段 珍，張紅梅，張建華，王 珺，梁建勇，李 霞，李曉康

(甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730030)

農(nóng)作物秸稈飼料研究進(jìn)展

段 珍，張紅梅，張建華，王 珺，梁建勇，李 霞，李曉康

(甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730030)

農(nóng)作物秸稈具有巨大的資源潛力，科學(xué)有效地提高家畜對(duì)農(nóng)作物秸稈的利用率備受人們關(guān)注。主要從農(nóng)作物秸稈的營養(yǎng)價(jià)值、加工利用、收獲機(jī)械化等方面進(jìn)行了闡述，歸納出了目前農(nóng)作物秸稈營養(yǎng)價(jià)值受限的因素以及主要的處理方法。明確了選擇合適的加工方式是秸稈飼料化利用的有效方式，并展望了農(nóng)作物秸稈收獲機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)，為農(nóng)作物秸稈飼料化利用提供參考。

農(nóng)作物秸稈；飼料；營養(yǎng)價(jià)值；加工利用

農(nóng)作物秸稈作為一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)品，是一項(xiàng)重要的具有巨大潛力的生物資源。傳統(tǒng)農(nóng)作物秸稈的應(yīng)用存在各種局限性，秸稈不易腐爛，過量還田對(duì)土壤有副作用，就地焚燒不但會(huì)使秸稈的有機(jī)成分損失，還會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境[1]。在Li等[2]的研究中介紹了秸稈廢棄物作為一種可獲得糖為琥珀酸酸發(fā)酵提供碳源，因此農(nóng)作物秸稈是合成琥珀酸的潛在生物資源。另外，秸稈可以用作草食家畜飼料，且秸稈飼料化利用，是提高秸稈綜合利用率的有效途徑，是推動(dòng)畜牧業(yè)發(fā)展的有效動(dòng)力。目前，農(nóng)作物秸稈作為飼草料逐漸承擔(dān)起越來越重要的角色，有數(shù)據(jù)顯示：全國每年秸稈總量超過6億t[3]，有力支撐了養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。然而秸稈飼料的利用率很低，動(dòng)物采食秸稈消耗的能量已高于秸稈中可利用的能量，只有通過科學(xué)合理地加工利用，才能有效提高秸稈飼料的消化率和營養(yǎng)價(jià)值，為牛羊等家畜利用。

1 農(nóng)作物秸稈概述

農(nóng)作物秸稈是指農(nóng)作物待籽實(shí)成熟后收割脫粒的剩余部分，其主要由兩部分組成，一部分是由莖稈、枝葉組成，稱為秸稈；一部分是莢殼，約占15%[4]。我國傳統(tǒng)的種植業(yè)結(jié)構(gòu)是以小麥、玉米、稻谷和豆類為主，因此，麥秸、玉米秸、稻草和豆秸亦是我國主要的秸稈資源，共占總秸稈量的80%以上[5]。我國農(nóng)作物秸稈資源有近20余種[6]，數(shù)量巨大，目前，農(nóng)作物秸稈相對(duì)過剩，已漸漸超出農(nóng)作物秸稈的自然處理能力，不能得到有效的利用；此外，大量的秸稈資源被焚燒或丟棄，也會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。

2 農(nóng)作物秸稈的營養(yǎng)價(jià)值

秸稈中富含著農(nóng)作物光合作用一半以上的產(chǎn)物，且富含N、P、K、Ca、Mg和部分有機(jī)質(zhì)等，是一種具有多用途的可再生的生物資源[7]，一旦能夠被人類合理利用，將是一個(gè)取之不盡用之不竭的資源庫。由于秸稈的成分受諸多因素的影響，同一秸稈生產(chǎn)在不同地區(qū)，其成分也會(huì)存在差異。究其原因，影響農(nóng)作物秸稈營養(yǎng)價(jià)值的因素主要包括以下五方面：

第一，由于秸稈種類的不同，不同作物秸稈的營養(yǎng)價(jià)值差異較大。有研究證明，稻草秸稈、小麥秸稈和玉米秸稈的營養(yǎng)成分含量差異很大，其中粗蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5.1%、4.1%和9.8%，中性洗滌纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為61.9%、73.0%和70.4%，木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4.6%、8.4%和4.9%，干物質(zhì)消化率分別為55.4%、47.3%和49.1%[8]。

第二，同一作物秸稈不同部位的營養(yǎng)價(jià)值不同。例如，玉米秸稈中木質(zhì)素主要集中在莖皮，且木質(zhì)化程度也是最高的，木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)9.36%，降解最少；而葉片的木質(zhì)素和纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，分別為4.24%和35.6%，粗蛋白質(zhì)和半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，分別為7.22%和30.7%[9]。

