一種利用農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵進(jìn)行設(shè)施大棚CO2施肥的新技術(shù)可行性分析

褚長(zhǎng)彬 趙 崢 周德平 吳淑杭

（上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)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(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中被丟棄的有機(jī)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(dòng)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(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展迅速，如何對(duì)這些農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行循環(huán)綜合利用是一個(gè)亟需解決的問題。

當(dāng)前，我國(guó)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(xué)法(堿化、氨化)、生物法(青貯、堆垛）；（2）用作肥料，利用微生物進(jìn)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(xì)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(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行充分合理利用。目前，我國(guó)絕大部分的農(nóng)業(yè)廢棄物被用于商品有機(jī)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(jìn)入大氣，這不僅對(duì)環(huán)境造成二次污染，更是一種資源的浪費(fèi)。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(dāng)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(jì)效益和社會(huì)效益的農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的全新之路。為驗(yàn)證農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵進(jìn)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(duì)該新技術(shù)的意義和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行闡述，并總結(jié)介紹，該技術(shù)的難點(diǎn)和研究進(jìn)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(jìn)行設(shè)施大棚CO2施肥的意義及優(yōu)勢(shì)

隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)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(kuò)大，且進(jìn)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(chǎng)需要的同時(shí)，也帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，截至2012年底，全國(guó)以蔬菜栽培為主體的設(shè)施園藝面積已達(dá)1.27×106hm2，居世界首位[4]。

由于設(shè)施大棚的環(huán)境相對(duì)封閉，常導(dǎo)致棚內(nèi)CO2匱乏，從而對(duì)作物的生長(zhǎng)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(huì)導(dǎo)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(guó)內(nèi)外已進(jìn)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(duì)豌豆進(jìn)行高濃度CO2的處理試驗(yàn)[5]。自1920年德國(guó)首先提出“碳酸氣施肥”后，國(guó)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(jì)70年代的20 kg/m2增加到現(xiàn)在的50～60 kg/m2[6]。我國(guó)在20世紀(jì)70年代末開始推廣CO2施肥技術(shù)，朱世東等[7]對(duì)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(shí)維生素C含量增加33.27%。以上研究均表明，CO2施肥對(duì)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(guó)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(xué)反應(yīng)法。利用硫酸與碳酸氫銨反應(yīng)產(chǎn)生CO2進(jìn)行施肥。（2）施肥法。將有機(jī)肥施于土壤或堆積于棚室外，利用有機(jī)質(zhì)腐爛產(chǎn)生CO2進(jìn)行施肥。（3）干冰埋施法。在大棚內(nèi)每1 m2挖1個(gè)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(jìn)行施肥。但這些技術(shù)和方法都存在一定缺陷， 如大棚通風(fēng)換氣后，棚內(nèi)CO2濃度最高只能達(dá)到大氣的CO2濃度（350 μL/L)，冬天敞棚還會(huì)引起大棚溫度急降[9];干冰法雖能基本滿足作物生長(zhǎng)的需求，但成本較高；燃燒法產(chǎn)生CO2相對(duì)簡(jiǎn)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(xué)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(huì)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(jià)、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(jìn)行大棚施肥，相對(duì)傳統(tǒng)方法的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。

利用農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵進(jìn)行設(shè)施大棚CO2施肥的重要優(yōu)勢(shì)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(jī)廢棄物所帶來的環(huán)境污染問題，促進(jìn)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(jìn)行操作，減少前期投入；農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物發(fā)酵產(chǎn)物還可用于加工制造各種有機(jī)生物肥料。因此，利用農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵進(jìn)行設(shè)施大棚CO2施肥，對(duì)于開創(chuàng)農(nóng)業(yè)有機(jī)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(jìn)我國(guó)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(jìn)行設(shè)施大棚CO2施肥的技術(shù)難點(diǎn)和新技術(shù)

2.1 技術(shù)難點(diǎn)

