劉代俊，陳建鈞，吉俊懿

（四川大學(xué)化工學(xué)院，四川成都610065）

未來田園化城市區(qū)域的技術(shù)構(gòu)架

劉代俊，陳建鈞，吉俊懿

（四川大學(xué)化工學(xué)院，四川成都610065）

介紹了具有循環(huán)經(jīng)濟特點和低碳節(jié)水型的田園化城市的構(gòu)想，提出了田園城市區(qū)域相關(guān)農(nóng)業(yè)與工業(yè)方面的一些基本戰(zhàn)略與發(fā)展方向。田園化城市的基本點是要實現(xiàn)主要物質(zhì)的循環(huán)使用，以適應(yīng)礦產(chǎn)資源日益枯竭的態(tài)勢，實現(xiàn)城市與農(nóng)村一體化后可持續(xù)發(fā)展，達到人與自然互補的和諧境界。

田園化城市；生態(tài)型工業(yè)園區(qū)；循環(huán)經(jīng)濟；資源再生；綜合利用

歷史的發(fā)展常常使人們的思維呈螺旋型的發(fā)展，處于現(xiàn)代文明高速發(fā)展的時代，不禁回味過去理想中寧靜，和諧的田園時光。我們不妨從過去時代的一些基本特征與現(xiàn)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展可能性來思索未來的發(fā)展。

現(xiàn)代城市一般都是資源消費型城市，大量的資源被消耗后，轉(zhuǎn)變?yōu)閺U料和無法回收的耗散能量。如果從科學(xué)技術(shù)的層面來看，未來的科學(xué)技術(shù)雖然可以為城市提供新的材料形式，但有許多人類必須的元素的富集要靠自然界的循環(huán)完成，需要上億年的時間。未來的城市是否能以新的形式進行經(jīng)營、建設(shè)和發(fā)展，形成一種可待續(xù)發(fā)展的形態(tài)，使城市不是灰色，而是綠色，不只是表觀上的綠化，而是整個經(jīng)濟形態(tài)是綠色生態(tài)的。未來的田園化城市，特別是城鄉(xiāng)一體化日趨成熟，與農(nóng)業(yè)相關(guān)的區(qū)域應(yīng)該具備什么樣的特點，或應(yīng)該進行什么樣的思考呢？

1 田園化的城市是農(nóng)業(yè)資源循環(huán)的重要節(jié)點

首先從農(nóng)業(yè)發(fā)展來看，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展打破了某些基本要素的循環(huán)平衡。舊時代自給自足的封閉農(nóng)業(yè)體系在當(dāng)時的條件下形成了自然平衡，莊稼收獲后作為人畜食用，排泄物作為肥料返回田園被重新使用。氮、磷、鉀在小范圍循環(huán)，維持著生產(chǎn)與生活的自然平衡。即使后來城市發(fā)展規(guī)模不大時，也維持著類似的平衡。如人們在城市消費了食品，其排泄物仍然通過交通工具返回田園。因此傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，用人類和動物的糞便做肥料，養(yǎng)分返回土壤的速率大約等于消耗的速率。

但現(xiàn)代農(nóng)業(yè)將食物生產(chǎn)和消耗分離開來，農(nóng)業(yè)品的生產(chǎn)是為了供應(yīng)全社會，而氮、磷、鉀的補充是通過施加化肥來完成的，基本上破壞了這種自然循環(huán)?？梢赃@樣說，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中對于這些元素只使用一次，就將它們沖走了。

氮肥的生產(chǎn)資源來源于天然氣、煤和空氣，磷肥來源于磷礦，鉀肥來源于鉀礦。作為地下礦產(chǎn)資源，都是不可再生的資源。這些礦產(chǎn)資源將在未來200年間消耗殆盡，而礦產(chǎn)的自然再生時間是非常長的。

以磷為例，正常的陸地生態(tài)系統(tǒng)在局部循環(huán)中，平均能反復(fù)利用磷46次。礦物質(zhì)通過風(fēng)化、沖刷進入海洋，在成為海底沉積物之前，還會在海洋生物體中再循環(huán)幾百次。1 000萬年以后，地質(zhì)構(gòu)造的隆升會將它們再次返還給陸地?？梢钥闯?，如果現(xiàn)在不考慮子孫的問題，則人類將在幾百年后失去生存空間。

