我国为农业生产大国,粮食年产量稳居世界前列,农作物秸秆资源储量充足[1],2022年全国秸秆总产量86 429.01万t[2]。未被收集利用的农作物秸秆,多采取焚烧处理或露天堆放的处理方式,过程中会产生二氧化碳、氮氧化物及多环芳烃等多种大气污染物与温室气体,不仅污染生态环境、加剧气候变化,严重时还会引发各类环境灾害[3]。2008年,我国提出了秸秆“五料”化利用,分别是饲料化、肥料化、燃料化、原料化和基料化。根据数据统计,2020年饲料化、肥料化、燃料化、原料化利用和基料化的秸秆数量分别为1.11×108、4.49×108、0.61×108、0.07×108和0.05×108 t,通过上述5种方式回收利用的秸秆总量,占秸秆总回收利用量的87.6%。其中,肥料化、饲料化秸秆利用量又分别占秸秆可收集资源总量的62.1%和15.4%[4]。因此秸秆肥料化和饲料化是我国秸秆资源化利用的主要方式,也是当前农作物秸秆研究的重点。
我国农作物秸秆数量巨大,将秸秆资源转化为动物饲料具备广阔的发展潜力。粗纤维是秸秆的主要成分,占秸秆干物质总量的30%~40%[5]。对秸秆进行适当的处理,能够降低秸秆的纤维素含量,促进秸秆的饲料化利用。对于一些木质素含量高的秸秆,可以利用生物或者化学方法降低其木质素含量。本文梳理了国内秸秆资源的分布现状及秸秆饲料化利用技术的研究进展,归纳了现阶段我国秸秆饲料化利用面临的各类问题与发展瓶颈,以期为我国秸秆资源饲料化利用提供参考。
1 我国秸秆资源分布现状
1.1 我国秸秆资源季节分布
我国秸秆资源在季节上分布不均匀,主要受秸秆作物种类以及成熟时间的影响,呈现出明显的季节特征。周晶等[6]采用问卷调查结合季节指数指标分析的方法,发现我国各地区秸秆收获具有明显季节性。作物收获阶段秸秆可收集资源量达到峰值,各类农作物收割时间不同,对应的秸秆产出高峰也不一样。夏季是小麦的主要收获期,小麦秸秆也随之在夏季大量产出[7]。秋季是我国大部分农作物成熟收获的季节,也是秸秆产量最高的季节[6]。春季以作物播种为主,冬季多数作物已完成采收,因此两季秸秆产量偏低。韦茂贵等[8]对2006—2011年发表的田间试验文章进行查阅整理,发现7—11月是水稻、小麦及玉米集中收获时段,秸秆产量最高。据统计,我国全年秸秆大部分集中在夏秋两季产出,仅有不足15%的农作物秸秆在春季和冬季产出[9-10]。
1.2 我国秸秆资源空间分布
秸秆的产量与许多因素有关,主要包括自然条件、地形特点和播种面积等,由此造成不同区域秸秆资源储量差异显著[11]。刘俊杰等[2]对我国7个生态类型区的秸秆资源量情况进行了统计分析,发现东北区秸秆总产量为15 645.52万t,占全国秸秆资源总量18.10%;华东区秸秆总量居全国首位,为19 439.22万t,占全国秸秆资源总量的22.49%;华南区的秸秆资源总量最低,为6 688.02万t,仅占7.74%,但该区域秸秆单位面积产出最高。Qian等[12]发现我国农作物秸秆资源主要集中在华北、东北和长江中下游农业区,上述区域平坦耕地占区域总面积的78%以上,秸秆分布范围广、便于规模化收集。丛宏斌等[13]调查了我国2017年的农作物秸秆资源分布情况,发现我国秸秆资源呈现“东高西低、北高南低”的阶梯状分布特征。我国秸秆资源不仅区域储量分布不均衡,秸秆种类在各区域间也存在明显差异。以三大主粮秸秆为例,我国2022年各地区三大主粮秸秆产量如表1所示。水稻秸秆主要集中于我国南方地区,其中长江中下游地区产量最高;玉米秸秆主产区分布在华北地区与东北地区,西南地区、西北地区也有可观储量;小麦秸秆则集中分布于华北地区、长江中下游地区及西北地区。石祖梁等[14]的研究同样证实,我国水稻秸秆集中分布于南方稻区,与本文表1的分布规律基本一致;刘淑军等[15]对我国近30年来的小麦秸秆资源分布进行了研究,同样发现我国超过80%的小麦秸秆分布在华北地区和长江中下游平原。
表1 中国各地区三大主粮秸秆产量Table 1 Straw yield of three major staple grains by region in China ×104 t |
| 项目 Items | 玉米秸秆 Corn straw | 水稻秸秆 Rice straw | 小麦秸秆 Wheat straw | 总秸秆产量 Total straw yield |
