新疆棉花秸稈循環(huán)利用現(xiàn)狀與策略,農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)論文

新疆棉花秸稈循環(huán)利用現(xiàn)在狀況與策略,農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)論文內(nèi)容摘要：新疆地區(qū)每年盛產(chǎn)棉花的同時都會產(chǎn)生大量的棉花秸稈。棉花秸稈屬于生物質(zhì)資源，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)畜牧業(yè)、能源、材料、工業(yè)和環(huán)保等領(lǐng)域;亦屬于農(nóng)業(yè)固廢資源，若直接燃燒會污染生態(tài)環(huán)境，若粉碎堆漚還地，棉花秸桿生物質(zhì)偏硬，土壤自然降解較為困難;其在當(dāng)?shù)氐睦眯问捷^為粗放，在飼料化和肥料化上資源浪費也較為嚴(yán)重。因此作者歸納了棉花秸稈處理的能源化、原料化和基料化等方式方法，評價了每種利用方式的局限性和優(yōu)缺點，提出了完善棉花秸稈資源化循環(huán)利用，到達節(jié)約集約，降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)綠色發(fā)展的措施。旨在加快推進農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品的綠色低碳循環(huán)發(fā)展。本文關(guān)鍵詞語：新疆;棉花秸稈;生物質(zhì)資源;循環(huán)利用;CurrentSituationandStrategyofCottonStrawRecyclinginXinjiangAbstract：AlargenumberofcottonstrawareproducedinXinjiangeveryyearwhencottonisabundant.Cottonstrawbelongtobiomassresourcesandarewidelyusedinthefieldsofagriculture,animalhusbandry,energy,materials,industryandenvironmentalprotection.Cottonstrawisakindofagriculturalsolidwasteresource.Ifitisdirectlyburned,itwillpollutetheecologicalenvironment.Ifitiscrushedandrettedtotheground,thecottonstrawbiomassishard,andthesoilisdifficulttobedegradednaturally.Itslocalutilizationmodeisextensive,andthewasteofresourcesinthefeedandfertilizerofcottonstrawisalsoserious.Therefore,theauthorsummarizedmethodsofenergy,rawmaterialandbasematerialofcottonstrawtreatment,evaluatedthelimitations,advantagesanddisadvantagesofeachutilizationmethod,andproposedmeasurestoimprovetherecyclingofcottonstrawresources,achieveconservationandintensification,reduceproductioncosts,andachievegreendevelopment.Itaimstoacceleratethegreenandlow-carbondevelopmentofagriculturalby-products.Keyword：Xinjiang;Cottonstraw;Biomassresources;Recycling;新疆棉花久負(fù)盛名，不僅數(shù)量龐大，品質(zhì)也較優(yōu)良。全世界棉花年產(chǎn)量約為2500萬噸，而新疆棉花產(chǎn)量約512.9萬噸(2021年數(shù)據(jù))，約占全球的五分之一。新疆長期以來一直是中國棉花的主產(chǎn)區(qū)。