第三章 不同生物质资源概述

第一节 植物纤维性废弃资源概述

据估计，地球上每年光合作用生产的生物质量高达1.5×1011～2.0×1011t，其中11%（约1.6×1010t）是由耕地和草原产生的，可作为人类食物或动物饲料部分约占1/4（约为40×108t），剩余的3/4均变为废弃物。在4×109t产品中，经过加工最后供人类直接使用的仅有大约3.6×108t，每年生产的废弃物（包括收获和加工过程中）约为1.35×1010t，可见我们利用的生物质资源数量之少，而被浪费掉的资源数量却很大，人类有待于开发利用被浪费的各种资源，并将其转化为食品或饲料。

一、植物纤维废弃资源的特点

常见的植物纤维废弃资源主要是秸秆资源。常见作物秸秆中含有丰富的营养物质，其中营养物质主要为非纤维成分的细胞内容物和纤维成分的细胞壁物质两大细胞组分的构成物，其主要成分有：半纤维素、纤维素、木质素等有机物质，以及无机硅元素及其他非纤维成分。在农业生产中最普遍、生产量最高的粮食作物小麦秸秆营养成分中，其纤维成分的细胞壁物质占80%，而非纤维成分的细胞内容物仅占20%。其营养成分组成中纤维素占39%、半纤维素物质占36%，木质素占10%，无机硅元素和其他非纤维成分仅占6%、9%；在粮食作物水稻秸秆中其细胞壁物质占总营养成分的量高达86%，而细胞内容物仅占营养成分的14%，其中纤维素占39%，半纤维素占9%，木质素占到11%，无机硅元素占22%。其他非纤维成分仅占14%。其他常见作物秸秆的化学组成及营养成分组成如表3-1、表3-2所示。

由表3-1和3-2可知，作物秸秆中除了含大量的纤维素物质外，还含有少量的蛋白质和含脂肪的物质，另外氮、磷、钾、镁、钙、硫等元素都是作物秸秆中含有的营养元素。据测定，湿玉米的秸秆含氮量约0.61%、含磷量为0.27%、含钾量为2.28%。总之，作物秸秆的营养成分可分为有机物质和无机物质（即矿物质）两大类，其中有机物质又分为粗纤维的纤维素和半纤维素、蛋白质、果胶和木质素；无机物质，即矿物质，有氮、磷、钾、钙和镁等元素。

（一）有机物质

1．粗纤维

粗纤维是植物细胞壁的主要组成成分，包括纤维素、半纤维素、木质素及角质等成分。

纤维素是构成植物细胞壁的主要成分，是由900～2000个D-葡萄糖分子通过β-1-4糖苷键连接而成的长链物质。纤维素的化学性质很稳定，不溶于水，仅能吸水膨胀，也不溶于稀酸、稀碱，在强酸作用下才能发生水解成为葡萄糖。多数动物消化道中的酶不能水解β-1-4糖苷键，瘤胃中某些细菌分泌的纤维分解酶可拆断糖苷键。

半纤维素也是植物细胞壁的主要构成成分之一，是葡萄糖、果糖、木糖、甘露糖和阿拉伯糖等聚合而成的异质多糖，是一种苯丙基衍生物的聚合物。半纤维素的化学性质不如纤维素稳定，可溶于稀碱，在稀酸作用下便可水解产生戊糖和己糖。动物消化道中的酶不能水解半纤维素，而消化道中细菌所分泌的纤维分解酶和半纤维分解酶可水解它。其过程：

粗纤维是草食动物的主要能源物质，它所提供的能量可满足草食动物维持能量消耗。

粗纤维体积大，吸水性强，不易消化，可充填胃肠容积，使动物食后有饱腹感。粗纤维可刺激消化道黏膜，促进胃肠蠕动、消化液的分泌和粪便的排出。单胃动物的胃和小肠不分泌纤维素分解酶和半纤维分解酶，因此饲料中的纤维素和半纤维素不能被其消化吸收。反刍动物的瘤胃是消化粗纤维的主要器官。饲料粗纤维进入瘤胃后，被瘤胃细菌降解为乙酸、丙酸和丁酸等挥发性脂肪酸，同时产生甲烷、氢气和二氧化碳等气体。分解后的挥发性脂肪酸大部分可直接被瘤胃壁迅速吸收，然后由血液输送至肝脏。在肝脏中，丙酸转变为葡萄糖，参与葡萄糖代谢；丁酸转变为乙酸，乙酸随身体循环到各组织中参加三羧酸循环，氧化释放能量供给动物体需要，同时也产生二氧化碳和水，还有部分乙酸被输送至乳腺，用以合成乳脂肪，所产生的气体以尾气等方式排出体外。瘤胃中未被降解的粗纤维通过小肠到达结肠与盲肠中，部分粗纤维又被细菌降解为挥发性脂肪酸及气体。挥发性脂肪酸可被肠壁吸收参加机体代谢，气体排出体外。因此，现代畜牧生产中，秸秆饲料化是发展循环农业的良好途径。

