農作物秸稈綜合利用研究進展

才金玲 劉潔 王乃可 張引芹 王娟

摘要?對當前農作物秸稈的綜合利用現狀進行了綜述。目前農作物秸稈的綜合利用主要包括秸稈飼料、秸稈還田、秸稈能源、食用菌培養、建筑材料、活性炭和新材料等領域。在總結國內外綜合利用秸稈研究進展的基礎上，提出了今后農作物秸稈開發利用的重點和方向，旨在為高效綜合利用農作物秸稈并開展相關研究提供參考。

關鍵詞?農作物秸稈;飼料;還田;食用菌;建筑材料;活性炭

中圖分類號?S38?文獻標識碼?A?文章編號?0517-6611（2021）09-0011-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.09.003

Abstract?This article reviewed the current status of the comprehensive utilization of agricultural straw. Nowadays， the comprehensive utilization of crop straw mainly included straw feed， straw returning， renewable energy， edible mushrooms cultivation， building materials， activated carbon and new materials. Based on summarizing the research progresses on the comprehensive utilization of straw at home and abroad，?priorities and directions for the future development and utilization of crop stalks were proposed， so as to provide references for making efficient use of straw resources and carrying out relevant researches.

Key words?Crop straw;Feed;Straw returning;Edible mushroom;Building materials;Activated carbon

秸稈資源是重要的可再生資源，富含熱能和碳、氮、磷、鉀、微量元素等營養成分，具有廣泛的應用價值。我國是農業大國，秸稈資源豐富，位居世界秸稈資源的首位，產量還在逐年增加[1]。若這些秸稈資源得不到有效利用和處理，就會造成極大的資源浪費和環境壓力[2]。因此，開展農作物秸稈的合理開發和充分利用，對于生態環境保護和農業增效都具有重要意義。

目前農作物秸稈的綜合利用主要包括秸稈飼料、秸稈還田、秸稈能源、食用菌培養、建筑材料、活性炭和新材料等領域。筆者對農作物秸稈的綜合利用現狀進行了綜述，在總結國內外綜合利用秸稈研究進展的基礎上，提出了今后農作物秸稈開發利用的重點和方向，旨在為高效綜合利用農作物秸稈提供參考。

1?秸稈飼料

秸稈飼料是指以農作物秸稈作為反芻動物的飼料。常用的秸稈飼料主要包括甜高粱、玉米、水稻、棉花等秸稈。秸稈飼料在一定程度上緩解了人畜爭糧的矛盾，可以大大降低牲畜的飼養成本，但農作物秸稈中的木質素、纖維素和半纖維素限制了瘤胃微生物對秸稈的有效利用，導致其營養價值較低[3]。秸稈需經特殊處理后再生產飼料。目前處理秸稈的方式[4]如表1所示。

2?秸稈還田

當前土壤養分和有機物含量是作物產量的主要限制因子。增加作物產量和提高作物品質是保證國家糧食安全的重要措施之一。農作物秸稈含有豐富的氮、磷、鉀和微量元素等，是農業生產中的重要肥料來源。秸稈還田對于改善農田種植條件、提高土壤肥力、增加土壤微生物，最終實現農作物增產具有重要意義。

2.1?秸稈還田對土壤肥力的影響

秸稈是土壤重要的營養來源，也是潛在的肥料來源，能顯著增加土壤有機質含量。衡量土壤肥力的關鍵指標是有機碳含量。Berhane等[5]調查發現，秸稈還田處理的年土壤固著率與秸稈還田量呈顯著正相關。李峰等[6]通過將紫云英與秸稈還田與不施肥的對照進行比較，結果發現紫云英秸稈還田能有效提高土壤有機質（3.98%～46.49%）、堿解氮（4.46%～35.88%）和顆粒有機碳（3.59%～35.77%）的含量。秸稈中含有氮、磷、鉀、鎂、鈣及硫等農作物生長所必需的營養元素，例如鎂對玉米生長有重要影響，秸稈還田與施用鎂肥相聯合能有效提高玉米的產量。由此可見，長期秸稈還田與礦物質施肥相結合能有效提高作物產量和土壤中有機碳儲量，顯著提升土壤肥力，給農業帶來極大的經濟效益和生態效益。

