江苏省3个不同地区水稻秸秆的主要化学成分研究

宋卫东, 王教领, 王明友, 吴今姬, 李尚昆, 王培雨

(农业部南京农业机械化研究所，江苏南京 210014)



江苏省3个不同地区水稻秸秆的主要化学成分研究

宋卫东, 王教领, 王明友, 吴今姬, 李尚昆, 王培雨

(农业部南京农业机械化研究所，江苏南京 210014)

[目的]研究了江苏省3个不同地区水稻秸秆的主要化学成分。[方法]测试江苏省淮安、常州和镇江2011～2013年收集的水稻秸秆的纤维素、半纤维素、木质素和粗灰分含量。[结果]3个地区不同年份水稻秸秆的纤维素及半纤维变化趋势一致，纤维素含量呈先下降后上升趋势，半纤维素含量呈下降趋势。淮安和常州不同年份水稻秸秆的木质素含量均呈先上升后下降趋势，镇江市呈下降趋势。3个地区不同年份水稻秸秆的灰分含量变化不大，且均低于65%。且不同年份间水稻秸秆化学成分变化显著。[结论]该研究可为农作物秸秆的高附加值利用提供依据。

水稻秸秆；不同年份；化学成分；江苏省

随着经济的增长，资源的匮乏，目前很多国家都在寻求新能源来代替传统能源。而在太阳能、核能、风能、水能、潮汐能、地热能、生物质能等诸多新能源中，生物质能源是最安全、最稳定的能源，特别是农作物秸秆，是目前国家重点鼓励的新能源领域[1-2]。我国是农业大国，农作物秸秆资源十分丰富。据统计，年产约为5.7×108t，约占全世界秸秆总量的20%～30%[3]，且逐年增加。其中玉米、水稻和小麦三大农作物的秸秆产量名列前茅。长期以来，秸秆是我国农村居民的主要生活燃料、大牲畜饲料和有机肥料。随着农村剩余劳动力转移、能源消费结构改善和各类替代原料的应用，加上秸秆综合利用成本高、经济性差、产业程度低等原因，秸秆剩余过剩，违规焚烧现象随处可见，不仅浪费资源、污染环境，还严重威胁交通运输安全[4]。可见，如何加强秸秆的综合利用是目前亟待解决的问题。

我国幅员辽阔，农业生物质资源形态多样，组分、结构及相关特性迥异，已有数据也存在适用性差、代表性不强等问题，而农业生物质特性基础数据是农业生物质产业技术发展和科学应用最基本的基础性技术参数，也是发展优质、高效、低耗生物质产业的公益性基础。鉴于此，笔者主要研究了江苏省3个不同地区水稻秸秆的主要化学成分，旨在为农作物秸秆的高附加值利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料水稻秸秆分别于2011年11月、2012年11月和2013年11月采集于江苏省常州市、淮安市和镇江市，现场取样编号，恒温恒湿箱干燥至含水率平衡。按照《对化合物分析用生物物质制备的标准实用规程》(ASTM E1757-01)标准，制备样品。

1.2 测试方法该研究测试了不同地区、不同年份收集的水稻秸秆的纤维素、半纤维素、木质素、粗灰分4个指标，分别按照《美国国家可再生能源实验室——测定生物质纤维素和木质素含量用》(NREL/TP-510-42618)，《生物质中不溶酸残留物测定用标准试验方法》(ASTM E1721-01)和《生物物质中灰分的标准测试方法》(ASTM E1755-01)等标准测试以上指标。

2 结果与分析

2.1 不同地区不同年份水稻秸秆化学成分

2.1.1常州市不同年份采集水稻秸秆化学成分比较。常州市不同年份采集水稻秸秆化学成分见表1。纤维素、半纤维素和木质素是植物纤维细胞壁的主要成分，它们是判断原料利用价值高低、确定制浆工艺的主要依据[5]。纤维素和半纤维素统称为综纤维素，是指纤维原料中碳水化合物的全部。由表1可知，不同年份采集的水稻秸秆纤维素含量呈先下降后升高的趋势，其中2011年采集的最高，2012年采集的最低；不同年份采集的水稻秸秆半纤维素含量呈下降趋势，其中2012年采集的最高。木质素是由苯丙烷结构单元构成的天然高分子化合物，能够赋予纤维强度。不同年份采集的水稻秸秆木质素含量呈先上升后下降趋势，其中2012年采集的最高，比其他年份高出50%左右。粗灰分是生物质原料经过灼烧后残留的无机物剩余物，主要成分是SiO2。灰分含量高会造成用作纸浆生产原料的“硅干扰”。由表1可知，2011年采集的水稻秸秆灰分含量最高，为60%。由文献可知[6]，小麦秸秆、水稻秸秆灰分含量多在65%以上。可见，该地区水稻秸秆灰分含量偏低，质量较好。

