碳氮比对干黄秸秆贮存及后续甲烷产量的影响

崔 宪，张乐平，孙 辉，温啸宇,2，郭建斌，董仁杰,3

碳氮比对干黄秸秆贮存及后续甲烷产量的影响

崔 宪1，张乐平1，孙 辉1，温啸宇1,2，郭建斌1※，董仁杰1,3

（1. 中国农业大学工学院，北京 100083；2. 中共中央党校研究生院，北京 100091；3. 中国农业大学烟台研究院，烟台 264670）

秸秆的有效贮存，是保证秸秆沼气工程全年稳定运行的前提。干黄秸秆因其处于可溶性碳源与氮源双重缺乏状态，成为影响贮存过程正常进行的重要原因。该文以干黄玉米秸秆为原料，通过补充可溶性碳源（蔗糖）与蛋白氮源（豆粕）调节秸秆初始C/N比后，分析其对秸秆湿贮存过程及后续甲烷产量的影响。当原料初始C/N比分别为30:1、25:1和20:1时。经60 d湿贮存试验结果表明，与仅添加蔗糖处理组相比，对贮存过程的pH值和干物质损失无显著影响（0.05），但有效降低了半纤维素含量，乳酸产量分别提高了19.0%、22.2% 和31.7%；通过分析贮存前后的细菌群落多样性，结果表明，可提高秸秆湿贮存过程中有益菌（乳酸菌）的相对丰度，腐败菌（梭菌属）的相对丰度降至0；对湿贮存前后原料进行产甲烷潜力测试，结果表明，与贮存前相比，累积甲烷产量分别提高3.9%、6.1%和10.8%。综上所述，通过补充可溶性碳源与蛋白氮源调节干黄秸秆C/N比，可改善干黄秸秆湿贮存过程的品质、稳定性和生物可降解性，并有效提高后续甲烷产量。研究结果可为秸秆沼气工程的贮存环节提供技术支撑。

秸秆；发酵；甲烷；干黄玉米秸秆；湿贮存；厌氧发酵；C/N比；乳酸

0 引 言

玉米秸秆作为一种可再生生物质资源，是中国主要农业废弃物之一。据统计，2017年其产量达2.7亿t[1]。“秸-沼-肥”能源生态模式是中国北方粮食主产区秸秆综合利用的主要推广模式之一。其以厌氧发酵技术为核心，同步实现秸秆能源化与肥料化综合利用，促进农业可持续发展。因玉米秸秆生产具有季节性，为了保证规模化沼气工程全年稳定运行，适宜的贮存方法是必要的[2]。与干贮存相比，湿贮存具有干物质损失低、原料均一性好、火灾风险低以及生物可降解性高等优势，在欧洲被广泛应用于秸秆沼气工程中[3-5]。

在中国，由于秸秆原料收集渠道和输送方式不一，导致用于沼气工程的秸秆以干黄玉米秸秆居多[6]，与国外沼气工程利用的青绿玉米秸秆相比，理化性质差异较大，处于可溶性碳源缺乏状态，不利于湿贮存进行[7]。前期研究成果表明通过补充添加剂（葡萄糖、纤维素酶）或者混合贮存等方式可以改善干黄玉米秸秆可溶性碳源缺乏状态[1,6]，提高湿贮存品质。同时，秸秆原料碳氮比一般为100～60:1[8-10]，不仅处于氮源缺乏状态，影响贮存过程中微生物活性，而且远高于厌氧发酵对于原料碳氮比要求的30～20:1[11]，不利于厌氧发酵的进行。国内外研究主要是通过非蛋白氮（尿素、氯化铵等）改善干黄玉米秸秆氮源缺乏状态[12-14]，调节秸秆碳氮比。然而，与非蛋白氮相比，蛋白氮源物质（豆粕、酒糟等）不仅可以调节碳氮比，也可以在后续厌氧发酵过程中转化为能源物质，而且有研究表明蛋白氮对乳酸菌有增殖作用，可以提高乳酸产量[15-16]，有利于降低贮存干物质损失。目前，通过蛋白氮源调节干黄玉米秸秆湿贮存过程，进而对后续甲烷产量的影响研究较少。

