秸稈原料綜合利用的研究進(jìn)展

陳 璐，帥正彬， 姚雅韋，楊 斌， 郭江洪

(1.西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，重慶 北碚 400700； 2.成都市農(nóng)林科學(xué)院園藝研究所，四川 溫江 611130；3.四川大學(xué)錦江學(xué)院經(jīng)濟(jì)學(xué)院，四川 彭山 620800)

秸稈原料綜合利用的研究進(jìn)展

陳 璐1，帥正彬2， 姚雅韋3，楊 斌2， 郭江洪2

(1.西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，重慶 北碚 400700； 2.成都市農(nóng)林科學(xué)院園藝研究所，四川 溫江 611130；3.四川大學(xué)錦江學(xué)院經(jīng)濟(jì)學(xué)院，四川 彭山 620800)

秸稈是一種可以綜合利用的重要生物資源。近年來(lái)，農(nóng)作物秸稈綜合利用的問(wèn)題日益突出，研究意義更加深遠(yuǎn)。本文主要介紹了有關(guān)秸稈綜合利用的最新進(jìn)展及多方面應(yīng)用，分析焚燒秸稈的原因及危害和秸稈在利用過(guò)程中存在的問(wèn)題，并提出秸稈綜合利用的建議。

秸稈焚燒；秸稈還田；利用途徑

農(nóng)作物秸稈是籽實(shí)收獲后剩下的作物殘留物, 包括禾谷類、豆類、薯類、油料類、麻類, 以及棉花、甘蔗、煙草、瓜果等多種作物的秸稈。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)每年生產(chǎn)秸稈達(dá)6～7億t，利用率為65%左右[1]，主要用作燃料。

近年來(lái)，由于新農(nóng)村建設(shè)加快，秸稈的燃料功能逐漸被煤氣、天然氣所代替[1、2]；農(nóng)民錯(cuò)誤認(rèn)為秸稈焚燒后的秸稈殘?jiān)粼诘乩?，可作為肥? 增加土壤中的無(wú)機(jī)肥含量，節(jié)約化肥投入量[3]。由于農(nóng)村勞動(dòng)力缺乏，收集秸稈的產(chǎn)出低等原因，在廣大農(nóng)村，農(nóng)民普遍直接將秸稈露天焚燒。

焚燒秸稈產(chǎn)生多方面危害，一是嚴(yán)重污染環(huán)境。焚燒時(shí)濃煙滾滾，灰塵懸浮，產(chǎn)生的CO、CO2、SO2有害氣體會(huì)流散到大氣中加劇溫室效應(yīng)，破壞臭氧層，并形成酸雨和“黑雨”，嚴(yán)重地污染空氣環(huán)境，浪費(fèi)大量的生物資源[4、5]。二是造成新的安全隱患。秸稈露天焚燒導(dǎo)致火災(zāi)事故頻頻發(fā)生；在機(jī)場(chǎng)、公路附近焚燒秸稈產(chǎn)生的濃煙會(huì)蔽日遮天,有時(shí)機(jī)場(chǎng)能見(jiàn)度低于400m[2]，嚴(yán)重影響機(jī)場(chǎng)航班正常起飛和降落；還會(huì)使汽車(chē)司機(jī)看不清方向，增加了交通事故的發(fā)生率。三是影響作物生長(zhǎng)。秸稈焚燒過(guò)程中， 營(yíng)養(yǎng)成分流失，留下鉀元素，造成土壤板結(jié),減少土壤持水力；焚燒時(shí)產(chǎn)生的高溫殺死根際微生物，從而對(duì)下茬作物根系生長(zhǎng)非常不利[5]。

據(jù)研究，作物秸稈是可以綜合利用的重要生物資源，除含大量的碳素外，還含有氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、硅和各種微量元素，以及富含纖維素、半纖維素、蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)[6], 近年來(lái)，秸稈的綜合利用成為了一個(gè)炙手可熱的問(wèn)題。就此，本文綜述了其作為肥料、飼料、生活燃料及工副業(yè)生產(chǎn)的原料利用的最新技術(shù)研究進(jìn)展，為從根本上解決焚燒秸稈問(wèn)題，推進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供指導(dǎo)。

1 秸稈綜合利用技術(shù)

1.1 肥料化利用

1.1.1 秸稈還田技術(shù) 秸稈還田是把秸稈(麥秸、玉米秸和水稻秸稈等)直接或堆積腐熟后施入土壤中的一種方法，是當(dāng)今世界上普遍重視的一項(xiàng)培肥地力的增產(chǎn)措施，也是現(xiàn)在秸稈綜合利用的主要途徑。 秸稈還田可分為以下4類[7-9 ]：

