农作物秸秆资源的综合利用

焦玉萍，付 彤，田亚东，戚 鑫，易宝弟，廉红霞

（1.河南省农业科学院畜牧兽医研究所，河南 郑州 450002；2.河南农业大学）

农作物秸秆资源的综合利用

焦玉萍1，付 彤2，田亚东2，戚 鑫2，易宝弟1，廉红霞2

（1.河南省农业科学院畜牧兽医研究所，河南 郑州 450002；2.河南农业大学）

1 秸秆饲料

秸秆经过青贮、氨化，利用化学、微生物学原理，使富含木质素、纤维素、半纤维素的秸秆降解转化为含有丰富菌体蛋白、维生素等成分的生物蛋白饲料。目前，国内已开发出秸秆青贮、微贮、氨化、盐化、碱化等饲料转化技术。

1.1 饲料青贮技术

饲料青贮技术就是将饲料储存于密闭环境中，利用乳酸菌在厌氧条件下发酵产生乳酸的不断积累使青贮物的pH快速下降到3.8～4.2，则青贮物中所有微生物都处于被抑制状态，同时饲料植物的呼吸过程完全停止，从而达到使饲料保持原有作为青饲料特有的适口性和营养价值的目的。保证饲料青贮技术成功与否或者青贮饲料品质好坏的关键是必须创造厌氧条件（压实要求充分以尽可能减少残存空气）并满足乳酸菌生长繁殖的最适宜条件（如30℃左右的料温、适宜的含水量、较低的缓冲能力、充分的水溶性碳水化合物等）。评价青贮饲料发酵品质的指标主要包括物料损失率、感官指标（气味、颜色、质地等）、pH、水分含量等现场评定指标以及有机酸总量及其构成（最重要的是乳酸、乙酸和丁酸的比例）、氨态氮／总氮比值等实验室评定指标，一般可分别通过现场综合评定和实验室综合评定对其质量进行评定。为了克服青贮过程中的一些不利因素，保证青贮饲料质量，可通过在青贮原料中添加适宜的青贮添加剂（通过增加原料中的有益菌种、降解植物细胞壁、增加发酵底物或降低pH等方式来促进青贮的发酵过程）提高青贮饲料的发酵和营养品质。青贮添加剂的种类较多，目前常用的青贮添加剂按作用效果可分为3类，即发酵促进剂（主要包括乳酸菌制剂、酶制剂和含碳水化合物较丰富的物质等）、发酵抑制剂（主要包括甲酸、乙酸和丙酸、甲醛等）和营养性添加剂（主要包括非蛋白氮、矿物盐等）。

1.2 化学处理

化学处理包括氨化（液氨氨化、尿素氨化、氨水氨化、硫酸氢铵氨化）和碱化（氢氧化钠和生石灰等）。秸秆的碱化就是在一定浓度的碱液作用下，打破粗纤维中纤维素、半纤维素和木质素之间的醚键或者酯键，并溶去大部分的磷酸盐，溶解与细胞壁多聚糖结合的酚醛酸、糖醛酸、乙酰基，增加纤维素之间的空隙度，使细胞壁膨胀、疏松，增加瘤胃微生物附着的数目，提高纤维素的降解率。秸秆氨化是利用氨的弱碱性作用使有机物与氨发生氨解反应，其中的木质素与多糖间的酯键遭到破坏，并形成铵盐，不仅能提高纤维素的降解率，还能给反刍动物提供氮源，改善秸秆适口性，但氨化对秸秆NDF含量和瘤胃降解率的促进作用没有碱化的效果明显。

1.3 微贮技术

从目前的研究结果来看，秸秆的微贮技术由于多菌种间的协同作用，复合菌剂较单一菌剂效果显著。然而，复合菌剂在生产和应用过程中仍然存在一些问题，如使用的菌种种类多，发酵和配伍生产工艺复杂等。与单一使用乳酸菌相比，联合使用纤维素酶和乳酸菌接种物效果更好。如能在玉米秸秆中添加一定量的纤维素酶和乳酸菌，既可降解玉米秸秆的纤维素，又可将释放的还原性糖转变为乳酸，抑制腐败菌生长，保持作物的鲜嫩和营养，同时改善适口性、提高消化率，使之成为饲用原料，为玉米秸秆的利用和饲料资源的获得提供可行的途径，因此，添加外源的纤维素酶来促进青贮发酵，提高粗饲料的利用率，已引起人们的极大兴趣。