因此，本文以干黄玉米秸秆为原料，通过添加可溶性碳源（蔗糖）与蛋白氮源（豆粕）协同调控贮存过程，分析不同碳氮比对原料贮存品质、细菌多样性以及后续产甲烷潜力的影响，为秸秆沼气工程原料的高效贮存提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验原料

干黄玉米秸秆为2017年10月取自河南省巩义市，品种为丰玉2号，为鲜食玉米品种。收获后玉米秸秆含水率较高，呈青色，在自然条件下风干30 d左右后呈干黄色，风干后粉碎至1～3 cm的长度并运送至实验室进行后续试验。

豆粕取自九三集团天津大豆科技有限公司，为2016年7月生产的未膨化转基因大豆粕。

原料产气潜力测试的接种污泥取自北京城市污水处理厂，过10目筛除去沙粒，置于37 ℃的恒温水浴锅中，保持污泥活性。原料及污泥的理化性质见表1。

表1 干黄玉米秸秆、豆粕与接种污泥的化学组成

注：除总固体与挥发性固体以外，其他性质的单位均基于总固体计。

Note: Chemical composition are based on the total solid expect for total solid and volatile solid.

1.2 湿贮存原料调制与试验设计

用FW80小型粉碎机（北京中兴伟业公司，中国）将豆粕粉碎，与干黄玉米秸秆充分均匀混合。将蔗糖溶于一定量水中，均匀喷洒至混合好的秸秆与豆粕混合料（含水率为65%）。将调制好的各组原料分装至聚乙烯袋中（尺寸：250 mm×300 mm），用真空包装机抽真空并热封处理后，放置于人工气候箱（温度28 ℃，无光照，相对湿度65%）湿贮存60 d，分别选取第0、7、15、30、60 d时的样品分析pH值，发酵产物。选取贮存前后样品分析干物质损失、可溶性碳水化合物含量、纤维素、半纤维素和木质素含量。各处理组的秸秆、水分、蔗糖和豆粕添加量如表2所示。

表2 湿贮存试验设计

1.3 细菌多样性及差异性研究

在无菌环境下，准备干黄玉米秸秆原料与湿贮存后的5个处理组各10 g与90 mL无菌生理盐水混合，在37 ℃恒温振荡2 h得到微生物菌悬液，用孔径0.22m无菌滤膜过滤得到微生物菌体。用灭菌手术剪剪碎，将整张带有菌体的滤膜置于2 mL无菌离心管中，使用E.Z.N.A土壤DNA提取试剂盒进行微生物DNA提取，检测合格后送至上海美吉生物科技有限公司进行Illumina Miseq测序。

PCR扩增区域为16S rDNA V4-V5，所用引物为338F (5-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3)和806R (5- GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3)。根据Illumina MiSeq测序平台的标准流程进行双端（2×300 BP）测序，得到2×300 BP的数据。数据预处理后进行生物信息学分析、多样性分析、物种组成分析和差异性分析。

1.4 厌氧消化试验设计

厌氧消化试验分别选取5个处理组湿贮存前后的样品，共计10组进行试验。设计只接种污泥处理组作为空白，用于计算污泥产气量和秸秆甲烷净产量。

该批次厌氧发酵试验于带有一次性铝盖的120 mL玻璃发酵瓶中进行。污泥与玉米秸秆的添加量基于挥发性固体质量之比为2:1添加，将污泥与秸秆加入发酵瓶中，充分混匀后，充入氮气，随后立即盖好硅胶塞，标号后置于37 ℃恒温水浴锅中。试验期间使用玻璃注射器测量日均产气量，并分析计算累积产气量。产气潜能用修正的Gompertz模型（1）式进行拟合[17]。

=0×exp{−exp [max×e×0-1×(−)]+1}（1）

式中为扣除空白的时刻的累积气体产量，mL/g（以挥发性固体（volatile solid, VS）计）；0为最大产能潜能，mL/g（以VS计）；max为最大产甲烷速率，mL/(g·d)（以VS计）；为迟滞期，d；为试验持续的时间，d。

