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烤烟秸秆整株发酵综合应用技术研究(图)
2016年06月03日来源:烟草在线作者:罗定棋、高勇、王毅

  烟草在线专稿  摘要:本文系列报道四川省烟草公司设立的烤烟秸秆整株发酵综合应用技术研究进展,在总结与研究国内外有关烟草秸秆研究与应用基础上,独立地思考、研究与开发四川省这一废弃资源。根据今后形成的新产业,预测国内外有关烟草秸秆方面的发展方向。

  全文包括烟草秸秆研究应用综述(一)、物理、化学性质(二)、微生物特征(三)、机械与设备(四)、烟叶农业试验(五)、非烟草农业试验(六)、土壤修复与保育(七)和烟叶分析与评吸(八),系列报道这一项目的研究动态。

  烟草秸秆研究应用综述(一)

  一、烟草秸秆

  

  烟草秸秆指烟叶种植地上部分“烟杆”和烟叶种植地下部分“烟篼”,是烟叶经过120天左右田间生长后的自然产物,在烟叶生产中被作为废弃物。烟叶生产需要大肥大水、光照充足、在120天农艺生长中吸收空气、土壤和肥料中养分,形成青烟叶和烟草秸秆两种果实。其中,青烟叶经烘烤加工后销售给当地烟叶公司,然后用于工业公司制造卷烟产品;烟草秸秆被遗弃在烟田里,经烟农收集后移除烟田。由于烟草秸秆的根部柔韧且含糖和胶质,杆部韧硬且含糖、蛋白和木质素,并含有烟碱,难于用于动物饲料和烧柴燃料。然而,与其他作物相比,在120天内烟叶积累了大量的氮磷钾、有机物和微量元素,形成了以聚合糖为代表的烟草纤维、烟草蛋白、烟碱、色素和少量特有的有机物,是一种与小麦、玉米、水稻、油菜等作物秸秆性质不同的材料,有关这种材料的专业化系统研究在国内外报道不多。

  二、国外研究应用

  有关国外烟草秸秆的研究应用未见报道,其他作物秸秆应用已经产业化,包括丹麦、美国、加拿大和日本等国家。

  丹麦是世界上首先使用秸秆发电的国家,上世纪90年代以来,阿维多电厂每年燃烧15万吨秸秆,满足几十万户的供热和用电需求,秸秆燃烧后的草木灰无偿地返回给农民作为肥料。

  美国应用秸秆生产乙醇。美国24个农业州小麦秸秆每年4500万吨,占当年50%。美国有116个乙醇提炼厂,每生产1加仑乙醇,可以得到51美分的政府补贴。

  加拿大应用玉米秸秆作为喂牛饲料,10月份收割玉米时一边收割一边切碎玉米秸秆作为肥料返还到田里。

  日本将稻草秸秆翻入土层占68%,饲料喂牛10.5%,与畜禽粪便混合制肥7.5%,还有4.7%畜栏垫草,4.1%就地燃烧。

  中国在烟草秸秆的研究应用上处于领先地位,在其他作物秸秆研究应用上落后于国外。

  三、国内研究应用

  1998年,何良胜等人[1]对未发酵烟草秸秆还田水稻进行三年试验研究。结果表明,稻田土壤中有机质含量从29.5g/kg增加到31.6g/kg,碱解氮从180mg/kg增加到198mg/kg,速效磷从8.2mg/kg增加到9.1mg/kg,速效钾从184mg/kg增加到210mg/kg,通过前期处理可以增加水稻的产量。同时,研究者分析了烟草秸秆的成分,其中N、P、K、Ca、Mg、S、Si含量分别为1.44%、1.69%、1.85%、1.49%、0.19%、0.21%、1.59%,Cu、Zn、Fe、Mn、B、Mo含量分别为14.9、33.5、616、50.7、16.8、0.48mg/kg。

  研究者发现,未发酵烟草秸秆施入稻田后,存在着烟草秸秆发酵菌与稻苗争氮、糖等养分,在稻苗前期出现稻苗生长不正常现象。

  2007年,朱自学等人[2]对秸秆还田的生态效应进行了研究。从土壤生态学方面,作者认为秸秆还田有四个作用:

