摘要：中国是农业大国，秸秆资源的蕴藏量极其丰富。为实现农作物秸秆资源利用的最大化，必须对秸秆收集、储藏以及利用过程中各成分、物理特性的变化进行实时监测。因此，对农作物秸秆计量检测技术的需求不断增长，其研究和应用极具价值。本文首先介绍了中国农作物秸秆资源的现状以及秸秆的使用价值，主要针对秸秆水分含量、元素含量、木质纤维素含量以及热值这四种参数指标的计量检测技术进行了综述，同时也探讨了有关秸秆物理特性的检测方法。
关键词：秸秆资源；参数指标；计量检测；物理特性
一、前言
我国作为农业大国，耕地面积超过18亿亩，每年都能产生大量的农作物秸秆，年产量可多达7亿吨。大部分秸秆资源都存在于农村，但因部分农村地区经济发展缓慢等原因，秸秆的利用率较低，主要还是直接燃烧、供牲畜食用甚至被丢弃，不仅造成了生物质能源的浪费，而且还会导致严重的环境污染和火灾等社会问题。农作物秸秆中富含氮、磷、钾、钙、镁和有机质等，是一种具有多用途的可再生的生物资源，具有许多可开发利用的价值。其利用价值主要体现在以下几个方面：①、秸秆还田：将秸秆还原到土壤当中去，直接用作一些农作物的肥料。②、秸秆饲料和食用菌基料：由于目前农村农民大多仍饲养着牲畜，所以秸秆经常被用作牲畜的饲料，此外秸秆也被广泛应用于饲料加工工业中。由于在农村人们培植许多食用菌，秸秆也常常被作为食用菌的基料。③、秸秆能源：秸秆资源常被开发作为能源。比如：将秸秆燃烧用来供热，将秸秆气化供气，很常见的还有利用秸秆发酵制成沼气等。④、建材、轻工和纺织原料：秸秆资源在建材、轻工和纺织等行业作为其生产过程中所需要的原料而广泛应用，比如：用秸秆制成各种工艺品和家居用品等。
综上所述，农作物秸秆是开发有机食品、有机饲料、工业原料和清洁能源的宝贵资源。要想达到对农作物秸轩合理、高效地利用，需要大量的基础性参数数据作为依据，生物质特性基础数据是农业物质产业技术发展和科学应用最基本的基础性技术参数，也是发展优质、高效、低耗生物质产业的公益性基础。因此，农作物秸秆收集、储运和利用等过程中的计量检测技术是秸秆资源开发利用的技术支撑，对实现秸秆资源综合利用以及实现经济效益的最大化具有重大的意义。国内外都在积极研究有关农作物秸秆的计量检测技术以求全面了解和掌握农作物秸秆的生物质特性，为秸秆资源的综合利用提供充分的理论依据和基础性数据。
二、秸秆参数计量检测技术
随着秸秆能源利用技术的飞速发展，对于农作物秸秆的计量检测技术的研究和开发也得到巨大的进步。目前检测的物质和主要的参数指标有：水分含量、灰分、挥发分、固定碳、元素分析、高位热值、地位热值等等。本文着重介绍了水分含量、元素含量、木质纤维素含量以及热值这四种参数指标的计量检测技术。
2.1水分含量的测定
外水分含量是农作物储藏过程中一个最为重要的检测指标，在高水分环境下农作物秸秆极易腐败。Mike[1]等人通过研究发现，在一个封闭的条件下秸秆水分含量是秸秆分解率也就是腐败程度的决定性因素，在保证环境温度不变的情况下建立秸秆水分含量和相对湿度之间的数学模型，通过监测环境的相对湿度从而达到估计秸秆的水分含量的目的。该方法实现了相对湿度RH和水分含量之前的转换，既方便快捷，同时也具有较高的置信水平。