1.1.1.1 秸稈粉碎翻壓還田 把作物收獲后的秸稈通過(guò)機(jī)械化粉碎，耕地，直接翻壓在土壤里。實(shí)踐證明，機(jī)械化粉碎秸稈還田是秸稈綜合利用的主要技術(shù)措施和手段。

1.1.1.2 秸稈覆蓋還田 將秸稈粉碎后直接覆蓋在地表，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，秸稈逐漸腐解于土壤中。這樣可以減少土壤水分的蒸發(fā)，調(diào)節(jié)土壤溫度，有效緩解氣溫激變對(duì)作物生長(zhǎng)的傷害。腐爛后還可增加土壤有機(jī)質(zhì)，補(bǔ)充N、P、K和微量元素。

1.1.1.3 堆漚還田 將秸稈制成堆肥、漚肥等，發(fā)酵后施入土壤，可提供多種營(yíng)養(yǎng)元素并改良土壤理化性狀，尤其對(duì)改良砂土、粘土和鹽漬土有較好效果。

1.1.1.4 過(guò)腹還田 把秸稈作為飼料，經(jīng)禽畜消化吸收后變糞和尿，施入土壤，培肥地力。秸稈被動(dòng)物吸收的營(yíng)養(yǎng)部分會(huì)有效地轉(zhuǎn)化為肉、奶等，供人們食用，提高了利用率，這種方式最科學(xué)，具有生態(tài)性，最應(yīng)該提倡推廣。

秸稈還田時(shí)應(yīng)避免水分損失，以免導(dǎo)致其不易腐解，故各類秸稈收割后最好立即耕翻入土。使用無(wú)病健壯的植物秸稈還田，數(shù)量要適中，施用要均勻，可以適量深施速效氮肥，以調(diào)節(jié)適宜的碳氮比。在水田水漿管理上采取“干濕交替、淺水勤灌”的方法,并適時(shí)擱田，改善土壤通氣性。若還田方式不當(dāng),會(huì)導(dǎo)致土壤病菌增加,作物病害加重及出現(xiàn)缺苗、僵苗等不良現(xiàn)象。因此，必須采取合理的秸稈還田措施,才能起到良好的還田效果[12]。

秸稈還田后不但會(huì)使土壤中的有機(jī)質(zhì)及N、P、K含量增加，還可以使土壤堅(jiān)實(shí)度降低、結(jié)構(gòu)疏松, 增加了土壤的通透性和持水性, 使微生物活動(dòng)和作物根際透氣性得以改善, 從而為作物增產(chǎn)創(chuàng)造條件。據(jù)楊帆等人[10]研究結(jié)果顯示，我國(guó)南方城市秸稈還田2年后，有機(jī)質(zhì)含量平均增加80%，土壤容重整體下降2.69%，全氮含量平均增加4.45%,全鉀、速效鉀和緩效鉀分別增加3.48%、8.42%和4.20%，全磷和速效磷平均增加3.68%和6.21%；秸稈還田第1年( 2007年) 和第2年( 2008年)分別實(shí)際增產(chǎn)551kg/hm2和692kg/hm2。李成芳等人[11]的研究表明，秸稈還田還可以顯著提高CO2和N2O排放，降低CH4排放，提高了土壤固碳量，從而有效地降低了溫室氣體增排的溫室效應(yīng)，為減緩全球變暖作出貢獻(xiàn)。

1.1.2 用作食用菌栽培基質(zhì) 我國(guó)食用菌產(chǎn)業(yè)近年來(lái)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展, 是僅次于糧、棉、油、果、菜的第6大農(nóng)產(chǎn)品。栽培食用菌的主要基料為棉籽，由于資源的有限性，價(jià)格越來(lái)越高，生產(chǎn)食用菌的利潤(rùn)變低。農(nóng)作物秸稈中因含有豐富的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素，利用農(nóng)作物秸稈栽培食用菌，能大大降低其生產(chǎn)成本[13]。我國(guó)在利用秸稈栽培食用菌的研究居于世界領(lǐng)先水平，目前研究最多的是農(nóng)作物秸稈在雙孢蘑菇(Agaricusbisporus) 、平菇(Pleurotusostreatus) 、香菇(Lentinusedodes) 和杏鮑菇(Pleurotuseryngii) 等生產(chǎn)上的應(yīng)用[14]。

