不同發酵處理對玉米秸稈理化性質的影響

張 婷 (沈陽工學院生命工程學院，遼寧撫順113122)

我國是一個農業生產大國，糧食生產是關系到民生的重要問題。隨著全國糧食不斷的增長，作物秸稈的產量也在逐年上升［1］。然而，以往每年都會有大量的作物秸稈被當做廢棄物在田間焚燒，這不僅造成了浪費，而且產生的煙霧也會污染周圍的環境［2］。因此，在低碳環保的理念［3］和國家“十二五”農作物秸稈綜合利用方針的指導下，如何綜合利用作物秸稈是人們關心的問題。據調查統計，在國家一系列政策扶持下，到2013年秸稈綜合利用率達到75%，圍繞秸稈肥料化、飼料化、基料化、原料化和燃料化等領域的研究都已經取得了一定進展［4－6］。農作物秸稈產量大、分布廣、種類多［7］。其中玉米秸稈的產量每年能夠達到2億t以上，這是一個相當巨大的生物能源儲存庫［8］。目前，大多研究集中在秸稈利用的方法和效果上，雖然應用較廣，但基礎研究的深度不夠，缺少秸稈腐熟過程和時間方面的相關研究［9］。筆者通過不同處理對玉米秸稈發酵腐熟過程的理化性質進行分析，為秸稈腐熟加工提供理論參考，為進一步開發和應用玉米秸稈提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料 供試原料為玉米秸稈、腐熟的雞糞、酵母。主要儀器有pH計、電導率儀、TPY養分速測儀等。

1.2 方法 試驗于2014年12月7日至2015年1月11日在沈陽工學院實習基地進行發酵處理，將收集的玉米秸稈進行曬干、粉粹。以厭氧堆肥的方式，用不同處理密閉堆置玉米秸稈，處理1只加水，處理2加入充分腐熟的雞糞作為發酵輔料，處理3的發酵輔料為酵母(表1)，處理時間為35 d，以沒有添加其他物質的干秸稈作為對照(CK)。

表1 秸稈處理配制比 g

1.3 測定項目及方法 試驗主要測定了玉米秸稈的容重、總孔隙度、通氣孔隙度、持水孔隙度、電導率、pH及養分含量。部分計算公式如下:

式中，m1為秸稈重，m2為加水量，m3為發酵輔料重，m4為總重量，V為腐熟秸稈體積。

利用pH計測量pH，加入1 mol/L NaOH溶液測量不同處理秸稈的緩沖容量。使用電導率儀，將秸稈加入飽和CaCl2測量電導率值。利用TPY養分速測儀測量玉米秸稈中的 N、P、K 含量。

2 結果與分析

2.1 不同處理對玉米秸稈物理性質的影響 從表2可以看出，經過35 d的腐熟發酵，處理1的容重顯著低于未經任何處理的對照，其他2個處理與對照差別不大，說明如果只添加水進行發酵，發酵過程隨著物質的降解，容重會降低。添加發酵輔料后，玉米秸稈的容重變化不大，說明在整個發酵過程中物質并不是簡單的降解，而是轉化成其他物質，使得容重保持不變。4種情況下，容重在80～110 g/L范圍內，說明玉米秸稈的容重較輕。

經過3種處理后，玉米秸稈的總孔隙度均顯著升高，說明秸稈腐熟后仍然比較疏松。處理2和處理3的通氣孔隙小于處理1，持水孔隙大于處理1，處理2和處理3之間差異不顯著，說明添加發酵輔料可以顯著改變玉米秸稈的通氣和持水能力，而且添加雞糞和酵母處理改變秸稈物理性質的效果是一樣的。

表2 不同處理玉米秸稈的物理性質

2.2 不同處理對玉米秸稈EC、pH及緩沖能力的影響 電導率(EC)反映秸稈中含有的可溶性鹽分的含量。通過表3可以看出，3種處理的電導率值均顯著低于對照，各處理之間差異不大。通過測定，沒有經過發酵處理的玉米秸稈pH小于7，經過不同程度的處理后，pH均達到8以上，說明發酵后玉米秸稈的pH上升，呈堿性，3種處理之間無顯著性差異。緩沖容量是反映秸稈處理在加入酸堿物質后本身所具有的緩和酸堿變化的能力。通過表3中數據可以看出，3種處理的緩沖能力均高于對照，但是各處理之間差異不大。

表3 不同處理玉米秸稈的EC、pH和緩沖容量

2.3 不同處理下玉米秸稈的養分含量變化

2.3.1 不同處理下玉米秸稈的氮含量變化。通過圖1可以看出，在12月21日(第14天)之前，各處理的氮含量呈上升趨勢，以后逐漸下降，尤其是處理3這種現象表現的更加明顯。在整個發酵過程的前期，處理3的氮含量最高，處理1最低，處理2介于二者之間。到第30天以后，3種處理之間相差并不明顯。說明加入酵母(處理3)發酵以后，在一定程度上會影響玉米秸稈的氮含量，尤其是在發酵前期(第14天)，氮含量最高，但是隨著時間的變化，后期氮含量不高。