1.5 分析方法

总固体含量（total solid, TS）测定采用105 ℃干燥恒质量法，挥发性固体（volatile solid, VS）含量采用550 ℃灼烧恒重法。原料湿贮存后会产生大量有机酸，在105 ℃条件下进行总固体测定时有机酸挥发会引起测定结果偏低。因此，本文根据Kreuger等[18]报道的湿贮存原料在100 ℃下干燥时不同有机酸的挥发系数进行修正。总碳与总氮使用Vario EL cube型元素分析仪（Elementar元素分析仪，德国）测出。pH值使用Orin 5-Star 型pH计（梅特勒-托利多仪器有限公司）测定。半纤维素、纤维素和木质素的含量采用Van Soest Fiber方法，使用ANKOM A200型纤维分析仪（USA）进行测定。甲烷含量由SP-2100型气相色谱仪（北瑞利分析仪器有限公司，中国）测定。挥发性脂肪酸与乙醇含量采用日本岛津公司生产的GC-2010 Plus型气相色谱仪测定。乳酸含量采用美国戴安公司生产的Dionex Ultimate U3000型高效液相色谱仪测定。挥发性脂肪酸、乳酸和乙醇的测定方法详见文献[19]。

1.6 数据处理方法

数据用Origin 8.5软件整理制图并进行修正的Gompertz方程拟合累积产气曲线。利用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析，<0.05代表数据存在显著性差异，>0.05代表数据不存在显著性差异。采用LEfSe法分析物种差异性，其中Kruskal-Wallis检验与Wilcoxon检验的Alpha值为0.05。

2 结果与讨论

2.1 湿贮存过程中各组的pH值及发酵产物分析

湿贮存过程中各组的pH值与发酵产物的变化结果见图1。在湿贮存7 d内，5个处理组的pH值迅速下降。在贮存60 d时，CK组、S组、S-SM1组、S-SM2组和S-SM3组的pH值分别达到6.1、4.2、4.3、4.2和4.3。与CK组相比，其余4组的pH值均显著降低（0.05）。与S组相比，S-SM1组、S-SM2组和S-SM3组对贮存pH值无显著影响（0.05。乳酸质量分数分别达到7、63、75、77和83 g/kg（以TS计）。与S组相比，S-SM1组、S-SM2组和S-SM3组分别提高了19.0%、22.2%和31.7%。乙酸质量分数分别达到5、10、12、13和13 g/kg（以TS计）。与S组相比，S-SM1组、S-SM2组和S-SM3组分别提高了20%、30%和30%。所有组的丙酸质量分数均低于2 g/kg（以TS计）。丁酸质量分数分别达到22、2、0.9、0.7和0.7 g/kg（以TS计）。与S组相比，S-SM1组、S-SM2组和S-SM3组分别降低了55%、65%和65%；乙醇质量分数分别达到2、4、5、5和5 g/kg（以TS计）。

注：测试指标的单位均基于总固体计。

pH值是衡量贮存品质优劣的最直接指标之一，pH值为4.1～4.3，质量良好；pH值为4.4～5.0，质量一般；pH值在5.0以上，质量劣[19]。有机酸总量及组成是表征贮存过程好坏的重要指标[7]，通常认为乳酸含量高，可以有效降低pH值抑制腐败菌生长。乙酸可以提高开封后有氧稳定性，避免开封后原料腐烂[20]。丁酸含量越少越好，因其生成会造成大量干物质损失，导致能量损失[19]。CK组在贮存期间，pH值过高，乳酸含量低，丁酸含量高，贮存品质较差。据徐春城[19]报道，贮存初期，梭菌也有繁殖，但主要是在贮存后期，尤其是可溶性碳水化合物少的原料中，能发酵糖或有机酸的梭菌在贮存后期，将发酵乳酸产生丁酸，导致pH值升高。这与崔宪等研究结果一致[21]。与CK组相比，S组由于添加蔗糖作为发酵促进剂提高了乳酸、乙酸含量，降低了pH值与丁酸含量，这与Guo等研究结果一致[6]。与S组相比，通过添加蛋白氮源调节秸秆的C/N比，进一步提高了乳酸、乙酸含量，降低了丁酸含量。张亚丽等研究表明豆粕蛋白对乳酸菌有明显的增殖作用[15]。

