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摘要：本文綜述了農作物秸稈的利用基礎和綜合利用技術的最新進展，包括飼料轉化技術、能源化技術、肥料化技術等。農作物秸稈的綜合利用是保護生態環境、節約可再生資源的需要，也可緩解農村飼料、肥料、燃料和工業原料的緊張狀況，促進農業可持續發展。

關鍵詞：農作物秸稈；綜合利用；資源化

我國是一個農業大國，據粗略估計，每年約產農作物秸桿8億噸[1]。秸稈是農作物的主要副產品，也是十分寶貴的生物資源，主要含纖維、木質素、淀粉、粗蛋白、酶等有機物，還含有氮、磷、鉀等營養元素。秸稈除了作燃料外，可以作肥料，也可以作飼料，還可以作工業原料。而目前只有一小部分用于紡織、造紙、建筑和飼料，絕大部分農作物秸桿仍露天焚燒或作燃料用，造成資源浪費，污染環境。

20世紀70年代后，世界能源危機的出現使人們開始將目光投向對可再生的生物能的開發利用上，并將研究開發的重點放在農作物秸稈的開發利用上。目前農作物秸稈開發與利用的主要技術手段分別是農作物秸稈的微生物發酵技術，如沼氣發酵、燃料酒精發酵、飼料發酵；農作物秸稈的熱化學轉換技術，如熱解液化技術、氣化技術、致密成型及制炭技術；化學轉化技術如化學制漿造紙。

1農作物秸稈利用基礎

1.1秸稈的結構基礎

農作物秸桿主要是玉米秸、高粱桿、稻草、麥桿、葵花桿以及花生殼、瓜籽皮、玉米芯等，其細胞壁的主要成分是纖維素、半纖維素和木質素，亦即天然纖維素原料的主要組成成分。秸稈之所以難以被開發利用，其原因在于細胞外存在由纖維素、半纖維素和木質素等構成的堅韌細胞壁。構成細胞壁的結構單位是微纖絲，微纖絲相互交織成網狀構成細胞壁的基本構架，在纖維素的網絡結構中交聯著非纖維素的基質，這些分子包括半纖維素、木質素和果膠類物質。關于細胞壁各層的微纖絲結構，具有代表性的是Fengel所提出的木材細胞壁結構模型。Fengel[2]認為：直徑為3nm的基元原纖維是最基本的形態結構單元，由16根（4×4）基元原纖維組成直徑約為12nm的原纖維，再由4根（2×2）這樣的原纖維組成一根比較粗的微纖絲，其直徑約25nm。微纖絲相互纏繞構成了直徑約為0.5nm，長度約為4um的大纖絲，以這種方式聚合而成的纖維素分子，其強度超過了同樣粗細的鋼絲。基元原纖維之間填充著半纖維素，而微纖絲周圍包裹著木質素和半纖維素。纖維素、半纖維素和木質素相互交織，任何一類物質的降解必然受其它成分的制約，如木質素對纖維素酶和半纖維素酶降解天然纖維素原料中的碳水化合物有空間阻礙作用，致使許多纖維素分解菌不能侵襲完整的天然的纖維素原料。

1.2秸稈成分的理化性質

纖維素的聚集體分為結晶區和無定形區結構，結晶區部分分子排列比較整齊、有規則，密度較大，為1.588g/cm3，可以呈現清晰的X射線衍射圖。無定形區部分分子鏈排列不整齊、較疏松，分子間距離大、密度較小，為1.500g/cm3。

