江蘇省3個不同地區(qū)水稻秸稈的主要化學(xué)成分研究

宋衛(wèi)東, 王教領(lǐng), 王明友, 吳今姬, 李尚昆, 王培雨

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，江蘇南京 210014)

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江蘇省3個不同地區(qū)水稻秸稈的主要化學(xué)成分研究

宋衛(wèi)東, 王教領(lǐng), 王明友, 吳今姬, 李尚昆, 王培雨

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，江蘇南京 210014)

[目的]研究了江蘇省3個不同地區(qū)水稻秸稈的主要化學(xué)成分。[方法]測試江蘇省淮安、常州和鎮(zhèn)江2011～2013年收集的水稻秸稈的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和粗灰分含量。[結(jié)果]3個地區(qū)不同年份水稻秸稈的纖維素及半纖維變化趨勢一致，纖維素含量呈先下降后上升趨勢，半纖維素含量呈下降趨勢?；窗埠统Ｖ莶煌攴菟窘斩挼哪举|(zhì)素含量均呈先上升后下降趨勢，鎮(zhèn)江市呈下降趨勢。3個地區(qū)不同年份水稻秸稈的灰分含量變化不大，且均低于65%。且不同年份間水稻秸稈化學(xué)成分變化顯著。[結(jié)論]該研究可為農(nóng)作物秸稈的高附加值利用提供依據(jù)。

水稻秸稈；不同年份；化學(xué)成分；江蘇省

隨著經(jīng)濟的增長，資源的匱乏，目前很多國家都在尋求新能源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源。而在太陽能、核能、風(fēng)能、水能、潮汐能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等諸多新能源中，生物質(zhì)能源是最安全、最穩(wěn)定的能源，特別是農(nóng)作物秸稈，是目前國家重點鼓勵的新能源領(lǐng)域[1-2]。我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈資源十分豐富。據(jù)統(tǒng)計，年產(chǎn)約為5.7×108t，約占全世界秸稈總量的20%～30%[3]，且逐年增加。其中玉米、水稻和小麥三大農(nóng)作物的秸稈產(chǎn)量名列前茅。長期以來，秸稈是我國農(nóng)村居民的主要生活燃料、大牲畜飼料和有機肥料。隨著農(nóng)村剩余勞動力轉(zhuǎn)移、能源消費結(jié)構(gòu)改善和各類替代原料的應(yīng)用，加上秸稈綜合利用成本高、經(jīng)濟性差、產(chǎn)業(yè)程度低等原因，秸稈剩余過剩，違規(guī)焚燒現(xiàn)象隨處可見，不僅浪費資源、污染環(huán)境，還嚴重威脅交通運輸安全[4]?？梢?，如何加強秸稈的綜合利用是目前亟待解決的問題。

我國幅員遼闊，農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源形態(tài)多樣，組分、結(jié)構(gòu)及相關(guān)特性迥異，已有數(shù)據(jù)也存在適用性差、代表性不強等問題，而農(nóng)業(yè)生物質(zhì)特性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是農(nóng)業(yè)生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展和科學(xué)應(yīng)用最基本的基礎(chǔ)性技術(shù)參數(shù)，也是發(fā)展優(yōu)質(zhì)、高效、低耗生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的公益性基礎(chǔ)。鑒于此，筆者主要研究了江蘇省3個不同地區(qū)水稻秸稈的主要化學(xué)成分，旨在為農(nóng)作物秸稈的高附加值利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料水稻秸稈分別于2011年11月、2012年11月和2013年11月采集于江蘇省常州市、淮安市和鎮(zhèn)江市，現(xiàn)場取樣編號，恒溫恒濕箱干燥至含水率平衡。按照《對化合物分析用生物物質(zhì)制備的標(biāo)準實用規(guī)程》(ASTM E1757-01)標(biāo)準，制備樣品。

