我国水稻秸秆利用现状和饲用加工技术研究进展

陈熙 张徐彬 朱旺 韦还和 孟天瑶* 周桂生*

（1 扬州大学教育部农业与农产品安全国际联合实验室，江苏 扬州 225009；2 扬州大学 水稻产业工程技术研究院, 江苏 扬州 225009；第一作者：15148856902@163.com；*通讯作者：007126@yzu.edu.cn；gszhou@yzu.edu.cn）

随着我国作物生产技术的提升和社会经济发展，粮食产量逐年稳步增加，秸秆的利用成为问题并日趋重要。作物秸秆主要是指水稻、玉米、小麦、大豆等大田农作物收获籽粒后的剩余部分，是农作物的主要副产品。水稻秸秆中含有光合作用一半以上的产物[1]，同时还含有氮、磷、钾、钙、镁等矿质元素及纤维素等。水稻秸秆和其他粗饲料的营养作用主要是通过反刍动物的反刍，并在瘤胃微生物的发酵作用下，分解生成低级挥发性脂肪酸（VFA）等能源物质和碳架等碳源[2]，故其可主要用作反刍动物饲草[3]。但长期以来，水稻秸秆综合利用率低，多被作为废弃物，甚至被大面积焚烧，造成严重大气污染[4]。

近年来，以消费肉类、奶制品等为代表的动物源食品消费迅速增加。据《中国统计年鉴》统计，我国肉类产量从1996 年的4 584.0 万t 增长至2020 年的7 748.4万t。畜牧业快速发展，对饲草产量和品质提出更高的要求。水稻秸秆是潜在的秸秆饲料源[2]，通过物理、化学和生物法可有效降解秸秆木质素、纤维素等，使其转化为动物饲草，作为饲料的有益补充。本文分析了我国水稻秸秆的生产现状和饲用加工技术，旨在为水稻秸秆饲用提供参考，进一步促进水稻秸秆的综合利用。

1 我国水稻秸秆生产与利用现状

1.1 生产现状

据水稻产量以及水稻秸秆系数1.0 估算[5]，2010 年我国水稻秸秆约19 700 万t，2012 年20 400 万t，2019年增加到20 900 万t（图1）。近年来，我国水稻秸秆产量稳定在20 000 万t 左右。水稻秸秆主要分布在中南和华东地区，其次是东北和西南地区，少量分布于西北和华北地区[6-7]（图2），其中，水稻秸秆产量较多的省份有湖南、湖北、江西和江苏，2019 年分别达到2 611.5万t、1 877.1 万t、2 048.3 万t 和1 959.6 万t。

图1 2010—2019 年我国水稻秸秆产量

图2 2019 年我国各地区水稻秸秆产量

1.2 利用现状

为合理引导和支持秸秆资源综合利用，国家农业农村部、国家环保总局、国家发展改革委等部门先后出台了一系列政策，严控秸秆焚烧，提出了“五料化”即肥料化、燃料化、原料化、饲料化和基料化5 种秸秆资源综合利用方式，并取得显著成效[8-9]。

国家发展改革委、农业农村部共同组织各省有关部门对“十二五”秸秆综合利用情况终期评估结果及《中国农业年鉴》显示，2015 年我国农作物秸秆资源“五料化”利用占比分别为肥料化43.2%、饲料化18.8%、燃料化11.4%、原料化2.7%、基料化4.0%，仍有19.9%的秸秆资源被废弃或焚烧[10]。虽然秸秆综合利用取得明显成效，综合利用率由2010 年的70.5%提高至2015年的80.1%，但饲料化利用率仍较低，仅占18.8%。

尽管目前缺乏全国性的水稻秸秆综合利用的统计数据，但我们仍可通过前人的研究看出一些端倪。张智鹏等[11]对陕西汉中市水稻秸秆利用情况调查显示，沼气发酵、食用菌辅料及工业原料的利用率较高，约占水稻秸秆总量的24.3%，但是用于饲料的仅占19.8%。王舒娟等[12]对江苏省624 户水稻和小麦种植户的实地调查结果显示，秸秆用作生活燃料的农户比重最高，占比75.8%，秸秆还田、露天焚烧、秸秆出售、用作饲料和生产沼气占比分别为35.4%、29.5%、26.9%和5.5%。

2 水稻秸秆的饲用价值

从营养成分及瘤胃降解特性（表1、表2）来看[13-14]，水稻秸秆具有一定的饲用价值，是反刍动物粗饲料的重要来源。张浩等[15]研究认为，若将福建省25%的水稻秸秆加工处理后用作反刍动物饲料，每年可节约饲料粮50 万t。李富国等[16]研究认为，水稻秸秆青贮饲喂育肥肉牛可以提高肉牛增重速度和经济效益。