秸稈栽培食用菌工藝相對(duì)比較簡(jiǎn)單，首先是選料、粉碎( 壓扁)、配料，其次是滅菌( 發(fā)酵)、 接種，再次是生產(chǎn)過(guò)程中溫度、濕度、通風(fēng)、光線、pH值等的控制和管理。其流程是： 配料—滅菌(發(fā)酵)—接種—發(fā)菌—發(fā)菌管理—采收—恢復(fù)期管理。利用秸稈栽培食用菌，因栽培品種、原料、地域差異等，在實(shí)際生產(chǎn)中，各地因地制宜出現(xiàn)了多種多樣的食用菌栽培模式[15]。

利用秸稈栽培食用菌，不僅能增加培養(yǎng)基生產(chǎn)原料的來(lái)源，而且生產(chǎn)食用菌后的菌糠仍含有大量菌類多糖、蛋白質(zhì)、氨基酸和Fe、Cu、Zn、Mg等微量元素以及嘌呤、維生素等生長(zhǎng)因子，經(jīng)加工處理后又可作為綠色有機(jī)肥再作用到農(nóng)田，或加工生產(chǎn)節(jié)糧型飼料用于魚(yú)、禽畜喂養(yǎng)，或經(jīng)過(guò)配方調(diào)整繼續(xù)作為原料栽培其他品種食用菌，進(jìn)行高度的循環(huán)利用[14]。為遵循循環(huán)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的“減量化、再利用、再循環(huán)”的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“低開(kāi)采、高利用、低排放、再利用”的目標(biāo)，產(chǎn)生了“秸稈—食用菌—有機(jī)肥”、“秸稈—食用菌—畜禽—有機(jī)肥”、“畜禽—沼氣—食用菌—秸稈—食用菌—菌糠種菇”等多種循環(huán)模式。這些模式的出現(xiàn)使農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)步邁向良性循環(huán)發(fā)展，使菌糠利用模式日益成熟并多樣化[16]。

1.2 飼料化利用

我國(guó)現(xiàn)年牛存欄1.4億頭，羊存欄2.7億頭，每年約需粗飼料1.6億t，加上草原沙化、堿化、退化嚴(yán)重，充分利用大量的秸稈資源開(kāi)發(fā)新型飼料，也為我國(guó)節(jié)糧型畜牧業(yè)的發(fā)展開(kāi)辟了一條新的有效途徑[17]。秸稈是纖維性飼料,如小麥的秸稈，其干物質(zhì)中約80%是細(xì)胞壁成分,其中纖維素36%、半纖維素25%,木質(zhì)素18%[18]，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值只相當(dāng)于干草的1/2, 或谷物的1/4，消化率和適口性都差。秸稈飼料化利用主要指通過(guò)利用青貯、微貯、揉搓絲化、壓塊等處理方式，把秸稈轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)飼料，提高其蛋白質(zhì)含量、消化率和適口性，現(xiàn)有技術(shù)主要是通過(guò)物理、化學(xué)和生物加工等處理方法。

1.2.1 物理加工 秸稈物理加工方法主要包括切短和粉碎、浸泡、蒸煮、制成顆粒、機(jī)械分離、平衡添加、電離輻射、蒸氣加壓、水解和熱噴處理等。切短、粉碎和浸泡處理法不能真正提高粗纖維消化率，僅可增加適口性和采食量。而蒸汽加壓和熱噴處理不僅可以提高秸稈的適口性和采食量，同時(shí)消化率和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值也有顯著提高，但這些處理方式需要的設(shè)備配置較高，成本較貴。而關(guān)于電離輻射則褒貶不一，據(jù)德國(guó)報(bào)道，粗飼料經(jīng)電離輻射后,生物學(xué)價(jià)值及干物質(zhì)消化率均有提高；然而,Mcmanus 等人采用電離輻射處理麥草和稻草,則證明降低了消化率和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,認(rèn)為這種處理對(duì)瘤胃微生物的活動(dòng)有不良影響[19]。

1.2.2 復(fù)合化學(xué)加工 秸稈的化學(xué)加工方法主要包括了堿化、酸化、氧化和氨化4種處理方式。

1.2.2.1 秸稈堿化 秸稈堿化就是利用石灰水和氫氧化鈉等堿性物質(zhì)對(duì)秸稈進(jìn)行處理,借助于堿性物質(zhì)，使秸稈飼料纖維內(nèi)部的氫鍵結(jié)合變?nèi)?，酯鍵或醚鍵被破壞，纖維素分子膨脹，溶解半纖維素和一部分木質(zhì)素，以使反芻動(dòng)物瘤胃液易于滲入，瘤胃微生物發(fā)揮作用，從而改善秸稈飼料適口性，提高秸稈飼料采食量和消化率。但堿化法用堿量大，需大量水沖洗，容易造成環(huán)境污染，生產(chǎn)中應(yīng)用并不廣泛[20- 21]。

