褚長彬 趙 崢 周德平 吳淑杭

（上海市農(nóng)業(yè)科學院生態(tài)環(huán)境研究所，上海市奉賢區(qū) 201403）

農(nóng)業(yè)廢棄物主要指在整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中被丟棄的有機類物質(zhì)，包括農(nóng)林生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的植物殘余類廢棄物，畜牧漁業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的動物類殘余廢棄物，農(nóng)產(chǎn)品加工過程中產(chǎn)生的加工類殘余廢棄物和農(nóng)村城鎮(zhèn)生活垃圾等[1]。近年來，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展迅速，如何對這些農(nóng)業(yè)廢棄物進行循環(huán)綜合利用是一個亟需解決的問題。

當前，我國農(nóng)業(yè)廢棄物主要利用途徑包括：（1）用作飼料，如物理法(粉碎)、化學法(堿化、氨化)、生物法(青貯、堆垛）；（2）用作肥料，利用微生物進行生化反應(yīng)轉(zhuǎn)化成類似腐殖質(zhì)的堆肥、漚肥、沼氣肥后還田；（3）用作培養(yǎng)料，用棉籽殼、秸稈等培養(yǎng)食用菌或養(yǎng)殖高蛋白蠅蛆等；(4)秸稈氣化，農(nóng)作物秸稈在高溫、高壓、厭氧條件下經(jīng)熱解氣化成可燃性氣體；(5）秸稈發(fā)酵生產(chǎn)酒精，利用秸稈可水解形成木糖、阿拉伯糖等混合糖液，這些糖類物質(zhì)經(jīng)發(fā)酵后可生成酒精[2]；(6)用作單細胞蛋白質(zhì)的提煉和新能源的開發(fā)[3]；(7)其它利用，如利用麥稈造紙或編織，利用棉桿造紙板，利用玉米稈提取淀粉、糖醛等。但上述利用途徑均有不足之處，難以對農(nóng)業(yè)廢棄物進行充分合理利用。目前，我國絕大部分的農(nóng)業(yè)廢棄物被用于商品有機肥的生產(chǎn)，而其發(fā)酵過程產(chǎn)生的大量CO2則被直接排放進入大氣，這不僅對環(huán)境造成二次污染，更是一種資源的浪費。因此，將農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵產(chǎn)生的CO2作為肥源用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，可使相當一部分農(nóng)業(yè)廢棄物得到合理處置，從而開辟出一條具有較高經(jīng)濟效益和社會效益的農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的全新之路。為驗證農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵進行設(shè)施大棚CO2施肥技術(shù)是否是一條理想的農(nóng)業(yè)廢棄物利用途徑，筆者擬對該新技術(shù)的意義和優(yōu)勢進行闡述，并總結(jié)介紹，該技術(shù)的難點和研究進展以及在日光溫室生產(chǎn)中的應(yīng)用情況。

1 利用農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵進行設(shè)施大棚CO2施肥的意義及優(yōu)勢

隨著農(nóng)村經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和種植業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整以及人民生活水平的逐漸提高，設(shè)施栽培技術(shù)得到不斷發(fā)展，設(shè)施栽培面積也在逐年擴大，且進行反季節(jié)設(shè)施栽培的作物種類越來越多。設(shè)施栽培在滿足市場需要的同時，也帶來了可觀的經(jīng)濟效益。統(tǒng)計結(jié)果表明，截至2012年底，全國以蔬菜栽培為主體的設(shè)施園藝面積已達1.27×106hm2，居世界首位[4]。

由于設(shè)施大棚的環(huán)境相對封閉，常導致棚內(nèi)CO2匱乏，從而對作物的生長發(fā)育及產(chǎn)量、品質(zhì)等帶來不利影響，其中，CO2濃度不足，會導致作物葉片光合作用效率下降、作物產(chǎn)量減少和品質(zhì)降低等，也已成為影響設(shè)施農(nóng)業(yè)質(zhì)量提升的關(guān)鍵因素。鑒于此，國內(nèi)外已進行大量有關(guān)設(shè)施大棚CO2施肥的研究。例如，早在1840年，De Saussure就對豌豆進行高濃度CO2的處理試驗[5]。自1920年德國首先提出“碳酸氣施肥”后，國外在設(shè)施栽培中的CO2施肥就在歐美、日本等地開始大規(guī)模推廣應(yīng)用；挪威有75%、荷蘭有90%以上的作物生產(chǎn)采用日光溫室增施CO2氣肥，其中設(shè)施番茄的產(chǎn)量由20世紀70年代的20 kg/m2增加到現(xiàn)在的50～60 kg/m2[6]。我國在20世紀70年代末開始推廣CO2施肥技術(shù)，朱世東等[7]對春季大棚櫻桃番茄增施CO2，發(fā)現(xiàn)CO2適宜施用濃度為1000μL/L左右；陳雙臣等[8]研究表明，增施CO2使番茄株高增加18.29%，葉綠素含量增加33%，產(chǎn)量增加18.69%，果實維生素C含量增加33.27%。以上研究均表明，CO2施肥對提高設(shè)施溫室作物的產(chǎn)量、品質(zhì)作用十分明顯。因此，研發(fā)適合我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀的CO2施肥技術(shù)具有積極意義。