2．蛋白质

蛋白质是由一条或多条多肽链经折叠而成的生物大分子，每一条多肽链由20至数百个氨基酸残基按一定的顺序排列而成。蛋白质是生命的物质基础，没有蛋白质就没有生命。

蛋白质是构成动物体的最基本物质。动物体表的被毛、角、蹄、喙都是由角蛋白与胶质蛋白构成的。动物的皮肤、肌肉、神经、结缔组织、腺体、精子、卵子及心脏、肺脏、肝脏、脾脏、肾脏、胃肠等内脏器官，均以蛋白质为基本成分。肌肉、肝脏、脾脏等组织器官的干物质中含蛋白质达80%以上。动物的新陈代谢过程中，各种组织器官的细胞在不断地更新、增殖及损伤后的修补都需要蛋白质。

蛋白质是酶、激素与抗体的重要成分。酶、激素与抗体都是动物生命活动所必需的调节因子。酶本身就是具有特殊催化活性的蛋白质，可促进细胞内生化反应的顺利进行。激素中有蛋白质或多肽类的激素，如生长激素、催产素等，在新陈代谢中起调节作用。抗体被称为“免疫球蛋白”，在免疫中起着很重要的作用。另外，在运输脂溶性维生素和参与脂肪代谢、运输氧以及维持体内渗透压平衡上，蛋白质都起着非常重要的作用。

蛋白质是遗传物质的基础。遗传物质的载体染色体就是由遗传物质DNA与脂蛋白结合成为一种复合体。DNA可以将本身所蕴藏的遗传信息通过复制遗传给下一代。同时，在DNA复制过程中，涉及30多种酶的参与。

蛋白质可分解供能。在以下两种状态下，蛋白质也可以为生物体供能。第一种，当糖类的脂肪不足以为生物体正常的生命活动供能时，组织中蛋白质的分解速度加快，为生物体供能；第二种，当摄入的蛋白质过量或蛋白质品质不佳时，多余的氨基酸经脱氨基作用后，将不含氮的部分氧化供能或转化为体脂肪储存起来，以备能量不足时之用。

3．果胶

果胶主要存在于植物细胞壁间隙，其次在细胞壁组成中也含有一些果胶。它是半乳糖醛酸单位与鼠李糖单位的聚合物，可被热水或冷水浸出而成胶状物，在水中形成胶态溶液。动物消化道分泌的酶不能使其水解，但在微生物作用下可被消化。因此实际饲养中，可用来防治犊牛等幼龄动物的腹泻。

4．木质素

木质素实质上并不是碳水化合物，而是苯的衍生物。它与半纤维素或纤维素伴随存在，共同作为植物细胞壁的结构物质。其主要存在于植物的木质化部分，如种子夹壳、玉米芯及根茎、叶的纤维化部分。木质素不溶于水和常见的有机溶剂，酸碱均不能使其分解。动物消化道中的酶不能分解木质素，微生物中也仅有好氧菌和真菌可裂解木质素的化学键。用碱处理高纤维饲料秸秆等，可破坏半纤维素与木质素的联系，从而改善动物对半纤维素的消化。

（二）矿物质营养

矿物质是植物和动物的生长与发育所必需的，是组成植物体和动物组织器官的主要成分，并在物质代谢中起着重要调节作用。

1．氮的营养功能

植物生长需要多种元素，而氮素尤为重要。从世界范围看，在所有必需营养元素中，氮是限制植物生长和形成产量的首要因素。氮是作物体内许多有机化合物（蛋白质、核酸、叶绿素、酶、维生素、生物碱等）的组分。氮素也是一些维生素（如维生素B1、维生素B2、维生素B6、维生素PP等）的组分，而生物碱（如烟碱、茶碱、胆碱等）和生物激素（如细胞分裂素、赤霉素等）也都含有氮，这些含氮化合物在植物体内含量虽不多，但对调节某些生理过程却很重要。例如维生素PP，它包括烟酸和烟酸胺都含有杂环氮的吡啶，吡啶是生物体内辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ的组分，而辅酶又是多种脱氢酶所必需的。总之，氮对植物生命活动以及作物产量和品质均有极其重要的作用。

2．磷的营养功能

能量是生物体维持正常生命活动的动力，在生物体内的能量代谢中，磷是ADP和ATP的重要成分，在能量储存和传递过程中起着重要作用。

磷还是DNA、RNA和辅酶Ⅰ、辅酶Ⅱ的成分，与遗传有关。磷以磷酸根的形式参与糖的氧化和酵解、参与脂肪酸的氧化和蛋白质的分解等多种物质代谢。磷是植物体内许多重要有机化合物的组分，动物体内中的磷约有80%构成骨骼和牙齿。磷对作物高产及保持品种的优良特性有明显作用，另外磷也是细胞膜和血液中缓冲物质的组分。

