中國(guó)作物秸稈資源利用狀況分析

中國(guó)作物秸稈資源利用狀況分析

0秸稈利用的研究中國(guó)主要的谷物種類(lèi)有近20種。20世紀(jì)中期秸稈的產(chǎn)量就在7億t以上,占世界秸稈資源產(chǎn)量的25%左右。秸稈中蘊(yùn)藏著巨大的養(yǎng)分資源,作物吸收的養(yǎng)分將近有一半要留在秸稈中。但是,長(zhǎng)期以來(lái)秸稈作為一類(lèi)資源沒(méi)有得到充分合理的利用,大量的秸稈被丟棄、焚燒,這不僅造成了資源的浪費(fèi),同時(shí)也污染了環(huán)境。秸稈的利用問(wèn)題是關(guān)系到資源、環(huán)境以及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的重大問(wèn)題。而對(duì)作物秸稈利用的研究大多集中在區(qū)域尺度,國(guó)家尺度上的研究主要集中在20世紀(jì)90年代,多數(shù)學(xué)者也大多引用90年代的數(shù)據(jù)。近年來(lái)在國(guó)家尺度上對(duì)秸稈利用狀況的研究鮮有報(bào)道,秸稈養(yǎng)分利用狀況的分析尚屬空白。因此,本文利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和2006年全國(guó)農(nóng)戶(hù)專(zhuān)項(xiàng)調(diào)研數(shù)據(jù),對(duì)2006年中國(guó)農(nóng)作物秸稈及其養(yǎng)分資源數(shù)量進(jìn)行了估算,分析和探討了秸稈及其養(yǎng)分資源的分布和利用狀況,以求為指導(dǎo)中國(guó)秸稈資源的合理利用提供依據(jù)。1材料和方法1.1秸稈資源數(shù)量估算模型歷史上對(duì)作物秸稈的管理開(kāi)始于1970年,雖早在1965年以前作物產(chǎn)量的數(shù)據(jù)庫(kù)就已經(jīng)建立,但是秸稈產(chǎn)量的數(shù)據(jù)記錄卻很有限。中國(guó)歷史上對(duì)作物秸稈資源量沒(méi)有專(zhuān)門(mén)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),秸稈資源數(shù)量是通過(guò)與作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的關(guān)系計(jì)算得到的,即秸稈籽粒比。本文采用這種國(guó)際上比較通用的方法來(lái)估算中國(guó)秸稈養(yǎng)分資源數(shù)量,其計(jì)算公式如下式中:St——秸稈資源數(shù)量(風(fēng)干基);Cri——第i種作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量;Rai——第i種作物秸稈籽粒比值;SN——秸稈氮素(N)資源數(shù)量(風(fēng)干基);Ni——第i種作物秸稈氮素養(yǎng)分含量;SP——秸稈磷素(P2O5)養(yǎng)分資源數(shù)量(風(fēng)干基);Phi——第i種作物秸稈磷素養(yǎng)分含量;2.29——單質(zhì)磷折算為五氧化二磷(P2O5)的系數(shù);SK——秸稈鉀素(K2O)養(yǎng)分資源數(shù)量(風(fēng)干基);Poi——第i種作物秸稈鉀素養(yǎng)分含量;1.2——單質(zhì)鉀折算為氧化鉀(K2O)的系數(shù)。總共涉及籽粒產(chǎn)量、秸稈籽粒比、秸稈氮含量、秸稈磷含量以及秸稈鉀含量5個(gè)參數(shù)(這里的氮、磷、鉀養(yǎng)分分別代表N、P2O5、K2O)。1.2數(shù)據(jù)來(lái)源1.2.1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作物產(chǎn)量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來(lái)自于《新中國(guó)50年農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》以及中國(guó)的歷年統(tǒng)計(jì)年鑒(2000-2007)中的農(nóng)作物產(chǎn)量部分。