目前磷在土壤中利用率很低，大部分肥料從田地中進入了水體。農(nóng)業(yè)耕作也干擾和暴露了土壤，更多的磷隨著沖刷而流失。來自于土壤流失和人畜糞便并進入湖泊和海洋的磷太多，催生了大量藍綠藻，形成大面積水華。水藻的腐爛會使其他有機體死于缺氧，形成死亡帶，造成漁業(yè)損失。從20世紀(jì)90年代后期以來，幾乎每年春季和夏季太湖都會有藍藻大量生長繁殖，產(chǎn)生藻華。水體的富營養(yǎng)化，特別磷含量偏高，氮磷比失調(diào)，是藍藻暴發(fā)的主要原因。再加上全球氣溫升高等原由，2007年和2008年數(shù)次藍藻大暴發(fā)，嚴(yán)重影響了太湖流域漁業(yè)生產(chǎn)和居民飲水安全。這種現(xiàn)象在我國許多城市已非常嚴(yán)重。

因此，作為現(xiàn)代化的田園型城市，除了進行必要的環(huán)境保護措施外，應(yīng)該成為主要生態(tài)元素良性循環(huán)的園區(qū)。作為戰(zhàn)略性措施，可以考慮以下三項處理途徑，這些也都可以形成一些新的產(chǎn)業(yè)鏈群，形成新的經(jīng)濟效益增長點。

第一，生活污水通常是通過活性污泥等方法進行分離，沉淀物進行深埋，水再返回自然。但對于循環(huán)型的處理方式，則在分離時須同時回收其中的氮、磷、鉀及其他有用物質(zhì)。這里需要分析磷在污水中的分布，考察磷在液相和固相物中的分布，以決定回收方法。人們排泄的磷約有一半存在于尿液中，通過分離人類的固態(tài)和液態(tài)排泄物，進行除臭及無害化處理，大規(guī)模生產(chǎn)有機肥料。這種處理形式可以通過管道系統(tǒng)實現(xiàn)大規(guī)模化工業(yè)流程，它可以仿照傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)還肥于地的循環(huán)方法，彌補現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的缺陷。同時因尿液也富含氮，因此這種方式可以循環(huán)利用磷和氮元素。據(jù)報導(dǎo)，美國Ostara公司在俄勒岡州Willanette valley地區(qū)建立回收污水中磷的工廠，產(chǎn)量為1 t/d，生產(chǎn)的產(chǎn)品為水晶綠肥（Crystal Green）。日本和英國也進行了類似的工業(yè)化系統(tǒng)實驗。

第二，可以采用在適當(dāng)?shù)慕雍^(qū)域用生物群落對氮、磷、鉀等農(nóng)業(yè)元素進行攔截與富集，再從生物中回收，同時完成對環(huán)境的修復(fù)。例如昆明草海因磷氮的流入而富營養(yǎng)化，從而使生態(tài)環(huán)境惡化。治理時可以篩選對磷氮有強列吸收作用的生物群種，在磷氮進入水體的主要途徑上建立富磷濕地或磷氮回收區(qū)域，定期進行收獲。對這些富集農(nóng)業(yè)元素的生物進行處理，可以直接轉(zhuǎn)化為復(fù)合肥料。所以對于新的城市規(guī)劃，應(yīng)有相當(dāng)?shù)暮磁c濕地，這樣可以在維持生態(tài)平衡和建立生態(tài)緩沖地帶起到巨大的作用。通過這些城市之肺實現(xiàn)凈化水體、回收資源的新功能。因此從長遠來說，若要維持大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，肥料的來源將主要來自于循環(huán)過程。成都建立的北鷺灣濕地公園是一個大膽的嘗試，濕地同時具有水處理功能和景觀功能，帶動了當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)的發(fā)展。白鷺灣生態(tài)濕地位于成都市區(qū)東南部，東西方向長約8 km，規(guī)劃面積13.3 km2，一期占地3.3 km2，水域面積1 km2。兩個生物功能區(qū)占地2萬km2，水域通過栽種、投放水生植物、微生物等生物性手段，每日污水處理能力可達25 000 t。上游的水從陡溝河進入濕地后，生物系統(tǒng)完成雜草攔截、泥沙沉淀、硝化反硝化生物反應(yīng)等任務(wù)，再對氨氮、總氮、總磷等成分進行降解，水質(zhì)將從劣五類水凈化為三類水質(zhì)，從生活污水達到景觀用水。