纖維素鏈中每個葡萄糖基環上有3個活潑的羥基，這些羥基可以綜合成分子和分子間的氫鍵，增強了纖維素分子鏈的完整性和剛性，使分子鏈緊密排列成高度有序的結晶區，增加了反應試劑到達纖維素羥基的難度。纖維素的物理性質包括以下幾個方面：第一，纖維素的潤脹，當纖維素吸收液體后，其外形的均一性雖然沒有變化，但固體內的內聚力減小而容積增大，固體變軟，即纖維素的潤脹。對纖維素的潤脹處理，可使纖維素大分子間的羥基結合力變弱，從而提高試劑向纖維素內部的擴散速度。其次，由于纖維素分子量大，內聚力也較大，擴散能力差，纖維素在容積中溶解所得的不是真的纖維素溶液，而是纖維素和存在于液體中的組分形成的一種加成的產物。纖維素的溶解問題在于纖維素的溶解度低。另外，纖維素熱降解在300-375℃較窄的溫度范圍內發生熱分解，加熱進程不同，產物不同。在低溫下（200-280℃）加熱，脫水生成脫水纖維素，隨后生成木炭和氣體產品。在較高溫度下（280-340℃）加熱，生成易燃的揮發性產物(焦油)。

半纖維素既溶于堿（5%的Na2CO3溶液）又溶于酸（2%的HCl溶液）。由于半纖維素聚合度低，結晶結構無或少，因此，在酸性介質中比纖維素容易降解。

原本木質素是一種白色或接近無色的物質，我們看到的木質素的顏色是在分離、制備過程中形成的。木質素的相對密度大約在1.35-1.50之間，非常堅硬，從而增加細胞壁的硬度，不溶于任何溶劑，但在分離木質素時因發生了縮合或降解而使性質改變，在酚羥基和羧基存在時，木質素能溶于濃的強堿溶液中。

2農作物秸稈的利用技術

2.1秸稈飼料化技術

作物秸稈可以直接用作食草動物的飼料，但適口性較差，采食量少。秸稈氨化處理后，粗蛋白由3-4%提高到8%左右，有機物的消化率提高10－35個百分點，并含有多種氨基酸，可以代替30%－40%的精飼料。因此，氨化秸稈喂羊、牛等，效果很好。秸稈也可以粉碎成草糠，作動物輔助飼料。秸稈氨化處理實際上是堿處理的一種形式，即NH3溶于水變成NH40H。通過氨化處理的秸稈，將不易溶解的木質素變成較易溶解的羥基木質素，使細胞間的鑲嵌物質與細胞壁變得松散，利于纖維素酶和消化液滲透其內。大量研究結果表明：品位越差的秸稈，氨化處理的效果越顯著。小麥秸稈氨化處理后，使有機物的消化率提高35%；玉米秸稈氨化處理后，使有機物的消化率提高25%。

秸稈青貯主要是利用玉米、豆類、甘薯等優質秸稈進行青貯。通過青貯，既保存秸稈原有的品質、增加醇香味、增強適口性，而且保存時間較長，可把夏秋的青綠飼料保存到冬季利用，特別對促進幼畜生長發育增加母畜產奶量效果好，已逐步成為反芻動物的重要飼料。

微生物發酵秸稈飼料是利用高活性微生物菌劑，放入密封的容器(如水泥窖、土窖等)中貯藏，經過一定的厭氧發酵過程，將秸稈飼料的某些成分進一步合成為營養價值較高或適口性較好的物質，使秸稈變成質地松軟、濕潤蓬松、酸香適口的粗飼料，是解決人畜爭糧矛盾的有效途徑之一。

目前秸稈經微生物發酵轉化生產蛋白質飼料或單細胞蛋白（SCP）有一定進展。陳慶森等[3]以秸稈為原料，利用多菌種混合發酵，經測定發酵液中玉米秸稈的纖維素利用率達70%，粗蛋白得率在23%以上，大大提高了玉米秸稈的營養值，同時對替代飼用糧生產蛋白富集飼料提供了很好的基料。楊學震[4]用發酵法將玉米秸稈生物轉化為蛋白飼料，將秸稈中原6.7%的蛋白含量提高到14.7%，同時使纖維素含量降低38.0%，半纖維素含量降低21.2%。

