几种常见农作物秸秆及其不同部位的吸水性比较研究

陈广银，李敬宜，丁同刚，王邵婷，王晓英

（安徽省水土污染治理与修复工程实验室，安徽师范大学环境科学与工程学院，安徽芜湖241002）

农业秸秆是农业生产的主要副产品，一般指农作物收获后残留的部分，具有产量大、含水率低、木质化程度较高和季节性产生等特点。2014年我国仅水稻、小麦和玉米秸秆产量就达7.64亿吨[1]。由于农业生产方式转变和农村劳动力短缺问题不断加剧，秸秆资源化问题日趋紧迫，在没有低成本易使用的技术时，就地焚烧无疑是最易被农民利用的处理方式。秸秆的大面积集中焚烧导致空气严重污染和土壤有机质损失[2-3]，也是资源的极大浪费。秸秆禁烧已成为各级政府的政治任务，其根源在于秸秆综合利用未实现产业化。

国家环境保护总局（现生态环境部）[4]和农业部（现农业农村部）[5]分别于1999年和2007年颁布了关于秸秆禁烧和综合利用的相关政策，这些政策的实施促进了秸秆资源的综合利用。秸秆综合利用的技术很多，归类后可以简称“五化”，大多数技术都与生物有关，如肥料化、沼气化、饲料化、基料化等，而生物处理过程中水是最重要的条件之一，秸秆的吸水速率、持水能力直接影响生物处理的效率和程度。水吸力能够反映多孔介质颗粒对系统内水分的吸附能力[6]，并与介质中的物理、化学及生物过程直接相关联。云丽等[7]研究发现，秸秆与水接触后秸秆的水吸力随着处理时间延长逐渐增加，碱处理可缩短秸秆水吸力达到峰值的时间，该结果表明，预处理提高了秸秆的水吸力。秸秆亲水性增强后，其持水力增加，可加速微生物的粘附，提高秸秆的消化效率[8]。在各种生物处理技术中，堆肥化和沼气化是最典型的两种秸秆生物处理方式。堆肥化一般是指高温好氧堆肥，在堆肥启动时，一般需将物料的含水率调节至50%～60%最利于堆肥快速启动[9]，但物料的吸水速率直接影响物料的真实含水率，进而影响堆肥启动速度。由于不同物料的饱和含水率有一定差异，在厌氧发酵中，将发酵系统内物料含水率在80%以下的定义为干发酵[10]，含水率在80%～90%称为高固体发酵。本文以我国几种主要的农作物秸秆为研究对象，从不同秸秆种类和秸秆不同部分两个角度对秸秆在完全浸泡条件下的吸水性能进行比较研究，获得不同秸秆及不同部位秸秆的吸水特性，为秸秆生物处理提供基础数据，由于不同物料的饱和含水率有一定差异。

1 材料与方法

（1）试验材料

实验用秸秆取自安徽蚌埠农村，秸秆种类包括小麦秸、稻秸、玉米秸、油菜秸、大豆秸和芝麻秸。取回的秸秆风干后，人工切碎至1～2 cm小段于干燥阴凉处备用。

（2）试验方法

实验包括两部分，即不同农作物秸秆的吸水性能实验和选择的几种农作物秸秆的不同部位的吸水性能试验。实验在2 L烧杯内进行，取50 g实验用秸秆用纱布包好后置于烧杯内，加入1 L蒸馏水，用重物（玻璃制品）将包有秸秆的纱布完全浸泡于水中，分别于实验第0、1、8、15、23、32、48 h取少量纱布内的秸秆，沥水30m in后（至不滴水为止）测定其含水率。每个处理3个平行，取平均值进行分析。

不同农作物秸秆的吸水性能实验，分别选取小麦秸、稻秸、玉米秸、油菜秸、大豆秸和芝麻秸；秸秆不同部位吸水性能实验，所用原料为小麦秸、稻秸的穗、茎、叶，玉米秸的茎、叶、根。

（3）测定指标和方法

测定不同浸泡时间秸秆的含水率，采用（105±2）℃烘24 h差重法测定。

（4）作图及统计分析

采用Origin 8.0作图，Excel2007软件处理试验数据。

嘉兴市农村土地承包经营权流转的主体主要是农户，农户间流转的比例高达66.54%，明显高于农户与农村合作社、企业等的流转比例。在调查过程中发现，城镇居民、科研机构、事业单位等也参与了农村土地流转，成为推动农村土地流转、调整农业生产结构、发展规模农业的新兴力量。

