李海亮，汪春，孫海天，嚴曉麗，梁琦

　　引言

　　近年來，隨著化石能源的短缺及農業環境的日益惡化，人們對環境保護和可持續發展越來越重視，生物質資源的開發利用逐漸受到世界各國的關注。我國作為世界的農業大國，擁有豐富的生物質資源，具有較大的新型能源化開發潛力。

　　農作物秸稈是農業生產的副產物，是一種可再生的生物質資源，具有來源廣、污染小、熱值含量高等顯著優勢，曾是我國農村主要的牲畜飼料和生活燃料。由于農村生活水平的提高和生產方式的改變，秸稈的利用受到收集方式、利用技術和運輸成本的限制，目前主要采用田間焚燒和廢棄的方式處理過剩的秸稈，導致環境的污染和資源的浪費，存在火災和交通事故隱患，同時破壞土壤抗旱保濕能力。秸稈綜合利用率低(約為33%)，嚴重制約了農業的可持續發展。農作物秸稈的資源化、商品化，可以緩解農村能源、飼料、肥料、工業原料和基料的供應壓力，有利于改善農村的生活條件，發展循環經濟，構建資源節約型社會，促進農村經濟可持續發展。因此，農作物秸稈綜合利用技術的研究具有重要的現實意義。

　　1我國農作物秸稈資源概況

　　1．1秸稈產量的計算

　　秸稈是農作物收獲后的作物殘留，含有大量的礦質元素、纖維素、木質素及蛋白質等可被利用的成分，是一種可供開發利用的再生生物質資源。我國秸稈資源豐富，2013年中國農作物秸稈的總量約有7億t，約占世界秸稈總量的19%，位居世界第一。秸稈的產量與當年的作物品種、作物產出和氣候條件相關，一般可采用谷草比法、農作物副產品比重法和農作物經濟系數法進行估算。各地農作物的產量與其秸稈資源具有顯著的正相關性(相關系數為0．88)，谷草比可在《農業技術經濟手冊》中查閱，因此谷草比法最簡單應用也最為廣泛。

　　1．2我國秸稈資源的分布

　　我國農作物秸稈具有產量大、種類多和分布廣的特點。糧食作物秸稈是我國主要的秸稈類型，稻草、玉米秸和麥秸是產量最高、分布最廣的三大作物秸稈，約占秸稈資源總量的2/3。油菜籽和棉花是秸稈可規模化利用的主要經濟作物。

　　由于區域種植方式、氣候條件、耕作環境等因素的影響，我國秸稈資源存在地域性，呈現顯著的南北差異和東西差異。整體上看，我國東北部地區秸稈資源相對比較豐富，西南部地區比較貧乏。按照各地人均秸稈資源占有量與全國平均水平(246kg/人)的對比結果，可將我國分為資源豐富區(東北區、蒙新區、華北區)、資源一般區(西南區、長江中下游區)和資源匱乏區(華南區、黃土高原區、青藏區)，整體呈現北高南低的分布特點，如圖1所示。按照各地區秸稈可能源化利用資源量與全國平均水平(1．92t/hm2)的對比結果，將我國分為分布集中區(東北區)、分布一般區(蒙新區、華北區、西南區、長江中下游區、華南區)和分散區(黃土高原區、青藏區)，整體呈現東高西低的分布特點。

　　2農作物秸稈資源的利用現狀

　　2．1秸稈能源化

　　農作物通過光合作用將一半的產物貯存在秸稈中，秸稈中富含大量的碳、氫、氧等養分，但N、S含量低，因而秸稈具有發熱量高(熱能大約相當于標準煤的1/2)，有害氣體排放少的特點，所以秸稈可作為一種優質的生物質原料進行能源化利用，進而降低對煤炭、石油等不可再生能源的消耗。根據秸稈轉化利用技術的不同，能源利用的主要方式可以分為直燃供熱(直接燃燒、固化成型后燃燒和混燃發電)、氣化(生物質燃氣、沼氣)和液化(燃料乙醇和生物柴油)三類。

　　2．1．1直燃供熱

　　直燃供熱即將秸稈直接燃燒獲取熱量，可以分為傳統方式和現代方式兩種。將田間收獲的秸稈直接燃燒以滿足農村炊事取暖的要求。是一種相對傳統落后的能源利用形式，秸稈利用率低，生態效益、社會效益和經濟效益差。隨著社會主義新農村和城鄉一體化進程的推進，農民的生活質量和環保意識也在不斷提高，目前農戶主要應用安全、衛生、方便的各類燃氣進行供熱，采用傳統方式提供熱量的農作物秸稈用量在逐年減少。