第三，逐漸實施大區(qū)域規(guī)劃，一個城市區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)往往與相鄰區(qū)域相關(guān)。做好大區(qū)域規(guī)劃可以提前預(yù)見將來可能發(fā)生的事件，使區(qū)域?qū)崿F(xiàn)可靠的生態(tài)和諧發(fā)展。例如成都市、都江堰市和德陽市等區(qū)域的水系相互聯(lián)系，大區(qū)域的和諧發(fā)展是與局部區(qū)域息息相關(guān)、相互支撐的。近年在四川沱江下游某些地方出現(xiàn)了水生植物鋪展水面之勢，可能也是與水域富營養(yǎng)化相關(guān)的，也應(yīng)敲響警鐘。

2 田園化的城市是工業(yè)資源循環(huán)型園區(qū)

從18世紀(jì)中葉工業(yè)革命開始至今，在短短近300年的時間內(nèi)，人類社會以前所未有的速度飛速發(fā)展，創(chuàng)造了驚人的財富，同時世界資源也正悄悄貧化，逐漸走向枯竭。根據(jù)目前探明儲量，在100—200年，世界主要礦產(chǎn)資源將消耗殆盡。城市的發(fā)展和子孫的生存將成為人類面臨的重大問題。解決的出路之一是將城市的廢棄物轉(zhuǎn)化為資源。

第一，處理生活污水。前面已提到了回收其中的磷，其實還有許多有用的物質(zhì)，如鎘、鉻等重金屬的回收，有害有機物通過降解轉(zhuǎn)化制成有用的物質(zhì)。如餐飲行業(yè)的廢棄油可以制成燃料油。美國曾在2014環(huán)太平洋軍演時采用了類似原料生產(chǎn)的航空油和軍艦的動力油。

第二，城市固體廢棄物可以使城市轉(zhuǎn)化為“城市礦山”，對全社會發(fā)展提供材料和資源。如電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，造成大量的廢料堆積，含有大量的可利用資源，對于極為普通的線路板來說，其中含鐵2%～5%，銅12%～18%，錫3%～6%，金銀0.02%～0.1%，硅化合物大于60%，有機物28%～35%。這些資源的循環(huán)利用都可以為化工、冶金、制造等多種行業(yè)提供新的資源。我國天津濱海新區(qū)的循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展包含了石油化工、現(xiàn)代冶金、加工制造、航空航天、輕工紡織、生物醫(yī)藥、電子技術(shù)、新能源利用等龐大的體系，其中城市資源的再利用是一個非常有益的實踐［3］。濱海新區(qū)目前所建的回收系統(tǒng)可回收貴金屬有金、銀、鈀、鉑等，同時也可以回收其他混合金屬及非金屬，如銅、鎳、鋁、錫和各種廢塑料等。處理流程均為無害化處理，物質(zhì)的利用率達90%以上。

第三，農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化反哺城市。據(jù)估計，作為植物生物質(zhì)的最主要成分——木質(zhì)素和纖維素，每年以約1 640億t的速度不斷再生，如以能量換算，相當(dāng)于目前石油年產(chǎn)量的15～20倍。農(nóng)業(yè)桔桿轉(zhuǎn)化為柴油是很有前途的，但采用大規(guī)?；募s模式可能難以奏效，這主要是桔桿收集困難。不久前俄亥俄州velocys公司采用間接法，即先在900℃裂解成氣體，再采用納米鈷催化劑在微通道中通過費托合成轉(zhuǎn)化為液體，這樣可以將設(shè)備微型化，集成撬裝化，很方便地實現(xiàn)小規(guī)模低成本化生產(chǎn)。這些工業(yè)方法經(jīng)規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，可在廣大農(nóng)村建立眾多半集約化生產(chǎn)廠，以作為解決能源問題的方法之一。

3 田園化城市是低碳型和節(jié)水型的園區(qū)

全球變暖已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。氣候變暖會引起冰川委縮，河川徑流減量，同時也會影響大氣環(huán)流，使區(qū)域氣候變化，產(chǎn)生干旱。具報導(dǎo)，當(dāng)前岷江上游高山積雪比2014年少了50%。同時自2010年以來，川西高原氣溫偏高，降水偏少，特別是進入1月下旬后，川西南山地氣溫異常偏高，曾出現(xiàn)50年一遇的秋旱連冬干現(xiàn)象。面對這些問題要從現(xiàn)在開始就得有所準(zhǔn)備，逐步調(diào)整和建立新型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。