2 结果与分析

2.1 不同农作物秸秆的吸水性能比较

实验过程中各种秸秆含水率随浸泡时间变化的结果如图1所示。可以看出，实验启动后，各种秸秆含水率均快速增加，即秸秆在被水浸泡后快速吸水，但不同秸秆的吸水速率差别较大。稻秸、麦秸、玉米秸、芝麻秸和油菜秸含水率分别从实验启动时的9.01%、7.43%、9.52%、9.89%和8.67%快速增加至1 h后的69.51%、70.86%、73.17%、72.86%和70.06%，分别增加了60.50%、63.43%、63.65%、62.97%和61.39%，各处理间差异不显著（P＞0.05），而大豆秸从实验启动时的9.92%增加至45.99%，仅增加了36.07%，远低于其他秸秆，充分说明大豆秸的吸水速率最低。1 h后，大豆秸的含水率仍保持较快增加，23 h后基本达到饱和，饱和含水率为67.5%～67.9%；其他5种农作物秸秆在实验1 h后吸水速率快速降低，在实验第15 h达到饱和，稻秸、麦秸、玉米秸、芝麻秸和油菜秸饱和持水率均在82%～84%之间，均远高于大豆秸。可以看出，相对于其他5种秸秆，大豆秸秆的吸水速率更低，达到饱和持水率的时间更长，饱和持水率亦最低。黎力之等[11]研究发现，大豆秸中粗蛋白(CP)、粗脂肪(EE)、中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)、粗灰分(CA)的含量分别为8.87%、2.33%、49.02%、35.98%和5.52%，其粗蛋白含量显著高于稻秸、麦秸等大田秸秆，充分说明不同农业秸秆因物质组成和结构不同，其吸水速率和饱和持水率均可能有较大差别。

图1的结果既反映了不同秸秆吸水速率的差别，也反映了不同秸秆的饱和持水率差异。水是微生物活动和物质交换的前提条件，但大部分秸秆结构较为致密，这造成其吸水速率低，不利于微生物快速利用，进而影响其水解速率。影响秸秆吸水速率的因素包括其表面结构（如蜡质层）、物质组成（如脂类物质）、木质化程度等，而影响秸秆饱和持水率的主要因素是其物质组成。在秸秆利用时，需充分考虑秸秆的吸水特性，设计处理工艺参数，如预处理时间、秸秆沼气干发酵时发酵液回流时间、秸秆堆肥时的加水预处理时间等。

2.2 秸秆不同部位吸水性能比较

选用我国最主要的3大类农作物秸秆为研究对象，对其在生产中能分开的穗叶茎/根叶茎的吸水性能进行比较研究。

2.2.1 稻秸不同部位吸水性能比较

稻秸不同部位的吸水性能随浸泡时间的变化如图2所示。由图2可以看出，稻秸不同部位的含水率随浸泡时间的变化趋势相似，均为在试验启动后1 h时快速增加，稻秸的穗、叶、茎分别从实验启动时的6.88%、9.90%和7.94%快速增加至1 h时的57.16%、72.53%和68.53%，之后增加速度放缓直至基本稳定。试验结束时，稻秸的穗、叶、茎含水率分别为66.35%、87.37%和82.67%，穗的吸水速率和饱和持水率均明显低于叶和茎，叶和茎间差异不显著（P＞0.05），这与其物质组成密切相关，穗的表面致密，水分不容易进入，水可以通过水稻的导管进入茎的内部，叶则介于茎和穗之间。

图1 秸秆含水率随浸泡时间的变化

图2 稻秸不同部位吸水性能随浸泡时间的变化

2.2.2 麦秸不同部位吸水性能比较

麦秸不同部位吸水性能随浸泡时间的变化如图3所示。由图3可以看出，不同部位秸秆含水率随浸泡时间的变化趋势相似，均为在浸泡前1 h时快速增加，之后增速放缓直至基本稳定。试验启动后，麦秸的穗、叶、茎的含水率快速增加，分别从实验启动时的5.03%、6.79%和6.14%快速增加至1 h时的58.84%、74.14%和71.48%，增幅达53.81%、67.35%和65.34%，之后吸水速率逐渐降低，但1 h后穗的吸水速率明显高于叶和茎。实验结束时，麦秸的穗、叶、茎含水率分别为80.33%、81.53%和80.42%，即虽然穗的吸水速率较叶和茎要低，但最终的饱和持水率基本一致，三者间差异并不显著（P＞0.05），这与不同秸秆吸水特性实验中大豆秸秆的吸水特性有一定差别，亦不同于水稻秸秆。

