农作物秸秆饲料化的技术路线与关键技术

王永军，郭　航，田秀娥(.西北农林科技大学，陕西 杨凌 700；.陕西省农业工程勘察设计院，陕西 西安 70068)



农作物秸秆饲料化的技术路线与关键技术

王永军1，郭航2，田秀娥1(1.西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100；2.陕西省农业工程勘察设计院，陕西 西安 710068)

[摘要]本文在概述我国北方地区农作物秸秆资源及其利用情况的同时，从营养学和经济学角度对制约我国北方地区农作物秸秆饲料化利用的主要因素进行了系统分析，在此基础上提出了加速我国北方地区农作物秸秆饲料化利用的总体思路和技术路线，并简要介绍了加速我国北方地区农作物秸秆饲料化利用应重点突破的关键技术。

[关键词]秸秆；饲料化利用；技术路线；关键技术

1我国农作物秸秆资源及其利用

我国是一个农业大国，农作物种类丰富，主要包括粮食作物﹑经济作物(油料作物、蔬菜作物、花草、果类以及嗜好作物等)、工业原料作物、饲料作物，药材等。根据目前人们的普遍认识，所谓的农作物秸秆是成熟农作物茎叶(穗)部分的总称，通常是指农作物在收获籽实后的剩余部分，其平均产量一般约为籽实的1.2倍以上。据此，广义的农作物秸秆是指农业上栽培的各种植物在收获籽实后的剩余部分，而相对狭义的农作物秸秆主要是指粮食作物、经济作物和工业原料作物在收获籽实后的剩余部分以及饲料作物整个植株的全部，对于我国北方地区而言，通常指量大面广的粮食作物(玉米、小麦、水稻、豆类、薯类、青稞等)、经济作物(油菜、胡麻、向日葵等)、工业原料作物(棉花等)的茎叶(穗)部分以及饲用玉米、苜蓿等饲料作物。

1.1我国农作物秸秆资源

目前我国农作物秸秆(8大类)总量可达84219.41×104t，可利用量达65102.19×104t；其中粮食作物秸秆(谷物、豆类、薯类)有61727.31×104t，可收集利用49014.49×104t，占全国农作物可收集利用秸秆总量的75.29%。2008年，中国北方15省区农作物秸秆总量43822.00×104t，可收集利用33742.94×104t；其中粮食作物秸秆33532.79×104t，可收集利用26490.90×104t，占全国农作物可收集利用秸秆总量的40.69%[1]。可见，我国北方地区农作物秸秆资源十分丰富。

1.2我国农作物秸秆的资源化利用

众所周知，农作物秸秆是农业生产过程中所形成的一种极为宝贵的生物资源。在国外发达国家，通过科技进步与创新，为农作物秸秆的综合开发利用找到了多种用途，除传统的将秸秆粉碎还田作有机肥料外，还走出了秸秆饲料、秸秆汽化、秸秆发电、秸秆乙醇、秸秆建材等新路子，大大提高了秸秆资源的利用值和利用率[2]。我国北方地区农作物秸秆资源虽然十分丰富，但由于受传统思维方式和既有认知水平(导致民众对农作物秸秆资源化利用普遍重视不够)、秸秆资源季节性生产特性(导致秸秆资源化利用具有明显的季节性要求)以及秸秆资源化利用所需技术、设备、资金等因素制约，农作物秸秆资源化利用的途径相对单一，且资源化利用率较低，导致近年来我国部分地区特别是在粮食主产区开始出现了地区性、季节性、结构性的秸秆过剩，其相当大比例被视为“用处不大”但必须处理掉的“废弃物”， 在此情况下就出现了大量违规焚烧现象且屡禁不止的社会现实，不仅浪费资源、污染环境，而且还严重威胁交通运输安全。为此，2008年国务院办公厅印发的《关于加快推进农作物秸秆综合利用的意见》(国办发[2008]105号)以及2009年国家发改委、农业部联合印发的《关于编制秸秆综合利用规划的指导意见》(发改环资[2009]378号)，提出秸秆利用饲料化、能源化 、肥料化、基料化 、工业原料化“五化”指导意见，以此促进作物秸秆的资源化利用；同时意见还明确提出了秸秆综合利用的主要目标为：秸秆资源得到综合利用，解决由于秸秆废弃和违规焚烧带来的资源浪费和环境污染问题。建立秸秆收集体系，形成布局合理、多元利用的秸秆综合利用产业化格局，秸秆综合利用率超过80%。

