棉花秸稈綜合利用現(xiàn)狀及分析

彭 杰 高 涵 魏學(xué)文 秦都林 呂彥霞 姜 新 肖書新

（1.聊城市東昌府區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 山東聊城 252000；2.山東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心 山東濟(jì)南 250003；3.聊城市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 山東聊城 252000）

棉花是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，棉花秸稈作為棉花生產(chǎn)的副產(chǎn)物每年的產(chǎn)量巨大。 據(jù)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》的數(shù)據(jù)顯示，2020 年我國(guó)棉花栽培面積0.316 9 萬(wàn)hm2，按每畝產(chǎn)棉花秸稈2 t 計(jì)算， 我國(guó)每年產(chǎn)棉花秸稈9 508 萬(wàn)t。 隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展及百姓環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，棉花秸稈作為燃料能源已經(jīng)完全被電、天然氣取代， 大量的秸稈處理成為了一個(gè)亟待解決的社會(huì)問題。 棉花秸稈的資源化利用是解決該問題的最佳方法，近些年棉花秸稈在土壤改良、畜牧飼料、栽培基質(zhì)、 添加材料等方面的應(yīng)用研究已經(jīng)獲得了一些成果。

1 棉花秸稈資源化利用的基礎(chǔ)

棉花秸稈主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、脂肪、蛋白質(zhì)、淀粉、糖和硅酸鹽組成[1]。 通過不同的方法對(duì)棉花秸稈預(yù)處理，測(cè)得其纖維素含量60.16%，半纖維素含量21.98%，木質(zhì)素含量19.87%，經(jīng)酶解后葡萄糖達(dá)到1.013%[2]。 對(duì)棉花秸稈腐解物的研究顯示，其含有多種化感物質(zhì)，其中含量較大的有4-羥基-4-甲基-2-戊酮（27.31%）、鄰苯二甲酸二丁酯（7.87%）、棕櫚酸（6.69%）、雙（1-甲基丙基）-琥珀酸甲酯（6.40%）、亞油酸（5.43%）等[3]。 這些研究為棉花秸稈的綜合利用提供了明確的方向。

2 棉花秸稈在土壤改良中的應(yīng)用

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展， 棉花秸稈直接還田是資源化利用中最直接有效的方法。 還田后對(duì)于土壤的改良效果明顯，有研究顯示，棉花秸稈連續(xù)還田可以顯著提高濱海鹽堿地土壤有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和速效鉀含量， 降低土壤速效磷和含鹽量及土壤容重，顯著提高了棉花籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量[4-5]，同時(shí)增加了棉花干物質(zhì)量和N、P、K 分配到生殖器官的量及其比例[6]。 設(shè)置不同深度的棉稈隔層影響土壤水鹽分布及棉花根系構(gòu)型的研究表明， 棉稈還田可增加土壤含水率，阻礙鹽分在豎直方向的運(yùn)動(dòng)，并優(yōu)化單株棉花的根質(zhì)量、根長(zhǎng)密度、根系體積、根系平均直徑等各項(xiàng)指標(biāo)，從而提高棉花質(zhì)量[7]。 棉花秸稈長(zhǎng)期還田可顯著提高土壤微生物量碳、 土壤活躍微生物量及土壤基礎(chǔ)呼吸速率， 并對(duì)棉花總鈴數(shù)和單鈴重影響顯著[8]。 此外，還可顯著提高0～60 cm 土層土壤脲酶活性、土壤蔗糖酶活性和土壤過氧化氫酶活性[9]，以及減少滴灌棉田氨的揮發(fā)[10]。

