幾種常見農作物秸稈及其不同部位的吸水性比較研究

陳廣銀，李敬宜，丁同剛，王邵婷，王曉英

（安徽省水土污染治理與修復工程實驗室，安徽師范大學環境科學與工程學院，安徽蕪湖241002）

農業秸稈是農業生產的主要副產品，一般指農作物收獲后殘留的部分，具有產量大、含水率低、木質化程度較高和季節性產生等特點。2014年我國僅水稻、小麥和玉米秸稈產量就達7.64億噸[1]。由于農業生產方式轉變和農村勞動力短缺問題不斷加劇，秸稈資源化問題日趨緊迫，在沒有低成本易使用的技術時，就地焚燒無疑是最易被農民利用的處理方式。秸稈的大面積集中焚燒導致空氣嚴重污染和土壤有機質損失[2-3]，也是資源的極大浪費。秸稈禁燒已成為各級政府的政治任務，其根源在于秸稈綜合利用未實現產業化。

國家環境保護總局（現生態環境部）[4]和農業部（現農業農村部）[5]分別于1999年和2007年頒布了關于秸稈禁燒和綜合利用的相關政策，這些政策的實施促進了秸稈資源的綜合利用。秸稈綜合利用的技術很多，歸類后可以簡稱“五化”，大多數技術都與生物有關，如肥料化、沼氣化、飼料化、基料化等，而生物處理過程中水是最重要的條件之一，秸稈的吸水速率、持水能力直接影響生物處理的效率和程度。水吸力能夠反映多孔介質顆粒對系統內水分的吸附能力[6]，并與介質中的物理、化學及生物過程直接相關聯。云麗等[7]研究發現，秸稈與水接觸后秸稈的水吸力隨著處理時間延長逐漸增加，堿處理可縮短秸稈水吸力達到峰值的時間，該結果表明，預處理提高了秸稈的水吸力。秸稈親水性增強后，其持水力增加，可加速微生物的粘附，提高秸稈的消化效率[8]。在各種生物處理技術中，堆肥化和沼氣化是最典型的兩種秸稈生物處理方式。堆肥化一般是指高溫好氧堆肥，在堆肥啟動時，一般需將物料的含水率調節至50%～60%最利于堆肥快速啟動[9]，但物料的吸水速率直接影響物料的真實含水率，進而影響堆肥啟動速度。由于不同物料的飽和含水率有一定差異，在厭氧發酵中，將發酵系統內物料含水率在80%以下的定義為干發酵[10]，含水率在80%～90%稱為高固體發酵。本文以我國幾種主要的農作物秸稈為研究對象，從不同秸稈種類和秸稈不同部分兩個角度對秸稈在完全浸泡條件下的吸水性能進行比較研究，獲得不同秸稈及不同部位秸稈的吸水特性，為秸稈生物處理提供基礎數據，由于不同物料的飽和含水率有一定差異。

1 材料與方法

（1）試驗材料

實驗用秸稈取自安徽蚌埠農村，秸稈種類包括小麥秸、稻秸、玉米秸、油菜秸、大豆秸和芝麻秸。取回的秸稈風干后，人工切碎至1～2 cm小段于干燥陰涼處備用。

（2）試驗方法

實驗包括兩部分，即不同農作物秸稈的吸水性能實驗和選擇的幾種農作物秸稈的不同部位的吸水性能試驗。實驗在2 L燒杯內進行，取50 g實驗用秸稈用紗布包好后置于燒杯內，加入1 L蒸餾水，用重物（玻璃制品）將包有秸稈的紗布完全浸泡于水中，分別于實驗第0、1、8、15、23、32、48 h取少量紗布內的秸稈，瀝水30m in后（至不滴水為止）測定其含水率。每個處理3個平行，取平均值進行分析。

不同農作物秸稈的吸水性能實驗，分別選取小麥秸、稻秸、玉米秸、油菜秸、大豆秸和芝麻秸；秸稈不同部位吸水性能實驗，所用原料為小麥秸、稻秸的穗、莖、葉，玉米秸的莖、葉、根。

（3）測定指標和方法

測定不同浸泡時間秸稈的含水率，采用（105±2）℃烘24 h差重法測定。

（4）作圖及統計分析

采用Origin 8.0作圖，Excel2007軟件處理試驗數據。

嘉興市農村土地承包經營權流轉的主體主要是農戶，農戶間流轉的比例高達66.54%，明顯高于農戶與農村合作社、企業等的流轉比例。在調查過程中發現，城鎮居民、科研機構、事業單位等也參與了農村土地流轉，成為推動農村土地流轉、調整農業生產結構、發展規模農業的新興力量。