直燃发电是秸秆能源转化利用的有效途径之一。秸秆作为电厂的原料，其水分和热值是最受关注的两个性质指标。因此，秸秆含水率的检测对于秸秆资源的高效利用具有重要的意义。传统的秸秆含水率测定方法主要采用烘干法，该方法测量结果稳定、精度高，但在需要现场快速测量的场合有一定的限制。目前，市场上现有的便携式稻麦草含水率检测仪主要是引进日本生产的SK-100水分检测仪。它采用高频电磁波感应法，适用范围广、测量范围宽、小巧玲珑、便于携带、适合现场快速测量。但与便携式的粮食水分检测仪相比，它的价格较高。杨军等人[2]在总结现有农产品含水率检测方法研究成果的基础上，基于交流阻抗法，设计了以8位单片机AT89S52为控制核心的麦秸秆含水率检测仪，通过试验建立了输出复阻抗与主要影响因素的关系模型，实现了小麦秸秆含水率的检测。
2.2 元素含量的测定
生物质秸秆中化学元素的性质及其含量与它的燃烧性能密切相关，因此，实现生物质秸秆基本元素组成含量的快速检测，对研究生物质秸秆能源化利用及其燃烧性能意义重大。牛智有[3]等人运用高光谱成像技术，对秸秆中N、C、H、S、O元素含量快速检测的可行性进行研究。实验采用竞争性自适应重加权采样算法选取元素检测敏感变量，提取光谱维数据，结合偏最小二乘算法，构建了生物质秸秆中基本元素的定量分析模型。研究结果表明，采用高光谱成像技术并应用光谱维数据结合CARS-PLS算法可以实现秸秆N、O元素的有效检测。尽管高光谱成像技术在检测效果方面呈现出独特的优势，但由于其波段数较多，数据量庞大，检测过程较为复杂使其在使用中受到一定程度的限制。李传友与李晓金[4,5]等人针对传统检测方法费时、费力等缺点，采用近红外漫反射光谱技术(NIRS)对生物质秸秆的化学成分进行了深入地探讨。该检测方法具有测定速度快，样品制备简单，不耗费化学试剂，操作简便等优点，已经在农业、化工、煤炭、药等方面均得到了广泛的应用，缺点是对S、H等元素无法进行精确的定量分析。然而对S元素的测定通常采用的是红外定硫仪，该方法是对秸秆燃烧产生的气体进行检测，根据SO2、H2O和CO2等气体分子吸收红外光的性质以及朗伯－比尔定律，通过红外光被吸收前后的强度来确定气体的浓度。
然而金属元素也是关系农作物秸秆科学利用的重要组成部分，孙勇[6]等人采用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）分析测定了全国不同地区的玉米秸秆中微量金属元素的含量。牛文娟[7]等人以黄氏标准物质为对照，采用原子吸收光谱测定玉米秸秆、小麦秸秆和棉花秸秆中金属元素含量。这两种检测方法简便、快速、灵敏度高、准确性好，且对环境污染小，是快速测定秸秆中金属元素的方法。
2.3 木质纤维素含量的测定
纤维素、半纤维素和木质素是组成木质纤维素原料的三个主要成分，其含量多少与总糖得率和乙醇产量直接相关，含量的变化也是预处理、酶解及发酵工艺条件的重要依据。因此，准确测定木质纤维素中纤维素、半纤维素及木质素的含量显得尤为重要。秸秆中木质素的测定通常采用硫酸法[8]进行测定，利用浓硫酸水解试样中的菲木质素部分，剩下的残渣即为木质素。但该方法存在操作安全、废酸回收、环境污染等方面问题，极大地限制了其的使用。测定秸秆中纤维素的方法主要是硝酸乙醇法[9]，与硫酸法测定木质素类似。虽然该方法所需装置简单，但对硝酸乙醇处理过程中的强度要求较大，测定结果的准确度较低。NREL[10]等人针对以上三组分含量测定中操作繁琐，耗时长，无法批量测定等问题，提出了系统测定木质纤维素原料中三组分含量的方法，该法无需使用硝酸、乙醇等有机试剂，通过酸解后直接用HPLC测定单糖，且可以进行大批量同时测定。但该方法也存在前处理过程较为复杂、计算繁琐等问题。据报道，近红外反射光谱已用于玉米自交系纤维素和体外消化率的评价，以及玉米青贮品质联机分析，同时也可以采用近红外光谱仪对玉米秸秆纤维素进行快速、准确地分析。经研究发现近红外技术检测玉米秸秆纤维素，无需对样品进行繁杂的处理，并且可以同时检测多个组分，分析速度快，结果准确度高。
