李家威¹，趙一全¹，王海鵬¹，高亞梅¹，晏磊¹，梅自力²，王偉東¹

（1.黑龍江八一農墾大學生命科學技術學院，黑龍江省寒區環境微生物與農業廢棄物資源化利用重點實驗室，黑龍江省秸稈資源化利用工程中心，黑龍江大慶163319；2.農業部沼氣科學研究所，四川成都610041）

　　摘要：秸稈的開發與利用對于污染治理和資源循環利用意義重大，其中關于雜糧作物秸稈沼氣發酵潛力的研究卻鮮有報道。該研究采用批次試驗，發酵體積700mL，總TS為8%，中溫（35℃±1℃）條件下探究了玉米、水稻、大豆、谷子、糜子和綠豆6種秸稈厭氧發酵產氣特性。結果表明：發酵進行到11d時，秸稈TS產氣率從大到小依次為綠豆131.0mL·g^-1，玉米126.8mL·g^-1，糜子117.5mL·g^-1，谷子114.1mL·g^-1，水稻105.3mL·g^-1和大豆84.0mL·g^-1。綠豆秸稈甲烷含量最高可達60.2%，其次分別為糜子秸稈53.5%，玉米秸稈52.8%，谷子秸稈50.0%，水稻秸稈49.7%和大豆秸稈48.4%。綠豆秸稈的總有機碳和總氮的減重率最大，分別為43.25%和21.77%。綠豆秸稈的纖維素、半纖維素和木質素的降解率最大，分別為15.43%，9.86%和7.24%。各秸稈發酵液C/N分別為玉米29.04，水稻36.58，大豆48.69，谷子35.90，糜子30.54和綠豆23.31。6種秸稈的累積產氣量與其總氮減重率，纖維素和半纖維素降解率，C/N顯著相關。該研究為不同種類秸稈，尤其是雜糧作物秸稈厭氧發酵提供了一定的數據支撐。

　　中國糧食年產量平均為6億噸[1]，隨著農業生產的發展，農作物秸稈資源連年增長，2015年達到9億噸，未被資源化利用的秸稈量約有1.8億噸[2]，其中大部分秸稈被焚燒，加重了空氣污染。如何資源化利用農作物秸稈成為目前社會關注的焦點，其中利用農作物秸稈厭氧發酵生產生物質能源沼氣是研究熱點之一。Li[3]等研究3種秸稈（玉米、水稻、小麥）和牛糞分別以不同比例進行發酵，發現當糞桿比為1∶1時，累積產氣量最大。Candia[4]等采用批次試驗研究了水稻秸稈厭氧發酵特性，發現當接種物與底物的比例為0.8時，沼氣產量最大為410L·kg^-1VS。Wendy[5]等對水稻秸稈的厭氧發酵進行綜述，發現其甲烷產量在92～280L·kg^-1VS之間。Mao[6]等通過玉米秸稈與豬糞發酵實驗進行優化，發現當pH值為7.5、糞桿比為7∶3時，產甲烷量最大為220mL·g^-1VS。白娜[7]等研究了不同溫度（15℃，25℃，35℃和45℃）下玉米秸稈、小麥和油菜的產氣潛力，發現溫度為35℃時，玉米秸稈的產氣潛力為0.40～0.46L·g^-1TS。通過以上研究可知，人們主要對大田作物秸稈（玉米、水稻、小麥等）沼氣發酵的產氣特性進行了研究。我國雜糧作物主要包括谷子、糜子、高粱、綠豆、蕓豆、小豆等，種植面積為1.1～1.3億畝，占糧食播種總面積的5%～7%[8]。其中，谷子和綠豆年產量分別為196.6萬噸和70.5萬噸[9]，相應的秸稈產量分別為314.5萬噸、112.8萬噸[10]。秸稈生產生物質能源沼氣是其資源化利用的有效途徑，大田農作物秸稈沼氣發酵研究和實踐經驗已經很成熟，但是相較而言，雜糧秸稈厭氧發酵生產沼氣的研究卻鮮有報道，雜糧秸稈資源的利用常被人們忽視，造成了農業廢棄物資源的浪費。

　　綜上所述，本試驗選取黑龍江省的玉米、水稻、大豆、谷子、糜子和綠豆等6種秸稈作為沼氣發酵原料，進行厭氧發酵批次試驗，通過對各秸稈之間產氣特性進行研究，探討其不同組成成分對秸稈產氣效果的影響，促進人們對雜糧類秸稈沼氣厭氧發酵的了解，并對雜糧作物秸稈沼氣厭氧發酵的深入研究提供參考。

