摘要：中國是農(nóng)業(yè)大國，秸稈資源的蘊藏量極其豐富。為實現(xiàn)農(nóng)作物秸稈資源利用的最大化，必須對秸稈收集、儲藏以及利用過程中各成分、物理特性的變化進行實時監(jiān)測。因此，對農(nóng)作物秸稈計量檢測技術(shù)的需求不斷增長，其研究和應(yīng)用極具價值。本文首先介紹了中國農(nóng)作物秸稈資源的現(xiàn)狀以及秸稈的使用價值，主要針對秸稈水分含量、元素含量、木質(zhì)纖維素含量以及熱值這四種參數(shù)指標的計量檢測技術(shù)進行了綜述，同時也探討了有關(guān)秸稈物理特性的檢測方法。

關(guān)鍵詞：秸稈資源；參數(shù)指標；計量檢測；物理特性

一、前言

我國作為農(nóng)業(yè)大國，耕地面積超過18億畝，每年都能產(chǎn)生大量的農(nóng)作物秸稈，年產(chǎn)量可多達7億噸。大部分秸稈資源都存在于農(nóng)村，但因部分農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展緩慢等原因，秸稈的利用率較低，主要還是直接燃燒、供牲畜食用甚至被丟棄，不僅造成了生物質(zhì)能源的浪費，而且還會導(dǎo)致嚴重的環(huán)境污染和火災(zāi)等社會問題。農(nóng)作物秸稈中富含氮、磷、鉀、鈣、鎂和有機質(zhì)等，是一種具有多用途的可再生的生物資源，具有許多可開發(fā)利用的價值。其利用價值主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①、秸稈還田：將秸稈還原到土壤當中去，直接用作一些農(nóng)作物的肥料。②、秸稈飼料和食用菌基料：由于目前農(nóng)村農(nóng)民大多仍飼養(yǎng)著牲畜，所以秸稈經(jīng)常被用作牲畜的飼料，此外秸稈也被廣泛應(yīng)用于飼料加工工業(yè)中。由于在農(nóng)村人們培植許多食用菌，秸稈也常常被作為食用菌的基料。③、秸稈能源：秸稈資源常被開發(fā)作為能源。比如：將秸稈燃燒用來供熱，將秸稈氣化供氣，很常見的還有利用秸稈發(fā)酵制成沼氣等。④、建材、輕工和紡織原料：秸稈資源在建材、輕工和紡織等行業(yè)作為其生產(chǎn)過程中所需要的原料而廣泛應(yīng)用，比如：用秸稈制成各種工藝品和家居用品等。

綜上所述，農(nóng)作物秸稈是開發(fā)有機食品、有機飼料、工業(yè)原料和清潔能源的寶貴資源。要想達到對農(nóng)作物秸軒合理、高效地利用，需要大量的基礎(chǔ)性參數(shù)數(shù)據(jù)作為依據(jù)，生物質(zhì)特性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是農(nóng)業(yè)物質(zhì)產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展和科學應(yīng)用最基本的基礎(chǔ)性技術(shù)參數(shù)，也是發(fā)展優(yōu)質(zhì)、高效、低耗生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的公益性基礎(chǔ)。因此，農(nóng)作物秸稈收集、儲運和利用等過程中的計量檢測技術(shù)是秸稈資源開發(fā)利用的技術(shù)支撐，對實現(xiàn)秸稈資源綜合利用以及實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化具有重大的意義。國內(nèi)外都在積極研究有關(guān)農(nóng)作物秸稈的計量檢測技術(shù)以求全面了解和掌握農(nóng)作物秸稈的生物質(zhì)特性，為秸稈資源的綜合利用提供充分的理論依據(jù)和基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

二、秸稈參數(shù)計量檢測技術(shù)

隨著秸稈能源利用技術(shù)的飛速發(fā)展，對于農(nóng)作物秸稈的計量檢測技術(shù)的研究和開發(fā)也得到巨大的進步。目前檢測的物質(zhì)和主要的參數(shù)指標有：水分含量、灰分、揮發(fā)分、固定碳、元素分析、高位熱值、地位熱值等等。本文著重介紹了水分含量、元素含量、木質(zhì)纖維素含量以及熱值這四種參數(shù)指標的計量檢測技術(shù)。

2.1水分含量的測定

外水分含量是農(nóng)作物儲藏過程中一個最為重要的檢測指標，在高水分環(huán)境下農(nóng)作物秸稈極易腐敗。Mike^[1]等人通過研究發(fā)現(xiàn)，在一個封閉的條件下秸稈水分含量是秸稈分解率也就是腐敗程度的決定性因素，在保證環(huán)境溫度不變的情況下建立秸稈水分含量和相對濕度之間的數(shù)學模型，通過監(jiān)測環(huán)境的相對濕度從而達到估計秸稈的水分含量的目的。該方法實現(xiàn)了相對濕度RH和水分含量之前的轉(zhuǎn)換，既方便快捷，同時也具有較高的置信水平。

