农作物秸秆开发利用研究进展

2018-02-09

现代牧业 2018年2期

(河南牧业经济学院社科办, 河南郑州 450046)

我国是农业大国，也是农作物秸秆产量大国，统计数据显示：2016年我国粮食总产量达61623.9万吨。若按主要粮食年产量6亿吨，粒秆比按11.2估算，全国年产农作物秸秆近8亿吨。2015年11月，国务院四部委联合发文明确提出，到2020年，全国秸秆综合利用率要达到85%以上，焚烧火点数量和过火面积与2016年比要降低5%。这既是从国家层面确立了五年内秸秆资源综合利用的基本目标，同时也是我国目前亟待解决的重要环保问题。

1 我国农作物秸秆利用现状

农作物秸秆是成熟农作物在收获籽实后剩余部分(茎叶)的总称，是新能源中最具有开发利用价值的绿色可再生资源。目前,我国秸秆利用主要是直接还田、生活燃料、饲养动物，少部分用于工业原料，废弃或露天焚烧的占30%以上，全国农作物秸秆的整体利用率不足 70%[1]。在秸秆主产区的河南、山东、河北等地因焚烧秸秆而造成的污染最突出，这既浪费了生物质资源，又严重影响了生态环境及交通运输业。

近年来，在国家政策引导和扶持下，农村能源结构不断改变，秸秆资源化利用技术也得到了完善和推广，秸秆正从原始处理方式逐渐向资源化利用方向发展[2]。2016年国家对“十二五”秸秆综合利用情况评估显示：2015年全国主要农作物秸秆综合利用率为80.1%。特别是山东省探索出的机械化保护性耕作、免耕还田、加工有机肥、制备饲料、生产食用菌、新能源转化等一系列综合利用模式已走在全国前列。但从整体情况看，目前我国农作物秸秆综合利用比例低、经济性差，商品化、资源化和产业化程度低，与美国、丹麦、日本等发达国家相比，其使用范围和开发利用率存在较大差距。因此，大力推进秸秆利用的科学研究，提高其利用率和附加值是我国急需解决的现实问题。

2 我国秸秆开发利用研究进展

2.1 秸秆成分与分类研究

由于农作物品种、产地、部位的不同，其秸秆中纤维素、半纤维素和木质素等主要物质的含量也存在较大差异。研究人员通过快速真空热解平台、红外光谱分析、原子吸收分析、纸上层析分析、波谱分析等方法对稻草、麦秸、玉米秸、大豆秆、花生秧等作物秸秆检测发现，它们都具有较高的热值和粗纤维含量，且富含有机质、镁、钙、硫和其它微量元素。开发利用秸秆的难点在于细胞外存在由纤维素、半纤维素和木质素等构成的坚韧细胞壁，研究者应用膨化技术对其进行处理，且按照作物不同部位的有机物含量将其用作中草药、化工原料以及生物母基等[3-6]。

2005年以来蔬菜藤蔓及残余物已经成为我国继水稻、玉米、小麦三大作物秸秆之后的第四大农作物秸秆和经济作物中产量最高的秸秆。居首位的水稻秸秆分布在南方和东北地区，占全国产量的 25.1%；位居第二的玉米秸秆(芯)占总产量的24%，集中分布在黄淮海和东北地区；小麦秸秆占到 12.7%，以黄淮海为主要产区。另外，西北和东北是我国人均秸秆产量较高的地区，其次为黄淮海区域。

2.2 秸秆处理方法研究进展

2.2.1 物理方法物理方法是在不改变秸秆基本成分的前提下，使其体积变小，以期达到保存或提高其使用价值的目的。

(1)机械加工。使用专门的机械设备将秸秆切碎、粉碎、揉搓或压块以提高其综合利用效能。将传统的铡草机沿秸秆横向铡切改为沿纵向挤丝揉搓，破坏秸秆表面的腊质层及坚硬的皮和结，把其加工成丝状物，从生产实际看，纵向压扁挤丝揉搓机优于铡切揉搓机[7]。秸秆成型处理包括打捆干贮技术、压块饲料技术、大截面压块技术和颗粒化技术。其中秸秆压饼(块)是实现秸秆燃料化、饲草产业化的一项技术。目前压块研究常根据强度要求和机械设备性能要求并与相关添加剂研发同步进行。