2 結果與分析

2.1 不同農作物秸稈的吸水性能比較

實驗過程中各種秸稈含水率隨浸泡時間變化的結果如圖1所示。可以看出，實驗啟動后，各種秸稈含水率均快速增加，即秸稈在被水浸泡后快速吸水，但不同秸稈的吸水速率差別較大。稻秸、麥秸、玉米秸、芝麻秸和油菜秸含水率分別從實驗啟動時的9.01%、7.43%、9.52%、9.89%和8.67%快速增加至1 h后的69.51%、70.86%、73.17%、72.86%和70.06%，分別增加了60.50%、63.43%、63.65%、62.97%和61.39%，各處理間差異不顯著（P＞0.05），而大豆秸從實驗啟動時的9.92%增加至45.99%，僅增加了36.07%，遠低于其他秸稈，充分說明大豆秸的吸水速率最低。1 h后，大豆秸的含水率仍保持較快增加，23 h后基本達到飽和，飽和含水率為67.5%～67.9%；其他5種農作物秸稈在實驗1 h后吸水速率快速降低，在實驗第15 h達到飽和，稻秸、麥秸、玉米秸、芝麻秸和油菜秸飽和持水率均在82%～84%之間，均遠高于大豆秸。可以看出，相對于其他5種秸稈，大豆秸稈的吸水速率更低，達到飽和持水率的時間更長，飽和持水率亦最低。黎力之等[11]研究發現，大豆秸中粗蛋白(CP)、粗脂肪(EE)、中性洗滌纖維(NDF)、酸性洗滌纖維(ADF)、粗灰分(CA)的含量分別為8.87%、2.33%、49.02%、35.98%和5.52%，其粗蛋白含量顯著高于稻秸、麥秸等大田秸稈，充分說明不同農業秸稈因物質組成和結構不同，其吸水速率和飽和持水率均可能有較大差別。

圖1的結果既反映了不同秸稈吸水速率的差別，也反映了不同秸稈的飽和持水率差異。水是微生物活動和物質交換的前提條件，但大部分秸稈結構較為致密，這造成其吸水速率低，不利于微生物快速利用，進而影響其水解速率。影響秸稈吸水速率的因素包括其表面結構（如蠟質層）、物質組成（如脂類物質）、木質化程度等，而影響秸稈飽和持水率的主要因素是其物質組成。在秸稈利用時，需充分考慮秸稈的吸水特性，設計處理工藝參數，如預處理時間、秸稈沼氣干發酵時發酵液回流時間、秸稈堆肥時的加水預處理時間等。

2.2 秸稈不同部位吸水性能比較

選用我國最主要的3大類農作物秸稈為研究對象，對其在生產中能分開的穗葉莖/根葉莖的吸水性能進行比較研究。

2.2.1 稻秸不同部位吸水性能比較

稻秸不同部位的吸水性能隨浸泡時間的變化如圖2所示。由圖2可以看出，稻秸不同部位的含水率隨浸泡時間的變化趨勢相似，均為在試驗啟動后1 h時快速增加，稻秸的穗、葉、莖分別從實驗啟動時的6.88%、9.90%和7.94%快速增加至1 h時的57.16%、72.53%和68.53%，之后增加速度放緩直至基本穩定。試驗結束時，稻秸的穗、葉、莖含水率分別為66.35%、87.37%和82.67%，穗的吸水速率和飽和持水率均明顯低于葉和莖，葉和莖間差異不顯著（P＞0.05），這與其物質組成密切相關，穗的表面致密，水分不容易進入，水可以通過水稻的導管進入莖的內部，葉則介于莖和穗之間。

圖1 秸稈含水率隨浸泡時間的變化

圖2 稻秸不同部位吸水性能隨浸泡時間的變化

2.2.2 麥秸不同部位吸水性能比較

麥秸不同部位吸水性能隨浸泡時間的變化如圖3所示。由圖3可以看出，不同部位秸稈含水率隨浸泡時間的變化趨勢相似，均為在浸泡前1 h時快速增加，之后增速放緩直至基本穩定。試驗啟動后，麥秸的穗、葉、莖的含水率快速增加，分別從實驗啟動時的5.03%、6.79%和6.14%快速增加至1 h時的58.84%、74.14%和71.48%，增幅達53.81%、67.35%和65.34%，之后吸水速率逐漸降低，但1 h后穗的吸水速率明顯高于葉和莖。實驗結束時，麥秸的穗、葉、莖含水率分別為80.33%、81.53%和80.42%，即雖然穗的吸水速率較葉和莖要低，但最終的飽和持水率基本一致，三者間差異并不顯著（P＞0.05），這與不同秸稈吸水特性實驗中大豆秸稈的吸水特性有一定差別，亦不同于水稻秸稈。