  1)改变土壤物理性状。在植物学中,认为土壤直径>0.25mm的微团聚体结构能够提供良好的营养条件。曾木祥等人[3]的三年稻草还田试验表明,土壤微团聚体从18.60%提高到32.28%。秸秆还田可以提高土壤孔隙率,强化土壤团粒结构,降低土壤容重。同时,增加土壤保水保肥能力,提高田间持水能力,增强土壤抗旱防涝能力。

  2)改变土壤化学性状。提高土壤有机质、腐殖质和腐殖酸。同时,带入NPK和微量元素,以及糖、多肽氨类基酸等有机物成分。

  3)改变了土壤微生物区系:秸秆还田带入了大量的有益微生物和有害微生物菌群。一方面增加了诸如枯草芽孢杆菌、放线菌、解磷菌、解钾菌和硝化菌,另一方面,也会带入病毒、细菌和真菌类致病微生物。比如,烟草秸秆直接和他就会增加烟草花叶病、青枯病、黑茎病等病原体,出现三类烟草病害增加的现象。

  国内的秸秆还田研究及推广应用过多地停留在概念上,其不利的影响正在显现。郑晋鸣等人[4]通过调查江苏省农村发现,15年来推行的秸秆直接还田,江苏省的水稻、小麦和玉米的产量一直在减少,其中1999年玉米单产389公斤,2012年单产变成了366公斤,减少产量5.9%。根据江苏省农科院研究员杨四军等人分析,减产的原因是秸秆粒度过大、带入作物虫卵和病害菌和秸秆腐熟程度不高,使得小麦、玉米出苗率低和水稻长势慢。

  2015年,郭仕平等人[5]研究了烤烟秸秆压块替代煤用于烟叶烘烤试验。研究者将秸秆晾干粉碎,应用秸秆成型机压块制成烘烤燃料,与煤等值烘烤中的煤块比为1:1.64,降低烘烤成本189元/小时?平方米。

  烟草秸秆压块替代燃煤用于烟叶烘烤研究早在2008年前就有试验研究,包括安徽省烟草公司和湖北省烟草公司。由于现有烤房设备结构的限制,以及烟草秸秆中糖分较高、木质素较低,常会出现炉膛结焦、烧毁炉箅子现象,使得烘烤过程难于正常操作,造成烘烤经济损失。据悉在已开展的烟草秸秆压块项目中,基本上处于理论研究状态。作为燃料或工业应用,烟草秸秆中所带有的微生物病原体一般不予考虑。

  2008年,高勇等人[6]在“生物技术在优质特色烟叶生产上的应用研究”项目中,应用烟草秸秆研制烟草种植新型生物有机肥,2014年实现生产烟草秸秆生物有机肥4万吨,产值7000余万元,成功地将烟草秸秆产业化。本项目隶属湖北省烟草公司重大专项,杨树任项目领导小组组长,高勇担任生物技术课题组组长,以沈寅初院士为学术带头人[7]。根据研究成果和产业化情况,2014年由恩施州烟草公司组织上报项目研究材料,获得了当年中国烟草总公司科技进步一等奖[8]。

  这个项目产业化的思路由高勇博士首次提出,建立易于控制标准统一的工厂化生产方式,制造新型烟草秸秆生物产品,通过农业试验部分或全部返回到烟叶生产上,有利于减少化学肥料、提高烟叶品质、废物应用与生态环保。具体操作是,从烟农手中收购达标的烟草秸秆(控制塑料薄膜、金属物、沙土和水分),然后集中运输到指定工厂进行粉碎、消毒、发酵、复配和包装,然后再由工厂通过物流方式运输到烟叶种植基地。研究中遇到了许多技术障碍,如粉碎效率、消毒灭菌方法和设备、发酵微生物、功能微生物、替代烟草复合肥比例等技术攻关。

  经过五年产业化推广,目前遇到一些阻碍这一项目正常进行的问题。第一个是原料问题,由于人工费的增加,按照5分钱/根价格收购烟草秸秆很难操作。第二个是运输问题,烟草秸秆体积庞大,烟田散布在山区地带,汽油和人工费的增加,运输成本居高不下。第三个是工厂厂房,一个年产10000吨的烟草秸秆生物有机肥需要3000万元投资,生产周期为半年,巨大的土地、厂房、设备及人员费用很难支撑销售价格不高的烟草秸秆生物有机肥产业。第四个是粉碎设备问题,国内没有烟草秸秆专用粉碎机,一台售价9万元、功率145KW的粉碎机每小时只能生产1000公斤粉碎料,且粒度在5-10mm。第五个是发酵问题,烟草秸秆中含有烟碱,当一般秸秆腐熟微生物遇到烟碱时常出现“失活”,专用发酵微生物也需要45天。第六个是消毒灭菌问题,烟草秸秆生产肥料用于烟叶生产必须经过消毒灭菌操作,现有的“爆破式”消毒设备难于满足万吨级肥料生产,且受到安全、专业和成本的限制。工厂化下的烟草秸秆制肥产业化解决了产品质量标准的问题,但是受到上述六点问题的限制。

