棉杆切碎机(复制文章复制好文章正经文章)

Posted 2023-05-30

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摘要：对国外农作物秸秆利用主要方式的资料进行系统梳理、总结和分析，以资我国借鉴。文献整理表明：秸秆利用的主导方式是秸秆还田循环利用，大部分的秸秆用于直接还田，小部分的秸秆用做饲料；农业发达国家已形成了完备的秸秆收储运技术装备体系；秸秆离田产业化利用以秸秆发电、致密成型燃料、纤维素乙醇等新型能源化利用为主。最后，借鉴国外秸秆利用的经验，提出我国秸秆利用的主要途径：一是引进消化与创新研发相结合，努力提高秸秆利用技术装备水平；二是开展试点示范，探索践行“三可”模式；三是大力开展秸秆还田循环利用；四是建立完善的秸秆收储运体系；五是积极推行秸秆离田产业化利用。

关键词：农作物秸秆；秸秆还田循环利用；秸秆离田产业化利用；经验借鉴；国外

中图分类号: S216.2

中国传统的农作物秸秆（简称：秸秆）利用方式虽有诸多可圈可点之处，但现实的秸秆利用是以现代农业发展尤其是农业机械化的推广应用为条件的。发达国家的秸秆机械粉碎还田已有60多年历史，不少发达国家的秸秆利用水平已经走在世界前列，其成功经验对中国秸秆利用不乏启示和借鉴作用。国外秸秆利用方式总体上可分为两大类，一是秸秆还田循环利用，二是秸秆离田产业化利用。从秸秆利用数量构成来看，秸秆还田循环利用（主要包括秸秆直接还田和秸秆养畜过腹还田）是国外秸秆利用的主导方式，而秸秆离田产业化利用是秸秆综合利用的重要补充。本文通过对世界各国尤其是发达国家秸秆利用方式的综述，明确其秸秆利用的基本做法和成功经验，以资借鉴，提出适宜中国国情的秸秆利用途径和对策，为推动我国秸秆综合利用提供决策支持。

1秸秆利用的主导方式——秸秆直接还田和秸秆养畜过腹还田

秸秆还田能有效增加土壤有机质和氮、磷、钾、微量元素等土壤养分，对改善土壤结构、培肥地力，促进秸秆资源循环高效利用，消除秸秆焚烧造成的大气污染等，具有十分重要的意义。纵观全球，很多国家都曾经或仍存在露天焚烧秸秆的问题[1-4]。鉴于秸秆焚烧的危害性，国外发达国家并不鼓励这种做法[5, 6]。秸秆还田循环利用作为秸秆资源利用中最为经济且可持续的方式，在很多国家已经得到了普遍推行。

世界上农业发达的国家都很注重施肥结构，基本形成了秸秆直接还田＋厩肥＋化肥的“三合制”施肥制度。美国和加拿大的土壤氮素3/4来自秸秆和厩肥。德国每施用1.0t化肥，要同时施用1.5-2.0t秸秆和厩肥[7]。大量文献表明，欧美各国除2/3左右的秸秆用于直接还田外，另有1/5左右的秸秆被用做饲料。由此可见，在发达国家秸秆直接还田与养畜过腹还田，不仅成为秸秆循环利用的基本途径，且是秸秆综合利用主导方式。同时，通过延长秸秆循环利用的链条，形成了以“秸—（畜）—沼—肥”等为主要方式的秸秆循环利用模式。

1.1 秸秆直接还田

很多发达国家除用于青饲料生产的玉米外，大部分麦秸和生产籽实的玉米秸秆都用于还田。据美国农业部统计，美国年生产作物秸秆4.5亿t，约占美国有机废弃物生产量的70.4%，秸秆还田量占生产量的68%[8]。加拿年秸秆产量在5350万t左右，其中2/3以上用于直接还田。日本年稻草产量约为1500万t（占日本秸秆总产量的3/4左右），其中2/3以上用于直接还田，1/5左右用作牛饲料或养殖场的垫圈料[9]。英国秸秆直接还田量占总产量的73%[10]。

