我國水稻秸稈利用現(xiàn)狀和飼用加工技術(shù)研究進(jìn)展

陳熙 張徐彬 朱旺 韋還和 孟天瑤* 周桂生*

（1 揚(yáng)州大學(xué)教育部農(nóng)業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品安全國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，江蘇 揚(yáng)州 225009；2 揚(yáng)州大學(xué) 水稻產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)研究院, 江蘇 揚(yáng)州 225009；第一作者：15148856902@163.com；*通訊作者：007126@yzu.edu.cn；gszhou@yzu.edu.cn）

隨著我國作物生產(chǎn)技術(shù)的提升和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，糧食產(chǎn)量逐年穩(wěn)步增加，秸稈的利用成為問題并日趨重要。作物秸稈主要是指水稻、玉米、小麥、大豆等大田農(nóng)作物收獲籽粒后的剩余部分，是農(nóng)作物的主要副產(chǎn)品。水稻秸稈中含有光合作用一半以上的產(chǎn)物[1]，同時(shí)還含有氮、磷、鉀、鈣、鎂等礦質(zhì)元素及纖維素等。水稻秸稈和其他粗飼料的營養(yǎng)作用主要是通過反芻動(dòng)物的反芻，并在瘤胃微生物的發(fā)酵作用下，分解生成低級(jí)揮發(fā)性脂肪酸（VFA）等能源物質(zhì)和碳架等碳源[2]，故其可主要用作反芻動(dòng)物飼草[3]。但長期以來，水稻秸稈綜合利用率低，多被作為廢棄物，甚至被大面積焚燒，造成嚴(yán)重大氣污染[4]。

近年來，以消費(fèi)肉類、奶制品等為代表的動(dòng)物源食品消費(fèi)迅速增加。據(jù)《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》統(tǒng)計(jì)，我國肉類產(chǎn)量從1996 年的4 584.0 萬t 增長至2020 年的7 748.4萬t。畜牧業(yè)快速發(fā)展，對(duì)飼草產(chǎn)量和品質(zhì)提出更高的要求。水稻秸稈是潛在的秸稈飼料源[2]，通過物理、化學(xué)和生物法可有效降解秸稈木質(zhì)素、纖維素等，使其轉(zhuǎn)化為動(dòng)物飼草，作為飼料的有益補(bǔ)充。本文分析了我國水稻秸稈的生產(chǎn)現(xiàn)狀和飼用加工技術(shù)，旨在為水稻秸稈飼用提供參考，進(jìn)一步促進(jìn)水稻秸稈的綜合利用。

1 我國水稻秸稈生產(chǎn)與利用現(xiàn)狀

1.1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

據(jù)水稻產(chǎn)量以及水稻秸稈系數(shù)1.0 估算[5]，2010 年我國水稻秸稈約19 700 萬t，2012 年20 400 萬t，2019年增加到20 900 萬t（圖1）。近年來，我國水稻秸稈產(chǎn)量穩(wěn)定在20 000 萬t 左右。水稻秸稈主要分布在中南和華東地區(qū)，其次是東北和西南地區(qū)，少量分布于西北和華北地區(qū)[6-7]（圖2），其中，水稻秸稈產(chǎn)量較多的省份有湖南、湖北、江西和江蘇，2019 年分別達(dá)到2 611.5萬t、1 877.1 萬t、2 048.3 萬t 和1 959.6 萬t。

圖1 2010—2019 年我國水稻秸稈產(chǎn)量

圖2 2019 年我國各地區(qū)水稻秸稈產(chǎn)量

1.2 利用現(xiàn)狀

為合理引導(dǎo)和支持秸稈資源綜合利用，國家農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國家環(huán)保總局、國家發(fā)展改革委等部門先后出臺(tái)了一系列政策，嚴(yán)控秸稈焚燒，提出了“五料化”即肥料化、燃料化、原料化、飼料化和基料化5 種秸稈資源綜合利用方式，并取得顯著成效[8-9]。

