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

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，糧食生產(chǎn)是關(guān)系到民生的重要問(wèn)題。隨著全國(guó)糧食不斷的增長(zhǎng)，作物秸稈的產(chǎn)量也在逐年上升［1］。然而，以往每年都會(huì)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(fèi)，而且產(chǎn)生的煙霧也會(huì)污染周?chē)沫h(huán)境［2］。因此，在低碳環(huán)保的理念［3］和國(guó)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(wèn)題。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，在國(guó)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(lèi)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(gè)相當(dāng)巨大的生物能源儲(chǔ)存庫(kù)［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(guò)程和時(shí)間方面的相關(guān)研究［9］。筆者通過(guò)不同處理對(duì)玉米秸稈發(fā)酵腐熟過(guò)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(kāi)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(jì)、電導(dǎo)率儀、TPY養(yǎng)分速測(cè)儀等。

1.2 方法 試驗(yàn)于2014年12月7日至2015年1月11日在沈陽(yáng)工學(xué)院實(shí)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(shí)間為35 d，以沒(méi)有添加其他物質(zhì)的干秸稈作為對(duì)照(CK)。

表1 秸稈處理配制比 g

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法 試驗(yàn)主要測(cè)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(jì)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(jì)測(cè)量pH，加入1 mol/L NaOH溶液測(cè)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(cè)量電導(dǎo)率值。利用TPY養(yǎng)分速測(cè)儀測(cè)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(duì)玉米秸稈物理性質(zhì)的影響 從表2可以看出，經(jīng)過(guò)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(duì)照，其他2個(gè)處理與對(duì)照差別不大，說(shuō)明如果只添加水進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵過(guò)程隨著物質(zhì)的降解，容重會(huì)降低。添加發(fā)酵輔料后，玉米秸稈的容重變化不大，說(shuō)明在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中物質(zhì)并不是簡(jiǎn)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(shuō)明玉米秸稈的容重較輕。

經(jīng)過(guò)3種處理后，玉米秸稈的總孔隙度均顯著升高，說(shuō)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(shuō)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(duì)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(guò)表3可以看出，3種處理的電導(dǎo)率值均顯著低于對(duì)照，各處理之間差異不大。通過(guò)測(cè)定，沒(méi)有經(jīng)過(guò)發(fā)酵處理的玉米秸稈pH小于7，經(jīng)過(guò)不同程度的處理后，pH均達(dá)到8以上，說(shuō)明發(fā)酵后玉米秸稈的pH上升，呈堿性，3種處理之間無(wú)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(guò)表3中數(shù)據(jù)可以看出，3種處理的緩沖能力均高于對(duì)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(guò)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(shì)，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(gè)發(fā)酵過(guò)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(shuō)明加入酵母(處理3)發(fā)酵以后，在一定程度上會(huì)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(shí)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(guò)圖2可以看出，在2014年12月28日(第21天)之前，3個(gè)處理之間磷含量的變化基本相同，先呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，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(shì)，處理2呈上升趨勢(shì)，處理3呈顯著下降，處理1變化不明顯。說(shuō)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(shì)，秸稈中添加的發(fā)酵輔料在前期對(duì)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(kāi)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(guò)圖3可以看出，在12月21日(第14天)，3個(gè)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(kāi)始逐漸下降，到第35天又表現(xiàn)出升高的趨勢(shì)，處理3鉀含量高于處理2，處理1最低。整個(gè)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(shuō)明雞糞和酵母在發(fā)酵過(guò)程中對(duì)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(guò)圖4可以看出，處理1在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中碳含量變化不大，處理3變化趨勢(shì)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(shuō)明發(fā)酵時(shí)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(yàn)研究表明，與對(duì)照和處理1相比，玉米秸稈發(fā)酵時(shí)添加一定的發(fā)酵輔料對(duì)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(shí)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(guò)小，說(shuō)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(shí)，添加了適當(dāng)?shù)臓I(yíng)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(méi)有進(jìn)行發(fā)酵腐熟［11］。

