吉林西部地区农作物秸秆饲料化利用研究进展

2023-02-10李景玉赖宪明李达徐亚杰李延族王笛潘庆君徐宏

农业与技术 2023年1期

李景玉赖宪明李达徐亚杰李延族王笛潘庆君徐宏

(1.白城市畜牧科学研究院，吉林白城 137000；2.白城市洮北区动物疫病预防控制中心，吉林白城 137000；3.白城市动物卫生监督所，吉林白城 137000)

前言

秸秆饲料化可以将秸秆的生态价值转化为经济价值和社会价值，将不能回收的少部分秸秆及作物残茬还田，可以增加土壤的有机质含量，在秸秆饲料化利用的同时又提高了耕地质量。伴随国家碳达峰、碳中和“双碳”目标的提出和实施[1]，减排、降碳成为最受关注的问题之一，国家加强禁止焚烧和抛弃秸秆的“双禁”政策，使国内农作物秸秆饲料化利用备受重视，展现出极大的发展潜力。受到草原禁牧、倡导舍饲、进口干草价格升高、国产羊草易受寄生虫和布鲁氏杆菌污染等一系列因素的共同作用，揉丝除尘后的秸秆饲料市场已供不应求，以白城地区为例，平均装车价格达650元·t-1左右。秸秆饲料化利用利国利民，结合政府的扶持政策，从而探索建立政府-企业-农户秸秆饲料化利用链接机制，可以实现秸秆饲料化利用水平的全面提升，达到三方共赢的目的，以此促进农民增收、环境改善和农业可持续发展[2]。因此，本文在吉林西部白城市开展秸秆饲料化利用的调查研究，分析总结了秸秆饲料的合理回收、加工技术和注意事项，以期为白城地区提高秸秆饲料化利用率提供一定的技术支持。

1 农作物秸秆的组成成分

农作物秸秆通常是指玉米、水稻、小麦、油菜和其他农作物收获之后的剩余部分[3]，是由大量有机物和少量无机物及水分组成，其有机物的主要成分是纤维素类的碳水化合物[4]，此外还有少量的粗蛋白质和粗脂肪。碳水化合物又由纤维素类物质和可溶性糖类组成。纤维素类物质是植物细胞壁的主要成分，其包括纤维素、半纤维素和木质素等[5]。纤维素(cellulose)是由葡萄糖分子经β-1，4糖苷键结合而成大分子多糖，纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50%以上[6]，反刍动物对纤维素的消化率为50%～90%。木质素(lignin)主要位于纤维素纤维之间，是一类复杂的有机聚合物，不能被动物消化，是植物界中储量仅次于纤维素的第2大生物质资源[7]，工业利用其制作生产树脂等化工产品。半纤维素(hemicellulose)是戊糖、己糖和多糖醛酸及其甲酯的缩合物，其主要成分是戊聚糖。在家畜消化道中，只有共生的微生物分泌的酶才能水解半纤维素，分解的最终产物是乙酸、丙酸和丁酸等低级挥发性脂肪酸。反刍动物对半纤维素的消化率一般为60%～80%[8]。作物秸秆中的粗蛋白质含量很低，且变化很大，据我国《奶牛饲养标准和典型日粮配方》：干物质中粗蛋白含量玉米秸为7.7%、燕麦为7.5%、粟秸为5%、小麦秸为4.7%、稻草为3.9%。粗蛋白主要分布在秸秆的细胞壁中，故其消化率一般也较低。禾本科作物秸秆中含有少量的低分子碳水化合物，这些低分子碳水化合物的消化率均很高，几乎为100%[9]。农作物秸秆对反刍动物具有很高的饲料利用价值。