近年来随着分子生物学的发展和对乳酸菌研究的进一步深入，为人们提供了一种采用基因工程技术把外源纤维素酶的基因导入乳酸菌中的途径。应用这种构建的工程乳酸菌可以省去纤维素酶的生产和添加这一步骤，节约成本；同时，乳酸菌又可利用纤维素为碳源进行生长繁殖，进一步提高青贮饲料的营养价值，改善青贮效果。随着分子生物学技术的迅速发展，人们开始对许多广泛应用的菌株进行基因水平的改造。主要是利用基因工程技术，使其携带外源基因并表达外源基因产物，从而发挥更广阔的应用价值。

2 秸秆肥料

秸秆肥料利用除可采用直接还田、堆沤还田和过腹还田3种形式外，还可采用特殊工艺和科学配比，生产秸秆制造优质有机复合肥。

2.1 秸秆堆沤还田

秸秆堆沤还田是在夏秋季高温季节把秸秆堆积厌氧发酵沤制。其特点是时间长、受环境影响大、劳动强度高、产出量少和成本低廉。由于效益比较低，加之有机肥肥效滞后，直接效益不明显，故农民不愿做大的投入，堆肥量不大。

2.2 机械化秸秆还田

采用联合收割机等，在地里直接将作物秸秆粉碎，再深耕犁翻埋到土壤深处去。其特点是作业机械化程度高、秸秆处理时间短，是用机械对秸秆进行简单处理的方法。秸秆还田直接经济效益相对较低，原因是除了还田作业必须与深耕和深翻配套实施外，一般还要求有配套的农艺措施，如配施氮肥、墒情不足时造墒和加强病虫害防治等。若不实施深耕深翻等必要的辅助措施，秸秆在土壤浅层不能很快腐烂，又影响犁耕和旋耕作业，特别是不利于小麦的播种，导致播种质量差，造成减产。实践中，农民多使用秸秆还田机将秸秆粉碎之后一烧了之，如此既达不到秸秆还田的目的，又增加了农业成本，还污染了环境。所以，机械化秸秆还田的推广要综合农业生产效率与效益，把握推广程度。

2.3 制造优质有机复合肥

用高新技术进行菌种的培养和生产，用现代化设备控制温度、湿度、数量、质量和时间，经机械翻抛、高温堆腐、生物发酵等过程，将农作物秸秆等农业废弃物转换成优质有机肥。其成本与尿素接近，具有自动化程度高（生产设备1人即可操纵）、腐熟周期短（4～6 w时间）、产量高（每台设备可年产肥料2万～3万t）、无环境污染（采用好氧发酵，无恶臭气味）、科学配比肥效高等其他方法无可比拟的优点。施用秸秆优质有机复合肥对于促进土壤养分转化、改善土壤物理性质、增强农作物抗病能力和优化农田生态环境都有良好的效果。

3 用于能源建设

3.1 秸秆沼气技术

秸秆沼气技术以秸秆为发酵原料，在隔绝空气并维持一定温度、湿度、酸碱度等条件下，经过沼气细菌的发酵作用生产沼气。沼气是一种混合气体，主要成分是甲烷，其次为二氧化碳、氧气、氮气和硫化氢等。根据处理工艺，沼气发酵可分为干法和湿法发酵两类；另外从工程规模和利用方式上又可分为户用秸秆沼气和秸秆沼气集中供气工程两类。由于秸秆不易被厌氧微生物及酶直接利用，因此在发酵前需对其进行预处理。秸秆中的C/N比较高，在50以上，高于正常发酵所需的20～30，因此在发酵时需添加富含氮素的原料，如碳酸氢铵、尿素或动物粪污等，以减少发酵启动时间，提高沼气产量。生物质秸秆的预处理方法大体上分为物理法、化学法、热处理法和生物法四大类。物理法主要是通过粉碎、揉丝、浸泡等方法，改变秸秆的外部形态或内部组织结构；化学处理就是利用化学制剂（氢氧化钠、氨水等）破坏秸秆细胞壁中半纤维素与木质素形成的共价键，从而达到提高秸秆消化率的目的。此方法处理后秸秆中残存的化学试剂可能对沼气发酵产生抑制作用以及易引起环境的二次污染等问题限制了其应用。热处理法目前应用的主要是高压水蒸气爆破法，通过高压水蒸气爆破破坏秸秆结构，提高秸秆利用率。该方法的处理成本较高，需要专用的设备，因而在推广应用中受到了限制。生物法主要是利用微生物对秸秆进行预处理，主要包括以乳酸菌为核心的青贮方法，以降解木质素的白腐真菌为核心的复合菌剂，以及利用沼液中的水解微生物对秸秆进行堆沤等。生物法处理成本较低，条件温和且无须专门的设备设施，处理效果较好，因而近年来受到极大的关注，在实践中应用较多。