　　秸稈固化成型是一種對秸稈進行成型處理的現代化技術，利用成型設備將松散的、不定型的農作物秸稈壓制成高密度、具有一定形狀的固體成型燃料。農作物秸稈經過成型處理，熱效率相比于傳統直燃方式提高了50%～70%，可替代木材、原煤和燃氣等燃料，節約了大量能源;成型燃料在運輸、貯藏和使用的方便性上也要優于秸稈傳統直燃方式;秸稈塊易于實現產業化和規模化生產，在我國得到了廣泛的應用。華旭(2005)等人將粉碎后的秸稈與摻混物混合并壓制成可取代煤做燃料的秸稈塊。物料特性和加工工藝是影響秸稈成型的主要因素，為了保證秸稈的成型性，楊俊成(1997)對開模壓餅過程中秸稈的物料特性進行了研究。針對秸稈固化過程的工藝參數，段建(2010)和侯振東(2013)等人分別進行了優化。秸稈固化成型技術在黑龍江、河南兩省應用廣泛。

　　秸稈與煤混合燃燒進行發電是一種現代化秸稈綜合利用方式，該方法不但可以提高燃料的燃燒特性，節省燃煤的用量，提高生物質的利用率，還可以減少溫室氣體的排放，對減輕環境的污染有重要作用。研究表明:當生物質占總燃料的能量比例低于20%(秸稈作為生物質燃料時，質量比例約低于30%)時，不需要改變電廠的任何裝置，利用現有的燃煤發電設備就可以實現生物質混燃發電。因此，混燃發電是一種低成本、低風險、高效率、清潔環保、操作性強的生物質能源利用方式，不但實現了秸稈的高效利用，還有效地緩解了秸稈的收集和存儲壓力，農民也因為秸稈的可回收利用而增加了收入。

　　2．1．2秸稈氣化

　　秸稈氣化是一種將固態原料轉化為方便清潔氣態能源的生物質能轉化技術，按照氣化方法分為熱解氣化和秸稈沼氣兩種。

　　熱解氣化是以粉碎后的農作物秸稈為原料，在缺氧的環境下經過干燥、熱解、燃燒和還原4個階段，生成由一氧化碳、氫氣和甲烷等混合而成的無煙、無塵、無污染的秸稈燃氣，再經過凈化、除塵、冷卻、加壓存儲等操作，最后以儲氣罐或地下管網的形式輸送到農戶家中，作為炊事、采暖的燃料。秸稈氣化后的燃燒效率可以達到35%～45%，比直接燃燒提高了2倍；同時，具有清潔、方便、廉價等優點，因此在農村較受歡迎。

　　沼氣是一種農村常用的燃料，沼氣發酵是以人畜糞便與農作物秸稈等的混合物為底料，通過厭氧發酵生成沼氣的技術。然而，該技術的農作物秸稈使用量較少，無法實現大量秸稈的有效利用。秸稈沼氣技術以秸稈為基質，通過微生物發酵后制取沼氣，按照微生物主導菌群的不同可將發酵過程分為水解階段、發酵階段、產氫產乙酸階段和產甲烷4個階段。秸稈沼氣技術使秸稈資源作為發酵原料得以開發利用成為了現實，不但使大量秸稈變廢為寶，也解決了沼氣發酵原料不足的問題，副產的沼液和沼渣能夠充當化肥。倪圣亞(2010)培育出“沼氣一號菌種，實現了秸稈沼氣的產業化技術體系。石衛國(2006)利用生物復合菌劑對秸稈進行預處理，提高了沼氣的生產效率。陳廣銀(2016)對秸稈床厭氧發酵產沼氣系統進行了優化，提高了產氣穩定性、產氣量和甲烷含量。秸稈沼氣具有能耗低、無污染、經濟和生態效益好的優點，但冬季的低溫對沼氣的生產效率與品質的影響還無法克服，應用還具有一定的局限性。秸稈氣化技術的應用主要集中在山東、河南、江蘇、河北、山西、北京及陜西等地。

　　2．1．3秸稈液化

　　生物質液化技術正作為一種高效的生物質綜合利用方法逐漸被人們重視。它是通過物理、化學和生物的方法，在適當的溫度、壓力，以及溶解劑和催化劑的作用下，使木質生物質高分子結構(如木質素、纖維素或半纖維素等)裂解為小分子液態產物(如醇類、可燃性油或其它帶有特定官能團的化合物)的一種化學反應，以實現農作物秸稈向液體燃料和化工原料的轉變。生物質液化技術按照反應條件的不同可以分為生物質直接液化技術(高壓液化技術)和生物質裂解液化技術。