2.2?秸稈還田對土壤結構的影響

秸稈還田具有儲存降雨和提高土壤溫度的作用。它通過增加土壤的孔隙度，形成地面覆蓋，有效抑制土壤中水分的蒸發，顯著提高土壤的水穩性團聚體的比例和穩定性。Liu等[7]研究發現秸稈還田能顯著增加小麥產量、提高水分利用率和增強土壤的保水能力。孫新榮等[8]將高寒陰濕區秸稈還田與馬鈴薯種薯繁育技術相結合，有效改善了土壤含水量過高、透氣性差的問題，從而解決了薯塊氣孔嚴重外翻問題，減輕種薯窖藏病害，提高種薯質量。綜上所述，秸稈還田可以改善土壤結構，對于農作物的生長、發育具有促進作用。

2.3?秸稈還田對土壤中微生物的影響

由于秸稈中含有豐富的碳水化合物，秸稈還田能顯著增加土壤中的微生物含量、改善微生物結構和提高固氮量。首先，秸稈還田能有效改善微生物種群結構，提高微生物密度。Bu等[9]調查發現土壤耕作和秸稈還田處理可以使土壤中的碳成分重新分布，進而提高細菌等微生物的豐度和多樣性。Su等[10]發現秸稈還田降低了病原菌種群（互花蒿屬），且長期的秸稈還田可為土壤微生物群落提供適宜的養分和鹽度，使其在數量和結構上得到健康發展。其次，秸稈還田能增強農作物抵御病蟲害感染的能力。秸稈還田處理后的放線菌數量比對照增加了2.64倍，這是減少作物感染病蟲害的有效舉措[11]。當前秸稈資源存在的主要問題是運輸難、儲藏難，秸稈還田是當前最經濟、有效的舉措。

3?秸稈能源

隨著經濟的快速發展，我國能源短缺問題日益嚴重。將農作物秸稈作為生產能源的原料可在一定程度上緩解我國能源短缺的現狀，有助于提高農作物秸稈利用率，滿足可持續發展的要求。Meyer等[11]提出2030年沼氣將作為歐洲各國的潛在能量來源，預計2030年歐洲沼氣產氣量將達到2015年的2倍。廢棄物生產能源是發展歐洲沼氣的可持續、安全、經濟可行的重要舉措。

以農作物秸稈為底物，經過微生物厭氧發酵技術產生的可再生能源主要包括甲烷和液體燃料兩大類。農作物秸稈產沼氣具有重要的社會意義、經濟價值、環保功能以及緩解能源危機的作用[14]。生物燃料乙醇具有較高的辛烷值和良好的抗爆性，是一種優良的可再生能源。在農作物秸稈生產燃料的過程中存在以下問題：秸稈表層的蠟質阻礙微生物附著;木質素很難被微生物利用;碳氮比例失調和缺乏微量元素導致的營養不均衡，使得秸稈產氣率和產乙醇率降低;傳統的反應器無法解決秸稈上浮、結殼等問題[15]。目前主要從以下方面提高秸稈降解率，以產生生物燃料。

3.1?預處理

秸稈飼料預處理法會破壞秸稈中的纖維素、半纖維素和木質素之間的致密結構。梁仲燕等[15]提出秸稈經6%H3PO4處理纖維素的降解率最高，沼氣產氣量最大，且TS和VS去除率也達到最大值。Fjrtoft等[16]研究了NH3、NaOH、干磨、熱水和蒸汽爆破等預處理方法對沼氣生產的影響，結果發現NaOH對大麥秸稈的預處理效果尤為顯著。Yu等[17]采用超聲波法預處理玉米秸稈，粒徑明顯下降，并顯著提高了乙醇的液化和糖化能力。

3.2?微生物優化

菌種是決定微生物產能的關鍵因素。利用復合微生物菌群顯著提高了秸稈降解率和產甲烷率[18]。篩選具有特異降解能力的菌株，例如使用真菌Pleurotus ostreatus降解稻草[19]，發現該株真菌能顯著提高稻草的孔隙率、比表面積、乙酰基豐度、聚合度和木質素降解率，最終提高甲烷產量。T.reesei NCIM 1052[20]具有較高的濾紙酶和纖維素酶活性，乙醇產量較高。優化菌株培養條件，例如優化Clostridium sporogenes NCIM 2918[21]的培養條件可以提高乙醇和丁醇的產量。

