（环境工程专业论文）玉米秸秆微生物预处理工艺筛选.pdf

摘要 玉米秸秆微生物预处理工艺筛选 环境工程专业硕士研究生：姜洁 指导教师：陈宏副教授 王定勇教授 摘要 目前全世界每年产生农作物秸杆2 0 亿t ，我国每年产量约6 7 亿t 。合理利用秸秆，有 利农业和农村发展，否则，秸秆将对社会的许多方面造成负作用。传统的农作物秸秆处置方 法主要是焚烧，虽然焚烧能够在很大程度上实现秸秆的减量化，但是却浪费了资源。同时， 焚烧秸秆还会产生大量的c o 、c 0 2 、n o 。，造成了严重的大气污染；焚烧秸秆过程中产生的 高温还会对土壤微生物具有很强的杀灭作用，不利于土壤微生物的生存。最终造成土壤板结， 肥力下降。土地沙化是我国当前毋为严重的生态环境问题之一，虽然近年来加大了沙质土壤 治理与改良的力度，但仍处于治理与沙化相持的阶段。上世纪9 0 年代我国开始采用秸秆进行 沙质土壤治理，初期的主要做法与国外相似，多采用秸秆制成防沙障或覆盖防沙，但由于不 能从根本上解决问题，这种应用方式只能是很有限的辅助措施。 采用秸秆作为基础材料来改良沙质土壤，从秸秆本身的结构和性质来看，预处理过程显 得尤其重要。由于玉米秸秆中含有大量的木质素、半纤维素和纤维素等粗纤维，在自然界中 不易被分解。因此，对农作物秸秆进行预处理，破坏其结构单元之间连结的各种共价键和降 解木质素、纤维素，对于快速、有效地腐解秸秆并使其中的有效元素得到充分的释放具有重 要意义。论文通过分析玉米秸秆在不同处理条件下木质素、半纤维素、纤维素的降解情况以 及养分释放状况来选取最佳的玉米秸秆预处理工艺，从而为沙质土壤改良材料的制备提供基 础数据。试验得出以下结论： 1 、大粒度的玉米秸秆( 1 - 3 e r a 、4 - 5 c m ) 只接种白腐真菌就能将玉米秸秆的木质素、纤 维素、半纤维素很好的降解，接入纤维素降解菌反而会抑制其对木质素、纤维素、半纤维素 降解。小粒度的玉米秸秆( 0 5 c m ) ，在接入白腐真菌后，在适宜的时间接入纤维素降解菌会 | + 、j ! 俩r ：! 吖一 仑迂 较i 卜利：j 受入1 7 | j 出r i l zj 执! 。卜水不f i ，r f f i ：糸干i i 、i 乡l - - ，f l ；1 i , j i 5 ；f f f l 4 ? 仁，f | i 刈l 钎鲥小j 贝糸j n j 。j 叠越 i n 独披入i7 f 脚f 辆的处川1 设爪较r 。 2 、i i 鹏r 限f x , j 较人j ：0 ：艘i i 水干i f m 勺小质察、f ，纤维系利乡r 维索j - j f i t ：丛刊较人wj 州r , j l ；f 研。 4 5 c mi i 米礼针绛i ，_ ij f 5 嘶辑l n 独处州3 ( 1 4 0 人阶解散泶坡f c f ，小质系龠”例州的l3 4 断鲥 剑6 ( ) ，降肼二红丛刊5 5 5 ， 比f ) 5 c mj i 米和1 ，3 c mj i 米秕引小质糸f r , j l l , 人阡撕牢分 别高j 1 2 7 和3 ( ) ；、i - t - r f l i i 察禽j l f 例j l j j 的3 6 降解剑1 4 ，降解牢为6 1 o ，比0 5 c m 一丘米不i 平f ：和卜3 c m l i 米砧引：的i ，纤维袭最人降解牢分：j l j i 舟j ，2 7 1 和1 5 1 ；纤维系索含 射r - j 初驯的4 8 5 降解剑2 0 1 ，降解牢为5 8 5 ，比o 5 c m 玉米利_ j j | 和1 3 c m - i ( 米种矛r 的 n ，j 纤维菜最人1 坪解j 簪分) m 出了13 0 嗣j4 6 。 3 、 三米科纠：的微乍物i 绛解过剃烂有机质不断微分解的过胖，其一丰i 4 - 5 c m f ：米秕秆经闩 腐真菌嗨独处理4 5 天时有机质含龄由最初的7 9 6 2 9 , , k g 降低剑5 5 8 3 9 k g ，降解率达到最高为 2 9 9 。 4 、l 三米秸科：的腐殖酸含鼍与木质素含量之问晕显著的负相关关系，且粒度越小，相关性 越大。其中4 。5 c m 玉米秸秆在白腐真菌单独处理4 0 天时腐殖酸含量最火，由最初的2 3 2 增 加剑，41 0 ，增长塞为，7 6 8 ，比0 5 c m 玉米哥f i b t ，和1 3 c m 玉米稍科腐殖酸最人增k 率分别 高出了8 o f l l5 o 。 5 、单独接种向腐真菌处理4 - 5 c m 玉米秸秆3 0 - - 4 0 天，全n 、全p 的平均增k 率最高达 到1 0 0 2 、1 5 7 2 ；单独接种白腐真菌处理0 5 c m 玉米秸秆3 0 , - , 4 0 天，速效n 、速效p 含量 的平均最人增k 率可达到2 6 9 6 、8 3 8 ：接入臼腐真菌1 5 天时加入纤维素降解菌处理4 - 5 c m 玉米秸秆，在第3 0 4 0 天，全k 平均含量增长率最高，达到了5 7 2 ；接种白腐真菌2 0 天 时加入纤维素降解菌处理4 - 5 c m 玉米秸秆3 0 - , 4 0 天，速效k 的平均含鬣增长率最高，达到 了3 9 7 。 