農作物秸稈資源的綜合利用

焦玉萍，付 彤，田亞東，戚 鑫，易寶弟，廉紅霞

（1.河南省農業科學院畜牧獸醫研究所，河南 鄭州 450002；2.河南農業大學）

農作物秸稈資源的綜合利用

焦玉萍1，付 彤2，田亞東2，戚 鑫2，易寶弟1，廉紅霞2

（1.河南省農業科學院畜牧獸醫研究所，河南 鄭州 450002；2.河南農業大學）

1 秸稈飼料

秸稈經過青貯、氨化，利用化學、微生物學原理，使富含木質素、纖維素、半纖維素的秸稈降解轉化為含有豐富菌體蛋白、維生素等成分的生物蛋白飼料。目前，國內已開發出秸稈青貯、微貯、氨化、鹽化、堿化等飼料轉化技術。

1.1 飼料青貯技術

飼料青貯技術就是將飼料儲存于密閉環境中，利用乳酸菌在厭氧條件下發酵產生乳酸的不斷積累使青貯物的pH快速下降到3.8～4.2，則青貯物中所有微生物都處于被抑制狀態，同時飼料植物的呼吸過程完全停止，從而達到使飼料保持原有作為青飼料特有的適口性和營養價值的目的。保證飼料青貯技術成功與否或者青貯飼料品質好壞的關鍵是必須創造厭氧條件（壓實要求充分以盡可能減少殘存空氣）并滿足乳酸菌生長繁殖的最適宜條件（如30℃左右的料溫、適宜的含水量、較低的緩沖能力、充分的水溶性碳水化合物等）。評價青貯飼料發酵品質的指標主要包括物料損失率、感官指標（氣味、顏色、質地等）、pH、水分含量等現場評定指標以及有機酸總量及其構成（最重要的是乳酸、乙酸和丁酸的比例）、氨態氮／總氮比值等實驗室評定指標，一般可分別通過現場綜合評定和實驗室綜合評定對其質量進行評定。為了克服青貯過程中的一些不利因素，保證青貯飼料質量，可通過在青貯原料中添加適宜的青貯添加劑（通過增加原料中的有益菌種、降解植物細胞壁、增加發酵底物或降低pH等方式來促進青貯的發酵過程）提高青貯飼料的發酵和營養品質。青貯添加劑的種類較多，目前常用的青貯添加劑按作用效果可分為3類，即發酵促進劑（主要包括乳酸菌制劑、酶制劑和含碳水化合物較豐富的物質等）、發酵抑制劑（主要包括甲酸、乙酸和丙酸、甲醛等）和營養性添加劑（主要包括非蛋白氮、礦物鹽等）。

1.2 化學處理

化學處理包括氨化（液氨氨化、尿素氨化、氨水氨化、硫酸氫銨氨化）和堿化（氫氧化鈉和生石灰等）。秸稈的堿化就是在一定濃度的堿液作用下，打破粗纖維中纖維素、半纖維素和木質素之間的醚鍵或者酯鍵，并溶去大部分的磷酸鹽，溶解與細胞壁多聚糖結合的酚醛酸、糖醛酸、乙酰基，增加纖維素之間的空隙度，使細胞壁膨脹、疏松，增加瘤胃微生物附著的數目，提高纖維素的降解率。秸稈氨化是利用氨的弱堿性作用使有機物與氨發生氨解反應，其中的木質素與多糖間的酯鍵遭到破壞，并形成銨鹽，不僅能提高纖維素的降解率，還能給反芻動物提供氮源，改善秸稈適口性，但氨化對秸稈NDF含量和瘤胃降解率的促進作用沒有堿化的效果明顯。

1.3 微貯技術

從目前的研究結果來看，秸稈的微貯技術由于多菌種間的協同作用，復合菌劑較單一菌劑效果顯著。然而，復合菌劑在生產和應用過程中仍然存在一些問題，如使用的菌種種類多，發酵和配伍生產工藝復雜等。與單一使用乳酸菌相比，聯合使用纖維素酶和乳酸菌接種物效果更好。如能在玉米秸稈中添加一定量的纖維素酶和乳酸菌，既可降解玉米秸稈的纖維素，又可將釋放的還原性糖轉變為乳酸，抑制腐敗菌生長，保持作物的鮮嫩和營養，同時改善適口性、提高消化率，使之成為飼用原料，為玉米秸稈的利用和飼料資源的獲得提供可行的途徑，因此，添加外源的纖維素酶來促進青貯發酵，提高粗飼料的利用率，已引起人們的極大興趣。