3 棉花秸稈作為栽培基質(zhì)方面的應(yīng)用

基質(zhì)在育苗行業(yè)、 食用菌行業(yè)應(yīng)用廣泛、 用量大。 棉花秸稈作為一種廉價(jià)的可再生資源，可以部分代替基質(zhì)中的一些原料，從而降低成本，提高可持續(xù)性。 其腐熟發(fā)酵后配合草炭和蛭石用作水果黃瓜育苗，幼苗生長(zhǎng)勢(shì)良好，葉綠素含量較高，育苗效果理想[11]。棉花秸稈粉碎、堆漚后，摻粉煤灰替代蛭石配河沙作為棉花育苗基質(zhì)切實(shí)可行且成本低， 可以解決移栽取苗時(shí)不能形成根坨的問題[12]。 在西葫蘆、番茄育苗基質(zhì)研究中，采用棉花秸稈粉碎發(fā)酵，經(jīng)過合理的配方組合，可以取代草碳作為有機(jī)基質(zhì)原料[13]。 食藥用菌大多為木腐型真菌， 其栽培需要消耗大量的木屑，必然會(huì)給森林資源的可持續(xù)發(fā)展帶來壓力，尋找木屑替代物成為研究熱點(diǎn)。 棉稈與闊葉樹的物理特性接近，營(yíng)養(yǎng)齊全，資源豐富[14]。 以棉稈60%、棉籽殼20%、麥麩15%、玉米粉2%、石膏粉1%、磷肥1%、石灰1%作為栽培基質(zhì)，用于赤芝、中華靈芝、美國(guó)靈芝等3 個(gè)靈芝品種栽培，其生物轉(zhuǎn)化率和木屑相當(dāng)[15]。以50%的棉花秸稈配合玉米芯、牛糞、石膏粉等生產(chǎn)姬松茸，每平方米的產(chǎn)量為10 kg 左右，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)效益明顯[16]。 在金針菇生產(chǎn)中，配以28%的棉花秸稈，可以部分取代棉籽殼，降低成本，提高其產(chǎn)量和蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[17]。 另外，棉花秸稈在平菇和香菇生產(chǎn)也得到了廣泛應(yīng)用[18]。棉花秸稈中的化感物資在一定濃度下可以促進(jìn)種子萌發(fā)、 根系生長(zhǎng)、 根系活力，從而促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)[19-21]。

4 棉花秸稈在畜牧生產(chǎn)上的應(yīng)用

棉花秸稈作為牛、羊飼料使用，可以明顯降低生產(chǎn)成本。 其粗蛋白、鈣、磷含量都高于小麥、玉米及水稻秸稈，雖然其纖維素、木質(zhì)素含量也較高，且含有游離棉酚，但作為飼料得到了推廣應(yīng)用[22]。研究顯示，除棉根中棉酚含量達(dá)到0.208%以外， 其余部分均在0.07%以下[23]。 經(jīng)1%堿性過氧化氫處理后，可顯著降低棉稈中纖維素和半纖維含量，改善口感、提高粗蛋白含量，從而提高其利用率和生產(chǎn)效益[24]。 和玉米秸稈相比， 同質(zhì)量的棉秸可以替代60%以上的玉米秸稈酸性洗滌纖維，被家畜食用轉(zhuǎn)化為動(dòng)物產(chǎn)品[25]。 綿羊日糧中添加棉花秸稈對(duì)綿羊體重?zé)o顯著影響，但降低了日增重， 短期添加棉花秸稈可在體內(nèi)沉積少量的游離棉酚[26]。 在對(duì)棉花秸稈顆?；庸み^程中，可以降低秸稈中纖維素、 半纖維素、 木質(zhì)素的含量， 增加粗蛋白含量，并且加工過程中高溫可以將棉酚含量降低至50 mg/kg 以下[27]，且制粒后可使羊的采食量增加37%[28]。使用棉花秸稈裹包微貯飼料替代等量雜草的試驗(yàn)顯示， 飼喂1 頭西門塔爾牛平均每天多增重146 g， 飼喂1 頭安格斯牛平均每天多增重175 g[29]。 有研究報(bào)道，青貯可有效降低棉花秸稈中的游離棉酚含量， 纖維素酶的添加可顯著降低青貯棉花秸稈的pH、中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維和半纖維素， 乳酸菌的添加則顯著增加青貯棉花秸稈中的乳酸、乙酸、丙酸含量，纖維素酶和乳酸菌的互作效應(yīng)可顯著增加棉花秸稈青貯飼料的體外粗蛋白消化率、體外中性洗滌纖維消化率和產(chǎn)氣量[30]。