2.2 湿贮存前后各组的干物质损失及组成分析

湿贮存60 d后各处理组的干物质损失，由表3可知。CK组、S组、S-SM1组、S-SM2组和S-SM3组的干物质损失分别为10.68%、5.05%、5.20%、5.50%和5.33%。与CK组相比，其余4组显著降低了贮存过程中的干物质损失（<0.05）。与S组相比，S-SM1组、S-SM2组和S-SM3组对干物质损失无显著影响（>0.05）。

湿贮存前后可溶性碳水化合物、纤维素、半纤维素和木质素含量的变化，由表3可知。各处理组湿贮存60 d后，可溶性碳水化合物几乎消耗殆尽。与湿贮存前相比，各处理组的纤维素含量与半纤维素含量均显著降低（<0.05），木质素含量无显著变化（>0.05）。湿贮存60 d后，与CK组相比，S组的纤维素和半纤维素含量无显著变化（>0.05）；与S组相比，S-SM1组、S-SM2组和S-SM3组纤维素含量无显著变化（>0.05）；S-SM2组与S-SM3组的半纤维素含量显著降低（<0.05）。

表3 湿贮存前后各组干物质损失、可溶性碳水化合物和木质纤维素的变化

注：除干物质损失率以外，其他指标的单位均基于总固体计。同列中不同小写字母表示差异显著（＜0.05）。

Note: Others index is based on the total solid expect for dry matter loss rate. The different superscript letter in a same column differ significantly (<0.05).

研究表明秸秆经过湿贮存后可一定程度降解半纤维素或纤维素[22-24]。与仅补充可溶性碳源相比，补充蛋白氮源可进一步促进湿贮存过程中秸秆的半纤维素降解。刘占英研究发现，蛋白氮对纤维素降解菌具有促进作用[25]。近年也有文献表明，秸秆自身附着着可以降解纤维素或半纤维素的微生物[26]。同时，半纤维素因其化学结构，较纤维素更易降解[27]。通过添加蛋白氮源调节秸秆C/N比，可能促进了某些可以降解半纤维素或纤维素的细菌活性。

2.3 湿贮存后各组的细菌多样性及差异性分析

湿贮存过程实质是一系列微生物活动的过程，主要以细菌为主。选取未贮存的原料与湿贮存后的样品进行细菌多样性及差异性分析。如表4所示，通过各种指数综合分析微生物群落丰度和多样性。各组测序覆盖深度（coverage指数用以指各样本文库的覆盖率）均达到0.99，证明本次试验的测序结果可以代表样本的真实情况。Sob指数表示物种丰富度及OTU的实际观测值，此处的丰富度是指群落中所含物种的多少，可得本次测序各组OTU数由大到小：S > R > S+SM1 > S+SM2 > S+SM3 > CK。Chao指数是反映群落丰富度的指数，Chao指数越大，表明群落的丰富度越高[28]。Chao指数由高到低：S > S+SM1 > R > S+SM3 > S+SM2 > CK。Shannon指数综合反映了群落的丰富度与均匀度，Shannon越大，表明群落的多样性越高[29]。Shannon指数由高到低：R > S > S-SM1 > CK > S+SM2 > S+SM3。以上结果表明，与S组相比，通过添加豆粕有效了降低湿贮存后秸秆的细菌群落多样性。

表4 原料与湿贮存后各组的细菌群落多样性分析指数

注：R为未贮存的原料。

Note: R is raw material.

由图2a可知，干黄玉米秸秆原料（Raw material）主要附着变形菌门（）、放线菌门（）和拟杆菌门（），相对丰度分别为48.15%、17.83%和24.53%，少量厚壁菌门（）和螺旋体菌门（），相对丰度分别为6.37%和2.45%。湿贮存60 d后，CK组、S组、S-SM1组、S-SM2组和S-SM3组的厚壁菌门（）相对丰度升高，成为优势菌群。变形菌门（）、拟杆菌门（）和螺旋体菌门（）相对丰度降低，这与之前的研究结果一致。

