農(nóng)業(yè)有機固廢資源化利用對碳減排的貢獻(xiàn)

付錦濤　高玉峰　胡東生　侯磊　姚惠嬌　馬瑞強　楊陽

摘要：現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)有機固廢處理在我國農(nóng)業(yè)活動中具有極大的影響，尤其是在碳減排和土壤固碳等方面具有很大的潛力。農(nóng)業(yè)有機固廢的不同處理方式其農(nóng)業(yè)固碳減排潛力也不同。因此實現(xiàn)農(nóng)業(yè)有機固廢資源化處理和農(nóng)業(yè)減排固碳協(xié)同，既能提高農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效，還能助力國家碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：有機固廢; 碳減排; 土壤固碳; 資源化

近年來，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和物質(zhì)水平的提高，溫室氣體排放也隨之加劇，氣候變化已經(jīng)成為全人類面臨的共同挑戰(zhàn)。其中農(nóng)業(yè)因為其具有的“碳源”和“碳匯”雙重作用而被廣泛關(guān)注，一方面農(nóng)業(yè)作為碳源，通過腸道發(fā)酵、化肥施用、農(nóng)業(yè)廢棄物田間焚燒等農(nóng)業(yè)活動排放溫室氣體[1]；另一方面，農(nóng)業(yè)有機廢棄物又可以制備成生物炭，提高土壤中的腐殖質(zhì)和碳固存效率[2]。因此實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，農(nóng)業(yè)減排固碳既是重要的手段，又具有很大潛力。

1 我國農(nóng)業(yè)有機固廢資源狀況

1.1 秸稈資源現(xiàn)狀

我國是農(nóng)業(yè)大國，近年來，隨著糧食產(chǎn)量的快速增長，秸稈資源總量不斷上漲，據(jù)調(diào)查顯示目前最主要的利用方式是秸稈還田，占比39%左右，其次是飼料化和燃料化，分別占20%、13%。此外，不同的處理方式之間，溫室氣體減排量以及土壤固碳等方面存在很大差別[3]。秸稈焚燒和自然腐解等碳排放含量相對于秸稈還田厭氧發(fā)酵等處理方式更高（圖1）。

1.2 畜禽糞便資源現(xiàn)狀

畜禽養(yǎng)殖為人類提供營養(yǎng)物質(zhì)需求的同時，也成了農(nóng)業(yè)面源污染的主要問題，據(jù)聯(lián)合國及農(nóng)業(yè)組織統(tǒng)計，畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放的溫室氣體占全球總量的18%[4]。據(jù)統(tǒng)計2015年，我國畜禽糞污產(chǎn)生量為5.69×109t，綜合利用率不到60%，截至2020年畜禽糞污資源化利用率為75%[5]。因此仍有25%左右的畜禽糞污未得到有效利用，這些糞污在堆積過程中，產(chǎn)生造成惡臭來源的含氮化合物、含硫化合物以及少量的有機化合物[6-7]。據(jù)調(diào)查，農(nóng)業(yè)是N2O、CH4，NH3等污染氣體的主要排放源[8]。這些大量堆積的畜禽糞便帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，也造成了資源的浪費。而畜禽糞便中含有豐富的養(yǎng)分，畜禽糞便中固定的總養(yǎng)分量為1.73×108t，其中氮、磷（P2O5）、鉀（K2O）占總養(yǎng)分的32.6%、46.8%、20.6%[9]。沙茜等研究，豬糞的總氮占總量的0.6%，其中糞便中的總氮占糞污總氮31.96%，牛糞中的總氮為0.32%，糞便中的總氮占糞污總氮90%以上，這些氮素一部分會以氨氣的形式揮發(fā)到大氣中，造成土壤或水體的酸化以及富營養(yǎng)化，一部分氮素會通過微生物的反硝化作用形成N2O[10]。王秀芬等研究，當(dāng)前農(nóng)用地可承載的畜禽養(yǎng)殖糞便均未超過最大負(fù)荷，還有很大的消納空間[11]。

1.3 農(nóng)業(yè)加工廢棄物資源現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)加工有機固體廢棄物主要是農(nóng)副產(chǎn)品加工后的剩余物，例如稻殼、麥麩、樹皮、果殼等，其主要特點是量大面廣，在各地均有分布[12]。在農(nóng)產(chǎn)品加工過程中有30%～50%的原料最后成為廢棄物，在我國年產(chǎn)80多萬t的淀粉行業(yè)中，污水排放量為800多萬t，同時有15%～20%的粉渣[13]，這些農(nóng)業(yè)加工廢棄物由于沒有專門的場地和處置措施，常隨意堆放，成為病原菌滋生繁殖的場所，對周邊空氣、土壤等構(gòu)成威脅，進(jìn)而導(dǎo)致環(huán)境惡化。據(jù)統(tǒng)計，加工廢棄物污染造成的經(jīng)濟損失高達(dá)80多億。