1.2.2收獲指數(shù)harvest反映秸稈與籽粒的關(guān)系,除了秸稈籽粒比(秸稈/籽粒,為質(zhì)量比,反映秸稈和籽粒的關(guān)系,其中秸稈中不包括根茬部分)之外,還有收獲指數(shù)(harvestindex,反映經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和地上部生物量的關(guān)系),為了計(jì)算方便,本文采用秸稈籽粒比參數(shù)。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外大量相關(guān)文獻(xiàn)的搜集和整理,在對(duì)比國(guó)內(nèi)外農(nóng)作物的秸稈籽粒比參數(shù)基礎(chǔ)上,從中選取中國(guó)權(quán)威文獻(xiàn)中的秸稈籽粒比參數(shù),確定了本研究中各種作物秸稈籽粒比參數(shù)值(表1)。1.2.3秸稈養(yǎng)分含量測(cè)定中國(guó)已經(jīng)有很多文獻(xiàn)給出了各種作物秸稈的養(yǎng)分含量,2000年全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心還做了全國(guó)性的普查,出版了《中國(guó)有機(jī)養(yǎng)分志》一書(shū),本文則主要從中選取秸稈養(yǎng)分含量參數(shù)。1.2.4秸稈利用方式對(duì)養(yǎng)分還田率的影響秸稈利用方式主要通過(guò)農(nóng)戶(hù)調(diào)研獲取。調(diào)研地區(qū)遍及東北、華北、華東、中南、西南和西北地區(qū)的21個(gè)省(市),選取播種面積較大的省(市)為主要調(diào)研對(duì)象,每個(gè)省根據(jù)種植結(jié)構(gòu)情況選取3~5個(gè)市,每個(gè)市選取3~5個(gè)縣進(jìn)行,每個(gè)縣選取2~3個(gè)自然村進(jìn)行實(shí)地調(diào)研,最終有效樣本量2783個(gè)。秸稈去向核算包括秸稈還田(主要是指秸稈直接還田和間接還田如有機(jī)械粉碎還田、翻壓還田、留高茬還田以及秸稈堆漚還田)、飼料(直接喂養(yǎng)牲畜以及墊圈的秸稈以及通過(guò)氨化、青貯、微貯方式做飼料的秸稈)、燃燒(農(nóng)戶(hù)直接用于生活燃料以及在田間和地頭焚燒的秸稈,還包括作沼氣的秸稈)和其他方式(包括秸稈用作造紙等的原料以及棄置亂堆)。不同利用方式下秸稈養(yǎng)分還田包括秸稈直接還田、過(guò)腹還田和燒灰還田。3種秸稈利用方式下養(yǎng)分還田比例是不相同的。其中,秸稈作肥料的養(yǎng)分可以全部還田(見(jiàn)表2);做飼料的秸稈氮、磷、鉀養(yǎng)分主要是通過(guò)糞尿的形式還田,據(jù)資料表明,畜禽糞尿氮的還田率只有50%左右,在還田過(guò)程中有22%左右的氮以氨揮發(fā)的形式損失到環(huán)境中去,因此綜合以上因素,本研究認(rèn)為,秸稈氮、磷養(yǎng)分過(guò)腹還田的比例分別為50%、72%,而秸稈鉀養(yǎng)分過(guò)腹還田比例本文采用高祥照等人的結(jié)果為77%;秸稈作燃料(這里為了便于計(jì)算把秸稈作生活能源和焚燒合并為燃料計(jì)算)還田主要是通過(guò)灰分的形式還田,而本研究中秸稈作燃料的比例為35.3%,而據(jù)資料表明秸稈焚燒的比例全國(guó)平均為22.4%,其余部分主要是做生活能源,因此本文認(rèn)為秸稈焚燒過(guò)程中,灰分可以全部還田(占秸稈燃料還田比例的63.4%),而秸稈做生活能源灰分不能及時(shí)還田導(dǎo)致數(shù)量較少(估計(jì)小于10%),并且由于秸稈燃燒過(guò)程中氮素養(yǎng)分全部損失到環(huán)境中去,因此綜合以上原因,本研究認(rèn)為秸稈做燃料中氮、磷、鉀養(yǎng)分還田率分別為0%、70%、70%。