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陕西关中地区农业废弃物资源利用现状及循环利用思路构建

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陕西关中地区农业废弃物资源利用现状及循环利用思路构建陕西关中地区农业废弃物资源利用现状及循环利用思路构建 陕西关中地区农业废弃物资源利用现状及循环利用途径 1来航线 肖 健 薛泉宏 吴发启 ,西北农林科技大学资源环境学院~陕西 杨凌 712100) 摘 要:随着农业技术的不断进步和农业产业的发展,农业和农村生态环境问题也日益突出,严重 制约了农业的稳定和可持续发展。关中平原是陕西省设施农业、果业和养殖业及相应加工产业的集 中区,其中果业和养殖业已成为陕西省的两大主导产业,与此同时,废弃物的资源化和无害化及高 效循环利用已成为该地区亟待研究和示范应用的工作重点。本文综述了...
陕西关中地区农业废弃物资源利用现状及循环利用思路构建
陕西关中地区农业废弃物资源利用现状及循环利用思路构建 陕西关中地区农业废弃物资源利用现状及循环利用途径 1来航线 肖 健 薛泉宏 吴发启 ,西北农林科技大学资源环境学院~陕西 杨凌 712100) 摘 要:随着农业技术的不断进步和农业产业的发展,农业和农村生态环境问也日益突出,严重 制约了农业的稳定和可持续发展。关中平原是陕西省设施农业、果业和养殖业及相应加工产业的集 中区,其中果业和养殖业已成为陕西省的两大主导产业,与此同时,废弃物的资源化和无害化及高 效循环利用已成为该地区亟待研究和示范应用的工作重点。本文综述了关中地区农业发展状况及目 前农业废弃物的利用现状,并提出了该地区农业废弃物的无害化、高效综合利用思路和合理利用途 径,总结出利用农业循环经济理念,通过接口技术集成和示范推广,实现关中地区设施农业、果业 和养殖业的有机结合,才能实现该地区大农业生态系统内物质能量的高效循环,发挥循环经济的功 能。 关键词:关中地区;农业废弃物;循环农业 The Present Utilization and Construct the Way of Agricultural Wastes’s Recycling in Guanzhong Plain in Shaanxi (College of Resource and Environmental Science, Northwest University of Agriculture and Forestry, Yangling , Shannxi, 712100, China ) Abstract: With the continuous development of agricultural technology and agricultural industries,the problems between agriculture and rural eco-environmental have become increasingly prominent,it’s already have seriously restrictions to the stability and sustainable development of agriculture. Guanzhong Plain is the region where facility agriculture, fruit, breeding and the corresponding industry centralized in Shaanxi province, in which fruit and breeding have become the two leading industry. At the same time, the problem of doing research and demonstration application on wastes