區域秸稈資源分布及全量化利用潛力分析

李勝男，紀雄輝，鄧 凱，朱 堅，李嘗君，簡 燕，彭 華

（1. 湖南省農業科學院湖南省農業環境生態研究所，長沙 410125；2. 農業部長江中游平原農業環境重點實驗室，長沙 410125；3. 湖南省洞庭湖流域農業面源污染防治工程技術研究中心，長沙 410125）

0 引 言

農作物秸稈是寶貴的生物質資源，儲存著大量的養分，充分利用秸稈資源，促進農業生態系統養分循環，是農業可持續發展的基礎。但是，受農業集約化、資金短缺和農戶認知等影響，中國秸稈資源綜合利用水平整體不高[1-2]。秸稈區域性、季節性、結構性過剩現象不斷凸顯，露天焚燒和隨意丟棄現象屢禁不止，不僅造成秸稈資源浪費，其焚燒還會釋放大量CO、CO2和顆粒物等污染大氣，甚至直接影響土壤健康，對區域生態環境造成嚴重影響[3-5]。國家和地方政府均十分重視秸稈資源化利用：2016年，國家發改委將農作物秸稈綜合利用率納入《綠色發展指標體系》；2017年中辦、國辦聯合印發《關于創新體制推進農業綠色發展的意見》，嚴格落實秸稈禁燒制度，推進秸稈全量化綜合利用；2018年國務院頒發了《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》中也將秸稈禁燒作為藍天保衛戰重要決策部署。因此，推進秸稈禁燒、提高秸稈資源化綜合利用率是大氣污染防治的需要，是美麗鄉村建設的需求，也是發展生態循環農業的必經之路。

要想從根本上解決農作物秸稈資源過剩的問題，必須走區域秸稈全量化利用之路[6]。前人對秸稈資源量和利用潛力進行了大量的報道和研究，而且主要基于全國和大流域水平[7-10]。但是，除此之外，要想實現區域秸稈全量化利用，還必須充分考慮區域秸稈資源類型和空間分布特征，結合區域秸稈資源供給和需求量關系，優化秸稈綜合利用結構，這樣才能更高效地實現農業生態系統秸稈資源循環利用[10-11]。而目前仍十分缺乏相關方面的報道研究。此外，秸稈資源化利用方式和程度還受到多方因素制約，要想進一步提高秸稈綜合利用率，必須摸清區域秸稈資源綜合利用現狀和潛力。湖南省是農業大省，也是中國雙季稻主產區，秸稈資源豐富。本研究以湖南省秸稈資源為研究對象，基于湖南省各區縣農業統計數據，分析了湖南省秸稈資源量、種類構成及其空間分布特征；同時根據湖南省秸稈資源量及利用現狀，研究了湖南省秸稈資源化利用主要方式與競爭性需求關系，旨在為區域秸稈全量化利用提供數據支撐和科學參考，提升區域秸稈綜合利用率，實現秸稈資源化產業發展，對大氣污染防治和鄉村振興具有重要現實意義。

1 材料與方法

1.1 數據來源

湖南省農作物產量、播種面積等數據來源于2018和2019湖南省農村統計年鑒。

1.2 秸稈資源量估算

1）理論秸稈資源量：指理論上某區域每年可能產生的最大秸稈量，一般可根據農作物產量及其草谷比間接計算獲得。計算公式為：理論秸稈資源量=農作物產量×草谷比。湖南省主要作物草谷比參考王曉玉等[12]報道的系數，如表1所示。

表1 湖南省主要農作物草谷比和可收集系數Table 1 Straw and grains ratios and collectivity coefficients of the major crops in Hunan Province

2）可收集秸稈資源量：指某區域通過現有收集方式，扣除在收割、收集和運輸過程的損失，獲得的可供利用的實際農作物秸稈數量。計算公式為：可收集秸稈資源量=理論秸稈資源量×可收集系數。中國主要農作物秸稈可收集系數[9]如表1所示。