2.3.2 不同處理下玉米秸稈的磷含量變化。通過圖2可以看出，在2014年12月28日(第21天)之前，3個處理之間磷含量的變化基本相同，先呈現下降趨勢，到12月21日又表現出含量有所上升。2015年1月4日(第28天)之后，三者表現出不同的趨勢，處理2呈上升趨勢，處理3呈顯著下降，處理1變化不明顯。說明在發酵前期，秸稈中含磷化合物的分解基本保持相同的變化趨勢，秸稈中添加的發酵輔料在前期對磷的影響不大。到了發酵后期，由于處理間添加的物質不同，發酵輔料開始發揮作用，導致秸稈中含磷化合物的分解及物質合成是不同的，而且3種處理表現出顯著的不同。

2.3.3 不同處理下玉米秸稈的鉀含量變化。通過圖3可以看出，在12月21日(第14天)，3個處理均表現出鉀含量上升，其中處理2表現最明顯，之后三者的鉀含量開始逐漸下降，到第35天又表現出升高的趨勢，處理3鉀含量高于處理2，處理1最低。整個發酵階段，處理1的鉀含量變化并不明顯。雖然處理2的鉀含量在發酵前期表現出比處理3高，但是到發酵后期處理3反而高于處理2，說明雞糞和酵母在發酵過程中對于含鉀化合物的影響處于不同的階段。

2.3.4 不同處理下玉米秸稈的碳含量變化。通過圖4可以看出，處理1在整個發酵過程中碳含量變化不大，處理3變化趨勢和處理1前期相同，到第35天，處理3的碳含量顯著升高。處理2的碳變化程度呈波浪形，說明發酵時含碳化合物在雞糞處理下物質分解及合成并不穩定。但發酵第35天，處理2與處理3的碳含量基本相同，均明顯高于處理1。

3 結論與討論

該試驗研究表明，與對照和處理1相比，玉米秸稈發酵時添加一定的發酵輔料對秸稈的理化性質具有一定的影響。容重的大小與秸稈的質地和顆粒的大小有直接關系，影響秸稈的緊實程度，以及持水和透氣能力。玉米秸稈發酵處理前后的容重均在在80～110 g/L范圍內，容重過小，說明玉米秸稈的容重較輕，如果要將玉米秸稈進一步加工成基質需要添加其他物質增加容重，否則固定植株的效果不好，持水性較差。張秀麗以玉米秸稈為材料配置育苗基質時，添加了適當的營養土增加玉米秸稈基質的容重，但是他們所使用的玉米秸稈并沒有進行發酵腐熟［11］。

在該試驗中，同時測量了不同處理玉米秸稈的電導率值、pH和緩沖容量。處理2和處理3在物理性質和EC、pH和緩沖容量上差異不顯著，說明添加酵母發酵玉米秸稈和添加雞糞在一定程度上具有相同的效果。沒有經過發酵處理之前的玉米秸稈pH小于7，經過不同處理pH均達到8以上。這主要是因為該試驗采用的堆肥方式是厭氧型。在厭氧環境中，有機物的分解分為2個主要階段:前期主要是在微生物的作用下會產生有機酸，使得pH逐漸下降，但是后期隨著甲烷細菌的不斷繁殖，有機酸迅速分解，pH迅速上升［12］。一般，微生物適宜生長的pH是中性或弱堿性(6.5～8.5)。該試驗后期秸稈pH達到8，呈堿性，這個pH環境比較適合微生物生長。這一點與劉凱等研究結論是一致的，但是與該試驗相比，雖然都是研究玉米秸稈，但處理上使用的發酵物質不同，他們使用的是牛糞和纖維素降解菌劑。

在營養成分的變化上，處理2的氮含量前后變化不大，這與添加的發酵輔料是雞糞有一定的關系，雞糞本身含氮量就比較高，可保證整個發酵過程氮的穩定性。處理3氮含量前期增高的原因可能與酵母菌發酵過程中產生某種含氮化合物有關，后期有機物質繼續分解使得含氮量降低，但是經過35 d發酵，處理2和處理3的含氮量基本相同。處理2和處理3磷的含量最終均低于處理1，鉀的變化均高于處理1。在碳含量的變化上，處理2和處理3均高于處理1，而且二者在第35天差異不大。整個試驗過程，筆者發現酵母與雞糞在發酵到一段時間后，表現出相同的效果，這可能與雞糞和酵母的用量有關，在今后的研究中可進一步加大用量，研究二者之間的差異性，從而進一步論證能否用酵母代替雞糞進行發酵秸稈，郭艷等認為，利用酵母發酵玉米秸稈里糖類生產乙醇或酵母單細胞蛋白，對拓寬秸稈開發利用的新方向具有重要的意義［13］。

綜合而言，該試驗重點研究了玉米秸稈發酵的新方法。近些年，玉米秸稈的研究主要集中在動物飼料、秸稈還田等方面［14－16］，對于玉米秸稈發酵腐熟研究并不多見，有些直接應用沒有進行腐熟的玉米秸稈進行育苗基質應用方面的研究［11］，有些研究在玉米秸稈腐熟過程添加的發酵輔料并不相同［12］，該研究探索性地將酵母加入到了玉米秸稈腐熟過程中，結果得出了和雞糞腐熟效果相似的結論，這可能與雞糞以及酵母的用量，以及發酵時間有直接關系。在今后的研究中，還應進一步深入研究玉米秸稈的發酵腐熟過程、微生物的活動、物質分解與合成等方面，從而拓寬玉米秸稈的應用范圍，滿足國家對提高農作物秸稈綜合利用的要求［17］。

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