1.2.2.2 秸稈酸化 秸稈酸化是用硫酸鹽酸或者甲酸處理農(nóng)作物秸稈，原理類似堿化處理，但效果不如堿化。

1.2.2.3 秸稈氧化 秸稈氧化是指用二氧化硫(SO2)、臭氧(O3)及堿性過(guò)氧化氫(AHP)處理秸稈，氧化劑能破壞木質(zhì)素分子間的共價(jià)鍵，溶解部分半纖維素和木質(zhì)素，使纖素基質(zhì)中產(chǎn)生較大空隙，從而增加纖維素酶和細(xì)胞壁成分的接觸面積，提高飼料的消化率。這類處理方法也存在很大的問(wèn)題，如SO2處理的秸稈會(huì)降低適口性，VB遭到破壞，加重家畜酸的負(fù)擔(dān)，使能量代謝受到影響；O3投入量太高，效益不佳。氧化劑處理秸稈，消化率顯著提高，但是成本過(guò)高，在生產(chǎn)中還難以推廣使用[22]。

1.2.2.4 秸稈氨化 秸稈氨化[23]是秸稈飼料化利用技術(shù)的核心技術(shù)之一，在密封厭氧條件下，用尿素或氨水等溶液按一定的比例均勻噴灑秸稈，在常溫下保存一定時(shí)間，使氨與秸稈發(fā)生氨解反應(yīng)，破壞連接木質(zhì)素與多糖之間的脂鍵，以提高消化率。氨化劑通常使用的是液氨、氨氣及尿素，常用的處理方法有堆垛法、窖氨化法、塑料袋氨化法和爐氨化法等。雖然氨化處理對(duì)于提高秸稈的消化率不如NaOH有效,但能提高秸稈的粗蛋白質(zhì)含量。據(jù)Kernan[18]等( 1977)試驗(yàn),小麥秸、大麥秸和燕麥秸經(jīng)5%無(wú)水氨處理后, 干物質(zhì)中粗蛋白質(zhì)含量分別由3.3%、3.5%和3.7% 提高到11.5、9.6和8.7%。一般認(rèn)為, 氨化處理可使秸稈的含氮量提高1～2 倍，加工調(diào)制后的秸稈飼料適口性和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值顯著提高，特別是粗蛋白質(zhì)的含量會(huì)有所增加。氨化秸稈成本低，效益高，但只適用于飼喂成年反芻動(dòng)物如牛、羊，不適宜飼喂單胃家畜馬、騾、驢、豬等，幼齡反芻動(dòng)物由于瘤胃發(fā)育不完善，也不宜飼喂，饑餓的家畜不宜大量飼喂，食多會(huì)出現(xiàn)中毒氨中毒現(xiàn)象[24]。

1.2.3 生物學(xué)處理 生物學(xué)處理法，其實(shí)質(zhì)就是利用某些微生物處理秸稈飼料，主要包括青貯、微貯、菌化、酶解等，其中以青貯最為成功，應(yīng)用也最廣泛。

青貯是將切碎的青綠秸稈，通過(guò)微生物厭氧發(fā)酵和化學(xué)作用，在密閉無(wú)氧條件下調(diào)制成的一種適口性好、消化率高、營(yíng)養(yǎng)豐富的飼料。青貯加工工藝流程[25]如圖1所示：

圖1 青貯加工工藝流程圖

實(shí)踐證明，秸稈生物學(xué)處理是最有效而且最有發(fā)展前景的一種處理方式。生物處理技術(shù)具有很大優(yōu)勢(shì)，不需要復(fù)雜的條件，不受氣候條件，生產(chǎn)季節(jié)變化的影響，操作簡(jiǎn)單，節(jié)約化工原料、能源，還不污染環(huán)境。而且通過(guò)生物處理的秸稈，木質(zhì)素和半纖維素在很大程度上發(fā)生降解，消化率、適口性和營(yíng)養(yǎng)成分都得到了很大程度的提高，還可以長(zhǎng)時(shí)間的保存，不易發(fā)霉腐敗[26-27]。

1.3 能源化利用

1.3.1 秸稈發(fā)電 秸稈是當(dāng)今世界上僅次于煤炭、石油和天然氣的第4大能源。經(jīng)測(cè)定，如表1所示，秸稈熱值約為15000 kJ/kg ，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤的50%。