3）人均秸稈資源占有量：指某區域人均秸稈資源占有的數量，一般使用農村人口總數。

1.3 秸稈利用潛力估算

1）肥料化需求量：是指為實現土壤生產力維持與持續提高的秸稈最小還田量。湖南省屬于長江中下游農區，為實現土壤生產力維持和持續提高，秸稈最小還田量應達到3 t/hm2[13]。根據農業部《區域農作物秸稈全量處理利用技術導則》[14]長江中下游農區秸稈還田量推薦范圍為3～9 t/hm2，推薦的適宜還田量為4.5 t/hm2。

2）飼料化需求量：是指食草性大牲畜（牛、馬、驢、騾等）等存欄總量所需要的飼用秸稈量，以每頭牛平均年消耗秸稈1.7 t（風干質量）計[15]，其他大牲畜秸稈消耗量同牛計[11,16]，羊的草食需求量是牛的五分之一[14]。

3）基料化需求量：是指生產食用菌所需的秸稈量，按照秸稈量與食用菌產量1:1比例進行計算[17]。湖南省食用菌產量來源于中國食用菌協會發布的《全國食用菌2018年度產量、產值統計調查結果》[18]。

4）原料化利用量來源于湖南省 2018年秸稈資源臺賬中的統計數據。

5）可能源化利用量：是指扣除其他秸稈競爭性需求用途后剩余的秸稈資源量。計算公式如下：

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2010對數據進行處理、分析和制圖；利用ArgGIS10.2對秸稈資源量和需求量空間分布進行分析制圖。

2 結果與分析

2.1 湖南省主要農作物秸稈資源量及種類構成

基于2018和2019湖南省農村統計年鑒，利用農作物草谷比和可收集系數對湖南省主要農作物秸稈類型和資源量進行了估算，結果顯示2017年、2018年湖南省主要農作物秸稈理論和可收集資源量分別為 4 047.8和3 059.5萬t、4 021.7和3 039.1萬t，幾乎持平。基于2018年數據計算發現，湖南省主要以水稻種植為主，水稻播種面積占全省農作物播種總面積的53.5%，其次為蔬菜、油菜和玉米。水稻秸稈是湖南省的主要農作物秸稈，可收集資源量占全省總量的64.7%；其次為油菜秸稈，占全省可收集秸稈總量的16.0%；再次為蔬菜和玉米秸稈，可收集資源量分別占比7.5%和6.1%；其他農作物秸稈占比不到6%（表2，圖1）。綜上所述，湖南省農作物種植雖然品類豐富，但資源量總量差異較大，區域農作物秸稈品類主要以水稻秸稈為主，油菜、蔬菜和玉米秸稈為輔。

表2 2018年湖南省主要農作物播種面積、產量及秸稈資源量估算Table 2 Sown area, yields and estimating quantity of straw resources for major crops in Hunan Province in 2018

2.2 湖南省農作物秸稈資源空間分布

湖南省各區縣秸稈資源量統計結果表明，區域內秸稈資源量差異較大，各區縣可收集秸稈資源量在247.0 t～87.6萬t之間（圖2）。全省秸稈資源量整體呈現自西向東、由南向北逐漸增加的趨勢；湖南省西部（張家界、湘西自治州和懷化市）和南部（郴州和永州市部分區縣）秸稈資源量較少。可收集秸稈資源量最多的前10個縣為桃源縣、鼎城區、寧鄉縣、漢壽縣、南縣、衡陽縣、衡南縣、華容縣、澧縣和瀏陽市，可收集秸稈資源量均超過60萬t。各區縣人均秸稈資源占有量范圍在0.01～1.89 t之間，平均為0.68 t。人均秸稈資源占有量最高的區域主要集中在湖南省北部環洞庭湖區的常德、益陽和岳陽市等（圖3）。

圖1 2018年湖南省主要農作物播種面積、產量及秸稈資源量占比Fig.1 Proportion of main crops in sown area, yields and straw resources in Hunan Province in 2018

圖2 湖南省可收集秸稈資源量空間分布Fig.2 Spatial distribution of the collectable straw resources in Hunan Province