1.3我国农作物秸秆的饲料化利用

中国农区草食畜生产体系包括企业主导的专门化生产体系和家庭牧场主导的混合生产体系，作物秸秆饲料化开发利用成为粗饲料来源的主要途径。虽然如此，但限于农作物生产集约化、差异化条件的制约，我国秸秆饲用化生产专业化程度低、秸秆饲料化利用率低、营养品质差。据报道，我国作物秸秆的饲用化率仅为26%左右。

2我国农作物秸秆饲料化利用的主要制约因素

为了实现《关于加快推进农作物秸秆综合利用的意见》中确定的秸秆综合利用的主要目标，加速秸秆利用饲料化科技创新和技术推广工作不但十分必要，而且理应在秸秆综合利用中做出较大贡献。但我们应该清醒的认识到，目前尚存在许多主客观因素制约着秸秆的饲料化利用：(1)农作物秸秆饲料普遍具有主要营养成分含量低的特点，即化学营养价值(潜在总营养价值)低；(2)农作物秸秆饲料因其粗纤维含量高导致表观消化率和代谢率低，这决定了其单位质量所提供的可利用养分数量少，即表观营养价值(潜在表观营养价值)低；(3)不仅由于秸秆饲料化学营养价值低在满足营养需求方面限制了其在草食动物日粮中的配合比例，而且其质地粗硬等固有属性严重影响其适口性，一般情况下动物对其采食量相对较低，进一步限制了其在日粮中的使用比例，最终导致其所提供的主要营养素如能量、蛋白质等占日粮提供的主要营养素的比例不高，也就是说其现实营养价值(真实营养价值)低；(4)部分农作物如豆类作物的秸秆生物量较小，决定了其饲用价值低(指单位面积提供的可消化利用的主要营养素数量)；(5)在我国相当多的农区，其农业生产尤其是秸秆田间处理的机械化程度不高，必然形成了秸秆收获与捡拾打捆的劳动力成本较高、运输的劳动力成本和燃油成本较高、晾晒以及储存的劳动力成本和库房建筑成本较高、饲喂前加工处理的劳动力成本和用电成本较高的“四高”现象，最终导致秸秆饲料化利用的综合成本过高。

受上述多方面因素的综合影响，秸秆资源饲料化利用产业化开发的投资回报率低即经济性差，导致如麦秸、稻草、玉米秸秆(干)等劣质秸秆饲料在许多人眼里成为食之无味弃之可惜的“鸡肋”，这在一定程度上制约了作物秸秆饲料化利用的产业化开发。

图1　农作物秸秆饲料化利用主要制约因素间的逻辑关系

3我国农作物秸秆饲料化的总体思路

提高作物秸秆的饲料化利用率是深入贯彻落实科学发展观、认真落实节约资源和环境保护基本国策的客观要求，同时也是促进资源节约型、环境友好型社会建设的具体实践。通过以上分析发现，秸秆饲料产业化开发的经济性差是制约其产业化开发的瓶颈，而有效解决上述瓶颈则是一项复杂的系统工程，涉及到畜牧业、农业以及社会学等多个领域，因此需要全社会的关注，尤其是需要农业种植业领域、畜牧业领域以及其它各相关行业和部门的共同努力和通力协作，具体讲，就是以种植业技术创新为动力，培育“粮饲兼优”的作物新品种和创建科学的栽培模式，尽可能提高秸秆饲料的潜在营养价值和饲用价值，为畜牧业生产提供优质的“秸秆饲料源”，为改善经济性奠定基础；以畜牧学技术创新为动力，在尽可能保存农业生产所提供的优质“秸秆饲料源”营养价值的基础上，从改善饲料品质和改善动物消化利用机能两个方面实现秸秆饲料现实营养价值最大化，为提高经济性提供技术保障；以制度创新和资金投入为保障，建立以机械化为特征的高效低成本秸秆收集体系，为提高经济性提供最直接和最有利的条件。