of its resource, harmless and high efficient circulate utilization must be solved. In this paper,the situation of agricultural development and present utilization of agricultural wastes was reviewed,and the harmless, high efficient comprehensive and rational utilization way was put forward.It also summarized that only by the thought of circular economy,through the integration of interface technology,demonstration and popularization,to implement the organic combination of facility agriculture, fruit and breeding industry,can realize the high efficient circulate of material and energy in whole of this agroecosystem and give full play to the circular economy. Key word: Guanzhong Plain; Agricultural wastes; Circular agriculture 随着现代社会经济不断发展和进步,原有经济模式已不适应社会前进的需求。在此背景下,工 [1]业化国家于20世纪90年代后期提出了循环经济概念。循环经济的理念是在全球人口剧增、资源 短缺的严峻形势下,人类重新认识自然界、探索新经济规律的产物,是一种可持续发展战略的经济 1基金项目:国家科技支撑课题(2007BAD89B16、2006BAD05B07)资助。 作者简介:来航线:(1964-) 男,陕西礼泉人,副教授,博士,主要从事微生物生态和微生物资源与利用研究。 E-mail:laihangxian@163.com 1 [2]发展模式。大力推进循环经济已成为实现社会全面进步、提高人民生活水平的必然选择。农业作 [3, 4]为国民经济的基础,农业的可持续发展是我国实施可持续发展战略的根本保证和优先领域。在陕西关中地区,由于长期高度集约化种植,农业和农村生态环境问题日益突出,严重制约了农业的稳 [5, 6]定和持续发展。农牧业和农产品加工业的副产物造成的环境污染已严重危及人类健康和养殖业发 [7]展,已成为困扰该地区农业持续发展的瓶颈。因此,迫切需要找出解决这些问题途径。循环经济理论的提出为解决这一问题提供了一种新思路,即以微生物将种植业和养殖业的副产品和废弃物转化为高附加值的饲料和优质肥料,在废弃物高效资源化循环利用的同时解决环境污染难题,实现动物生产、植物生产和微生物生产高度有机结合和物质能量的循环利用,达到洁净动物生产和高效优质植物生产的目的。 一、 关中地区农牧业概况 关中地区包括西安、宝鸡、咸阳、渭南、铜川和杨凌示范区,土地面积5.55 万平方公里,占全省总面积的27%;人口2241.73 万人,占全省总人口的60.52%。农业人口1569.73 万人,常用耕地面积1524726 公顷,农民人均耕地面积1.45 亩。该地区属于暖温带气候,年平均降水量在648 毫 [8]米,气温13.6?, 无霜期218 天,是典型的干旱半干旱地区。 陕西省的粮食产业、果业、设施农业和畜牧业主要集中在这一地区。2008年关中地区小麦、玉 [9, 10]米种植面积分别为1694.6、1040.9万亩,占全省总面积的81.3%和58.3%;截止2007年陕西苹 [11]果面积已达630万亩,产量445万T,面积和产量均居全国第一。