鑒于水稻、油菜、蔬菜和玉米占湖南省農作物秸稈量的90%以上，本研究分別對這4種農作物秸稈資源量的空間分布進行了分析。湖南省農作物秸稈主要以水稻秸稈為主，各區縣水稻秸稈的平均可收集資源量為 16.5萬t；水稻秸稈與總農作物秸稈具有相似的空間分布趨勢，最豐富的區縣主要集中在湖南省中軸線北部和東部（圖4）。各區縣油菜秸稈可收集資源量在0～24.4萬t之間，平均為3.8萬t；最豐富的區域主要集中在湖南省北部常德市和東南部衡陽市大部分縣區以及東部的瀏陽市，其油菜可收集秸稈資源量均在9萬t以上（圖5）。

圖3 湖南省人均秸稈資源占有量空間分布Fig.3 Spatial distribution of the amount of straw resources per capita in Hunan Province

圖4 湖南省水稻秸稈可收集資源量空間分布Fig.4 Spatial distribution of the collectable straw resources of rice in Hunan Province

湖南省玉米秸稈可收集資源量相對較低，各區縣平均可收集資源量為1.5萬t；玉米秸稈可收集資源量與水稻秸稈的區域分布相反，總體上由西部到東部呈現先增加后降低的趨勢；最為豐富的區域主要分布在湖南省中軸線西部和最南部，包括慈利縣、石門縣、溆浦縣、新化縣、漣源市以及江華瑤族自治縣和宜章縣等（圖 6）。不同區縣蔬菜秸稈可收集資源量在247.0 t～8.8萬t之間，平均1.8萬t；最豐富的區域主要集中在東部的長沙市（市內五區除外）、株洲市以及西南部永州市的部分區縣（圖7）。

圖5 湖南省油菜秸稈可收集資源量空間分布Fig.5 Spatial distribution of the collectable straw resources of rape in Hunan Province

圖6 湖南省玉米秸稈可收集資源量空間分布Fig.6 Spatial distribution of the collectable straw resources of maize in Hunan Province

圖7 湖南省蔬菜秸稈可收集秸稈資源量空間分布Fig.7 Spatial distribution of the collectable straw resources of vegetable in Hunan Province

2.3 湖南省秸稈全量化利用潛勢分析

2.3.1 秸稈肥料化需求

本研究計算的秸稈肥料化利用為直接還田需求。根據2019年湖南統計年鑒，近5 a來全省每年年末實有耕地面積均保持在 415×104hm2左右，至 2018年末為415.54×103hm2。湖南省屬于長江中下游農區，為實現土壤生產力維持和持續提高，秸稈最小還田量應達到3 t/hm2[13]。2017年，農業部發布的《區域農作物秸稈全量處理利用技術導則》中長江中下游農區秸稈還田量推薦范圍為3～9 t/hm2，推薦的適宜還田量為4.5 t/hm2。據此，可以估算出湖南省秸稈還田肥料化需求量范圍為 1 246.6～3 739.9萬t；而適宜秸稈還田肥料化量為1 869.9萬t，扣除982.7萬t的留茬量后，還需887.3萬t秸稈用于肥料化，占秸稈可收集資源總量的29.2%。

2.3.2 秸稈飼料化需求

根據2019年湖南省農村統計年鑒，全省牛、馬、驢、騾等大牲畜2018年末數為3 869 691頭，羊年末存欄數668.3萬只。每頭牛年消耗秸稈平均為1.7 t（風干質量）[15]，其他大牲畜秸稈消耗量同牛計[11,16]，羊的秸稈消耗量是牛的五分之一；據此計算，湖南省秸稈飼料化需求量約為885.1萬t，占秸稈可收集量資源總量的29.1%。

通過各區縣牲畜年末存欄數，估算了全省牲畜飼料化需求量空間分布特征。如圖 8所示，與全省秸稈資源量和人均秸稈資源量空間分布相反，全省飼料化需求量最多的區域主要集中在湖南省中軸線西部和南部；其中永州市的道縣、江永縣和江華自治縣，常德市桃源縣，婁底市新化縣和懷化市新晃自治縣的大牲畜飼料化需求量最多，均超過16萬t。而這些縣除桃源縣秸稈資源量最為豐富外，其他縣可收集秸稈資源量均相對較少，尤其是江永縣和新晃侗族自治縣，即使是將全縣所有可收集資源量均用于大牲畜飼料，也無法滿足需求，分別差約8.8和9.7萬t。