2.2.3 玉米秸不同部位吸水性能比較

玉米秸不同部位的吸水性能隨浸泡時間的變化如圖4所示。由圖4可以看出，玉米秸稈不同部位的含水率隨浸泡時間的變化趨勢相似，均為在試驗啟動后前1 h快速增加，之后放緩直至基本穩定。試驗啟動后，玉米秸的根、葉、莖含水率快速增加，分別從實驗啟動時的6.68%、9.93%和6.95%快速增加至1 h時的61.60%、73.89%和70.13%，增幅分別為54.92%、63.96%和63.18%，之后吸水速率逐漸降低。從圖4可知，根和葉在浸泡48 h后含水率仍有增加趨勢，說明根和葉的吸水速率要遠低于莖。實驗結束時，玉米秸的根、葉、莖含水率分別為75.88%、78.53%和84.85%，根的吸水速率和飽和持水率均最低，其次是葉，但三者間差異并不顯著（P＞0.05）。在生產實踐中，由于玉米秸的根一般不會與秸稈一起收集，故根較低的吸水速率不會影響玉米秸的后續利用。

圖3 麥秸不同部位吸水性能隨浸泡時間的變化

圖4 玉米秸不同部位吸水性能隨浸泡時間的變化

3 討論

從不同種類秸稈含水率隨浸泡時間的變化可以看出，大多數的秸稈吸水速率和飽和持水率均相差不大，但仍有少部分秸稈無論是吸水速率還是飽和持水率均較低，這與其物質結構和物質組成有關，尤其是那些含有大量木質素以及組成致密的秸稈。Ghaffar和Fan[12]研究發現，麥秸中的木質素含量較高是導致其吸水性能較差的重要因素，麥秸表面蠟質的多少直接影響麥秸的吸水速率。Ward等[13]研究發現，松木刨花和粉碎的報紙的持水性能大于麥秸，這與其較高含量的木質素和纖維素有關。紀楠[14]通過對收集的138個大豆秸稈樣本進行分析，得出大豆秸稈中木質素含量為27.12%～36.98%，遠高于稻麥、玉米等秸稈[15-17]，這可能是導致大豆秸稈的吸水速率和飽和持水率均較低的重要原因，具體原因還有待于進一步分析。

通過對水稻秸、麥秸和玉米秸不同部位吸水性能結果的分析可以看出，稻秸和麥秸的穗的吸水速率均較低，但稻秸的穗的飽和持水率遠低于葉和莖，麥秸的穗的飽和持水率與葉和莖相當，也就是說，同樣是穗，不同種秸稈的穗的吸水性能仍有一定差別。玉米秸稈各部位含水率的變化在試驗前1 h與稻麥秸稈相似，但后期則略有差別，玉米秸稈不同部位的飽和持水率各不相同，飽和持水率由大到小為莖、葉、根。以上結果表明，不同秸稈物質組成和結構的差異，導致其不同部位的吸水速率、飽和持水率出現一定差別，秸稈利用時需考慮到這一因素。

4 結論

綜上所述，大多數秸稈的吸水速率和飽和持水率相近，但少部分秸稈則有很大不同。在試驗用6種秸稈中，除大豆秸稈外，其他秸稈的吸水速率和飽和持水率相近，飽和持水率均在82%～84%，但大豆秸的吸水速率和飽和持水率均遠低于其他秸稈；同種秸稈不同部位的吸水速率和飽和持水率有較大差別，稻秸和麥秸的穗的吸水速率均較低，但稻秸穗的飽和持水率遠低于葉和莖，麥秸穗的飽和持水率與葉和莖相當，玉米秸不同部位的吸水速率和飽和持水率均有較大差別；穗和根是秸稈吸水速率最慢的部位，莖和葉相近，因穗和根在秸稈整株中的質量占比并不高，且收割的農作物秸稈中根和穗的占比更低，故不會對整株秸稈的吸水特性產生太大影響。