　　通過秸稈液化技術生產的生物質燃料可以替代部分化石燃料，保證能源的配置更為合理，減少污染氣體的排放，并且具有成本優勢。我國在秸稈液化方面進行了深入的研究并取得了一定的進展。河南農業大學承擔的河南省杰出人才創新基金項目“秸稈燃料乙醇生產中關鍵技術研究”在纖維素降解率和糖轉化率上都取得了突破性進展。劉華敏(2010)采用集總的方法對玉米秸稈在亞/超臨界乙醇中進行液化的機理進行了試驗研究，得到玉米秸稈的水解規律。劉歡(2015)將超微粉碎技術運用于玉米秸稈液化過程中，有效提高了醇解液化率。

　　2．2秸稈飼料化

　　秸稈儲存著農作物中一半的有機物質，具有很高的營養價值，因此可以作為畜用飼料。我國適宜加工飼喂的秸稈量占秸稈總量的85．67%，然而目前僅約有15%的秸稈經過加工處理，其余只是鍘切至3～5cm長作為粗飼料飼喂牲畜。由于秸稈中富含不易被消化的纖維素、半纖維素和木質素等非淀粉類物質，因此這種粗制秸稈飼料質地粗硬、適口性差、牲畜采食量小、消化率低。單純飼喂這種秸稈，無法滿足牲畜生長需求，制約了畜牧業發展水平的提高。為了提高秸稈的營養價值和利用率，普遍采用物理、化學或微生物發酵等方法對秸稈進行處理。

　　2．2．1物理處理法

　　物理處理法主要包括粉碎軟化法、拉絲揉搓法、塊粒化法、蒸煮膨化法和熱處理噴涂處理等，通過改變秸稈的物理性狀以提高秸稈的適口性和采食量。辛豐(2012)指出:通過揉搓技術生產的反芻動物全混合日糧(TMＲ)能夠有效改善秸稈單喂時適口性差和消化率低的狀況。物理方法沒有改變秸稈的內部結構，無法提高其營養價值，而熱噴、輻射或蒸煮等處理技術成本高，不易大面積推廣應用，因此物理方法一般作為綜合處理的預處理。

　　2．2．2化學處理法

　　化學處理方法是利用酸或堿等化學試劑破壞秸稈細胞壁中的致密結構，增大纖維素之間的空隙度，并產生一定量的乳酸，改善了秸稈的適口性，進而提高秸稈的消化率、營養價值和采食量。化學處理方法主要包括堿化處理、氨化處理和氧化處理。鄭明霞(2012)研究了堿化處理對玉米秸纖維素結構的影響，結果表明:堿化處理能提高玉米秸稈纖維素的可及度和反應性，從而改善厭氧消化性能。余坤(2015)通過對比試驗得出，秸稈經粉碎氨化后分解速率顯著提高。堿化和氧化處理法雖然能夠有效提高秸稈利用率，但是伴隨著污染嚴重、生產成本高等問題。氨化處理材料來源廣，操作簡單安全，是目前常用的秸稈化學處理方法。

　　2．2．3微生物發酵法

　　物理和化學方法生產的秸稈飼料只適用于反芻動物，不適用于單胃動物，應用具有一定的局限性。微生物發酵法利用選育的微生物及分泌物對秸稈進行降解，降不可溶的高度聚合多糖降解為低分子的多糖或單糖，有效提高了消化率和采食量，拓展了飼喂的范圍。青貯、發酵和酶解是目前常用的生物處理方法，也是政策鼓勵推廣的技術。劉晶晶(2014)采用高溫分解與乳酸菌分步的發酵方法有效提高了秸稈的分解率、采食量、消化率和營養價值。李彬采用纖維素酶對水稻秸稈進行酶解實驗，確定了最佳工藝條件，有效提高酶解還原糖的產量和轉化速率。生物方法處理秸稈效果好、污染小、成本低，但青貯和發酵需要較大的場地，同時菌種的選育、組合與影響因素難以把握，易受到雜菌的影響而引起飼料的腐敗。