圖8 湖南省牲畜秸稈飼料化需求量空間分布Fig.8 Spatial distribution of the livestock fodder demand for straw resources in Hunan Province

2.3.3 秸稈基料化和原料化需求

根據中國食用菌協會最新發布的統計結果顯示，2018年湖南省食用菌總產量為831 565.0 t[18]，按照秸稈與食用菌產量1:1比例進行估算，湖南省基料化需求量約為83.2萬t，占可收集秸稈資源量的2.7%。此外，根據湖南省2018年秸稈資源臺賬數據，全省秸稈原料化利用量約為65.7萬t，占可收集秸稈資源量的2.2%。

2.3.4 秸稈可能源化利用量

扣除以上秸稈競爭性用途，湖南省秸稈剩余量約為1 117.9萬 t，即為湖南省可能源化秸稈資源量，占可收集秸稈資源量的36.8%。由于水稻秸稈占湖南省可收集秸稈資源量超過 65%，假設剩余秸稈全部為水稻秸稈，根據水稻秸稈 N、P、K養分質量分數分別為 0.91%、0.13%和 1.89%[19]，因此，剩余秸稈資源所含 N、P2O5和 K2O的量分別約為10.2、3.3和25.5萬t。另已知水稻秸稈折標煤參考系數約為0.429 kg/kg[20]，剩余秸稈相當于479.6萬t標準煤，是當年湖南省全省能源消費量（16 171.3萬t，《2018湖南統計年鑒》）的 3.0%；以上結果表明湖南省剩余秸稈具有巨大的利用價值。

3 討 論

明確區域秸稈資源種類、資源量、資源需求及其空間分布特征是秸稈綜合利用和科學規劃的基礎。本文統計結果表明，近2 a湖南省主要農作物可收集秸稈資源量均在 3 000萬 t以上，主要以水稻秸稈為主，占比高達65%。此外，全省人均秸稈資源占有量為0.68 t，顯著低于全國平均水平的1.47 t[6]，屬于資源貧乏區；因此，在秸稈資源開發利用過程中，應優先保障土壤肥力平衡和農村居民生活用能[17]。另一方面，不同農作物秸稈具有不同的空間分布特征，例如湖南省水稻秸稈主要集中在北部和東部，油菜秸稈多的區域玉米秸稈少等；因此，進行秸稈綜合利用時，還必須綜合考慮秸稈類型及其地理分布特征和可利用資源量等，因地制宜利用秸稈資源。此外，結合農業、畜牧、能源等的發展及相關規劃明確秸稈需求量，發展多途徑秸稈綜合利用，是提高秸稈資源化利用率的基礎[11]。

根據統計數據，目前湖南省秸稈利用結構還十分單一，以直接還田為主的肥料化利用是目前秸稈利用的主要方式。通過秸稈還田能有效提高土壤有機質含量和肥料利用率，改良土壤結構，提高土壤水、肥、氣、熱等方面的生態效益[21]。因此，適量的秸稈還田不僅實現了秸稈資源的有效再利用，而且有利于農業生產，可實現作物增產和土壤培肥的雙重目標[22]。然而過量的秸稈還田不僅需要增加機械成本，還會加劇病蟲害、影響下季作物種植[2]。正因如此，大多數農戶對秸稈還田的接受意愿低，甚至反對秸稈還田[23]。此外，已有研究表明秸稈還田會顯著促進稻田甲烷排放[24]，大大抵消其氧化亞氮減排量和土壤固氮量[25]。根據農業部發布的長江中下游農區秸稈還田量推薦范圍和最適宜還田量，湖南省最適宜秸稈還田肥料化需求量約為1 869.9萬t，扣除982.7萬t的留茬量后，還需887.3萬t可收集秸稈用于肥料化。而2018年全省實際可收集秸稈還田量約為 2 045.3萬 t，遠大于最適需求量，且逼近最大需求量。因此，湖南省現有肥料化利用量已滿足土壤肥力提升標準，甚至還可以適當減少秸稈肥料化還田利用量。因此，我省轉變秸稈利用途徑的空間和潛力較大。