2 焚烧秸秆的危害

焚烧秸秆不仅浪费资源，还会造成环境污染[10]。国内外研究结果表明，焚烧秸秆产生的污染物是空气污染的主要来源之一，会导致大气中的二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)等污染物指数直线上升，对人体和生物产生危害；同时焚烧过程中的滚滚浓烟对地区的能见度也会产生严重影响，轻则影响交通的正常运行，重则有可能引发交通事故[11-13]。同时焚烧秸秆对土壤有机质和微生物活性都有非常显著的负面影响，会造成各项指标下降或呈降低的趋势[14]，焚烧秸秆留下的草木灰呈碱性，将会使土壤碱度升高，自然肥力和保水性能下降，土壤水分损失65%～80%，使土壤易板结不耐旱，进而影响作物对土壤中养分的吸收，直接降低农作物的产量和质量。另外，焚烧秸秆时，农田地表温度会快速上升，会导致土壤中的一些有益微生物死亡，因地表温度升高反而会促进地下害虫加速孵化，使生物群落的多样性降低[15]，影响耕地生物圈微循环。焚烧秸秆易引发火灾，造成经济损失，严重时甚至会造成人畜伤亡。我国多次颁发有关禁止焚烧秸秆的法律条例[16]，如《中华人民共和国大气污染防治法》第119条、《中华人民共和国农业法》第65条等。尽管如此，近来年仍屡屡出现因焚烧秸秆产生火灾、交通事故等负面新闻事件，可以看出，我国对焚烧秸秆的监管在实际落实中仍有一定的难度。

3 农作物秸秆饲料化利用的加工方法

农作物秸秆饲料化利用主要有3种加工方式，分别为物理加工、化学加工和生物加工。物理加工法一般是通过将秸秆切碎、高温高压蒸煮、揉丝处理、膨化和压块等技术[17]，将体积过大的秸秆加工成易于牲畜咀嚼的外形，再混入饲料添加剂、营养剂，使秸秆饲料达到饲养标准[18]。化学加工法主要是利用酸、碱等化学试剂破坏秸秆饲料的纤维素、半纤维素、木质素，主要包括酸化、碱化、氨化和氨碱复合等技术[19]。生物加工法主要有酶解、青贮和微贮等技术，青贮和微贮是利用微生物发酵制作，两者的区别是青贮利用秸秆及周围环境自带的微生物发酵，而微贮是需要添加微生物菌剂[20]；酶解是利用纤维素酶、果胶酶、漆酶等生物酶，破坏秸秆饲料中的纤维素、木质素等物质的结构，达到降解秸秆中不易消化成分的目的[21]。近年来也有研究表明，秸秆饲料化利用单一加工方式难以达到有效糖化的效果，建议使用多种技术复合使用[22]，如蒸汽爆破技术是结合物理、化学的方法[23]，其原理是破坏秸秆的纤维素结晶度，以促进半纤维素水解[24]和降解木质素[25]的作用。与生物加工方式相比，目前在吉林西部白城市物理、化学加工法是秸秆饲料化利用应用最广泛的处理方式，尤其是物理加工法，因成本低廉，关键技术易掌握而使农户受用。

4 吉林西部地区秸秆饲料的回收、加工及注意事项

根据不同种类秸秆所处的生长环境不同，兼顾作物残茬还田及不影响次年耕种，应该采用不同的机械和回收方式，才能达到理想效果。目前秸秆加工的机械种类和回收方式比较多。需要注意的是，草捆的重量取决于机械设备的设置，草捆单个重量越大，越容易导致机械损坏，因此，工人作业时会将设备的重量装置调低，甚至会将重量设置在标准范围之下，单个草捆重量低，就会导致所需储藏空间的增大以及运输车辆满载时草捆总重量低，造成储藏和运输成本提高，所以在草捆收购时应对草捆的重量提出明确要求。草捆长期储藏水分含量应在15%以下，最高不宜超过17%～18%，通常秸秆打捆完成时测量水分若为15%，次日再次测量会上升约2%，若当时测量为20%，则次日测量会提高约4%～5%，因此测量草捆内水分应在打捆2d后，或考虑到次日增加数值。根据2a以上的实地调研，现将吉林西部白城市农作物秸秆饲料目前所使用的回收方式及注意事项总结如下。

4.1 玉米秸秆

4.1.1 大圆包打捆式

玉米籽粒收获时，对玉米秸秆根部不进行切割，秸秆根部留茬高35cm左右，打包前使用搂草机将秸秆收集成秸秆趟，再进行打包，但打包后遗留在地表的玉米秸秆会比较多，大圆包打捆式比较粗糙，玉米秸秆离田不干净留有很多半截残茬，如不进行保护性耕作，农民在春耕时需要清理干净才能耕种，调研中几乎所有种植户都反对采用该种方式。大圆包打捆式回收的玉米秸秆多数用于生物质发电厂使用，标准草捆重约450～500kg。