第一，在有計劃建立水庫分布的基礎(chǔ)上，逐步建立多樣化的節(jié)水型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。例如，噴灌和滴灌是兩種有效的辦法，特別是滴灌很適合大棚生產(chǎn)，它不僅節(jié)水，而且可配合定量施肥和施藥，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化生產(chǎn)。輸水可以采用管道式運輸，以避免明槽水量的無效蒸發(fā)，同時管道式運輸也有利于噴灌的大規(guī)模實施。

第二，可以采用基因工程，快速培養(yǎng)一批新的農(nóng)業(yè)品種，能適應(yīng)較高濃度的二氧化碳，較高溫度，并具有節(jié)水和節(jié)肥的特點。雖然大氣二氧化碳升高，溫度變暖對人類環(huán)境產(chǎn)生諸多不利影響，另一方面也可以促進一些作物的生長，也可利用這種變化進行新的育種，實現(xiàn)單產(chǎn)的增加。再如，可以在大田作物接上根瘤基因，以使根瘤菌入駐，作物自己生產(chǎn)氮肥。

第三，對現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式進行改進?？梢圆捎酶鼮橛行У霓r(nóng)業(yè)措施，比如梯田和免耕，來減少土壤侵蝕，從而減少化肥的使用。收獲的作物中無法食用的部分，如秸稈，也可退還給土壤，其中包含的肥源也返還給了土壤。來自肉類和乳品生產(chǎn)的動物廢棄物，包括骨骼，可以經(jīng)處理后返回田園作為肥料。還可以使用長效肥與可控制釋放肥料，提高肥料利用率，減少肥料在土壤中的流失，同時也可以減少肥料的施用量，以節(jié)約資源。在干旱地區(qū)使用作物微型水庫，即在種植時，根部埋入可降解的高吸水膜，吸入水分后可形成局部藏水，外部缺水時可以逐步釋放。

第四，可以有計劃地實施退耕還林，在實現(xiàn)高產(chǎn)農(nóng)業(yè)的同時，將貧瘠的地方轉(zhuǎn)化為森林。這樣可以吸納大氣中的二氧化碳，凈化大氣環(huán)境。同時根據(jù)森林的種植面積和生長情況，可以通過國際碳匯市場，換來貨幣，促進當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展。另一方面可以發(fā)展林區(qū)經(jīng)濟，如旅游事業(yè)的發(fā)展，林區(qū)精細化學(xué)品的生產(chǎn)。人們將來還可以依據(jù)森林資源建立新型的綠色化工基地，顯然，可以將組成植物體的淀粉、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為葡萄糖等低分子物質(zhì)，以便作為燃料和有機化工原料使用。而這一種燃料燃燒后得到的二氧化碳是來自于可以循環(huán)的生物體系，而不是被封存在地球中的碳源。目前已研究的方法包括物理法、化學(xué)法和生物轉(zhuǎn)化法。最吸引人的是通過基因改造的微生物法，例如美國和日本把從酶菌中分離得到的葡萄糖淀粉酶基因克隆到酵母中，可直接發(fā)酵生產(chǎn)酒精，省去了淀粉蒸煮糊化，這就為農(nóng)業(yè)和林業(yè)廢棄物作原料來制造酒精創(chuàng)造了條件。除了燃料，以石油工業(yè)派生的塑料在工程材料的總產(chǎn)量中居第二位，僅次于鋼鐵?，F(xiàn)在已開發(fā)成功以農(nóng)業(yè)廢棄物為原料的生物技術(shù)合成乳酸的新工藝，它可以降低乳酸成本，使聚乳酸成為制造通用塑料和纖維的首選。因此生物技術(shù)的突破，可再生生物質(zhì)資源替代石油等礦物資源將成為未來發(fā)展趨勢之一。

第五，將來在適當(dāng)?shù)臅r候和地區(qū)還可以建立緊湊型立體型農(nóng)業(yè)體系。不要以為高樓大廈只適合城市，對于田園化的城市，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也可采用高樓建筑，這已經(jīng)不是科學(xué)幻想。高樓式的密集型自動化農(nóng)作物生產(chǎn)線可以建立在各樓層，太陽光可以通過光纖或光導(dǎo)系統(tǒng)引入到室內(nèi)。水分和肥料可以按要求加入，達到節(jié)水節(jié)肥高效的最佳狀態(tài)。收割時可采用移動草皮的形式輸送到收割車間，用自動化方式進行收獲，廢棄物可以回收作為肥料返回生產(chǎn)系統(tǒng)。同時，這種方式也便于對作物進行綜合利用，在某些樓層則是精細化學(xué)品生產(chǎn)車間。更進一步，人們還可以模擬植物的光合作用，不再通過植物的轉(zhuǎn)化，而通過光合作用模擬式的合成化農(nóng)業(yè)工廠直接生產(chǎn)淀粉、糖、微生素和各種營養(yǎng)成分。到那時，人們可以在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中達到自在的境界，將從根本上解決全球的饑餓問題。同時可以向大自然歸還更多的吸碳植物區(qū)域，最終使全球達到一個新的碳平衡，進入自然和諧發(fā)展的新時期。

