幾種常見(jiàn)農(nóng)作物秸稈及其不同部位的吸水性比較研究

陳廣銀，李敬宜，丁同剛，王邵婷，王曉英

（安徽省水土污染治理與修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室，安徽師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，安徽蕪湖241002）

農(nóng)業(yè)秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要副產(chǎn)品，一般指農(nóng)作物收獲后殘留的部分，具有產(chǎn)量大、含水率低、木質(zhì)化程度較高和季節(jié)性產(chǎn)生等特點(diǎn)。2014年我國(guó)僅水稻、小麥和玉米秸稈產(chǎn)量就達(dá)7.64億噸[1]。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變和農(nóng)村勞動(dòng)力短缺問(wèn)題不斷加劇，秸稈資源化問(wèn)題日趨緊迫，在沒(méi)有低成本易使用的技術(shù)時(shí)，就地焚燒無(wú)疑是最易被農(nóng)民利用的處理方式。秸稈的大面積集中焚燒導(dǎo)致空氣嚴(yán)重污染和土壤有機(jī)質(zhì)損失[2-3]，也是資源的極大浪費(fèi)。秸稈禁燒已成為各級(jí)政府的政治任務(wù)，其根源在于秸稈綜合利用未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局（現(xiàn)生態(tài)環(huán)境部）[4]和農(nóng)業(yè)部（現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部）[5]分別于1999年和2007年頒布了關(guān)于秸稈禁燒和綜合利用的相關(guān)政策，這些政策的實(shí)施促進(jìn)了秸稈資源的綜合利用。秸稈綜合利用的技術(shù)很多，歸類(lèi)后可以簡(jiǎn)稱(chēng)“五化”，大多數(shù)技術(shù)都與生物有關(guān)，如肥料化、沼氣化、飼料化、基料化等，而生物處理過(guò)程中水是最重要的條件之一，秸稈的吸水速率、持水能力直接影響生物處理的效率和程度。水吸力能夠反映多孔介質(zhì)顆粒對(duì)系統(tǒng)內(nèi)水分的吸附能力[6]，并與介質(zhì)中的物理、化學(xué)及生物過(guò)程直接相關(guān)聯(lián)。云麗等[7]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈與水接觸后秸稈的水吸力隨著處理時(shí)間延長(zhǎng)逐漸增加，堿處理可縮短秸稈水吸力達(dá)到峰值的時(shí)間，該結(jié)果表明，預(yù)處理提高了秸稈的水吸力。秸稈親水性增強(qiáng)后，其持水力增加，可加速微生物的粘附，提高秸稈的消化效率[8]。在各種生物處理技術(shù)中，堆肥化和沼氣化是最典型的兩種秸稈生物處理方式。堆肥化一般是指高溫好氧堆肥，在堆肥啟動(dòng)時(shí)，一般需將物料的含水率調(diào)節(jié)至50%～60%最利于堆肥快速啟動(dòng)[9]，但物料的吸水速率直接影響物料的真實(shí)含水率，進(jìn)而影響堆肥啟動(dòng)速度。由于不同物料的飽和含水率有一定差異，在厭氧發(fā)酵中，將發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)物料含水率在80%以下的定義為干發(fā)酵[10]，含水率在80%～90%稱(chēng)為高固體發(fā)酵。本文以我國(guó)幾種主要的農(nóng)作物秸稈為研究對(duì)象，從不同秸稈種類(lèi)和秸稈不同部分兩個(gè)角度對(duì)秸稈在完全浸泡條件下的吸水性能進(jìn)行比較研究，獲得不同秸稈及不同部位秸稈的吸水特性，為秸稈生物處理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，由于不同物料的飽和含水率有一定差異。

1 材料與方法

（1）試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用秸稈取自安徽蚌埠農(nóng)村，秸稈種類(lèi)包括小麥秸、稻秸、玉米秸、油菜秸、大豆秸和芝麻秸。取回的秸稈風(fēng)干后，人工切碎至1～2 cm小段于干燥陰涼處備用。