其他秸稈去向養(yǎng)分還田比例記作0%。秸稈不同利用方式下秸稈養(yǎng)分還田比例見(jiàn)表2。2結(jié)果與分析2.1中國(guó)稻草養(yǎng)分資源的分布2.1.1大作物秸稈養(yǎng)分分布情況中國(guó)農(nóng)作物秸稈種類(lèi)繁多,主要作物秸稈就有近20種。2006年中國(guó)秸稈及其養(yǎng)分資源分布見(jiàn)表3,其中秸稈數(shù)量以水稻、小麥和玉米三大作物居多,占到秸稈總量的77.2%,而其他秸稈資源數(shù)量只有1/3左右。秸稈養(yǎng)分分布方面,三大作物秸稈氮、磷、鉀養(yǎng)分?jǐn)?shù)量分別占到總量的68.8%、74.0%、73.9%,總養(yǎng)分占到總量的72.3%。其他作物秸稈中以油料作物秸稈居多,比例在8.7%,其次是豆類(lèi)、薯類(lèi)、棉花和雜糧。2.1.2不同地區(qū)甘蔗養(yǎng)分資源的分布2.2稻草資源的利用2.2.1各秸稈還田率及利用比例中國(guó)作物秸稈利用中,主要以秸稈還田、飼料和燃燒為主,結(jié)合表2中秸稈不同利用方式下秸稈養(yǎng)分還田比例的結(jié)果,由表5可以看出,2006年中國(guó)秸稈利用中,三者分別占到24.3%、29.9%和35.3%,各種秸稈利用方式下氮、磷、鉀養(yǎng)分的還田率分別為39.3%、70.5%、72.0%,養(yǎng)分還田量分別達(dá)到304.6萬(wàn)t、175.6萬(wàn)t、966.7萬(wàn)t。三大作物秸稈中,作肥料比例大小依次為小麥、水稻、玉米,小麥秸稈還田率達(dá)到43.8%,氮、磷、鉀養(yǎng)分還田率分別為52.2%、73.3%、74.1%。經(jīng)濟(jì)作物中,豆類(lèi)秸稈主要作肥料,薯類(lèi)秸稈主要飼料,油料秸稈主要用來(lái)燃燒,三者分別占各自利用比例的45.9%、55.9%、47.7%。由于棉花秸稈木質(zhì)化程度較高,主要用來(lái)燃燒,比例較高達(dá)到73.7%。2.2.2秸稈主要用于飼料從不同地區(qū)來(lái)看(表6),各地區(qū)的秸稈利用情況差異較大,其中東北和華東地區(qū)秸稈主要用作燃料,比例接近50%;華北和中南地區(qū)秸稈主要用作肥料,占46.9%。西北地區(qū)秸稈主要用作飼料,占到該地區(qū)秸稈利用比例的45%左右。西南地區(qū)秸稈還田、肥料和燃燒利用方式都在25%~35%之間,其中以燃料居多。3討論3.1秸稈還田比例及影響因素分析作為有機(jī)肥資源,秸稈占中國(guó)有機(jī)資源總量比例在12%~19%之間,其氮、磷、鉀等養(yǎng)分資源占有機(jī)養(yǎng)分資源的25%~35%。秸稈還田作肥料不但可以替代一部分化肥,同時(shí)可以提高農(nóng)田養(yǎng)分的循環(huán)利用效率。近年來(lái),由于政策的引導(dǎo)以及農(nóng)業(yè)補(bǔ)貼力度的加大,有力地促進(jìn)了秸稈還田技術(shù)的應(yīng)用以及秸稈還田機(jī)械的推廣,并且配合秸稈禁燒和綜合利用取得了明顯的成效,秸稈還田水平有了很大的提高(見(jiàn)表7)。2006年中國(guó)秸稈還田比例接近25%,較20世紀(jì)90年代增加近10個(gè)百分點(diǎn)。不同利用方式下氮、磷、鉀養(yǎng)分還田量分別為305萬(wàn)t、176萬(wàn)t、967萬(wàn)t,分別占到秸稈氮、磷、鉀總養(yǎng)分的39.3%、70.5%、72.0%,秸稈養(yǎng)分的還田潛力仍有很大空間。秸稈還田比例在增加,但是秸稈養(yǎng)分還田比例仍然不高。影響秸稈養(yǎng)分還田的因素主要存在以下兩個(gè)方面:首先,秸稈過(guò)腹還田養(yǎng)分(畜禽糞尿養(yǎng)分)在逐年減少。隨著中國(guó)規(guī)?