为解决上述秸秆收获不干净的问题，在玉米秸秆趟收集成之前应采用机械对秸秆根部进行切割，然后再打包。由于玉米地有垄沟和垄台，搂草机耙子会接触地面，致使玉米秸秆会与很多土混杂在一起，而打包机弹尺无法接触到垄沟内秸秆，打包过程中机械筛出的土又会覆盖在其上面，所以在秸秆草捆的后方，会形成与打包机同宽、约10cm厚的碎秸秆与土的混杂物，并覆盖在地表垄沟内，由于碎秸秆和土混杂在一起，风吹不走秸秆，会一直保持到春耕，虽然整体上秸秆回收比较干净，但仍会影响第2年耕种。

玉米圆捆秸秆包的加工储藏注意事项。玉米秸秆茎较粗，外皮较硬，含糖高，所以玉米秸秆贮藏时内芯容易霉变，形成黑色的霉变点。打圆包捆的玉米秸秆含土量大，圆捆玉米秸秆粉碎除尘后，除杂率可高达40%，在收储加工时应计算好成本。玉米秸秆粉碎加工，目前比较好的方式是无筛片2次粉碎，可将秸秆结节部完全粉碎，动物采食时剩草率低。

4.1.2 粉碎、吸入式

为改善大圆包打捆式所造成的地面秸秆收获不干净的问题，可以采用拖拉机连接秸秆粉碎吸入设备的方式，收获时可将粉碎后的秸秆直接喷入牵引车内，待牵引车内装满后，再进行更换，装满秸秆的牵引车由拖拉机迁往秸秆存储场，进行粉碎加工，粉碎、吸入式收获的优点是农田地表比较干净，喷入装载车内时随风筛掉很多土，秸秆内含土率低，缺点是所需存储场地大，容易发生火灾，需进行二次粉碎除尘加工。

4.1.3 粉碎、吸入、除尘、打包一体式

粉碎、吸入、除尘、打包一体式是目前最好的玉米秸秆饲料化利用的回收方式，一次性完成粉碎、除尘、打包，形成的小方包重量大约45kg。该方式减少了回收存储原料环节，使玉米秸秆在地里直接完成了加工至成品，可直接发往养殖场使用，降低了秸秆堆放场地堆放管理的成本及减少了堆放原料产生的火灾等风险。回收时设备锤片只接触秸秆并将其打碎，处在垄沟、垄台散落的秸秆会被吸入机械，而地面的石子较重不能被吸入饲料中，这样可以避免饲料中留有石子。

4.2 水稻秸秆

以白城市为例，水稻秸秆平均可回收4t·hm-2以上，相对玉米秸秆5t·hm-2要少些，回收草捆有圆捆和大方捆2种方式，圆捆多为就地存贮加工，大方捆则多数直接装车运往养殖场作为垫料等使用。北方水稻秸秆质量好，因为是一季稻，收割时在10月以后，气候凉爽，进入到11月气温就降低0℃以下，因此有北方的稻草是冻干的说法，相较于南方高温潮湿的环境不容易发生霉变，北方气候温差大、水质好、土壤肥沃，因此稻草呈金黄色，自带芳香，柔丝后是很好的动物粗饲料。

4.2.1 不同类型耙子搂草效果的区别

稻草回收打包前都要采用搂草机收集成草趟，然后再机械打包，普通的搂草机耙子，机车前进时弹尺着地使其旋转，把稻草收集成趟，由于弹尺着地，会在作业时将地表土及土块弹进草内，尤其比较湿润的地块，会有很多土块混杂在草捆内。高级的动力耙搂草机弹尺不接触地表，旋转的动力来自于牵引机车，此类搂草机收集成的草趟含土量少，是收割稻草、小麦秸秆、燕麦草等的首选设备，但价格比较贵，大约在5万元左右，相比而言，普通的搂草机价格很低，因此受价格的影响，使用动力耙搂草机的人比较少。