由于農(nóng)業(yè)廢棄物中含有大量的碳素及礦物質(zhì)營(yíng)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(jìn)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(shí)，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(huì)不同。此外，對(duì)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(yàn)，很少考慮各因子間的交互作用，因而得出的最佳條件與實(shí)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(jìn)行設(shè)施大棚施肥的實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)注意以下幾個(gè)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(shí)間、用量，使CO2施肥更有利于植株生長(zhǎng)；（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(fēng)方式，以有效防止有害氣體的產(chǎn)生，提高農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物的腐熟度；（5）維持并監(jiān)測(cè)高濃度CO2的產(chǎn)生，并根據(jù)蔬菜生長(zhǎng)周期，將CO2適時(shí)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(jìn)行大棚CO2施肥的技術(shù)研究已有少量報(bào)道，但尚處于初級(jí)階段，且存在許多不足，例如，裝置過分簡(jiǎn)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(shí)，利用農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵進(jìn)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(xué)章永松教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的一種簡(jiǎn)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(dòng)控制的方式，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)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(fēng)裝置、物料箱、空壓機(jī)等組成[16]。（4）農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所肖宏宇團(tuán)隊(duì)研究設(shè)計(jì)的由電機(jī)、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(shí)現(xiàn)對(duì)溫室CO2的供給，但開放式的簡(jiǎn)易方法易造成資源浪費(fèi)，而自動(dòng)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(tuán)隊(duì)在設(shè)施大棚CO2施肥技術(shù)方面進(jìn)行了大量的研究工作，發(fā)明了一種可移動(dòng)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(shí)際需要，可以為一個(gè)或多個(gè)。該裝置的優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小、操作便捷、成本低廉。同時(shí)，通過選擇尼龍編織布材質(zhì)的發(fā)酵箱，大幅度降低造價(jià)成本和重量；發(fā)酵箱底部設(shè)有滑輪，移動(dòng)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(shí)際生產(chǎn)需要選擇進(jìn)出料方向。此外，該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中，可根據(jù)設(shè)施大棚實(shí)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(jìn)行混合，控制含水率在50%左右）進(jìn)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?jiān)饔袡C(jī)肥施用，可謂一舉三得。

3 新技術(shù)應(yīng)用案例

3.1 試點(diǎn)概況

果洛藏族自治州（以下簡(jiǎn)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?jī)H為海平面的60%，年均降水量為400～700 mm，年均氣溫為-4℃，是全國(guó)30個(gè)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(gè)州。為貫徹上海市對(duì)口支援果洛州的精神，上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，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(xiàng)目實(shí)施內(nèi)容

根據(jù)果洛州的實(shí)際需求，針對(duì)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(yán)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(jìn)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(shí)現(xiàn)果洛州日光溫室高效生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的雙贏。項(xiàng)目實(shí)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(jì)，研發(fā)占地面積小、成本低、操作簡(jiǎn)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(jì)特點(diǎn)，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(duì)溫室目標(biāo)作物的不同CO2需求量、外界環(huán)境溫度、天氣情況以及運(yùn)行成本，確定生產(chǎn)CO2肥料裝置的擺放位置、擺放個(gè)數(shù)和擺放時(shí)間等，并確定裝置的填料量，形成日光溫室中快速啟動(dòng)和平穩(wěn)運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程，并示范推廣。

3.3 取得的成效

根據(jù)果洛州實(shí)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(dāng)?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(dòng)式裝置和秸稈溫室快腐產(chǎn)CO2的簡(jiǎn)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(qǐng)了相關(guān)專利。（2）利用果洛州當(dāng)?shù)販厥掖笈锛爱?dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)廢棄物為發(fā)酵原料，因地制宜地設(shè)計(jì)并完成了不同模式的農(nóng)牧廢棄物發(fā)酵試驗(yàn)，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(duì)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(shí)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(dá)15%以上，且作物上市時(shí)間提前6～8 d。

4 結(jié) 語(yǔ)

在我國(guó)現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)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(dòng)，開辟一條農(nóng)業(yè)廢棄物良性循環(huán)的新路子，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源更理想地循環(huán)利用。