3.3?添加營養物質

通常農作物秸稈的營養成分不適宜直接發酵，通過添加營養物質、優化碳氮比等能有效提高甲烷產量。氧負荷水平顯著影響產甲烷量，其中微氧對制氫和產甲烷具有一定的促進作用[22]。Hossain等[23]利用共熱解技術研究了聚乙烯廢渣與稻草在不同組成條件下共熱解制備液體燃料，結果發現聚乙烯飼料和稻草飼料在430 ℃下按1∶1比例混合，可得到最大液體燃料產量，且制備的液體產品具有良好的燃料特性。

3.4?生產工藝優化

優化生產工藝能夠有效提高產能。例如，在青貯前進行壓塊，貯存過程中多次氣調能有效提高沼氣的產氣量，從而提高秸稈的利用率[24]。在傳統的甲烷工藝中，一般使用圓管或者類似圓管的幾何傳熱結構，Chen等[25]對傳熱裝置（如圓管、扭方形管和扭六邊形管等）的傳熱性能進行了計算，結果表明螺旋六角管的產氣量比圓管提高17.0%。

4?農作物秸稈在食用菌中的應用

在大力倡導農業循環經濟的形勢下，大多數農作物秸稈都可以用作食用菌的生產原料。食用菌屬于真菌類，富含賴氨酸、精氨酸、甲硫氨酸和色氨酸，具有較高的營養價值。傳統上，以棉籽殼和木屑等作為食用菌的培養基。近年來，隨著棉籽殼價格的升高和木林資源的減少，人們逐漸將注意力集中在秸稈上。農作物秸稈是最具開發前景的代用料。在利用農作物秸稈栽培食用菌方面，不僅大部分草生菌、蘑菇、姬松茸、草菇等可以利用秸稈栽培，而且部分木生菌也實現了秸稈栽培，如香菇、平菇、木耳等[26]。劉晨等[27]在利用玉米秸稈培育香菇的基礎上，通過調控玉米以及香菇中的各種酶，發現多聚物降解酶在這一過程中有著不可替代的作用，在香菇的生長過程中會產生多種降解酶的協同作用，進而為香菇生長提供必要的營養物質。

5?建筑材料

近年來，國內外對建筑材料的需求不斷增長，甚至出現建筑材料短缺的問題。使用秸稈建成的草磚建筑是未來建筑行業以及能源行業發展的重要方向[28]。用秸稈作為建筑材料具有以下特點：抗腐、成本低、隔音、熱阻高、輕質、防震、保溫、節能、縮短施工時間、熱舒適性高以及使用區域廣[28]。近幾年，墨西哥、美國、英國、中國[29]等國家在建筑技術以及性能方面對草磚建筑開展了大量研究。使用秸稈作為建筑原料能顯著降低建筑成本，同時實現資源的可持續利用。

秸稈建材由最初的新型人造板、磚、保溫材料、隔熱材料等到后來發展到建筑墻體以及綠色復合材料，這一過程取得了卓越的成就。隨著經濟的發展，人們對居住環境也有了越來越高的要求，綠色的新型建筑材料也越來越受到人們的青睞。Fu等[30]將稻草、發泡劑、鎂水泥膠黏劑組成的復合材料（SMLC）與建筑行業的其他復合材料進行比較，結果發現SMLC更輕、更隔熱、不可燃，這些優異的性能不僅使新型復合材料成為一種理想的建筑材料，特別是作為隔熱隔墻，而且為廢棄秸稈的處理提供了一種潛在的解決方案。Domínguez-Robles等[31]采用物理處理方法將玉米秸稈轉化為稻草粉，進一步制備合成了硬質聚氨酯復合發泡材料，該泡沫塑料具有良好的保溫效果，主要被應用于冰箱保溫填充材料、化工輸送管道保溫材料、建筑墻面保溫層等領域。

