不同发酵处理对玉米秸秆理化性质的影响

张 婷 (沈阳工学院生命工程学院，辽宁抚顺113122)

我国是一个农业生产大国，粮食生产是关系到民生的重要问题。随着全国粮食不断的增长，作物秸秆的产量也在逐年上升［1］。然而，以往每年都会有大量的作物秸秆被当做废弃物在田间焚烧，这不仅造成了浪费，而且产生的烟雾也会污染周围的环境［2］。因此，在低碳环保的理念［3］和国家“十二五”农作物秸秆综合利用方针的指导下，如何综合利用作物秸秆是人们关心的问题。据调查统计，在国家一系列政策扶持下，到2013年秸秆综合利用率达到75%，围绕秸秆肥料化、饲料化、基料化、原料化和燃料化等领域的研究都已经取得了一定进展［4－6］。农作物秸秆产量大、分布广、种类多［7］。其中玉米秸秆的产量每年能够达到2亿t以上，这是一个相当巨大的生物能源储存库［8］。目前，大多研究集中在秸秆利用的方法和效果上，虽然应用较广，但基础研究的深度不够，缺少秸秆腐熟过程和时间方面的相关研究［9］。笔者通过不同处理对玉米秸秆发酵腐熟过程的理化性质进行分析，为秸秆腐熟加工提供理论参考，为进一步开发和应用玉米秸秆提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料 供试原料为玉米秸秆、腐熟的鸡粪、酵母。主要仪器有pH计、电导率仪、TPY养分速测仪等。

1.2 方法 试验于2014年12月7日至2015年1月11日在沈阳工学院实习基地进行发酵处理，将收集的玉米秸秆进行晒干、粉粹。以厌氧堆肥的方式，用不同处理密闭堆置玉米秸秆，处理1只加水，处理2加入充分腐熟的鸡粪作为发酵辅料，处理3的发酵辅料为酵母(表1)，处理时间为35 d，以没有添加其他物质的干秸秆作为对照(CK)。

表1 秸秆处理配制比 g

1.3 测定项目及方法 试验主要测定了玉米秸秆的容重、总孔隙度、通气孔隙度、持水孔隙度、电导率、pH及养分含量。部分计算公式如下:

式中，m1为秸秆重，m2为加水量，m3为发酵辅料重，m4为总重量，V为腐熟秸秆体积。

利用pH计测量pH，加入1 mol/L NaOH溶液测量不同处理秸秆的缓冲容量。使用电导率仪，将秸秆加入饱和CaCl2测量电导率值。利用TPY养分速测仪测量玉米秸秆中的 N、P、K 含量。

2 结果与分析

2.1 不同处理对玉米秸秆物理性质的影响 从表2可以看出，经过35 d的腐熟发酵，处理1的容重显著低于未经任何处理的对照，其他2个处理与对照差别不大，说明如果只添加水进行发酵，发酵过程随着物质的降解，容重会降低。添加发酵辅料后，玉米秸秆的容重变化不大，说明在整个发酵过程中物质并不是简单的降解，而是转化成其他物质，使得容重保持不变。4种情况下，容重在80～110 g/L范围内，说明玉米秸秆的容重较轻。

经过3种处理后，玉米秸秆的总孔隙度均显著升高，说明秸秆腐熟后仍然比较疏松。处理2和处理3的通气孔隙小于处理1，持水孔隙大于处理1，处理2和处理3之间差异不显著，说明添加发酵辅料可以显著改变玉米秸秆的通气和持水能力，而且添加鸡粪和酵母处理改变秸秆物理性质的效果是一样的。

表2 不同处理玉米秸秆的物理性质

2.2 不同处理对玉米秸秆EC、pH及缓冲能力的影响 电导率(EC)反映秸秆中含有的可溶性盐分的含量。通过表3可以看出，3种处理的电导率值均显著低于对照，各处理之间差异不大。通过测定，没有经过发酵处理的玉米秸秆pH小于7，经过不同程度的处理后，pH均达到8以上，说明发酵后玉米秸秆的pH上升，呈碱性，3种处理之间无显著性差异。缓冲容量是反映秸秆处理在加入酸碱物质后本身所具有的缓和酸碱变化的能力。通过表3中数据可以看出，3种处理的缓冲能力均高于对照，但是各处理之间差异不大。