(2)汽爆处理。近年来，始于20世纪80年代的汽爆法作为预处理秸秆技术引起了社会的广泛重视。王堃等研究发现，汽爆后的秸秆纤维素含量较高、木质素含量较低。这种处理技术作为木质纤维素转化为能源的关键步骤，具有时间短、无污染、能耗低等优点，是木质纤维素生物转化的应用方向。而膨化与热喷都是利用热效应在高温高压下对秸秆进行物理处理。另外，物理活化法生产农作物秸秆活性炭也是物理法的重要延伸[8，9]。

2.2.2 化学方法 (2)碱化处理。即在氢氧化钠、氨、石灰等碱性物质作用下破坏秸秆细胞壁结构，以提高纤维素的降解和利用率。碱化处理可以打开纤维素和半纤维素与木质素之间的对碱不稳定的酯链，使植物细胞壁变得松散，易被消化液渗透，可使动物的采食量增加20%-45%，粗纤维消化率提高50%以上，但该处理方法用水和化学药品数量大，秸秆营养损失多且易污染环境[10]。

(2)氨化处理。即用液氨、氨水和尿素等氨类物质来高温快速处理秸秆，氨化过程主要是碱化作用打破酯键，破坏纤维素的镶嵌结构，同时中和秸秆中潜在的酸度生成的铵盐，氨吸附于秸秆上，增加了秸秆粗蛋白质含量，从而改善秸秆的适口性，提高家畜的采食量和利用率。

(3)氧化处理。主要是用二氧化硫和碱性过氧化氢等氧化剂处理农作物秸秆，使其纤维素间的空隙变大，增加降解酶和细胞壁间的接触面，提高动物的消化利用率。

(4)酸性处理。主要是用甲酸、硫酸或盐酸处理作物秸秆，使半纤维素水解生成木糖和其他糖类，纤维素解聚为葡萄糖，秸秆变得疏松。但其成本较高，有污染，实际应用较少。

2.2.3 生物方法生物处理是引进有益微生物以改善农作物秸秆的乳酸和菌体蛋白质组成，促进秸秆中纤维素或木质素解聚。主要有青贮、发酵和酶-酵母加工等。研究者将玉米秸秆经微生物秸秆发酵剂发酵后，纤维素和木质素被部分降解，具有酸香味且质地柔软，增强了动物的适口性，活菌在动物体内建立新的微生态平衡，有利于营养物质的吸收利用[11]。而生物化学转化、热化学转化，完全缺氧下的热解、液化和与煤共热解等则是对秸秆进行综合处理。

2.3 秸秆综合利用研究进展

2.3.1 肥料化利用秸秆的肥料化利用包括物理法还田和生物性还田。秸秆还田后其大量的有机质和微量元素能够有效改良土壤，降低生产成本，提高农产品的产量和质量。如秸秆生物性还田的堆沤法就是在一定湿度和温度下利用各种酶类物质和生物制剂共同作用，释放能量并将秸秆中的纤维素快速分解，进而生成菌体蛋白，被作物吸收或变为活化土壤的腐殖质。研究发现,秸秆还田能有效改善土壤的调温性，使土壤矿物颗粒最高吸水量达50%～60%，腐殖质吸水量达400%～600%，有利于作物抗旱。近几年，秸秆高效“生物反应堆”技术得到开发并应用于大田生产，特别对果菜的增产和质量改善效果良好[12，13]。

