棉花秸稈綜合利用現狀及分析

彭 杰 高 涵 魏學文 秦都林 呂彥霞 姜 新 肖書新

（1.聊城市東昌府區農業農村局 山東聊城 252000；2.山東省農業技術推廣中心 山東濟南 250003；3.聊城市農業農村局 山東聊城 252000）

棉花是我國重要的經濟作物，棉花秸稈作為棉花生產的副產物每年的產量巨大。 據《中國統計年鑒》的數據顯示，2020 年我國棉花栽培面積0.316 9 萬hm2，按每畝產棉花秸稈2 t 計算， 我國每年產棉花秸稈9 508 萬t。 隨著經濟、社會的發展及百姓環保意識的增強，棉花秸稈作為燃料能源已經完全被電、天然氣取代， 大量的秸稈處理成為了一個亟待解決的社會問題。 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、 添加材料等方面的應用研究已經獲得了一些成果。

1 棉花秸稈資源化利用的基礎

棉花秸稈主要由纖維素、半纖維素、木質素、脂肪、蛋白質、淀粉、糖和硅酸鹽組成[1]。 通過不同的方法對棉花秸稈預處理，測得其纖維素含量60.16%，半纖維素含量21.98%，木質素含量19.87%，經酶解后葡萄糖達到1.013%[2]。 對棉花秸稈腐解物的研究顯示，其含有多種化感物質，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用

隨著農業機械化的發展， 棉花秸稈直接還田是資源化利用中最直接有效的方法。 還田后對于土壤的改良效果明顯，有研究顯示，棉花秸稈連續還田可以顯著提高濱海鹽堿地土壤有機質、硝態氮、銨態氮和速效鉀含量， 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量和皮棉產量[4-5]，同時增加了棉花干物質量和N、P、K 分配到生殖器官的量及其比例[6]。 設置不同深度的棉稈隔層影響土壤水鹽分布及棉花根系構型的研究表明， 棉稈還田可增加土壤含水率，阻礙鹽分在豎直方向的運動，并優化單株棉花的根質量、根長密度、根系體積、根系平均直徑等各項指標，從而提高棉花質量[7]。 棉花秸稈長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呼吸速率， 并對棉花總鈴數和單鈴重影響顯著[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[10]。

3 棉花秸稈作為栽培基質方面的應用

基質在育苗行業、 食用菌行業應用廣泛、 用量大。 棉花秸稈作為一種廉價的可再生資源，可以部分代替基質中的一些原料，從而降低成本，提高可持續性。 其腐熟發酵后配合草炭和蛭石用作水果黃瓜育苗，幼苗生長勢良好，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切實可行且成本低， 可以解決移栽取苗時不能形成根坨的問題[12]。 在西葫蘆、番茄育苗基質研究中，采用棉花秸稈粉碎發酵，經過合理的配方組合，可以取代草碳作為有機基質原料[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，必然會給森林資源的可持續發展帶來壓力，尋找木屑替代物成為研究熱點。 棉稈與闊葉樹的物理特性接近，營養齊全，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，用于赤芝、中華靈芝、美國靈芝等3 個靈芝品種栽培，其生物轉化率和木屑相當[15]。以50%的棉花秸稈配合玉米芯、牛糞、石膏粉等生產姬松茸，每平方米的產量為10 kg 左右，經濟、社會、生態效益明顯[16]。 在金針菇生產中，配以28%的棉花秸稈，可以部分取代棉籽殼，降低成本，提高其產量和蛋白質營養價值[17]。 另外，棉花秸稈在平菇和香菇生產也得到了廣泛應用[18]。棉花秸稈中的化感物資在一定濃度下可以促進種子萌發、 根系生長、 根系活力，從而促進幼苗生長[19-21]。

4 棉花秸稈在畜牧生產上的應用

棉花秸稈作為牛、羊飼料使用，可以明顯降低生產成本。 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、木質素含量也較高，且含有游離棉酚，但作為飼料得到了推廣應用[22]。研究顯示，除棉根中棉酚含量達到0.208%以外， 其余部分均在0.07%以下[23]。 經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效益[24]。 和玉米秸稈相比， 同質量的棉秸可以替代60%以上的玉米秸稈酸性洗滌纖維，被家畜食用轉化為動物產品[25]。 綿羊日糧中添加棉花秸稈對綿羊體重無顯著影響，但降低了日增重， 短期添加棉花秸稈可在體內沉積少量的游離棉酚[26]。 在對棉花秸稈顆粒化加工過程中，可以降低秸稈中纖維素、 半纖維素、 木質素的含量， 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氣量[30]。

5 棉花秸稈作為能源物資原料的應用

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

6 棉花秸稈在材料學上的應用

在保溫材料的研制中， 粉碎的棉花秸稈纖維作為添加物質可以解決無機、 有機材料界面的粘結強度低及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， 有良好的力學性能表現[37]。棉花秸稈-EPS 復合砌塊用作框架結構填充材料，通過擬靜力實驗分析，其抗側剛度、延性系數和等效粘滯阻尼系數均優于純混凝土框架[38]。采用棉花秸稈纖維加筋鹽漬土來提高其抗壓強度， 可改善鹽漬土強度低的不良工程特性， 使其抗壓強度提高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度， 在添加0.8%棉稈纖維時，其抗壓強度提高25.0%，劈裂抗拉強度提高43.1%[41]。 經堿溶液處理后的棉花秸稈纖維制備脫硫石膏-棉花秸稈纖維復合墻體材料可增加脫硫石膏基復合墻體材料孔隙率，降低導熱系數，增強保溫性能[42]。

7 棉花秸稈綜合利用的思考與分析

棉花秸稈具備產量大、木質化程度高及收集、運輸成本大的特點。 其綜合利用應結合當地情況，根據產出量及分布集中程度考慮利用方式。 本文作者認為，結合整地直接粉碎還田可以改良土壤，基本無額外成本投入，具備很好的生態效益，是最利于推廣的資源化利用模式。 棉稈纖維素和木質素含量高，利用白腐真菌和噬熱性側孢霉復配在冬季低溫和降雪等情況下對棉花秸稈降解，50 d 棉花秸稈降解率僅達到29.93%[43]。針對直接還田促進降解的微生物菌種研究還需要進一步加強， 利用棉花秸稈進行堆肥的研究也還需要進一步深化[44]。