　　2．3秸稈肥料化

　　農作物秸稈是一種具有高養分價值的肥料資源，秸稈的肥料化是通過秸稈還田實現的，秸稈還田后能夠補充和平衡土壤中的養分，增加土壤有機質含量(0．01%/年)，提高土壤肥力，改善土壤團粒結構，進而達到減少化肥用量及增加產量(平均畝產增加10%以上)的目的，是提高作物生產潛力的有效措施。秸稈還田按形式分為直接還田(高茬還田、粉碎還田、覆蓋還田)、間接還田(堆漚還田、沼渣還田、過腹還田)和秸稈生化腐熟還田(催腐堆肥、酵菌堆肥)3種。

　　2．3．1直接還田

　　秸稈還田是利用設備將秸稈粉碎并拋灑在田間后耕翻掩埋，或者將秸稈、殘茬留在作物株間，讓秸稈與土壤混合后漸漸腐爛，以達到蓄水保墑、增加地表積溫及土壤肥力的目的。秸稈直接還田方便快捷、高效低耗，因此應用普遍。研究表明:秸稈還田有效減少了地表徑流、滲漏徑流，對于緩解坡地養分流失和土壤侵蝕有重要作用。勞秀榮(2002)以低肥力潮土為研究對象進行試驗，結果表明:秸稈還田能夠提高土壤中速效氮、鐵、鋅、錳的含量，提高脲酶的活性，協調土壤水肥氣熱等生態條件，為作物生長創造良好的條件。

　　2．3．2間接還田

　　我國北方冬季土壤積溫低、氣候干燥，秸稈分解速度緩慢，未能充分分解的秸稈易影響次年的耕播作業、爭奪氮素、抑制出苗和誘發病蟲害。利用秸稈進行養畜和發酵，在完成飼喂和生成沼氣后，以糞便或沼渣等方式還田是一種有效提高秸稈綜合利用效益的技術。研究表明:秸稈在粉碎氨化后能夠有效改善土壤結構，提高冬小麥產量，與土壤改良劑混合施用后，效果更佳。同時，氨化后的秸稈對提高分解速率、土壤的持水能力和降低土壤體積質量具有顯著的效果。秸稈燒灰還田實施方便、操作簡單、成本低，但會嚴重污染環境，存在著安全隱患，因此被徹底杜絕。

　　2．3．3秸稈生化腐熟還田

　　稈生化腐熟還田是將粉碎后的秸稈與一定量的生物菌劑和適量的氮肥混合，灑水后堆壓，秸稈中的高分子粗纖維被高溫漚制后產生的纖維素酶分解為小分子的糖醇等，有害的寄生蟲卵、病原菌和雜草種子等被高溫殺滅，進而生成有機熟肥。這一技術具有腐化分解速度快(可減少秸稈腐熟時間15～20天)、腐解充分完全、肥效高且穩定、易實現產業化等優點，是一種秸稈肥料化的高效技術措施。杜連鳳(2005)通過盆栽試驗得出，腐熟有機肥中含有大量的易分解的速效養分，施用后能夠有效提高土壤的可溶性鹽濃度，對土壤的次生鹽漬化改良效果顯著。姚良同(2008)在低溫環境下(5℃)篩選出能夠快速腐熟玉米秸稈的兼性厭氧菌，通過發酵試驗得知:赫氏埃希菌和節桿菌玉米秸稈分解能力較好，為加快秸稈腐熟率和程度提供了條件。

　　2．4秸稈原料化

　　秸稈的綜合利用除了向能源化、飼料化和肥料化的方向發展以外，還可以作為農業生產設施、建筑和工業材料及日常生活用品的原料，以實現秸稈的產業化和高效利用。

　　2．4．1造紙

　　木材是造紙的主要原料，然而我國是一個森林資源短缺的國家，無法提供足夠的木漿纖維資源，造紙工業原料處于“以草為主”的狀態。秸稈富含大量的天然纖維素纖維，是很好的造紙原材料，業內人士通過科學合理的技術手段，將農作物秸稈進行處理以提取草漿造紙，處理方法包括爆破法、溶劑法、雙螺桿制漿等。秸稈造紙主要應用在河南、河北、山東及江蘇等地。

　　陳洪雷(2008)采用燒堿－蒽醌法以玉米秸稈為原材料制備玉米秸皮漿，并確定相應的加工工藝，提升了玉米秸稈在造紙工業中的利用價值。許偉(2012)采用不同的木聚糖酶對玉米秸稈進行處理，研究其得漿率和成紙性能，并對處理工藝進行了優化，對開發新型基料造紙及提高紙張性能具有重要意義。秸稈造紙技術有效緩解了我國造紙原材料短缺的這一問題，目前我國是世界上最大的草漿生產國，世界上75%以上的非木材紙漿產自我國。

