棉花秸稈飼料化前景與技術(shù)分析

王方正，師勇強(qiáng)，王文魁，馬小艷，，張杰，郭志剛，宋日雨，李迅，董棟，王巖*，馬雄風(fēng)，*

（1. 棉花生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鄭州大學(xué)基地/ 鄭州大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450000；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/ 棉花生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/ 棉花生物育種及產(chǎn)業(yè)技術(shù)國(guó)家工程研究中心，河南 安陽(yáng) 455000；3. 融通農(nóng)業(yè)發(fā)展（麥蓋提）有限責(zé)任公司，新疆 喀什 844000）

2021 年，新疆棉花總產(chǎn)為512.9 萬(wàn)t，占全國(guó)總產(chǎn)量的89.5%，與此同時(shí)產(chǎn)生了大量的棉籽、棉粕和棉稈等副產(chǎn)品。根據(jù)左旭等[1]的計(jì)算模型，將棉稈與棉纖維的草谷比設(shè)為5.0， 則新疆地區(qū)每年的棉花秸稈產(chǎn)量約為2 500 萬(wàn)t。 因此，基于棉稈資源化利用現(xiàn)狀和主要技術(shù)難點(diǎn)，分析棉稈飼料化利用的潛力和處理方法， 提出棉稈飼料化處理的合理建議，為棉稈的資源化和產(chǎn)業(yè)化利用，進(jìn)一步促進(jìn)新疆地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)提供支持。

1 棉花秸稈利用現(xiàn)狀

目前，對(duì)于棉花秸稈的處理和利用方式大致可以歸為還田肥料化和離田再加工2 大類[2-3]。

1.1 棉稈還田肥料化

棉花秸稈的還田肥料化利用方式主要有直接粉碎還田和堆漚發(fā)酵還田2 種。直接粉碎還田就是在完成棉花采摘后，使用大型農(nóng)用機(jī)械將生長(zhǎng)在棉田里的秸稈收割并粉碎，同時(shí)利用機(jī)械進(jìn)行翻耕或旋耕將粉碎后的棉稈作為肥料直接埋入農(nóng)田[4]。 直接粉碎還田存在機(jī)械化程度高、速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)；然而，由于新疆地區(qū)干旱少雨，土壤含水量低，直接粉碎還田的棉稈埋入土壤后長(zhǎng)期無法得到降解，不僅不能有效地轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)質(zhì)，還會(huì)因其帶有枯萎病、黃萎病等的病原菌而加重棉田病害。

堆漚發(fā)酵還田則是把采摘后殘留的棉稈收集起來， 通過好氧堆肥發(fā)酵將棉稈轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥后再還田使用。 此方法可以利用發(fā)酵過程中產(chǎn)生的高溫殺死病原菌，并有效將棉稈轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥，但存在收集成本、 運(yùn)輸成本和發(fā)酵生產(chǎn)成本高的缺點(diǎn)。 因此，棉稈堆漚發(fā)酵還田無法在新疆規(guī)?；茝V應(yīng)用。

1.2 棉稈離田再加工

棉稈離田再加工利用的方式較多，主要包括飼料化處理、燃料化處理、原料化處理和基質(zhì)化處理等[5]。棉稈的飼料化處理是通過各種物理、化學(xué)和生物處理方式將棉花秸稈制成反芻動(dòng)物飼料；燃料化處理是將棉花秸稈看作1 種生物質(zhì)能源，直接燃燒供熱發(fā)電，也可以進(jìn)一步經(jīng)高溫?zé)峤鈿饣幚砘蛘呒庸ぶ谱鲀?yōu)質(zhì)固體燃料；原料化處理是指對(duì)棉稈的枝、莖、葉、根乃至分離得到的棉稈芯和棉稈皮，根據(jù)其理化特性差異，使之成為紡織、造紙、造板等不同使用場(chǎng)景中的原料；基質(zhì)化處理是把粉碎后的棉花秸稈與化肥等其他物質(zhì)按一定的配比混合，制作成為食用菌培養(yǎng)基或植物栽培基質(zhì)。