秸秆直接还田与现代农机耕作的大范围推广应用相伴生，发达国家秸秆还田大多采用机械化作业方式，在收获主产品的同时，将秸秆切短或粉碎，均匀地铺撒在地表，然后再利用大功率的拖拉机，通过翻耕或旋耕，将其深翻到土壤中去。20世纪50年代末，美国已全面实现谷物的收获机械化，新型秸秆还田机械也应运而生[11]。60年代初，美国万国公司首次在联合收获机上采用切碎装置对秸秆进行粉碎还田，其后研制了与90kW拖拉机配套的60型秸秆切碎机[12]，有效促进了秸秆还田的发展，相应地也使保护性耕作的面积得以不断扩张。意大利开发的还田机具品种也较多[13]，通过在机具上换装不同的工作部件，能实现不同农作物秸秆的粉碎还田，具有较强的适应性；西班牙阿格里克公司研制的立式粉碎机与拖拉机配套，适用于直立玉米秸秆、高粱秸秆以及联合收获机后抛撒的麦秆、棉秆等农作物秸秆的直接粉碎；日本是在半喂入联合收获机上加装后置式切碎机，一次性完成收获和秸秆粉碎。

秸秆覆盖保护性耕作是国外旱作农业区秸秆还田的重要方式。美国学者提出，适合美国的保护性耕作最佳模式不是免耕，而是深松（少耕）加大量秸秆覆盖，秸秆覆盖度达到70%以上才能充分发挥保护性耕作的效益[14]。保护性耕作始于20世纪30年代的美国，Duley和Russel于1933年提出了残茬覆盖耕作法[15]。80年代以后，保护性耕作逐步推广应用到70多个国家和地区。据FAO统计，2002年全世界保护性耕作面积达到1.69亿hm2，占世界总耕地面积的11%，其中美国和巴西保护性耕作面积分别达到6769万hm2和3990万hm2，分别占其耕地总面积的60%和75%[16]。2006年加拿大西部大草原地区保护性耕作面积比重达到72%[17]。2008年澳大利亚保护性耕作面积占到耕地总面积的77%[18]。

1.2 秸秆养畜过腹还田

秸秆养畜过腹还田与秸秆直接还田相得益彰，成为秸秆循环利用的又一重要方式。目前，国外对秸秆饲料化处理途径主要有3种[19]，包括生物处理、物理处理和化学处理。早在20世纪80年代，美国西部已大规模推广将稻草、麦秸、高粱秆等农作物秸秆进行氨化处理[20] ，据测定，这种氨化秸秆饲料的蛋白质含量比没有氨化处理的秸秆饲料提高了30%，消化率可达到50%。在美国，麦秸等秸秆还用于搭建畜棚或用作垫圈料。西欧各国多采用打捆氨化的饲料化处理方式，即在农作物收获后，普遍采用捡拾打捆机，将秸秆捡拾、打捆、注氨、包装（塑料袋）一次完成，放在田间地头自然氨化；待用时拉回养畜场，用饲料搅拌喂料机将氨化后的秸秆切碎，与精饲料搅拌混合，代替饲草直接喂牛、羊等反刍动物。在此过程中，各处理环节全部采用机械化作业。例如，以家庭农场畜牧业为主要农业生产方式的丹麦，早在2000年前后其秸秆氨化率就已达到20%[21]。除制作氨化饲料外，丹麦还将部分秸秆用作牛、猪棚圈的褥草。

韩国以家庭农场为主。目前，韩国的稻麦秸秆已实现了全量化利用，近20%用于还田，80%用作饲料[4]。不仅实现了稻麦收割、秸秆收集、喷氨、加菌、压缩、打包等各个环节的机械化，而且还将各个环节流程化。目前，一套价值1.3亿韩元的分体机械年平均服务面积为130hm2，可产生3250个稻草饲料卷，每个饲料卷（重约650kg，可供50头肉牛一天食用）市场价值是5～6万韩元，净利润约1.8万韩元。在这一模式下，肉牛专营户可获得较高的经济收入，且为出售稻草的农户带来平均每亩3万韩元左右的收入。