第三，收獲期不同也導(dǎo)致秸稈營養(yǎng)價(jià)值的差異。作物成熟收獲前期營養(yǎng)價(jià)值較高，成熟后隨著時(shí)間的推移營養(yǎng)價(jià)值越來越低。有研究證明甜玉米秸稈冬季在摘穗后6天內(nèi)收割，夏季在摘穗后9天內(nèi)收割營養(yǎng)價(jià)值較高[10]。

第四，秸稈貯藏方法對(duì)其營養(yǎng)價(jià)值也有一定的影響。Ishizaki等在研究中將成熟階段的整株小麥和小麥秸稈青貯2～12個(gè)月后發(fā)現(xiàn)，整株小麥青貯和小麥秸稈青貯均保存良好，且整株小麥青貯飼料在瘤胃中能提供可發(fā)酵能量。此外小麥秸稈也可以通過青貯用作纖維材料[11]。

第五，生長(zhǎng)環(huán)境對(duì)作物秸稈間營養(yǎng)價(jià)值的影響也不容忽視，植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育離不開特定的環(huán)境條件。在農(nóng)作物的不同發(fā)育階段，土壤營養(yǎng)狀況、水分、溫度、光照強(qiáng)度以及病蟲害都有直接的影響，進(jìn)而影響農(nóng)作物秸稈的營養(yǎng)價(jià)值。

有報(bào)道指出，秸稈含有70%的碳水化合物[12]，用作飼料具有巨大的潛力。且農(nóng)作物秸稈約占農(nóng)作物生物學(xué)產(chǎn)量的60%[13]，因此，秸稈做飼料加工利用的研究已迫在眉睫。

3 農(nóng)作物秸稈飼料化存在的問題

3.1 營養(yǎng)價(jià)值低

由于農(nóng)作物秸稈化學(xué)成分的特性，所含營養(yǎng)物質(zhì)和特殊組織結(jié)構(gòu)使其營養(yǎng)價(jià)值受到一定的限制。作為家畜粗飼料的主要來源，尚具有許多限制性因素。首先，就農(nóng)作物秸稈的營養(yǎng)價(jià)值而言，它具有纖維素類物質(zhì)含量高，粗蛋白質(zhì)含量低，Ca、P等含量低，硅酸鹽含量高，維生素含量缺乏以及消化率低等缺陷[14]。楊云貴等[15]用Van-Soest洗滌法對(duì)作物秸稈的營養(yǎng)價(jià)值進(jìn)行評(píng)定發(fā)現(xiàn)，纖維素與半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和平均為62%，而酸性洗滌木質(zhì)素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%。豆科、禾本科秸稈的粗蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低，約為2%～5%[16]。這都嚴(yán)重影響了家畜的采食量和對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的消化率，從而制約了動(dòng)物生產(chǎn)性能的表現(xiàn)。其次，就農(nóng)作物秸稈的組織結(jié)構(gòu)而言，主要由細(xì)胞壁和細(xì)胞內(nèi)容物組成，且細(xì)胞壁占到了80%以上的比例[12]。其中細(xì)胞壁中的木質(zhì)素、丹寧、角質(zhì)等成分會(huì)阻礙消化或不消化。由于秸稈處于植物成熟后階段，植物細(xì)胞木質(zhì)化程度高，因此粗纖維含量較高，主要包含木質(zhì)素、多縮戊糖、半纖維素、纖維素等，其中纖維素占38%～60%，木質(zhì)素10%～23%，半纖維素5%～25%，總質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)80%以上[17]，農(nóng)作物秸稈中纖維素經(jīng)過胃酸消化會(huì)形成小結(jié)晶。秸稈中粗蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅占3%～7%，且難以被消化[18]。因此秸稈營養(yǎng)價(jià)值相對(duì)較低。相關(guān)研究證明營養(yǎng)價(jià)值高的秸稈飼料通常次生細(xì)胞壁和木質(zhì)化部分的組成水平較低[19]。因此，不經(jīng)過處理的農(nóng)作物秸稈營養(yǎng)價(jià)值低，很難被家畜直接消化利用。

3.2 收獲機(jī)械化水平低

我國秸稈收獲機(jī)從2000年左右開始有了一定的發(fā)展。就秸稈回收利用方面，一般采用分段收獲，首先利用方形打捆機(jī)將晾曬的作物秸稈打捆成型，然后再進(jìn)行壓塊處理等便于運(yùn)輸[20]。目前我國陸續(xù)研發(fā)了小型打捆機(jī)、二次壓縮機(jī)等產(chǎn)品，但是用于秸稈打捆的尚不足15%[21]，因而，相對(duì)于我國秸稈總產(chǎn)量，機(jī)械化程度處于極低的水平。由此看來，收獲機(jī)械化水平低是阻礙農(nóng)作物秸稈飼料化的另一重要原因。