5 棉花秸稈作為能源物資原料的應(yīng)用

棉花秸稈含有大量的纖維素、 半纖維素和木質(zhì)素，而這類物資的含量直接影響厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果。在采用回流和未回流方法對(duì)棉花秸稈進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)生甲烷的研究中，回流組單位總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)產(chǎn)甲烷量為77.3 mL/（L·d），未回流組單位總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)產(chǎn)甲烷量為82.9 mL/（L·d）[31]。 發(fā)酵接種物及接種量的研究顯示，以60 g/L 接種量接種污泥、豬糞時(shí)產(chǎn)氣效果最好，平均日產(chǎn)氣量分別為218 mL/L、223 mL/L[32]。在以活性污泥作為接種物時(shí)， 添加活性炭作為吸附材料，可以縮短沼氣發(fā)酵周期，產(chǎn)氣量提高94.6%[33]。在用稀硫酸水解棉花秸稈，發(fā)酵生產(chǎn)酒精的過程中，其水解率可達(dá)到29.61%[34]。 目前，利用棉花秸稈生產(chǎn)高質(zhì)量生物炭的探索已經(jīng)取得成功[35]。

6 棉花秸稈在材料學(xué)上的應(yīng)用

在保溫材料的研制中， 粉碎的棉花秸稈纖維作為添加物質(zhì)可以解決無(wú)機(jī)、 有機(jī)材料界面的粘結(jié)強(qiáng)度低及EPS 顆粒上浮的問題[36]。 棉花秸稈纖維，配以水泥和砂制備水泥砌塊， 有良好的力學(xué)性能表現(xiàn)[37]。棉花秸稈-EPS 復(fù)合砌塊用作框架結(jié)構(gòu)填充材料，通過擬靜力實(shí)驗(yàn)分析，其抗側(cè)剛度、延性系數(shù)和等效粘滯阻尼系數(shù)均優(yōu)于純混凝土框架[38]。采用棉花秸稈纖維加筋鹽漬土來提高其抗壓強(qiáng)度， 可改善鹽漬土強(qiáng)度低的不良工程特性， 使其抗壓強(qiáng)度提高26.6%[39]。棉花秸稈還可以用KOH 活化法制備活性炭[40]。 棉稈纖維能有效提高陶粒泡沫混凝土強(qiáng)度， 在添加0.8%棉稈纖維時(shí)，其抗壓強(qiáng)度提高25.0%，劈裂抗拉強(qiáng)度提高43.1%[41]。 經(jīng)堿溶液處理后的棉花秸稈纖維制備脫硫石膏-棉花秸稈纖維復(fù)合墻體材料可增加脫硫石膏基復(fù)合墻體材料孔隙率，降低導(dǎo)熱系數(shù)，增強(qiáng)保溫性能[42]。

7 棉花秸稈綜合利用的思考與分析

棉花秸稈具備產(chǎn)量大、木質(zhì)化程度高及收集、運(yùn)輸成本大的特點(diǎn)。 其綜合利用應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r，根據(jù)產(chǎn)出量及分布集中程度考慮利用方式。 本文作者認(rèn)為，結(jié)合整地直接粉碎還田可以改良土壤，基本無(wú)額外成本投入，具備很好的生態(tài)效益，是最利于推廣的資源化利用模式。 棉稈纖維素和木質(zhì)素含量高，利用白腐真菌和噬熱性側(cè)孢霉復(fù)配在冬季低溫和降雪等情況下對(duì)棉花秸稈降解，50 d 棉花秸稈降解率僅達(dá)到29.93%[43]。針對(duì)直接還田促進(jìn)降解的微生物菌種研究還需要進(jìn)一步加強(qiáng)， 利用棉花秸稈進(jìn)行堆肥的研究也還需要進(jìn)一步深化[44]。