　　1材料與方法

　　1.1供試材料

　　試驗所用玉米、水稻、大豆、谷子、糜子、綠豆等6種秸稈均取自黑龍江八一農墾大學農學實驗基地，秸稈自然風干，粉碎后置于干燥通風處備用。反應啟動的接種物取自本實驗室以牛糞為原料長期穩定運行的厭氧發酵反應器。發酵原料的主要性質見表1。

　　1.2發酵體系建立

　　如圖1，試驗裝置采用1L螺口瓶，瓶口處用硅膠塞密封，硅膠塞設有取樣口和出氣口，出氣口與5L集氣袋相連，用于收集氣體，總產氣量和甲烷含量利用GA2000沼氣分析儀（Geotech Biogas Check）測定。

　　反應采用批次試驗，發酵體積700mL，接種物500mL，設定總TS為8%，每個處理3個重復，共18個發酵裝置。在35℃±1℃恒溫室內進行發酵，每24h測定沼氣產量和成分。

　　1.3測定方法

　　1.3.1總固體含量和揮發性固體含量測定總固體含量（Total Solids，TS）和揮發性固體含量（Volatile solids，VS）：采用美國環保部Method-1684法進行測定，首先將發酵料液放入105℃的電熱鼓風干燥箱（GZX-9240MBE）中烘至恒重，冷卻稱重，記錄數據，然后將烘干后的樣品放入500℃馬弗爐（KSY-6-16A）中灼燒至恒重，冷卻稱重，記錄數據。TS和VS的計算公式如下：

　　1.3.2pH值測定

　　利用筆試pH計B-712（HOＲIBA）進行測定。首先分別將各處理樣本混合均勻，然后用移液器分別量取1mL樣品，按照操作規程測定pH值，每測一個樣品，需更換移液器***頭，并用蒸餾水清洗pH計，濾紙擦干后待用，每組3次重復，取平均值。

　　1.3.3總有機碳和總氮測定

　　總有機碳（TOC）和總氮（TN）利用multi N/C 2100S總有機碳/總氮分析儀（analytik jena）測定。首先將各發酵料液放于105℃干燥箱中烘至恒重，再將烘干樣粉碎至40目待用。TOC樣品的處理：準確稱取空白舟質量，再稱取20±5mg樣品置于空白舟內，每組3次重復。TN樣品處理：稱取100mg樣品放于20mL配置好的過硫酸鉀溶液（20g·L-1 K2S2O8，3g·L-1NaOH）中，混合消煮15min后靜置，取上清液于測試瓶中，每組3次重復。取處理后樣品，分別根據碳氮分析儀的固體模塊（TOC）和液體模塊（TN）操作規程進行測定。

　　1.3.4木質纖維素成分測定

　　利用FIWE3/6纖維素測定儀（北京盈盛恒泰科技有限責任公司）測定木質纖維素成分。首先將發酵料液烘干，樣品粉碎至40目，稱取1g粉碎樣品，精度為1mg，放置于烘干至恒重的坩堝中，根據測定儀操作規程進行測定。可測定發酵料液中的酸性洗滌纖維（Acid detergent fiber，ADF）、中性洗滌纖維（Neutral detergent fiber，NDF）和酸性洗滌木質素（Acid detergent lignin，ADL）。其中，纖維素含量=ADF-ADL，半纖維素含量=NDF-ADF，ADL即為木質素含量。

　　1.4數據分析

　　利用Origin8.5和SPSS22.0進行數據處理和分析。

　　2結果與分析

　　2.1日產氣量和累積產氣量變化

　　試驗第1天，綠豆秸稈的日產氣量最高為2003mL，玉米秸稈的產氣量最低為820mL（見圖2）。在發酵進行的第2天各處理均達到產氣高峰，產氣高峰值從大到小依次是：綠豆（2333mL）、糜子（2083mL）、谷子（1550mL）、大豆（1383mL）、玉米（1190mL）和水稻（1073mL）。第2天后，隨著發酵的進行各秸稈產氣開始下降，各處理日產氣量均呈現為先上升后下降的趨勢。到第9天后，產氣變化較小，第11天基本停止產氣，因此，試驗結果統計到試驗第11天。