直燃發(fā)電是秸稈能源轉(zhuǎn)化利用的有效途徑之一。秸稈作為電廠的原料，其水分和熱值是最受關(guān)注的兩個性質(zhì)指標。因此，秸稈含水率的檢測對于秸稈資源的高效利用具有重要的意義。傳統(tǒng)的秸稈含水率測定方法主要采用烘干法，該方法測量結(jié)果穩(wěn)定、精度高，但在需要現(xiàn)場快速測量的場合有一定的限制。目前，市場上現(xiàn)有的便攜式稻麥草含水率檢測儀主要是引進日本生產(chǎn)的SK-100水分檢測儀。它采用高頻電磁波感應(yīng)法，適用范圍廣、測量范圍寬、小巧玲瓏、便于攜帶、適合現(xiàn)場快速測量。但與便攜式的糧食水分檢測儀相比，它的價格較高。楊軍等人^[2]在總結(jié)現(xiàn)有農(nóng)產(chǎn)品含水率檢測方法研究成果的基礎(chǔ)上，基于交流阻抗法，設(shè)計了以8位單片機AT89S52為控制核心的麥秸稈含水率檢測儀，通過試驗建立了輸出復(fù)阻抗與主要影響因素的關(guān)系模型，實現(xiàn)了小麥秸稈含水率的檢測。

2.2 元素含量的測定

生物質(zhì)秸稈中化學元素的性質(zhì)及其含量與它的燃燒性能密切相關(guān)，因此，實現(xiàn)生物質(zhì)秸稈基本元素組成含量的快速檢測，對研究生物質(zhì)秸稈能源化利用及其燃燒性能意義重大。牛智有^[3]等人運用高光譜成像技術(shù)，對秸稈中N、C、H、S、O元素含量快速檢測的可行性進行研究。實驗采用競爭性自適應(yīng)重加權(quán)采樣算法選取元素檢測敏感變量，提取光譜維數(shù)據(jù)，結(jié)合偏最小二乘算法，構(gòu)建了生物質(zhì)秸稈中基本元素的定量分析模型。研究結(jié)果表明，采用高光譜成像技術(shù)并應(yīng)用光譜維數(shù)據(jù)結(jié)合CARS-PLS算法可以實現(xiàn)秸稈N、O元素的有效檢測。盡管高光譜成像技術(shù)在檢測效果方面呈現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，但由于其波段數(shù)較多，數(shù)據(jù)量龐大，檢測過程較為復(fù)雜使其在使用中受到一定程度的限制。李傳友與李曉金^[4,5]等人針對傳統(tǒng)檢測方法費時、費力等缺點，采用近紅外漫反射光譜技術(shù)(NIRS)對生物質(zhì)秸稈的化學成分進行了深入地探討。該檢測方法具有測定速度快，樣品制備簡單，不耗費化學試劑，操作簡便等優(yōu)點，已經(jīng)在農(nóng)業(yè)、化工、煤炭、藥等方面均得到了廣泛的應(yīng)用，缺點是對S、H等元素無法進行精確的定量分析。然而對S元素的測定通常采用的是紅外定硫儀，該方法是對秸稈燃燒產(chǎn)生的氣體進行檢測，根據(jù)SO2、H2O和CO2等氣體分子吸收紅外光的性質(zhì)以及朗伯－比爾定律，通過紅外光被吸收前后的強度來確定氣體的濃度。

然而金屬元素也是關(guān)系農(nóng)作物秸稈科學利用的重要組成部分，孫勇^[6]等人采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）分析測定了全國不同地區(qū)的玉米秸稈中微量金屬元素的含量。牛文娟^[7]等人以黃氏標準物質(zhì)為對照，采用原子吸收光譜測定玉米秸稈、小麥秸稈和棉花秸稈中金屬元素含量。這兩種檢測方法簡便、快速、靈敏度高、準確性好，且對環(huán)境污染小，是快速測定秸稈中金屬元素的方法。

2.3 木質(zhì)纖維素含量的測定

纖維素、半纖維素和木質(zhì)素是組成木質(zhì)纖維素原料的三個主要成分，其含量多少與總糖得率和乙醇產(chǎn)量直接相關(guān)，含量的變化也是預(yù)處理、酶解及發(fā)酵工藝條件的重要依據(jù)。因此，準確測定木質(zhì)纖維素中纖維素、半纖維素及木質(zhì)素的含量顯得尤為重要。秸稈中木質(zhì)素的測定通常采用硫酸法^[8]進行測定，利用濃硫酸水解試樣中的菲木質(zhì)素部分，剩下的殘渣即為木質(zhì)素。但該方法存在操作安全、廢酸回收、環(huán)境污染等方面問題，極大地限制了其的使用。測定秸稈中纖維素的方法主要是硝酸乙醇法^[9]，與硫酸法測定木質(zhì)素類似。雖然該方法所需裝置簡單，但對硝酸乙醇處理過程中的強度要求較大，測定結(jié)果的準確度較低。NREL^[10]等人針對以上三組分含量測定中操作繁瑣，耗時長，無法批量測定等問題，提出了系統(tǒng)測定木質(zhì)纖維素原料中三組分含量的方法，該法無需使用硝酸、乙醇等有機試劑，通過酸解后直接用HPLC測定單糖，且可以進行大批量同時測定。但該方法也存在前處理過程較為復(fù)雜、計算繁瑣等問題。據(jù)報道，近紅外反射光譜已用于玉米自交系纖維素和體外消化率的評價，以及玉米青貯品質(zhì)聯(lián)機分析，同時也可以采用近紅外光譜儀對玉米秸稈纖維素進行快速、準確地分析。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)近紅外技術(shù)檢測玉米秸稈纖維素，無需對樣品進行繁雜的處理，并且可以同時檢測多個組分，分析速度快，結(jié)果準確度高。