通过试验结果，考虑到实际生产的时效及经济等因素，确定玉米秸秆的最佳微生物预处 理工艺为：白腐真菌单独处理4 - 5 c m 玉米秸秆2 5 3 0 天。 i l 关键词：玉米秸秆白腐真菌木质素半纤维素纤维素 a b s t r a c t s c r e e n i n go fm i c r o b i a lp r e t r e a t m e n tp r o c e s so n c o r nstalkornb t a l k a p p l i c a n tf o rm a s t e rd e g r e e ：j i a n gj i e s u p e r v i s o r ：a p r o f c h e nh o n g p r o f w a n gd i n g y o n g a b s t r a c t t h ey i e l do fc r o ps t r a wi sa b o u t2b i l l i o nt o n sp e ry e a ra l la r o u n dt h ew o r l d a m o n gt h e m ， t h e r ea 陀a b o u t6 0 0 一- 7 0 0m i l l i o nt o n si nc h i n a r e a s o n a b l eu t i l i z a t i o no ft h es t r a w si sb e n e f i c i a lt o t h ed e x 7 e l o p m e n to fa g r i c u l t u r ea n dr u r a la r e a s ，o ri tc a l lt a k em a n yn e g a t i v ee f f e c t s t r a d i t i o n a l m e t h , ；gt od i s p o s a ls t r a w si si n c i n e r a t i o nw h i c hc a l lr e a l i z et h eq u a n t i t a t i v er e d u c t i o no f t h js t r a w s t oag r e a te x t e m b u ti ti saw a s t eo fr e s o u r c et h o u g hr e d u c i n gq u a n t i t yo fs t a w st oag r e a t + e x t e n t m e a n w h i l e ，t h ec r o ps t l a wb u r n i n gc a l lp r o d u c eal o to fc o ，c 0 2 ，n o x , w h i c hw o u l dc a u s es e r i o u s a i rp o l l u t i o n w h a t sm o r e ，t h eh i g ht e m p e r a t u r ef o r mb u r n i n gh a sak i l l i n ge f f e c to nt h es o i l m i c r o o r g a n i s m ，g o i n ga g a i n s tt h eg r o w t ho ft h e m f i n a l l y , i tw o u l dc a u s es o i lh a r d e n i n ga n d d e c l i n eo fs o i lf e r t i l i t y t h el a n dd e s e r t i f i c a t i o ni so n eo ft h em o s ts e r i o u se c o e n v i r o n m e n t a l p r o b l e m s a l t h o u g hm o r ea t t e n t i o ni sp a i dt oc o n t r o l l i n ga n dm o d i f y i n gt h es a n d ys o i lr e s e n ty e a r s ， i ti ss t i l li nas t a l e m a t ep h a s e t h es a n d ys o i lc o n t r o l l e db yu s i n gs t r a w ss t a r t sa b o u t9 0 t hl a s t c e n t u r yi nc h i n a t h ei n i t i a ls t a g ew i t hu s i n gs t r a w sa ss a n dc o n t r o lh e d g e s a n do rc o v e r i n gi sj u s t a sa b r o a d b u ti tw a s j u s tal i m i t e da u x i l i a r ym e a s u r e ，b e c a u s ei tc a nn o