在推進中國式當(dāng)代化發(fā)展進程中[1]，新疆棉花種植面積不斷擴大的同時棉花單位面積產(chǎn)量也不斷提高，對發(fā)展當(dāng)?shù)亟?jīng)濟和增加農(nóng)民收入起到積極的作用。當(dāng)前，新疆棉花種植面積超過250萬公頃，棉花秸稈年產(chǎn)量達2000萬噸以上，阿克蘇、塔城、昌吉、喀什和巴州地區(qū)尤為集中，若大量秸稈隨意地堆放處置，不僅浪費資源，還對環(huán)境造成一定的污染。新疆地域遼闊，但是煤炭和石油等重要能源資源主要分布于新疆北疆地區(qū)和部分東疆地區(qū)，南疆地區(qū)的煤炭和石油資源則特別稀少，若能充分合理利用南疆棉稈生物質(zhì)資源，推廣棉稈資源化循環(huán)利用技術(shù)，不僅能夠解決能源匱乏和分布不均等問題，還能夠減輕環(huán)境負(fù)荷，增加農(nóng)民經(jīng)濟收益，符合綠色低碳發(fā)展要求，在預(yù)防能源損耗和發(fā)展綠色環(huán)保效益上具有廣闊的發(fā)展前景和意義。為了加快推進農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品的綠色低碳循環(huán)發(fā)展[2]，不斷提升農(nóng)作物秸稈的循環(huán)利用水平，因此，作者從新疆棉花秸稈的利用現(xiàn)在狀況及存在的問題出發(fā)，歸納棉花秸稈循環(huán)利用現(xiàn)在狀況，并提出應(yīng)對措施。1新疆棉花秸稈資源情況數(shù)據(jù)參考來源(新疆統(tǒng)計年簽〕，運用草谷比法得出20212021年新疆地區(qū)棉花秸稈資源情況，新疆棉花產(chǎn)量和棉花秸稈資源量大致逐年增長(如此圖1和圖2)。棉花秸稈量由2021年的約1.88107噸增長到2021年的2.3107噸。2022年新疆意向植棉面積為242.6萬公頃，同比增加2.3%棉花產(chǎn)量和棉花秸稈量。新疆棉花種植基礎(chǔ)較好，但棉花秸稈資源利用率較低。2新疆棉花秸稈的處理現(xiàn)在狀況2.1燃燒將秸稈直接燃燒固然簡單容易操作但是熱效率低，同時對土壤構(gòu)造產(chǎn)生一定毀壞甚至燒結(jié)，造成土壤質(zhì)量下降[3]，且對重污染霧霾天氣的構(gòu)成和加重起到推波助瀾作用[4]，同時還產(chǎn)生大量NOX和CO等有毒有害的氣體，對人類與其他生物的健康構(gòu)成威脅，對生態(tài)環(huán)境造成一定的毀壞。近年來，當(dāng)?shù)丶跋嚓P(guān)部門嚴(yán)厲杜絕燃燒秸稈，對違法燃燒農(nóng)作物秸稈的，根據(jù)(中國大氣污染防治法〕有關(guān)規(guī)定，由監(jiān)督管理部門責(zé)令改正，并處以一定數(shù)額的罰款[5]。2.2就地掩埋新疆氣候干旱，秸桿密實，連年秋收后將棉花秸稈翻入地下，既不能腐爛，又損壞了土地的墑情。再者棉花秸稈較粗不能及時變?yōu)榉柿?，屢次掩埋更增加了土壤的?fù)擔(dān)，使土壤的肥力下降。怎樣有效地開發(fā)利用新疆地區(qū)的棉花秸稈資源已成為解決農(nóng)村能源問題，促進農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的重要環(huán)節(jié)[6,7,8,9]。2.3飼料化利用棉花秸稈富含纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和粗蛋白等，且粗蛋白含量與玉米秸稈相當(dāng)，棉花秸稈含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，4噸秸稈的營養(yǎng)價值相當(dāng)于1噸糧食，可為畜牧業(yè)持續(xù)發(fā)展提供物質(zhì)保障[10]。由于棉花秸稈中含有毒性棉酚，直接用作飼料利用率低、效果差，阻礙了棉花秸稈規(guī)模化綜合利用，使得棉花秸稈飼料化技術(shù)具有一定的局限性，若能減輕或消除棉花秸稈中棉酚的毒性，將能大范圍實現(xiàn)棉花秸稈飼料化利用。事實上，棉花秸稈飼料化形式已經(jīng)投產(chǎn)，將棉花秸稈粉碎處理加工為粗纖維飼料，主要是牛、馬、羊等反芻動物的常用飼料，并在當(dāng)?shù)孬@得了一定可觀的經(jīng)濟效益，但棉花秸稈飼料化加工成本較高，工藝還有待優(yōu)化。2.4能源化利用固然棉稈直接還田技術(shù)和飼料化技術(shù)已廣泛應(yīng)用了，但仍有大量秸稈被遺棄在農(nóng)田、路邊和村頭等處[11]，初步估算約占本地總棉稈量的40%，約有9.2106噸棄之不用，任其腐爛，既有引起火災(zāi)的安全隱患，又造成了資源浪費。