3．钙的营养功能

钙对生物膜结构的稳定作用在植物对离子的选择性吸收、生长、衰老、信息传递以及植物的抗逆性等方面有着重要的作用，同时钙可稳固细胞壁；促进细胞伸长和根系生长；参与第二信使传递；调节液泡中阴阳离子的渗透平衡等营养功能。

动物体内的钙约有99%构成骨骸和牙齿。钙在维持神经和肌肉正常功能中起抑制神经和肌肉兴奋性的作用。当血钙含量低于正常水平时，神经和肌肉兴奋性增强，引起动物抽搐。钙可促进凝血酶的致活，参与正常血凝过程；钙是多种酶的活化剂或抑制剂；钙能激活肌纤凝蛋白——ATP酶与卵磷脂酶，能抑制烯醇化酶与二肪酶的活性。

当动物体内缺钙时，其症状与缺磷相似。然而，钙过量也会对动物的生产性能造成影响。反刍动物食入过量钙时，可抑制瘤胃微生物的活动而降低日粮的消化率；单胃动物食入过量钙时，脂肪消化率会下降，磷、镁、铁、锰的代谢也会下降。

4．钾的营养功能

钾主要分布于动物体液和软组织中，在维持细胞内渗透压的稳定和调节酸碱平衡上起着重要作用。钾参与蛋白质和糖的代谢；钾可促进神经和肌肉兴奋性。植物性饲料，尤其是幼嫩植物中含钾丰富，一般情况下动物饲料中不会缺钾。钾过量会影响钠、镁的吸收，甚至引起“缺镁痉挛症”。

5．钠与氯的营养功能

钠和氯的主要作用是维持动物细胞外液渗透压和调节酸碱平衡。钠也可促进神经和肌肉兴奋性，并参与神经冲动的传递；以碳酸盐形式存在的钠抑制反刍动物瘤胃中产生过多的酸，为瘤胃微生物活动创造适宜环境。氯为胃液盐酸的成分，能激活胃蛋白酶，活化唾液淀粉酶，有助于消化；盐酸可保持胃液呈酸性，具有杀菌作用。

6．镁的营养功能

动物体内约有70%的镁参与骨骼和牙齿的构成。镁具有抑制神经和肌肉兴奋性及维持心脏正常功能的作用；镁还是焦磷酸酶、胆碱酪酶、二磷酸腺苷酶和辅酶等多种酶的活化剂，从而影响3种有机物的代谢；镁也参与遗传物质DNA和RNA的合成。

非反刍动物需镁量低，约占日粮的0.05%，一般饲料均能满足需要。实际饲养中，镁缺乏症主要见于反刍功物（乳牛、肉牛和绵羊等）。反刍动物缺镁症可分为两种类型：—种类型是长期喂食缺镁口粮，以致体内储存的镁消耗殆尽而发生缺镁症。主要症状为痉挛，故也称其为“缺镁痉挛症”。这种类型的缺镁症主要发生于土壤中缺镁地区的牛犊和羔羊。另一种类型是早春放牧的反刍动物，由于采食含镁量低（低于干物质的0.2%）、吸收率也低（平均17%）的青牧草而发生缺镁症，称为“草痉挛”。主要表现为神经过敏、肌肉痉挛、呼吸弱、抽搐甚至死亡。镁过量可使动物中毒，主要表现昏睡、运动失调、拉稀、采食量下降、生产力降低、严重时死亡。

秸秆作为农副产品，是一种有用的资源。秸秆中的有机质含量平均为15%，平均含碳44.22%、氮0.63%、磷0.25%、钾1.44%，还含有镁、钙、硫及其他重要的微量元素，这些都是农作物生长所必需的营养元素。秸秆中含有的碳水化合物、蛋白质、脂肪、木质素、醇类、醛、酮和有机酸等，大都可被微生物分解利用，经过处理后可加工成饲料供动物食用。

二、农作物秸秆常见利用方式带来不良影响

（一）农作物秸秆常见利用方式——焚烧

很长的时间内，在我国农村，尤其是中西部的边远地区，秸秆一直是必不可少的燃料和牛、养等牲畜的过冬饲料。但是近年来，随着经济的发展，农民生活水平和农业机械化程度的不断提高，农村和城市的差距逐渐缩小和城市化进程的推进，很多农村家庭也开始使用煤、液化气作为日常家居所需的燃料。