4农作物秸秆饲料化利的技术路线与关键技术

4.1农作物秸秆饲料化的技术路线

农作物秸秆的饲料化是将秸秆资源制作成饲料供草食家畜食用，通过动物体内一系列复杂的过程将其转化成为更多的畜产品满足人类需求，其核心是能量和物质的转化效率，效率的高低主要取决于饲料本身的品质好坏(营养价值的高低)以及动物对其消化利用能力两个方面。因此，按照“内因是基础、外因是条件”的辩证关系，为了提高秸秆饲料的营养价值和转化效率，就必须按照内外兼顾的总体思路，努力做好两方面的工作。

图2农作物秸秆饲料化利用技术开发的畜牧学技术路线

Fig.2Animal Husbandry technical route for technological development of crop straws as feed utilization

一般，为了充分利用秸秆饲料资源，除少数高产家畜采用TMR全混合日粮饲喂外，绝大多数均采取精料补充料定量饲喂，秸秆等粗饲料自由采食的饲喂方式，这样，动物从日粮中摄取的可利用养分就为两部分：每天可利用养分摄入量=从精料补充料中的摄取量+从粗饲料中的摄取量，其中从粗饲料中的摄取量占每天可消化养分摄入量的比例较为客观的反映了粗饲料的现实营养价值和转化效率。根据营养学原理，动物每天从粗饲料摄取的某可利用养分取决于三个因素，用公式表示如下：每天从粗饲料摄取的某可利用养分=采食量×养分浓度×养分表观消化率×可消化养分的表观代谢率[3]。通过对上述公式的简单数学分析发现，仅从数学角度讲，影响动物每天从粗饲料摄取的某可利用养分的4个因素中的任何一个每提高1%，其总摄入量均相应提高1%，也就是说4个因素对提高摄入量具有同等的影响力。正因为如此，结合动物生产过程提出以下提高秸秆饲料化利用的技术路线：以秸秆饲料保存利用技术为切入点，保持其可作为青绿饲料饲喂所具有的良好的适口性，同时保持其最佳的营养价值；以秸秆饲料加工利用技术为突破口，努力改善劣质粗饲料的适口性和营养价值(提高养分含量和可消化性)；以反刍动物瘤胃营养调控为重点(同时也是难点)，提高动物对秸秆饲料的消化代谢与利用机能；以日粮配方技术和科学的饲喂技术为载体和保障，实现秸秆饲料营养价值的最大化。

4.2农作物秸秆饲料化应突破的关键技术

4.2.1农作物秸秆饲料保存技术

4.2.1.1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需创造厌氧条件(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[4-5]。

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[3]。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)[5]

4.2.1.2饲料半干青贮技术饲料半干青贮技术是指当原料青草风干到含水量为40%～55%时，半干植物细胞质的渗透压达到55～60个大气压，这种状况使某些细菌如腐败菌、酪酸菌甚至乳酸菌的生命活动接近于生理干燥状态，因受水分的限制而被抑制。因此糖分或乳酸的多少以及最终pH高低对于这种贮存方法已无关重要。也就是说，对于青贮原料要求的条件可以放宽；能够制作青贮的原料范围可以扩大[6]。如在一般青贮法中认为不易青贮的原料(如豆科草)也都可以顺利青贮。但这种青贮仍需要高度密封的厌气条件。

4.2.1.3青干草调制技术为了克服青绿饲料收获季节明显集中、体积大、含水量高、不耐贮存、不易商品化、无法异地异季利用等产业化开发利用的制约因素，利用青绿饲料制作优质干草是有效途径之一。青干草调制是指将天然或者人工栽培的牧草或者饲料作物进行适时收获后，经过自然或者人工干燥，使之水分快速降到15%～18%以下，成为能长期保存的草产品的加工过程。干草调制的关键是加速牧草干燥3个阶段(水分通过叶片气孔散失、通过叶片和茎杆蜡质层散失和植物体内束缚水散失)水分快速散失，进而缩短干燥时间，以便最大程度减少营养物质损失。加速牧草脱水的途径有机械烘干、压扁茎杆和使用干燥剂等方法[7-8]。

