农作物秸秆综合利用研究进展

才金玲 刘洁 王乃可 张引芹 王娟

摘要 对当前农作物秸秆的综合利用现状进行了综述。目前农作物秸秆的综合利用主要包括秸秆饲料、秸秆还田、秸秆能源、食用菌培养、建筑材料、活性炭和新材料等领域。在总结国内外综合利用秸秆研究进展的基础上，提出了今后农作物秸秆开发利用的重点和方向，旨在为高效综合利用农作物秸秆并开展相关研究提供参考。

关键词 农作物秸秆;饲料;还田;食用菌;建筑材料;活性炭

中图分类号 S38 文献标识码 A 文章编号 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

秸稈资源是重要的可再生资源，富含热能和碳、氮、磷、钾、微量元素等营养成分，具有广泛的应用价值。我国是农业大国，秸秆资源丰富，位居世界秸秆资源的首位，产量还在逐年增加[1]。若这些秸秆资源得不到有效利用和处理，就会造成极大的资源浪费和环境压力[2]。因此，开展农作物秸秆的合理开发和充分利用，对于生态环境保护和农业增效都具有重要意义。

目前农作物秸秆的综合利用主要包括秸秆饲料、秸秆还田、秸秆能源、食用菌培养、建筑材料、活性炭和新材料等领域。笔者对农作物秸秆的综合利用现状进行了综述，在总结国内外综合利用秸秆研究进展的基础上，提出了今后农作物秸秆开发利用的重点和方向，旨在为高效综合利用农作物秸秆提供参考。

1 秸秆饲料

秸秆饲料是指以农作物秸秆作为反刍动物的饲料。常用的秸秆饲料主要包括甜高粱、玉米、水稻、棉花等秸秆。秸秆饲料在一定程度上缓解了人畜争粮的矛盾，可以大大降低牲畜的饲养成本，但农作物秸秆中的木质素、纤维素和半纤维素限制了瘤胃微生物对秸秆的有效利用，导致其营养价值较低[3]。秸秆需经特殊处理后再生产饲料。目前处理秸秆的方式[4]如表1所示。

2 秸秆还田

当前土壤养分和有机物含量是作物产量的主要限制因子。增加作物产量和提高作物品质是保证国家粮食安全的重要措施之一。农作物秸秆含有丰富的氮、磷、钾和微量元素等，是农业生产中的重要肥料来源。秸秆还田对于改善农田种植条件、提高土壤肥力、增加土壤微生物，最终实现农作物增产具有重要意义。

2.1 秸秆还田对土壤肥力的影响

秸秆是土壤重要的营养来源，也是潜在的肥料来源，能显著增加土壤有机质含量。衡量土壤肥力的关键指标是有机碳含量。Berhane等[5]调查发现，秸秆还田处理的年土壤固着率与秸秆还田量呈显著正相关。李峰等[6]通过将紫云英与秸秆还田与不施肥的对照进行比较，结果发现紫云英秸秆还田能有效提高土壤有机质（3.98%～46.49%）、碱解氮（4.46%～35.88%）和颗粒有机碳（3.59%～35.77%）的含量。秸秆中含有氮、磷、钾、镁、钙及硫等农作物生长所必需的营养元素，例如镁对玉米生长有重要影响，秸秆还田与施用镁肥相联合能有效提高玉米的产量。由此可见，长期秸秆还田与矿物质施肥相结合能有效提高作物产量和土壤中有机碳储量，显著提升土壤肥力，给农业带来极大的经济效益和生态效益。

2.2 秸秆还田对土壤结构的影响

秸秆还田具有储存降雨和提高土壤温度的作用。它通过增加土壤的孔隙度，形成地面覆盖，有效抑制土壤中水分的蒸发，显著提高土壤的水稳性团聚体的比例和稳定性。Liu等[7]研究发现秸秆还田能显著增加小麦产量、提高水分利用率和增强土壤的保水能力。孙新荣等[8]将高寒阴湿区秸秆还田与马铃薯种薯繁育技术相结合，有效改善了土壤含水量过高、透气性差的问题，从而解决了薯块气孔严重外翻问题，减轻种薯窖藏病害，提高种薯质量。综上所述，秸秆还田可以改善土壤结构，对于农作物的生长、发育具有促进作用。