同时，随着我国经济来源的多元化，农民认为收集、翻晒秸秆很麻烦，既占地方，又浪费时间和劳动力，宁愿多买化肥施肥，将省下的时间、精力从事养殖业、办企业或者打工，以增加经济收入，而将秸秆一烧了之。此外，在河南、陕西等地，夏收夏种季节性强，劳动力紧张，也是秸秆焚烧的客观原因之一。而在经济不是很发达的地区，农民由于没有地方堆放秸秆，而且堆放过多秸秆会滋生细菌、蚊、蝇，堆积秸秆往往是采取露天放置，在雨水浇湿后，易腐烂，散发臭味，同时被冲进河流中，影响水环境，危害较大，所以通常只留一年所需的燃料，其余则在田间地头直接焚烧。

我国有些地区人均耕地少，复种指数高，由于缺少一套成熟、高效、快速、适用的还田技术，难以一次性直接还田。大部分收割机机械收割留茬过高，难以耕种，而手扶拖拉机难以将秸秆全部深翻入土，给农民插秧带来了困难。所以秸秆还田常常因为翻压量过大、土壤水分不适、施氮肥不够、翻压质量不好等技术原因出现妨碍耕作，影响出苗、烧苗、病虫害增加等现象。农民认为秸秆焚烧可以烧死秸秆中的害虫，有利于下一季稻麦的生长，可以减少农药的使用，但是没有意识到秸秆焚烧造成的资源浪费和环境污染。

（二）作物秸秆焚烧的不良影响

（1）浪费资源

作物秸秆中不仅含有大量的纤维素、木质素，还含有一定数量的粗蛋白、粗脂肪、磷、钾等营养成分和许多微量元素。如果稍微对其进行加工，就可以成为很好的饲料。同时，6×108t的秸秆相当于3×107t氮肥、7×107t钾肥、7×106t磷肥，约为全国每年化肥施用量的1/4。在田间焚烧农作物秸秆，仅能利用所含钾的40%，其余的氮、磷、有机质和热能则全部损失。

（2）污染环境且影响交通安全

秸秆焚烧造成浓烟遮天、灰尘悬浮，严重地污染了大气环境，是形成雾霾、酸雨、“黑雨”的主要原因之一，特别是刚收割的秸秆尚未干透，经不完全燃烧会产生大量的氮氧化物、二氧化硫、碳氢化合物及烟尘，氮氧化物和碳氢化合物在阳光作用下还可能产生二次污染物臭氧等，危害人畜健康，而且直接影响民航、铁路、高速公路的正常运营。如成都双流机场从1996年开始，每逢农作物收获季节都深受焚烧秸秆的危害，有时机场的能见度低于400m，严重影响机场航班的正常起飞和降落。据统计，于1997年5月14—18日，双流机场有10个航班无法降落而不得不降落到其他机场，有22架进出港的航班延误，滞留旅客1000多人。近年来，由于秸秆焚烧引发的交通事故呈逐年增多的趋势。2013年滨海县检察院共受理因秸秆焚烧引发的交通肇事案件达13起。

（3）引发火灾

焚烧秸秆还容易引起火灾。焚烧秸秆时，由于火势不容易控制，极易引发火灾，可造成大量农田林网和地头路边树木被毁，破坏生态环境。有的甚至会酿成森林火灾，威胁油库、粮库、通讯设施和高压输电线的安全。

（4）损伤地力

土壤中含有对农作物有益的微生物。绝大多数土壤微生物在15～40℃活动范围内活性最强，对促进土壤有机质的矿质化、加速养分的释放、改善植物养分供应起着重要的作用。表层土壤过火后，地下5cm处的温度可达65～90℃，高温危害土壤中的微生物，从而影响农作物养分的转化和供应，导致土壤肥力下降。另外，由于秸秆中的有机物质和氮素养分在焚烧过程中丧失殆尽，只留下一些钾素和较多不溶性的磷素，很难被作物吸收。焚烧秸秆使土壤盐碱度增高，种子发芽率也随之降低。

（5）危害周围生态植物

秸秆焚烧使地温升高，加速地下害虫的孵化，土壤碱性升高，使施入土壤中的农药失效，造成地下害虫增多，对幼苗的生长形成危害。还会引起鸟类、蛇类的迁逃，虫害、鼠害加重，使农田生态恶化。总而言之，秸秆焚烧严重地影响了我国的经济建设及人们的生活、健康。

如何充分有效地处理并利用废弃植物纤维，合理利用农业资源，防治农业污染，改善环境，使国民形成一种循环节约利用生物质资源以保护环境的意识，具有十分重要而深远的意义。近年来，国内外农业废弃物的资源化利用技术和相关的研究项目有了较大的发展，农业废弃物的资源化利用正在进入科学化的新阶段。合理利用和推广这些技术，必将产生良好的经济、生态和社会效益。