4.2.2 水稻秸秆回收留茬高度

水稻茬高度在10cm左右为理想高度，稻秸回收量大，稻茬还田不影响次年耕种，耕种前翻地、靶地时将稻茬压在地下，可以增加土壤有机质含量。注意的是在翻地、靶地作业时稻茬堆积面积不要超过2m2，否则稻茬堆积在一起会发酵，产生甲烷(CH4)气体会影响稻苗生长。有的水稻田收获时土壤水分大，无法将稻茬控制在10cm左右，稻茬较高约35cm，需采用割茬机进行二次割茬，再进行收获稻秸，水稻秸秆回收多数打成圆捆重量约为450～500kg。

种植户为提高水稻田产量，会进行秋翻地，将稻秸搂至农田边，秋翻的农田可增加水稻产量近1t·hm-2，这为种植户带来了十分可观的经济效益。水稻离田后，剩余不到10cm的残茬，直接还田会增加农田有机质，为农田持续高产稳产也打下了基础。部分水稻茬根系未能留在土中而漂浮于水面，也要将其搂至农田边。

4.2.3 稻草捆的运输和堆放

稻草捆短距离运输多采用自制的托板车，运到堆放场地后进行称量。进入场地后如无防雨棚，则采取金字塔型向上堆放草垛，底层5捆，草捆长度和直径多为145cm，草垛5层后，可达到一般叉车举臂的最大高度，草垛长度不限，选址在夏季不存水处，有利于排水，用塑料布苫盖防雨。库房内储存稻草，夏季应注意通风，不能封闭环境，夏季空气湿度高，稻草吸潮，容易发霉，水泥地面凉，水汽凝聚，通风不良会导致接触水泥地面的稻草发黑变质。

4.2.4 稻草饲料化加工

稻草饲料化加工处理有2种，将稻草揉丝、除尘打成大包，揉丝后的稻草呈柔软的细丝状，既可以刺激瘤胃反刍，还可增加消化液与粗饲料接触的面积，提高消化率[26]，每包重600kg左右；使用的稻草，必须是整草进行铡段、除尘，打成小包，加工后稻草长5～7cm，稻草十分柔软，可以使用网袋包装，该种加工方式的稻草多进行蒸汽高温处理后出口其他国家。

4.2.5 稻草加工机械

稻草揉丝机目前有2种，无筛片揉丝机，进草方向与锤片旋转方向垂直，也叫轴向进料，锤片旋转直径约140cm，锤片头运行约140m·s-1，转速1400r·min-1，粉碎玉米秸秆的多为1组粉碎单元，进行2次粉碎，该机械有不同类型，一般使用的是可加工稻草8t·h-1以上的型号，该机械为当前主要使用设备；带筛片揉丝机，进草方向与锤片旋转方向在一个平面，可根据筛片的网眼大小生产出不同细度的产品，锤片旋转直径约70cm，锤片头运行约70m·s-1，转速1800～2200r·min-1。2种加工机械在使用时要注意随时检查和保养，若有铁块等异物进入机械，会使机械在运转情况下摩擦生热引起火灾。因此机械旁要设置好灭火装置。