1.3 “秸—（畜）—沼—肥”循环利用模式

“秸—沼—肥”与“秸—畜—沼—肥”都是各国较为常见的以沼气为纽带的秸秆循环利用模式。德国是世界各国沼气发展水平最先进的国家之一，截止2012年，其沼气工程数量达到7521座，发电装机容量达到3300MW，沼气发电量约20.5亿kW·h/a，相当于总发电量的3.4%[22,23]。德国沼气工程一般以种养结合的农场为单元，不仅大多数沼气工程采用混合原料发酵，而且有足够的农田直接消纳沼渣沼液。根据《国家生物质能行动计划》，到2020年德国将建成1.2万个沼气工程，发电装机总量达4800MW，沼气发电量将占全国发电总量的7.5%。瑞典、奥地利等国家的沼气工程发展模式与德国十分相似，大多属于混合原料发酵，而且以足够的农田消纳沼渣沼液作保障[24, 25]。

2 秸秆利用的辅助方式——秸秆新型能源化利用和秸秆原料化利用

世界各国秸秆离田产业化利用形式多样，除前文所述秸秆养畜之外，其他产业化利用方式主要集中在新型能源化利用方面，如秸秆发电、致密成型燃料、纤维素乙醇等。另外，秸秆环保板材和建材也受到不少国家的关注。秸秆收储运体系建设是秸秆离田产业化利用的基本保障。

2.1 秸秆收储运体系建设

秸秆收储运体系建设对保障秸秆离田产业化利用具有不可替代的作用。发达国家的秸秆收储运已形成了与秸秆综合利用产业相衔接、与农业技术发展相适宜、与农业产业经营相结合、与农业装备相配套的技术装备体系[26]，满足了秸秆养畜、秸秆原料化等新兴技术产业发展的需要。主要体现在：一是与农业产业体系的一致性。从土地耕整、农作物播种和田间管理、秸秆收集打包、储存和运输，都实现了全程机械化[27]。二是与工业化利用原料需求标准化的一致性。如瑞典、丹麦、法国等国家，在秸秆发电工程中，从运输、供料、燃烧炉设计和运行等环节，都充分考虑了秸秆原料质量和设备的标准化问题[28]。三是与经济社会发展的一致性。规模化饲养、工厂化发电等秸秆利用企业业主，根据自身生产正常要求，与农场主签订秸秆供应协议，农场主在收获季节将秸秆原料集中收集、堆放储存，按照协议送至饲养场、发电厂等。四是与农机装备配套的一致性。发达国家秸秆收集主要采用分段式，即在农作物收获后，采用捡拾打捆的方式收集秸秆。五是秸秆收储运设备与信息化、自动化技术的一致性。采用电子信息技术，对秸秆收储运设备进行自动调节、自动监视与智能控制，以提高其作业质量。

2.2 秸秆发电

丹麦是世界上最早应用秸秆发电的国家，1988年建成了世界上第一座秸秆生物燃料发电厂，目前已达到130多家，秸秆发电等可再生能源占到全国能源消费量的24%以上[29]。有资料表明，丹麦农民每卖一吨秸秆不仅能得到400丹麦克朗，还能免费得到电厂返还的40kg炉灰。丹麦的秸秆发电技术已走向世界，并被联合国列为重点推广项目。在此基础上，丹麦设定了新的目标，即建立一个完全摆脱对化石燃料依赖、并且不含核能的能源系统，力争到2030年其能源构成目标达到：风能50%，太阳能15%，秸秆发电和其他可再生能源35%。

目前，各国政府广泛重视开发与利用秸秆发电技术，纷纷制订相应发展计划，将秸秆发电作为21世纪可再生能源的发展重点[30]。截至2014年，全球秸秆、林木废弃物等生物质及垃圾发电装机容量达到87.1GW，较2006年增长87.31%，主要集中于欧洲、美国、巴西、中国4个国家和地区，合计占全球的3/4以上；年发电量达到2510.5亿kW·h，较2006年增长1.50倍。

2.3 秸秆乙醇

秸秆乙醇又称纤维素乙醇，是以纤维素生物质为原料，经过原料预处理、水解（糖化）、发酵等工艺环节，最终将纤维素转化为乙醇的过程。经加工提纯后的乙醇能用来直接替代汽油等化石燃料，也可用作汽油中的品质改善剂，许多国家将其作为可再生能源技术突破和产业发展的制高点。

