王穎潔，張 朋，宋晨愿，查向浩，3*

（1.喀什大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 喀什 844000；2.喀什大學(xué)馬克思主義學(xué)院，新疆 喀什 844000；3.新疆生物類固廢資源化工程技術(shù)研究中心，新疆 喀什 844000）

1 秸稈分類和綜合利用現(xiàn)狀

秸稈通常被認(rèn)為是某些植物莖和葉的總和，是一種富含纖維素、半纖維素、木質(zhì)素以及氮、磷、鉀、鈣、鎂等多種營養(yǎng)元素的生物質(zhì)資源，具有重要的科學(xué)研究?jī)r(jià)值。 農(nóng)作物秸稈種類多樣，豆類植物的秸稈主要包括黃豆、蠶豆、豌豆、紅豆、羽扇豆和花生藤蔓等。禾本科作物秸稈主要包括大麥、小麥、燕麥、黑麥、稻草、高粱、玉米和薯類藤蔓等。本文以常見的小麥秸稈、玉米秸稈和水稻秸稈為例， 闡述秸稈的多樣化利用，以期為提高農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)收益，改善環(huán)境，進(jìn)而推動(dòng)自然資源的可持續(xù)利用提供路徑。

1.1 小麥秸稈

小麥秸稈纖維短、雜細(xì)胞較多、硅的含量較高，常作為傳統(tǒng)的造紙?jiān)?，但在制造紙漿過程中排放的污染物無法實(shí)現(xiàn)有效治理，容易造成較為嚴(yán)重的環(huán)境污染[1]。研究表明，對(duì)于麥稈制漿造紙的治污方法是安裝正規(guī)的堿回收裝置，但該裝置成本過高，而造紙企業(yè)大多是中小企業(yè)，往往拿不出大量資金，成為制約中小型造紙企業(yè)正常發(fā)展的難題。

此外， 小麥的莖稈還含有少量的粗蛋白和脂肪，因此非常適合用作飼料，特別適合反芻動(dòng)物[2]。成熟小麥用小麥聯(lián)合收割機(jī)收獲后，用打捆機(jī)對(duì)麥秸進(jìn)行撿拾打捆，用粉碎機(jī)加工，能提高適口性，通過提供適量的優(yōu)質(zhì)飼料和充足的水分，可以有效地滿足反芻動(dòng)物的營養(yǎng)需求，從而降低飼養(yǎng)成本。

小麥秸稈可用于還田， 主要有2 種具體方法：（1）采用免耕覆蓋沃土技術(shù)。 該技術(shù)操作簡(jiǎn)單，省時(shí)省力、節(jié)約資金，可促進(jìn)土壤系統(tǒng)生態(tài)循環(huán)，是目前有效利用小麥秸稈的主要方式。小麥?zhǔn)崭顣r(shí)將小麥秸稈平鋪田面并施用“腐稈劑”[3]，根據(jù)氣候時(shí)節(jié)選擇松土?xí)r間，連續(xù)免耕，這樣可使土壤越來越肥沃。 （2）小麥秸稈腐熟還田技術(shù)。通過利用腐熟劑中的木質(zhì)纖維素降解菌，在適宜的溫度、濕度、通氣量和pH 值條件下，可以有效地將小麥秸稈中的木質(zhì)纖維物質(zhì)降解成簡(jiǎn)單的有機(jī)物質(zhì)，從而大大提高小麥秸稈的利用率和經(jīng)濟(jì)效益[4]。 其腐殖質(zhì)以及礦物養(yǎng)分可促進(jìn)小麥秸稈腐熟后再還田， 這種還田方式具有自動(dòng)化程度高、環(huán)境效益好、科學(xué)配比肥效高和短周期產(chǎn)量高等特點(diǎn)。