ts o l v ep r o b l e m sr a d i c a l l y j u d g i n gf o r mt h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so ft h es t r a w , i ti se s p e c i a l l yi m p o r t a n tt or e t u r na f t e r ap r e t r e a t m e n ti fa d o p t i n gs t r a wa sab a s i cm a t e r i a lt oc o n t r o lt h es a n d ys o i l c o r ns t r a wi su n e a s y t ob ed e c o m p o s e di nt h en a t u r ew o r l db e c a u s eo fc o n t a i n i n gag r e a td e a lo fc r u d ef i b e r , l i k el i g n i n , h e m i c e l l u l o s e sa n dc e l l u l o s e t h e r e f o r e ，i ti ss i g n i f i c a n tf o rd e c o m p o s i n gt h es t r a we f f e c t i v e l ya n d q u i c k l y , r e l e a s i n gt h ee f f e c t i v ee l e m e n t ss u f f i c i e n t l yt od ot h ep r e t r e a t m e n t ，w h i c hc a nd e s t r o ya l l k i n d so fc o v a l e n tb e t w e e nt h es t r u c t u r a lu n i ta n dd e g r a d el i g n i na n dc e l l u l o s e t h ep u r p o s eo ft h i s p a p e ri st os e l e c tt h eb e s tp r e t r e a t m e n tp r o c e s so nc o r ns t r a wb ya n a l y z i n gt h ed e g r a d a t i o no fl i g n i n ， i i i | j l fi , i j j h 叭j ! f ? 州j 站 l o i n i c e i ll i i o s o sa n dc c l l u l o s cu n d e rd i f l c l e n lt l e a | n l e l l | sa l l ( 1t h er e l e a s ec o n d i t i o no l i h en u l r i t i o n i n o r d e rl op r o v i d eb a s i cd a t af o l l h em a t e r i a lp r e p a r a t i o no fs a n d ys o i li m d o v e r n e n t t h er e s u l t sw e r e a l la sm l l o w s i 、l h el i g n i n h e n l i c e l l t l l o s e sa n dc e l l u l o s ec a l lb ew e l ld e g r a d e dw i t ho n l yw h i t er o tf u n g il b r c o r ns t r a wo l l a r g ep a r t i c l e ( 1 3 c m 、4 - 5 c m ) ，w h i l et h ed e g r a d a t i o nw o u l d b ，e i n h i b i t e dw i t h 壤 c e l l u l o s e - d e c o m p o s i n gm i c r o o r g a n i s m s t h ed e g l a d a l i o no f h e m i c e l l u l o s e sa n dc e l l u l o s ew i l lb e i r l c l e a s e d f c e l l u l o s e d e c o m p o s i n gm i c r o o r g a n i s m si si n o c u l a t e da tap r o p e rt i m ea f t e rw h i t er o t f u n g ii n o c u l a t e d ，c o m p a r e dw i t hs u b c u l l u l i n g w h