目前，积极开展纤维素乙醇技术研发并初步实现试点生产和运营的国家主要有美国、加拿大、意大利、英国、巴西等[31]。美国在20世纪90年代后期就已将纤维素乙醇的研究及推广纳入国家可再生能源发展战略[32]。美国能源法案提出，到2012年纤维素乙醇产量要占到燃料乙醇总需求量的3%，到2022年占到44%。美国第一个示范性的纤维素乙醇厂是Verenium公司 2008投入运行，年产纤维素乙醇529.9万L。2014年，美国第一家商业级纤维素乙醇生产厂正式投产，总投资2.75亿美元，每年将消耗玉米秸秆28.50万t，收集半径约70km，年产纤维素乙醇约1亿L。意大利的Proesa纤维素乙醇项目于2013年初投入使用，年产纤维素乙醇6万t；原料主要为稻草、玉米秆和芦苇，年使用量为27万t，来自工厂周边70km以内地区；纤维素乙醇生产后剩余的木质素用于直燃发电，装机容量为13MW。

2.5 秸秆板材

秸秆板材制品主要包括人造板、墙体板、纤维板、模压制品、包装材料等。秸秆板材的主要用途有制造无醛家具，用于建筑和室内装修、车船内装修、包装运输等。

1921年美国建成了首家蔗渣纤维板厂。20世纪40年代以后，以蔗渣、稻壳、麻秆、棉秆等为原料的人造板厂曾先后在许多国家有过不同程度的发展[36]。70-80年代研究人员又对麦秸、稻草、玉米秸秆生产人造板进行了大量研究。进入90年代，随着异氰酸酯（MDI）逐渐应用到稻草人造板领域，非木质人造板的胶合问题得到了很好的解决，稻草人造板得到了一定规模的生产[37]。1999年北美至少有6家秸秆刨花板厂在生产，另有12家秸秆刨花板/中纤板厂在2000-2002年投产，总生产能力达到176万m3 [38]。目前世界上秸秆人造板研发成效和生产规模较突出的仍然是美国，而且以麦秸和稻草人造板为主。美国的麦秸人造板已经在期货市场上挂牌交易，普通的建材市场也有麦秸刨花板销售。加拿大、比利时、瑞典、德国、俄罗斯等国也在开展秸秆人造板研究，并制造出了多种合格的产品。

2.6 秸秆建筑

人们很早就已经开始使用秸秆、芦苇等材料建造房子。现代秸秆建筑是随着绿色和环保观念而兴起的，主要流行于欧美等发达国家，而且根据某些建筑学家的现代理念设计建造了不少样板建筑。截至2001年，英格兰、挪威和法国共有秸秆建筑约400座[39]。近10多年来，世界各国更加注重秸秆作为建筑材料的实用性，将其作为建筑的填充料，或将压制好的秸秆切块作为非承重墙的墙体，形成了框架结构的秸秆建筑。

3 经验借鉴

世界各农业发达国家的秸秆利用水平已经走在世界前列，其在秸秆循环利用、产业化发展等方面的成功经验，对中国秸秆利用具有宝贵的借鉴意义。受其启示，未来我国必须加强科技研发，以试点示范为基础，大力开展秸秆还田循环利用，建立完善的秸秆收储运体系，积极推行秸秆离田产业化利用，以促进我国秸秆综合利用水平不断迈向新台阶。

3.1 引进消化与创新研发相结合，努力提高秸秆利用技术装备水平

目前，我国秸秆综合利用中还存在着还田技术标准和规范不明确，还田作业质量较低；秸秆产业化关键技术不成熟，成本高、效率低；秸秆利用设备数量少、不配套等方面问题，严重制约了秸秆综合利用水平的提高。未来我国，要不断借鉴发达国家秸秆利用的先进经验，按照“引进消化、创新研发、科学制定、转化推广”的思路，积极谋划秸秆综合利用的研发计划，聚焦重大核心技术突破，促进重大科技成果转化应用，努力将秸秆利用建立在科技支撑、科技推动、科技引领的良性发展轨道。