近年來隨著分子生物學的發展和對乳酸菌研究的進一步深入，為人們提供了一種采用基因工程技術把外源纖維素酶的基因導入乳酸菌中的途徑。應用這種構建的工程乳酸菌可以省去纖維素酶的生產和添加這一步驟，節約成本；同時，乳酸菌又可利用纖維素為碳源進行生長繁殖，進一步提高青貯飼料的營養價值，改善青貯效果。隨著分子生物學技術的迅速發展，人們開始對許多廣泛應用的菌株進行基因水平的改造。主要是利用基因工程技術，使其攜帶外源基因并表達外源基因產物，從而發揮更廣闊的應用價值。

2 秸稈肥料

秸稈肥料利用除可采用直接還田、堆漚還田和過腹還田3種形式外，還可采用特殊工藝和科學配比，生產秸稈制造優質有機復合肥。

2.1 秸稈堆漚還田

秸稈堆漚還田是在夏秋季高溫季節把秸稈堆積厭氧發酵漚制。其特點是時間長、受環境影響大、勞動強度高、產出量少和成本低廉。由于效益比較低，加之有機肥肥效滯后，直接效益不明顯，故農民不愿做大的投入，堆肥量不大。

2.2 機械化秸稈還田

采用聯合收割機等，在地里直接將作物秸稈粉碎，再深耕犁翻埋到土壤深處去。其特點是作業機械化程度高、秸稈處理時間短，是用機械對秸稈進行簡單處理的方法。秸稈還田直接經濟效益相對較低，原因是除了還田作業必須與深耕和深翻配套實施外，一般還要求有配套的農藝措施，如配施氮肥、墑情不足時造墑和加強病蟲害防治等。若不實施深耕深翻等必要的輔助措施，秸稈在土壤淺層不能很快腐爛，又影響犁耕和旋耕作業，特別是不利于小麥的播種，導致播種質量差，造成減產。實踐中，農民多使用秸稈還田機將秸稈粉碎之后一燒了之，如此既達不到秸稈還田的目的，又增加了農業成本，還污染了環境。所以，機械化秸稈還田的推廣要綜合農業生產效率與效益，把握推廣程度。

2.3 制造優質有機復合肥

用高新技術進行菌種的培養和生產，用現代化設備控制溫度、濕度、數量、質量和時間，經機械翻拋、高溫堆腐、生物發酵等過程，將農作物秸稈等農業廢棄物轉換成優質有機肥。其成本與尿素接近，具有自動化程度高（生產設備1人即可操縱）、腐熟周期短（4～6 w時間）、產量高（每臺設備可年產肥料2萬～3萬t）、無環境污染（采用好氧發酵，無惡臭氣味）、科學配比肥效高等其他方法無可比擬的優點。施用秸稈優質有機復合肥對于促進土壤養分轉化、改善土壤物理性質、增強農作物抗病能力和優化農田生態環境都有良好的效果。

3 用于能源建設

3.1 秸稈沼氣技術

秸稈沼氣技術以秸稈為發酵原料，在隔絕空氣并維持一定溫度、濕度、酸堿度等條件下，經過沼氣細菌的發酵作用生產沼氣。沼氣是一種混合氣體，主要成分是甲烷，其次為二氧化碳、氧氣、氮氣和硫化氫等。根據處理工藝，沼氣發酵可分為干法和濕法發酵兩類；另外從工程規模和利用方式上又可分為戶用秸稈沼氣和秸稈沼氣集中供氣工程兩類。由于秸稈不易被厭氧微生物及酶直接利用，因此在發酵前需對其進行預處理。秸稈中的C/N比較高，在50以上，高于正常發酵所需的20～30，因此在發酵時需添加富含氮素的原料，如碳酸氫銨、尿素或動物糞污等，以減少發酵啟動時間，提高沼氣產量。生物質秸稈的預處理方法大體上分為物理法、化學法、熱處理法和生物法四大類。物理法主要是通過粉碎、揉絲、浸泡等方法，改變秸稈的外部形態或內部組織結構；化學處理就是利用化學制劑（氫氧化鈉、氨水等）破壞秸稈細胞壁中半纖維素與木質素形成的共價鍵，從而達到提高秸稈消化率的目的。此方法處理后秸稈中殘存的化學試劑可能對沼氣發酵產生抑制作用以及易引起環境的二次污染等問題限制了其應用。熱處理法目前應用的主要是高壓水蒸氣爆破法，通過高壓水蒸氣爆破破壞秸稈結構，提高秸稈利用率。該方法的處理成本較高，需要專用的設備，因而在推廣應用中受到了限制。生物法主要是利用微生物對秸稈進行預處理，主要包括以乳酸菌為核心的青貯方法，以降解木質素的白腐真菌為核心的復合菌劑，以及利用沼液中的水解微生物對秸稈進行堆漚等。生物法處理成本較低，條件溫和且無須專門的設備設施，處理效果較好，因而近年來受到極大的關注，在實踐中應用較多。