i l er o l f u n g i a l o n eo ft h es m a l l p a r t i c l e s i z e ( 0 5 c m ) ，h u tt h ed e g r a d a t i o no fi i g n i ni sh i g h e rw i t hw h i l er o lf u n g is u b c u l t u r i n ga l o n e 2 、t h er e s u l li st h a tl i g n i n ，h e m | c e l l u l o s e sa n dc e l l u l o s eo f t h el a r g ep a r t i c l ec a nb ed e g r a d e da t g r e a t e rd e g r e ew i t hw h i t er o tf u n g is u b c u l t u r i n g t h ed e g r a d a t i o ne f f i c i e n c yo f4 - 5 c mi st h eb e s t w h i l es u b c u l t u r i n gw h i t er o tf u n g ia l o n ef o r3 0 - 4 0d a y s t h ec o n t e n to fl i g n i nd e c r e a s e sf r o m 13 4 t o6 0 ，a n dt h ed e g r a d a t i o ng e t s5 5 5 ，w h i c hi s12 7 a n d3 0 h i g h e rt h a nt h o s eo f 0 5 c ma n d1 - 3 c m ”r h ec o n t e n to fh e m i c e l l u l o s e sd e c r e a s e sf r o m3 6 t o14 a n dt h ed e g r a d a t i o n g e t s61 o w h i c hi s2 7 1 a n d 15 1 h i g h e l t h ：t nt h o s eo f0 5 c ma n d1 - 3 c m t h ec o n t e n to f c e l l u l o s ed e c r e a s ef r o m4 8 5 t o2 0 1 ，a n dt h ed e g r a d a t i o ng e t s5 8 5 ，w h i c hi s1 3 0 a n d 4 6 h i g h e rt h a nt h o s eo fo 5 c ma n dl - 3 c m 3 、t h ep r o c e s so fm i c r o b i a l d e g r a d a t i o no ft h ec o r ns t r a wi st h ep r o c e s so fi n c e s s a n t d e c o m p o s i t i o no ft h eo r g a n i cm a t t e r t h ed e g r a d a t i o ne f f i c i e n c yo f4 - 5 c mi st h eb e s tw h i l e s u b c u l t u r i n gw h i t er o tf u n g ia l o n ef o r4 5d a y s t h ec o n t e n to fo r g a n i cd e c r e a s e sf r o m7 9 6 2 9 k gt o 5 5 8 3 9 k g a n dt h ed e g r a d a t i o ng e t s2 9 9 。 。 4 、t h eh u m u sc o n c e n t r a t i o no ft h ec 0 1 t is t r a wh a sas i g n i f i c a n t l yn e g a t i v ec o r r e l a t i o nw i t ht h e l i g n i nc o n c e n t r a t i o n t h es m a l l e rt h ep a r t i c l es i z ei s ，t h eg r e a t e rt h ec o r r e l a t i o ni s t h ec o n t e n to f 4 - 5 c mi st h eb e s tw h i l es u b c u l t u r i n gw h i t er o tf u n g ia l o n ef o r4 0d a y s t h ec o n t e n to ft h eh u m u s i n c r e a s e sf r o m2 3 2 t o4 1 o ，a n dt h eg r o w t hr a t eg e t s5 5 5 ，w h i c hi s8 o a n d5 o h i g h e r t h a nt h o s eo f0 5 c ma n d1 3 c m 5 、t h ea v e r a g eg r o w t hr a t eo ft h et o t a l n i t r o g e na n dt h et o t a lp h o s p h o r u so f4 - 5 c mg e t s 10 0 2 a n d15 7 2 。