2.3 秸秆还田对土壤中微生物的影响

由于秸秆中含有丰富的碳水化合物，秸秆还田能显著增加土壤中的微生物含量、改善微生物结构和提高固氮量。首先，秸秆还田能有效改善微生物种群结构，提高微生物密度。Bu等[9]调查发现土壤耕作和秸秆还田处理可以使土壤中的碳成分重新分布，进而提高细菌等微生物的丰度和多样性。Su等[10]发现秸秆还田降低了病原菌种群（互花蒿属），且长期的秸秆还田可为土壤微生物群落提供适宜的养分和盐度，使其在数量和结构上得到健康发展。其次，秸秆还田能增强农作物抵御病虫害感染的能力。秸秆还田处理后的放线菌数量比对照增加了2.64倍，这是减少作物感染病虫害的有效举措[11]。当前秸秆资源存在的主要问题是运输难、储藏难，秸秆还田是当前最经济、有效的举措。

3 秸秆能源

随着经济的快速发展，我国能源短缺问题日益严重。将农作物秸秆作为生产能源的原料可在一定程度上缓解我国能源短缺的现状，有助于提高农作物秸秆利用率，满足可持续发展的要求。Meyer等[11]提出2030年沼气将作为欧洲各国的潜在能量来源，预计2030年欧洲沼气产气量将达到2015年的2倍。废弃物生产能源是发展欧洲沼气的可持续、安全、经济可行的重要举措。

以农作物秸秆为底物，经过微生物厌氧发酵技术产生的可再生能源主要包括甲烷和液体燃料两大类。农作物秸秆产沼气具有重要的社会意义、经济价值、环保功能以及缓解能源危机的作用[14]。生物燃料乙醇具有较高的辛烷值和良好的抗爆性，是一种优良的可再生能源。在农作物秸秆生产燃料的过程中存在以下问题：秸秆表层的蜡质阻碍微生物附着;木质素很难被微生物利用;碳氮比例失调和缺乏微量元素导致的营养不均衡，使得秸秆产气率和产乙醇率降低;传统的反应器无法解决秸秆上浮、结壳等问题[15]。目前主要从以下方面提高秸秆降解率，以产生生物燃料。

3.1 预处理

秸秆饲料预处理法会破坏秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素之间的致密结构。梁仲燕等[15]提出秸秆经6%H3PO4处理纤维素的降解率最高，沼气产气量最大，且TS和VS去除率也达到最大值。Fjrtoft等[16]研究了NH3、NaOH、干磨、热水和蒸汽爆破等预处理方法对沼气生产的影响，结果发现NaOH对大麦秸秆的预处理效果尤为显著。Yu等[17]采用超声波法预处理玉米秸秆，粒径明显下降，并显著提高了乙醇的液化和糖化能力。

3.2 微生物优化

菌种是决定微生物产能的关键因素。利用复合微生物菌群显著提高了秸秆降解率和产甲烷率[18]。筛选具有特异降解能力的菌株，例如使用真菌Pleurotus ostreatus降解稻草[19]，发现该株真菌能显著提高稻草的孔隙率、比表面积、乙酰基丰度、聚合度和木质素降解率，最终提高甲烷产量。T.reesei NCIM 1052[20]具有较高的滤纸酶和纤维素酶活性，乙醇产量较高。优化菌株培养条件，例如优化Clostridium sporogenes NCIM 2918[21]的培养条件可以提高乙醇和丁醇的产量。