1.2 測試方法該研究測試了不同地區(qū)、不同年份收集的水稻秸稈的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、粗灰分4個指標(biāo)，分別按照《美國國家可再生能源實驗室——測定生物質(zhì)纖維素和木質(zhì)素含量用》(NREL/TP-510-42618)，《生物質(zhì)中不溶酸殘留物測定用標(biāo)準試驗方法》(ASTM E1721-01)和《生物物質(zhì)中灰分的標(biāo)準測試方法》(ASTM E1755-01)等標(biāo)準測試以上指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地區(qū)不同年份水稻秸稈化學(xué)成分

2.1.1常州市不同年份采集水稻秸稈化學(xué)成分比較。常州市不同年份采集水稻秸稈化學(xué)成分見表1。纖維素、半纖維素和木質(zhì)素是植物纖維細胞壁的主要成分，它們是判斷原料利用價值高低、確定制漿工藝的主要依據(jù)[5]。纖維素和半纖維素統(tǒng)稱為綜纖維素，是指纖維原料中碳水化合物的全部。由表1可知，不同年份采集的水稻秸稈纖維素含量呈先下降后升高的趨勢，其中2011年采集的最高，2012年采集的最低；不同年份采集的水稻秸稈半纖維素含量呈下降趨勢，其中2012年采集的最高。木質(zhì)素是由苯丙烷結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的天然高分子化合物，能夠賦予纖維強度。不同年份采集的水稻秸稈木質(zhì)素含量呈先上升后下降趨勢，其中2012年采集的最高，比其他年份高出50%左右。粗灰分是生物質(zhì)原料經(jīng)過灼燒后殘留的無機物剩余物，主要成分是SiO2。灰分含量高會造成用作紙漿生產(chǎn)原料的“硅干擾”。由表1可知，2011年采集的水稻秸稈灰分含量最高，為60%。由文獻可知[6]，小麥秸稈、水稻秸稈灰分含量多在65%以上?？梢?，該地區(qū)水稻秸稈灰分含量偏低，質(zhì)量較好。

表1 常州市不同年份水稻秸稈化學(xué)成分 %

2.1.2淮安市不同年份采集水稻秸稈化學(xué)成分比較。淮安市不同年份采集水稻秸稈化學(xué)成分見表2。由表2可知，不同年份水稻秸稈的纖維素含量呈先下降后上升趨勢，其中2013年采集的最高，2012年與常州一致，均為最低。半纖維素含量呈下降趨勢，2011年采集的最高，2013年采集的最低。木質(zhì)素含量呈先上升后下降趨勢，其中2012年采集與常州一致，均為最高?；窗彩胁杉窘斩捜笏睾颗c常州市采集水稻秸稈變化趨勢一致，可見兩市水稻秸稈化學(xué)成分受地域性影響不明顯。粗灰分含量變化不大，2012年水稻秸稈含量最高。

表2 淮安市不同年份水稻秸稈化學(xué)成分 %

2.1.3鎮(zhèn)江市不同年份采集水稻秸稈化學(xué)成分比較。鎮(zhèn)江市不同年份采集水稻秸稈化學(xué)成分見表3。由表3可知，鎮(zhèn)江市不同年份水稻秸稈纖維素含量呈上升趨勢，其中2013年采集與淮安一致，均為最高，2011年采集的最低。半纖維素含量呈下降趨勢，其中2011年采集與淮安一致，均為最高，2013年采集的最低。木質(zhì)素含量呈下降趨勢，其中2011年采集的最高，2013年采集的最低。鎮(zhèn)江市水稻秸稈纖維素和半纖維素含量與常州市、淮安市變化趨勢一致，木質(zhì)素與常州、淮安變化趨勢稍有差異，不同年份水稻秸稈灰分含量變化不大且均不超過60%。

表3 鎮(zhèn)江市不同年份水稻秸稈化學(xué)成分 %

木材木質(zhì)素含量通常在30%左右, 而纖維素在 40% 以上, 灰分<1%。從水稻秸稈的成分分析可知，其灰分含量高于木材，木質(zhì)素含量低于木材，纖維素含量與木材中的含量相仿。可見，水稻秸稈中纖維素的含量在植物中比較高，可多加利用。