w i t hw h i t er o tf u n g is u b c u l t u r i n ga l o n ef o r3 0 - 4 0d a y s t h ea v e r a g eg r o w t h r a t eo ft h ea v a i l a b l en i t r o g e na n dt h ea v a i l a b l ep h o s p h o r u so f0 5 c mg e t s2 6 9 6 a n d8 3 8 ，w i t h w h i t er o tf u n g is u b c u l t u r i n ga l o n ef o r3 0 4 0d a y s t h ea v e r a g eg r o w t hr a t eo ft h et o t a lp o t a s s i u m o f4 - 5 c mg e t s5 7 2 。w i t hc e l l u l o s e d e c o m p o s i n gm i c r o o r g a n i s m ss u b c u l t u r i n g15 2 5 d a y sa f t e r w h i t er o tf u n g ii n o c u l a t i o n15d a y s t h ea v e r a g eg r o w t hr a t eo ft h ea v a i l a b l ep o t a s s i u mo f4 - 5 c m g e t s3 9 7 ，w i t hc e l l u l o s e d e c o m p o s i n gm i c r o o r g a n i s m ss u b c u l t u r i n g10 - - 2 0d a y sa f t e rw h i t er o t f u n g ii n o c u l a t i o n2 0d a y s i v a b s t r a c t g e t i n ga c r o s st h et e s t i n gr e s u l t sa n dc o n s i d e r i n ga b o u tt i m e e c o n o m ya n ds o m eo t h e rf a c t o r s i nr e a l i t y , t h eb e s tp r e t r e a t m e n tp r o c e s so ft h ec o w ls t r a wi s ：s u b c u l t u r ew h i t er o tf u n g ia l o n ef o r 2 5 3 0d a y so nt h ep a r t i c l eo f 4 - 5 c m k e yw o r d s ：c o r ns t a l k w h i t er o tf u n g i l i g n i nh e m i c e l l u l o s ec e l l u l o s e v 独创性声明 学位论文题目：垂苤秸狂微生堑亟处理王艺篮垫 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中引用他 人已经发表或出版过的研究成果，文中已加了特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡 献的老师、朋友、同仁在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文作者： 譬形 签字日期：弦。年乡月髟 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究 生院( 筹) 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ， ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：囱不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：墨形 签字日期：伽，o 年多月g 日 导师签名：粥、弦 签字日期：汐口年月莎日 保护知识产权声明 本人完全了解西南大学关于对研究生在本校攻读学位期间撰写论 文的知识产权保护规定。本人撰写的论文是在导师具体指导下，并得 到相关研究经费支持下完成的。具体数据和研究成果归属于导师和作 者本人，知识产权单位属西南大学。