|---|---|---|---|---|
| 西南地区Southwest China | 3 240.19 | 2 957.18 | 353.45 | 6 550.83 |
| 东北地区Northeast China | 10 022.03 | 2 573.45 | 10.09 | 12 605.57 |
| 西北地区Northwest China | 3 491.52 | 107.62 | 1 059.45 | 4 658.59 |
| 华北地区North China | 12 964.84 | 604.81 | 7 313.46 | 20 883.11 |
| 东南地区Southeast China | 686.43 | 1 971.60 | 1.09 | 2 659.12 |
| 长江中下游地区 Middle and lower reaches of the Yangtze River | 1 766.47 | 9 332.33 | 3 266.34 | 14 365.14 |
数据来源于《中国统计年鉴2023》。 | |
Data from China Statistical Yearbook 2023. |
2 影响秸秆饲料化利用的制约因素
2.1 秸秆营养限制
农作物秸秆和牧草都可以作为反刍动物的粗饲料来源,但是和牧草相比,农作物秸秆往往更不易被牛、羊等反刍动物消化吸收[18]。Wang等[19]比较了玉米秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆和苜蓿干草的瘤胃降解特性,发现3类谷物秸秆的瘤胃不可降解中性洗涤纤维含量均高于苜蓿干草,粗蛋白质降解率和有效降解率则低于苜蓿干草。秸秆中的半纤维素能够连接木质素和纤维素,增强细胞壁稳定性,导致秸秆整体难以被动物消化利用[20]。其中水稻秸秆角质层和蜡质二氧化硅层较厚、木质素含量偏高[21],不仅在瘤胃中养分消化率较低,且秸秆灰分占比高,导致其质地粗糙,畜禽采食适口性不佳[22]。相比于水稻、小麦秸秆,玉米秸秆的营养价值更优,且产量也更为丰富[23]。但其营养成分单一,存在适口性差、采食量低的共性问题[24],需配合其他饲料原料使用。秸秆及其木质纤维素组成如图1所示。
2.2 秸秆饲料化技术障碍
我国秸秆饲料化的成套生产技术尚未成熟。原料供应的数量和质量稳定性是制约产业发展的首要难题,农作物秸秆供应数量会随着作物种类以及产量波动,不能形成一个稳定的供应源[20]。除此之外,秸秆田间收集缺乏统一规范作业流程也会造成原料品质参差不齐,国内部分区域秸秆采收留茬高度管控不一,回收秸秆易裹挟泥土杂质,影响秸秆饲料化的品质。我国现阶段仍未建立统一的秸秆饲料品质评价标准,不同公司生产的秸秆饲料质量参差不齐,品质难以保障,加之秸秆饲料相关售后保障机制存在缺失,多重问题共同制约秸秆饲料化产业规模化发展。
3 秸秆饲料化处理方法
3.1 物理处理技术
3.2 化学处理技术
化学处理技术包括氨化法、碱化法、酸化法等,该类方法借助化学试剂降低秸秆中的纤维素和木质素含量,以此提高秸秆饲用营养价值。
3.3 生物处理技术
4 秸秆饲料饲喂效果研究
4.1 秸秆饲料在肉牛生产中的应用
4.2 秸秆饲料在奶牛生产中的应用
4.3 秸秆饲料在肉羊生产中的应用
5 小结
随着经济的发展,我国对肉蛋奶产品的需求增加,饲粮资源供给短缺的矛盾日益凸显。开发利用非常规饲料已成为畜牧业发展的研究热点。我国农作物秸秆资源储量丰厚,推进秸秆饲料化利用,既能有效缓解饲草料供给缺口,又可降低规模化养殖生产成本。2023年中央一号文件明确提出,要大力发展青贮饲料,加快推进秸秆养畜,在相关政策引导下,秸秆饲料化利用已成趋势。目前我国秸秆饲料化的方式多样,涵盖青贮、氨化、碱化、微生物发酵等多种方法,各类处理技术的核心目标均为破除秸秆木质纤维素营养限制、提升秸秆饲用营养价值。秸秆饲料化资源化绿色循环体系如图5所示。长远来看,秸秆饲料化技术将朝着高效化、绿色化发展,秸秆饲料的生产也会进一步标准化、规范化,产品形态与应用模式也将不断创新,推进秸秆资源饲料化科学利用。
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