表1 不同秸稈熱值表(kJ/kg)

有關(guān)研究表明，秸稈是一種很好的清潔可再生能源，其平均含硫量只有3.8‰，而煤的平均含硫量約達(dá)1%。秸稈發(fā)電作為燃料的秸稈燃燒后所產(chǎn)生的CO2和SO2等有害氣體，相對(duì)于以煤炭發(fā)電所產(chǎn)生的有害氣體較少，堪稱綠色發(fā)電[6-28]。

秸稈發(fā)電主要有秸稈直接燃燒發(fā)電、秸稈與煤混合燃燒發(fā)電和秸稈氣化發(fā)電3種發(fā)電形式：

1.3.1.1 秸稈直接燃燒發(fā)電 直接燃燒發(fā)電是指把秸稈原料送入特定的蒸汽鍋爐中生產(chǎn)蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的過(guò)程。農(nóng)作物秸稈直燃發(fā)電，不僅節(jié)能效益、環(huán)境效益顯著，而且能夠成為國(guó)家最大的支農(nóng)產(chǎn)業(yè)[28-29]。

1.3.1.2 秸稈與煤混合燃燒發(fā)電 將秸稈與煤混燃燒能夠有效減少SO2的排放量。Spliethoff認(rèn)為當(dāng)生物質(zhì)與煤混燒時(shí), 煙氣中SO2的排放大大降低而被有效地吸附在顆粒物之中。Bengt和Johan等學(xué)者認(rèn)為燃料中的硫元素更易與Ca、Mg等堿土金屬結(jié)合以硫酸鹽的形式通過(guò)汽化凝結(jié)富集在亞微米顆粒上。這些研究都表明燃燒秸稈排放SO2相對(duì)于傳統(tǒng)能源是很少的一部分[30]。

1.3.1.3 秸稈氣化發(fā)電 秸稈氣化發(fā)電的方式有3種，粉碎后的秸稈進(jìn)入氣化爐，產(chǎn)生氣化氣。第1種作為蒸汽鍋爐的燃料燃燒生產(chǎn)蒸汽帶動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電，直接在鍋爐內(nèi)燃燒氣化氣；第2種在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)燃燒帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；第3種在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃燒帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。目前我國(guó)使用最廣泛的是第3種氣化發(fā)電方式，秸稈發(fā)電工程中秸稈氣化爐主要有固定床氣化爐和流化床氣化爐兩種形式[31-32]。秸稈氣化發(fā)電，燃?xì)馇鍧?、焦油含量低，而且不存?次污染，系統(tǒng)總效率高，發(fā)電后產(chǎn)生的秸稈灰燼中含有豐富的鉀、鎂、磷和鈣等化學(xué)成分，可作為高效農(nóng)業(yè)肥料還田利用，也可運(yùn)到鋼鐵公司，作為防止鋼花飛濺灼傷的材料[33]。

1.3.2 生產(chǎn)乙醇(酒精) 乙醇作為世界各國(guó)首選的生物能源，可替代石油等燃料，緩解能源危機(jī)。傳統(tǒng)生產(chǎn)乙醇還是以糧食發(fā)酵為主，生產(chǎn)受到糧食的限制，秸稈中含有大量纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，利用秸稈生產(chǎn)乙醇已是大勢(shì)所趨。秸稈制乙醇的流程主要包括：原料預(yù)處理、水解、發(fā)酵等。

1.3.2.1 原料預(yù)處理 是制乙醇流程中最重要的一個(gè)步驟，分離出纖維素，去除木質(zhì)素。處理方法主要有粉碎法、高溫分解法、蒸氣爆破法、微波法、稀酸處理法、堿預(yù)處理法、濕氧化法、生物法等。粉碎法、高溫分解法、蒸氣爆破法和微波法等耗能高，酸堿處理會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，生物法生產(chǎn)周期長(zhǎng)，距實(shí)現(xiàn)大型工業(yè)化生產(chǎn)還有一定距離?？萍歼M(jìn)步的同時(shí)，李陽(yáng)等人[34]2009年提出了1個(gè)新型的方式——液化秸稈，研究表明在反應(yīng)溫度100℃，液化時(shí)間90min，催化劑98%，硫酸用量1mmol/g，絕干玉米秸稈，液比3：1(苯酚：秸稈)條件下，對(duì)秸稈進(jìn)行液化，可以將纖維素最大程度地分離，使纖維素含量由原料的36.8%提高到68.8%，木素含量由19.8%降低到4.2%，大大地純化了用于發(fā)酵制備燃料乙醇的原料，預(yù)處理效果顯著，省去了傳統(tǒng)的水解過(guò)程，反應(yīng)清潔，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成2次污染。

