔ)藏、運(yùn)輸和長(zhǎng)期保存，而且壓縮之后的棉秸稈還不容易燃燒，其營(yíng)養(yǎng)水平顯著提高，能夠滿(mǎn)足動(dòng)物對(duì)粗纖維的需求。以棉秸稈為主的畜牧粗飼料具有非常大的開(kāi)發(fā)潛力，根據(jù)相關(guān)測(cè)算結(jié)果顯示，每萬(wàn)噸棉秸稈壓縮飼料用于養(yǎng)殖業(yè)，可供3000頭牛1年食用的粗飼料，如果是肉牛的話可增加體重15%左右，奶牛則可增產(chǎn)增收16%左右，并且這些飼料還可以形成糞便，不僅能夠用于沼氣制作，而且還能形成可替代化肥[16]。大量的實(shí)踐表明，棉秸稈是最為豐富、品質(zhì)較佳的粗飼料資源。

4 結(jié)論

總而言之，棉秸稈作為一種可再生資源，其作為燃料、肥料和飼料進(jìn)行應(yīng)用，這使得棉秸稈變廢為寶。在未來(lái)一段時(shí)期，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)對(duì)棉秸稈生態(tài)化綜合利用技術(shù)進(jìn)行研究，充分發(fā)揮棉秸稈自身的應(yīng)用價(jià)值。建議加大棉秸稈綜合利用力度，加快實(shí)施棉秸稈能源化、原料化、肥料化，以此來(lái)提高其綜合利用水平。同時(shí)，還應(yīng)加大輿論宣傳，對(duì)棉秸稈焚燒行為進(jìn)行嚴(yán)查。此外，應(yīng)開(kāi)展科技攻關(guān)，進(jìn)一步擴(kuò)大棉秸稈的工業(yè)化利用量。

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