一般來說，棉稈離田再加工的利用效率與經(jīng)濟(jì)效益比直接粉碎還田處理高，但也需要一定的技術(shù)與投資。相比而言，燃料化處理對(duì)棉稈的需求量大、處理效率高；但收集和運(yùn)輸成本較高，因此，對(duì)于新疆等不缺乏燃煤資源的地區(qū)，棉稈燃料化處理并不是最佳選擇。原料化處理的收集、運(yùn)輸成本也較高，同時(shí)存在產(chǎn)品外運(yùn)的成本壓力?；|(zhì)化處理利用方式可以就地加工、生產(chǎn)和使用，但相關(guān)研究起步較晚，處理規(guī)模較小，無法大規(guī)模地利用棉稈資源。新疆地區(qū)畜牧業(yè)尤其是牛羊養(yǎng)殖業(yè)較為發(fā)達(dá)，但是缺乏量大和供應(yīng)穩(wěn)定的飼草資源。在新疆地區(qū)將棉稈制成牛、羊等反芻動(dòng)物的飼料，可以就地收集加工、利用，具有運(yùn)輸成本低、處理規(guī)模大和經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)；因此，棉稈飼料化利用在新疆地區(qū)具有良好的應(yīng)用前景。

2 棉花秸稈飼料化的可行性

2.1 農(nóng)作物秸稈飼料化研究現(xiàn)狀

我國(guó)一直都有利用農(nóng)作物秸稈飼養(yǎng)家畜的習(xí)慣，但農(nóng)作物秸稈中含有大量的木質(zhì)素、纖維素等高分子物質(zhì)，即便是牛、羊等反芻動(dòng)物直接食用未經(jīng)處理的秸稈后消化吸收率也不高[6]。 為了提高農(nóng)作物秸稈的飼用效率， 使之更加便于儲(chǔ)存運(yùn)輸，促進(jìn)農(nóng)業(yè)與畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)的更好發(fā)展，秸稈的飼料化技術(shù)研究一直受到關(guān)注。 在將秸稈制作成為飼料的過程中， 可以使用一些技術(shù)手段針對(duì)性地調(diào)整飼料中的各種營(yíng)養(yǎng)成分含量，例如：減少難以消化的木質(zhì)素和木質(zhì)纖維素含量，以提升秸稈飼料的消化效率；增加粗蛋白質(zhì)的含量，以提升動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育速率等。

近年來，國(guó)內(nèi)的秸稈飼料化技術(shù)研究已取得明顯進(jìn)展。 以玉米秸稈為例，目前常見的玉米秸稈飼料化技術(shù)有青貯與黃貯2 種方式。玉米秸稈青貯就是把青綠色的玉米秸稈切碎壓實(shí)后填入發(fā)酵間，在密封的條件下進(jìn)行厭氧發(fā)酵。玉米秸稈青貯對(duì)于秸稈原料的要求較高，最好在玉米乳熟末期整株不超過2 片葉枯黃時(shí)完成收割，收割后要及時(shí)把秸稈切碎至長(zhǎng)度3 cm 左右，裝填進(jìn)發(fā)酵間內(nèi)反復(fù)壓實(shí)，最終隔絕空氣密封發(fā)酵[7]。一般情況下，密封后的玉米秸稈只需1 個(gè)月就能發(fā)酵成為粗飼料。 研究表明，青貯后的玉米秸稈與自然干燥的玉米秸稈相比，粗纖維含量降低13.3%， 粗蛋白質(zhì)含量提高30.4%，無氮浸出物含量提高71.2%[8]。整體來看，青貯發(fā)酵可明顯提升玉米秸稈的飼用效率。