國家發(fā)展改革委、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部共同組織各省有關(guān)部門對(duì)“十二五”秸稈綜合利用情況終期評(píng)估結(jié)果及《中國農(nóng)業(yè)年鑒》顯示，2015 年我國農(nóng)作物秸稈資源“五料化”利用占比分別為肥料化43.2%、飼料化18.8%、燃料化11.4%、原料化2.7%、基料化4.0%，仍有19.9%的秸稈資源被廢棄或焚燒[10]。雖然秸稈綜合利用取得明顯成效，綜合利用率由2010 年的70.5%提高至2015年的80.1%，但飼料化利用率仍較低，僅占18.8%。

盡管目前缺乏全國性的水稻秸稈綜合利用的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，但我們?nèi)钥赏ㄟ^前人的研究看出一些端倪。張智鵬等[11]對(duì)陜西漢中市水稻秸稈利用情況調(diào)查顯示，沼氣發(fā)酵、食用菌輔料及工業(yè)原料的利用率較高，約占水稻秸稈總量的24.3%，但是用于飼料的僅占19.8%。王舒娟等[12]對(duì)江蘇省624 戶水稻和小麥種植戶的實(shí)地調(diào)查結(jié)果顯示，秸稈用作生活燃料的農(nóng)戶比重最高，占比75.8%，秸稈還田、露天焚燒、秸稈出售、用作飼料和生產(chǎn)沼氣占比分別為35.4%、29.5%、26.9%和5.5%。

2 水稻秸稈的飼用價(jià)值

從營養(yǎng)成分及瘤胃降解特性（表1、表2）來看[13-14]，水稻秸稈具有一定的飼用價(jià)值，是反芻動(dòng)物粗飼料的重要來源。張浩等[15]研究認(rèn)為，若將福建省25%的水稻秸稈加工處理后用作反芻動(dòng)物飼料，每年可節(jié)約飼料糧50 萬t。李富國等[16]研究認(rèn)為，水稻秸稈青貯飼喂育肥肉牛可以提高肉牛增重速度和經(jīng)濟(jì)效益。

表1 水稻秸稈中營養(yǎng)成分占其干物質(zhì)量的比例（單位：%）

表2 水稻秸稈的瘤胃有效降解率 （單位：%）

水稻秸稈作為飼草雖具有一定飼用價(jià)值，但其在處理前適口性差，消化率低，限制瘤胃微生物的降解利用[17]。經(jīng)物理、化學(xué)、生物等方法處理后，水稻秸稈適口性和瘤胃降解率顯著提高。張浩等[15]研究認(rèn)為，與未處理相比，經(jīng)過氨化處理的中性洗滌纖維（NDF）的纖維綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)（FDI）和動(dòng)態(tài)降解率分別提高了36.1%和11.0%，而經(jīng)過微貯處理后NDF 的FDI 和動(dòng)態(tài)降解率分別提高了17.3%和8.7%（表3）。李彬等[17]研究認(rèn)為，水稻秸稈經(jīng)氨化處理后營養(yǎng)價(jià)值明顯提高，接近中等品質(zhì)的干草。以上結(jié)果表明，經(jīng)過處理的水稻秸稈飼喂反芻動(dòng)物是可行的。

表3 水稻秸稈NDF 降解指標(biāo) （單位：%）

3 水稻秸稈飼用加工技術(shù)

近年來，秸稈資源飼料化高效利用技術(shù)的研究與開發(fā)取得一定進(jìn)展，特別是在秸稈青貯、微貯等方面[18-19]。通過物理、化學(xué)、生物等方法對(duì)水稻秸稈進(jìn)行處理，可顯著提高其營養(yǎng)水平，有效降解纖維素、木質(zhì)素等畜禽難以吸收的物質(zhì)，提高飼養(yǎng)效率[20]。

3.1 物理處理

物理處理包括機(jī)械加工、熱加工等[21]。

機(jī)械加工包括壓扁、切短、粉碎、浸泡、蒸煮等不改變秸稈化學(xué)成分的處理方法。壓扁和切短是目前最簡單且廣泛應(yīng)用的處理方法，可顯著提高秸稈容量，同時(shí)更利于動(dòng)物咀嚼。粉碎可增加飼草與微生物的接觸面積，浸泡和蒸煮能促進(jìn)秸稈膨脹、軟化，提高適口性和草食家畜的采食量[22]。