目前，CO2施肥技術(shù)和方法主要有：（1）化學反應(yīng)法。利用硫酸與碳酸氫銨反應(yīng)產(chǎn)生CO2進行施肥。（2）施肥法。將有機肥施于土壤或堆積于棚室外，利用有機質(zhì)腐爛產(chǎn)生CO2進行施肥。（3）干冰埋施法。在大棚內(nèi)每1 m2挖1個坑，坑內(nèi)埋入少量干冰，使CO2緩慢釋放到大棚里。（4）燃燒法。直接燃燒煤油、天然氣、焦炭或秸稈等，產(chǎn)生CO2進行施肥。但這些技術(shù)和方法都存在一定缺陷， 如大棚通風換氣后，棚內(nèi)CO2濃度最高只能達到大氣的CO2濃度（350 μL/L)，冬天敞棚還會引起大棚溫度急降[9];干冰法雖能基本滿足作物生長的需求，但成本較高；燃燒法產(chǎn)生CO2相對簡便，但不易控制CO2濃度，并常有CO和SO2等有害氣體產(chǎn)生[10]；化學反應(yīng)法的產(chǎn)物硫酸銨還可再利用，但在施用過程中其反應(yīng)殘液酸度增高，施入土壤后會造成土壤環(huán)境惡化、作物秧苗死亡等。由此可見，亟需開發(fā)一種廉價、安全、應(yīng)用效果好的CO2肥源。因此，利用農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵產(chǎn)生的CO2進行大棚施肥，相對傳統(tǒng)方法的優(yōu)點是顯而易見的。

利用農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵進行設(shè)施大棚CO2施肥的重要優(yōu)勢在于，可充分提高農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化效率，保持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量和物質(zhì)平衡；解決農(nóng)業(yè)有機廢棄物所帶來的環(huán)境污染問題，促進生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展；降低大棚CO2施肥的成本，可因地制宜地進行操作，減少前期投入；農(nóng)業(yè)有機廢棄物發(fā)酵產(chǎn)物還可用于加工制造各種有機生物肥料。因此，利用農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵進行設(shè)施大棚CO2施肥，對于開創(chuàng)農(nóng)業(yè)有機廢棄物資源化新途徑、改良土壤結(jié)構(gòu)、降低生產(chǎn)成本、發(fā)展無公害蔬菜生產(chǎn)、促進我國農(nóng)業(yè)的高效可持續(xù)發(fā)展等，都具有重要意義。

2 利用農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵進行設(shè)施大棚CO2施肥的技術(shù)難點和新技術(shù)

2.1 技術(shù)難點

由于農(nóng)業(yè)廢棄物中含有大量的碳素及礦物質(zhì)營養(yǎng)元素，利用農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)生CO2主要是依靠微生物的分解作用，且發(fā)酵釋放CO2是在分解過程中進行的。因此，CO2的釋放量受發(fā)酵溫度、濕度、pH、C/N值、供氧等因素的影響。同時，由于目的及產(chǎn)物需求不同，農(nóng)業(yè)廢棄物好氧發(fā)酵的適宜條件也會不同。此外，對農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵最佳條件的摸索往往直接采用單因子試驗，很少考慮各因子間的交互作用，因而得出的最佳條件與實際情況有較大偏差。

因此，在利用農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵生產(chǎn)CO2并進行設(shè)施大棚施肥的實際應(yīng)用過程中，應(yīng)注意以下幾個問題：（1）加快CO2生成速度的條件；（2）增加CO2釋放量的方法；（3）確定適宜的CO2施肥時間、用量，使CO2施肥更有利于植株生長；（4）控制農(nóng)業(yè)廢棄物的發(fā)酵條件，選擇適宜的發(fā)酵裝置和通風方式，以有效防止有害氣體的產(chǎn)生，提高農(nóng)業(yè)有機廢棄物的腐熟度；（5）維持并監(jiān)測高濃度CO2的產(chǎn)生，并根據(jù)蔬菜生長周期，將CO2適時有效地控制在合理的濃度范圍[11-12]。