表1 常州市不同年份水稻秸秆化学成分 %

2.1.2淮安市不同年份采集水稻秸秆化学成分比较。淮安市不同年份采集水稻秸秆化学成分见表2。由表2可知，不同年份水稻秸秆的纤维素含量呈先下降后上升趋势，其中2013年采集的最高，2012年与常州一致，均为最低。半纤维素含量呈下降趋势，2011年采集的最高，2013年采集的最低。木质素含量呈先上升后下降趋势，其中2012年采集与常州一致，均为最高。淮安市采集水稻秸秆三大素含量与常州市采集水稻秸秆变化趋势一致，可见两市水稻秸秆化学成分受地域性影响不明显。粗灰分含量变化不大，2012年水稻秸秆含量最高。

表2 淮安市不同年份水稻秸秆化学成分 %

2.1.3镇江市不同年份采集水稻秸秆化学成分比较。镇江市不同年份采集水稻秸秆化学成分见表3。由表3可知，镇江市不同年份水稻秸秆纤维素含量呈上升趋势，其中2013年采集与淮安一致，均为最高，2011年采集的最低。半纤维素含量呈下降趋势，其中2011年采集与淮安一致，均为最高，2013年采集的最低。木质素含量呈下降趋势，其中2011年采集的最高，2013年采集的最低。镇江市水稻秸秆纤维素和半纤维素含量与常州市、淮安市变化趋势一致，木质素与常州、淮安变化趋势稍有差异，不同年份水稻秸秆灰分含量变化不大且均不超过60%。

表3 镇江市不同年份水稻秸秆化学成分 %

木材木质素含量通常在30%左右, 而纤维素在 40% 以上, 灰分<1%。从水稻秸秆的成分分析可知，其灰分含量高于木材，木质素含量低于木材，纤维素含量与木材中的含量相仿。可见，水稻秸秆中纤维素的含量在植物中比较高，可多加利用。

2.2 不同地区不同年份之间水稻秸秆化学成分的方差分析由表4～6可知，3个城市不同年份水稻秸秆之间的化学成分各项指标差异显著。可见年份的不同，由于立地条件、气候、生长因子等原因的不同，对水稻秸秆化学成分的影响还是很大的。这个结果有两点有益的启示：一是在水稻秸秆的利用方面，由于不同年份水稻化学成分的差异显著，为了提高产品稳定性应分开利用。二是验证了立地条件、气候等外部原因是造成水稻秸秆化学成分变化的一个重要因素。

表4 常州市不同年份水稻秸秆化学成分方差分析

表5 淮安市不同年份水稻秸秆化学成分方差分析

表6 镇江市不同年份水稻秸秆化学成分方差分析

3 结论

(1)3个地区不同年份水稻秸秆的纤维素及半纤维变化趋势一致，纤维素含量呈先下降后上升趋势，半纤维素含量呈下降趋势。淮安和常州不同年份水稻秸秆的木质素含量均呈先上升后下降趋势，镇江市呈下降趋势。

(2)3个地区不同年份水稻秸秆的灰分含量变化不大，且均低于65%。可见，该地区灰分含量比较低，水稻秸秆质量比较好。

(3)3个地区不同年份水稻秸秆直接的化学成分各项指标差异显著，给今后的利用提供了有益方向。

[1] 景璟.广西农作物秸秆综合利用现状与对策研究——以武鸣县为例[D].南宁：广西大学，2012.

[2] 陈小华,朱洪光.农作物秸秆产沼气研究进展与展望[J].农业工程学报,2007,23(3)：279-283.

[3] 马晓龙，汪志红，吴仁峰，等.农作物秸秆栽培食用菌的研究进展[J].食药用菌，2011,19(1)：23-27.

[4] 刘新芽.荆州市农作物秸秆综合利用研究[D].荆州：长江大学，2013.

[5] 谢来苏, 詹怀宇. 制浆原理与工程[M].北京:中国轻工业出版社,2001: 26-99.

[6] 涂平涛.植物纤维人造板的生产技术解析[J].新型建筑材料，1996(6)：8-12.

Study on Main Chemical Compositions of Rice Straw in Three Different Areas of Jiangsu Province

SONG Wei-dong, WANG Jiao-ling, WANG Ming-you et al

(Nanjing Agricultural Mechanization Research Institute, Ministry of Agriculture, Nanjing, Jiangsu 210014)

[Objective] The research aims to study the main chemical compositions of rice straw in the three different areas of Jiangsu Province. [Method] The cellulose, hemicellulose, lignin and crude ash of rice straw collected in Huai’an, Changzhou and Zhenjiang of Jiangsu Province during 2011-2013 are determined. [Result] The change trends of cellulose and hemicellulose in three areas in different years are consistent. The cellulose content increases after falling, and hemicellulose content presents declining tendency. The lignin content of rice straw presents first rising then declining tendency in Huai’an and Changzhou in different years, while it presents the declining tendency in Zhenjiang. The ash content of rice straw changes little and is all less than 65% in three areas in different years. And the chemical composition of rice straw changes significantly in different years. [Conclusion] The research could provide basis for high added-value use of crop straw.

Rice straw; Different years; Chemical composition; Jiangsu Province

公益性行业(农业)科研专项(201003063)。

宋卫东(1965- )，男，江苏泰兴人，研究员，硕士生导师，从事食用菌生产机械化技术及装备研发。

2014-11-19

S 216.2

A

0517-6611(2015)01-179-03