3.3 添加营养物质

通常农作物秸秆的营养成分不适宜直接发酵，通过添加营养物质、优化碳氮比等能有效提高甲烷产量。氧负荷水平显著影响产甲烷量，其中微氧对制氢和产甲烷具有一定的促进作用[22]。Hossain等[23]利用共热解技术研究了聚乙烯废渣与稻草在不同组成条件下共热解制备液体燃料，结果发现聚乙烯饲料和稻草饲料在430 ℃下按1∶1比例混合，可得到最大液体燃料产量，且制备的液体产品具有良好的燃料特性。

3.4 生产工艺优化

优化生产工艺能夠有效提高产能。例如，在青贮前进行压块，贮存过程中多次气调能有效提高沼气的产气量，从而提高秸秆的利用率[24]。在传统的甲烷工艺中，一般使用圆管或者类似圆管的几何传热结构，Chen等[25]对传热装置（如圆管、扭方形管和扭六边形管等）的传热性能进行了计算，结果表明螺旋六角管的产气量比圆管提高17.0%。

4 农作物秸秆在食用菌中的应用

在大力倡导农业循环经济的形势下，大多数农作物秸秆都可以用作食用菌的生产原料。食用菌属于真菌类，富含赖氨酸、精氨酸、甲硫氨酸和色氨酸，具有较高的营养价值。传统上，以棉籽壳和木屑等作为食用菌的培养基。近年来，随着棉籽壳价格的升高和木林资源的减少，人们逐渐将注意力集中在秸秆上。农作物秸秆是最具开发前景的代用料。在利用农作物秸秆栽培食用菌方面，不仅大部分草生菌、蘑菇、姬松茸、草菇等可以利用秸秆栽培，而且部分木生菌也实现了秸秆栽培，如香菇、平菇、木耳等[26]。刘晨等[27]在利用玉米秸秆培育香菇的基础上，通过调控玉米以及香菇中的各种酶，发现多聚物降解酶在这一过程中有着不可替代的作用，在香菇的生长过程中会产生多种降解酶的协同作用，进而为香菇生长提供必要的营养物质。

5 建筑材料

近年来，国内外对建筑材料的需求不断增长，甚至出现建筑材料短缺的问题。使用秸秆建成的草砖建筑是未来建筑行业以及能源行业发展的重要方向[28]。用秸秆作为建筑材料具有以下特点：抗腐、成本低、隔音、热阻高、轻质、防震、保温、节能、缩短施工时间、热舒适性高以及使用区域广[28]。近几年，墨西哥、美国、英国、中国[29]等国家在建筑技术以及性能方面对草砖建筑开展了大量研究。使用秸秆作为建筑原料能显著降低建筑成本，同时实现资源的可持续利用。

秸秆建材由最初的新型人造板、砖、保温材料、隔热材料等到后来发展到建筑墙体以及绿色复合材料，这一过程取得了卓越的成就。随着经济的发展，人们对居住环境也有了越来越高的要求，绿色的新型建筑材料也越来越受到人们的青睐。Fu等[30]将稻草、发泡剂、镁水泥胶黏剂组成的复合材料（SMLC）与建筑行业的其他复合材料进行比较，结果发现SMLC更轻、更隔热、不可燃，这些优异的性能不仅使新型复合材料成为一种理想的建筑材料，特别是作为隔热隔墙，而且为废弃秸秆的处理提供了一种潜在的解决方案。Domínguez-Robles等[31]采用物理处理方法将玉米秸秆转化为稻草粉，进一步制备合成了硬质聚氨酯复合发泡材料，该泡沫塑料具有良好的保温效果，主要被应用于冰箱保温填充材料、化工输送管道保温材料、建筑墙面保温层等领域。