4 農(nóng)作物秸稈飼料化利用的解決方法

4.1 農(nóng)作物秸稈的加工處理

要提高秸稈飼料營養(yǎng)價(jià)值，就必須經(jīng)過秸稈的綜合預(yù)處理和有效的加工處理，其營養(yǎng)價(jià)值才會(huì)有所提高，進(jìn)而提高畜產(chǎn)品的品質(zhì)。

4.1.1 物理處理方法

物理處理方法主要包括切碎、高壓蒸煮、膨化、揉絲和壓塊等。切碎可以破壞部分纖維素晶體結(jié)構(gòu)，削弱纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間的結(jié)合，擴(kuò)大秸稈與消化液的接觸面積，提高農(nóng)作物秸稈的適口性，但不能改變組織結(jié)構(gòu)及提高其營養(yǎng)價(jià)值。高壓蒸煮是運(yùn)用在170℃時(shí)秸稈中的木質(zhì)素被軟化或水解的原理進(jìn)行的。膨化技術(shù)是將原料裝入密閉容器中，經(jīng)一定時(shí)間的高壓熱處理后瞬間泄壓，可成為膨化飼料，此技術(shù)使物料的某些性狀發(fā)生改變從而提高牲畜的吸收量。揉絲技術(shù)是通過精細(xì)加工，使秸稈變成柔軟的絲狀物，能提高牲畜的適口性、采食率和消化率。壓塊是將農(nóng)作物秸稈壓制成高密度餅塊，可以保持其原有的營養(yǎng)成分，有效防止霉變的發(fā)生，同時(shí)減少了儲(chǔ)藏空間，為運(yùn)輸、日常飼喂等提供了便利[22-23]。尤夢(mèng)竹等的研究中證明，玉米秸稈經(jīng)過多級(jí)旋風(fēng)磨機(jī)械預(yù)處理后，物理結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，更容易被相應(yīng)的酶水解而釋放出阿魏酰聚糖[24]。

4.1.2 化學(xué)處理方法

4.1.3 生物處理方法

生物處理法是利用某些特定微生物及分泌物處理農(nóng)作物秸稈及青貯、微貯、酶解等。美國的研究人員從200多種細(xì)菌中篩選出既可固定空氣中的氮，又能利用秸稈纖維作為唯一碳源的菌種，可使發(fā)酵后的秸稈蛋白質(zhì)含量提高3～4倍[29]。青貯是利用微生物的發(fā)酵作用，在適宜的溫度和濕度且密封等條件下，通過厭氧發(fā)酵產(chǎn)生酸性環(huán)境，抑制和殺滅各種微生物的繁衍生長(zhǎng)，形成一種營養(yǎng)不易丟失、適口性好而且容易被動(dòng)物消化吸收的可以長(zhǎng)期保存的青綠多汁飼料，營養(yǎng)物質(zhì)損失率為3%～10%[30]，是動(dòng)物冬春季不可缺少的優(yōu)良飼料。微貯，是在飼料中加入適量的經(jīng)過有機(jī)酸發(fā)酵菌和木質(zhì)纖維素分解菌制備的飼料發(fā)酵菌，在厭氧條件下將木質(zhì)纖維素分解為乳酸和揮發(fā)性脂肪酸，使pH值降低至4.5～5，酸性和厭氧環(huán)境抑制了丁酸等各種有害菌和霉菌的活動(dòng)，從而達(dá)到長(zhǎng)期保存的效果[31]。相關(guān)研究證明稻秸經(jīng)過微貯可以改善適口性和營養(yǎng)價(jià)值，且感官指標(biāo)可達(dá)1級(jí)優(yōu)良，飼喂試驗(yàn)顯示，麻羊干物質(zhì)消化率提高了18.89%，肉羊增重了21.5%[32]。

目前，用微生物降解農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白飼料越來越受到人們的重視。此方法以纖維素為原料，用可產(chǎn)生纖維素酶的一種或多種微生物和酵母在同一容器中連續(xù)進(jìn)行糖化和發(fā)酵，纖維素被水解后產(chǎn)生的葡萄糖又被不斷地用于發(fā)酵，有效地消除了葡萄糖對(duì)纖維素酶的反饋抑制，有利于酶水解的進(jìn)行，從而提高了糖化和發(fā)酵效率[33]。

