秸秆综合利用技术及机械设备发展情况分析

丛国政

(白城市农牧机械化研究院,吉林 白城 137000)

0 引言

近年来,资源与环境问题成为影响社会发展与人类生存的重要问题,如何高效优质利用资源成为社会发展的新课题。在农业生产过程中,每年所产生的大量秸秆是十分宝贵的可再生资源,其有序利用对于工业、农业、供能产业、产品加工业、畜牧业的发展具有积极作用。从现阶段的农业生产过程看,秸秆资源利用的重视度逐渐提升,秸秆资源的利用使其不再被简单焚烧于田间,通过多种利用方式能够更好发挥资源价值并降低污染影响,作为农业生产资源开发和环境保护的新焦点,秸秆利用的落实与新农机、新技术的应用成为促进农村经济发展和帮助农民致富的另一个新增长点。

1 秸秆资源价值

我国每年的秸秆资源产量丰富,2020年以来的秸秆资源平均产量约在9.4亿～9.7亿t,秸秆中含有丰富的氮、磷、钾、镁、钙、硫等营养元素,具有良好的应用价值,总体上看,秸秆资源的价值发挥主要是以下几方面。

1.1 土壤增肥

将秸秆资源进行肥料化利用是我国农业生产过程的一项传统农艺,利用秸秆中含有的有机质、氮、磷、钾等营养元素及多种微量元素制作肥料,能够有效提高土壤肥力[1]。利用秸秆资源增加土壤肥力的形式包括过腹还田、秸秆粉碎还田、秸秆覆盖还田、秸秆整株还田、根茬粉碎还田等。试验表明,每年秸秆还田量 3 750～6 000 kg/hm2亩即可显著提高土壤肥力[2-3]。

1.2 牲畜饲料

秸秆中的营养成分接近于谷物类的20%～25%，其饲用价值十分限制，其中高粱、玉米等作物的秸秆均是优质的饲料资源。长久以来，秸秆均是牲畜喂养的饲料资源之一，作为牲畜饲料应用，既可以直接饲喂，还可以通过机械加工处理、发酵处理等多种方式提高饲喂价值和利用率，此外，秸秆过腹还田也是一种综合效益较高的生产模式。

1.3 能源利用

现阶段,我国每年约有25%～30%的秸秆资源用于燃料应用,且该比例还在持续提高,作为优质的生物质资源,秸秆资源具有可再生、产量大、易获取等多种优势,应用于能源利用领域能够有效减少木材、煤炭、石油等资源的消耗,延长不可再生能源的利用周期,解决能源紧缺的现实问题。实践证实,秸秆资源具有良好的热能价值,同等质量的秸秆燃烧产生热能可达到煤炭燃烧的45%～50%,且秸秆资源的燃烧污染更低,有利于环境保护[4]。

1.4 材料利用

秸秆资源中含有的木质素等成分是制造纸制品的重要原材料,尤其是稻草、麦秸类的秸秆和枝叶,能有效替代木材,实现优质的纸制品产出;同时秸秆资源还被应用于编织业,用于制造传统生活用品和创意手工品,产生更高的经济价值[5]。

2 秸秆综合利用关键技术

2.1 机械化还田技术

秸秆的机械化还田是一种直接在田间处理秸秆的有效方式,其能够避免秸秆离田的繁琐过程,并有效提高耕地土壤肥力,秸秆还田包括粉碎还田和整秆还田两大类,现阶段以秸秆粉碎还田为主流形式,分为粉碎还田、免耕播种、根茬粉碎三种机械化作业形式[6]。

2.1.1 机械化粉碎还田

秸秆粉碎还田主要利用谷物联合收获机、玉米联合收获机的秸秆粉碎功能实现,能够在粮食收获的同时将秸秆同步粉碎处理,并抛撒在地表;此外,对于部分不适于大型联合收获机作业的地区,也可通过小型秸秆粉碎机将收获后的整秆粉碎。在秸秆被粉碎后,随着翻耕作业的开展被埋入土中,利用土壤环境使其发生物理化学变化,逐渐消融成为土壤的一部分,具有疏松土壤、增加有机质、培肥地力、减少环境污染等多种作用。

秸秆的机械化粉碎还田必须遵守以下农艺要求:1)做好肥料补施,对于粉碎还田的耕地,每公顷结合种植作物的品类和肥力需求补充350～600 kg的氮肥;2)合理开展翻埋,利用机械化耕整地作业过程进行有效翻埋,将粉碎秸秆深埋于距地表20 cm以下土层;3)合理实施整地,及时开展机械整地,平整耕地表面并压实土壤表层,为后期播种创造良好条件;4)还应及时利用灌溉设备灌水浇田,以消除土壤架空。

2.1.2 机械化免耕播种

机械化免耕覆盖的前期工序与秸秆粉碎还田类似,通过机械装备将农作物秸秆粉碎后抛撒于地表,利用秸秆覆盖保护耕地,开展播种作业时采用免耕播种机作业,抛撒在地表的碎秸秆可起到保墒调温的作用。机械化免耕播种具有以下技术优势:1)有效减少土壤侵蚀,保护土壤,提高自然降水利用率,减少水土流失;2)减少对土壤的扰动和污染,保护环境;3)促进土壤有机质的积累,提高土壤肥力:4)减少耕作次数,节省生产时间和劳动力。

机械化免耕播种应注意以下农艺要求:1)免耕覆盖前,应对耕地进行清理,去除杂草和残留的秸秆;2)粉碎后的秸秆应尽量均匀覆盖于地表,避免局部过厚过薄;3)根据作物的生长特性和土壤条件确定播种深度,免耕播种应保证良好的覆土和镇压质量,确保种子埋入土中;4)合理补施化肥,并在作物生长过程通过喷洒除草剂控制杂草生长。