本人保证毕业后，以本论文数据 和资料发表论文或使用论文工作成果时，需征得导师同意，并且署名 第一单位仍然为西南大学。 学位论文作者签名：姿彬 签字日期：冲年多月驴日 第1 章文献综述 第1 章文献综述 1 1 秸秆的结构与性质 农作物秸秆主要由植物细胞壁组成，它不仅含有大量的粗纤维和无氮浸山物，也含有粗 蛋白、粗脂肪、灰分和少量其他成分。秸秆中平均有机质含量为5 ，氮0 6 、磷0 2 5 、钾 1 4 ，还含有钙、镁、硫等元素，它是一种重要的可再生资源( 汪芳等，2 0 0 7 ) 。将其还田， 能够有效改良土壤，提高地力，降低生产成本，提高农产品的产量和质量。 农作物秸秆的干物质一般是由含氮化合物、非含氮化合物与灰分组成。其中非含氮化合 物主要包括木质素、半纤维素和纤维素等，这部分约占秸秆千重的8 0 左右( 黄茜，2 0 0 8 ) 。 玉米、水稻及小麦等主要农作物秸秆的木质素含量为15 2 5 、半纤维素含量为2 0 3 0 、 纤维素含量为3 5 5 0 ，它们是秸秆降解的主要物质( 李日强等，2 0 0 2 ) 。 ， 1 1 1 半纤维素 半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体，这些糖是五碳糖和六碳糖，包括 木糖、阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖等。半纤维素木聚糖在木质组织中占总量的5 0 ，它结合在 纤维素微纤维的表面，并且相互连接，这些纤维构成了坚硬的细胞相互连接的网络。随着农 作物秸秆的成熟，植物体内的半纤维素逐渐增长，从而进一步增强了桓物的坚实性。半纤维 素很容易水解，半纤维素能溶于碱，且能在1 2 0 c 以下溶于稀酸( e i m a s t r y ，1 9 8 3 ) 。 1 1 2 纤维素 纤维素( c e l l u l o s e ) 是一种天然有机高分子化合物，通式是( c 6 h 1 0 0 5 ) l l 。i 妇8 0 0 0 至1 0 0 0 0 吟。 葡萄糖残基通过1 3 1 ，4 一糖苷键连接而成，其在水中有高度的不溶性，同时也不溶于稀酸、稀 碱和有机溶剂，主要的生物学功能是构成植物的支持组织，是地球上最大的可再生资源( l y n d l re la 1 ，2 0 0 2 ；l y n dl re la 1 ，1 9 9 9 ) 。植物纤维素结构复杂，基本上是由原纤维( 1 5 - 一4 0 根由 结晶区域和无定形区域所构成的纤维分子长链) 构成的微纤维束集合而成，具有牢固的结晶 构造，所以，纤维素的结晶部分比无定形部分更难被降解( 邹仪明，1 9 9 5 ) 。 1 1 3 木质素 木质素是仅次于纤维素的最重要且最丰富的有机高聚物。其结构单元是松柏醇、香豆醇 和芥子醇等反式p 羟苯丙烯醇等芳香醇化合物。结构单元之间主要以c c ，c o c 这两种共价 键形式连接。木质素结构单元还可以与细胞壁多聚糖组分之间以酯键结合，这些结构单元的 多样性以及木质素结合形式的复杂性决定了木质素具有很大的机械强度( 闵晓梅等，2 0 0 0 ) ， 它对半纤维素酶和纤维素酶降解秸秆中的碳水化合物有空间阻碍作用( l a u r ac a d o c h ee ta 1 ， 1 9 8 9 ) 。 心市人。列吲卜j ! f ? ，沦丈 1 2 秸秆综合利用现状 l | 前个v h q - i ：j 的水作物秕约2 0 亿t ，找批达剑j 6 7 亿t ( 孪万良，2 0 0 7 ：f 7 i 彩i 臀，2 0 0 6 ) 。合川! 利川不。i 朴，仃利水、i ，刷水利。发腱，矿洲l j ，私朴将刈j ：卜会的n ：彩力i f l f j 盘成 负f 1 训j 。年i 什综合利川l i 嵝仃以i 、儿力i f i f 。 1 2 1 焚烧处理 4 乞统的农作物稍f l ：处霄力i 址焚烧，我闻每年所j 山：的约2 亿吨农作物秸 l ：被就地焚烧( q u y i n b oe la 1 ，2 0 0 1 ：刘巽浩，2 0 0 1 ) 。虽然焚烧能够徊彳良人群度卜实现不1 m ：的减龄化，f i l 足却 浪旋丫资源。我陶每年产q ! 的秸种相u j 丁3 0 0 多万t 氮肥、7 0 多万t 储肥以及7 0 0 多万t 铆i 肥，这丛本卜达剑r 伞国每年化肥川龄的1 4 ( 武元，2 0 0 9 ) 。i 厅jn - t ，焚烧秸秆还会产乍人钴 的c o 、c 0 2 、n o 。，造成了严重的人气污染；焚烧稍秆过科中j 把生的高温还会对卜壤微生物 具有很强的杀火4 r - ) r j ，不利- j - 十壤微生物的生存。最终造成一i ：壤板结，肥力卜降，十壤生态 系统恶化，作物产缱。卜降( 汀芳等，2 0 0 7 ) 。 1 2 2 秸秆燃料化 农，阼物秭秆作为农村传统的能源，直接燃烧具有经济方便、成本低廉和易丁推广的特点 ( 朱启红，2 0 0 7 ) ，但其直接燃烧不仅会产生人量的浓烟利二氧化碳等温室气体，还会使得七“ 壤板结，严重影响十壤肥力。目前，已有不少专家学者研究出一种新型的生物秸秆j 古| 化燃料， 给农作物秸秆提供了一种综合利用的新途径。 