不同發(fā)酵處理對玉米秸稈理化性質(zhì)的影響

張 婷 (沈陽工學(xué)院生命工程學(xué)院，遼寧撫順113122)

我國是一個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，糧食生產(chǎn)是關(guān)系到民生的重要問題。隨著全國糧食不斷的增長，作物秸稈的產(chǎn)量也在逐年上升［1］。然而，以往每年都會有大量的作物秸稈被當(dāng)做廢棄物在田間焚燒，這不僅造成了浪費，而且產(chǎn)生的煙霧也會污染周圍的環(huán)境［2］。因此，在低碳環(huán)保的理念［3］和國家“十二五”農(nóng)作物秸稈綜合利用方針的指導(dǎo)下，如何綜合利用作物秸稈是人們關(guān)心的問題。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，在國家一系列政策扶持下，到2013年秸稈綜合利用率達(dá)到75%，圍繞秸稈肥料化、飼料化、基料化、原料化和燃料化等領(lǐng)域的研究都已經(jīng)取得了一定進(jìn)展［4－6］。農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量大、分布廣、種類多［7］。其中玉米秸稈的產(chǎn)量每年能夠達(dá)到2億t以上，這是一個相當(dāng)巨大的生物能源儲存庫［8］。目前，大多研究集中在秸稈利用的方法和效果上，雖然應(yīng)用較廣，但基礎(chǔ)研究的深度不夠，缺少秸稈腐熟過程和時間方面的相關(guān)研究［9］。筆者通過不同處理對玉米秸稈發(fā)酵腐熟過程的理化性質(zhì)進(jìn)行分析，為秸稈腐熟加工提供理論參考，為進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用玉米秸稈提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料 供試原料為玉米秸稈、腐熟的雞糞、酵母。主要儀器有pH計、電導(dǎo)率儀、TPY養(yǎng)分速測儀等。

1.2 方法 試驗于2014年12月7日至2015年1月11日在沈陽工學(xué)院實習(xí)基地進(jìn)行發(fā)酵處理，將收集的玉米秸稈進(jìn)行曬干、粉粹。以厭氧堆肥的方式，用不同處理密閉堆置玉米秸稈，處理1只加水，處理2加入充分腐熟的雞糞作為發(fā)酵輔料，處理3的發(fā)酵輔料為酵母(表1)，處理時間為35 d，以沒有添加其他物質(zhì)的干秸稈作為對照(CK)。

表1 秸稈處理配制比 g

1.3 測定項目及方法 試驗主要測定了玉米秸稈的容重、總孔隙度、通氣孔隙度、持水孔隙度、電導(dǎo)率、pH及養(yǎng)分含量。部分計算公式如下:

式中，m1為秸稈重，m2為加水量，m3為發(fā)酵輔料重，m4為總重量，V為腐熟秸稈體積。

利用pH計測量pH，加入1 mol/L NaOH溶液測量不同處理秸稈的緩沖容量。使用電導(dǎo)率儀，將秸稈加入飽和CaCl2測量電導(dǎo)率值。利用TPY養(yǎng)分速測儀測量玉米秸稈中的 N、P、K 含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對玉米秸稈物理性質(zhì)的影響 從表2可以看出，經(jīng)過35 d的腐熟發(fā)酵，處理1的容重顯著低于未經(jīng)任何處理的對照，其他2個處理與對照差別不大，說明如果只添加水進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵過程隨著物質(zhì)的降解，容重會降低。添加發(fā)酵輔料后，玉米秸稈的容重變化不大，說明在整個發(fā)酵過程中物質(zhì)并不是簡單的降解，而是轉(zhuǎn)化成其他物質(zhì)，使得容重保持不變。4種情況下，容重在80～110 g/L范圍內(nèi)，說明玉米秸稈的容重較輕。

經(jīng)過3種處理后，玉米秸稈的總孔隙度均顯著升高，說明秸稈腐熟后仍然比較疏松。處理2和處理3的通氣孔隙小于處理1，持水孔隙大于處理1，處理2和處理3之間差異不顯著，說明添加發(fā)酵輔料可以顯著改變玉米秸稈的通氣和持水能力，而且添加雞糞和酵母處理改變秸稈物理性質(zhì)的效果是一樣的。

