大豆秸稈資源的開發(fā)利用現(xiàn)狀、存在問題及對策

白長勝，尹珺伊，王 歡，田秋豐，劉秋瑾

（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院 畜牧獸醫(yī)分院，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

農(nóng)作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，含有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和蛋白質(zhì)等有機質(zhì)，以及豐富的氮、磷、鉀和微量元素，是重要的生物質(zhì)資源[1]。我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈種類多樣，產(chǎn)量巨大，分布廣泛。自2015年以來，我國大豆產(chǎn)量逐年上升（表1），相應的大豆秸稈產(chǎn)量也隨之增加。大豆草谷比因不同地區(qū)、不同時期、不同品種而不同，祝延立等[2]測定吉林省大豆草谷比為1.06，熊娜等[3]測定廣西省大豆草谷比為1.08，冉繼偉等[4]測定大豆草谷比在我國東北、華北、長江中下游、西北、西南、東南地區(qū)分別為1.29、1.53、1.41、1.63、1.69、1.53。2020 年，全國大豆產(chǎn)量1 960.18 萬噸，按草谷比最低1.06 估算，大豆秸稈產(chǎn)量為2 077.8 萬噸。

表1 2015—2020 年我國大豆產(chǎn)量

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)民生產(chǎn)、生活方式的轉(zhuǎn)變，秸稈作為燃料、飼料和肥料的利用程度逐漸降低，從而導致了日益普遍的區(qū)域秸稈過?，F(xiàn)象，大量的秸稈不能得到及時、妥善地處置，閑置在田間地頭或者被焚燒掉，容易引發(fā)火災與大范圍強霧霾天氣，造成秸稈資源嚴重浪費，并影響道路及航空交通安全[5-7]，因此合理利用大豆秸稈資源成為當前全社會廣泛關注、亟待解決的問題。本文對大豆秸稈主要利用技術(shù)模式、資源化利用方向、存在問題及對策進行了綜述，為合理開發(fā)大豆秸稈資源提供科學依據(jù)。

1 大豆秸稈營養(yǎng)價值

大豆秸稈中蛋白質(zhì)含量較高，質(zhì)量較好，另外還含有粗脂肪、粗纖維、中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維、鈣和磷等營養(yǎng)成分（表2）[8]。

表2 大豆秸稈的營養(yǎng)成分 %

2 大豆秸稈開發(fā)利用現(xiàn)狀

我國僅有少量的大豆秸稈作為牛羊粗飼料，大量的大豆秸稈均被焚燒，大豆秸稈利用率小于3 %，導致寶貴資源浪費嚴重[9]13。大豆秸稈是一種應用價值很高的可再生生物質(zhì)資源，將大豆秸稈用做飼料、造紙、栽培食用菌、生物基化學品以及環(huán)保原料均有相關報道，證明大豆秸稈資源具有較高的開發(fā)利用價值。

2.1 造紙

我國木材資源短缺，目前國內(nèi)造紙用原料（木漿、廢紙和木片）50 %以上依賴進口，非木材纖維資源（主要包括竹子、蘆葦、麥草和甘蔗渣等）作為補充。隨著社會環(huán)境保護意識的增強及造紙資源日漸短缺，開展利用大豆秸稈作為造紙原料的工藝技術(shù)研究，既能補充國內(nèi)造紙纖維資源的不足，又能減少林木消耗，有利于保護生態(tài)環(huán)境。向松明等[10]對大豆秸稈的化學成分進行分析，然后提取大豆秸稈中的木素—碳水化合物和磨木木質(zhì)素，并對其進行傅里葉紅外光譜分析。結(jié)果表明（表3），大豆秸稈中的纖維素和木質(zhì)素含量與木材中的纖維素和木質(zhì)素含量相近，從化學組成上說明大豆秸稈是比較適合的制漿造紙非木材纖維原料。楊會斌[11]對大豆秸稈的化學組成成分進行了分析檢測，結(jié)果顯示，大豆秸稈中的灰分含量高于木材，低于草類，與竹類相當，其中纖維素含量和木質(zhì)素含量與闊葉木接近，適合做造紙原料；通過進一步的造紙試驗測定漿張強度和抄片的物理指標，檢測結(jié)果表明大豆秸稈可用于生產(chǎn)一般工業(yè)用包裝紙。

表3 大豆秸稈及其它造紙原料的化學成分 %

2.2 食用菌培養(yǎng)

