秸秆预处理技术存在的问题与发展前景

由于世界经济对能源的巨大需求,而传统的不可再生的石化能源已无法满足供应,人们的目光开始聚集到新能源领域。其中使用厌氧发酵技术处理农业有机废弃物,正在受到越来越多的关注。但是实践应用并不理想,这涉及诸多因素,其中秸秆含有大量难降解的木质素和纤维素,难于直接被厌氧微生物利用是首先要解决的问题。秸秆预处理是提高秸秆原料利用率,加大产气量,缩短启动时间的有效手段。     

长三角地区秸秆焚烧污染物排放清单及其在重霾污染天气模拟中的应用

根据2008年长三角地区江苏、安徽、浙江3省各地级市及上海市水稻、小麦、玉米、油菜4种农作物的年产量,结合谷草比、秸秆焚烧比例及排放因子建立了长三角地区秸秆焚烧大气污染物排放清单.结果表明：长三角地区秸秆焚烧产生的PM10、PM2.5、SO2、NOx、CO、EC、OC分别为36.8×104、14.4×104、1.5×104、9.2×104、20.8×104、2.6×104、12.2×104t.秸秆焚烧污染物排放量较大的区域主要集中在江苏中北部和安徽北部.在区域大气环境模拟系统RegAEMS中考虑秸秆焚烧源的影响,针对2008年10月底江苏一次重霾污染天气事件进行模拟,发现考虑秸秆焚烧源后模拟结果有较大的改善.秸秆焚烧可以导致区域PM10、CO浓度上升30%以上,黑碳和有机物的消光贡献明显增强.区域输送研究表明,苏中地区、外省秸秆焚烧排放源对此次重霾污染的贡献分别达到32.4%、33.3%.     

长期配施秸秆对灰漠土质量的影响

利用国家灰漠土肥力与肥料效益长期定位试验,采用长期不施肥、常规施化肥和长期配施秸秆(玉米秸秆或小麦秸秆)等不同施肥措施相比较的方法,研究长期秸秆还田土壤养分的年际变化,以及对土壤动物、微生物、酶活性的影响。研究发现:⑴长期配施秸秆能提高土壤速效氮、磷、钾含量,平均分别提高15%、48%和22%;⑵配施秸秆对土壤昆虫群落呈正向作用且贡献最大,主要增加了大型、中小型农田土壤动物的个体总数和优势类群数量,尤其是疣跳科和等节跳科动物个体数量增加近10倍;⑶土壤养分与土壤细菌、固氮菌、氨化细菌、纤维分解菌和反硝化细菌呈正相关,秸秆还田激发土壤有益微生物的生长和类群数量,使土壤微生物类群数量比对照增加15%~44%;⑷土壤养分与土壤磷酸酶、脲酶、蔗糖酶活性呈正相关,与过氧化氢酶呈负相关,秸秆还田增强土壤蔗糖酶、磷酸酶和脲酶活性,特别是脲酶和蔗糖酶活性平均提高26.5%。结果表明,长期配施秸秆提高了土壤动物丰富性和微生物多样性,增加了土壤酶活性,同时生物类群和酶活性的增加也改变了土壤生态环境,加速了土壤熟化。     

不同堆肥材料及引入外源微生物对高温堆肥腐熟度影响的研究

利用畜禽养殖场粪便（ 鸡粪、鸡粪稻壳和猪粪） 和农业废弃物（ 稻壳） 在自动化堆肥装置中进行堆肥试验,探讨不同碳氮比和引入外源微生物后对堆肥腐熟度及养分含量与形态的影响及寻找畜禽粪便快速、高效的高温堆肥方法和条件．结果表明：稻壳是一种硅含量较高难分解的高碳素含量原料,在堆肥前后碳素和 Ｃ／ Ｎ（ ｍ／ｍ） 比变化较小,因而不能以 Ｃ／ Ｎ 比变化来确定堆肥是否腐熟;堆肥水浸提液 Ｗ Ｓ Ｃ／ｏｒｇ － Ｎ（ ｍ／ ｍ） 比和发芽率指数（ Ｉ Ｇ） 指标可以确切反映堆肥的腐熟度．试验比较表明：采用猪粪：稻壳鸡粪：稻壳＝ ６ ：３ ．８（４） ：５ 的质量比,再添加ｗ ＝ ０ ．５ ％ 的快速发酵菌剂,能加速稻壳堆肥腐熟,显著缩短发酵时间,一般堆制１４ ～２１ ｄ 即达到要求     