2.2.3 玉米秸不同部位吸水性能比较

玉米秸不同部位的吸水性能随浸泡时间的变化如图4所示。由图4可以看出，玉米秸秆不同部位的含水率随浸泡时间的变化趋势相似，均为在试验启动后前1 h快速增加，之后放缓直至基本稳定。试验启动后，玉米秸的根、叶、茎含水率快速增加，分别从实验启动时的6.68%、9.93%和6.95%快速增加至1 h时的61.60%、73.89%和70.13%，增幅分别为54.92%、63.96%和63.18%，之后吸水速率逐渐降低。从图4可知，根和叶在浸泡48 h后含水率仍有增加趋势，说明根和叶的吸水速率要远低于茎。实验结束时，玉米秸的根、叶、茎含水率分别为75.88%、78.53%和84.85%，根的吸水速率和饱和持水率均最低，其次是叶，但三者间差异并不显著（P＞0.05）。在生产实践中，由于玉米秸的根一般不会与秸秆一起收集，故根较低的吸水速率不会影响玉米秸的后续利用。

图3 麦秸不同部位吸水性能随浸泡时间的变化

图4 玉米秸不同部位吸水性能随浸泡时间的变化

3 讨论

从不同种类秸秆含水率随浸泡时间的变化可以看出，大多数的秸秆吸水速率和饱和持水率均相差不大，但仍有少部分秸秆无论是吸水速率还是饱和持水率均较低，这与其物质结构和物质组成有关，尤其是那些含有大量木质素以及组成致密的秸秆。Ghaffar和Fan[12]研究发现，麦秸中的木质素含量较高是导致其吸水性能较差的重要因素，麦秸表面蜡质的多少直接影响麦秸的吸水速率。Ward等[13]研究发现，松木刨花和粉碎的报纸的持水性能大于麦秸，这与其较高含量的木质素和纤维素有关。纪楠[14]通过对收集的138个大豆秸秆样本进行分析，得出大豆秸秆中木质素含量为27.12%～36.98%，远高于稻麦、玉米等秸秆[15-17]，这可能是导致大豆秸秆的吸水速率和饱和持水率均较低的重要原因，具体原因还有待于进一步分析。

通过对水稻秸、麦秸和玉米秸不同部位吸水性能结果的分析可以看出，稻秸和麦秸的穗的吸水速率均较低，但稻秸的穗的饱和持水率远低于叶和茎，麦秸的穗的饱和持水率与叶和茎相当，也就是说，同样是穗，不同种秸秆的穗的吸水性能仍有一定差别。玉米秸秆各部位含水率的变化在试验前1 h与稻麦秸秆相似，但后期则略有差别，玉米秸秆不同部位的饱和持水率各不相同，饱和持水率由大到小为茎、叶、根。以上结果表明，不同秸秆物质组成和结构的差异，导致其不同部位的吸水速率、饱和持水率出现一定差别，秸秆利用时需考虑到这一因素。

4 结论

综上所述，大多数秸秆的吸水速率和饱和持水率相近，但少部分秸秆则有很大不同。在试验用6种秸秆中，除大豆秸秆外，其他秸秆的吸水速率和饱和持水率相近，饱和持水率均在82%～84%，但大豆秸的吸水速率和饱和持水率均远低于其他秸秆；同种秸秆不同部位的吸水速率和饱和持水率有较大差别，稻秸和麦秸的穗的吸水速率均较低，但稻秸穗的饱和持水率远低于叶和茎，麦秸穗的饱和持水率与叶和茎相当，玉米秸不同部位的吸水速率和饱和持水率均有较大差别；穗和根是秸秆吸水速率最慢的部位，茎和叶相近，因穗和根在秸秆整株中的质量占比并不高，且收割的农作物秸秆中根和穗的占比更低，故不会对整株秸秆的吸水特性产生太大影响。