食用菌營養(yǎng)豐富，其中蛋白質(zhì)和氨基酸的含量是蔬菜和水果的幾倍至幾十倍；脂肪含量很低，大部分是對人體有益的不飽和脂肪酸；還含有多種維生素和礦物質(zhì)元素；另外食用菌中含有很多對維護人體健康有重要作用的生物活性物質(zhì)，如多糖、天然有機鍺、核酸降解物和三萜類化合物等。食用菌人工栽培產(chǎn)業(yè)具有很好的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益，在我國已成為繼糧食、蔬菜、水果、糖料之后的第五大農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)業(yè)，目前我國是世界上最大的食用菌生產(chǎn)國與消費國（圖1），食用菌產(chǎn)業(yè)在我國農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。

圖1 2010-2019 年我國食用菌產(chǎn)量

香菇、木耳等木腐真菌的主要生產(chǎn)原料為木屑，而我國林木資源緊缺，制約相關食用菌產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[12-13]。棉籽殼是栽培平菇的常規(guī)原料，近年來由于棉花種植面積減少、自然災害和成本上漲等諸多因素影響，棉籽殼價格一路升高，嚴重制約了以棉籽殼為原料的平菇栽培業(yè)的發(fā)展。麩皮是栽培食用菌的原料，同時也用作飼料，隨著食用菌產(chǎn)業(yè)和畜牧業(yè)的發(fā)展，麩皮價格也隨之上升，并出現(xiàn)“菌牧”矛盾[14-15]。大豆秸稈含有豐富的木質(zhì)素和纖維素，與闊葉木的含量相近，同時大豆秸稈的蛋白質(zhì)含量較高，與麩皮的營養(yǎng)成分相近，大豆秸稈用于栽培食用菌，不僅能避免環(huán)境污染和資源浪費，還能降低食用菌生產(chǎn)成本[16]。胡潤芳等[17]的試驗表明，大豆秸稈可以完全替代麩皮、替代部分木屑栽培香菇，并能提高鮮菇外觀商品性。大豆秸稈用于栽培香菇，每袋可降低成本42.5 %，具有較高的推廣應用價值。呂志文等[18]添加大豆秸稈栽培玉木耳，玉木耳產(chǎn)量增加，干耳中的蛋白質(zhì)、總氨基酸、粗脂肪及總糖的含量顯著提高。王慶武等[19]利用大豆秸稈完全代替棉籽殼栽培平菇，質(zhì)量無明顯差異，產(chǎn)量稍低，但栽培成本可降低約30 %，經(jīng)濟效益提高25 %以上。大豆秸稈栽培完食用菌產(chǎn)生的菌糠仍然可以繼續(xù)利用，孫國強等[20]用大豆秸稈菌糠替代50 %的粗飼料飼喂魯西牛，采食量基本相同，日增重高于對照組，差異極顯著。

在使用大豆秸稈栽培食用菌的相關研究中，不同食用菌所需大豆秸稈的添加量為15 %～86 %，差異很大；栽培同種食用菌，由于其原料的不同，所需的大豆秸稈的添加量也不同。使用大豆秸稈栽培食用菌可減少林木資源消耗，充分利用農(nóng)業(yè)廢棄物，保護自然環(huán)境。

2.3 飼料

大豆秸稈蛋白質(zhì)含量高，因品種、產(chǎn)地而不同，一般為10 %～12 %，還含有纖維素和半纖維素，可被反芻動物消化利用，但是大豆秸稈粗纖維含量高、木質(zhì)化程度高，其作為飼料直接飼喂時，消化率低、適口性差，牲畜不愛吃。國內(nèi)大豆秸稈用作飼料比例很少，而國外大約有40 %的大豆秸稈被用作牛、羊的配合飼料，利用情況較好。對比可知，我國的大豆秸稈資源具有很大的開發(fā)利用潛力，因此研究出合適的大豆秸稈處理方式，改善適口性，提高消化率，提高飼料品質(zhì)，對發(fā)展資源節(jié)約型畜牧業(yè)具有重要意義。

孫忠銀等[21]將大豆秸桿揉絲后飼喂奶牛，提高了產(chǎn)奶量。李波等[22]將大豆秸桿制作成大豆秸桿粉，替代10 %的日糧并添加一定比例的酶制劑，對育肥豬增重與節(jié)糧效果明顯。王星凌等[23]使用大豆秸飼喂肉牛，生產(chǎn)性能與飼喂黃貯玉米秸稈沒有顯著差異，由于大豆秸稈成本遠低于黃貯玉米秸稈，從而大幅度降低飼料成本。