秸秆不同还田方式对土壤中溶解性有机碳的影响

土壤溶解性有机质及其可利用性与土壤质量密切相关。通过研究秸秆不同还田方式(粉碎还田、覆盖还田、高茬还田)对农田土壤溶解性有机碳的影响,探讨了土壤溶解性有机碳对土壤质量的贡献。水溶性有机碳(WSOC)和热水溶性有机碳(HWSOC)通过冷水和热水提取获得。结果表明:秸秆还田能够增加土壤有机质的含量,影响土壤中水溶性有机碳和热水溶性有机碳的含量。在粉碎还田、覆盖还田、高茬还田处理中,粉碎还田的农田土壤中WSOC和HWSOC的含量比覆盖还田、高茬还田的高,粉碎还田的农田土壤中的WSOC和HWSOC占土壤有机碳的百分比也最高。另外,WSOC和HWSOC与土壤呼吸有很好的相关性(相关系数分别为0.75,0.85)。     

秸秆还田下改良剂对水稻生长和Cd吸收积累的影响

土壤中的镉（Cd）易在水稻中积累而威胁人体健康,秸秆还田下不同化学改良剂对水稻Cd 吸收累积特性的影响效应值得关注.选取成都平原德阳市旌阳区Cd 污染稻田为研究对象,开展小区试验,研究秸秆（油菜、小麦）直接还田下添加石灰、钙镁磷肥、海泡石3 种改良剂对水稻生长和Cd 吸收累积的影响.结果表明：与对照相比,油菜秸秆＋钙镁磷肥和小麦秸秆＋海泡石处理均能增加水稻株高、分蘖数和产量,其中产量提高了6.34%和12.64%,达显著水平（P〈0.05）.秸秆还田下,配施改良剂（石灰、钙镁磷肥、海泡石）均能显著降低（P〈0.05）水稻糙米Cd 含量,较对照降幅分别为21.65%-36.75%（油菜秸秆还田）和21.11%-33.87%（小麦秸秆还田）.油菜秸秆＋改良剂（石灰、钙镁磷肥、海泡石）促进了土壤Cd 向茎叶的累积,较对照增加1.31-2.41 倍,这对水稻秸秆（茎叶）还田利用有不利影响.小麦秸秆＋石灰或海泡石处理均显著降低了茎秆、谷壳Cd 积累,较对照降幅为6.28%-19.63%和70.16%-78.68%.综合水稻产量及其对土壤Cd 吸收累积效应,油菜秸秆配合改良剂（海泡石、石灰和钙镁磷肥）、小麦秸秆＋海泡石是较为理想的秸秆还田与改良剂配合处理技术.     

不同预处理方式对玉米秸秆结构及产气特性的模拟研究

以玉米秸秆为原料,在25℃条件下,分别采用沼液及不同含量的NaOH溶液对秸秆进行预处理,研究NaOH投加量与秸秆纤维结构、预处理料液理化性质以及产能特性之间的关系。结果表明,采用4 mg·g-1NaOH溶液预处理7 d后,料液中COD浓度已基本稳定,溶液pH值在7~8之间,可直接装罐发酵。利用扫描电镜观测预处理后秸秆结构变化状况,发现经4 mg·g-1NaOH溶液预处理后的秸秆表层结构粗糙、多孔,有助于厌氧微生物与可发酵底物的接触,产气量是未经预处理玉米秸秆的5.5倍,其干物质产气率为225.8 mL·g-1。综合考虑产气效率、生产成本及工程操作,采用4 mg·g-1NaOH溶液预处理秸秆更利于工程推广应用。     