　　6種秸稈累積產氣量從大到小依次是：綠豆（7334mL）、玉米（7103mL）、糜子（6580mL）、谷子（6390mL）、水稻（5897mL）和大豆（4707mL）（見圖3）。綠豆秸稈的產氣高峰值最大，在發酵的前3天就可產生大部分沼氣，產氣效率最高。玉米秸稈前期產氣速率較慢，反應3d后，其日產氣量相較其他秸稈下降的較為緩慢，最終累積產氣量僅次于綠豆秸稈。糜子秸稈的產氣高峰值僅次于綠豆秸稈，但累積產氣量在第7天時被玉米秸稈超越，排在第三位。谷子秸稈日產氣量在第2天達到最大，發酵3d后產氣量開始緩慢下降。水稻秸稈的日產氣量雖然從第4天到發酵結束后，僅低于玉米秸稈，但因水稻秸稈前期的產氣高峰最低，最后累積產氣量僅高于大豆秸稈。大豆秸稈前期的產氣效率較低，且在第3天后日產氣量迅速下降，累積產氣量為6種秸稈中最低。

　　2.2沼氣成分含量變化

　　由圖4～圖9可知，甲烷含量的最高值從大到小依次是：綠豆秸稈在發酵進行的第3天，甲烷含量達到最高值為60.2%；糜子秸稈第4天達到53.5%；玉米秸稈第4天達到52.8%；谷子秸稈第3天達到50.0%；水稻秸稈第2天達到49.7%；大豆秸稈第3天達到48.4%。各秸稈發酵11d甲烷含量平均值從大到小依次是：綠豆（47.1%）、玉米（45.9%）、糜子（45.4%）、谷子（44.7%）、水稻（43.8%）和大豆（41.9%）。所有秸稈的甲烷含量在第1天均較低，且變化趨勢都為先升高，穩定后，再降低。隨著反應的進行，CO₂的含量逐漸減少，其他氣體（Balance，BAL）成分逐漸升高，O2濃度在整個發酵過程的沼氣成分中僅占1%～9%。

　　2.3日產甲烷量、累積產甲烷量變化

　　如圖10所示，6種秸稈均在發酵第2天達到產甲烷高峰，其從大到小依次是：綠豆（1213mL）、糜子（939mL）、谷子（760mL）、大豆（661mL）、水稻（533mL）和玉米（529mL）。如圖11所示，6種秸稈累積產甲烷量的變化，從大到小依次是：綠豆（3623mL）、玉米（3289mL）、糜子（2999mL）、谷子（2877mL）、水稻（2634mL）和大豆（2035mL）。日產甲烷和累積產甲烷的特性均與產沼氣特性一致，且無論是沼氣產量還是甲烷產量，綠豆秸稈均為最高。

　　2.4TS產氣率、有效TS產甲烷率變化

　　圖12為6種秸稈厭氧發酵的TS產氣率，其中綠豆秸稈的TS產氣率最高為131.0mL·g^-1，然后依次是玉米秸稈126.8mL·g^-1，糜子秸稈117.5mL·g^-1，谷子秸稈114.1mL·g^-1，水稻秸稈105.3mL·g^-1，大豆秸稈84.0mL·g^-1。

　　有效TS產甲烷率為各反應體系每消耗1g的總固體含量所對應的產甲烷量。如圖13所示，6種秸稈的有效TS產甲烷率中綠豆秸稈最高為483.7mL·g^-1，糜子秸稈次之，為470.7mL·g^-1，然后依次是玉米秸稈348.0mL·g^-1，谷子秸稈345.4mL·g^-1，水稻秸稈342.1mL·g^-1，大豆秸稈的最低為242.3mL·g^-1。

　　2.5總有機碳和總氮變化

　　圖14和圖15為6種秸稈發酵沼液消化前后總有機碳和總氮含量的變化。反應前后總有機碳減重率從大到小依次為：綠豆（43.25%）、玉米（32.60%）、糜子（26.33%）、谷子（25.71%）、水稻（24.82%）和大豆（22.22%）。總氮減重率的大小依次為：綠豆（21.77%）、玉米（18.09%）、糜子（17.39%）、谷子（15.38%）、水稻（14.47%）和大豆（13.11%）。綠豆秸稈沼液消化前后總有機碳和總氮的減重率均最大，分別減少了43.25%和21.77%，綠豆秸稈的累積產氣量也為最高。通過SPSS軟件相關性分析可知，秸稈的累積產氣量與總氮減重率（p=0.017）顯著相關，與總有機碳減重率（p＞0.05）不相關。