1.2 玉米秸稈

玉米秸稈屬于重要的可再生資源[5]，具有分布面積廣、質(zhì)量輕、占地面積大等特點(diǎn)。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國玉米秸稈年產(chǎn)量約2 億t， 有近1 億t 的玉米秸稈資源可實(shí)現(xiàn)綜合利用。玉米秸稈綜合利用技術(shù)包括飼料轉(zhuǎn)化技術(shù)、培育食用菌技術(shù)、粉碎還田技術(shù)、生物秸稈反應(yīng)堆技術(shù)等[6]。 在反芻動(dòng)物的飼養(yǎng)過程中也使用玉米秸稈[7]，但由于其蛋白質(zhì)含量偏低，鈣和磷的比例不能滿足草食家畜的生長(zhǎng)發(fā)育所需，為了保證飼料的營養(yǎng)平衡，必須將其他有益的成分，如動(dòng)物蛋白質(zhì)或非蛋白氮物質(zhì)等添加進(jìn)去[8-9]，才可滿足動(dòng)物營養(yǎng)所需。

玉米秸稈不僅可以用來生產(chǎn)飼料，還可以用來培養(yǎng)食用菌。 首先將玉米秸稈粉碎， 然后加入磷肥、氮肥、石灰水等，控制好溫度，定期翻動(dòng)，使所有原材料都得到充分發(fā)酵。 在玉米秸稈及其他原料發(fā)酵15 d后， 技術(shù)人員可以將這些熟料用塑料袋包裝整理起來，用來生產(chǎn)平菇、雞腿菇和銀針菇等食用菌，這樣不僅可以大大降低食用菌培養(yǎng)的成本，而且農(nóng)民也可以利用玉米秸稈發(fā)展食用菌種植產(chǎn)業(yè)，從而獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益。 利用玉米秸稈的潛力，發(fā)揮其最大價(jià)值[10]。

玉米秸稈粉碎還田技術(shù)是一種直接、方便和有效的秸稈利用技術(shù)[11]。 在玉米完成收獲，秸稈還處于綠色狀態(tài)時(shí)，農(nóng)民通過粉碎機(jī)將玉米秸稈粉碎，將其均勻撒在農(nóng)田表面以提高土壤養(yǎng)分。這種方式需要選擇最佳時(shí)機(jī)， 即玉米秸稈含水量在30%以上時(shí)容易粉碎且腐熟速度快、利于更新土壤的腐殖質(zhì)和有效調(diào)控農(nóng)田的生態(tài)環(huán)境。

生物秸稈反應(yīng)堆技術(shù)能夠?qū)⒂衩捉斩掁D(zhuǎn)化為CO2、熱量以及其他的營養(yǎng)物質(zhì)，這種反應(yīng)堆可以推動(dòng)溫室中蔬菜等植物的光合作用，不但有效提高地面溫度，而且減少農(nóng)作物的病蟲害，優(yōu)化蔬菜、水果的品質(zhì)[12]。

1.3 水稻秸稈

近年來， 我國水稻秸稈產(chǎn)量穩(wěn)定在20 000 萬t左右。 水稻秸稈主要分布在中南和華東地區(qū)，其次是東北和西南地區(qū)，少量分布于西北和華北地區(qū)[13]。 水稻秸稈作為飼草有一定利用價(jià)值，經(jīng)物理、化學(xué)和生物等方法處理后，水稻秸稈適口性和瘤胃降解率有明顯提高[14]。 但是其用作飼料時(shí)也有一定的限制，首先是農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝條件有限，秸稈收割和飼料加工的設(shè)備水平較低且費(fèi)用昂貴，增加了秸稈利用的成本；其次是水稻秸稈中細(xì)胞壁的成分較大， 其凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)、纖維素層次結(jié)構(gòu)降低了動(dòng)物消化秸稈的利用率[15]；最后是我國水稻種植分布面積廣，種類繁多，具有的營養(yǎng)價(jià)值也有所不同，相關(guān)研究較少。

在秸稈還田方面，部分地區(qū)采用機(jī)械化還田的方式[16]，這種方式有效解決了大量秸稈就地還田或水稻秸稈腐爛或焚燒帶來的相關(guān)環(huán)境污染的問題，且很好地改善了土壤環(huán)境，但只適用于部分地區(qū)，有一定的局限性。