3.2 秸稈的氣化技術

秸稈熱解氣化是指秸稈原料在缺氧狀態下發生熱化學反應轉化為氣體燃料的能量轉換過程。生物質是由碳、氫、氧等元素組成的，當生物質原料在氣化爐中燃燒時，隨著溫度的升高，燃燒產生的氣體與赤熱的炭層反應，轉化為含一氧化碳、氫氣、甲烷等成分的可燃氣體。熱解氣化過程主要分為秸稈干燥、裂解反應、氧化反應、還原反應4個階段。秸稈燃氣經冷卻、除塵、除焦等處理后，可供民用炊事、取暖、發電等使用。根據氣化工藝不同，秸稈氣化爐可分為固定床秸稈氣化爐和流化床氣化爐2種類型。固定床氣化爐又可進一步細分為固定床上吸式氣化爐和固定床下吸式氣化爐兩類。固定床上吸式氣化爐進料口位于爐體頂部，物料由爐頂加料口進入爐內，爐內料層自上而下分別為干燥層、熱解層、還原層和氧化層；氣化劑由爐體底部的進風口進入爐內參與氣化反應。固定床下吸式氣化爐物料由爐頂加料口加入爐內，氣化劑由爐體上部進風口和爐頂進料口進入爐內，可燃氣體最終通過爐體下部排出。流化床氣化爐工藝中的流化床材料為精選過的惰性材料砂子，物料通過輸送攪龍進入爐內，爐底以較大壓力通入氣化劑，使爐內呈沸騰、鼓泡等不同狀態，物料和氣化劑充分接觸，發生氣化反應。該類氣化爐具有受熱均勻、氣化反應快、產氣率高、燃氣焦油含量少等優點，但其對秸稈物料大小要求嚴格，氣化爐結構復雜，可燃氣中灰分較多，實踐中應用較少。

3.3 秸稈發電技術

秸稈發電技術是以農作物秸稈為原料的一種發電方式，根據秸稈利用方式的不同，主要有以下3種技術路線: 秸稈直接燃燒發電、秸稈/煤混合燃燒發電、秸稈氣化發電。秸稈直接燃燒發電是指把秸稈原料送入鍋爐中直接燃燒產出高壓水蒸氣，通過汽輪機的渦輪膨脹做功，驅動發電機發電。目前，秸稈直接燃燒發電技術主要有2類，分別為水冷式振動爐排燃燒發電技術和流化床燃燒發電技術。秸稈混合燃燒發電是指使用秸稈和煤的混合燃料進行發電，秸稈混合燃燒方式主要有直接混合燃燒、間接混合燃燒和并聯燃燒3種方式。直接混合燃燒是指在秸稈預處理階段，將粉碎處理好的秸稈與煤粉在進料的上游充分混合后，輸入鍋爐燃燒。間接混合燃燒是指先對秸稈進行氣化，然后將秸稈燃氣輸送至鍋爐燃燒。并聯混合燃燒指秸稈在獨立的鍋爐中燃燒，將產生的蒸汽與傳統燃煤鍋爐產生的蒸汽一并供給汽輪機發電機組做功。秸稈氣化發電是指，首先使生物質原料在缺氧狀態下發生熱化學反應轉化為氣體燃料（一氧化碳、氫氣、甲烷），然后將轉化后的可燃氣體由風機抽出，經冷卻除塵、去焦油和雜質后，供給內燃機或者小型燃氣輪機，帶動發電機發電。目前秸稈氣化發電主要用于較小規模的發電項目。

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1004-5090（2017）10-0027-02

2017-08-29）