3.2 秸秆的气化技术

秸秆热解气化是指秸秆原料在缺氧状态下发生热化学反应转化为气体燃料的能量转换过程。生物质是由碳、氢、氧等元素组成的，当生物质原料在气化炉中燃烧时，随着温度的升高，燃烧产生的气体与赤热的炭层反应，转化为含一氧化碳、氢气、甲烷等成分的可燃气体。热解气化过程主要分为秸秆干燥、裂解反应、氧化反应、还原反应4个阶段。秸秆燃气经冷却、除尘、除焦等处理后，可供民用炊事、取暖、发电等使用。根据气化工艺不同，秸秆气化炉可分为固定床秸秆气化炉和流化床气化炉2种类型。固定床气化炉又可进一步细分为固定床上吸式气化炉和固定床下吸式气化炉两类。固定床上吸式气化炉进料口位于炉体顶部，物料由炉顶加料口进入炉内，炉内料层自上而下分别为干燥层、热解层、还原层和氧化层；气化剂由炉体底部的进风口进入炉内参与气化反应。固定床下吸式气化炉物料由炉顶加料口加入炉内，气化剂由炉体上部进风口和炉顶进料口进入炉内，可燃气体最终通过炉体下部排出。流化床气化炉工艺中的流化床材料为精选过的惰性材料砂子，物料通过输送搅龙进入炉内，炉底以较大压力通入气化剂，使炉内呈沸腾、鼓泡等不同状态，物料和气化剂充分接触，发生气化反应。该类气化炉具有受热均匀、气化反应快、产气率高、燃气焦油含量少等优点，但其对秸秆物料大小要求严格，气化炉结构复杂，可燃气中灰分较多，实践中应用较少。

3.3 秸秆发电技术

秸秆发电技术是以农作物秸秆为原料的一种发电方式，根据秸秆利用方式的不同，主要有以下3种技术路线: 秸秆直接燃烧发电、秸秆/煤混合燃烧发电、秸秆气化发电。秸秆直接燃烧发电是指把秸秆原料送入锅炉中直接燃烧产出高压水蒸气，通过汽轮机的涡轮膨胀做功，驱动发电机发电。目前，秸秆直接燃烧发电技术主要有2类，分别为水冷式振动炉排燃烧发电技术和流化床燃烧发电技术。秸秆混合燃烧发电是指使用秸秆和煤的混合燃料进行发电，秸秆混合燃烧方式主要有直接混合燃烧、间接混合燃烧和并联燃烧3种方式。直接混合燃烧是指在秸秆预处理阶段，将粉碎处理好的秸秆与煤粉在进料的上游充分混合后，输入锅炉燃烧。间接混合燃烧是指先对秸秆进行气化，然后将秸秆燃气输送至锅炉燃烧。并联混合燃烧指秸秆在独立的锅炉中燃烧，将产生的蒸汽与传统燃煤锅炉产生的蒸汽一并供给汽轮机发电机组做功。秸秆气化发电是指，首先使生物质原料在缺氧状态下发生热化学反应转化为气体燃料（一氧化碳、氢气、甲烷），然后将转化后的可燃气体由风机抽出，经冷却除尘、去焦油和杂质后，供给内燃机或者小型燃气轮机，带动发电机发电。目前秸秆气化发电主要用于较小规模的发电项目。

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1004-5090（2017）10-0027-02

2017-08-29）