生产试验表明，连续3年秸秆还田的土壤中有效磷和全磷的含量、氮素储量和固钾量明显增加，有机质增加0.2%～0.4%，土壤容重降低1.86%～3.73%；使用秸秆做肥料的土壤中细菌和放线菌的总量急剧上升，而焚烧秸秆后土壤中的菌类数量大大降低[14]。

2.3.2 饲料化利用资料显示，1吨普通作物秸秆相当于0.25 吨粮食的营养价值。采用科学方法对秸秆加工处理后，可提高其营养价值和利用率，减少浪费。我国秸秆的饲料化利用主要有：氨化、青贮及微贮、颗粒饲料加工等。

1990年，张卫宪提出的生物—化学复合法处理作物秸秆技术，改进了粗饲料品质，提高了秸秆饲料的转化利用率，得到了FAO的高度认可。同时，研究者发现,秸秆氨化处理后，粗蛋白可以提高到8%左右，能量价值提高近80%，可以代替35%左右的精饲料[15]。

上世纪末以来，以秸秆为原料经微生物作用生产蛋白质饲料或单细胞蛋白(SCP)进展迅速。陈庆森等以玉米秸秆为原料，采用多菌种混合发酵，使粗蛋白得率达23% 以上，为替代饲用粮生产蛋白富集饲料提供了很好的基料。季彬等用菌株 GSICC62010将玉米秸秆发酵制作蛋白饲料，使秸秆中蛋白含量由2.9%提高到17.3%, 粗纤维素由 37.3% 降低至17.3%[16]。

秸秆颗粒饲料是将秸秆粉碎加入其它营养添加剂,经机械加工成仅为原来体积5%的颗粒，使秸秆深度熟化、硬度降低，便于储运使用。张永根用颗粒化的TMR(全混合日粮)饲喂肉牛，料肉比降低了0.73；周丰岑等使用全价颗粒料对山羊进行舍饲，每只羊每月增重4.6 kg，比对照组提高50.33%；据测算，同等条件下使用秸秆颗粒饲料，可使肉牛增重15%，奶牛增产16%，乳脂率提高0.2%，且有助于生产过程的控制。

2.3.3 基料化利用目前国内外用各类秸秆生产的草菇、香菇、银耳、猴头菇等食用菌有20多种。据上海农学院测定证明，用秸秆作为培养基生产的食用菌，其氮元素转化率可达20.9%，远高于牛羊采食一般秸秆后对氮元素的转化率。同时秸秆栽培食用菌形成的菇渣可进行深加工，制成家畜的优良菌体蛋白饲料，由此形成“作物秸秆—食用菌—动物饲料—动物排泄物—农作物肥料—促进农作物生长”的节能型生态农业循环模式；将小麦秸做成型煤粘合剂，既提高型煤着火性能，又减少环境污染。另外，以秸秆为主要原料，添加其它有机废弃物以调节C/N比、孔隙度，保持一定含水率，并进行有氧高温堆肥，可生产植物栽培基质；秸秆草皮基质技术、环保塑木材料、植物纤维制品等都是秸秆基料化重要途径。

2.3.4 燃料化利用直燃技术、气化技术、发酵制气技术、发电技术、压块成型及炭化技术等是世界上目前以秸秆转化能源的主要方式。固化成型后的秸秆颗粒密度由0.6升至1.1以上，1吨的热值相当于0.5吨标煤，但含硫量仅为煤炭的1/3，且燃烧好污染低。l988年丹麦建成世界上第一座秸秆燃烧发电厂，美国、瑞典和奥地利等国，应用生物能源分别占该国一次性能源消耗量的4%、16%和10%。上世纪80年代以来，我国高度重视生物质能源利用技术的研究与开发，且多集中在大中型畜禽场沼气工程、秸秆气化集中供气技术和垃圾填埋发电技术等项目，而生物质能颗粒燃料产品的生产加工与直接燃烧利用研究起步较晚。