熱加工包括膨化和熱噴等。膨化是指將秸稈置于密閉容器中，加熱加壓，然后突然泄壓，使飼草在空氣中膨脹，從而破壞秸稈纖維素結(jié)構(gòu)，達(dá)到改變化學(xué)成分、提高飼用價(jià)值的效果。膨化后的水稻秸稈有香味，適口性顯著提高。熱噴即利用熱噴效應(yīng)，使飼料木質(zhì)素溶化，纖維結(jié)晶度降低，飼料顆粒變小，增加總面積，提高消化率的處理方法[30]。MUHAMMAD 等[23]研究表明，用壓強(qiáng)1.55 MPa 的蒸汽法處理120 s 后的水稻秸稈飼喂山羊，可促進(jìn)山羊生長，提高飼料利用率。物理方法不能改變秸稈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，無法為家畜生長提供高質(zhì)量養(yǎng)分，推廣應(yīng)用難度大，但可作為綜合處理的預(yù)處理[24]。

3.2 化學(xué)處理

化學(xué)處理包括堿化處理、氨化處理、酸處理和酸-堿處理等。

堿化處理是用氫氧化鈉、氨水、石灰水和尿素等堿性化合物處理秸桿，使秸稈纖維內(nèi)部的氫鍵結(jié)合變?nèi)酰ユI或醚鍵破壞，纖維素分子膨脹，半纖維素和一部分木質(zhì)素得以溶解，從而改善秸稈飼料適口性，提高采食量和消化率。目前，堿化處理主要包括石灰水處理法、氫氧化鈉處理法以及混合處理法等。王清華等[25]研究表明，4%石灰加2%氫氧化鈉復(fù)合處理水稻秸稈3 d，就可以達(dá)到溶解纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的目的。

氨化處理是用尿素、氨水、無水氨及其他含氮化合物等作為氨源處理水稻秸稈，使木質(zhì)素和纖維素之間發(fā)生斷裂，纖維素部分分解、膨脹，使反芻家畜的瘤胃液易于滲入，從而提高秸稈消化率[26]。秸稈經(jīng)過氨化處理可以使有機(jī)物質(zhì)消化率提高20%~30%，粗蛋白質(zhì)含量由3%~4%提高至8%以上，采食量增加20%[27]。郭光玲[28]研究認(rèn)為，氨化處理和氨堿復(fù)合處理均能提高水稻秸稈營養(yǎng)價(jià)值，改變體外瘤胃發(fā)酵模式，提高瘤胃發(fā)酵產(chǎn)氣量，從而提高瘤胃對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，且以氨化處理的效果最佳。

酸處理通常使用硫酸、甲酸、鹽酸等試劑對(duì)秸稈進(jìn)行處理，其原理與堿化處理相似，但成本較高，所以較少使用[29]。酸-堿處理是用苛性堿處理后，再用鹽酸中和。前蘇聯(lián)的方法是先將切碎的秸稈放進(jìn)堿溶液中浸泡，將浸泡好的秸稈轉(zhuǎn)入水泥窖中壓實(shí)，存放1~2 d，然后再將這些秸稈放入3%的鹽酸中浸泡，除去用過的溶液即可飼喂動(dòng)物[29]。

使用氫氧化鈣、氫氧化鈉和雙氧水對(duì)秸稈進(jìn)行氨化處理，是目前公認(rèn)的適合我國國情的化學(xué)方法[30]。

3.3 生物處理

生物處理主要包括青貯、微貯、微生物處理和酶解等。

青貯是指在厭氧環(huán)境下，通過乳酸菌大量繁殖，將飼草中的淀粉和可溶性糖轉(zhuǎn)變成乳酸。乳酸積累到一定濃度后，腐敗菌的生長受抑，青貯料的養(yǎng)分得以長期保存。青貯的常用方法有加酸青貯、加醛青貯、加氮?jiǎng)┖望}青貯等。劉凱玉等[31]和劉海霞等[32]研究認(rèn)為，青貯、氨化和堿化能有效降低水稻秸稈的NDF 含量，提高非纖維性碳水化合物（NFC）含量。

微貯是指在發(fā)酵過程中，通過高效復(fù)合菌的作用，將農(nóng)作物秸稈的木質(zhì)素和纖維素破碎，轉(zhuǎn)化為乳酸或揮發(fā)性脂肪酸。蔣中海[33]和張浩等[15]研究認(rèn)為，水稻秸稈微貯后能夠提高瘤胃的降解率，增加反芻家畜的采食量，促進(jìn)家畜的消化吸收。