早在20世紀(jì)70年代，農(nóng)民并不富有，秸稈也是做飯和取暖的燃料，隨著社會經(jīng)濟高質(zhì)量迅速發(fā)展和農(nóng)民生活水平大幅度提升，煤炭、天然氣和電力逐步成為了主導(dǎo)能源，這也就造成秸稈隨意堆置浪費。植物通過光合作用將太陽能以化學(xué)能的形式儲存在生物物質(zhì)中[12]，而生物質(zhì)能屬于可再生能源，棉花秸稈就是華而不實之一。棉花秸稈能源化利用包括氣化、固化和炭化等多種途徑。若能使棉花秸稈能源化循環(huán)利用，不僅解決了棉花秸稈浪費嚴(yán)重的問題，還能增加農(nóng)民的經(jīng)濟收入。棉花秸稈氣化是指將秸稈在一定密閉環(huán)境中經(jīng)過高溫分解工藝，使秸稈中的C、H、O等元素經(jīng)過熱化學(xué)處理后轉(zhuǎn)變?yōu)镃O或CH4等可燃?xì)怏w，可直接供應(yīng)居民生活和工業(yè)生產(chǎn)。以第六代固定床氣化爐為例，秸稈從氣化爐上部參加，氣化劑(空氣)從底部吹入，氣化爐中介入反響的秸稈自上而下分成枯燥區(qū)，熱分解區(qū)(裂解區(qū))，復(fù)原區(qū)和氧化區(qū)[13]。當(dāng)棉稈物料燃燒時，需要一定量的氧氣，假如提供的氧氣較多，秸稈便能夠充分地燃燒了，最后的殘存余留物為灰分[13,14]。假如提供的氧氣較少，秸稈燃燒就不充分，提供的氧氣越少，不能燒掉的可燃成分就越多，這些可燃成分包括炭、揮發(fā)性氣體(CO,H2,CH4)，這就是棉稈氣化后的主要成分[15]。棉花秸稈固化是利用新技術(shù)及專用設(shè)備將秸稈加工成容易儲藏、運輸和方便使用的生物質(zhì)高密度壓塊(當(dāng)代化清潔固體燃料)。棉稈經(jīng)過粉碎、固化，便成了與煤炭相媲美的生物燃料，其具有體積小，熱值大，可再生等優(yōu)點，既解決了秸稈燃燒對環(huán)境的污染，還可用來取暖或發(fā)電，實現(xiàn)經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益的多贏[16]，真可謂化腐朽為神奇。棉花秸稈固化是將來再生能源的一個重要發(fā)展方向，對做好棉稈禁燒工作起到了積極推動作用。以喀什地區(qū)巴楚縣秸稈發(fā)電廠為例，初步了解到該地區(qū)發(fā)電廠年消化棉花秸稈約10萬噸，年發(fā)電量約1.492108KWh，可節(jié)省煤炭近5萬噸。近年來秸稈發(fā)電技術(shù)已初步規(guī)?；?，該技術(shù)秸稈利用率高，無二次污染，符合我們國家可再生能源發(fā)展政策。棉花秸稈炭化是將棉稈經(jīng)烘干或曬干、粉碎，然后在制炭設(shè)備中經(jīng)枯燥、干餾、冷卻等工序，將松懈的秸稈制成木炭的經(jīng)過[17,18]。棉花秸稈是一種硬度較強的秸稈，一般將棉稈切斷、粉碎，在一定的溫度和時間及缺氧條件下制成生物炭，且生物炭是活性炭前體。在農(nóng)業(yè)方面，炭化后的棉稈能夠做土壤堆肥肥料，減少氮元素的損失，同時還可提高作物抗病蟲害，吸附農(nóng)藥有機殘留，減輕作物重金屬污染等;在環(huán)境方面，生物炭無論是在生產(chǎn)和應(yīng)用經(jīng)過中均能夠減少溫室氣體的排放而起到降碳、減污和保衛(wèi)環(huán)境的作用[17];在能源方面，生物炭燃燒熱值較高且可循環(huán)再生，來源廣泛，但是棉稈炭化的能耗也較高，假如能克制這一難題，棉稈炭化將符合當(dāng)今綠色低碳發(fā)展要求。2.5原料化利用棉稈具有半木質(zhì)化特性，其纖維長度和長寬比與木材相近，可造出質(zhì)量優(yōu)于稻草、麥秸稈的堅實牛皮紙、包裝紙和紙板箱紙，而且可部分代替木質(zhì)漿，生產(chǎn)中低檔紙質(zhì)用品，降低木質(zhì)漿的消耗[19]。但是，棉稈造紙也有一定的局限性，棉稈不是一年四季都有，數(shù)量遠不能知足工業(yè)需求，且在運輸和儲藏上不夠及時、有效且成本較高，也會導(dǎo)致棉稈造紙生產(chǎn)不穩(wěn)定;造紙生產(chǎn)經(jīng)過中紙漿中含有多種化工原料，廢液處理困難。若能克制棉稈造紙工藝經(jīng)過中的上述一系列問題，棉稈造紙將會得到廣泛推廣。棉稈可以用于制板材。