3.2 开展试点示范，探索践行“三可”模式

发达国家秸秆利用的政府初始投资主要应用在科技研发和产业化项目试点示范两大方面。为了推动我国秸秆资源的永续利用，要不断引进借鉴发达国家秸秆充分高效利用的经验，在国家的积极扶持下，以试点示范为基础，紧紧围绕秸秆还田循环利用和秸秆离田产业化利用，探索可复制、可推广、可持续的“三可”模式，并广泛推广应用。参照发达国家的现有做法，结合我国国情，宜重点开展与农田经营规模相适应的秸秆机械化高质量还田作业试点示范、秸秆种养结合循环农业试点示范、秸秆打包收储试点示范、秸秆新型能源化试点示范等。

3.3 大力开展秸秆还田循环利用

发达国家基本形成了“三合制”的施肥制度，同时确立了以农场为基本单元、以秸秆养畜过腹还田为主导内容的种养结合循环农业模式。据估算，2013年全国秸秆总产量达到9.74亿t，其中秸秆残留还田量为2.53亿t。据农业部统计汇总，2012年全国可收集利用秸秆的直接还田量1.85亿t，秸秆养畜利用秸秆量2.20亿t。目前，我国秸秆直接还田量约为4.38亿t，占秸秆总产量的45%左右，与发达国家的总体还田比重低20个百分点左右，秸秆直接还田比重有一定的提升空间[40]。同时，以西北干旱半干旱地区为重点，积极推广秸秆覆盖保护性耕作。

我国秸秆养畜利用秸秆量占到秸秆总产量的22%以上，与发达国家秸秆饲料化数量比重基本持平，甚至高于部分发达国家的比重，但现实面临着严重的种养脱节问题，改革开放以来，尤其是近10多年来，随着城市化进程的加快和土地快速流转，我国以农户为单元的农牧结合制度快速解体；然而，以家庭农场、农业合作组织、龙头企业等为实体的农牧综合体又没有顺势而成，严重制约了种养结合秸秆循环利用水平的提高。目前全国90%以上的农业园区（企业）以单一种植或单一养殖为主，即使是在长江三角洲、京津塘等经济发达地区，能够充分实现种养一体化的大中型农牧综合体也只占7%-8%左右。欧美等发达国家种植制度的设计大都考虑了土地载畜量的要求，不仅使部分土地（如英国1/3左右的土地）种植从属于畜牧业生产，而且对一般的农作物种植也要考虑到可饲用秸秆的出路问题。借鉴欧美尤其是日、韩等发达国家的经验，大力发展以新型农业经营主体为基本单元、以秸秆还田循环利用为主导内容的种养结合循环农业，是目前我国现代农业发展面临的最迫切的任务。

3.4 建立完善的秸秆收储运体系

我国秸秆收储运体系建设处于起步阶段。借鉴发达国家的经验，未来我国在秸秆收储运体系建设方面应重点做好如下工作：一是加强秸秆收储运技术设备研发，与牵引动力机械相配套，形成功能各异、规格和型号完善的分体式秸秆收储运机械系列，并着重开展打结器、集中润滑系统、旋转切刀等核心部件的技术攻关，形成具有自主知识产权的技术装备体系。二是将秸秆分段式收集与一体化作业相结合，形成具有中国特色的秸秆收集模式。根据我国的农作制度，除一年一熟地区秸秆收集宜重点实施分段式作业外，一年两熟地区应主要推行农作物收获与秸秆收集一体化机械作业。能源化、原料化、基料化利用的玉米秸秆和稻草，也需采用先在田间风干、再收集的分段式作业方式，但由于我国农作物茬口紧，这类收集方式难度最大，迫切需要进行高效收集模式的研发。三是积极推广饲用秸秆氨化或微贮打捆密封储存技术，为我国秸秆养畜规模化发展奠定基础。

3.5 积极推行秸秆离田产业化利用

发达国家秸秆离田产业化利用主要集中在饲料化和秸秆新型能源化两个方面。我国秸秆离田产业化利用更应该形成多元化的发展趋势，除不断引进和消化吸收发达国家在秸秆饲用、发电、沼气、颗粒燃料生产等方面的先进技术外，还应在食用菌种植、商品有机肥生产等方面形成具有国际领先水平的秸秆利用新技术和产业优势，并在秸秆清洁制浆、纤维素乙醇、生物质油、环保板材和建材、秸秆化工等方面加强超前研发，形成技术储备，占领秸秆科技化、生态化、高值化利用的制高点。

注：第一作者与第二作者对本文贡献相等。