大豆秸稈經(jīng)過益生菌發(fā)酵后，可以提高飼料在動物體內(nèi)的消化利用率，從而提高動物的生長性能。汪源泉[24]使用乳酸菌、枯草芽孢桿菌和塔賓曲霉共同發(fā)酵大豆秸稈替代普通大豆秸稈飼喂肉羊，可以提高肉羊的生長性能和肝、腎代謝功能。申瑞瑞[25]利用微生物發(fā)酵劑對馬鈴薯渣和大豆秸稈進行混貯，提高了混貯飼料的有氧穩(wěn)定性，減少了干物質(zhì)的損失，還降低了中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維的含量，提高了混貯飼料瘤胃降解率。王其邦[9]16利用微生物發(fā)酵大豆秸稈，可降低其中的粗纖維、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量，提高無氮浸出物含量；發(fā)酵豆秸飼喂肉兔，可提高日增重和飼料轉(zhuǎn)化率。王玉[26]使用益生菌發(fā)酵大豆秸稈替代50 %的青貯飼料飼喂肉羊，可以提高肉羊生長性能、屠宰性能及經(jīng)濟效益。

以上研究均表明，大豆秸稈經(jīng)過適當?shù)募庸ぬ幚砗?，能夠改善適口性，提高消化率，增加營養(yǎng)價值。大豆秸稈作為粗飼料，不僅有利于緩解人畜爭糧的矛盾，還具有較大的社會效益、經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。

2.4 生物基化學品

低聚木糖(xylo-oligosaccharides，XOS)是由2 ～7 個木糖分子通過β-1，4 糖苷鍵結(jié)合而成的一種重要的功能性低聚糖，又稱木寡糖。XOS不被人和動物吸收，機體攝入后可以增加腸道內(nèi)特定益生菌的數(shù)量和選擇性地抑制有害菌和致病菌的生長[27]。XOS 具有調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)平衡、提高動物生長性能、增強機體免疫力及調(diào)節(jié)血脂等重要作用[28]，其作為一種新型的綠色添加劑，在農(nóng)業(yè)、保健品、化妝品、醫(yī)藥、食品等領域有著重要的應用。工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用玉米芯、甘蔗渣、小麥秸稈及稻殼等農(nóng)業(yè)廢棄物作為原料生產(chǎn)XOS，大豆秸稈中木聚糖含量較高，也可用于提取XOS。唐艷斌等[29]以大豆秸稈為原材料，利用堿法提取不溶性木聚糖，再用酶法水解得到XOS，在工業(yè)上具有較高的應用價值。

乳酸（lactic acid）是一種天然有機酸，廣泛地應用于生產(chǎn)酸味劑、防腐劑、鞣制劑、植物生長調(diào)節(jié)劑、生物可降解材料和手性藥物等。目前大多數(shù)企業(yè)采用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)乳酸，發(fā)酵原料主要為玉米糖漿和葡萄糖，成本高且浪費糧食資源，利用非糧原材料生產(chǎn)乳酸受到廣泛關注。徐忠等[30]利用纖維素酶將大豆秸稈中的纖維素水解為可溶性糖，作為微生物發(fā)酵的原料生產(chǎn)乳酸，是提高大豆秸稈資源化利用率，保護環(huán)境的較好途徑。

2.5 環(huán)保

含硫化物礦石或礦渣經(jīng)過生物化學反應形成的酸性礦山廢水（acid mine drainage，AMD），通常具有硫酸鹽濃度高、pH 值低及重金屬含量高的特點，需要進行治理后排放，全球較多采用硫酸鹽還原菌（sulfate- reducing bacteria，SRB）處理酸性廢水。SRB 利用乳酸鈉作為碳源將硫酸鹽轉(zhuǎn)化為硫化物，該過程相對穩(wěn)定且硫酸鹽去除率較高，但運行成本過高。秸稈富含豐富的有機質(zhì)，因而可考慮用秸稈替代乳酸鈉作為緩釋碳源，達到以廢治廢的目的，同時降低SRB 運行成本。吳開軒等[31]用玉米秸稈、大豆秸稈和水稻秸稈浸提液替代乳酸鈉作為SRB碳源，結(jié)果表明：大豆秸稈浸提液作碳源對硫酸鹽還原的效果最好。3 種秸稈浸提液體系硫酸鹽去除率均高于乳酸鈉體系，因而可用大豆秸稈浸提液作碳源處理此類廢水。