2.2秸稈能源化技術

秸稈的能源密度為13-15MJ/Kg，作為農村主要的生活燃料，其能源化用量占農村生活用能的30%-35%。現行主要的秸稈能源化利用技術有秸稈直燃、供熱技術、秸稈氣化集中供氣技術、秸稈發酵制沼技術、秸稈發酵生產燃料酒精技術、秸稈壓塊成型及炭化技術等。

秸稈直燃供熱作為傳統的能量轉換方式，直接燃燒具有經濟方便、成本低廉、易于推廣的特點，可在秸稈主產區為中小型企業、政府機關、中小學校和相對比較集中的鄉鎮居民提供生產、生活熱水和用于冬季采暖。目前，英國、荷蘭、丹麥等國家已采用大型秸稈鍋爐用于供暖、發電或熱電聯產。我國秸稈直燃供熱技術起步較晚，適合我國農村特點的、運行費用低于燃煤鍋爐的小型秸稈直燃鍋爐的研究正加緊進行。

秸稈氣化是高品位利用秸稈資源的一種生物能轉化方式。經適當粉碎后，秸稈在氣化裝置內不完全燃燒即可獲得理論熱值為5724KJ/m3的燃氣，其典型成分為：CO20%，H215%，CH42%，CO212%，O21.5%，N249.5%。燃氣經降溫、多級除塵和除焦油等凈化和濃縮工藝后，由羅茨風機加壓送至儲氣柜，然后直接用管道供用戶使用。秸稈氣化集中輸供系統通常由秸稈原料處理裝置、氣化機組、燃氣輸配系統、燃氣管網和用戶燃氣系統等五部分組成，供氣半徑一般在1公里之內，可供百余戶農民用氣。秸稈氣化經濟方便、干凈衛生、在小康村鎮建設中廣受歡迎。但大規模推行秸稈制氣還需解決氣化系統投資偏高，燃氣熱值偏低，以及燃氣中氮氣與焦油含量偏高等問題。

秸稈發酵制沼氣技術歷史悠久，是多種微生物在厭氧條件下，將秸稈降解成沼氣，并副產沼液和沼渣的過程。沼氣含有50%-70%的甲烷，是高品位的清潔燃料，它可在稍高于常壓的狀態下，通過PVC管道供應農家，用于炊事、照明、果品保鮮等，或加工成動力燃料和甲醇等做雙料發動機燃料。秸稈可直接投入沼氣池，也常用做牲畜飼料，轉化成糞便進入沼氣池，池中秸稈、人畜糞便、和水的配比一般為1:1:8，在產沼過程中，需定期投入發酵基質及清理沼渣。實踐表明：一個3-5口人的家庭，建一口8-10m3的沼氣池，年產300-500m3的沼氣，可滿足一日三餐和晚間的照明用能。因此，秸稈制沼不僅可優化農村能源結構，節約不可再生能源的消耗，還具有良好的經濟、環境和生態效益。

秸稈發酵生產燃料酒精技術是以秸稈纖維素為原料制備乙醇的研究，早在100多年前就開始了。這一過程包括三個階段：第一，通過物理的、化學的或酶技術將纖維素聚合物降解為單糖；第二，微生物將糖轉化為乙醇；第三，通過蒸餾回收乙醇。其中，第一階段最為重要。早期的研究主要是采用蒸汽爆破法和濃酸法水解糖化纖維素成葡萄糖。蒸汽爆破法是用蒸汽將原料加熱至200-240℃[5]。維持30S～20min高溫高壓造成木質素的軟化，然后迅速使原料減壓。造成纖維素晶體和纖維束的爆裂，使木質素和纖維素分離。稀酸水解一般采用稀硫酸（0.5%～0.2%），可在較溫和條件下進行，水解一般分二個階段，第一階段為低溫操作，從半纖維素獲得最大糖產量。第二階段采用高溫操作，使纖維素水解為六碳糖，糖的轉化率一般為50%左右。稀酸水解容易產生大量副產物，濃酸法耗酸量大，對設備腐蝕性大，能耗高。20世紀60年代人們認識到可以從纖維素獲得葡萄糖來補充人類食物的來源，這樣就加速了纖維素酶的研究。1979年，遺傳育種技術[6]用于提高纖維素酶產量，使纖維素酶的發酵活力較原始出發菌株提高了20多倍。從現有的水平來看，采用溫和的酶水解技術可能更為合適，酶水解是生化反應，與酸水解相比，它可在常壓下進行。這樣減少了能量的消耗，并且由于酶具有較高選擇性，可形成單一產物，產率較高（>95%）。