　　2．4．2輕型建材

　　農作物秸稈中的纖維素與一定量的粘接劑和強化材料混合后，可以制成一系列的綠色秸稈建材(如纖維板、復合板及秸稈輕體板及秸稈空心砌塊等)，具有成本低、質量小、無污染及綠色環保等優點，通過加工處理后可使其具備阻燃、耐水、防腐及防菌等特點。劉軍軍(2012)以水稻秸稈和淀粉為原材料，采用熱壓成型方法制備全降解裝飾材料，并對不同處理方法、淀粉膠粘劑含量對材料物理力學性能的影響進行了研究。譚強(2013)將粉碎后的秸稈與石灰漿、水和防腐劑按照一定比例混合后制成秸稈纖維混凝土砌塊，可滿足建筑材料在強度剛度、保溫隔熱和防火的要求，是一種優質的環保墻材。金漫彤(2015)將秸稈摻入到土壤聚合物中制備一種開發強度高、保溫效果好、耐腐蝕的新型建筑材料—秸稈土聚物。秸稈在輕型建材領域的應用已經相當廣泛，具有廣闊的發展空間。

　　2．4．3餐飲具、包裝和編制材料

　　農作物秸稈還可用于制作餐飲具(一次性餐具、快餐盒和筷子等)，可降解包裝材料和編制材料(草帽、草簾等工藝品)。秸稈資源的多角度應用豐富了農產品市場，增加了生產者的收入。

　　劉壯(2001)通過壓膜成型工藝，在粘結劑的作用下，將玉米芯加工成性能良好的可替代泡沫塑料的緩沖包裝材料。栗明獻(2009)以秸稈、面粉、聚乙烯醇等為原材料，經粉碎、混合和熱壓成型后制作出可降解的綠色環保餐具，具有較好的抗沖性能。秸稈在生活用品中應用，不但能夠提高人們的生活品質，同時對綠色環保、治理環境污染起到積極作用。

　　2．4．4農業生產材料

　　采用秸稈為原材料制備水稻育秧盤，可以降低生產成本，簡化育秧、移栽等生產工序，降低移栽設備的復雜程度，相比于傳統塑料育秧盤優勢明顯。張欣悅(2013)以水稻秸稈為主要原料，混合一定量的固性膠粘劑、固化劑和增強劑，經過熱壓制備水稻植質缽育秧盤，并得到各成分的配比和工藝參數。2014年，李連豪針對生產過程中發現的問題對秧盤進行了改進設計，有效增加了秧盤的強度。

　　地膜具有保溫、保水的作用，因此在我國北方應用廣泛，但是其不易降解、回收困難、易造成白色污染，利用秸稈為原材料制作植物纖維地膜可以有效地解決這一問題。李麗霞(2013)以大豆秸稈為試驗對象，進行了二次正交中心旋轉組合試驗，對地膜加工工藝參數進行了優化，得到最優工藝混合配比。陳海濤(2015)將水稻秸稈纖維、廢舊棉纖維和功能助劑的混合物為原材料，實現了植物纖維地膜的制造。

　　2．5秸稈基料化

　　食用菌在培養的過程中需要大量的木屑，以從中獲取養料，秸稈中含有豐富的木質素和纖維素等有機物，且資源豐富、價格低廉，因此是木屑很好的替代品。胡傳琪(2015)以秸稈和木屑混合物充當基料培育滑菇，研究在不同秸稈和木屑混合比例的情況下滑姑的生長狀況，最終確定最優的基料配比。秸稈基料化技術在山東省相對成熟，擁有健全的管理和實施方案。

　　3結論

　　綜上所述，農作物秸稈具有廣闊的應用范圍，秸稈綜合利用一個是較新的技術領域，具有較大的市場開發潛力。我國在生物質能綜合利用技術方面已經積累了一些成熟的經驗，發展初具規模;但由于技術及成本等問題的限制，導致各領域發展并不平衡，在秸稈飼料化和肥料化上發展較快，在能源化方向增幅不大，在原料化和基料化方面應用還很有限。

　　在國家提出節能減排、可持續發展的背景環境下，隨著各項促進生物質能產業化發展政策的實施，秸稈綜合利用技術迎來了前所未有的發展機遇。順應我國的基本國情，發展生物質產業，必將成為提高我國國民經濟的一個重要的方式。