1.4 生活垃圾資源現(xiàn)狀

生活垃圾是指在日常生活或者為日常生活提供服務(wù)產(chǎn)生的固體廢物[14]。據(jù)生態(tài)環(huán)境部公布的數(shù)據(jù)，2019年大、中城市的垃圾產(chǎn)生量是2.36×108t，處理量為2.35×108t，處理率達(dá)到99.7%。2015～2020年，生活垃圾中的廚余垃圾占比不斷下降，從51.04%下降到42.78%[15]。2018年，全國碳排放約100億tCO2e，生活垃圾處理碳排放1.04億tCO2e[16]。目前生活垃圾主要的處理方式為填埋、焚燒、堆肥和厭氧消化。其中填埋和焚燒是主要的處理方式，這也造成了甲烷排放的增多，據(jù)美國環(huán)保局統(tǒng)計，處理生活垃圾排放的溫室氣體占全球的3%～5%，其中甲烷是主要的排放來源（圖2）。

2 農(nóng)業(yè)有機固廢資源化利用途徑

2.1 農(nóng)業(yè)有機固廢能源化

目前農(nóng)業(yè)固體廢棄物的能源化利用主要是畜禽糞便和農(nóng)作物秸稈等，主要利用途徑是厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣和農(nóng)業(yè)廢棄物熱裂解轉(zhuǎn)化為可利用的燃料。

厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣主要是微生物在厭氧條件下將有機質(zhì)分解代謝，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化并生成甲烷等可燃?xì)怏w的過程。熱裂解是利用廢棄物中的熱不穩(wěn)定性，在無氧或者氧氣含量少的條件下加熱，通過有機質(zhì)熱裂解，提取燃?xì)鈁17]。

2.2 農(nóng)業(yè)有機固廢肥料化

現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)固體廢棄物肥料化的主要方式是好氧堆肥，好氧堆肥是指好氧微生物在有氧的環(huán)境條件下，利用有機固體廢棄物中的有機質(zhì)，并將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)的過程[18]。常見的好氧堆肥有膜式堆肥、條垛式堆肥、反應(yīng)器堆肥、槽式堆肥（表1）。

2.3 農(nóng)業(yè)有機固廢飼料化

飼料化是指通過發(fā)酵或者干燥等方法將物料進(jìn)行加工，成為畜禽可食用的飼料（圖3）[19]。目前農(nóng)業(yè)有機固廢飼料化利用主要為秸稈和農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)物，農(nóng)業(yè)有機固廢飼料化一方面能夠解決現(xiàn)有粗飼料原料不足的問題，另一方面可以促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)有機固廢的利用?，F(xiàn)階段我國秸稈飼料化利用不足20%，其飼料化利用方式主要為干秸稈直接飼喂，青貯和黃貯利用較少[20]。畜禽糞便的飼料化技術(shù)由于畜禽糞便的含有寄生蟲，病原微生物等成分復(fù)雜，因此應(yīng)用范圍極為有限，目前畜禽飼料化主要針對雞糞，主要是雞消化道短，飼料攝入后沒有完全消化，作為飼料營養(yǎng)豐富，同時更容易吸收利用[21]。

青貯是原料預(yù)處理后，乳酸菌在厭氧的環(huán)境條件下利用原料中的有機質(zhì)，產(chǎn)生乳酸，直至發(fā)酵活動終止的過程[22]。壓實和密封式青貯工藝中的關(guān)鍵步驟。青貯工藝主要有窖貯、包貯和堆貯。其中窖貯是目前相對成熟的青貯工藝，適用于大中型企業(yè)；包貯，可在室外完成打捆、包膜操作后，室內(nèi)進(jìn)行發(fā)酵，因此適用地點和時間不受限制；堆貯適用于規(guī)模小的農(nóng)戶，但受環(huán)境影響因素大，且壓實密封等難控制[23]。

3 農(nóng)業(yè)有機固廢資源化利用碳減排潛力

據(jù)研究，目前造成農(nóng)業(yè)固體廢棄物溫室氣體排放量增多的原因主要為農(nóng)業(yè)固體廢棄物自然腐解，以及露天燃燒造成的二氧化碳排放量不斷上升?；酐慃惖妊芯?，2020年，秸稈溫室氣體排放總量為1.77×108tCO2 e，到2030年減少到3.4×107tCO2 e，其中，肥料化和燃料化在農(nóng)業(yè)廢棄物綜合碳減排固碳中占有重要的占比，分別占到溫室秸稈溫室氣體碳減排量的40.7%、55.2%。據(jù)測算，2030年農(nóng)業(yè)固體廢棄物可替代化石能源的潛力為6.5×107～7.7×107t，溫室氣體減排量為2.0×108～2.3×108t[24]。王琳等通過核算不同堆肥處理工藝如填埋、焚燒、熱解、好氧堆肥、厭氧消化等，發(fā)現(xiàn)對于有機質(zhì)含量為40%～50%的物料，好氧堆肥和濕式空氣氧化凈碳排放最低，在有機質(zhì)含量為40%～50%、60%～70%的物料中，填埋、焚燒、熱解其凈碳排放最高。根據(jù)《“十四五”重點流域農(nóng)業(yè)面源污染綜合治理建設(shè)規(guī)劃》畜禽糞污綜合利用率達(dá)到76%，仍有24%的畜禽糞污待解決。

4 結(jié)論

建議進(jìn)一步推進(jìn)農(nóng)業(yè)有機固體廢棄物的資源化利用效率，減少自然腐解以及露天焚燒等低效的利用方式，推進(jìn)農(nóng)業(yè)有機固廢的燃料化、肥料化等高效減排的利用方式，助力“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 霍麗麗， 姚宗路，趙立欣等.秸稈綜合利用減排固碳貢獻(xiàn)與潛力研究[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報， 2022， 53（01）：349-359.