表2 不同處理玉米秸稈的物理性質(zhì)

2.2 不同處理對玉米秸稈EC、pH及緩沖能力的影響 電導(dǎo)率(EC)反映秸稈中含有的可溶性鹽分的含量。通過表3可以看出，3種處理的電導(dǎo)率值均顯著低于對照，各處理之間差異不大。通過測定，沒有經(jīng)過發(fā)酵處理的玉米秸稈pH小于7，經(jīng)過不同程度的處理后，pH均達(dá)到8以上，說明發(fā)酵后玉米秸稈的pH上升，呈堿性，3種處理之間無顯著性差異。緩沖容量是反映秸稈處理在加入酸堿物質(zhì)后本身所具有的緩和酸堿變化的能力。通過表3中數(shù)據(jù)可以看出，3種處理的緩沖能力均高于對照，但是各處理之間差異不大。

表3 不同處理玉米秸稈的EC、pH和緩沖容量

2.3 不同處理下玉米秸稈的養(yǎng)分含量變化

2.3.1 不同處理下玉米秸稈的氮含量變化。通過圖1可以看出，在12月21日(第14天)之前，各處理的氮含量呈上升趨勢，以后逐漸下降，尤其是處理3這種現(xiàn)象表現(xiàn)的更加明顯。在整個發(fā)酵過程的前期，處理3的氮含量最高，處理1最低，處理2介于二者之間。到第30天以后，3種處理之間相差并不明顯。說明加入酵母(處理3)發(fā)酵以后，在一定程度上會影響玉米秸稈的氮含量，尤其是在發(fā)酵前期(第14天)，氮含量最高，但是隨著時間的變化，后期氮含量不高。

2.3.2 不同處理下玉米秸稈的磷含量變化。通過圖2可以看出，在2014年12月28日(第21天)之前，3個處理之間磷含量的變化基本相同，先呈現(xiàn)下降趨勢，到12月21日又表現(xiàn)出含量有所上升。2015年1月4日(第28天)之后，三者表現(xiàn)出不同的趨勢，處理2呈上升趨勢，處理3呈顯著下降，處理1變化不明顯。說明在發(fā)酵前期，秸稈中含磷化合物的分解基本保持相同的變化趨勢，秸稈中添加的發(fā)酵輔料在前期對磷的影響不大。到了發(fā)酵后期，由于處理間添加的物質(zhì)不同，發(fā)酵輔料開始發(fā)揮作用，導(dǎo)致秸稈中含磷化合物的分解及物質(zhì)合成是不同的，而且3種處理表現(xiàn)出顯著的不同。

2.3.3 不同處理下玉米秸稈的鉀含量變化。通過圖3可以看出，在12月21日(第14天)，3個處理均表現(xiàn)出鉀含量上升，其中處理2表現(xiàn)最明顯，之后三者的鉀含量開始逐漸下降，到第35天又表現(xiàn)出升高的趨勢，處理3鉀含量高于處理2，處理1最低。整個發(fā)酵階段，處理1的鉀含量變化并不明顯。雖然處理2的鉀含量在發(fā)酵前期表現(xiàn)出比處理3高，但是到發(fā)酵后期處理3反而高于處理2，說明雞糞和酵母在發(fā)酵過程中對于含鉀化合物的影響處于不同的階段。

2.3.4 不同處理下玉米秸稈的碳含量變化。通過圖4可以看出，處理1在整個發(fā)酵過程中碳含量變化不大，處理3變化趨勢和處理1前期相同，到第35天，處理3的碳含量顯著升高。處理2的碳變化程度呈波浪形，說明發(fā)酵時含碳化合物在雞糞處理下物質(zhì)分解及合成并不穩(wěn)定。但發(fā)酵第35天，處理2與處理3的碳含量基本相同，均明顯高于處理1。