（2）試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)包括兩部分，即不同農(nóng)作物秸稈的吸水性能實(shí)驗(yàn)和選擇的幾種農(nóng)作物秸稈的不同部位的吸水性能試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在2 L燒杯內(nèi)進(jìn)行，取50 g實(shí)驗(yàn)用秸稈用紗布包好后置于燒杯內(nèi)，加入1 L蒸餾水，用重物（玻璃制品）將包有秸稈的紗布完全浸泡于水中，分別于實(shí)驗(yàn)第0、1、8、15、23、32、48 h取少量紗布內(nèi)的秸稈，瀝水30m in后（至不滴水為止）測(cè)定其含水率。每個(gè)處理3個(gè)平行，取平均值進(jìn)行分析。

不同農(nóng)作物秸稈的吸水性能實(shí)驗(yàn)，分別選取小麥秸、稻秸、玉米秸、油菜秸、大豆秸和芝麻秸；秸稈不同部位吸水性能實(shí)驗(yàn)，所用原料為小麥秸、稻秸的穗、莖、葉，玉米秸的莖、葉、根。

（3）測(cè)定指標(biāo)和方法

測(cè)定不同浸泡時(shí)間秸稈的含水率，采用（105±2）℃烘24 h差重法測(cè)定。

（4）作圖及統(tǒng)計(jì)分析

采用Origin 8.0作圖，Excel2007軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

嘉興市農(nóng)村土地承包經(jīng)營(yíng)權(quán)流轉(zhuǎn)的主體主要是農(nóng)戶(hù)，農(nóng)戶(hù)間流轉(zhuǎn)的比例高達(dá)66.54%，明顯高于農(nóng)戶(hù)與農(nóng)村合作社、企業(yè)等的流轉(zhuǎn)比例。在調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，城鎮(zhèn)居民、科研機(jī)構(gòu)、事業(yè)單位等也參與了農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)，成為推動(dòng)農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)、調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、發(fā)展規(guī)模農(nóng)業(yè)的新興力量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同農(nóng)作物秸稈的吸水性能比較

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各種秸稈含水率隨浸泡時(shí)間變化的結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯?，實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)后，各種秸稈含水率均快速增加，即秸稈在被水浸泡后快速吸水，但不同秸稈的吸水速率差別較大。稻秸、麥秸、玉米秸、芝麻秸和油菜秸含水率分別從實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)時(shí)的9.01%、7.43%、9.52%、9.89%和8.67%快速增加至1 h后的69.51%、70.86%、73.17%、72.86%和70.06%，分別增加了60.50%、63.43%、63.65%、62.97%和61.39%，各處理間差異不顯著（P＞0.05），而大豆秸從實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)時(shí)的9.92%增加至45.99%，僅增加了36.07%，遠(yuǎn)低于其他秸稈，充分說(shuō)明大豆秸的吸水速率最低。1 h后，大豆秸的含水率仍保持較快增加，23 h后基本達(dá)到飽和，飽和含水率為67.5%～67.9%；其他5種農(nóng)作物秸稈在實(shí)驗(yàn)1 h后吸水速率快速降低，在實(shí)驗(yàn)第15 h達(dá)到飽和，稻秸、麥秸、玉米秸、芝麻秸和油菜秸飽和持水率均在82%～84%之間，均遠(yuǎn)高于大豆秸?？梢钥闯?，相對(duì)于其他5種秸稈，大豆秸稈的吸水速率更低，達(dá)到飽和持水率的時(shí)間更長(zhǎng)，飽和持水率亦最低。黎力之等[11]研究發(fā)現(xiàn)，大豆秸中粗蛋白(CP)、粗脂肪(EE)、中性洗滌纖維(NDF)、酸性洗滌纖維(ADF)、粗灰分(CA)的含量分別為8.87%、2.33%、49.02%、35.98%和5.52%，其粗蛋白含量顯著高于稻秸、麥秸等大田秸稈，充分說(shuō)明不同農(nóng)業(yè)秸稈因物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)不同，其吸水速率和飽和持水率均可能有較大差別。