6?活性炭

由于活性炭具有很強的吸附性能，在化工、醫藥、環境治理等領域中都有著廣泛應用，是人類生產生活中必不可少的一部分。活性炭原料來源廣泛，煤炭、木材、椰殼等原料在活性炭的制備中占據主要地位。隨著煤炭等資源的不斷減少，人們開始尋找新的資源來制備活性炭。秸稈資源因其可再生、成本低的特點進入了人們的視野。利用秸稈制備活性炭逐漸成為人們關注和研究的重點。Dai等[32]以蘆葦秸稈為原料，采用KOH活化法制備了空心活性炭（HAC），結果表明當KOH含量是碳化蘆葦秸稈的3倍時，HAC具有出色的電化學性能和倍率性能。Jiang等[33]以小麥秸稈、玉米秸稈和高粱秸稈為原料，并將ZnCl2和H3PO4用作協同催化劑來制備秸稈活性炭，這3種秸稈都是制備用于去除廢水中染料的活性炭的高效前體。

以上研究表明，秸稈在制備活性炭方面的研究目前取得了較好的進展，但為了進一步降低秸稈焚燒量，提高秸稈利用效率和減少環境污染，仍需深入研究和發展。

7?新材料

目前，尋找秸稈利用的新途徑成為一種新的趨勢，基于此，許多學者對利用秸稈制備新材料開展了研究。秸稈可用來制作功能性低聚糖、納米纖維素、羧甲基纖維素、丁二酸等精細化學品及其中間體，也可用來造紙、清潔制漿等[34]。例如，Kuglarz等[34]研究發現以油菜籽秸稈為原料，從基于生物質酸的預處理過程中產生的液體和乙醇發酵中基于木糖的殘留物中均可提取出丁二酸，這些產品被廣泛應用于醫藥、日化、食品、造紙等領域。Li等[35]將農作物秸稈轉化為多功能的全生物質薄膜，最終獲得的秸稈生物質膜具有高強度和優良的防紫外線性能。Bilo等[36]利用稻草來生產生物塑料，制備的纖維素基生物塑料具有優異的機械性能，并且這種生物塑料在埋入土壤后105 d就可以完全分解。用秸稈制作的可降解材料在表現良好性能的同時能夠有效減少環境污染，可以達到“以廢治污”的目的，在未來將逐步替代傳統塑料，應用前景廣闊。

由此可見，以秸稈為原料制備的化工產品種類豐富、用途廣泛，對于實現秸稈的高值化利用具有重要的戰略意義。但目前由于技術水平還不夠成熟或者在實際生產中存在很多難題，用秸稈制作新材料的各種途徑基本沒有或很少進入大規模運作階段，若要實現這些產品的工業化還需要繼續解決實際應用過程中面臨的各種難題。

8?展望

目前的秸稈綜合利用主要集中在肥料化、燃料化、飼料化、原料化和基料化等方面，預計在未來相當長的時間內也將以這5個方面為主要發展方向，以期達到秸稈利用方式基本符合現代化要求和燃燒秸稈方式徹底消除的目的。研究顯示，2020年我國秸稈綜合利用率將超過85%[37]，表明秸稈綜合利用推進工作在全國范圍內已取得初步成效，但目前仍存在農民缺乏對秸稈綜合利用的認知、地方政府實行的秸稈綜合利用政策不夠全面合理、秸稈綜合利用研究不夠成熟、秸稈收集儲存體系不完善等問題。鑒于此，未來秸稈綜合利用的推動工作應從農民、政府、技術支持這3個方面展開。

①從農民角度來看，農民應提高對秸稈綜合利用的認知，積極參與到秸稈綜合利用工作中來。

②從政府角度來看，政府應加大宣傳力度，完善秸稈綜合利用政策，建立完善的秸稈收藏儲運體系，解決秸稈綜合利用的機械設備等問題。

③從技術層面來看，首先在未來需要進一步推進現有的秸稈利用方式的研究，攻克秸稈實際利用轉化過程中的技術難題，使秸稈利用方式能投入工業化生產運作，實現秸稈的高值化利用。其次，需要在理論支持的基礎上，不斷探索秸稈利用轉化的新途徑，為秸稈綜合利用提供更多的可能性。此外，還應該對不同類型秸稈和秸稈不同組分應用于不同利用方式的效果進行研究，以便確立不同類型秸稈和秸稈不同組分的主要利用方式，有針對性地開展秸稈綜合利用，更利于實現秸稈高值化利用。

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