表1 水稻秸秆中营养成分占其干物质量的比例（单位：%）

表2 水稻秸秆的瘤胃有效降解率 （单位：%）

水稻秸秆作为饲草虽具有一定饲用价值，但其在处理前适口性差，消化率低，限制瘤胃微生物的降解利用[17]。经物理、化学、生物等方法处理后，水稻秸秆适口性和瘤胃降解率显著提高。张浩等[15]研究认为，与未处理相比，经过氨化处理的中性洗涤纤维（NDF）的纤维综合评价指标（FDI）和动态降解率分别提高了36.1%和11.0%，而经过微贮处理后NDF 的FDI 和动态降解率分别提高了17.3%和8.7%（表3）。李彬等[17]研究认为，水稻秸秆经氨化处理后营养价值明显提高，接近中等品质的干草。以上结果表明，经过处理的水稻秸秆饲喂反刍动物是可行的。

表3 水稻秸秆NDF 降解指标 （单位：%）

3 水稻秸秆饲用加工技术

近年来，秸秆资源饲料化高效利用技术的研究与开发取得一定进展，特别是在秸秆青贮、微贮等方面[18-19]。通过物理、化学、生物等方法对水稻秸秆进行处理，可显著提高其营养水平，有效降解纤维素、木质素等畜禽难以吸收的物质，提高饲养效率[20]。

3.1 物理处理

物理处理包括机械加工、热加工等[21]。

机械加工包括压扁、切短、粉碎、浸泡、蒸煮等不改变秸秆化学成分的处理方法。压扁和切短是目前最简单且广泛应用的处理方法，可显著提高秸秆容量，同时更利于动物咀嚼。粉碎可增加饲草与微生物的接触面积，浸泡和蒸煮能促进秸秆膨胀、软化，提高适口性和草食家畜的采食量[22]。

热加工包括膨化和热喷等。膨化是指将秸秆置于密闭容器中，加热加压，然后突然泄压，使饲草在空气中膨胀，从而破坏秸秆纤维素结构，达到改变化学成分、提高饲用价值的效果。膨化后的水稻秸秆有香味，适口性显著提高。热喷即利用热喷效应，使饲料木质素溶化，纤维结晶度降低，饲料颗粒变小，增加总面积，提高消化率的处理方法[30]。MUHAMMAD 等[23]研究表明，用压强1.55 MPa 的蒸汽法处理120 s 后的水稻秸秆饲喂山羊，可促进山羊生长，提高饲料利用率。物理方法不能改变秸秆的内部结构，无法为家畜生长提供高质量养分，推广应用难度大，但可作为综合处理的预处理[24]。

3.2 化学处理

化学处理包括碱化处理、氨化处理、酸处理和酸-碱处理等。

碱化处理是用氢氧化钠、氨水、石灰水和尿素等碱性化合物处理秸杆，使秸秆纤维内部的氢键结合变弱，酯键或醚键破坏，纤维素分子膨胀，半纤维素和一部分木质素得以溶解，从而改善秸秆饲料适口性，提高采食量和消化率。目前，碱化处理主要包括石灰水处理法、氢氧化钠处理法以及混合处理法等。王清华等[25]研究表明，4%石灰加2%氢氧化钠复合处理水稻秸秆3 d，就可以达到溶解纤维素、半纤维素和木质素的目的。

氨化处理是用尿素、氨水、无水氨及其他含氮化合物等作为氨源处理水稻秸秆，使木质素和纤维素之间发生断裂，纤维素部分分解、膨胀，使反刍家畜的瘤胃液易于渗入，从而提高秸秆消化率[26]。秸秆经过氨化处理可以使有机物质消化率提高20%~30%，粗蛋白质含量由3%~4%提高至8%以上，采食量增加20%[27]。郭光玲[28]研究认为，氨化处理和氨碱复合处理均能提高水稻秸秆营养价值，改变体外瘤胃发酵模式，提高瘤胃发酵产气量，从而提高瘤胃对营养物质的吸收，且以氨化处理的效果最佳。

酸处理通常使用硫酸、甲酸、盐酸等试剂对秸秆进行处理，其原理与碱化处理相似，但成本较高，所以较少使用[29]。酸-碱处理是用苛性碱处理后，再用盐酸中和。前苏联的方法是先将切碎的秸秆放进碱溶液中浸泡，将浸泡好的秸秆转入水泥窖中压实，存放1~2 d，然后再将这些秸秆放入3%的盐酸中浸泡，除去用过的溶液即可饲喂动物[29]。