在2005年,关中地区果园面积、水果产量和苹果产量分别为全省的49.2%、68.5%和67.1%;2004年关中地区已建成奶畜养殖小区140 多个,200 头以上奶牛场210 多个,规模化饲养奶牛达7 万多头,存栏奶牛39.5 万头,奶牛数和总产奶量居全国第6 位;同时关中奶山羊170多万只,数量及产奶量均居全国第一。奶牛、奶山羊存栏数及奶类产量分别为全省的94.1%、97.3%和95.6%。黄牛存栏占全省的58.3%,牛肉产量 [12-14]占全省的69.1%。目前,关中地区设施农业一直保持旺盛的发展势头,其种植面积不断扩大。 2[15]截止2007年,全省设施农业面积已超过15万hm,关中地区设施农业面积占全省80%以上。 伴随着粮食产业、果业、设施农业和畜牧业的不断发展,农业废弃物的产生量也在不断增多。2008年,关中平原小麦、玉米秸秆总量分别为620.9、416.3万吨,分别占全省的85.3%和58.3%,两种秸秆总量为1037.2万吨,占全省秸秆总量的64.1%;陕西省作为浓缩苹果汁的生产大省,2006 年 [16]浓缩苹果汁出口量30多万t,排出鲜苹果渣约150多万t。依据目前关中畜牧业发展规模估算,每年畜禽粪便排泄量近1亿吨,其中畜禽粪便排泄量的大部分来自规模化养殖企业和小区。每年因果园整理和设施农业生产以及其他农作物产生的秸秆等农业废弃物的产生量也不容忽视。 二、 关中地区农业废弃物利用现状 从广义上讲,农业废弃物是由农业生态系统所产生的废弃物[17],包括农业生产及农产品加工与利用后所产生的一切废弃物。在关中地区主要有农作物秸秆、苹果渣、棉籽壳、畜禽粪便及沼渣等。 2.1种植业废弃物利用现状 目前,陕西省每年产生的1600多万吨秸秆,只有少部分能够被资源化利用。其中,用于饲草的秸秆量占全省秸秆总产量的10.0%,13.0%。在关中等畜牧业发达地区,秸秆大部分用作饲草,其中以玉米秸秆青贮为主。但是目前秸秆青贮主要是以自然青贮为主,保存时间短、养分单一,秸秆饲 [18]料的青贮质量和采食量较低。随着养殖业的发展,秸秆的饲用比例将有所提高。机械化粉碎秸秆直接还田是秸秆还田的主要技术措施和手段。据调查,秸秆直接还田已占全省秸秆资源总量的30,以上,其中关中东部灌区占当地秸秆资源总量的50,;过腹还田占全省秸秆资源总量的15,;堆腐 2 还田占5,左右。另外有约20,作为燃料使用,10,用作工业原料(造纸、纤维板等),甚至直接 [19 - 20]在田间地头焚烧,造成严重的环境污染和资源浪费。其他如果树修剪枝条、设施农业废弃物等,同样没有实现合理的资源化利用,只是用做燃料或者丢弃,造成环境污染和资源浪费。 2.2果渣利用现状 陕西浓缩苹果汁生产每年形成的鲜苹果渣约120万吨。鲜苹果渣含水量高达80%左右,其营养丰富,为微生物的生长提供了有效的条件。但是,长期以来果汁厂都将果渣当作废物抛弃。抛弃的果渣会在短时间内腐烂, 变酸变臭, 造成了严重的环境污染和资源浪费。目前,绝大部分企业通过烘干法对苹果渣进行脱水,粉碎后直接出售或者烘干粉碎造粒后销售。但是苹果渣烘干需消耗大量能源,5吨鲜果渣烘干可以得到1吨干果渣。生产1吨干果渣需要消耗0.75吨煤,25,70度电,能耗大,果渣饲料厂经营困难。少数企业采取自然晾晒的脱水,但受天气影响很大,易发生霉变,影响质量,霉变严重时不能用作饲料。 苹果渣目前主要用作饲料,少量用作精细化工原料,如提取果胶、生产膳食纤维等,但用量很少。果渣的饲料化利用,现在只处于初级加工阶段(晒干或烘干),饲料转化率底、烘干成本高、 [21 - 24]废弃量大,环境污染严重。因此,采用生物技术处理,加工果渣发酵饲料和青贮饲料,具有很大的前景。特别是对于饲料短缺的关中地区,更应该抓紧抓好果渣资源的开发利用。 2.3畜禽粪便利用现状 以奶畜业为主的畜牧业是关中地区的主导产业之一。但随着畜禽养殖量的逐年增长,排放出大量的畜禽粪便,每年约有近1亿吨。畜禽粪便如不及时处置和利用,不仅严重污染环境,畜禽粪尿及废水中含有大量致病菌及寄生虫卵,会对环境及人体健康造成巨大的威胁,导致人畜共患病传染 [25, 26][27, 28]流行,畜禽粪便大量堆积已成为危害极大的新污染源。