由图2b可知，干黄玉米秸秆原料（Raw material）主要附着鞘氨醇杆菌属（）、短波单胞菌属（）、假黄色单胞菌属（）、短状杆菌属（）和单胞菌属（）等，相对丰度分别为20.40%、7.68%、6.33%、5.20%和4.97%。少量乳酸菌，如乳杆菌属（）、魏斯氏菌属（）和肠球菌属（）等，相对丰度不足1%。各处理组经过湿贮存60 d后。CK组主要以魏斯氏菌属（）、肠球菌属（）、片球菌属（）、芽孢杆菌属（）和诺卡氏菌属（）为优势菌群。丰度分别为15.40%、10.30%、7.22%、8.99%和5.57%。梭菌属（）的相对丰度为3.27%。S组主要是以乳杆菌属（）、肠球菌属（）、片球菌属（）、芽孢杆菌属（）和肠杆菌属为优势菌群，丰度分别为11.41%、8.94%、6.80%、11.90%和5.26%。梭菌属（）的相对丰度为0.82%。S-SM1组主要是以乳杆菌属（）、魏斯氏菌属（）、肠球菌属（）、芽孢杆菌属（）和肠杆菌属（）为优势菌群，相对丰度分别为11.72%、9.87%、12.12%、9.48%和9.27%。梭菌属（）的相对丰度为0。S-SM2组主要是以乳杆菌属（）、魏斯氏菌属（）、肠球菌属（）、芽孢杆菌属（）、肠杆菌属（）为优势菌群，相对丰度分别为5.76%、21.50%、16.12%、8.76%和9.90%。梭菌属（）的相对丰度为0。S-SM3组主要是以乳杆菌属（）、魏斯氏菌属（）、肠球菌属（）、芽孢杆菌属（）、肠杆菌属（）和纤维菌属（）为优势菌群，相对丰度分别为17.14%、19.27%、11.83%、5.17%、7.75%和5.88%。梭菌属（）的相对丰度为0%。与S组相比，S-SM1组、S-SM2组和S-SM3组分别提高了乳酸菌（乳杆菌属（）、魏斯氏菌属（）、肠球菌属（）和片球菌属（））的相对丰度13%、45%和63%，梭菌属（）相对丰度降至0，这与乳酸、丁酸产量结果一致（如图1b和图1e）。

图2 原料与湿贮存后各组在门水平和属水平的细菌群落

采用LEfSe（LDA effect Size）法分析湿贮存后各处理组的微生物组（OTU）差异效应[30]。由图3可知，CK组（红色）的差异物种多是对贮存不利的微生物，如好氧型细菌（糖单胞菌属、诺卡氏菌属）和腐败菌（梭菌属）。S组（浅蓝）的差异物种多以兼性厌氧芽孢杆菌为主，如芽孢菌属（）、土地芽孢杆菌属（）、类芽孢杆菌属（）。芽孢杆菌的产乳酸效率不及乳酸菌，一般也是期望被抑制的细菌[21]。S-SM1（绿色）的差异物种较少。S-SM2（深蓝）与S-SM3（紫色）的差异物种以对贮存有利的功能菌群为主，如乳酸菌，其中S-SM2组的乳酸菌是肠球菌属（）和魏斯氏菌属（）；S-SM3组的乳酸菌是乳酸杆菌属（）。一般来说，杆菌比球菌更耐酸，更适合在pH值较低的环境下生长[7]，更有利湿贮存过程中产酸，提高贮存稳定性。同时，S-SM2组与S-SM3组的差异物种分别还有假单胞菌属（）与纤维素菌属（），据报道这2种菌属均具有降解木质纤维素的能力[31-34]。这可能是S-SM2组与S-SM3组半纤维素含量显著低于其他组的原因。

注：无显著差异的物种统一着色为黄色，差异物种跟随组别进行着色。例如红色节点表示CK组的差异物种。由内至外辐射的圆圈代表由门至种的分类级别。在不同分类级别上的每一个小圆圈代表该水平下的一个分类。小写字母表示属水平下的差异物种。