  四、创新方案

  根据前人的研究工作和湖北省产业化遇到的问题,为了将烟草秸秆制肥还田事业进行的更为实际和有效,借助四川省烟草公司科技项目平台,建立以下产业化思路和技术方案:

  针对当前中国社会经济发展以及烟区实际情况,首先需要调整烟草秸秆产业化思路,在原料和运输上按照实事求是方法操作。

  1、原料和运输

  第一按照现行制度,烟草秸秆归烟农,烟草秸秆制肥地点设在田间。按照市场经济规律,让烟农从产业化中获得利益,一方面减少烟草复合肥使用量,每亩减少50%,少投入150元/亩;另一方面增加烟叶销售收入,每亩增加300-400元,以技术和产品实现。在这个新的产业化中,烟农需要付出的是劳动,而且是处于农闲时段。

  2、投资和加工

  在新的烟草秸秆产业化中,将工厂化转变成田间化,即秸秆收集、粉碎、消毒、发酵使用都放在田间操作,节省了工业土地、工厂建设和工厂人员。

  3、技术和设备

  在新的烟草秸秆产业化中需要创新许多新技术和新设备。第一是解决又硬又韧、含水量多的鲜秸秆处理方法;第二个是田间粉碎方法和设备;第三个是田间消毒灭菌;第四个是制肥工艺以及使用方法。

  在采烟结束后,由合作社组织烟田所有者清理烟田,将烟草秸秆集中堆积在烟田。

    

  通过一个月晾晒,秸秆水分将从85%降至55%左右。为了解决田间粉碎,项目提出了先腐化后粉碎方法,即将烟草秸秆发酵菌(川菌1#和川菌)喷洒在烟草秸秆堆上。

    

  在秋末冬季,川菌1#和川菌2#具有低温腐化特点,经过两个月生物降解,烟草秸秆物理性质产生巨变,由硬变软,由韧变脆,干燥后用手可以粉碎。

  在第二年春天,揭开秸秆堆上的塑料薄膜自然晾干,然后采用自制发明小型柴油机/电动力粉碎烟草秸秆。其功率2.2kw,粉碎能力100公斤/小时,粒度小于1.0mm。

  经过烤房杀毒灭菌24小时后,用试制检测烟草秸秆没有病毒、细菌和真菌类烟草病原体。

  将发酵菌(3株专用微生物)混入消毒灭菌后的原料,在田间自然条件下发酵10天。

  发酵后的烟草秸秆有机肥与复合肥一起施用,每亩施用125公斤,替代复合肥50%。

  需要指出的是,在这种烟草秸秆产业化中必须解决以下技术和设备方法:

  1)腐化菌

  在低温(0-10℃)下,筛选2个月内能够改变整株烟草秸秆物理性质的微生物。通过大量试验与筛选,在四川境内土壤中得到了两株微生物,命名为川菌1#和川菌2#。借助它们的作用,可以将又韧又硬的整株烟草秸秆变成酥松易碎的材料,实现了小型粉碎机就可以粉碎目的。

  2)田间粉碎机

  根据腐化秸秆性质以及现有粉碎机类型,开发研制以柴油机或农用电为动力的高效率粉碎机,指标为功率≤2.2kw,粉碎粒度≥30目,粉碎能力≥100公斤/小时,安全可靠,成本控制在1000元人民币以内。

  3)田间消毒灭菌

  根据烤房消毒灭菌工艺参数,开发研制一种小型蒸汽消毒机。这种消毒机连接在粉碎机后面,使用农用电,每小时消毒能力≥100公斤。这种消毒机的成本控制在500元人民币/台,安全可靠,易于操作。