1.3.2.2 水解 經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，秸稈中的纖維素需進(jìn)一步水解為單糖，才能被微生物發(fā)酵成乙醇。現(xiàn)在對(duì)纖維素的水解方法主要有酸水解和酶水解2種，利用無(wú)機(jī)酸或纖維素酶將纖維素分解為單糖[ 35]。

1.3.2.3 發(fā)酵 即將經(jīng)纖維素水解后產(chǎn)生的單糖在酵母等微生物的代謝下生產(chǎn)乙醇。迄今為止科研人員已發(fā)現(xiàn)100多種生物包括細(xì)菌、真菌、酵母菌等能代謝五碳糖發(fā)酵生成醇。生產(chǎn)發(fā)酵乙醇的方法有3種：直接發(fā)酵法、水解發(fā)酵兩步法和同步糖化發(fā)酵法，其中同步糖化發(fā)酵法被認(rèn)為是纖維素轉(zhuǎn)化最有前景的途徑[35]。

1.3.3 生產(chǎn)沼氣 秸稈沼氣技術(shù)是以秸稈為發(fā)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(jīng)過(guò)沼氣細(xì)菌的發(fā)酵作用產(chǎn)出以含甲烷為主要成分的可燃?xì)怏w。產(chǎn)沼氣原料的不同，其產(chǎn)氣率不同，原料產(chǎn)氣率越高，表明其利用率越高，一般來(lái)說(shuō)，富氮原料的產(chǎn)氣速度要高于富碳原料。秸稈的C/N 比高，產(chǎn)氣速度相對(duì)比較慢，因此在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)選加入人畜糞便或尿素之類富含N的原料，減少發(fā)酵啟動(dòng)時(shí)間，提高沼氣產(chǎn)量[36]。

由于秸稈本身纖維素和木質(zhì)素含量較高，不易被厭氧微生物及酶直接利用，導(dǎo)致產(chǎn)氣的速度慢，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，目前的研究主要集中在秸稈的預(yù)處理方面，使秸稈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，秸稈變?nèi)彳?、疏松，以利于厭氧微生物分解利用。秸稈的預(yù)處理方法包括物理、化學(xué)、熱處理和生物方法。其中生物方法主要是利用微生物對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理，主要包括以乳酸菌為核心的青貯方法，以降解木質(zhì)素的白腐真菌為核心的綠秸靈復(fù)合菌劑，以及利用沼液中的水解微生物對(duì)秸稈進(jìn)行堆漚等，破壞木質(zhì)素、半纖維素和纖維素的部分聯(lián)接結(jié)構(gòu)，使纖維素更容易被微生物利用產(chǎn)氣，此類方法成本較低，設(shè)備要求不高，在實(shí)際應(yīng)用廣泛。最實(shí)用簡(jiǎn)便的預(yù)處理方法是秸稈堆漚法，秸稈堆漚法也分為高溫堆肥法和直接法，破壞木質(zhì)素、半纖維素和纖維素的部分聯(lián)接結(jié)構(gòu)，使纖維素更容易被微生物利用產(chǎn)氣[36-38]。

一般1口8 m3的沼氣池，需400kg秸稈、1kg秸稈發(fā)酵菌劑、15kg左右碳酸氫銨、4t左右的水，10%～15%的接種物，可持續(xù)產(chǎn)氣8～10個(gè)月[37 ]。秸稈沼氣技術(shù)打破了沼氣建設(shè)對(duì)畜禽飼養(yǎng)的依賴性， 創(chuàng)立了秸稈能源化利用的新工藝，緩解了農(nóng)村能源供應(yīng)短缺的現(xiàn)狀，還可應(yīng)用到工業(yè)上，更找到了一條解決秸稈污染的有效方法。發(fā)酵后產(chǎn)生的沼渣，含有較全面的養(yǎng)分和豐富的有機(jī)物, 還含有對(duì)作物生長(zhǎng)起重要作用的B、Cu、Fe、Mn、Zn等微量元素,是優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥料，利用沼渣種植蘑菇、代替部分飼料養(yǎng)豬、養(yǎng)魚(yú)、飼養(yǎng)蚯蚓等都取得了顯著的發(fā)展[39-40]。