乳酸菌是秸秆湿贮存过程中最重要的有益微生物，因其可以快速消耗可溶性碳水化合物产生乳酸或乙酸，降低pH值抑制其他微生物生长，以达到保存有机质的目的[7]。梭菌被认为是湿贮存过程中不受欢迎的腐败菌之一[19]，它不仅会发酵糖类、蛋白质产生CO2、H2和NH3等气体，造成能量损失，而且还会发酵乳酸生成丁酸，导致pH值回升，不利于湿贮存稳定性。与S组相比，通过添加蛋白氮源调节秸秆的C/N比后，促进了湿贮存过程中有益菌生长，抑制了腐败菌生长。

2.4 湿贮存前后各组的产甲烷潜力及动力学分析

湿贮存前，各组累积甲烷产量如图4a所示，CK组、S组、S-SM1组、S-SM2组和S-SM3组测定结果分别为（250±0）、（269±6）、（278±4）、（292±3）和（314±2）mL/g（以VS计）。湿贮存后，各组累积甲烷产量如图4b所示，CK组、S组、S-SM1组、S-SM2组和S-SM3组测定结果分别为（263±2）、（279±9）、（289±7）、（310±8）和（348±10）mL/g（以VS计）。与贮存前相比，CK组、S组、S-SM1组、S-SM2组和S-SM3组分别提高了5.2%、3.7%、3.9%、6.1%和10.8%。与S组相比，通过添加蛋白氮源调节秸秆的C/N比后，进一步提高了湿贮存后累积甲烷产量。

注：累积甲烷产气量的单位基于挥发性固体计。

采用修正Gompertz 方程对湿贮存前后各处理组厌氧消化过程进行拟合分析，其中延滞期()是反映厌氧消化效率的重要指标[35]，结果如表5所示。所有组决定系数2均在0.98以上，表明方程对该试验的厌氧消化过程有较好的拟合。贮存前的各组延滞期在0.856～1.558之间，贮存后的各组延滞期在0.390～0.770。与S相比，通过添加蛋白氮源调节秸秆的C/N比后，可有效缩短延滞期，有利于提高实际沼气工程的产甲烷效率和综合效益。

表5 修正Gompertz方程预测湿贮存前后各组厌氧消化过程的产甲烷动力学参数

注：max、累积甲烷产量的预测值与测定值的单位基于挥发性固体计。

Note:max, predictive value and measured value of cumulative methane yield is based on the volatile solid.

干黄玉米秸秆经过湿贮存后，提高了累积甲烷产量，这与Herrmann等研究结果一致[36]。其中S-SM3组贮存后累积甲烷产量提高幅度最大。Zhao等研究结果表明，湿贮存技术提高秸秆甲烷产量与木质纤维素降解有关[22]，通过表3可知，S-SM3组的半纤维素含量显著低于其他处理组（<0.05）。同时，Croce等研究结果表明秸秆原料的碳氮比会影响甲烷产量[11]。Weiland等研究表明秸秆原料碳氮比为20∶1，更有利于厌氧发酵过程[37]。Deubleun等研究表明秸秆原料碳氮比为20～16∶1时，可以有效提高甲烷产量[38]。这与本试验研究结果类似。

3 结 论

1）通过可溶性碳源和蛋白氮源调节干黄玉米秸秆C/N比后，提高了湿贮存过程中乳酸、乙酸产量，降低了丁酸产量，有效提高原料的贮存品质；促进了湿贮存过程中有益菌（乳酸菌）活性，抑制了腐败菌（梭菌）生长，改善了原料的贮存稳定性；降低了湿贮存后干黄玉米秸秆的半纤维素含量，提高了原料的生物可降解性。

2）调节干黄玉米秸秆初始C/N比为30～20∶1，经过湿贮存后，提高了原料的累积甲烷产量，并有效降低厌氧发酵过程的延滞期，有利于提高秸秆沼气工程的产甲烷效率。

3）综上所述，以干黄秸秆为沼气工程原料时，以补充添加剂的方式调节原料初始C/N后，不仅可以改善湿贮存品质，还可以有效提高原料湿贮存后的产甲烷潜力。在实际工程应用中，为降低工程运行成本，在原料可溶性碳源充足的前提下，建议结合当地实际情况，可以适当补充其他含氮高的废弃物进行混合贮存，如酒糟、豆腐渣等。

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Effects of C/N ratio of wilted maize straw on wet storage process and subsequent methane production