使用氢氧化钙、氢氧化钠和双氧水对秸秆进行氨化处理，是目前公认的适合我国国情的化学方法[30]。

3.3 生物处理

生物处理主要包括青贮、微贮、微生物处理和酶解等。

青贮是指在厌氧环境下，通过乳酸菌大量繁殖，将饲草中的淀粉和可溶性糖转变成乳酸。乳酸积累到一定浓度后，腐败菌的生长受抑，青贮料的养分得以长期保存。青贮的常用方法有加酸青贮、加醛青贮、加氮剂和盐青贮等。刘凯玉等[31]和刘海霞等[32]研究认为，青贮、氨化和碱化能有效降低水稻秸秆的NDF 含量，提高非纤维性碳水化合物（NFC）含量。

微贮是指在发酵过程中，通过高效复合菌的作用，将农作物秸秆的木质素和纤维素破碎，转化为乳酸或挥发性脂肪酸。蒋中海[33]和张浩等[15]研究认为，水稻秸秆微贮后能够提高瘤胃的降解率，增加反刍家畜的采食量，促进家畜的消化吸收。

微生物处理是指利用多种微生物处理秸秆，如木霉素、曲霉素等真菌，芽孢杆菌属、类芽孢杆菌等细菌，分枝杆菌、诺卡氏菌等放线菌[17]。通过处理，一方面秸秆中的半纤维素、纤维素和果胶被分解，另一方面游离细胞被乳酸菌和酵母菌利用，转化为高质量的菌体蛋白[34]。

酶解法是将酶溶解后喷于秸秆上，以提高秸秆的消化率。常用的主要酶种类有半纤维素酶、纤维素酶、植酸酶、p-葡聚糖酶、果胶酸酶等[35]。但这种方法不仅成本高，且只能作用于秸秆的表层细胞，未能深入贯穿到秸秆的细胞壁之内，所以酶解对细胞壁结构不具有破坏作用[17]。目前，有关酶制剂对水稻秸秆青贮营养价值影响的研究较少[36-37]，对水稻秸秆青贮的感官品质、营养成分、养分消化率及饲喂价值等方面的研究鲜见报道。

水稻秸秆加工技术从物理处理、化学处理到生物处理是一个从易到难的过程。物理处理是最基本的方法，是化学处理和生物处理的前提。在生产实践中，上述方法经常结合使用，如水稻秸秆粉碎后的碱化或氨化是物理处理和化学处理的结合，青贮是物理处理和生物处理相结合的方法，微生物在青贮中的应用是青贮与微生物处理的结合。总之，采用的方法要根据具体情况来确定。

4 影响水稻秸秆饲料化应用的限制因素

一是细胞壁占水稻秸秆成分的80%以上，细胞壁中的凝聚态结构、纤维素层次结构使秸秆难以被动物消化利用[38]，且微生物制剂在微贮、青贮中发酵效果差。近年来，虽然青贮、微贮技术取得突破性进展，但这些方法均存在操作复杂、生产条件要求高、饲喂效果不理想、成本费用高等问题，在实际生产中没有得到广泛应用[39]。

二是受农机与农艺技术水平所限，秸秆收获机械与秸秆饲料加工配套设备处于较低水平，且设备较为昂贵，秸秆饲料化涉及的一系列回收、运输、储藏、粉碎、配料、饲喂等多个环节尚不能有机系统化结合，增加了秸秆饲料化的成本[40]，限制了秸秆饲料化的推广与应用。

三是水稻秸秆分布较广，各地区不同类型品种、不同部位水稻秸秆营养成分存在较大差异。目前，我国缺少对水稻秸秆饲料化差异利用的研究。

水稻秸秆具有一定的饲用价值，但因其限制因素未完全突破，其饲料化并未能大面积推广应用。

5 展望

目前，我国在研究提高水稻秸秆的适口性、采食率、瘤胃微生物对秸秆有机物的降解率等方面及物理、化学、生物处理以及复合处理等方面取得了良好的进展。将水稻秸秆进行饲料化发展，不仅可以丰富饲草来源，也符合我国大力发展畜牧养殖业的趋势。加强对水稻秸秆饲料的产业化应用、提高青贮秸秆养分含量及多领域的应用，必将成为促进畜牧业可持续发展的强劲动力。