(1)秸秆液化技术。早期研究主要是水解糖化纤维素成葡萄糖。陈洪章等提出秸秆制乙醇的物理、化学或酶技术三个主要阶段[17]。Nigam JN提出，秸秆酶解发酵制取酒精选择性强，且较化学水解条件温和；河南农业大学宋安东2000年就开始秸秆的生物转化燃料乙醇关键技术研究，先后攻克秸秆生物降解、双酶糖化和全糖发酵等关键技术，完成了我国第五条具有自主知识产权的秸秆燃料乙醇产业化示范线。他深度研究的生物质转化燃料乙醇、燃料丁醇、生物柴油等取得重大突破；2006年2月，南京农大张齐生院士带领团队，从秸秆中提取出了秸秆碳、秸秆醋液、秸秆气体等有用物质；2006年6月，中科大生物质洁净能源实验室研制的秸秆制取生物油技术使出油率高达60%；张强用活性干酵母、树干毕赤酵母(Pichia stipitis)、水热预处理及脱毒相结合对玉米秸秆发酵制燃料酒精获得成功[18]。采用酸水解和酶水解相结合工艺，分步对秸秆发酵工业化生产乙醇技术在河南、安徽也取得突破性进展。另外，美国利用重组大肠杆菌作为秸秆制乙醇发酵剂的研究已初步成功。

(2)秸秆气化集中供气。即对秸秆除杂后实施高温处理，通过化学反应生成H2、CO等易燃性气体，再经冷却、加压等工艺进行储存，用储气罐或铺设管网送到用户，作为生产和生活的清洁环保能源。试验证明,1吨秸秆所产燃气可供四口之家全年生活使用。

(3)发酵制气。云南师大对稻草微生物发酵制氢。研究发现,稻草产氢潜力的具体数据；2006年郑州大学樊耀亭教授首次发表了关于麦秆牛粪堆肥发酵产氢的论文；潘晶等发现了玉米秸制氢的影响因素和参数，为工业化生物质制氢提供了依据；陈小华、吴后兴先后对原料预处理方法、反应器结构改造、发酵条件控制、两相发酵工艺等研究发现，秸秆的质地和成分与产沼气效率关系极大[19，20]。

2.3.5 原料化利用 (1)用秸秆生产工业产品。用秸秆做原料生产的地膜可以自然降解，减少塑料对土壤的污染；研究人员将玉米秸杆经水解、催化氢化等工艺制取出达到食品级的木糖醇；以玉米秸、稻草等替代棉花、棉短绒作原料，经化学改性、提纯等可制得羧甲基纤维素产品；以麦秸和稻草为原料，可以制取糠醛，其废渣经再加工可制成中性复合肥料。

(2)用秸秆制作非承重墙体材料。崔玉忠等以碎秸秆等为原料，开发生产出具有保温隔热功能的秸秆水泥基微孔内隔墙板[21]。陈茜等研发的混凝土夹芯秸秆砌块质轻、价低、节能[22]。另外，以农作物秸秆为主要原料，通过特殊工艺和机械成型可制成密度不同的高质量秸秆纤维板材，这种板材加工业近几年在山东、河北等地发展较快。

(3)秸秆用于工艺品制作、文化创意产业。利用秸秆绿色环保、柔韧可塑等特性可以制作多种日常生活用品，如用稻草编织的草苫、草帘可对蔬菜大棚防风保温，草席、草垫可以作为家具用品；用小麦秸可创作出立体画、壁挂及各种卡通形象的工艺品和装饰品；而斗笠、草鞋、麦秸帽作为农民遮阳挡雨的传统日常用具，与现代元素结合可使其工艺精湛、装饰性好，已成为多地效益良好的创汇渠道。