表3 不同处理玉米秸秆的EC、pH和缓冲容量

2.3 不同处理下玉米秸秆的养分含量变化

2.3.1 不同处理下玉米秸秆的氮含量变化。通过图1可以看出，在12月21日(第14天)之前，各处理的氮含量呈上升趋势，以后逐渐下降，尤其是处理3这种现象表现的更加明显。在整个发酵过程的前期，处理3的氮含量最高，处理1最低，处理2介于二者之间。到第30天以后，3种处理之间相差并不明显。说明加入酵母(处理3)发酵以后，在一定程度上会影响玉米秸秆的氮含量，尤其是在发酵前期(第14天)，氮含量最高，但是随着时间的变化，后期氮含量不高。

2.3.2 不同处理下玉米秸秆的磷含量变化。通过图2可以看出，在2014年12月28日(第21天)之前，3个处理之间磷含量的变化基本相同，先呈现下降趋势，到12月21日又表现出含量有所上升。2015年1月4日(第28天)之后，三者表现出不同的趋势，处理2呈上升趋势，处理3呈显著下降，处理1变化不明显。说明在发酵前期，秸秆中含磷化合物的分解基本保持相同的变化趋势，秸秆中添加的发酵辅料在前期对磷的影响不大。到了发酵后期，由于处理间添加的物质不同，发酵辅料开始发挥作用，导致秸秆中含磷化合物的分解及物质合成是不同的，而且3种处理表现出显著的不同。

2.3.3 不同处理下玉米秸秆的钾含量变化。通过图3可以看出，在12月21日(第14天)，3个处理均表现出钾含量上升，其中处理2表现最明显，之后三者的钾含量开始逐渐下降，到第35天又表现出升高的趋势，处理3钾含量高于处理2，处理1最低。整个发酵阶段，处理1的钾含量变化并不明显。虽然处理2的钾含量在发酵前期表现出比处理3高，但是到发酵后期处理3反而高于处理2，说明鸡粪和酵母在发酵过程中对于含钾化合物的影响处于不同的阶段。

2.3.4 不同处理下玉米秸秆的碳含量变化。通过图4可以看出，处理1在整个发酵过程中碳含量变化不大，处理3变化趋势和处理1前期相同，到第35天，处理3的碳含量显著升高。处理2的碳变化程度呈波浪形，说明发酵时含碳化合物在鸡粪处理下物质分解及合成并不稳定。但发酵第35天，处理2与处理3的碳含量基本相同，均明显高于处理1。

3 结论与讨论

该试验研究表明，与对照和处理1相比，玉米秸秆发酵时添加一定的发酵辅料对秸秆的理化性质具有一定的影响。容重的大小与秸秆的质地和颗粒的大小有直接关系，影响秸秆的紧实程度，以及持水和透气能力。玉米秸秆发酵处理前后的容重均在在80～110 g/L范围内，容重过小，说明玉米秸秆的容重较轻，如果要将玉米秸秆进一步加工成基质需要添加其他物质增加容重，否则固定植株的效果不好，持水性较差。张秀丽以玉米秸秆为材料配置育苗基质时，添加了适当的营养土增加玉米秸秆基质的容重，但是他们所使用的玉米秸秆并没有进行发酵腐熟［11］。

在该试验中，同时测量了不同处理玉米秸秆的电导率值、pH和缓冲容量。处理2和处理3在物理性质和EC、pH和缓冲容量上差异不显著，说明添加酵母发酵玉米秸秆和添加鸡粪在一定程度上具有相同的效果。没有经过发酵处理之前的玉米秸秆pH小于7，经过不同处理pH均达到8以上。这主要是因为该试验采用的堆肥方式是厌氧型。在厌氧环境中，有机物的分解分为2个主要阶段:前期主要是在微生物的作用下会产生有机酸，使得pH逐渐下降，但是后期随着甲烷细菌的不断繁殖，有机酸迅速分解，pH迅速上升［12］。一般，微生物适宜生长的pH是中性或弱碱性(6.5～8.5)。该试验后期秸秆pH达到8，呈碱性，这个pH环境比较适合微生物生长。这一点与刘凯等研究结论是一致的，但是与该试验相比，虽然都是研究玉米秸秆，但处理上使用的发酵物质不同，他们使用的是牛粪和纤维素降解菌剂。