棉稈的化學(xué)組成與木材類似，全纖維素含量為56%，含木質(zhì)素22%(數(shù)據(jù)來源知網(wǎng))，利用棉稈可生產(chǎn)刨花板、中密度纖維保溫板、吸音板、紙板箱等[19]，其綜合性能超過同類型木屑人造板，可作為各種家具和房門的裝板及其他用板。由于棉稈板翹曲率大、自然吸濕膨脹率高以及棉稈板的質(zhì)地和質(zhì)量與木質(zhì)纖維板無法競爭等缺點[19]，使得棉稈板的生產(chǎn)遭到了一定的制約。棉稈可以用于水泥制造。以新疆水泥創(chuàng)新發(fā)展為例，結(jié)合國家能源消耗總量和強度雙控行動，為促進新疆水泥行業(yè)綠色低碳發(fā)展，推動新疆水泥行業(yè)碳達峰、碳中和步伐，相關(guān)專家介紹了水泥窯利用棉花秸稈替代燃料技術(shù)的可行性和設(shè)備選擇，共同探尋求索農(nóng)業(yè)可再生資源利用新形式，推進棉花秸稈開發(fā)利用產(chǎn)業(yè)化[20]。經(jīng)太多方共同努力，當(dāng)前棉花秸稈替代燃料生產(chǎn)水泥的技術(shù)已經(jīng)成熟[21]。這類棉稈水泥建筑材料質(zhì)輕、堅固、價廉，在市場上具有廣闊前景。2.6基料化利用棉稈主要成分是粗纖維，營養(yǎng)物質(zhì)豐富，可粉碎代替木屑與化肥根據(jù)一定比例作為食用菌的培植原料，食用菌培養(yǎng)即將棉稈粉碎后栽培食用菌，可培養(yǎng)銀耳、黑木耳、猴頭菇、平菇、金針菇、竹蓀、香菇等多種食用菌，種植成本較低，有較好的社會效益和環(huán)境效益[22]。3新疆棉花秸桿的處理經(jīng)過中存在的問題3.1群眾認(rèn)識缺乏農(nóng)村基層缺乏棉稈經(jīng)濟和環(huán)保意識，棉稈利用推廣工作仍存在很多困難，大部分農(nóng)民群眾沒有從產(chǎn)業(yè)化的高度出發(fā)，對棉稈綜合利用的長遠利益、社會效益以及利用新途徑等方面的認(rèn)識也不到位[23]。3.2棉稈還田技術(shù)推廣阻力大新疆氣候干旱，棉花秸稈生物質(zhì)硬度較大，將其直接粉碎還田很難直接降解為土壤肥料，且土壤的肥力隨之下降;秸稈本身或帶有病菌和蟲卵，將其掩埋于土壤中會對以后的農(nóng)作物生長產(chǎn)生影響;棉稈根部較硬，對田間勞動的莊稼人刺傷的概率較大。綜合以上問題，棉稈還田技術(shù)還存在一定的阻力。3.3棉稈綜合性循環(huán)利用技術(shù)亟待完善若要對棉稈資源施行全面綜合利用，需對棉稈資源多樣化處理。固然處理方式方法有很多，但每種方式方法技術(shù)都不夠全面。據(jù)統(tǒng)計我們國家每年都有1.5億噸棉稈資源未充分利用，造成資源浪費，棉稈直接還田對機械要求強度較高，而離田循環(huán)利用技術(shù)經(jīng)過中對棉稈收集、運輸和儲存都有一定的困難。若要使棉稈綜合利用循環(huán)技術(shù)全面完善，需要在生產(chǎn)、經(jīng)營方式上采用區(qū)域化種植、規(guī)?；a(chǎn)、產(chǎn)品收購、儲存、加工利用、營銷一體化[24]。在技術(shù)層面構(gòu)造并完善循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)鏈條，嚴(yán)格落實國家生態(tài)文明政策，實實在在提高棉花秸稈綜合利用率。4新疆棉花秸稈的循環(huán)化利用的措施4.1加強科研工作，搞好綜合利用技術(shù)的開發(fā)與研究，并重點解決好秸稈轉(zhuǎn)化中的技術(shù)問題[25]為了認(rèn)真貫徹落實的二十大綠色發(fā)展理念，加快發(fā)展方式綠色轉(zhuǎn)型，施行全面節(jié)約戰(zhàn)略，發(fā)展綠色低碳產(chǎn)業(yè)。科技管理部門和研究機構(gòu)應(yīng)積極進行立項研究，集中資金，加大科研投入，精心組織各有關(guān)專業(yè)領(lǐng)域技術(shù)較強的科技?xì)饬26]，進一步深切進入研究棉稈綜合利用技術(shù)，并針對項目推廣中發(fā)現(xiàn)的技術(shù)問題進行技術(shù)攻關(guān)，縮短技術(shù)熟化和推廣時間[26,27,28]。4.2將棉稈綜合利用社會系統(tǒng)化棉花秸稈的綜合利用工作是一項復(fù)雜的社會系統(tǒng)工程[29]。不僅要運用相關(guān)的技術(shù)，還要有經(jīng)濟支撐，更重要的是還要配合行政措施，使當(dāng)?shù)匕l(fā)揮作用，進而必須把棉稈科研技術(shù)進行中試放大甚至產(chǎn)業(yè)化，嚴(yán)密協(xié)調(diào)各方面工作，使其融入社會系統(tǒng)中。