3 未来我国秸秆利用研究重点

3.1 加强政策管理研究

随着我国“五大”发展理念的深入人心，农村露天焚烧秸秆已基本控制，但随意丢弃、自然降解、闲置浪费严重。今后，要加强农作物区划种植、秸秆普查分类及资源评价研究，针对农业生产实际研究制定生物质能源发展规划，出台投资和税收优惠、用户补助等经济政策，秸秆主产区应成立专门秸秆收集及处理机构[23]，加大政策宣传力度，调动农业生产者和全社会支持并投入秸秆综合开发研究积极性，创新开发利用模式，为经济社会发展提供新“动力”。

3.2 重视处理技术攻关

物理法制备生物质颗粒机械方面，要分析不同条件下对颗粒成型的影响因素，重点对成型机的环模、压辊等关键部件进行研究，为制造性能优良的生物质颗粒成型机提供技术支持。

在化学法处理秸秆上，分解快、无残留的添加剂技术研发应用是生产中急需解决的问题；在秸秆发酵过程中，如何利用微生物分泌的酶或者用酸、碱来处理秸秆表面的硅质，避免原料腐烂变质，则是生物—化学方法处理秸秆研究的重点。

3.3 攻克秸秆肥料化难点

(1)土壤施肥研究。重点是秸秆还田后不同肥料对土壤肥力、肥料利用率及对作物产量的影响；(2)科学用水技术研究。探索秸秆还田后土壤性状和水分利用率与农作物产量的相关性；(3)研究秸秆还田后如何融合高效耕作技术、添加绿色催化剂使其在短时间内有效降解，同时又能促进下茬作物良好生长。

3.4 创新秸秆能源化工艺

目前，我国在秸秆气化上缺乏主要的能源材料标准及相匹配的热值参数。今后能源化推广中，除重点减少能耗外，要把新工艺作为重要研究方向；在秸秆类生物质发酵产氢上，要对制氢过程做深入细致研究；由于我国村镇量大分散，气化系统投资偏高，燃气热值及燃气质量偏低问题制约着秸秆气的规模化生产，应重点研究产业化集中制气、分散式配送的村镇燃气供应体系。

3.5 提高秸秆综合利用比例

我国农区土地分散，农机化水平较低，劳动力大多外出务工，草食动物养殖下降，秸秆收集难、成本高，使得秸秆利用比例和综合效益低。因此，应加快落实土地确权和流转政策，实施秸秆资源利用产业化体系建设；在加大水稻、小麦、玉米三大类作物的联合收割及秸秆一体化处理机械的研制力度的同时，提高农机补贴，降低一体化机械价格；完善草食动物养殖政策，坚持稳粮、优经、扩饲的要求，统筹调整种植结构，发展循环农业，从根本上解决秸秆收集、运输、存放、利用问题，有效提升秸秆综合利用比例。

4 结语

进入新世纪以来，我国高度重视生物质能源的开发利用，国务院相关部委多次出台政策鼓励支持综合利用生物质能源，单就农业方面看，自2008年以来中央连续以一号文件形式下发每年的农业工作要点，多次要求促进秸秆等副产品和生活废弃物资源化利用，健全秸秆多元化利用补贴机制，鼓励各地加大农作物秸秆综合利用支持力度，提高农业生产效益等。“十三五”期间，我国将持续加大秸秆综合利用工作力度，不断完善秸秆收储运体系和扶持政策，推动秸秆综合利用产业化、规模化发展。新形势下，处理好资源缺乏与环境问题的矛盾，综合高效利用农作物秸秆，必须转变利用方式。在宏观上，以政策导向聚集现代生产要素，建设“生产+加工+科技”的现代农业产业园，实施“饲料化首位，肥料化次之，提升基料化，发展燃料化，推进原料化”的秸秆产业化措施，实现秸秆规模化、清洁化利用；在微观上，以提高农作物秸秆综合效率为目标，以高科技推进高精度，最大限度利用好秸秆加工的副产品，在优化秸秆传统应用技术基础上，加快研发具有自主知识产权的新技术、新设备，推进农作物秸秆高效利用再上新台阶。

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