2.2 研發(fā)的新技術(shù)

目前，利用農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵進行大棚CO2施肥的技術(shù)研究已有少量報道，但尚處于初級階段，且存在許多不足，例如，裝置過分簡易，物料發(fā)酵不完全；發(fā)酵裝置的供氣量不能得到控制。同時，利用農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵進行大棚CO2施肥的方法主要有：（1）農(nóng)田堆疊式。即把農(nóng)業(yè)廢棄物層層堆放在田壟上，每天不斷地給農(nóng)業(yè)廢棄物噴灑水和施農(nóng)家肥料[13］。（2）浙江大學章永松教授團隊設(shè)計的一種簡易發(fā)酵裝置[14-15］。即以木棍制作成底座，將塑料編織袋面料內(nèi)襯一層塑料薄膜制作發(fā)酵筒體。（3）高瑞龍等采用自動控制的方式，設(shè)計了一種自動化程度高、易操作的二氧化碳施肥器，由發(fā)酵箱體、加熱裝置、加水裝置、通風裝置、物料箱、空壓機等組成[16]。（4）農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所肖宏宇團隊研究設(shè)計的由電機、上蓋、主軸、橫軸、副軸、絞龍、底板、出料口、支撐三腳架、脫硫裝置、脫氨裝置等組成的一體化發(fā)酵裝置[17]。以上幾種方式可以實現(xiàn)對溫室CO2的供給，但開放式的簡易方法易造成資源浪費，而自動化程度較高的裝置使用成本高，推廣使用存在困難。

鑒于此，筆者所在團隊在設(shè)施大棚CO2施肥技術(shù)方面進行了大量的研究工作，發(fā)明了一種可移動的、設(shè)施大棚用、利用農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵生產(chǎn)CO2的裝置，主體包括發(fā)酵箱、支架、底座和滑輪；發(fā)酵箱為透氣性尼龍編織布發(fā)酵箱，且根據(jù)實際需要，可以為一個或多個。該裝置的優(yōu)點為結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、操作便捷、成本低廉。同時，通過選擇尼龍編織布材質(zhì)的發(fā)酵箱，大幅度降低造價成本和重量；發(fā)酵箱底部設(shè)有滑輪，移動省力方便；發(fā)酵箱可從上面或側(cè)面打開或關(guān)閉，方便使用者根據(jù)實際生產(chǎn)需要選擇進出料方向。此外，該技術(shù)在實際應(yīng)用過程中，可根據(jù)設(shè)施大棚實際及農(nóng)業(yè)廢棄物數(shù)量，將農(nóng)作物秸稈和輔料畜禽糞便（如將兩者按重量比1∶2進行混合，控制含水率在50%左右）進行發(fā)酵堆肥，將產(chǎn)生的大量CO2提供給大棚作物作肥源，將生物發(fā)酵產(chǎn)生的熱能用于冬季大棚保溫，將發(fā)酵殘渣作有機肥施用，可謂一舉三得。

3 新技術(shù)應(yīng)用案例

3.1 試點概況

果洛藏族自治州（以下簡稱果洛州）地處青藏高原腹地、黃河源頭，位于青海省的東南部，總面積7.8×104km2。果洛州大氣含氧量僅為海平面的60%，年均降水量為400～700 mm，年均氣溫為-4℃，是全國30個少數(shù)民族自治州中海拔最高、自然條件與氣候最惡劣、環(huán)境最艱苦的一個州。為貫徹上海市對口支援果洛州的精神，上海市農(nóng)業(yè)科學院發(fā)揮自身優(yōu)勢，與青海省科技廳、果洛州科技局建立了合作關(guān)系，為果洛州農(nóng)牧業(yè)生態(tài)科技示范園建設(shè)、溫室保溫設(shè)施改建和綠色蔬菜生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