[2] Qingyang Wang，Jun Yuan， Wenfu Chen et al. Responses of soil respiration and C sequestration efficiency to biochar amendment in maize field of Northeast China[J]. Soil and Tillage Research， 2022，223.

[3] 陳敬華， 王紹強， Florian KRAXNER等.基于模型模擬的中國秸稈還田固碳潛力空間格局分析（英文）[J]. Journal of Resources and Ecology， 2019，10（02）.

[4] 翟鄖秋，張芊芊，劉芳，等.我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)碳排放研究進(jìn)展[J].華南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2022，54（3）：72-82.

[5] 郭佳俐，鄭蕾，朱立新，等.畜禽糞便資源化處理的研究進(jìn)展[J].中國乳業(yè)，2021（11）：47-55.

[6] Xue Niantao， Wang Qunhui， Wang Juan， et al.Odorous composting gas abatement and microbial community diversity in a biotrickling filter[J].International Biodeterioration & Biodegradation， 2013（82）：73-80.

[7] Li Han; Huang Shaobin; Wei Zhendong， et al. Performance of a new suspended filler biofilter for removal of nitrogen oxides under thermophilic conditions and microbial community analysis[J].Science of The Total Environment，2016，56（2）：533-541.

[8] S.O. Petersen， S.G. Sommer， F. Béline， et al. Recycling of livestock manure in a whole-farm perspective[J]. Livestock Science，2007，3（112）：180-191.

[9] 李飛躍，吳旋，李俊鎖，等.畜禽糞便生物炭固碳量、養(yǎng)分量的估算及田間施用潛在風(fēng)險預(yù)測[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2019，38（9）：2202-2209.

[10] 張乃弟，沙茜.土地消納畜禽糞污容量的初步分析[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2011，34（S1）：128-130.

[11] 王秀芬，尤飛，鄭海霞，等.中國畜禽糞尿肥料化利用養(yǎng)分平衡分析[J].中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2022（2）：26-28.

[12] 董獻(xiàn)彬.農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用現(xiàn)狀與前景展望[J].農(nóng)村.農(nóng)業(yè).農(nóng)民（B版），2022（3）：209.

[13] 孫展英，陳寶江，程書梅，等.微生物固態(tài)發(fā)酵馬鈴薯渣生產(chǎn)蛋白飼料的研究進(jìn)展[J].飼料與畜牧，2012（10）：37-39.

[14] 全國人大常委會法工委經(jīng)濟法室，國務(wù)院法制局農(nóng)林城建司.中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法釋義[M].中國環(huán)境科學(xué)出版社，1997.

[15] 蔣建國，耿樹標(biāo)，羅維，等.2020年中國垃圾分類背景下廚余垃圾處理熱點回眸[J].科技導(dǎo)報，2021，39（1）：261-276.

[16] 龍吉生，杜海亮，鄒昕，等.關(guān)于城市生活垃圾處理碳減排的系統(tǒng)研究[J].中國科學(xué)院院刊，2022，37（8）：1143-1153.

[17] 王偉文， 馮小芹， 段繼海等. 秸稈生物質(zhì)熱裂解技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報， 2011，27（06）

[18] 李明章， 李彥明， 王玨等. 好氧堆肥去除畜禽糞便病原體的研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報， 2022.

[19] 劉晨陽，馬廣旭，劉春，等.畜禽糞便資源化利用研究綜述與對策建議——基于供給與需求二維度視角[J].黑龍江畜牧獸醫(yī)，2022（2）：13-25.

[20] 梁運祥，胡寶娥，陳宏聲，等.利用生物技術(shù)，加快秸稈“高值飼料化”轉(zhuǎn)化，促進(jìn)草食畜牧業(yè)發(fā)展[J].飼料工業(yè)，2022，43（12）：1-9.

[21] 劉春，劉晨陽，王濟民，等.我國畜禽糞便資源化利用現(xiàn)狀與對策建議[J].中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2021，42（2）：35-43.

[22] 馬雪亭，廖結(jié)安，王得偉，等.青貯技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀及問題分析[J].中國飼料，2022（15）：5-12.

[23] 孫文博，李天銀，等.紫花苜蓿青貯（堆貯）實踐與效果[J].中國農(nóng)業(yè)信息，2017（11）：53-57.

[24] 霍麗麗， 趙立欣， 魏欣宇等. 農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能溫室氣體減排潛力[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2021，37（22）