1材料与方法
1．1试验材料采集
选取来自安徽省、江西省和上海市的水稻秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆和棉花秸秆共计127个样品，不同地块或不同品种的样品记作不同的样品。根据当地种植区域分布及样品种类选择采样点，保证采样科学、具有代表性，采集不同品种的样品以保证实验数据适用于本样品的全部品种。水稻秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆和棉花秸秆采集分布如表1所示。样品采集时间选择在该作物的收获期，在每个地块根据地形科学布点，每个样品采集3～5kg，使用已做好标记的绳子将样品捆扎结实;同时，完成现场记录表的填写，将样品的采集时间、地点、样品品种、种植方式、收获季节等信息记录完整。
1．2试验材料制备
将采集好的秸秆按种类分类标记，风干后使用枝桠粉粹机(福轮力特112M－4)进行粗粉，得到粗粉样品放入45℃烘箱中烘干;然后用中药粉碎机(大德药机DFY－500)中进行细粉，细粉样品再经40目筛分(粒径＜0．63mm);样品制备完成后装于自封袋中，做好标签，放在干燥器中保存，用于试验测试。
1．3试验方法
以制备好的秸秆粉末样品为原料，采用四分法选取50g样品进行纤维素(cellulose)、半纤维素(hemi-cellulose)、木质素(lignin)、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维及粗蛋白等化学性质的测定。各指标的测定多采用国家标准、美国材料与试验协会ATSM标准和AOAC国际标准。对水稻秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆和棉花秸秆进行化学特性测定，各指标测定标准如表2所示。1)纤维素、半纤维素:纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体。这些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖等。本测试采用高效液相色谱(Waters1515－2414)法通过测量糖的含量来测定纤维素和半纤维素的含量。2)木质素:采用紫外分光光度法测得酸性可溶性木质素，用灼烧法(575℃)测差重得到不可溶性木质素、木质素的总含量及两部分的总和。3)中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维:用纤维测定仪测定。4)粗蛋白:用凯氏定氮仪测定。
1．4试验仪器
枝桠粉碎机、中药粉碎机、天平、VELP纤维测定仪FIWE6、烘箱、马弗炉、Waters1515－2414高效液相色谱仪、UV－1800型紫外分光光度计、凯氏定氮仪等。1．5数据分析方法采用MicrosoftExcel2010、IBMSPSSStatistics20单因素方差分析等方法。
2结果与分析
2．1纤维素、半纤维素和木质素含量变化
纤维类物质包括纤维素、半纤维素和木质素。纤维类物质含量的高低可以作为生物质能原料选择的重要依据。图1为水稻秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆和棉花秸秆的纤维类物质含量。由图1可知，4种秸秆之间纤维素、半纤维素和木质素的含量差异显著。根据试验，可以得出水稻秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆和棉花秸秆的纤维类物质的含量范围如下:纤维素23%～53%、24%～41%、21%～34%、23%～44%，半纤维素10%～26%、18%～26%、9．7%～38%、11%～20%，木质素14%～33%、22%～32%、17%～19%、41%～46%。其中，纤维素和半纤维素含量与文献报道中的范围一致［7］。由于秸秆中的木质纤维素含量较高，不能被厌氧菌有效地降解，相对于畜禽粪便等易消化的物料，秸秆制取沼气技术要困难得多，尤其是对于木质素含量最高的棉花秸秆。但我国秸秆资源量巨大，农村沼气池的推广工作开展顺利。为解决秸秆难以降解制取沼气的问题，需要解决一些关键性的技术问题。首先，需要研究各种预处理方法，通过预处理提高秸秆的可生物消化性能、消化效率和产气率;其次，根据秸秆体积大、密度小、不具有流动性等特点，可研究适合其物料特性的专用高效厌氧消化反应器，并研究出较优的反应器运行参数［8］。相比沼气，秸秆在生物质热解或炭化时，纤维素和半纤维素主要产生挥发性物质，而木质素主要分解为焦炭［9］。由图1可知，棉花秸秆的木质素含量最高，不适合热裂解液化产生生物油，其次为玉米秸秆。有研究表明，纤维素和半纤维素发生热化学气化反应时碳的转化率高，可转化为CO、CO2，且提高温度，有利于提高CO含量和降低CO2含量［10］;而木质素中碳的转化率低，多转化为CH4［11］，此过程主要发生在800℃，且CH4的生成量受温度影响大。木质纤维素原料生产乙醇的过程主要分为两步:纤维素和半纤维素水解为可发酵性糖，糖发酵成醇。水解过程通常用酸或酶作为催化剂;而木质素本身结构很稳定，很难被一般的溶剂溶解，因此木质纤维素生物质制取乙醇的过程中，木质素一般需要去除。纤维素/半纤维素的比值大更适合生产乙醇［12］，因此水稻秸秆更适合生产乙醇。
2．2化学分析
秸秆作为饲料时，其营养品质主要取决于秸秆中粗蛋白、中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤洗维(ADF)的含量。对水稻秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆和棉花秸秆进行了中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维和粗蛋白的测定，结果如表3所示。水稻秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆和棉花秸秆的中性洗涤纤维的含量范围分别是42．6%～77．7%、56．7%～82．9%、65．4%～75．9%和54．7%～84．2%;酸性洗涤纤维的含量范围分别是31．9%～58．8%、31．4%～55．8%、54．9%～65．3%和40．8%～69．7%;粗蛋白含量范围分别是3．2%～11．5%、3．9%～11．4%、2．2%～9．4%和3．2%～11．3%。玉米中洗涤纤维和粗蛋白含量与文献中范围一致［13］。其中，品种不同，含量有所差异。油菜秸秆中粗蛋白含量文献值稍高，可能是由于不同地区粗蛋白含量有所差异。水稻秸秆和棉花秸秆中粗蛋白的含量与文献含量范围一致［14－15］。秸秆经过酵母菌或其他微生物发酵，粗蛋白含量大大提高，同时提高粗纤维的降解率，从而更加适于作畜禽饲料［6］。
3结论
1)纤维素/半纤维素的比值大更适合生产乙醇，因此水稻秸秆更适合生产乙醇。2)纤维素和半纤维素发生热化学气化反应时碳的转化率高，可转化为CO、CO2;木质素中碳的转化率低，多转化为CH4。因此，玉米秸秆热化学转换时更易转化为CO、CO2;棉花秸秆热化学转换时更易转化为CH4。3)棉花秸秆中木质素含量最高，不适合热裂解液化产生生物油;其次为玉米秸秆。4)4种秸秆的平均热值排序为:棉花秸秆＞玉米秸秆＞水稻秸秆＞油菜秸秆。油菜秸秆中K、Na、Ca含量偏高，如果用于直燃发电时，既不能产生较多热量，又容易使锅炉结渣，因此不适于直燃发电。
作者：王璐 黄历 陶懿伟 刘荣厚 单位：上海交通大学 农业与生物学院生物质能工程研究中心