4.3要加強對棉稈綜合利用工作的重視和支持指出:環(huán)境就是民生，良好生態(tài)環(huán)境是最公平的公共產(chǎn)品，是最普惠的民生福祉[30]。因而，各級要把搞好棉稈綜合利用工作提上議事日程，成立或指定專門機構(gòu)，負(fù)責(zé)項目的組織協(xié)調(diào)，切實解決好實際工作中的問題[31]。注意調(diào)查研究，正確宣傳引導(dǎo)，避免項目推廣中的盲目性[25]，同時要因地制宜，加大推廣投入力度，布置專項資金，重點支持建立示范基地，并對正常的推廣項目，給予適度補貼，主要用于技術(shù)和設(shè)備的引進;在項目的運營中應(yīng)給予政策上的扶持，協(xié)助金融部門布置農(nóng)業(yè)政策性貸款[32]。以下為參考文獻[1]張占斌,王學(xué)凱。中國式當(dāng)代化:特征、優(yōu)勢、難點及對策[J/OL].新疆師范大學(xué)學(xué)報(哲學(xué)社會科學(xué)版):1-10.[2]濟南市人民辦公廳.關(guān)于印發(fā)濟南市十四五綠色低碳循環(huán)發(fā)展規(guī)劃的通知[J].濟南市人民公報,2022(Z1):30-55.[3]陳竹，王春水.談現(xiàn)實可行的秸稈綜合利用技術(shù)[J].農(nóng)機使用與維修,2021(03):56-57.[4]崔夢瑩.舟山村民環(huán)境意識調(diào)查與培養(yǎng)對策研究[D]。舟山:浙江海洋大學(xué)，2021.[5]呼和浩特市人大常委會.關(guān)于(市人大常委會執(zhí)法檢查組關(guān)于檢查中國大氣污染防治法和呼和浩特市大氣污染防治管理條例貫徹施行情況的報告〕的審議意見[N].呼和浩特日報(漢),2022-10-04(004).[6]蔡中華.棉稈粉/PVC復(fù)合材料的制備及性能研究[D].武漢:華中農(nóng)業(yè)大學(xué),2018.[7]宗望遠，袁巧霞，丁羽,古麗娜吾甫爾.新疆棉花秸稈氣化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)在狀況與建議[J].塔里木大學(xué)學(xué)報，2008,20(04):91-94.[8]王貴春,李國榮，孟慶忠，張勝昔.棉花副產(chǎn)品的可持續(xù)開發(fā)利用研究討論[J]。安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,36(34):15247-15249.[9]馮剛.利用新疆棉花秸稈資源轉(zhuǎn)化為干凈的二次能源的建議[C].2007年國內(nèi)外石油化工及生物質(zhì)能源發(fā)展趨勢國際研討會,2021-06-16.[10]張留亞，鞠勐浩,唐林,劉畢浩,蔡玲松.新疆巴州棉花秸稈產(chǎn)業(yè)化利環(huán)境效益分析J].棉花科學(xué),2022.44(01):59-64.[11]周全曾，陳玖章，呂曉杰。農(nóng)作物秸稈能源化利用研究討論[J]。農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2018(02):40-42.[12]余維金，應(yīng)浩,王燕杰.原料烘焙預(yù)處理對生物質(zhì)氣化的影響綜述[J].生物質(zhì)化學(xué)工程，2020,47(06)-:41-45.[13]楊祖慶.秸稈綜合利用的途徑及技術(shù)[J].糧食問題研究,2007(04):47-49.[14]李蓉，李軍.秸稈氣化集中供氣技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)(新能源產(chǎn)業(yè)),2018(12):14-16.[15]黃海霞,程帆，蘇義腦,姚良忠,胡健祖.碳達峰目的下我們國家節(jié)能潛力分析及對策[J].中國工程科學(xué),2021,23(06):81-91.[16]林兵,楊新敏,李麗娜.碳化秸稈對城市生活污水中氮磷吸附效能的研究[J].安徽農(nóng)學(xué)通報,2021.25(14);80-82.1007-7731.2021.14.034.[17]秦蓓，徐萬里,姚紅宇，胡旭東，唐光木，馬海剛,孫寧川.炭化溫度和時間對葡萄枝條炭和棉稈炭特性的影響[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報,2021,26(11):1672-1680.[18]李勇,李健，劉