　　2.6木質纖維素降解率，C/N與累積產氣量相關性分析

　　木質纖維素是秸稈材料中難以被降解的有機物，因此要提高秸稈類生物質的資源利用率，降解木質纖維素是其首要步驟。由表2可知，6種秸稈中綠豆秸稈的纖維素降解率最高為15.43%，大豆秸稈的最低為4.34%；綠豆秸稈的半纖維素降解率最高為9.86%，大豆秸稈的半纖維素降解率最低為3.25%。秸稈的累積產氣量與纖維素降解率（p=0.015）和半纖維素降解率（p=0.024）顯著相關，與木質素降解率（p＞0.05）不相關。

　　對各秸稈發酵液的C/N進行測定，結果如表3，各發酵液C/N分別為玉米秸稈29.04，水稻秸稈36.58，大豆秸稈48.69，谷子秸稈35.90，糜子秸稈30.54，綠豆秸稈23.31。秸稈的累積產氣量與發酵液的C/N（p=0.001）極顯著相關。

　　3討論

　　目前對農作物秸稈厭氧發酵產沼氣的研究主要集中在玉米、水稻等大田農作物秸稈上。楊立[11]等以玉米、水稻和棉花秸稈為發酵原料，進行厭氧發酵產沼氣研究發現，各秸稈累積產氣量為：棉花秸稈＞玉米秸稈＞水稻秸稈。趙玲[12]等研究牛糞與玉米、水稻、大豆秸稈混合厭氧發酵產氣效果發現，牛糞與玉米秸稈產氣效果最為理想，其次為水稻秸稈和大豆秸稈。以上結論均與本試驗不同秸稈累積產氣量玉米秸稈＞水稻秸稈＞大豆秸稈結論一致。而劉德江[13]等研究不同農作物秸稈干發酵產沼氣對比試驗發現，產氣率以水稻秸稈最好，其次為玉米秸稈，小麥秸稈最差。這與本試驗不同，可能是由于其在實驗前先采用5%的NaOH溶液對各秸稈進行了預處理，且發酵的TS高達22%等因素有關。

　　農作物秸稈中木質纖維素含量豐富，作為厭氧發酵原料時，其中纖維素的分解是全過程速率的限制因素[14]。本試驗中綠豆秸稈的纖維素降解率最高，且累積產氣量最高；大豆秸稈的纖維素降解率最低，相應的累積產氣量最低。向松明[15]等通過對大豆秸稈等多種纖維材料進行分析得到，大豆纖維素含量高達47.87%，與木材（紅松、樺木）的纖維含量相似，并且大豆秸稈中含有較多酚型的對羥苯基結構單元，微生物很難利用其結構，這也可能是導致大豆產氣量較低的原因之一。

　　Wang[16]等通過研究溫度和C/N對水稻秸稈和牛糞、雞糞混合發酵的影響，發現當溫度為35℃，C/N為25時，產甲烷潛力最高。本試驗中綠豆秸稈發酵的C/N為23.31，且其TS產氣率最高。

　　Smith[17]等通過實驗表明不同C/N對厭氧發酵影響顯著，且C/N在20～40之間厭氧發酵效果最好。而大豆秸稈發酵的C/N為48.69，其TS產氣率也最低。C/N較高會造成厭氧酸化充分，抑制微生物生長，從而使反應體系酸化，影響產氣進行[18]。本試驗秸稈的累積產氣量與總氮減重率顯著相關，這可能是由于發酵原料中的秸稈通過產酸菌的作用將部分含氮化合物水解成小分子物質，用于微生物的生長，最終有機氮經過氨化作用、反硝化作用釋放N₂[19]。

　　本試驗中，雜糧作物秸稈（谷子、糜子、綠豆）的產氣潛力普遍高于大田作物秸稈（玉米、水稻、大豆）。但要明確雜糧作物秸稈沼氣發酵的具體特性，還需對厭氧發酵過程中接種物和底物比例、水力停留時間、揮發性脂肪酸、微生物群落多樣性等[20-21]做進一步研究。

　　4結論

　　（1）在本試驗條件下，6種秸稈的累積產氣量、累積產甲烷量和TS產氣率從大到小均依次為：綠豆秸稈＞玉米秸稈＞糜子秸稈＞谷子秸稈＞水稻秸稈＞大豆秸稈。

　　（2）6種農作物秸稈的累積產氣量與總氮減重率，纖維素和半纖維素降解率，C/N顯著相關。總氮減重率越大，纖維素和半纖維素降解率越高，C/N越接近23，產氣效果越好。