圖1的結(jié)果既反映了不同秸稈吸水速率的差別，也反映了不同秸稈的飽和持水率差異。水是微生物活動(dòng)和物質(zhì)交換的前提條件，但大部分秸稈結(jié)構(gòu)較為致密，這造成其吸水速率低，不利于微生物快速利用，進(jìn)而影響其水解速率。影響秸稈吸水速率的因素包括其表面結(jié)構(gòu)（如蠟質(zhì)層）、物質(zhì)組成（如脂類(lèi)物質(zhì)）、木質(zhì)化程度等，而影響秸稈飽和持水率的主要因素是其物質(zhì)組成。在秸稈利用時(shí)，需充分考慮秸稈的吸水特性，設(shè)計(jì)處理工藝參數(shù)，如預(yù)處理時(shí)間、秸稈沼氣干發(fā)酵時(shí)發(fā)酵液回流時(shí)間、秸稈堆肥時(shí)的加水預(yù)處理時(shí)間等。

2.2 秸稈不同部位吸水性能比較

選用我國(guó)最主要的3大類(lèi)農(nóng)作物秸稈為研究對(duì)象，對(duì)其在生產(chǎn)中能分開(kāi)的穗葉莖/根葉莖的吸水性能進(jìn)行比較研究。

2.2.1 稻秸不同部位吸水性能比較

稻秸不同部位的吸水性能隨浸泡時(shí)間的變化如圖2所示。由圖2可以看出，稻秸不同部位的含水率隨浸泡時(shí)間的變化趨勢(shì)相似，均為在試驗(yàn)啟動(dòng)后1 h時(shí)快速增加，稻秸的穗、葉、莖分別從實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)時(shí)的6.88%、9.90%和7.94%快速增加至1 h時(shí)的57.16%、72.53%和68.53%，之后增加速度放緩直至基本穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，稻秸的穗、葉、莖含水率分別為66.35%、87.37%和82.67%，穗的吸水速率和飽和持水率均明顯低于葉和莖，葉和莖間差異不顯著（P＞0.05），這與其物質(zhì)組成密切相關(guān)，穗的表面致密，水分不容易進(jìn)入，水可以通過(guò)水稻的導(dǎo)管進(jìn)入莖的內(nèi)部，葉則介于莖和穗之間。

圖1 秸稈含水率隨浸泡時(shí)間的變化

圖2 稻秸不同部位吸水性能隨浸泡時(shí)間的變化

2.2.2 麥秸不同部位吸水性能比較

麥秸不同部位吸水性能隨浸泡時(shí)間的變化如圖3所示。由圖3可以看出，不同部位秸稈含水率隨浸泡時(shí)間的變化趨勢(shì)相似，均為在浸泡前1 h時(shí)快速增加，之后增速放緩直至基本穩(wěn)定。試驗(yàn)啟動(dòng)后，麥秸的穗、葉、莖的含水率快速增加，分別從實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)時(shí)的5.03%、6.79%和6.14%快速增加至1 h時(shí)的58.84%、74.14%和71.48%，增幅達(dá)53.81%、67.35%和65.34%，之后吸水速率逐漸降低，但1 h后穗的吸水速率明顯高于葉和莖。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，麥秸的穗、葉、莖含水率分別為80.33%、81.53%和80.42%，即雖然穗的吸水速率較葉和莖要低，但最終的飽和持水率基本一致，三者間差異并不顯著（P＞0.05），這與不同秸稈吸水特性實(shí)驗(yàn)中大豆秸稈的吸水特性有一定差別，亦不同于水稻秸稈。