6 活性炭

由于活性炭具有很强的吸附性能，在化工、医药、环境治理等领域中都有着广泛应用，是人类生产生活中必不可少的一部分。活性炭原料来源广泛，煤炭、木材、椰壳等原料在活性炭的制备中占据主要地位。随着煤炭等资源的不断减少，人们开始寻找新的资源来制备活性炭。秸秆资源因其可再生、成本低的特点进入了人们的视野。利用秸秆制备活性炭逐渐成为人们关注和研究的重点。Dai等[32]以芦苇秸秆为原料，采用KOH活化法制备了空心活性炭（HAC），结果表明当KOH含量是碳化芦苇秸秆的3倍时，HAC具有出色的电化学性能和倍率性能。Jiang等[33]以小麦秸秆、玉米秸秆和高粱秸秆为原料，并将ZnCl2和H3PO4用作协同催化剂来制备秸秆活性炭，这3种秸秆都是制备用于去除废水中染料的活性炭的高效前体。

以上研究表明，秸秆在制备活性炭方面的研究目前取得了较好的进展，但为了进一步降低秸秆焚烧量，提高秸秆利用效率和减少环境污染，仍需深入研究和发展。

7 新材料

目前，寻找秸秆利用的新途径成为一种新的趋势，基于此，许多学者对利用秸秆制备新材料开展了研究。秸秆可用来制作功能性低聚糖、纳米纤维素、羧甲基纤维素、丁二酸等精细化学品及其中间体，也可用来造纸、清洁制浆等[34]。例如，Kuglarz等[34]研究发现以油菜籽秸秆为原料，从基于生物质酸的预处理过程中产生的液体和乙醇发酵中基于木糖的残留物中均可提取出丁二酸，这些产品被广泛应用于医药、日化、食品、造纸等领域。Li等[35]将农作物秸秆转化为多功能的全生物质薄膜，最终获得的秸秆生物质膜具有高强度和优良的防紫外线性能。Bilo等[36]利用稻草来生产生物塑料，制备的纤维素基生物塑料具有优异的机械性能，并且这种生物塑料在埋入土壤后105 d就可以完全分解。用秸秆制作的可降解材料在表现良好性能的同时能够有效减少环境污染，可以达到“以废治污”的目的，在未来将逐步替代传统塑料，应用前景广阔。

由此可见，以秸秆为原料制备的化工产品种类丰富、用途广泛，对于实现秸秆的高值化利用具有重要的战略意义。但目前由于技术水平还不够成熟或者在实际生产中存在很多难题，用秸秆制作新材料的各种途径基本没有或很少进入大规模运作阶段，若要实现这些产品的工业化还需要继续解决实际应用过程中面临的各种难题。

8 展望

目前的秸秆综合利用主要集中在肥料化、燃料化、饲料化、原料化和基料化等方面，预计在未来相当长的时间内也将以这5个方面为主要发展方向，以期达到秸秆利用方式基本符合现代化要求和燃烧秸秆方式彻底消除的目的。研究显示，2020年我国秸秆综合利用率将超过85%[37]，表明秸秆综合利用推进工作在全国范围内已取得初步成效，但目前仍存在农民缺乏对秸秆综合利用的认知、地方政府实行的秸秆综合利用政策不够全面合理、秸秆综合利用研究不够成熟、秸秆收集储存体系不完善等问题。鉴于此，未来秸秆综合利用的推动工作应从农民、政府、技术支持这3个方面展开。

①从农民角度来看，农民应提高对秸秆综合利用的认知，积极参与到秸秆综合利用工作中来。

②从政府角度来看，政府应加大宣传力度，完善秸秆综合利用政策，建立完善的秸秆收藏储运体系，解决秸秆综合利用的机械设备等问题。

③从技术层面来看，首先在未来需要进一步推进现有的秸秆利用方式的研究，攻克秸秆实际利用转化过程中的技术难题，使秸秆利用方式能投入工业化生产运作，实现秸秆的高值化利用。其次，需要在理论支持的基礎上，不断探索秸秆利用转化的新途径，为秸秆综合利用提供更多的可能性。此外，还应该对不同类型秸秆和秸秆不同组分应用于不同利用方式的效果进行研究，以便确立不同类型秸秆和秸秆不同组分的主要利用方式，有针对性地开展秸秆综合利用，更利于实现秸秆高值化利用。

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