玉米秸稈的黃貯與青貯原理基本相同，二者的區(qū)別在于黃貯處理是以完全成熟收獲后的枯黃秸稈為原料，在密封發(fā)酵之前需要向切碎的秸稈中添加適量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、水和生物菌劑[9]。 由于原料中組分含量的差異，一般黃貯飼料比青貯飼料中的粗纖維含量稍高，粗蛋白質(zhì)含量和整體營(yíng)養(yǎng)水平稍低。

2.2 棉花秸稈的主要營(yíng)養(yǎng)成分

棉花秸稈中根、莖、葉等不同部位的主要成分含量存在明顯差異（表1），而且種植地區(qū)、品種、種植和收割時(shí)間、種植期間管理方式（氮肥使用量）、棉稈收割后儲(chǔ)存方式、儲(chǔ)存時(shí)間等因素都會(huì)影響棉稈中各種組分的含量。 許國(guó)英等[10]早在1998 年就對(duì)新疆地區(qū)棉稈的營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)行了測(cè)定，提出了將棉花秸稈制成動(dòng)物飼料的可能性。

表1 棉稈不同部位的主要成分含量[11]%

與小麥秸稈、水稻秸稈和玉米秸稈相比，棉花秸稈中的鈣、磷、粗蛋白質(zhì)和木質(zhì)素的含量更高[12]（表2）。 張國(guó)慶等[13]用棉花秸稈和玉米秸稈分別混合相同質(zhì)量的精制飼料飼喂綿羊，結(jié)果顯示，用棉花秸稈飼喂的綿羊體內(nèi)氮、鈣、磷的沉積量和沉積率均高于玉米秸稈組，2 組綿羊的活體質(zhì)量、 胴體質(zhì)量、屠宰率、胴體瘦肉質(zhì)量無顯著差異，但棉稈組綿羊的肥肉質(zhì)量明顯比玉米秸稈組更低，胴體骨質(zhì)量明顯更高。 由此可見，棉花秸稈和其他幾種農(nóng)作物秸稈的營(yíng)養(yǎng)成分相似，具備制作反芻動(dòng)物優(yōu)質(zhì)飼料的潛力。

表2 常見農(nóng)作物秸稈的主要成分含量[12]%

3 棉花秸稈飼料化的難點(diǎn)與處理方法

3.1 棉稈飼料化的難點(diǎn)

棉花秸稈飼料化處理中的主要難點(diǎn)有2 個(gè)：一是棉稈必須經(jīng)軟化處理后才能更好地被動(dòng)物食用，這是因?yàn)槊薅挶扔衩?、水稻等秸稈含有更多的木質(zhì)素和纖維素，質(zhì)地更硬、適口性差，會(huì)降低動(dòng)物的采食量、采食效率和消化效率；二是須減少棉花秸稈中的游離棉酚（C30H30O8）——1 種廣泛分布于整個(gè)棉株色素腺體中的黃色有毒多酚物質(zhì)的含量。游離棉酚在進(jìn)入動(dòng)物體內(nèi)后能夠與蛋白質(zhì)和鐵等物質(zhì)結(jié)合，使生物體出現(xiàn)胃腸黏膜損傷、缺鐵性貧血、血管壁通透性增高、氨基酸利用率降低等病癥，導(dǎo)致生長(zhǎng)遲緩、中毒甚至死亡，還會(huì)危害雄性動(dòng)物的生殖系統(tǒng)，導(dǎo)致不育[14-15]。為防止游離棉酚在動(dòng)物體內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間富集產(chǎn)生危害，一般要求反芻動(dòng)物飼料中的游離棉酚含量不超過200 mg·kg－1。 我國(guó)很早就開展了低酚棉的研究，并取得一定的研究成果，如中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所、河北省農(nóng)林科學(xué)院等單位培育的低酚棉品種。 但由于低酚棉品種缺乏棉酚，其抗病蟲性明顯減弱，因此其推廣應(yīng)用受到極大限制。因此，針對(duì)當(dāng)前棉田生產(chǎn)的棉稈，須采取專門的游離棉酚處理技術(shù)，以達(dá)到飼喂要求。