4.2.2农作物秸秆饲料加工利用技术农作物秸秆种类不同其营养成分存在较大差异，但均有以下共同特点：(1)容积大，不易贮藏、运输；(2)适口性差；(3)蛋白质含量低，仅为2%～6%左右；(4)粗纤维含量高，为20%～44%左右，消化率低；(4)矿物质如钙、磷含量低且不平衡。这在很大程度上制约了其产业化开发。因此对其进行必要的加工是产业化开发的有效途径。目前秸秆饲料的加工处理方法很多，主要有物理处理、化学处理和生物处理[9-10]。

4.2.2.1物理处理物理处理是将秸秆进行切断、压扁、浸泡粉碎、粒化、蒸煮等处理，这些处理不能改变秸秆的化学成分，但加压可以提高秸秆的容重，浸泡可以使秸秆膨胀、软化，可以提高动物的采食量。从瘤胃微生物的消化来看，这些处理有利于瘤胃微生物在饲料颗粒上的附着以及随之而来的生长繁殖和对秸秆的消化分解。对粗饲料的加工并不是加工的越细越好，粗饲料粉碎过细，虽然增加了饲料与微生物的接触面积，但使饲料在瘤胃的滞留时间缩短，减少了瘤胃微生物的消化时间。物理处理虽然对提高采食量和消化率具有一定促进作用，但作用效果相对有限。

4.2.2.2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脂键，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[10]。秸秆氨化是利用氨的弱碱性作用使其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明显。化学处理虽然效果较为明显，但受其生产工艺限制，目前推广应用存在一定难度，今后应重点开展其工业化生产工艺与设备研究。

4.2.2.3微生物处理秸秆的生物处理主要包括青贮(前已述及)、酶解、微生物分解(如乳酸杆菌、白腐真菌或细菌)等。秸秆的生物发酵是选育某些特殊的生物酶系和酶种, 经过适当组合后, 通过这些酶系和酶种的降解作用, 把秸秆粗纤维中的纤维素、半纤维素、木质素等大分子碳水化合物降解为低分子的单糖或多糖的过程[11]。目前的研究认为，对降解秸秆中木质素最有效的是白腐真菌。白腐真菌主要利用其自身的木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶，在分子氧参与下，实现对木质素的彻底氧化。由于生物酶系和酶种改变了秸秆的化学结构，降解秸秆粗纤维中的纤维素、半纤维素和木质素为低分子的单糖或低聚糖, 转变秸秆中的不可溶性碳水化合物为可溶性碳水化合物，从而解决了饲料原料问题，拓宽了秸秆的饲喂范围。但秸秆的生物发酵受菌种的筛选、培育与结合以及发酵过程中温度、酸碱度等因素的限制，也就是说微生物发酵秸秆目前还存在许多局限性，在实际生产中推广十分有限。

4.2.3反刍动物系统整体营养调控理论和技术从世界范围来看，目前动物营养学仍然处于传统营养学发展阶段，但现在又是动物营养学发展的一个关键时期，是动物营养学正在由描述为主的科学向控制科学转变的历史时期，是动物营养学进入系统营养学世纪的过渡时期。

在传统营养学发展的早期, 人们将食物或饲料内的营养素看成是孤立、静止不变的。“可加性原则”就是这种营养观的具体反映。随着动物营养学的不断发展, 这种传统的营养素观正在被动摇。营养素互作, 特别是饲料或营养素之间的组合效应的揭露为新营养素观的形成提供了实践依据。另外，传统营养学把动物看成是“简单的机器”，只表观地看到动物整体，抹煞动物本身的营养潜力，抹煞机体内部不同层次对营养物质利用的重要影响，抹煞机体——环境这一生态系统的巨大的营养调控作用。反刍动物系统整体营养调控的理论和技术就是在这种背景下提出并被广泛应用于反刍动物的生产实践中[12]。