4.2 提高農(nóng)作物秸稈飼料收獲的機(jī)械化水平

隨著我國飼料加工技術(shù)的發(fā)展，秸稈飼料化設(shè)備的研制應(yīng)用，使得秸稈的利用率大大提高。有研究證明：秸稈還田機(jī)械化作業(yè)成本僅為人工還田的四分之一，較人工還田提高功效40～120倍[34]。無論是飼料加工、飼料化處理還是秸稈還田等，農(nóng)作物秸稈的綜合利用首先要解決的問題是收獲問題，如果沒有合適的機(jī)械進(jìn)行收獲，那么秸稈的綜合利用則無從談起。鑒于農(nóng)作物秸稈的相對(duì)利用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，發(fā)展使用低成本的收獲機(jī)械具有巨大的發(fā)展前景。為了解決機(jī)械化水平低所帶來的一些問題，還需要研發(fā)小型化機(jī)械相關(guān)設(shè)備加以解決。

第一，小型秸稈打捆機(jī)的繼續(xù)開發(fā)應(yīng)用。我國幅員遼闊，種植結(jié)構(gòu)復(fù)雜，種植模式分散，應(yīng)該研制出適合我國農(nóng)業(yè)要求的不同形式的打捆機(jī)。

第二，收獲打捆一體機(jī)的研發(fā)。分段式收獲成本較高，且會(huì)造成水分或營養(yǎng)成分的損失，打捆收獲一體機(jī)則可有效控制物料的浪費(fèi)[35]。按照打捆裹膜機(jī)的生產(chǎn)效率[36]，每小時(shí)30捆，每捆550 kg，每天10 h的生產(chǎn)量計(jì)算，每天應(yīng)加工165 t，但實(shí)際上有效的打捆作業(yè)時(shí)間很短，主要浪費(fèi)在前處理上，因此，如果要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，首先得提高前處理設(shè)備的生產(chǎn)效率。

第三，青貯纏網(wǎng)裹膜與秸稈壓縮成型技術(shù)及裝備研發(fā)[37]。青貯可以減少飼料的養(yǎng)分損失，保存時(shí)間長(zhǎng)且可提高消化率，飼喂效果好。裹包青貯有助于飼料的商品化，在達(dá)到青貯效果的同時(shí)，加工方便，占用空間小，便于運(yùn)輸。岳信龍等對(duì)蠶豆秸稈進(jìn)行拉伸膜裹包青貯試驗(yàn)，對(duì)其營養(yǎng)成分進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析證明了裹包青貯的良好效果[38]。

總之，我國農(nóng)作物秸稈收獲機(jī)械化程度處于初級(jí)發(fā)展階段，加大研究和推廣力度，可以有效解決秸稈綜合利用收獲瓶頸的問題。

5 結(jié)語

目前，農(nóng)作物秸稈飼料化是秸稈有效利用的主要方式之一，選擇合理的加工方式都能不同程度地提高秸稈飼料的營養(yǎng)價(jià)值。其中，應(yīng)加大對(duì)秸稈綜合利用的機(jī)械化裝備、秸稈收獲機(jī)械的研發(fā)力度，提高效率，節(jié)約成本。因此，秸稈飼料加工機(jī)械化具有廣闊的發(fā)展前景。

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[38] 岳信龍,蔡 明,牟 蘭,等.蠶豆秸稈拉伸膜裹包青貯營養(yǎng)成分動(dòng)態(tài)變化研究[J].家畜生態(tài)學(xué)報(bào),2016,37(6):51-54.

(責(zé)任編輯：梅 竹)

Research progress of feeding crop straw

DUAN Zhen,ZHANG Hong-mei,ZHANG Jian-hua,WANG Jun,LIANG Jian-yong,LI Xia,LI Xiao-kang

(Gansu Academy of Mechanical Sciences,Lanzhou 730030,China)

Crop straw have great resource potential,which attracted much attention for improving scientifically the utilization of livestock to crop straw. We elaborated the nutritional value,processing and utilization,harvesting mechanization of crop straw,and summarized the limiting factors of nutritional value of crop straw and the main processing methods. It was clear that choosing suitable processing mode was an effective way of straw feed utilization.We forecasted the development trend of crop straw harvesting machinery,which provided theoretical support for the utilization of crop straw.

crop straw;feed;nutritional value;processing

2016-11-16；

2017-01-11

甜高粱良種繁育、高效種植、收獲機(jī)械、農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合技術(shù)研究與示范推廣(1502JKDA006)；甘肅省草地農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)資金(1309RTSA037)資助。

段 珍(1989-)，女，碩士研究生，主要從事青貯飼料品質(zhì)評(píng)價(jià)工作。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.02.009

S816.9

A

1003-6202(2017)02-0040-04