在营养成分的变化上，处理2的氮含量前后变化不大，这与添加的发酵辅料是鸡粪有一定的关系，鸡粪本身含氮量就比较高，可保证整个发酵过程氮的稳定性。处理3氮含量前期增高的原因可能与酵母菌发酵过程中产生某种含氮化合物有关，后期有机物质继续分解使得含氮量降低，但是经过35 d发酵，处理2和处理3的含氮量基本相同。处理2和处理3磷的含量最终均低于处理1，钾的变化均高于处理1。在碳含量的变化上，处理2和处理3均高于处理1，而且二者在第35天差异不大。整个试验过程，笔者发现酵母与鸡粪在发酵到一段时间后，表现出相同的效果，这可能与鸡粪和酵母的用量有关，在今后的研究中可进一步加大用量，研究二者之间的差异性，从而进一步论证能否用酵母代替鸡粪进行发酵秸秆，郭艳等认为，利用酵母发酵玉米秸秆里糖类生产乙醇或酵母单细胞蛋白，对拓宽秸秆开发利用的新方向具有重要的意义［13］。

综合而言，该试验重点研究了玉米秸秆发酵的新方法。近些年，玉米秸秆的研究主要集中在动物饲料、秸秆还田等方面［14－16］，对于玉米秸秆发酵腐熟研究并不多见，有些直接应用没有进行腐熟的玉米秸秆进行育苗基质应用方面的研究［11］，有些研究在玉米秸秆腐熟过程添加的发酵辅料并不相同［12］，该研究探索性地将酵母加入到了玉米秸秆腐熟过程中，结果得出了和鸡粪腐熟效果相似的结论，这可能与鸡粪以及酵母的用量，以及发酵时间有直接关系。在今后的研究中，还应进一步深入研究玉米秸秆的发酵腐熟过程、微生物的活动、物质分解与合成等方面，从而拓宽玉米秸秆的应用范围，满足国家对提高农作物秸秆综合利用的要求［17］。

［1］周良.对国内秸秆利用现状的思考［J］.安徽农业科学，2012，40(32):15853 －15855.

［2］胡兵.实例探讨秸秆综合利用效益及存在的问题和对策［J］.环境保护与循环经济，2012(12):44－45.

［3］朱小红，马友华，胡宏祥，等.低碳技术在农作物秸秆利用中的应用［J］.农业环境与发展，2010(4):5 －8.

［4］郁建强，殷戎一.发展食用菌生产优化秸秆利用［J］.资源节约和综合利用，1997(3):48－49.

［5］王永红，侯建伟.腐熟玉米秸秆在一串红育苗上的应用［J］.湖北农业科学，2011，50(9):1816 －1818.

［6］陈东水，盖振东，陈燕琴，等.秸秆利用现状及资源化利用方向［J］.上海农业科技，2006(5):32 －33.

［7］陆胜龙.秸秆利用途径初探［J］.农业环境与发展，2000，17(4):37 －39.

［8］李鹤，徐鑫，谯兴国，等.玉米秸秆化学预处理后进行厌氧干发酵试验的研究［J］.环境保护与循环经济，2010(9):38－41.

［9］王鹏，张利民，王文静.不同处理对树木落叶生物基质理化性质的影响［J］.北方园艺，2012(19):60 －62.

［10］王振龙.无土栽培教程［M］.北京:中国农业大学出版社，2008.

［11］张秀丽.秸秆型育苗基质理化性质的研究［J］.安徽农业科学，2009，37(19):8967－8968.

［12］刘凯.有机生态型无土栽培基质发酵和辣椒栽培基质配方研究［D］.兰州:甘肃农业大学，2010.

［13］郭艳，张进良，梁峰.玉米秸秆还田土壤中纤维素分解菌的分离、筛选和鉴定［J］.黑龙江畜牧兽医:科技版，2010(9):10 －13.

［14］徐颖.秸秆利用现状及建议［J］.吉林畜牧兽医，2012(3):56 －57.

［15］CHENG Y，HU H X，DI Y F，et al.Effects of straw returning to fields on Soils and current status in Anhui Province［J］.Agricultural Science ＆Technology，2013，14(5):776 －779.

［16］慕兰，孙笑梅，王立河，等.不同秸秆腐熟剂在玉米秸秆粉碎还田中的应用效果研究［J］.现代农业科技，2013(16):215－216.

［17］刘振营.科学利用秸秆 建设现代农业［J］.农业机械，2009(9):24－26.