因此可以預(yù)見到，未來的田園化城市應(yīng)是按功能分區(qū)域規(guī)劃建設(shè)的園區(qū)，有生活園區(qū)，有元素循環(huán)園區(qū)等，各個功能區(qū)域分工協(xié)調(diào)，實現(xiàn)整體良性發(fā)展。

4 展望

20多年前丹麥建立了世界首個生態(tài)型工業(yè)園區(qū)卡倫堡（Kalunborg），筆者當(dāng)時第一次步入這個區(qū)域時，尤如進入童話夢境。這是一個僅有2萬居民的工業(yè)小城市。它通過逐步拓展，最終形成了一種有益于環(huán)境的共生關(guān)系。它們通過“廢物”聯(lián)系在一起，如火電廠主要作為能源輸出，除了電力輸出外還有余熱作為小區(qū)供熱。脫硫排出的廢物石膏作為板材廠的原料，粉煤灰作為道路材料。生產(chǎn)青霉素和胰島素的生物制藥廠以農(nóng)作物為主要發(fā)酵原料，其廢渣經(jīng)處理后再作為液體肥料返回耕地。同時煉油廠脫出的二氧化硫送入硫酸廠制硫酸，其可燃廢氣和渣油也送入電廠作為補充燃料?？▊惐な姓畢⑴c協(xié)調(diào)，各個功能區(qū)域間建立了頗為創(chuàng)新的生態(tài)共生關(guān)系。通過市場交易共享水、氣、廢氣、廢物等，實現(xiàn)經(jīng)濟利益的共享。當(dāng)然這只是對于區(qū)域性工業(yè)的循環(huán)經(jīng)濟式的組裝，而對于建立田園式的大城市區(qū)域，是一個更為復(fù)雜的系統(tǒng)，需要走更長的路。但決不是過去歷史的簡單再現(xiàn)，而是高層次的創(chuàng)新。但我們相信，經(jīng)過人們的努力，一個在傳統(tǒng)上就具有自然與和諧發(fā)展的千年文明區(qū)域，將會走向新的田園時代，實際上就是一個可持續(xù)發(fā)展的新的社會結(jié)構(gòu)形態(tài)。

［1］金涌，Jakob de Swaan Arons.資源能源環(huán)境社會［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［2］中科院礦產(chǎn)戰(zhàn)略研究組.中國至2050年礦產(chǎn)資源科技發(fā)展路線圖［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［3］李健.全國循環(huán)經(jīng)濟與生態(tài)工業(yè)年會［C］.天津，2010.

［4］封志明.資源科學(xué)導(dǎo)論［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.

Technology structure of future garden farming city area

LIU Daijun，CHEN Jianjun，JI Junyi
（Chemical Engineering Institute，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

The thinking of garden farming city structure was introduced，with characteristics of circular economy，low carbon，and water conservation.The basic strategy and development direction involving agriculture and industry in the area were also discussed.The key point is to bring about circulating utilization of main substances to suit the situation of exhausting mineral resource，and realize sustainable development with urban-rural integration，and finally reach a new harmony between human and nature.

garden farming city；ecology industrial park；circular economy；regenerating resource；comprehensive utilization

F062.2；X196

A

1674-0912（2015）10-0010-04

簡訊

2015－08－19）

國家自然科學(xué)基金委資助項目（20676048，21076131）；四川省重點項目（2012GZX0152，2013CC0018，SC2012511124006，2014GZ0076）

劉代俊（1950-），男，四川成都人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，四川省磷化學(xué)與工程重點實驗室主任，全國化工學(xué)會無機酸堿鹽專委會學(xué)術(shù)委員會委員，中國生態(tài)經(jīng)濟學(xué)會生態(tài)經(jīng)濟與技術(shù)專業(yè)委員會常務(wù)理事，主要從事資源化學(xué)與工程、場協(xié)同作用與液膜分離技術(shù)的研究。