Cui Xian1, Zhang Leping1, Sun Hui1, Wen Xiaoyu1,2, Guo Jianbin1※, Dong Renjie1,3

(1.,,100083,; 2,,100091,; 3.,,264670,)

In northern China, large amounts of wilted maize straw as agricultural waste are produced annually due to the cropping system, harvesting method and so on. Straw-biogas-fertilizer has become one of the promoted utilization modes in major grain-maize producing areas of northern China. Straw is anaerobically digested to produce methane while digestate (effluent of anaerobic digestion process) is utilized as organic fertilizer. Wet storage is always reported as a preferred strategy to preserve energy crops for methane production. It can control microbial activity by a combination of an anaerobic environment and a natural fermentation of sugars by lactic acid bacteria on the crop to achieve lower dry matter loss compared to hay or open-air storage. However, the C/N ratio of wilted maize straw is generally 100-60:1, not only affects the microbial activity during storage, but also is not conducive to the anaerobic digestion. In this study, the effects of adjusting the C/N ratio of wilted maize straw by adding sucrose and soybean meal on the storage quality and subsequent methane production were studied. Wilted maize straw has been stored for 60 days with five treatments, including CK group (without additives), S group (only sucrose and water were added where the water-soluble carbon content and moisture content were adjusted to 3.5% and 65%, respectively), S-SM1 group (sucrose, soybean meal and water were added where, the water-soluble carbon content, C/N ratio and moisture content were adjusted to 3.5%, 30:1 and 65%, respectively), S-SM2 group (sucrose, soybean meal and water was added where the water-soluble carbon content, C/N ratio and moisture content were adjusted to 3.5%, 25:1 and 65%, respectively), S-SM3 group (sucrose, soybean meal and water were added where the water-soluble carbon content, C/N ratio and moisture content were adjusted to 3.5%, 20:1 and 65%, respectively). The results of 60-day wet storage experiment showed that, when the C/N ratio of wilted maize straw was adjusted to 30:1, 25:1 and 20:1, there was no significant effect (0.05) on pH value and dry matter loss but decreased the hemicellulose content compared to S group. At the same time, the lactic acid content was increased by 19.0%, 22.2% and 31.7%, respectively. The acetic acid content was increased by 20.0%, 30.0% and 30.0%, respectively. The butyric acid content was decreased by 55.0%, 65.0% and 65.0%, respectively. The relative abundance of lactic acid bacteria (,,,) was increased by 13%, 45% and 63%, respectively. The relative abundance ofwas reduced to 0%. The results of LEfse analysis showed thatandbecome biomarker when the C/N ratio of wiltedcorn straw was 20:1. The results of biomethane potential test showed that, the specific methane yield of CK group, S group, S-SM1 group, S-SM2 group and S-SM3 group was increased by 5.2%, 3.7%, 3.9%, 6.1% and 10.8%, respectively, compared with treatment groups before wet storage. Simulating the anaerobic digestion performance by the modifying Gompertz equation shows that adjusting the C/N ratio of straw can reduce the lag period. In summary, by adding water-soluble carbon and protein nitrogen to adjust the C/N ratio of wilted maize straw, it can effectively improve the storage quality, biodegradability and specific methane yield of wilted corn straw. In practical engineering applications, in order to reduce the cost of the project, it is appropriate to supplement other agricultural wastes with high nitrogen content for mixed storage.

straw; fermentation; methane; wiltedmaize straw; wet-storage; anaerobic digestion; C/N ratio; lactic acid

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Cui Xian, Zhang Leping, Sun Hui, Wen Xiaoyu, Guo Jianbin, Dong Renjie. Effects of C/N ratio of wilted maize straw on wet storage process and subsequent methane production[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(23): 250－257. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.031 http://www.tcsae.org

2019-08-11

2019-11-13

国家自然科学基金青年科学基金项目（51608523）；“十二五”国家科技支撑计划项目（2015BAD21B04）

崔宪，博士生，主要从事秸秆湿贮存技术及厌氧发酵研究。Email：cuixiancau@163.com

郭建斌，副教授，博士，博士生导师，主要从事废弃物处理与资源化利用研究。Email：jianbinguo@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.031

X705; S216.4

A

1002-6819(2019)-23-0250-08