2.3秸稈肥料化技術

目前秸稈肥料的利用技術有秸稈直接還田和秸稈堆漚還田。秸稈直接還田有翻壓還田和覆蓋還田兩種形式。翻壓還田指作物收獲后，將秸稈粉碎或留高茬直接翻壓土中。覆蓋還田是將秸稈覆蓋于田間地表或作物株行之間，或是殘茬覆蓋，即當農作物收獲時，留高茬還田，采取免耕翻覆蓋。秸稈堆漚還田是將秸稈用鍘草機切碎堆起來或投入坑中，灌入水，然后用土封起來漚制秸稈[7]。目前，通過選育出分解纖維素的優良微生物菌種或加快秸稈腐熟的化學制劑，解決了傳統堆漚形式勞動強度大、堆漚時間長、污染環境等問題。用秸稈與畜禽糞積制堆肥，糞與草隔層堆積、壓實。這樣可以促進熟化，提高肥效。

2.4秸稈其它應用技術

秸稈除了以上用途之外，還可以利用秸稈發電，造紙，生產可降解的包裝材料，制作人造板等。目前我國造紙制漿原料中，1/3來源于秸稈，其制漿具有成本低廉、成紙平滑度好，容易施膠等優點。用麥秸、稻草、玉米秸、葦稈、棉花稈等生產出的可降解型包裝材料，如瓦楞紙芯、保鮮膜、一次性餐具、果蔬內包裝襯墊等，具有安全衛生、體小質輕、無毒、無臭、通氣性好等特點，同時又有一定的柔韌性和強度，制造成本與發泡塑料相當，而大大低于紙制品和木制品，在自然環境中，一個月左右即可全部降解成有機肥。

3展望

目前秸稈的綜合利用技術，正從早期的直接或堆漚還田、燒火做飯取暖、加工粗飼料，向著快速腐熟堆肥、氣化集中供氣、優質生物煤、高蛋白飼料和易降解包裝材料、有價工業原料及高附加值工藝品等方向發展。從農業生態系統能量轉化的角度來分析，單純采用某一種利用方式，秸稈能量轉化率和利用率會受到限制。因此，根據各類秸稈的組成特點，因地制宜，把其中幾種方法有機地組合起來，形成一種多層次、多途徑綜合利用的方式，從而實現秸稈利用的資源化、高效化和產業化是未來生態農業發展的必然趨勢。

參考文獻

[1]邢廷銑.農作物秸稈飼料的加工和利用.北京:金盾出版社,2000.

[2]陳洪章.纖維素生物技術[M].北京:化學工業出版社,2005,12.

[3]陳慶森,劉劍紅,潘建陽,等.利用多菌種混合發酵轉化玉米秸稈的研究[J].生物技術,1999,9(4):15-19.

[4]YangXX,ChenHZ,GaoHL.Bioconversionofcornstrawbycouplingensiling

[5]陳洪章,陳繼貞,劉健,等.麥草蒸汽爆碎處理的研究[J].纖維素科學與技術,1999,7(2):60-67.

[6]歐陽平凱,韓祖國.木質纖維素物質水解新技術及應用[J].化工進展,1992,1:42-45.

[7]秦光蔚,周祥.秸稈綜合利用技術[M].南京:江蘇科學技術出版社,2001.