2 秸稈利用的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益

2.1 對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響

秸稈資源化利用對(duì)生態(tài)環(huán)境有著極大的價(jià)值，若將秸稈直接進(jìn)行焚燒處理， 不僅會(huì)造成土壤肥效降低，而且還會(huì)使空氣污染加重。 通過對(duì)秸稈的資源化綜合利用，既可以為人們帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，也能節(jié)約資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展綠色化也是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[17]。

2.1.1 對(duì)土壤環(huán)境的影響。秸稈還田可以顯著改善土壤的物理特征， 其中最顯著的表現(xiàn)是降低土壤的容重，改善土壤的孔隙度，提升土壤的保水能力。經(jīng)過還田處理，0~10 cm 厚的低層土壤的孔隙率可以達(dá)12%以上；而20~30 cm 厚的深層土壤的孔隙率可達(dá)30%以上[18]。 就降低土壤容重而言，秸稈直接還田和在農(nóng)田深埋之間雖存在顯著差異，但兩者在改善土壤滲透性等方面都發(fā)揮了積極作用。

秸稈還田對(duì)土壤化學(xué)方面的主要影響是土壤固碳量的增加。增加秸稈還田總量可以增加土壤中的養(yǎng)分總量和提高土壤吸收養(yǎng)分的能力[19]；通過施肥和還田的結(jié)合， 可以有效地維持土壤中各種元素的平衡，同時(shí)也能夠提升土壤中有機(jī)物的含量，從而達(dá)到改善土壤質(zhì)量的目的。 通過秸稈還田，還可以顯著提高土壤的生物活性，其中包括促進(jìn)土壤微生物的繁殖和酶的活性。研究表明，隨著秸稈還田量的增加，土壤中的有益菌數(shù)量也會(huì)呈正相關(guān)增長(zhǎng)[20]。 此外，經(jīng)過腐熟處理的秸稈還田還可以顯著提高土壤中的有益菌的數(shù)量，從而達(dá)到更好的還田效果。 例如玉米秸稈還田處理可以把土壤酶活性提高到137.4 mg/kg， 顯著增強(qiáng)土壤呼吸強(qiáng)度。 如果采取長(zhǎng)期的秸稈還田處理，可以顯著提升土壤的脲酶活性和堿性磷酶活性，從而有效地促進(jìn)土壤吸收化肥[21]。

2.1.2 對(duì)大氣環(huán)境的影響。土壤釋放CO2中有相當(dāng)部分來源于還田秸稈和殘留根系的分解。以玉米秸稈為例，在其種植的前3 年，大部分秸稈都在分解過程中轉(zhuǎn)化為CO2[22]。 與未還田的情況相比，將小麥秸稈或玉米秸稈還田后，大量的有機(jī)碳被轉(zhuǎn)化，從而顯著降低了對(duì)大氣的污染；此外，甲烷菌活動(dòng)也是導(dǎo)致土壤中CH4排放總量增加的重要因素。 因此，專家學(xué)者們?cè)谶@方面的研究結(jié)果基本一致，即將小麥秸稈或玉米秸稈還田后，可以顯著提高土壤中CH4的排放總量[23]。

2.1.3 對(duì)作物光合作用的影響。 通過正確施肥，可以顯著提高植物的光合作用效率， 從而促進(jìn)其生長(zhǎng)發(fā)育，提升葉綠素的含量，有效地提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。如種植冬小麥，其種植區(qū)域廣泛，對(duì)土壤要求較高。適當(dāng)數(shù)量的玉米秸稈還田可以抑制灌溉中后期葉綠素a的降解，調(diào)節(jié)光合速率[24]。 在施用過程中與氮肥科學(xué)搭配，可以顯著提高光合速率和蒸發(fā)率。就產(chǎn)量而言，玉米秸稈還田可以提高作物肥料輸送速率，從而有效改善土壤質(zhì)量，增加土壤有機(jī)物含量，提高土壤結(jié)構(gòu)、水分保持能力和透氣性，使作物根系更加堅(jiān)固，并且可以調(diào)節(jié)土壤水分、溫度和通氣性，為小麥的生長(zhǎng)提供一個(gè)適宜的環(huán)境[25]。