加强畜禽粪便污染防治迫在眉睫, 资源化利用是禽畜粪便污染防治的核心内容。 目前,关中主要养殖化企业或小区畜禽粪便90%以上仍然未经任何处理直接作为有机肥施入田间,少量用做生产沼气,进行无害化处理和有机肥加工在陕西基本处于空白。 三、 关中地区农业废弃物资源化利用途径 3.1种植业废弃物的资源化利用 目前,关中地区的小麦秸秆大量堆积和焚烧。因此要大力推广农田保护性耕作技术,即“留茬少耕和免耕秸秆全程覆盖”等保护性耕作技术。2004年完成免耕覆盖秸秆113 万亩,免耕总面积395 万[29]亩;保护性耕作具有防止大风吹走覆盖物,防止水土流失和雨蚀的作用;秸秆用于覆盖,减少焚烧,防止了环境污染;覆盖降低地表风速与温度,可以防止土壤风蚀、雨蚀,地面不板结,有利于水分下渗,改善了表层土壤微环境,蚯蚓数量增加;土壤耕层微生物显著增加等多方面的优点。但是保护性耕作亦存在不少问题,如缺乏针对不同作物专用的配套机具,已有机具性能不完善;缺乏 [30 - 34]保护性耕作区划研究,以及杂草防除不力、施肥和低温等问题,对这些问题需要进行大量研究。 小麦和玉米秸秆可以作为粗饲料配合在精料中饲喂,玉米秸秆主要以青贮饲料的形式用于养殖业。但目前关中地区玉米秸秆主要以自然青贮为主,易腐败、容易产生二次发酵且养分单一。因此,要重点研制优良的微生物青贮饲料添加剂,以提高青贮饲料的营养水平并延长青贮时间,减少资源的二次浪费。 3.2果渣资源化利用 苹果渣是苹果加工后的下脚料,主要由果皮、果核和残余果肉组成,含有可溶性糖、维生素、矿物质及纤维素等丰富的营养物质,是良好的饲料资源。利用果渣还可以提取果胶、膳食纤维、生 3 [35, 36]产果酱、酒精、柠檬酸、低聚糖、酶制剂等。 [37]苹果渣用于畜禽喂养已有了大量的研究,Bae-DH等研究发现,饲喂苹果渣可以使奶牛体重增 [38]加,经济效益明显提高;Narang用苹果渣代替犊牛日粮中80%的玉米,饲料成本明显地降低;Joshi, [39]V.K将发酵苹果渣与小鸡饲料以1?1的比例混合饲喂小鸡,适口性好,死亡率、肝、肾等方面未 [40][41]有任何异常。梁建光等饲喂发酵苹果粕的奶牛平均产奶量高,增奶效果显著;李志西等用青贮 [42]渣代替青贮玉米秆饲喂奶牛,日产奶量增加1.85 kg,无不良反应,粪便正常。Szucu-peter试验表明,用具相同净能的青贮苹果渣代替50%的青贮玉米育肥牛,可以达到相同的结果甚至优于单独用青贮玉米育肥组。 [43-49]本项目组对苹果渣发酵饲料进行了长期研究,结果表明,经发酵处理,发酵产物纯蛋白含量可提高到300g/kg左右,8种动物必须氨基酸含量平均提高约80%,其中赖氨酸和蛋氨酸的增率分别为105.6%和92.0%。现有研究表明,用苹果渣作为单细胞蛋白饲料发酵原料生产饲料蛋白潜力巨大,同时可达到果渣资源化和无害化目的。 3.3畜禽粪便资源化利用 畜禽粪便含有丰富的有机质和氮、磷、钾、微量元素,是优质有机肥料和原料。陕西省畜禽粪便总排放量近亿吨,其中含1400万吨有机物,其中约含约42万吨N素、40万吨PO,38万吨KO,252相当于90万吨尿素,255万吨过磷酸钙,70万吨硫酸钾。现代学者从生态学观点分析认为,利用堆 [50-52]肥法处理畜禽粪便后作为有机肥还田是最佳的利用途径,可达到资源化、无害化的目的。 畜禽粪便的无害化、资源化处理和应用主要有以下途径:畜禽粪便微生物发酵好氧堆肥生产生 [53-55]物有机肥;用畜禽粪便发酵生产沼气;畜禽粪便养殖蚯蚓;利用粪肥和农作物秸秆生产食用菌等。通过上述途径可实现畜禽粪便的资源化利用,降低养殖业生产成本,提高养殖业生产效益,实现生态、社会和经济效益的有机结合。 四、 关中地区开展循环农业的思路与措施 4.1关中地区开展循环农业的必要性和重要性 发展循环农业可以有效利用农业生产资料和农牧业生产产生得废弃物,实现可持续发展。