曹志宏等通過對比分析肥料化、飼料化、基料化、能源化和原料化等多種秸稈利用方式的價值差異性，指出秸稈飼料化可通過牲畜養殖“過腹”還田、沼氣發酵和肥料還田等途徑，實現農業生態系統內的物質循環和高效利用，取得較好的經濟效益、社會效益和生態效益，具有更高的利用價值[26]。根據 2018年末大牲畜秸稈存欄量估算結果顯示，湖南省秸稈飼料化量需求量約為885.1萬t；而2018年實際秸稈飼料化量僅為158.9萬t，遠低于實際需求量。通過分析全省大牲畜飼料化需求量空間分布特征發現，這很可能是由于需求與資源量空間分布不對等所導致，秸稈飼料化需求量與人均秸稈資源量幾乎呈現相反的空間分布特征，這大大加劇了秸稈飼料化的難度。因此，要進一步提高秸稈綜合利用率和推進秸稈禁燒，必須進行“區域統籌、整體推進”，走“區域秸稈全量利用”之路[6]，通過區域市場調入和調出提升秸稈綜合利用率。另一方面，為追求高經濟效益，集約化養殖不斷發展，農戶利用秸稈飼料發展草食畜產品養殖的意愿不強，導致種養脫離，這也是造成秸稈飼料化利用率低的重要原因之一。為提高秸稈飼料化利用率，地方政府可通過扶持政策和引導措施提高農戶飼料化的意愿，同時利用經濟手段促進農戶降低飼料化成本和增加收益。

扣除肥料化和飼料化等秸稈競爭性用途后，剩余秸稈仍具有巨大的利用價值，但剩余秸稈的處理問題也是當前中國農業面臨的主要難題。秸稈基料化、原料化和能源化是剩余秸稈綜合利用 3個主要方向。根據目前湖南省秸稈綜合利用結構，基料化和原料化占比最低，均不超過3%，這主要與當地產業發展有關，而且基料化和原料化對秸稈的需求量相對較低，不適宜大規模秸稈利用。因此，能源化是除肥料化和飼料化之外，秸稈的第三大利用途徑。而根據湖南省2018年統計數據，全省能源化利用量僅為246.3萬t，且大多為直接燃燒利用。而秸稈直接燃燒發電不僅成本遠高于煤炭發電[27]，而且會損失巨量養分。利用農作物秸稈、谷殼、林業廢棄物和鋸木屑等制作生物燃料顆粒可以達到較高的燃燒值，可以作為能源替代燃煤。

孫建飛等分析了不同情景秸稈資源化利用固碳減排潛力，指出秸稈熱裂解炭化減排潛力最高[7]；而且秸稈熱裂解不僅可以獲得清潔能源，還可以形成生物質炭、木醋液等產品，通過產品肥料化施用將養分歸還土壤[28]，具有巨大的應用潛力，也為發展綠色農業提供了新途徑。但是，要真正實現生物質炭產業化，仍存在巨大的困難；尤其是南方農田規模小而分散，而適合小規模業主的秸稈減量化和熱裂解碳化設備仍是產業瓶頸；同時建立健全高效經濟的秸稈收儲運體系，實現秸稈減量和安全存儲，也是必須克服的主要困難，需要政府引導優化產業技術、加強生物質炭農業的推廣和應用[28]。

4 結 論

2018年湖南省主要農作物秸稈可收集資源量為3 039.1萬t，主要以水稻、油菜、玉米和蔬菜秸稈為主，而且不同類型秸稈資源量呈現不同的空間分布特征。全省肥料化、飼料化、基料化和原料化競爭性秸稈利用需求量分別為887.3、885.1、83.2和65.7萬t，可能源化利用量為 1 117.9萬 t。種養脫離、資源和需求分布的不對等是阻礙全省秸稈綜合利用率提升的重要原因。結合當前湖南省秸稈綜合利用現狀，全省實現秸稈區域全量化利用的總體趨勢應為建立區域統籌工作機制，以縣為單位，通過市場調入和調出，增加飼料化和能源化利用比率來進一步提升全省秸稈綜合利用率。