2.4 熱值的測定

熱值分為高位熱值和低位熱值，是燃料質(zhì)量的一項重要指標，生物秸稈熱值的高低直接影響到生物質(zhì)能源可利用的經(jīng)濟性。目前為止氧彈式熱量計是測定秸稈熱值的常用方法，然而，該方法儀器昂貴，測定成本高，過程復(fù)雜，對測定人員要求比較高。因此，程旭云^[11]等人利用生物質(zhì)秸稈水分、揮發(fā)分、灰分和固定碳這4項指標來預(yù)測生物質(zhì)秸稈熱值，分析各因素之間的相互關(guān)系，構(gòu)建基于工業(yè)分析的高、低位熱值預(yù)測模型。結(jié)果表明工業(yè)分析指標的生物質(zhì)秸稈熱值預(yù)測模型可以較準確地預(yù)測生物質(zhì)秸稈熱值，充分體現(xiàn)了該模型的可行性，為生物質(zhì)秸稈能源化利用提供參考。據(jù)研究分析，與工業(yè)分析指標預(yù)測模型一致，農(nóng)作物秸稈的主要組成成分纖維素、木質(zhì)素含量與熱值也存在密切的線性回歸關(guān)系，通過秸稈纖維素、木質(zhì)素含量的測定數(shù)據(jù)來計算熱值，同時也對高熱值理想品種的篩選也存在較大的現(xiàn)實意義。

三、秸稈物理特性檢測技術(shù)

3.1 熱解特性的測定

生物質(zhì)熱解技術(shù)是指在加熱條件下將生物質(zhì)分解成氣體、液體、固體等可燃燃料并分別加以利用的技術(shù)。據(jù)報道，國內(nèi)外學者在生物質(zhì)熱解技術(shù)方面開展了大量的工作，大都采用熱重分析儀來研究秸稈類生物質(zhì)熱解規(guī)律，其主要功能是在程序溫度控制下測量試樣的重量隨溫度的變化規(guī)律。此外，還有一種方法是通過將熱重分析儀與差熱分析儀連用來對研究對象的燃燒、失重和放熱特性三方面進行綜合分析，在同一次測量中利用同一樣品可同步得到熱重與差熱信息，TG與DTA曲線對應(yīng)性更佳，有助于判別熱效應(yīng)過程；對TG曲線進行一次微分計算可得到熱重微分曲線（DTG曲線），可以得到熱重變化速率等更多信息。

3.2 秸稈密度的測定

秸稈密度是秸稈利用過程—收集(打捆)，運輸，貯存和應(yīng)用(如鍋爐中燃燒)計算分析的

一個重要數(shù)據(jù)，特別是秸稈實密度對于秸稈堆積狀態(tài)下孔隙率的計算和打捆成型時極限密度的估算等方面具有重大意義。易維明教授^[12]采用柴油隔離排水法測量玉米芯的體積，從而確定玉米芯的實密度。付加庭等人^[13]分別采用細沙秸稈混合法、濕式排水法、保鮮膜隔離排水法和計算法確定玉米秸稈的體積，從而間接測得玉米秸稈的密度，并對各種方法進行了比較分析。然而上述方法操作誤差較大，數(shù)據(jù)準確度低，不適于高要求的秸稈密度測定。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，BUDM堆積密度分析儀是國內(nèi)首臺專門針對堆積密度進行測量的分析儀器，可以消除大多數(shù)儀器采用固定量杯和天平進行測試帶來的操作誤差，測試速度快，操作方便。

四、結(jié)論與展望

隨著人們環(huán)境保護、資源短缺等意識的不斷加強，農(nóng)作物秸稈的利用率也在逐漸上升。因此，關(guān)于秸稈計量檢測技術(shù)研究已經(jīng)成為廣泛關(guān)注的課題，同時也受到大家的青睞。創(chuàng)建高效、簡單、快速的檢測技術(shù)將是未來的重點研究方向，農(nóng)作物秸稈的檢測技術(shù)將向更快、更準、更環(huán)保的方向發(fā)展。

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