3.2 棉稈飼料化處理方法

為了將棉花秸稈制作成優(yōu)質(zhì)飼料，需要對(duì)秸稈原料存在的問題進(jìn)行針對(duì)性處理， 以降低木質(zhì)素、纖維素和游離棉酚的含量。目前，主要有物理、化學(xué)和生物3 類處理方法[16-17]。

物理處理是化學(xué)處理和生物處理的基礎(chǔ)，常見的物理處理方法有粉碎、蒸煮、浸泡、輻射和膨化?；瘜W(xué)處理可通過添加化學(xué)試劑來改變棉稈纖維中的各種組分含量，降低木質(zhì)素、纖維素和棉酚含量，也可通過添加一些特定的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來提升飼料的最終品質(zhì)。常見的化學(xué)處理方法有酸處理、堿處理、氨化處理和硫酸亞鐵處理等。生物處理是利用微生物的生命活動(dòng)或微生物的代謝產(chǎn)物來處理秸稈，并根據(jù)不同的處理目的向秸稈原料中接種不同微生物菌株。 與物理處理和化學(xué)處理相比，生物處理的反應(yīng)周期更長(zhǎng)、處理效果更好。 一套成熟的棉稈飼料化工藝流程中生物處理一般作為核心步驟。 常見的生物處理方法包括酶解、青貯和微貯等。

針對(duì)上述提及的棉稈飼料化中存在的2 個(gè)難點(diǎn)，對(duì)目前應(yīng)用較廣、相對(duì)高效的幾種處理方法進(jìn)一步分析探討。

（1）膨化處理。與其他幾種物理方法相比，膨化處理能夠更大限度地破壞秸稈中原有的纖維結(jié)構(gòu)，使原本緊密排列的木質(zhì)素和纖維素彼此分離，從而使膨化處理后的秸稈質(zhì)地更加松軟，木質(zhì)化程度降低，體積與表面積明顯增加，纖維束暴露，纖維結(jié)晶度降低。

膨化處理可以分為蒸汽爆破（簡(jiǎn)稱為“汽爆”）和擠壓膨化2 種。汽爆的原理是將秸稈原料置于密閉的容器內(nèi)， 通過加熱提升容器內(nèi)的溫度和壓強(qiáng)，讓植物纖維之間充滿高壓蒸汽，然后突然釋放壓力使秸稈內(nèi)部的蒸汽發(fā)生爆炸效果，從而將原本緊實(shí)的木質(zhì)素和纖維素撕裂膨化。擠壓膨化的工作原理是通過電機(jī)和傳動(dòng)裝置控制金屬螺桿在擠壓腔內(nèi)對(duì)秸稈進(jìn)行強(qiáng)烈的擠壓摩擦和剪切作用，從而產(chǎn)生大量的熱量使擠壓腔內(nèi)達(dá)到高溫高壓的狀態(tài)；當(dāng)秸稈被擠出噴嘴后，外部壓力驟然下降，內(nèi)部纖維間的高壓空氣體積快速膨脹從而使秸稈被膨化。

將膨化后的秸稈直接作為粗飼料使用時(shí)，動(dòng)物的采食量和采食后的消化率明顯提高，將其作為中間產(chǎn)物繼續(xù)進(jìn)行生物發(fā)酵， 也能夠提高發(fā)酵效率，縮短發(fā)酵周期[18]。在壓力2.5 MPa、溫度220 ℃的條件下對(duì)棉花秸稈進(jìn)行汽爆膨化，處理后的棉稈中木質(zhì)素含量減少11.81%，纖維素減少9.34%，半纖維素減少16.76%，而粗蛋白含量增加9.38%；用少量膨化前后的秸稈分別摻進(jìn)基礎(chǔ)飼料對(duì)肉羊進(jìn)行飼喂，肉羊瘤胃對(duì)膨化后棉稈的整體消化效率高于膨化前的棉稈[19]。 也有研究表明，膨化時(shí)的高溫對(duì)棉稈中的游離棉酚有一定的脫毒作用， 如在壓力2.5 MPa、溫度220 ℃的條件下汽爆后，棉稈中游離棉酚含量可降低33.7%[20]。 綜上所述，汽爆膨化不僅可以降低棉稈中的木質(zhì)素和纖維素含量，提高飼料的適口性，還能減少其中的游離棉酚含量。