1.4 工業(yè)原料化利用

1.4.1 生產(chǎn)纖維復(fù)合材料 秸稈是纖維、半纖維和木質(zhì)素含量很高的農(nóng)作物殘留物，纖維本身具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、回彈性和耐沖擊等特性，可起到支架的承載作用；半纖維素可起到減少制品在使用時(shí)的變形和在成型過(guò)程中起到有效膠粘劑等作用，起到連接作用，因此，秸稈是很好的板狀材料的良好原料[41]。現(xiàn)在秸稈生產(chǎn)出的纖維復(fù)合材料主要包括有：① 制造兩面光、中密度纖維板，產(chǎn)品表面平滑堅(jiān)硬不需砂光、板芯密度不松軟；②利用稻麥秸稈生產(chǎn)SMC輕質(zhì)墻板， 無(wú)毒、無(wú)味、防火、防水、隔音、隔熱、抗老化、防震、防裂、防腐蝕，造價(jià)低， 特別適用于框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)隔墻條板；③麥秸均質(zhì)人造板， 已成為家具生產(chǎn)廠選材的熱點(diǎn)之一；④仿水曲柳玻鎂平板， 具有優(yōu)良的防火性能；⑤生產(chǎn)1次性餐具， 可在-16～100℃下使用，制造成本低于紙制餐具， 易降解 ；⑥ 制作果蔬內(nèi)包裝襯墊，無(wú)毒、無(wú)臭、價(jià)低、且易銷毀，不污染環(huán)境[42]；⑦以稻草、麥秸制作秸稈磚， 秸稈磚房不但堅(jiān)固可靠，而且綠色環(huán)保[43]。

1.4.2 生產(chǎn)有機(jī)物產(chǎn)品 羧甲基纖維素(CMC)廣泛應(yīng)用于紡織、石油、醫(yī)藥等方面，其生產(chǎn)中所用的是纖維素，秸稈中有相當(dāng)大一部分為纖維素,可以作為棉花纖維的替代原料生產(chǎn)CMC。玉米秸稈、稻草或麥桿含有大量的淀粉，從中提取淀粉，不僅可以作飼料，還可以釀酒、造醋、制糖和加工各種糕點(diǎn)食品，秸稈中的半纖維含有多縮戊糠醛還可用于制作木糖醇[42-44]。

1.4.3 生產(chǎn)炭化產(chǎn)品 秸稈可代替煤和木材作為原料生產(chǎn)機(jī)制炭，活性炭，麻稈炭。生產(chǎn)機(jī)制炭的同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)品——焦油和粗醋液，可用于生產(chǎn)其他重油或作為工業(yè)原料、無(wú)公害藥劑等?；钚蕴坑捎谄鋸?qiáng)大的吸附性，應(yīng)用領(lǐng)域甚廣，涉足于食品、醫(yī)藥、化學(xué)化工以及軍工礦產(chǎn)中，造價(jià)過(guò)高一直阻礙著活性炭的發(fā)展，如今研發(fā)出的秸稈造活性炭，更進(jìn)一步擴(kuò)寬了活性炭的應(yīng)用，平均3t秸稈就可以生產(chǎn)1t活性炭(機(jī)制炭)[45]。

2 秸稈綜合利用存在的問(wèn)題及對(duì)策

2.1 秸稈綜合利用存在的問(wèn)題

2.1.1 農(nóng)民認(rèn)識(shí)不足 農(nóng)民對(duì)秸稈的認(rèn)知不足，沒(méi)有了解到焚燒秸稈的危害性和秸稈的重大價(jià)值，常常為了省事，在田里直接一燒了之。

2.1.2 綜合利用技術(shù)成本高，效益低 秸稈收集、運(yùn)輸成本太高，經(jīng)濟(jì)效益不顯著，對(duì)農(nóng)民沒(méi)有吸引力，導(dǎo)致秸稈綜合利用項(xiàng)目和技術(shù)推廣難度大[1-6]。

2.1.3 綜合利用技術(shù)還不完善 秸稈還田機(jī)具價(jià)格偏高，利用率低，缺少適宜丘陵山區(qū)的機(jī)具；還田秸稈粉碎不夠細(xì)、不易腐爛，會(huì)影響下茬作物播種和出苗質(zhì)量；帶病、帶蟲(chóng)秸稈未清除就還田，會(huì)提高作物病蟲(chóng)害發(fā)病率；秸稈利用工業(yè)化程度低，規(guī)?；貌粔虬l(fā)達(dá)[ 4 ]。