农业生产资料利用率低,从根本上讲是与传统的开环式农业发展模式(开环式农业发展模式就是只有农业资源的投入,而产生的农业废弃物没有再投入农业生产中的农业发展模式)相联系的,因此有必要转变发展模式,将循环经济思想引入到农业生产中来。循环经济讲究的是一种集约式经营,它要求深化农产品的加工、增加农产品的品种、综合利用资源、防治污染、采用高新技术来改造传统农业。发展农业循环经济能够延长农业产业链,扩大农民就业、增加农民收入。 发展循环农业可以有效解决农村环境污染问题。循环农业讲究对资源的循环利用,如在秸秆利用上:秸秆养牛,减少了对粮食资源的消耗,同时也杜绝了焚烧秸秆对环境的污染;秸秆、牛粪制造的沼气可以替代化石能源,同时沼液、沼渣也可以代替化肥农药用作农产品生产。因此,大力发展循环农业,可以全面保护和改善环境状况,推进生态农业,实行清洁生产,能提高我国农产品的品质和安全指数,打破“绿色壁垒”,使其达到国际,从而有效提高我国农产品的国际竞争力。 4.2 关中地区开展循环农业的思路和设想 循环农业是个大系统,它是由各个子循环系统连接而成的循环网。各类农业废弃物的合理利用,为循环网的形成奠定了坚实的基础。结合关中实际,实现循环农业主要就是要完成种植业循环、果业循环和养殖业循环的有机结合。由下图可以看出:以种植业、林果业和设施农业作为此循环的起点,通过农产品的生产和深加工主要产生两大类的废弃物,即果渣和农作物秸秆。果渣和秸秆在青贮发酵剂和微生物发酵剂的作用下转化为青贮饲料和发酵饲料,通过与其他饲料进行合理的营养配 4 比用于畜牧业的发展。畜牧业大量产生的畜禽粪便可以用多种途径进行加工,如畜禽粪便微生物发酵好氧堆肥生产生物有机肥;用畜禽粪便厌氧发酵生产沼气,沼渣可以用于有机肥的加工,沼液可以直接作为叶面肥进行喷施;畜禽粪便也可用于蚯蚓养殖;还可以利用粪肥和农作物秸秆及果树修剪的枝条生产食用菌。由畜禽粪便生产的有机肥又可以用于种植业、林果业和设施农业的发展,从而形成一个合理高效的农业循环系统(见附图)。 光合作用 种 植 业、林 果 农产品、平衡施肥加工业 业、设施农业 农产品 加工原料 有机肥 加工废弃物(果渣等) 秸秆饲料化 玉米秸秆、果渣的小麦秸秆、果渣青贮 微生物 青贮发酵技术 的微生物发酵技发酵剂 发酵剂 有机肥 术 加工 青贮饲料 发酵饲料 畜沼液 禽 养殖业 沼渣 饲料营养评价、饲喂粪 模式和饲喂效果 便 蚯蚓养殖 食用菌生产 畜产品 利用上述循环链中的微生物生产(秸秆果渣发酵饲料生产、畜禽粪便的厌氧沼气发酵和好氧有机肥发酵)过程,把植物生产(粮棉油、林果菜生产)与动物生产(养殖业)有机联系起来,使种植业的副产品(果渣、秸秆等)成为养殖业的优质饲料,养殖业的副产品(畜禽粪便)成为种植业的优质肥料,整个产业链中无废弃物排放,实现物质、能源的充分利用和增值,消除环境污染,实现农业生态系统内效益最大化和环境最优化。 4.3实现关中循环农业需注意的问题 要实现关中大农业的循环生产,必须注意5个问题。一是提高认识,加大农作物秸秆、果渣资源化和畜禽粪便无害化宣传的力度。通过宣传教育,使企业和政府充分认识农业废弃物和养殖业产生的畜禽粪便已成为影响关中地区种植业、果业和养殖业发展的两大问题。二是加大科研、推广的力度,进一步加强现有成熟技术集成及产业化推广,将我省已有原创性知识产权的技术优势转变为现实生产力,以实现农业增产和农民增收。三是加快技术难点的科研立项工作,如农业废弃物饲料化、肥料化发酵菌种的选育与发酵条件的优化、功能性有机肥配方的研制、果渣蛋白饲料的营养评价、农业废弃物资源化的安全性评价等,为循环农业的开展和推广奠定坚实的科学基础。四是建设循环农业研究基地,加强农业废弃物减量化、无害化和资源化研究成果的产业化及示范推广工作。五是制定相应的优惠政策,引导企业投资农业废弃物的资源化技术开发,推动循环农业的快速持续发展。 5 参考文献 [1] 曲格平. 发展循环经济是21 世纪的大趋势[J]. 机电产品开发与创新,2001 (6) : 10 - 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