3 結(jié)論與討論

該試驗研究表明，與對照和處理1相比，玉米秸稈發(fā)酵時添加一定的發(fā)酵輔料對秸稈的理化性質(zhì)具有一定的影響。容重的大小與秸稈的質(zhì)地和顆粒的大小有直接關(guān)系，影響秸稈的緊實程度，以及持水和透氣能力。玉米秸稈發(fā)酵處理前后的容重均在在80～110 g/L范圍內(nèi)，容重過小，說明玉米秸稈的容重較輕，如果要將玉米秸稈進(jìn)一步加工成基質(zhì)需要添加其他物質(zhì)增加容重，否則固定植株的效果不好，持水性較差。張秀麗以玉米秸稈為材料配置育苗基質(zhì)時，添加了適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)土增加玉米秸稈基質(zhì)的容重，但是他們所使用的玉米秸稈并沒有進(jìn)行發(fā)酵腐熟［11］。

在該試驗中，同時測量了不同處理玉米秸稈的電導(dǎo)率值、pH和緩沖容量。處理2和處理3在物理性質(zhì)和EC、pH和緩沖容量上差異不顯著，說明添加酵母發(fā)酵玉米秸稈和添加雞糞在一定程度上具有相同的效果。沒有經(jīng)過發(fā)酵處理之前的玉米秸稈pH小于7，經(jīng)過不同處理pH均達(dá)到8以上。這主要是因為該試驗采用的堆肥方式是厭氧型。在厭氧環(huán)境中，有機(jī)物的分解分為2個主要階段:前期主要是在微生物的作用下會產(chǎn)生有機(jī)酸，使得pH逐漸下降，但是后期隨著甲烷細(xì)菌的不斷繁殖，有機(jī)酸迅速分解，pH迅速上升［12］。一般，微生物適宜生長的pH是中性或弱堿性(6.5～8.5)。該試驗后期秸稈pH達(dá)到8，呈堿性，這個pH環(huán)境比較適合微生物生長。這一點與劉凱等研究結(jié)論是一致的，但是與該試驗相比，雖然都是研究玉米秸稈，但處理上使用的發(fā)酵物質(zhì)不同，他們使用的是牛糞和纖維素降解菌劑。

在營養(yǎng)成分的變化上，處理2的氮含量前后變化不大，這與添加的發(fā)酵輔料是雞糞有一定的關(guān)系，雞糞本身含氮量就比較高，可保證整個發(fā)酵過程氮的穩(wěn)定性。處理3氮含量前期增高的原因可能與酵母菌發(fā)酵過程中產(chǎn)生某種含氮化合物有關(guān)，后期有機(jī)物質(zhì)繼續(xù)分解使得含氮量降低，但是經(jīng)過35 d發(fā)酵，處理2和處理3的含氮量基本相同。處理2和處理3磷的含量最終均低于處理1，鉀的變化均高于處理1。在碳含量的變化上，處理2和處理3均高于處理1，而且二者在第35天差異不大。整個試驗過程，筆者發(fā)現(xiàn)酵母與雞糞在發(fā)酵到一段時間后，表現(xiàn)出相同的效果，這可能與雞糞和酵母的用量有關(guān)，在今后的研究中可進(jìn)一步加大用量，研究二者之間的差異性，從而進(jìn)一步論證能否用酵母代替雞糞進(jìn)行發(fā)酵秸稈，郭艷等認(rèn)為，利用酵母發(fā)酵玉米秸稈里糖類生產(chǎn)乙醇或酵母單細(xì)胞蛋白，對拓寬秸稈開發(fā)利用的新方向具有重要的意義［13］。

綜合而言，該試驗重點研究了玉米秸稈發(fā)酵的新方法。近些年，玉米秸稈的研究主要集中在動物飼料、秸稈還田等方面［14－16］，對于玉米秸稈發(fā)酵腐熟研究并不多見，有些直接應(yīng)用沒有進(jìn)行腐熟的玉米秸稈進(jìn)行育苗基質(zhì)應(yīng)用方面的研究［11］，有些研究在玉米秸稈腐熟過程添加的發(fā)酵輔料并不相同［12］，該研究探索性地將酵母加入到了玉米秸稈腐熟過程中，結(jié)果得出了和雞糞腐熟效果相似的結(jié)論，這可能與雞糞以及酵母的用量，以及發(fā)酵時間有直接關(guān)系。在今后的研究中，還應(yīng)進(jìn)一步深入研究玉米秸稈的發(fā)酵腐熟過程、微生物的活動、物質(zhì)分解與合成等方面，從而拓寬玉米秸稈的應(yīng)用范圍，滿足國家對提高農(nóng)作物秸稈綜合利用的要求［17］。

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