2.1.4 支持力度不夠 包括政策制定、技術(shù)研究支持、示范推廣等工作沒(méi)做到位等。

2.2 秸稈綜合利用的對(duì)策

2.2.1 加大政府支持力度并建立激勵(lì)機(jī)制 根據(jù)各地的實(shí)際情況制定出切實(shí)可行的政策，對(duì)秸稈綜合利用制定合理的目標(biāo)和規(guī)劃，提出保障措施和支持政策[46]，對(duì)焚燒秸稈、掠奪式經(jīng)營(yíng)土地的行為給予法律約束，對(duì)增加有機(jī)肥投入、進(jìn)行秸稈還田或有效利用的農(nóng)民要給予政策鼓勵(lì)或獎(jiǎng)勵(lì)。同時(shí)各級(jí)政府要因地制宜，加大推廣投入力度，安排專項(xiàng)資金重點(diǎn)支持建立示范基地，對(duì)推廣項(xiàng)目的技術(shù)、設(shè)備引進(jìn)給予適度補(bǔ)貼[1 3]。

2.2.2 加強(qiáng)對(duì)農(nóng)民的宣傳和技術(shù)培訓(xùn) 加強(qiáng)在法制和環(huán)保方面宣傳教育，強(qiáng)化農(nóng)民對(duì)焚燒秸稈的危害性和秸稈綜合利用的科學(xué)性的認(rèn)識(shí)，提高其對(duì)秸稈肥料、飼料、燃料和原料價(jià)值的認(rèn)識(shí)，宣傳和推廣新技術(shù)，建立技術(shù)服務(wù)站，為農(nóng)民提供技術(shù)上幫助和指導(dǎo)，調(diào)動(dòng)農(nóng)民積極性[3-6]。

2.2.3 加強(qiáng)秸稈利用技術(shù)瓶頸問(wèn)題的研究 有的技術(shù)還不成熟、有的還需進(jìn)一步研發(fā)，如秸稈氣化中的焦油問(wèn)題，高效生物有機(jī)肥工業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備的引進(jìn)、消化吸收及國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題，秸稈飼料的優(yōu)化配制等[ 1 ]。針對(duì)不同作物秸稈利用機(jī)械的引進(jìn)、消化與優(yōu)化改良，政府和研究部門(mén)應(yīng)因地制宜，加大研究資金投入，擴(kuò)寬研究的范圍。

2.2.4 因地制宜搞好示范推廣工作 從實(shí)際出發(fā)，因地制宜搞好綜合利用技術(shù)的推廣應(yīng)用，把它產(chǎn)品化、工業(yè)化，實(shí)現(xiàn)秸稈產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營(yíng)。如平原地區(qū)和大城市郊區(qū)， 要大力推廣應(yīng)用秸稈機(jī)械化粉碎還田、保護(hù)性耕作等適用技術(shù)；丘陵區(qū)與經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)區(qū)，要著重推廣秸稈快速腐熟還田；草食動(dòng)物比較集中地區(qū)，應(yīng)推廣過(guò)腹還田技術(shù)，發(fā)展秸稈養(yǎng)畜；經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)，要推動(dòng)秸稈氣化、沼氣和秸稈加工業(yè)的發(fā)展，開(kāi)拓農(nóng)民增收的新途徑，推進(jìn)新農(nóng)村建設(shè)[ 1 ]。

3 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直把秸稈看作是農(nóng)業(yè)的副產(chǎn)品，存在重糧食利用、輕秸稈利用的傳統(tǒng)觀念[47]。當(dāng)今社會(huì)高度關(guān)注環(huán)境和能源，隨著政府的支持力度的加大，秸稈綜合利用關(guān)鍵技術(shù)的研究深入，秸稈的綜合利用技術(shù)正從早期的直接或堆漚還田、燒火做飯取暖、加工粗飼料等向著快速腐熟堆肥、氣化集中供氣、優(yōu)質(zhì)生物煤、高蛋白飼料和易降解包裝材料、有價(jià)工業(yè)原料及高附加值工藝品等方向發(fā)展。從農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化的角度來(lái)分析，單純采用某一種利用方式，秸稈能量轉(zhuǎn)化率和利用率會(huì)受到限制。把其中幾種方法有機(jī)地組合起來(lái), 形成一種多層次、多途徑綜合利用的方式, 從而實(shí)現(xiàn)秸稈利用的資源化、高效化和產(chǎn)業(yè)化，是未來(lái)生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[ 4 ]。

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2015-11-28

陳璐(1994-)，女，本科，西南大學(xué)2012級(jí)農(nóng)學(xué)專業(yè)，課題來(lái)源：四川省蔬菜創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)——無(wú)公害蔬菜栽培技術(shù)研究與應(yīng)用崗位