許多城市生活污水的生化需氧量（Biochemical oxygen demand，BOD）偏低，在處理過程中需要額外補充碳源，否則較難達到排放水體的標準。甲醇、乙醇、葡萄糖等常用做補加液體碳源，但是不便運輸、成本高及存在安全隱患等問題，而且污水水質(zhì)經(jīng)常波動，導致碳源投加量難以控制。近年來，利用含纖維素類物質(zhì)用作固體碳源方面的研究越來越引起關注。嚴群芳等[32]研究表明：花生殼、大豆秸稈和蠶豆秸稈適合作為生活污水處理的補加固體碳源；大豆秸稈經(jīng)預處理后，可單獨作為反硝化脫氮的固體碳源；也可以和花生殼按等比例混合作為混合固體碳源，污水中的硝態(tài)氮去除率高達95 %以上。張汝壯等[33]將大豆秸稈預處理后，以檸檬酸為改性劑，將羧基官能團引入大豆秸稈，改性后大豆秸稈對銅離子的吸附能力提高了83.3 %，大豆秸稈可用于制備吸附銅離子性能良好的廉價吸附劑。燕翔等[34]采用ZnCl2活化、馬弗爐炭化法制備大豆秸稈活性炭( soybean straw activated carbon，SSAC)，通過優(yōu)化制備工藝，SSAC 對Cu2+最大吸附量為4.589 mg/g，脫除率達到91.77 %，SSAC 適用于處理含Cu2+廢水。

3 大豆秸稈資源化利用方面存在的問題及對策

3.1 存在的問題

國家為了促進作物秸稈的資源化利用，采取財政補貼政策，由于補貼的金額和區(qū)域有限，并且補貼的重點對象不是農(nóng)戶，雖然取得了一定的成效，但是實際效果與預期目標存在差距[35]。此外，由于尚未認識到農(nóng)作物秸稈資源化利用產(chǎn)生的生態(tài)效益，國家還沒有建立促進農(nóng)作物秸稈資源化利用的生態(tài)補償機制。由于秸稈資源量大、分布區(qū)域廣，秸稈自身體積大、密度低，收集困難。秸稈機械設備欠缺，需要較多的勞動力和時間成本，投入與產(chǎn)出不成比例，影響秸稈離田產(chǎn)業(yè)化，限制了秸稈的資源化利用。大豆秸稈資源化利用的相關研究很多，總體來說，這些研究所開發(fā)的技術(shù)是比較成熟的，但是大豆秸稈綜合利用技術(shù)措施的應用推廣相對薄弱。農(nóng)作物秸稈是可再生的生物質(zhì)資源，由于人們對大豆秸稈資源化利用沒有全面的認識，缺乏資源循環(huán)利用意識，導致大豆秸稈焚燒問題嚴重[36]。

3.2 解決的對策

完善促進大豆秸稈資源化利用的相關政策和措施，建立有效的生態(tài)補償機制；加大大豆秸稈利用相關的財政支持力度和優(yōu)惠政策[37]，降低大豆秸稈收集、儲運、加工等方面的成本，提高相關企業(yè)的經(jīng)濟效益；完善現(xiàn)有的大豆秸稈加工工藝，同時繼續(xù)加大大豆秸稈資源化利用技術(shù)方面的研究力度，推動秸稈利用方面成熟技術(shù)、工藝的轉(zhuǎn)化應用，促進大豆秸稈加工利用的產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；?；加強大豆秸稈資源化利用的示范引導、宣傳推廣工作，提高農(nóng)民的大豆秸稈回收利用意識[38]，提高全社會利用大豆秸稈的積極性。

4 結(jié)語

大豆是食用油和蛋白飼料的重要來源，我國大豆嚴重依賴進口。當前全球貿(mào)易保護主義盛行，導致國際糧食貿(mào)易波動性增加，因此提高大豆自給率已成為全社會共識，同時國家推進種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，未來中國大豆的種植面積和產(chǎn)量將持續(xù)增加，大豆秸稈資源總量也將隨之增加。在國家大力建設可持續(xù)、綠色、生態(tài)農(nóng)業(yè)的背景下，加大大豆秸稈資源化利用技術(shù)研究與應用，提高大豆秸稈資源綜合利用率，具有十分重要的意義。