；B(yǎng)殖的不斷擴(kuò)大,農(nóng)牧分離,導(dǎo)致大量的糞尿資源不能被及時(shí)利用,不僅污染了環(huán)境,同時(shí)也浪費(fèi)了大量的資源。經(jīng)研究證明:中國(guó)畜禽規(guī)模化養(yǎng)殖下糞尿資源利用與農(nóng)戶(hù)散養(yǎng)下畜禽糞尿利用比例相比是較低的。其次,秸稈燃燒后灰分中存在的大量磷、鉀養(yǎng)分大量被丟棄。秸稈是農(nóng)村生活能源的主要組成部分,隨著化石能源的比例在農(nóng)村生活能源消費(fèi)中的比重不斷加大,秸稈焚燒嚴(yán)重,加上秸稈作生活能源燃燒后的灰分收集又比較困難。因此,大量的養(yǎng)分就被白白的浪費(fèi)掉了。3.2秸稈飼用技術(shù)隨著人口增加和人民生活水平的提高,肉、蛋、奶在食物消費(fèi)中所占的比例越來(lái)越大,中國(guó)將長(zhǎng)期面對(duì)飼料糧短缺的問(wèn)題。但是,秸稈直接飼用的適口性和牲畜的采食性都較差,在消化道中停留時(shí)間長(zhǎng),消化利用率僅為20%~30%。為了提高秸稈的采食率和消化率,近年來(lái),中國(guó)秸稈飼料化主要采用秸稈氨化、青貯和微貯、顆粒飼料等技術(shù),可以將秸稈中的粗蛋白含量提高到0.71%、改善纖維素的組成,可以使消化速率提一倍。2000年中國(guó)秸稈飼用量達(dá)到1.98億t,而2006年秸稈飼用達(dá)到2.3億t,主要貢獻(xiàn)取決于秸稈的絕對(duì)量的增加,但是比例卻沒(méi)有顯著的變化。盡管新技術(shù)的應(yīng)用,但是秸稈作為飼料資源在飼料組成中所占的比重還是比較小的,究其原因主要是秸稈在收集、運(yùn)輸以及貯藏過(guò)程中存在的一系列不便的因素,因此提高秸稈的飼用率以及養(yǎng)分的吸收效率需要各方面共同的努力。3.3秸稈作能源比重下降,秸稈燃燒效率低下秸稈的含碳量較高,其能源密度一般為14.0~17.6MJ/kg,長(zhǎng)期以來(lái)在農(nóng)村生活能源中占有重要地位。因此秸稈資源又被定義為生物質(zhì)能源。在中國(guó)農(nóng)村能源的消費(fèi)比例中,秸稈資源從1989年的34.8%下降到2005年的17.1%,下降了13個(gè)百分點(diǎn)之多,秸稈作能源比重下降導(dǎo)致大量的秸稈被焚燒,同時(shí)帶來(lái)了環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失。秸稈燃燒的灰分沒(méi)有全部的還田,造成大量的養(yǎng)分浪費(fèi),尤其是灰分中的鉀,對(duì)彌補(bǔ)中國(guó)農(nóng)田中化肥鉀投入的不足有著深遠(yuǎn)的意義。秸稈直接燃燒的效率比較低,只有12%~15%,近年來(lái)發(fā)展了開(kāi)發(fā)秸稈能源的新技術(shù):其中包括秸稈氣化、成型燃料等技術(shù),秸稈燃燒熱值分別比直接燃燒提高2倍和3~4倍,為提高秸稈的燃燒效率做出了很大的貢獻(xiàn)。由于秸稈資源固定了大量的碳資源,秸稈的燃燒不會(huì)帶來(lái)空氣中CO2凈增加,因此增加秸稈在農(nóng)村能源中的消費(fèi)比例,減少化石燃料的消費(fèi),對(duì)減輕我國(guó)碳的排放會(huì)起到很大的作用。4秸稈及其養(yǎng)分資源分布中國(guó)作物秸稈資源量巨大,2006年超過(guò)7.6億t,其中蘊(yùn)含的氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)養(yǎng)分資源數(shù)量分別達(dá)到776萬(wàn)t、249萬(wàn)t、1342萬(wàn)t,但還田養(yǎng)分分別只占秸稈資源養(yǎng)分量的39.3%、70.5%和72.0%,可見(jiàn)秸稈還田比例及其養(yǎng)分還田比例仍然有很大的提升空間。同時(shí),由于秸稈本身的特殊性,通過(guò)飼用過(guò)腹還田、作為生物質(zhì)能源也是可用的模式。因此,優(yōu)化管理秸稈資源、提高秸稈養(yǎng)分資源循環(huán)利用效率