4.3 麦秸、燕麦草

麦秸是饲喂反刍动物很好的粗饲料，深受大型养殖场所喜爱，麦秸一般在7月进行收获，在北方正值雨季，收获时如果水分超标，会导致麦秸无法保存，麦秸收获后会种植二茬作物，需要麦秸快速离田为下茬作物种植争取时间。因此若要快速准确地收获麦秸，小麦被收获后，要先等地面晾干，才能将盖在地面上的麦秸收集成草趟，如过早将麦秸聚集到一起则不宜晾干，再将草趟上面的麦秸晾干后再进行翻晒，并将两趟并成一趟，将上面干燥的麦秸翻到下面，下面潮湿的麦秸翻到上面，等麦秸全部晾干后就可以打成大方包，每捆重750～850kg，装卸草捆叉车要安装3根叉针，一次性可以叉举3捆。麦秸收获后在地边要存放到高处，防止雨天被水浸泡，收集成草趟、翻晒及打包时也要注意天气，尤其是早晨和傍晚，早晨地面潮湿，傍晚气温降低地面又开始变潮，因此最佳作业时间为9:00—16:00，防止潮湿的地表造成麦秸包水分过高。麦秸水分的判断可以使用测水仪，也可用手搓麦秸，即拿起1缕麦秸握在两手间，握麦秸的两手相互搓动，如搓动3下，麦秸即断，说明已达到打包水分15%左右，判断麦秸草趟是否已晾干，可用脚踢麦秸，如发出清脆的响声，证明已经晾干。麦秸晾干后，有时草捆内水分超标，是因为小麦地里长有青草，收获小麦时被同时割倒，掺杂在麦秸内，所以在麦秸收获时要考虑到混杂青草的情况，水分不达标的草捆1d后内部就会产热，这时测水仪探入后拔出，尖端温度会表示过高。草垛晾晒时地面可以铺上零散的麦秸或塑料薄膜，如有被雨水淋过不严重的草捆，可以采取暂时通风的模式堆垛，草垛防雨可以采取用塑料膜苫盖，上面盖压草捆，四周用绳子缠绕的方式，简单实用。若收获后的麦秸水分不达标，可以销售给生物质发电厂。

在北方收获完小麦后，大约7月20日可种植燕麦，11月收割，2021年测算种植燕麦总费用为2200元·hm-2(种子、化肥、整地、种植费等)，可收获燕麦干草8t·hm-2，11月收获，北方已经过雨季，燕麦牧草质量比较好。

4.4 青贮饲料

全株青贮玉米可收获做成裹包青贮，裹包青贮自用时包膜可以包裹3层，如果销往外地必须包裹7层，防止运输途中不宜破损。青贮包平地摆放时，每个青贮包之间要留5cm左右的空隙，留给老鼠通过，否则老鼠就会嗑包。很多利用非青贮玉米秸秆生产的青贮包，达不到大型奶牛场青贮饲料“双30”的要求，青贮玉米“双30”的要求，即干物质含量达到30%以上，淀粉含量达到30%以上，利用普通玉米秸秆生产青贮包要计算好成本与产品价值是否经济。

5 秸秆饲料化利用的应用价值

我国秸秆资源储量丰富，2019年全国农作物秸秆总量为8.76×108t，饲料化2.2×108t，秸秆饲料化利用率仅为25.11%[27]。吉林省作为大国粮仓之一，年产农作物秸秆4000多万t[28]，可产生大量秸秆资源，因此加强秸秆饲料化利用的技术创新和产业化进程，可以积极有力地促进吉林省草食畜牧业快速发展。通过调研发现，在吉林西部地区，夫妻2人拥有7hm2耕地，按照可回收6t·hm-2计算可产生42t玉米秸秆，则秸秆饲料化可产生的效益为按照每只羊年饲喂0.5t粗饲料计算，可以养殖84只基础母羊；42t玉米秸秆加工成粗饲料，销售价格为560元·t-1，可获得净利润200元·t-1，共获利8200元。秸秆饲料化利用不仅可以解决农村3个剩余增加农民收入，还可以为健康生活提供优质畜产品，符合国家和地方的产业政策。

目前，随着经济的发展和人民生活水平的提高，人们的肉食消费理念已经呈现出崇尚有机绿色健康的趋势，高蛋白、低脂肪、低胆固醇的优质牛、羊肉越来越受到消费者的青睐[29]。“十三五”期间我国牛肉、羊肉、牛奶消费量年递增率分别为5.8%、2.8%、4.8%，明显高于畜产品整体消费增速，“十四五”期间预计草食畜牧业将持续快速发展，进一步带动秸秆饲料化利用水平快速提高[30]，也将有助于解决“人畜争粮”的矛盾。有研究学者进行调研，辽宁省将秸秆转化为肉奶，按照粮食与秸秆0.3∶1的换算关系，每年可节约200t以上的粮食[31]；甘肃省在2000—2018年，小麦、玉米、马铃薯秸秆节粮潜力总体呈上升趋势[32]。因此，加快推进秸秆饲料化利用，对于深化畜牧业供给侧结构性改革、从更高层次上保障国家粮食安全均具有十分重要的意义。