生物质同化成型燃料是将作物稻壳、木屑、秸秆等农林废弃物粉碎后，送入成型器械中， 在外力作用下，+ 压缩成需要的形状，然后作为燃料直接燃烧：也可进一步加工，形成生物炭 ( 张华，2 0 0 9 ) 。我国开发研制的生物秸秆固化燃料已经用于取暖和小型锅炉生产。而在国外， 该生产方法已经较为成熟，如美国、日本等国家已实现了工厂化生产，其产品主要用丁取暖 炉、锅炉发电等。 农作物秸秆可通过生物化学方法转化为燃料乙醇，这对于解决我国的能源问题有着十分 重要的意义，其中汽爆法和稀酸催化水解法被认为是比较好的处理方法( g l a d y sse la 1 ，2 0 0 4 ； h e r r e r a tae ta 1 ，2 0 0 3 ；a b e l a r d ohe ta 1 ，2 0 0 4 ；p a r a j ojc ，1 9 9 3 ) 。 秸秆另外一种燃料化的利用方式是秸秆制沼。秸秆生产沼气一般有两种途径( 朱启红， 2 0 0 7 ) ，一是将秸秆直接放进沼气池制沼气；二是将秸秆用作牲畜饲料，把牲畜的粪便放进沼 气池制沼气。以沼气为主的秸秆综合利用，不仅有良好的经济效益，而且对于解决农村清洁 能源和环境词题也是一种有效方法。在挪威、中国广东湛江和菲律宾把稻草作为发酵产气能 源来加以利用( z h a n gw xe ta 1 ，1 9 9 5 ；t r a e hn xe ta 1 ，2 0 0 1 ) 。 2 第1 章文献综述 1 2 3 秸秆饲料化 农作物秸秆是牲畜的主要饲料之一。玉米秸秆含有3 0 以上的碳水化合物，2 4 的蛋 白质，0 5 - - 1 的脂肪，玉米秸秆既可青贮，也可直接饲喂( 郑建福，2 0 0 9 ) 。秸秆中的有机 物直接作饲料营养价值极低( 任仲杰等，2 0 0 5 ) ，所以有必要对秸秆进行加工处理，将其木质 纤维素等大分子物质分解为低分子的低聚糖或单糖，从而提高营养物质的采食率和利用率( 朱 启红，2 0 0 7 ) 。 ( 1 ) 秸秆青贮 秸秆青贮( 陆文卿等，2 0 0 6 ) 是目前秸秆处理量最大的一种方式，该技术的应用以玉米 秸秆的青贮加工为主，有塑料袋青贮和窖式青贮两种。它能有效地保存青绿秸秆的营养成分 和鲜嫩汁液，适口性好、消化率高。青贮技术的关键程序是适时收割切碎和填装并排出窖内 空气压实密封以及掌握适宜的水分含量为乳酸菌繁殖提供良好条件( 鲁济宁，2 0 0 9 ) 。 ( 2 ) 秸秆微贮 秸秆微贮是指在农作物秸秆中加入高效活性微生物菌种，将大量的木质纤维类物质转化 为糖类，糖类又经有机酸发酵转化为乳酸和挥发性脂肪酸，使农作物秸秆变成湿润膨胀和柔 软酸香的饲料。其主要过程为：复活菌种一配制菌液一切断秸秆一装窖一封窖一发酵一成品 ( 房兴堂等，2 0 0 7 ) 印度利用曲霉属、侧孢霉属和木霉属等微生物来处理稻草秸秆，提高了 其菌体蛋白质含量，然后作为牛的饲料，取得了较好的效果( l i ujxe ta 1 ，2 0 0 0 ) 。 ( 3 ) 秸秆氨化 秸秆氨化是用液氮、尿素、碳酸氢氨和氨水等氮源对秸秆进行氮化处理，使木质素和纤 维素之间的酯键断裂，打破木质素和纤维素的镶嵌结构，溶解木质纤维素，使反刍家畜瘤胃 中的胃液易于渗入，从而提高秸秆的消化率( 徐春燕等，2 0 0 8 ) 。此外，氨化处理增加了秸秆 粗蛋白质含量，是目前生产中较为适用的一种秸秆处理方法( 马保全，2 0 0 7 ) 。一般来说氨化 秸秆的消化率可提高大约2 0 ，粗蛋白含量可提高大约1 1 5 倍，采食速度可提高1 6 - - - 4 3 ， 采食量也可提高2 0 - - , 3 0 ( 李鹏等，2 0 0 6 ) 。 ( 4 ) 氧化剂处理 氧化剂处理是利用氧化剂来破坏木质素分子问的共价键，溶解部分半纤维素和木质素， 增大纤维素基质空隙，使得纤维素酶和细胞壁成分的接触面积增大，从而明显提高饲料消化 率的处理( 房兴堂等，2 0 0 7 ) 。常用的氧化剂主要有过氧化氢、二氧化硫、臭氧等。用二氧化 硫处理的小麦秸秆饲喂美利奴公羊，秸秆的表观消化率从5 0 。2 显著提高到6 5 3 ( 王铁柱 等，2 0 0 5 ) 。 1 2 4 秸秆的工业化利用 当前秸秆的工业化利用非常广泛，已运用于建材、纺织和轻工等行业( 石磊等，2 0 0 5 ) 。 该技术主要以玉米秸杆、小麦秸秆、水稻秸杆等各种秸秆为原材料，综合物理、化学、电气、 3 阳mj j 。：! 顺 “? f ? ，沧逆 机械、激脉笛d i ii 支1 i 原州，将拜种1 = i j f f 川i 成符种i ：j 页j i ：的，低晰艘、r 1 1 桁叟和i 惭艘的 纤绯板利制| | | ：纶过- 叱火处j i 阶i 化处娜，制成犍饰扳利刷i ! 久成小家具| ，| j j 支术= ( 俾 济。jc ，2 0 0 9 ) 。，这f i 仪捉l 藩i ，秕朴这。废卉物资i 1 6 ，j 利川牢，减少j e 刈环境的污染，i f i 川促进 了地l 经济的发j 挝，胜合j ：! l ! d o jj i j 水干1 ：物不i , l ：l 的。l t 4 1 效力淡( 米启红，2 0 0 7 ) 。 】2 5 秸秆还田作肥料 农f ，| ；物秕柑i 禽订人 l ；的截养岽斥l l - i ! 