（2）氨化處理。 氨化處理是用一定濃度的尿素溶液或者氨水浸泡秸稈。與一些采用強(qiáng)酸強(qiáng)堿溶液處理的方法相比，氨化處理更加溫和。 此方法處理可調(diào)節(jié)秸稈的碳氮比，提升飼料中的蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的水平， 提高動(dòng)物的采食量和采食后的消化率；同時(shí)，尿素分解產(chǎn)生的氨在一定條件下還可以使棉稈中的游離棉酚變?yōu)榻Y(jié)合棉酚而失去毒性，達(dá)到一定的脫毒效果。

王倩等[21]用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的尿素溶液處理粉碎后的棉粕，可使棉粕中的粗蛋白質(zhì)含量增加約5%，游離棉酚脫毒率超過40%。張國(guó)琛等[22]曾用螺桿擠壓膨化機(jī)對(duì)尿素精料進(jìn)行擠壓膨化，然后將膨化前后的尿素分別摻進(jìn)飼料里飼喂反芻動(dòng)物（牛、羊等）， 結(jié)果顯示膨化組尿素精料的水解速率比未膨化組明顯降低，水解過程也更加均勻，膨化后的尿素在飼喂安全性和利用率上都有顯著提升。據(jù)此認(rèn)為，棉稈氨化處理后再進(jìn)行膨化或氨化與膨化同時(shí)進(jìn)行，處理后的棉稈飼喂效果應(yīng)該更好。

（3）硫酸亞鐵處理。如前所述，游離棉酚能夠與生物體中的鐵結(jié)合；因此，可以用硫酸亞鐵溶液來處理粉碎后的棉花秸稈，讓其中的游離棉酚提前與溶液中的亞鐵離子結(jié)合，達(dá)到脫毒的目的。 游離棉酚和亞鐵離子的結(jié)合在理論上應(yīng)是等物質(zhì)的量，但實(shí)際操作中受限于棉稈的粉碎程度等，亞鐵離子的添加量一般要高于棉酚含量才能取得較好的脫毒效果。

王倩等[21]將500 g 棉粕樣品浸泡于硫酸亞鐵溶液中，3 h 后撈出瀝干， 放置于40 ℃烘箱烘干4 h后測(cè)定發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硫酸亞鐵劑量分別為游離棉酚質(zhì)量濃度的3 倍和5 倍時(shí)，棉粕中的游離棉酚脫毒率分別為82.13%和83.12%，表明硫酸亞鐵溶液能夠有效降低試樣的游離棉酚含量，起到脫毒作用。

游離棉酚與二價(jià)鐵離子的結(jié)合過程屬于放熱反應(yīng)。 冉函等[23]的研究表明，用硫酸亞鐵去除游離棉酚時(shí)，需要2 h 的反應(yīng)時(shí)間才能生成穩(wěn)定的棉酚-鐵離子復(fù)合物，高酸性環(huán)境會(huì)抑制游離棉酚與鐵離子的結(jié)合反應(yīng)，甚至可能導(dǎo)致部分結(jié)合棉酚重新分解轉(zhuǎn)化為游離棉酚從而使毒性增強(qiáng)。 因此，硫酸亞鐵法更適合與氨化處理或堿處理配合使用，以確保處理后的棉稈飼料能夠具有適宜的酸堿度。