2.2 秸稈利用的經(jīng)濟(jì)效益

秸稈生物質(zhì)循環(huán)利用不僅具有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，還具有較高的環(huán)境效益。秸稈生物質(zhì)循環(huán)利用的經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）增加農(nóng)民收入，例如秸稈發(fā)酵成有機(jī)肥料后，可直接用于土地改良，提高作物產(chǎn)量。 （2）節(jié)省成本，通過秸稈生物質(zhì)能源的利用，可以降低對(duì)傳統(tǒng)燃料的依賴。 同時(shí)，秸稈肥料也可以替代化肥，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本[26]。 （3）促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展。 秸稈生物質(zhì)循環(huán)利用可以形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，從原料采集、加工、運(yùn)輸?shù)戒N售等環(huán)節(jié)均可為失業(yè)人群提供就業(yè)機(jī)會(huì)，為社會(huì)創(chuàng)造價(jià)值。（4）降低環(huán)境治理成本。通過秸稈生物質(zhì)循環(huán)利用，可以有效減少焚燒、填埋等不當(dāng)處理方法對(duì)環(huán)境的影響，從而降低環(huán)境治理成本[27]。 總之，秸稈生物質(zhì)資源化循環(huán)利用有多重經(jīng)濟(jì)效益。 正確利用秸稈生物質(zhì)可以為國家、地方和農(nóng)民帶來可觀的經(jīng)濟(jì)收益。 秸稈還田增加土壤肥效，減少肥料用量；秸稈制生物質(zhì)燃料、纖維絲、發(fā)電、產(chǎn)氣、制板、飼料等都可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益[28]。

3 棉花秸稈綜合利用現(xiàn)狀分析

我國每年的棉花產(chǎn)量約占全球總產(chǎn)量的25%，棉花收獲后，大量的秸稈廢棄物可達(dá)約4 000 萬t[27-30]，可被廣泛地應(yīng)用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、能源環(huán)境保護(hù)等各行業(yè)，從而為社會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 作為建筑材料

近年來， 棉花秸稈被廣泛應(yīng)用于建筑材料領(lǐng)域中，如制造建筑隔音板、保溫材料等，其性能優(yōu)良，深受市場(chǎng)青睞。然而，由于其抗折強(qiáng)度較低，容易受到硫酸鹽的侵蝕，耐久性有待提高。此外，工程中使用的鹽漬土，可能出現(xiàn)鹽脹、溶陷、腐蝕和吸濕軟化等問題[31]。為了提高鹽土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性， 可利用棉花秸稈，其纖維可以作為一種有效的加筋材料，應(yīng)用于水泥土和混凝土中，可以顯著提升它們的整體韌性，從而更好地滿足工程建設(shè)的要求。

3.2 作為生物質(zhì)能源

隨著工業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展，工業(yè)采礦、冶煉、化工等行業(yè)所產(chǎn)生的重金屬離子隨其工業(yè)廢棄物進(jìn)入水體中，許多有毒物質(zhì)和難以降解的污染物嚴(yán)重影響水環(huán)境。目前對(duì)廢水的處理非常嚴(yán)格，據(jù)學(xué)者研究，吸附法[32]是一種從廢水中除去重金屬離子的高效且經(jīng)濟(jì)的方法，通過改用棉稈纖維素，可以大大降低廢水處理的成本，同時(shí)還能夠提高吸附效果，而且這種方法更加環(huán)保， 現(xiàn)已成為一種更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的廢水處理技術(shù)[33]。以農(nóng)業(yè)廢棄物棉花秸稈為原料， 經(jīng)過改性生物炭處理后，可以有效地去除PPCPs 污染物，如氧氟沙星和布洛芬，從而改善水質(zhì)。 此外，該技術(shù)也為農(nóng)業(yè)廢棄物棉花秸稈的資源化利用開辟出一條全新的道路[34]。 通過利用棉花秸稈， 還可以制備出多種形式的生物質(zhì)能源，如熱能、沼氣和液體燃料，這些能源可以有效地替代傳統(tǒng)的化石燃料，從而實(shí)現(xiàn)清潔能源的可持續(xù)發(fā)展。