反刍动物系统整体营养调控是指通过营养或非营养的综合措施, 为机体创造有利条件, 通过对机体不同层次的营养过程进行调节和控制, 积极挖掘和调动机体本身的营养潜力, 使其向人们希望的方向发展, 达到整体营养调节和控制的目标。反当动物的营养调控主要包括瘤网胃调控、瘤胃后调控和组织细胞代谢调控共3级调控，其目标是通过调控进一步提高动物机体本身对饲料的消化率、代谢率和转化效率。

为提高秸秆饲料营养价值所进行的营养调控技术主要集中在瘤网胃调控方面，其调控措施主要包括充分满足瘤胃微生物的营养源、控制瘤胃微生物区系组成、创造适宜的瘤胃微生物发酵内环境等方面。

4.2.4反刍动物日粮配方优化技术和饲喂技术反刍动物日粮配方优化技术的核心是在有效保证日粮营养性的基础上追求日粮成本的最小化，而为了保证日粮营养性就不得不考虑饲料间的组合效应，只有最大程度的发挥饲料间的正组合效应才能有效保证日粮的营养性并实现其经济性，故从这个意义上讲，可以说反刍动物日粮配方优化技术其实质是反刍动物系统整体营养调控理论在日粮配制过程中的具体应用。科学的饲喂技术，主要包括饲喂频次、干湿饲喂和饲喂顺序等具体问题的科学决策，其实质同样是通过采用最科学的饲喂技术，一定程度上实现了对瘤网胃的调控，以期提高粗饲料(主要是秸秆饲料)的消化利用率。因此，反刍动物日粮配方优化技术和饲喂技术，必须以反刍动物系统整体营养调控理论为指导，力求技术的科学化、实用化和可操作性。

5结语

提高农作物秸秆饲料化利用是一项个十分复杂的系统工程，涉及到畜牧业、农业以及社会学等多个领域，因此需要全社会的关注，尤其是需要农业种植业领域、畜牧业领域以及其它各相关行业和部门的共同努力和通力协作。但就农作物秸秆饲料化而言，影响秸秆利用的因素包括饲料本身的品质好坏(营养价值的高低)以及动物对其消化利用能力两个方面。为了提高秸秆饲料的营养价值和转化效率，就必须以秸秆饲料保存利用技术为切入点，保持其可作为青绿饲料饲喂所具有的良好的适口性，同时保持其最佳的营养价值；以秸秆饲料加工利用技术为突破口，努力改善劣质粗饲料的适口性和营养价值；以反刍动物瘤胃营养调控为重点，提高动物对秸秆饲料的消化代谢与利用机能；以日粮配方技术和科学的饲喂技术为载体和保障，实现秸秆饲料营养价值的最大化。

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Technical Route and Key Technology of

Crop Straws as Feed Application

WANG Yong-jun1*, GUO Hang2, TIAN Xiu-e1

(1.NorthwestA&FUniversity,YanglingShaanxi, 712100;

2.ShaanxiProvincialInstituteofAgriculturalEngineeringInvestigationandDesign,Xi'anShaanxi, 710068)

Abstract:The paper described crop straws resources and its application in northern China, in the meantime, it systematically analyzed the major factors restricting crop straws as feed utilization from the perspective of nutrition and economy. Based on the above, it proposed the general train of thought and animal husbandry technical route for accelerating the process of crop straws as feed utilization in northern China, and briefly introduced the key technology for breakthroughs in the process.

Key words:straw; feed utilization; technical route; key technology

[文章编号]1005-5228(2015)12-0006-06

[中图分类号]S811.5

[文献标识码]A

[作者简介]王永军(1964-)，男，陕西礼泉人，副教授，硕士生导师，主要研究方向动物营养与饲料科学。E-mail：dkxywyj@163.com

[基金项目]北方作物秸秆饲用化利用技术研究与示范(项目编号：201503134)；公益性行业(农业)科研专项(201303059)

*[收稿日期]2015-02-02修回日期：2015-02-10