（4）微貯處理。 微貯是目前普遍應(yīng)用的1 種秸稈處理方法。前文提到的玉米秸稈黃貯適用于枯黃的秸稈原料，同樣適用于棉花秸稈的微貯處理。 由于棉花秸稈的木質(zhì)化程度更高，通常要采用更加復(fù)雜的物理或化學(xué)方法進(jìn)行預(yù)處理，之后再添加一定的微生物菌種和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行微貯發(fā)酵。影響微貯發(fā)酵效果的因素很多，包括溫度、濕度、密封條件、微生物種類、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、原料碳氮比等[24]。 微貯發(fā)酵后的棉稈質(zhì)地柔軟、酸醇，適口性明顯提高。

在棉稈微貯飼料化研究中，常用的菌種有L（＋）型乳酸菌、枯草芽孢桿菌、酵母菌等[16]。 乳酸菌能夠降低棉稈中的纖維素和半纖維素含量，將可溶性糖類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為更容易被消化吸收的有機(jī)酸，提高飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和適口性， 增強(qiáng)動(dòng)物的腸胃免疫力；芽孢桿菌可產(chǎn)生纖維素酶和葡萄糖酶，促進(jìn)大分子糖類物質(zhì)的分解，還能通過產(chǎn)生細(xì)菌素來抑制一些有害霉菌的滋生，維持發(fā)酵過程的穩(wěn)定；酵母菌能夠分泌纖維素酶、蛋白酶等多種胞外酶，提高動(dòng)物對(duì)飼料的消化效率。 研究發(fā)現(xiàn)，特定的芽孢桿菌和酵母菌還可以大幅度降低棉稈中游離棉酚的含量[25]。所以，在具體的棉稈微貯實(shí)踐中，應(yīng)該根據(jù)原料組分的不同選擇合適的微生物菌株。

3.3 棉稈飼料化技術(shù)研發(fā)思路

綜上所述， 棉稈飼料化技術(shù)已有較多研究，并取得了一定的進(jìn)展；但大多是采用單一的技術(shù)和處理方式，無法將棉稈制成理想的優(yōu)質(zhì)飼料，因而對(duì)于棉稈飼料化的復(fù)合或組合技術(shù)的研究值得開展。如果能建立一套完整的棉稈飼料化技術(shù)體系，利用多種技術(shù)復(fù)合或組合處理，比如將汽爆、氨化、硫酸亞鐵等處理技術(shù)進(jìn)行組合，即在汽爆前將破碎的棉稈與尿素、硫酸亞鐵充分混合，通過汽爆作用實(shí)現(xiàn)木質(zhì)素與纖維素分離、纖維束解束、尿素與棉稈組織成分深度融合、尿素和二價(jià)鐵離子與棉酚充分接觸和反應(yīng)等多重目的，之后將經(jīng)上述處理的棉稈微貯，就可以提高棉稈飼料化的效率，使棉稈飼料化的價(jià)值進(jìn)一步提高。

4 結(jié)論

我國(guó)的棉花秸稈資源豐富， 分布相對(duì)集中，棉稈飼料化的前景廣闊。目前已有的棉稈飼料化處理技術(shù)因成本較高、技術(shù)單一而無法實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)飼料化的目的，國(guó)內(nèi)還沒有成熟的、可以大規(guī)模推廣的棉稈飼料化生產(chǎn)工藝。 因此，筆者團(tuán)隊(duì)在分析目前常用技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)棉稈飼料化中存在的2 個(gè)主要難點(diǎn)（木質(zhì)素與游離棉酚含量過高）提出了復(fù)合或組合技術(shù)（膨化處理與氨化處理、硫酸亞鐵處理和微貯處理相結(jié)合）的思路，以期實(shí)現(xiàn)木質(zhì)素與纖維素分離、纖維束解束、尿素與棉稈組織成分深度融合、 尿素和鐵離子與棉酚充分接觸和反應(yīng)、微生物發(fā)酵等多重目的，從而在不大幅增加成本的同時(shí)提高棉稈的飼料化價(jià)值。