2.2 不同地區(qū)不同年份之間水稻秸稈化學(xué)成分的方差分析由表4～6可知，3個城市不同年份水稻秸稈之間的化學(xué)成分各項指標(biāo)差異顯著?？梢娔攴莸牟煌捎诹⒌貤l件、氣候、生長因子等原因的不同，對水稻秸稈化學(xué)成分的影響還是很大的。這個結(jié)果有兩點有益的啟示：一是在水稻秸稈的利用方面，由于不同年份水稻化學(xué)成分的差異顯著，為了提高產(chǎn)品穩(wěn)定性應(yīng)分開利用。二是驗證了立地條件、氣候等外部原因是造成水稻秸稈化學(xué)成分變化的一個重要因素。

表4 常州市不同年份水稻秸稈化學(xué)成分方差分析

表5 淮安市不同年份水稻秸稈化學(xué)成分方差分析

表6 鎮(zhèn)江市不同年份水稻秸稈化學(xué)成分方差分析

3 結(jié)論

(1)3個地區(qū)不同年份水稻秸稈的纖維素及半纖維變化趨勢一致，纖維素含量呈先下降后上升趨勢，半纖維素含量呈下降趨勢?；窗埠统Ｖ莶煌攴菟窘斩挼哪举|(zhì)素含量均呈先上升后下降趨勢，鎮(zhèn)江市呈下降趨勢。

(2)3個地區(qū)不同年份水稻秸稈的灰分含量變化不大，且均低于65%?？梢?，該地區(qū)灰分含量比較低，水稻秸稈質(zhì)量比較好。

(3)3個地區(qū)不同年份水稻秸稈直接的化學(xué)成分各項指標(biāo)差異顯著，給今后的利用提供了有益方向。

[1] 景璟.廣西農(nóng)作物秸稈綜合利用現(xiàn)狀與對策研究——以武鳴縣為例[D].南寧：廣西大學(xué)，2012.

[2] 陳小華,朱洪光.農(nóng)作物秸稈產(chǎn)沼氣研究進展與展望[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2007,23(3)：279-283.

[3] 馬曉龍，汪志紅，吳仁峰，等.農(nóng)作物秸稈栽培食用菌的研究進展[J].食藥用菌，2011,19(1)：23-27.

[4] 劉新芽.荊州市農(nóng)作物秸稈綜合利用研究[D].荊州：長江大學(xué)，2013.

[5] 謝來蘇, 詹懷宇. 制漿原理與工程[M].北京:中國輕工業(yè)出版社,2001: 26-99.

[6] 涂平濤.植物纖維人造板的生產(chǎn)技術(shù)解析[J].新型建筑材料，1996(6)：8-12.

Study on Main Chemical Compositions of Rice Straw in Three Different Areas of Jiangsu Province

SONG Wei-dong, WANG Jiao-ling, WANG Ming-you et al

(Nanjing Agricultural Mechanization Research Institute, Ministry of Agriculture, Nanjing, Jiangsu 210014)

[Objective] The research aims to study the main chemical compositions of rice straw in the three different areas of Jiangsu Province. [Method] The cellulose, hemicellulose, lignin and crude ash of rice straw collected in Huai’an, Changzhou and Zhenjiang of Jiangsu Province during 2011-2013 are determined. [Result] The change trends of cellulose and hemicellulose in three areas in different years are consistent. The cellulose content increases after falling, and hemicellulose content presents declining tendency. The lignin content of rice straw presents first rising then declining tendency in Huai’an and Changzhou in different years, while it presents the declining tendency in Zhenjiang. The ash content of rice straw changes little and is all less than 65% in three areas in different years. And the chemical composition of rice straw changes significantly in different years. [Conclusion] The research could provide basis for high added-value use of crop straw.

Rice straw; Different years; Chemical composition; Jiangsu Province

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201003063)。

宋衛(wèi)東(1965- )，男，江蘇泰興人，研究員，碩士生導(dǎo)師，從事食用菌生產(chǎn)機械化技術(shù)及裝備研發(fā)。

2014-11-19

S 216.2

A

0517-6611(2015)01-179-03