微生物處理是指利用多種微生物處理秸稈，如木霉素、曲霉素等真菌，芽孢桿菌屬、類芽孢桿菌等細(xì)菌，分枝桿菌、諾卡氏菌等放線菌[17]。通過處理，一方面秸稈中的半纖維素、纖維素和果膠被分解，另一方面游離細(xì)胞被乳酸菌和酵母菌利用，轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的菌體蛋白[34]。

酶解法是將酶溶解后噴于秸稈上，以提高秸稈的消化率。常用的主要酶種類有半纖維素酶、纖維素酶、植酸酶、p-葡聚糖酶、果膠酸酶等[35]。但這種方法不僅成本高，且只能作用于秸稈的表層細(xì)胞，未能深入貫穿到秸稈的細(xì)胞壁之內(nèi)，所以酶解對(duì)細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)不具有破壞作用[17]。目前，有關(guān)酶制劑對(duì)水稻秸稈青貯營養(yǎng)價(jià)值影響的研究較少[36-37]，對(duì)水稻秸稈青貯的感官品質(zhì)、營養(yǎng)成分、養(yǎng)分消化率及飼喂價(jià)值等方面的研究鮮見報(bào)道。

水稻秸稈加工技術(shù)從物理處理、化學(xué)處理到生物處理是一個(gè)從易到難的過程。物理處理是最基本的方法，是化學(xué)處理和生物處理的前提。在生產(chǎn)實(shí)踐中，上述方法經(jīng)常結(jié)合使用，如水稻秸稈粉碎后的堿化或氨化是物理處理和化學(xué)處理的結(jié)合，青貯是物理處理和生物處理相結(jié)合的方法，微生物在青貯中的應(yīng)用是青貯與微生物處理的結(jié)合。總之，采用的方法要根據(jù)具體情況來確定。

4 影響水稻秸稈飼料化應(yīng)用的限制因素

一是細(xì)胞壁占水稻秸稈成分的80%以上，細(xì)胞壁中的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)、纖維素層次結(jié)構(gòu)使秸稈難以被動(dòng)物消化利用[38]，且微生物制劑在微貯、青貯中發(fā)酵效果差。近年來，雖然青貯、微貯技術(shù)取得突破性進(jìn)展，但這些方法均存在操作復(fù)雜、生產(chǎn)條件要求高、飼喂效果不理想、成本費(fèi)用高等問題，在實(shí)際生產(chǎn)中沒有得到廣泛應(yīng)用[39]。

二是受農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝技術(shù)水平所限，秸稈收獲機(jī)械與秸稈飼料加工配套設(shè)備處于較低水平，且設(shè)備較為昂貴，秸稈飼料化涉及的一系列回收、運(yùn)輸、儲(chǔ)藏、粉碎、配料、飼喂等多個(gè)環(huán)節(jié)尚不能有機(jī)系統(tǒng)化結(jié)合，增加了秸稈飼料化的成本[40]，限制了秸稈飼料化的推廣與應(yīng)用。

三是水稻秸稈分布較廣，各地區(qū)不同類型品種、不同部位水稻秸稈營養(yǎng)成分存在較大差異。目前，我國缺少對(duì)水稻秸稈飼料化差異利用的研究。

水稻秸稈具有一定的飼用價(jià)值，但因其限制因素未完全突破，其飼料化并未能大面積推廣應(yīng)用。

5 展望

目前，我國在研究提高水稻秸稈的適口性、采食率、瘤胃微生物對(duì)秸稈有機(jī)物的降解率等方面及物理、化學(xué)、生物處理以及復(fù)合處理等方面取得了良好的進(jìn)展。將水稻秸稈進(jìn)行飼料化發(fā)展，不僅可以豐富飼草來源，也符合我國大力發(fā)展畜牧養(yǎng)殖業(yè)的趨勢。加強(qiáng)對(duì)水稻秸稈飼料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用、提高青貯秸稈養(yǎng)分含量及多領(lǐng)域的應(yīng)用，必將成為促進(jìn)畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的強(qiáng)勁動(dòng)力。