3.3 作為農(nóng)業(yè)有機(jī)肥料

棉花秸稈可以作為農(nóng)業(yè)有機(jī)肥料， 通過堆肥、壓實(shí)等方法提高肥料的質(zhì)量和效果，使其更好地供給農(nóng)作物營養(yǎng)元素。 通過采用機(jī)械化的方式，棉花秸稈可以被有效地還田肥料化利用，其中2 種最常見的方法是直接粉碎還田和堆漚發(fā)酵還田。 其中，直接粉碎還田需要在棉花采摘后，使用大型農(nóng)業(yè)機(jī)械將棉花秸稈收割，然后經(jīng)過翻耕或旋耕，將粉碎后的棉稈作為肥料直接埋入農(nóng)田，具有機(jī)械化程度高、速度快、成本低等優(yōu)勢(shì)，可以有效地提高棉花秸稈的還田效率，減少農(nóng)藥的投入，提升農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[35]。

3.4 作為動(dòng)物飼料

研究表明，棉花秸稈的主要成分含量受到多個(gè)因素的影響，包括種植地區(qū)、品種、收獲時(shí)機(jī)、施肥水平、儲(chǔ)藏條件以及其他相關(guān)技術(shù)手段。這些因素共同決定了棉花秸稈的質(zhì)量， 從而使其具有良好的可持續(xù)性，提高其生產(chǎn)效率[36]。 1998 年，許國英等[37]開始研究新疆地區(qū)的棉花秸稈， 發(fā)現(xiàn)它的營養(yǎng)價(jià)值極為豐富，不僅包括鈣、磷、粗蛋白質(zhì)和木質(zhì)素[34-38]，還有可能被用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的動(dòng)物飼料。 因此，他們認(rèn)為新疆的棉花秸稈有望成為一種理想的動(dòng)物飼料來源。

4 生物質(zhì)秸稈綜合利用策略與展望

現(xiàn)階段， 生物質(zhì)秸稈在多行業(yè)實(shí)現(xiàn)綜合利用，人們?cè)诮斩掃€田、秸稈作飼料、秸稈作生物質(zhì)新能源以及有機(jī)肥料的過程中，研究了工業(yè)化、規(guī)?；⒘炕蛷V泛的現(xiàn)代化利用技術(shù)， 減少焚燒產(chǎn)生的二次污染[39]，在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的同時(shí)達(dá)到了保護(hù)環(huán)境和資源節(jié)約的目的。為促進(jìn)秸稈資源的高效利用和實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興目標(biāo)，政府和相關(guān)部門必須給予充足的資金和政策支持，建立示范點(diǎn)[40]，同時(shí)鼓勵(lì)企業(yè)投入資金、人力、物力等方面資助，加快推進(jìn)秸稈生物質(zhì)綜合利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。此外，還應(yīng)大力推廣秸稈綜合利用技術(shù)，并加強(qiáng)相關(guān)科學(xué)研究，以解決在這一進(jìn)程中面臨的技術(shù)難題[41]，提高生物質(zhì)能源利用效率。 （1）加強(qiáng)生物質(zhì)化學(xué)品的開發(fā)利用。 利用化學(xué)方法將秸稈的木質(zhì)素、纖維素等轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)化學(xué)品，如生物燃料、淀粉和醇類、木質(zhì)素等，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)資源的高效利用[42]。（2）研究用稻草造紙或秸稈編織裝飾的方法，進(jìn)一步開發(fā)和完善針織產(chǎn)品和技術(shù)市場(chǎng)。 （3）科學(xué)高效地利用稻草生產(chǎn)木糖醇和活性炭。 （4）通過推廣機(jī)械秸稈技術(shù)，進(jìn)一步完善秸稈飼料的深加工，促進(jìn)畜牧業(yè)綠色發(fā)展。