机物质，这- 哮物炙红。卜壤i f j 微分鲥j s , j j f i 5 娥胍肝l i j 。 补充i ：壤养分，故良i ：壤质埘，优化卜壤理化性状，人人减少化j i i z i i j 施川j l = 。 ( 1 ) 科 j | ：n 接还i j l 农作物砧纠：收割后刁：做任何处理血接还田，这种方法易j ：被农民接受( 安成立笛，2 0 0 3 ) 。 利m ：直接还田义可分为翻压还田和覆盖还田。秸干1 ：直接还田可以较伙提高1 j 壤有机质含艟， 对培肥一t - ：壤起着重要 f y - j - 1 - i 。种秆还田鬣一般以每公顷1 5 0 0 - 3 0 0 0 k g j u 宦( 左犬觉等，1 9 9 3 ) 。 ( 2 ) 机械粉碎还田 利刚粉碎机将秸秆粉碎成小段秸秆进行还田，还田时需：留秸秆和土壤充分混合。如果条 j ，| ：允许，还可同农家肥混合后再施用还田，以加快秸秆的腐解，从而改良十壤质罐( 朱启红， 2 0 0 7 ) 。 ( 3 ) 堆腐还田 秸干十堆肥还田技术是指现增自然界中存在的微生物，通过人为调节，f l l 控制来促进秸秆中 可生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的过穰( 刘丽香笛，2 0 0 6 ) 。堆腐还田不仅能够提 高：】二壤有机质含量，促进速效养分的释放，还能提高的十壤的水分含鼍和农作物产量，具有 作用好、效果快的特点。堆腐还田的缺点是沤制时间比较长，通常需要3 个月以上。不过通过 人工控制可以加速堆腐速度。例如，目前已采用催腐剂堆肥技术、速腐剂堆肥技术和酵素菌 堆肥技术，来加速木质素、纤维素和半纤维素等有机物分解，提高堆肥效果( 李鹏等，2 0 0 6 ) 。 ( 4 ) 过腹还田 过腹还田是把口感差、消化率低的秸秆经青贮、氨化和微贮处理，改善秸秆的适口性( 朱 永，2 0 0 5 ) ，提高营养物质的利用率、禽畜过腹后变成有机肥还田，形成粮食一秸秆一饲料 一牲畜一肥料粮食的良性循环( 王荣乐等，2 0 0 5 ) 。这是一种传统的作法可与畜牧业的发 展联系在一起。通过秸秆过腹还田，桔秆和其他饲料通过牲畜消化后，变成粪便，成为优质 的有机肥料。不仅养分齐全，主要元素和微量元素都有，速效养分含蹙高，易于被植物利用 吸收。 1 3 国内外秸秆研究现状 1 3 1 秸秆直接还田研究现状 由于秸秆堆腐还田的沤制时间较长，一般需3 个月以上，若想要减少堆腐的时间，则需要 4 第1 章文献综述 与一些技术相结合，工艺较复杂，而秸秆直接还田能克服此缺点。 首先，农作物秸秆中含有丰富的氮、磷、钾等大量元素以及钙、镁等微量元素，作物秸 秆还田后，使得这些元素得以释放，必然使土壤中大量元素和微量元素增加。有研究表明， 秸秆还田后，土壤中的钾素增加很明显( 韩永俊等，2 0 0 3 ) 。由于土壤中的氮素是很不稳定 的，且我国土壤普遍存在着氮素缺乏的状况，秸秆还田有助于补充和提高土壤中的氮素。其 次，秸秆中还含有丰富的木质素、纤维素等粗纤维，这些都是土壤中有机质的有效来源。有 机质是衡量土壤肥力的一个重要指标。秸秆还田后，木质素、纤维索等粗纤维腐解，使得七 壤中的有机质得到更新和提高。土壤有机质不仅是植物营养元素的来源，还决定着土壤的结 构、耕性、代谢性和缓冲性，且其在防治土壤侵蚀、增加土壤透气性、保水性等方面都有着 非常重要的作用( 李清泉，2 0 0 8 ) 。此外，农作物秸秆还田后，秸秆附近的微生物大量生长 繁殖，形成了土壤微生物活动层，使得秸秆中有机态养分得到快速释放，秸秆还田不仅可以 改善土壤结构，也协调了土壤水、肥、气、热的状况，形成了良好的土壤生态环境( 闫彩萍， 2 0 0 9 ) 。 秸秆还田不仅有利于减少化学肥料的使用，而且是典型的土地用养结合和发展生态农业 的做法，世界上发达国家对此技术十分重视。欧美等发达国家从2 0 世纪3 0 年代就开始研究早 地的秸秆还田机制，并且在实践中取得j 不错的成果( 杜长征，2 g 0 9 ) 。一般来说，控制化 肥施用量占施肥总量的1 3 ，农家肥和秸秆还田等施用量占施肥总量的2 3 左右( 谭克均等， 2 0 0 8 ) 。美国不仅将小麦、玉米等秸秆还田，连大豆、番茄等秸秆也尽量还田，美国每年产 农作韧秸秆4 5 亿t ，其中还田量占秸秆产量的6 8 ，而在英国这个比例已达到7 3 ( 李清泉， 2 0 0 8 ) 。日本把秸秆直接还田作为农业生产中的法律去执行；英国的洛桑试验站每年每公顷 翻压玉米秸秆7 8 t ，土壤有机质含量在1 8 9 后提高了2 2 0 旷2 4 ：德国波恩大学试验站研究 表明，每公顷施入6 5 - 秸秆并补施氮肥，土壤有机质含量在1 9 年后从1 0 2 增加到1 4 8 ( 朱玉 芹等，2 0 0 4 ) 。 我国作为农业大国，秸秆资源非常丰富，而且逐年递增，据不完全统计，我国每年产生 农作物秸秆约为6 7 亿t ( 折合标准煤量为3 5 3 6 亿t ) 。如何合理有效的利用这部分资源是一个 重要的问题。近年来，我国秸秆直接还田量发展很快，1 9 8 7 年秸秆还田面积仅为0 1 3 4 亿多公 顷，1 9 9 6 年已达n o 3 3