2.1.3 机械化根茬粉碎

机械化根茬粉碎是利用专用根茬粉碎机和旋耕机,或使用灭茬旋耕机等耕整地机械进行作业,能够将作物割去秸秆后剩余的根茬有效粉碎,并将其混于耕层土壤中。根茬粉碎机能够利用高速旋转的锤片或刀片将根茬切碎,使根茬变得细碎短,根茬粉碎机的粉碎结构能够适应多种不同尺寸的根茬,达到良好的粉碎效果。根茬粉碎机不仅可以解决农作物根茬处理的问题,还可以增加土壤的有机质含量,与刨除根茬对比,可以增加3%以上,有效提高耕地质量,优化农业生产后续流程。

机械化根茬粉碎实施过程应注意以下农艺要求:1)及时利用犁耕或旋耕设备将粉碎根茬混入耕层土壤中,以保证根茬的腐烂和分解;2)做好根茬粉碎后的机械镇压,避免土壤松动造成水土流失;3)注意做好作物生长期的施肥和控制杂草工作。

2.2 秸秆饲料加工

利用农作物秸秆加工牲畜饲料能产生良好经济效益,秸秆中富含碳水化合物、蛋白质和脂肪,对其进行发酵处理或精细加工处理,能使其转换为高营养牲畜饲料,本文从机械加工秸秆饲料和非机械加工秸秆饲料两方面进行介绍。

2.2.1 机械加工秸秆饲料

秸秆饲料机械加工方式很多,常见的加工形式包括以下几类:1)饲料压块,利用饲料压块机可以将秸秆压制成高密度饼块或条状,压缩饲料密度可达0.5～0.8 kg/cm3,不仅能够有效减少饲料的运输体积,而且利用压缩时产生的温度和压力,有利于促进秸秆饲料熟化,提高牲畜消化吸收率;2)粉末加工[7],利用粉碎机将秸秆进行粉碎,使其加工成为长度0.5～1 cm的细碎小粉粒,后可经发酵或熟化处理,与豆粉或粮食混拌饲喂;3)膨化加工,主要利用膨化饲料加工机械进行饲料处理的加工方式,利用机具的螺杆挤压结构将玉米秸秆送入膨化机中,并在此过程进行挤压、搅拌、剪切,随着压力逐渐增大,秸秆在高温、高压及剪切作用下转变成为疏松、多孔、酥脆的膨化物,是牲畜喜爱的饲料之一;4)颗粒饲料加工,将晒干的秸秆粉碎,并利用颗粒饲料机进行熟化处理,在磨板与压轮挤压加工的作用下形成表面光滑的颗粒,颗粒饲料是适宜秸秆饲料产品化的良好形式[8]。

2.2.2 非机械加工秸秆饲料

非机械加工秸秆饲料主要是采用生物或化学处理的方式将秸秆加工成为适宜牲畜食用的优质饲料,其中采用微生物厌氧发酵的方式生产的饲料包括秸秆青贮饲料、秸秆微贮饲料等,主要是利用乳酸菌或其他菌种进行厌氧发酵,通过乳酸的不断积累,激发秸秆内部营养,并使秸秆带有果香、酒香等气味,成为牲畜喜爱的饲料;采用化学加工处理的饲料包括氨化饲料、碱化饲料、酸贮饲料、复合化学处理饲料等,化学加工主要是通过化学配料改善粗纤维消化率,提高牲畜对蛋白质等养分的吸收率,促进牲畜增重。

2.3 秸秆燃料加工

秸秆制成的燃料是一种良好的传统能源替代原料,具有可再生和环保特性。为减少直接燃烧秸秆造成的资源浪费,并提高秸秆燃烧热能值,通常采用固体成型燃料制造设备进行加工处理,以切碎的秸秆为原材料,加入适量催化剂后在特定压力和温度下压制成固体燃料,并在50 ℃以上环境中慢速烘干,从而制成良好的多用途燃料[9]。

3 综合利用机械设备发展情况

机械设备的技术先进性和适用性是秸秆综合利用质量的基础保障,为降低秸秆废弃、资源浪费和环境污染等问题产生的不利影响,在大范围实施秸秆利用的同时,秸秆利用的相关机械设备也得到了快速发展,相关机械的市场种类日渐丰富,秸秆粉碎机、秸秆压块机、秸秆颗粒机、生物质烘干机等专用设备的应用显著提高了秸秆利用率和利用效率,并激发了秸秆实际价值发挥。但与此同时,秸秆综合利用机械设备的应用也存在明显不足,一方面,与现阶段主流农机产品相比,秸秆综合利用相关机械设备的技术先进性相对落后,机械的自动化程度不高,仍需依靠大量人力劳动才能完成资源收集或处理;另一方面,很多机械设备投入市场的时间不长,机械迭代次数不足,整体的可靠性和使用性能仍不尽人意,同时设备的制造成本高昂导致售价偏高,部分设备未得到国家补贴政策支持,导致普及推广缓慢。

4 结语

秸秆综合利用在节约资源和环境保护方面发挥了积极作用,通过秸秆资源的利用与回收处理,能够有效发挥秸秆资源价值,并缓解土壤退化、能源危机、生态破坏等问题,同时有利于增加农民收入。在农机化快速发展的新时期,秸秆综合利用设备也成为了农机产品的重要组成部分,未来,应进一步加强相关设备的开发,促进核心技术提升,使秸秆综合利用设备具备自动化、智能化特征,并在资源利用与环境保护方面贡献更大力量。