2.4 热值的测定
热值分为高位热值和低位热值，是燃料质量的一项重要指标，生物秸秆热值的高低直接影响到生物质能源可利用的经济性。目前为止氧弹式热量计是测定秸秆热值的常用方法，然而，该方法仪器昂贵，测定成本高，过程复杂，对测定人员要求比较高。因此，程旭云[11]等人利用生物质秸秆水分、挥发分、灰分和固定碳这4项指标来预测生物质秸秆热值，分析各因素之间的相互关系，构建基于工业分析的高、低位热值预测模型。结果表明工业分析指标的生物质秸秆热值预测模型可以较准确地预测生物质秸秆热值，充分体现了该模型的可行性，为生物质秸秆能源化利用提供参考。据研究分析，与工业分析指标预测模型一致，农作物秸秆的主要组成成分纤维素、木质素含量与热值也存在密切的线性回归关系，通过秸秆纤维素、木质素含量的测定数据来计算热值，同时也对高热值理想品种的筛选也存在较大的现实意义。
三、秸秆物理特性检测技术
3.1 热解特性的测定
生物质热解技术是指在加热条件下将生物质分解成气体、液体、固体等可燃燃料并分别加以利用的技术。据报道，国内外学者在生物质热解技术方面开展了大量的工作，大都采用热重分析仪来研究秸秆类生物质热解规律，其主要功能是在程序温度控制下测量试样的重量随温度的变化规律。此外，还有一种方法是通过将热重分析仪与差热分析仪连用来对研究对象的燃烧、失重和放热特性三方面进行综合分析，在同一次测量中利用同一样品可同步得到热重与差热信息，TG与DTA曲线对应性更佳，有助于判别热效应过程；对TG曲线进行一次微分计算可得到热重微分曲线（DTG曲线），可以得到热重变化速率等更多信息。
3.2 秸秆密度的测定
秸秆密度是秸秆利用过程—收集(打捆)，运输，贮存和应用(如锅炉中燃烧)计算分析的
一个重要数据，特别是秸秆实密度对于秸秆堆积状态下孔隙率的计算和打捆成型时极限密度的估算等方面具有重大意义。易维明教授[12]采用柴油隔离排水法测量玉米芯的体积，从而确定玉米芯的实密度。付加庭等人[13]分别采用细沙秸秆混合法、湿式排水法、保鲜膜隔离排水法和计算法确定玉米秸秆的体积，从而间接测得玉米秸秆的密度，并对各种方法进行了比较分析。然而上述方法操作误差较大，数据准确度低，不适于高要求的秸秆密度测定。据研究发现，BUDM堆积密度分析仪是国内首台专门针对堆积密度进行测量的分析仪器，可以消除大多数仪器采用固定量杯和天平进行测试带来的操作误差，测试速度快，操作方便。
四、结论与展望
随着人们环境保护、资源短缺等意识的不断加强，农作物秸秆的利用率也在逐渐上升。因此，关于秸秆计量检测技术研究已经成为广泛关注的课题，同时也受到大家的青睐。创建高效、简单、快速的检测技术将是未来的重点研究方向，农作物秸秆的检测技术将向更快、更准、更环保的方向发展。
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[12] 易维明.生物质利用导论[M].中国农业科技出版社,1996:94-95.
[13] 付加庭,何芳,徐攀等.玉米秸实密度的测定方法[A].全国研究生生物质能研讨会[C],2007.
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