秸秆还田配施生物炭对关中平原夏玉米产量和土壤N2O排放的影响

为探明秸秆还田配施生物炭对夏玉米产量和土壤氧化亚氮（N₂O）排放的影响,基于2019~2020年关中平原田间定位试验,利用静态暗箱-气相色谱法监测了土壤N₂O排放通量,综合分析夏玉米产量、土壤N₂O排放和土壤活性氮组分,明确了秸秆还田配施生物炭在培肥土壤、增产减排方面的效应.以秸秆不还田（S₀）为对照,设置秸秆还田（S）和秸秆还田配施生物炭（SB）共3个处理.结果表明,各处理N₂O排放峰值出现在秸秆还田后10 d,秸秆还田30 d后土壤N₂O排放通量处于较低水平,土壤N₂O排放通量与铵态氮（NH₄⁺-N）、无机氮、微生物量氮（MBN）和可溶性有机氮（DON）含量呈显著的正相关关系（P<0.05）.S较S₀显著增加夏玉米产量、N₂O累积排放量、单位产量N₂O累积排放量和土壤总氮（TN）含量,分别为7.4%~13%、65.8%~132.2%、54.6%~103%和27.8%~33%.虽然SB较S提高夏玉米产量（2.5%~3.3%）的趋势不显著（P>0.05）,但是SB较S显著降低N₂O累积排放量和单位产量N₂O累积排放量,分别为24.0%~27.3%和26.4%~29.2%.在土壤N₂O排放通量达到峰值时,SB较S显著降低土壤N₂O排放通量45.1%~69.6%,生物炭能够缓解秸秆还田所诱发的土壤N₂O排放,具有削峰的作用.SB较S显著增加土壤总氮9.1%~12.2%.综合作物产量、N₂O排放和土壤总氮,对夏玉米生产而言,秸秆还田配施生物炭不仅培肥地力,提高夏玉米产量,而且减少单位产量N₂O累积排放量,是可供推广的兼顾作物产量和环境友好的适宜管理措施.     

作物秸秆材料处理养殖废水中氮的周年去除效果及其对氮循环微生物丰度的影响

基于前期研究,利用秸秆材料处理养殖废水,能够有效降低养殖废水中氮的浓度,但周年去除效果及其对氮循环微生物丰度的影响尚不清楚.设置麦秸、玉米秆、稻草和空白对照这4个处理,试验周期为1 a,研究秸秆材料处理养殖废水中氮的周年去除效果及其氮循环微生物功能基因丰度动态变化.结果表明：① 3种作物秸秆对养殖废水TN和NH₄⁺-N等主要污染物的去除效率均以前6个月为最佳,后6个月去除效率明显下降;稻草及麦秸对TN和NH₄⁺-N的周年去除效果较好,其中稻草和麦秸对TN去除率分别为（32.81±11.34）%和（32.99±9.60）%,对NH₄⁺-N去除率分别为（35.3±13.23）%和（34.97±12.00）%;②添加秸秆材料生物基质消纳系统中氮循环微生物功能基因nirK、nirS和hzsB基因丰度为6.45×10⁹、6.18×10⁹和2.31×10⁹copies·L^-1,AOA和AOB基因丰度分别为6.12×10¹⁰copies·L^-1和4.93×10⁹copies·L^-1;16S rRNA高达8.90×10¹⁰copies·L^-1,均显著高于空白处理（P<0.05）.其中添加稻草和麦秸处理中hzsB基因和nirS基因丰度相对较高,表明添加稻草和麦秸显著增强了生物基质消纳系统厌氧氨氧化和反硝化微生物作用.同时,相较于其他处理,添加麦秸增加了生物基质池AOA和AOB基因丰度,表明麦秸能够促进生物基质消纳系统的硝化作用.以上研究结果为秸秆材料处理养殖废水中氮去除分子机制提供了数据支撑.     

秸秆生物质炭土地利用的环境效益研究

农田土壤有机碳矿化释放CO2是农业温室气体排放的重要途径,促进土壤碳截获对于减缓全球温室效应具有重要意义。生物质炭具有改良土壤性质、促进土壤团聚体的形成、对土壤微生物生态具有调控作用等特性。因此,生物质炭对增强土壤碳截获能力及减少土壤CO2气体排放可能具有重要作用。采用实验室盆栽的方式,以黑麦草为目标植物,对农业秸秆生物质炭土地利用的环境效益进行了研究。实验结果表明：农业秸秆制生物质炭应用于农田土壤能产生多方面的环境效益。与对照相比,添加1%~4%生物质炭处理的土壤活性有机质质量分数均增加了25%以上,土壤呼吸度降低了23%~50%,同时,添加生物质炭对植物的生长也有促进作用。添加4%秸秆炭的处理的黑麦草生物量增加了68%。此外,秸秆生物质炭的添加对土壤中的养分具有较好的持留功能,与比照相比,添加生物质炭处理的土壤淋出液中氮和磷质量浓度显著降低,说明生物质炭能够有效减少水冲刷造成的氮磷流失,降低农业面源污染。