2.2.3 玉米秸不同部位吸水性能比較

玉米秸不同部位的吸水性能隨浸泡時(shí)間的變化如圖4所示。由圖4可以看出，玉米秸稈不同部位的含水率隨浸泡時(shí)間的變化趨勢(shì)相似，均為在試驗(yàn)啟動(dòng)后前1 h快速增加，之后放緩直至基本穩(wěn)定。試驗(yàn)啟動(dòng)后，玉米秸的根、葉、莖含水率快速增加，分別從實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)時(shí)的6.68%、9.93%和6.95%快速增加至1 h時(shí)的61.60%、73.89%和70.13%，增幅分別為54.92%、63.96%和63.18%，之后吸水速率逐漸降低。從圖4可知，根和葉在浸泡48 h后含水率仍有增加趨勢(shì)，說(shuō)明根和葉的吸水速率要遠(yuǎn)低于莖。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，玉米秸的根、葉、莖含水率分別為75.88%、78.53%和84.85%，根的吸水速率和飽和持水率均最低，其次是葉，但三者間差異并不顯著（P＞0.05）。在生產(chǎn)實(shí)踐中，由于玉米秸的根一般不會(huì)與秸稈一起收集，故根較低的吸水速率不會(huì)影響玉米秸的后續(xù)利用。

圖3 麥秸不同部位吸水性能隨浸泡時(shí)間的變化

圖4 玉米秸不同部位吸水性能隨浸泡時(shí)間的變化

3 討論

從不同種類(lèi)秸稈含水率隨浸泡時(shí)間的變化可以看出，大多數(shù)的秸稈吸水速率和飽和持水率均相差不大，但仍有少部分秸稈無(wú)論是吸水速率還是飽和持水率均較低，這與其物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成有關(guān)，尤其是那些含有大量木質(zhì)素以及組成致密的秸稈。Ghaffar和Fan[12]研究發(fā)現(xiàn)，麥秸中的木質(zhì)素含量較高是導(dǎo)致其吸水性能較差的重要因素，麥秸表面蠟質(zhì)的多少直接影響麥秸的吸水速率。Ward等[13]研究發(fā)現(xiàn)，松木刨花和粉碎的報(bào)紙的持水性能大于麥秸，這與其較高含量的木質(zhì)素和纖維素有關(guān)。紀(jì)楠[14]通過(guò)對(duì)收集的138個(gè)大豆秸稈樣本進(jìn)行分析，得出大豆秸稈中木質(zhì)素含量為27.12%～36.98%，遠(yuǎn)高于稻麥、玉米等秸稈[15-17]，這可能是導(dǎo)致大豆秸稈的吸水速率和飽和持水率均較低的重要原因，具體原因還有待于進(jìn)一步分析。

通過(guò)對(duì)水稻秸、麥秸和玉米秸不同部位吸水性能結(jié)果的分析可以看出，稻秸和麥秸的穗的吸水速率均較低，但稻秸的穗的飽和持水率遠(yuǎn)低于葉和莖，麥秸的穗的飽和持水率與葉和莖相當(dāng)，也就是說(shuō)，同樣是穗，不同種秸稈的穗的吸水性能仍有一定差別。玉米秸稈各部位含水率的變化在試驗(yàn)前1 h與稻麥秸稈相似，但后期則略有差別，玉米秸稈不同部位的飽和持水率各不相同，飽和持水率由大到小為莖、葉、根。以上結(jié)果表明，不同秸稈物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的差異，導(dǎo)致其不同部位的吸水速率、飽和持水率出現(xiàn)一定差別，秸稈利用時(shí)需考慮到這一因素。

4 結(jié)論

綜上所述，大多數(shù)秸稈的吸水速率和飽和持水率相近，但少部分秸稈則有很大不同。在試驗(yàn)用6種秸稈中，除大豆秸稈外，其他秸稈的吸水速率和飽和持水率相近，飽和持水率均在82%～84%，但大豆秸的吸水速率和飽和持水率均遠(yuǎn)低于其他秸稈；同種秸稈不同部位的吸水速率和飽和持水率有較大差別，稻秸和麥秸的穗的吸水速率均較低，但稻秸穗的飽和持水率遠(yuǎn)低于葉和莖，麥秸穗的飽和持水率與葉和莖相當(dāng)，玉米秸不同部位的吸水速率和飽和持水率均有較大差別；穗和根是秸稈吸水速率最慢的部位，莖和葉相近，因穗和根在秸稈整株中的質(zhì)量占比并不高，且收割的農(nóng)作物秸稈中根和穗的占比更低，故不會(huì)對(duì)整株秸稈的吸水特性產(chǎn)生太大影響。