3.2 項目實施內(nèi)容

根據(jù)果洛州的實際需求，針對其農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀、地理環(huán)境和日光溫室中農(nóng)牧廢棄物污染嚴重、設(shè)施作物CO2虧缺和土壤障礙等問題，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，進一步優(yōu)化農(nóng)牧廢棄物日光溫室生態(tài)循環(huán)利用技術(shù)，完善CO2發(fā)生配套裝置，實現(xiàn)果洛州日光溫室高效生產(chǎn)和環(huán)境保護的雙贏。項目實施內(nèi)容如下：（1）優(yōu)化農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)CO2肥料裝置。根據(jù)果洛州日光溫室和大棚農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況，結(jié)合農(nóng)牧廢棄物的類型，在自主專利的基礎(chǔ)上，優(yōu)化農(nóng)牧廢棄物生產(chǎn)CO2肥料裝置的設(shè)計，研發(fā)占地面積小、成本低、操作簡易且美觀的農(nóng)牧廢棄物生產(chǎn)CO2肥料裝置。（2）優(yōu)化農(nóng)牧廢棄物生產(chǎn)CO2肥料生態(tài)循環(huán)利用技術(shù)。根據(jù)CO2發(fā)生裝置的設(shè)計特點，綜合考慮生產(chǎn)成本和發(fā)酵效果等因素，優(yōu)化農(nóng)牧廢棄物生態(tài)循環(huán)利用技術(shù)，結(jié)合農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便等農(nóng)牧廢棄物的降解特性，摸清輔料的品種和投加比例與方法、堆料的初期含水量和發(fā)酵過程的水分控制等關(guān)鍵工藝參數(shù)，低成本、高效率、高質(zhì)量地完成日光溫室中農(nóng)牧廢棄物的腐熟與資源化循環(huán)再利用。（3）示范農(nóng)牧廢棄物生產(chǎn)CO2肥料生態(tài)循環(huán)利用技術(shù)。針對溫室目標作物的不同CO2需求量、外界環(huán)境溫度、天氣情況以及運行成本，確定生產(chǎn)CO2肥料裝置的擺放位置、擺放個數(shù)和擺放時間等，并確定裝置的填料量，形成日光溫室中快速啟動和平穩(wěn)運行的農(nóng)牧廢棄物快腐生產(chǎn)CO2肥料生態(tài)循環(huán)利用技術(shù)的標準操作規(guī)程，并示范推廣。

3.3 取得的成效

根據(jù)果洛州實際氣候條件及農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)情況，綜合考慮生產(chǎn)成本和發(fā)酵效果等因素，結(jié)合農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便等農(nóng)牧廢棄物的降解特性，因地制宜地完成了日光溫室中農(nóng)牧廢棄物的腐熟與資源化循環(huán)再利用。主要取得了以下成效：（1）根據(jù)果洛州日光溫室大棚農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況，結(jié)合果洛州當?shù)剞r(nóng)牧廢棄物的類型，在自主專利（設(shè)施大棚內(nèi)利用農(nóng)牧廢棄物發(fā)酵產(chǎn)CO2的移動式裝置和秸稈溫室快腐產(chǎn)CO2的簡易裝置）的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了農(nóng)牧廢棄物生產(chǎn)CO2肥料裝置，并申請了相關(guān)專利。（2）利用果洛州當?shù)販厥掖笈锛爱數(shù)剞r(nóng)牧業(yè)廢棄物為發(fā)酵原料，因地制宜地設(shè)計并完成了不同模式的農(nóng)牧廢棄物發(fā)酵試驗，得出在碳氮比為 38∶1、含水量為65%、溫度在35 ℃的條件下，CO2產(chǎn)氣速度最快，并得出影響CO2產(chǎn)氣量的最主要因素是碳氮比，其次是溫度，含水量對CO2產(chǎn)氣量的影響最弱。（3）初步形成了果洛州農(nóng)業(yè)廢棄物日光溫室循環(huán)利用技術(shù)，實現(xiàn)了溫室蔬菜廢棄物全量循環(huán)利用，通過應(yīng)用新技術(shù)，番茄增產(chǎn)16.2%、黃瓜增產(chǎn)12.8%、小青菜增產(chǎn)21.6%、生菜增產(chǎn)14.5%，增收達15%以上，且作物上市時間提前6～8 d。

4 結(jié) 語

在我國現(xiàn)有經(jīng)濟條件下，充分利用農(nóng)業(yè)廢棄物中豐富的碳源及各種養(yǎng)分，堆肥發(fā)酵進行設(shè)施大棚CO2施肥，不僅可解決農(nóng)村秸稈過剩、畜禽糞便污染問題，促進設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對CO2施肥技術(shù)的應(yīng)用，提高農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化效率，還有利于調(diào)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，開辟一條農(nóng)業(yè)廢棄物良性循環(huán)的新路子，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源更理想地循環(huán)利用。