在該試驗(yàn)中，同時(shí)測(cè)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(shuō)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(méi)有經(jīng)過(guò)發(fā)酵處理之前的玉米秸稈pH小于7，經(jīng)過(guò)不同處理pH均達(dá)到8以上。這主要是因?yàn)樵撛囼?yàn)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(gè)主要階段:前期主要是在微生物的作用下會(huì)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(zhǎng)的pH是中性或弱堿性(6.5～8.5)。該試驗(yàn)后期秸稈pH達(dá)到8，呈堿性，這個(gè)pH環(huán)境比較適合微生物生長(zhǎng)。這一點(diǎn)與劉凱等研究結(jié)論是一致的，但是與該試驗(yàn)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(yíng)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(gè)發(fā)酵過(guò)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(guò)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(guò)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(gè)試驗(yàn)過(guò)程，筆者發(fā)現(xiàn)酵母與雞糞在發(fā)酵到一段時(shí)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(lèi)生產(chǎn)乙醇或酵母單細(xì)胞蛋白，對(duì)拓寬秸稈開(kāi)發(fā)利用的新方向具有重要的意義［13］。

綜合而言，該試驗(yàn)重點(diǎn)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(dòng)物飼料、秸稈還田等方面［14－16］，對(duì)于玉米秸稈發(fā)酵腐熟研究并不多見(jiàn)，有些直接應(yīng)用沒(méi)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(guò)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(guò)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(shí)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(guò)程、微生物的活動(dòng)、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(guó)家對(duì)提高農(nóng)作物秸稈綜合利用的要求［17］。

［1］周良.對(duì)國(guó)內(nèi)秸稈利用現(xiàn)狀的思考［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40(32):15853 －15855.

［2］胡兵.實(shí)例探討秸稈綜合利用效益及存在的問(wèn)題和對(duì)策［J］.環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2012(12):44－45.

［3］朱小紅，馬友華，胡宏祥，等.低碳技術(shù)在農(nóng)作物秸稈利用中的應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展，2010(4):5 －8.

［4］郁建強(qiáng)，殷戎一.發(fā)展食用菌生產(chǎn)優(yōu)化秸稈利用［J］.資源節(jié)約和綜合利用，1997(3):48－49.

［5］王永紅，侯建偉.腐熟玉米秸稈在一串紅育苗上的應(yīng)用［J］.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，50(9):1816 －1818.

［6］陳東水，蓋振東，陳燕琴，等.秸稈利用現(xiàn)狀及資源化利用方向［J］.上海農(nóng)業(yè)科技，2006(5):32 －33.

［7］陸勝龍.秸稈利用途徑初探［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展，2000，17(4):37 －39.

［8］李鶴，徐鑫，譙興國(guó)，等.玉米秸稈化學(xué)預(yù)處理后進(jìn)行厭氧干發(fā)酵試驗(yàn)的研究［J］.環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2010(9):38－41.

［9］王鵬，張利民，王文靜.不同處理對(duì)樹(shù)木落葉生物基質(zhì)理化性質(zhì)的影響［J］.北方園藝，2012(19):60 －62.

［10］王振龍.無(wú)土栽培教程［M］.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2008.

［11］張秀麗.秸稈型育苗基質(zhì)理化性質(zhì)的研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37(19):8967－8968.

［12］劉凱.有機(jī)生態(tài)型無(wú)土栽培基質(zhì)發(fā)酵和辣椒栽培基質(zhì)配方研究［D］.蘭州:甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

［13］郭艷，張進(jìn)良，梁峰.玉米秸稈還田土壤中纖維素分解菌的分離、篩選和鑒定［J］.黑龍江畜牧獸醫(yī):科技版，2010(9):10 －13.

［14］徐穎.秸稈利用現(xiàn)狀及建議［J］.吉林畜牧獸醫(yī)，2012(3):56 －57.

［15］CHENG Y，HU H X，DI Y F，et al.Effects of straw returning to fields on Soils and current status in Anhui Province［J］.Agricultural Science ＆Technology，2013，14(5):776 －779.

［16］慕蘭，孫笑梅，王立河，等.不同秸稈腐熟劑在玉米秸稈粉碎還田中的應(yīng)用效果研究［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2013(16):215－216.

［17］劉振營(yíng).科學(xué)利用秸稈 建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械，2009(9):24－26.