  4)发酵菌

  在腐化基础上,筛选高效腐熟消毒料微生物。根据实验研究,这种发酵菌为三株细菌类微生物(命名为KBKF-01、KBKF-02和KBKF-03),它们不仅抗碱能够在低温下将烟草秸秆转化成小分子糖、多肽氨基酸和作物吸收的生物碳,这是二次发酵的技术关键。

  5)生产方案

  与工厂化生产组织不同,在新的烟草秸秆产业化中,以公司+合作社方式运行。当前,烟草行业正在建立烟草专业合作社,应用合作社组织开展烟叶农业生产,包括育苗、肥料、农药、种植和烘烤加工过程。合作社组织烟农秸秆收集、堆积、晾干、布菌、粉碎、消毒、二次发酵及田间施用肥料,公司+合作社共同提供腐化菌、粉碎机、消毒机和发酵菌,并进行技术指导和业务培训,同时收取较低的技术服务费。

  五、展望

  随着科学技术进步与社会经济发展,农作物秸秆研究与应用将会越来越多,预期在以下方面将取得新的进展:

  1、基础研究

  不同的作物其秸秆物理化学性质不同,这给秸秆应用带来了障碍,尤其是涉及资金投入的产业化项目。因此,在秸秆分类的基础上,加强秸秆物理学和秸秆化学研究将成为学术热点,比如不同秸秆的结构、材料强度和吸水性等参数,以及不同秸秆的化学成分和化学反应性质等特征。随着微生物学的发展需要,秸秆中存在的微生物菌群也是值得研究的,因为秸秆中寄生的微生物与土壤中存在的微生物在种类上是不同的。

  2、秸秆发电

  根据文献报道,直接使用秸秆燃烧发电目前仅限于麦秸秆。通过生物化学方法处理的秸秆,改变了其物理化学性质,可以提高秸秆的可燃性和燃烧值。比如,将烟草秸秆通过生物化学处理后,将秸秆中小分子糖和胶质有机物降解或分离,剩下材料的燃烧性和燃烧值将大大地提高。

  3、秸秆化学品

  秸秆中有许多化学成分,直接萃取分离可以得到价值很高产品。比如,烟草秸秆中含有约0.5%的天然烟碱,马铃薯秸秆中含有千分之几的茄尼醇。

  4、秸秆生物质燃料

  以美国为代表的秸秆乙醇,或者用秸秆生产生物柴油也是可能的。这里需要大量的生物技术,包括微生物定向发酵、化工分离和低成本生产工艺和设备。秸秆主要成分是纤维,纤维由糖分子聚合而成,如果将聚合糖分解成单元糖,单元糖水解可以生成有机醇,再经过化学反应可以生产烃类物质,就可以得到生物质柴油。另外,秸秆通过高温裂解,脱氧脱氢后可以得到类似煤的固体燃料。

  5、秸秆饲料

  秸秆中含有10%左右的植物蛋白,如果将这类蛋白转化成动物需要的蛋白质,又能将秸秆中的聚合纤维转化成小分子糖,用秸秆生产猪和鸡的饲料也是可能的。这样可以解决人畜争粮的问题。

  总之,作物秸秆是自然赋予人类的一种宝库,关键是目前人类对秸秆认识不足,有关秸秆的知识不能满足它的的应用。

  参考文献

  [1]烟草秸秆还田的效果研究初报,湖南农业科学,2002,(6):34-35

  [2]朱自学、刘天学[秸秆还田的生态效应研究进展,安徽农业科学,2007,35(23):7221-7223

  [3]曾木祥、张玉洁.秸秆还田对农业生态环境的影响,农业环境与发展,1997(1):1-7

  [4]郑晋鸣、柏程伟,光明日报,2014年02月12日10版

  [5]郭仕平、谢良文、曾淑华、向金友、张吉亚,现代农业科技,2015(6):178-179

  [6]高勇、陈国华、李锡宏、陈家任、向德恩、秦兴成、周永国、许大年、汪冬、何燕军、谭军、李秀灯,烟草秸秆生物有机肥研制及在烟叶生产上的应用研究,2011年12月,科技项目评审、鉴定材料

  [7]湖北省烟草专卖局文件,省烟草专卖局关于做好“生物技术在优质特色烟叶生产上的应用研究”科技项目的通知,鄂烟科[2008]14号

  [8]国家烟草专卖局文件,中国烟草总公司关于2014年度科学技术奖励的决定,中烟办[2015]31号

 

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