黑龍江省玉米秸稈資源時空分布特征與資源化利用模式構建

鹿傲飛，王玉斌

（中國農業大學 經濟管理學院，北京 100083）

0 引言

伴隨我國糧食增產，農作物秸稈產生量也隨之增長，2017 年中國秸稈理論資源量約為8.84 億t，可收集資源量為7.36 億t，其中玉米秸稈占比最高，約為32.5%［1］。秸稈資源的有效利用對于促進農業經濟可持續發展具有重大意義，但由于農業生產和農民生活方式轉變、能源消費結構改善，各地區秸稈過剩問題凸顯，隨意堆棄、違規焚燒秸稈等現象頻繁發生。在生態文明和綠色低碳背景下，如何破解秸稈資源過剩難題成為推進我國農業綠色發展的重要議題。

黑龍江省作為我國糧食主產區，玉米秸稈資源總量豐富、密度高，是秸稈資源化利用的重難點地區。為切實解決當地秸稈過剩難題，黑龍江省專門出臺《開展農作物秸稈綜合利用且推進試點工作實施方案》《2020 年黑龍江省秸稈綜合利用工作實施方案》等文件鼓勵各市縣結合當地地域環境及資源配置特點，開展秸稈資源化利用［2］。但究竟哪些資源化利用模式適宜在當地布局，國內學者尚未達成共識。潘亞東等基于黑龍江省的氣候條件與種植模式的考量，認為粉碎還田、飼料青貯和熱電能源化利用應該是黑龍江省未來秸稈資源化利用的重點領域［3］；黃玉凡通過對黑龍江省秸稈綜合利用現狀的實地調研，提出應大力推廣秸稈直接還田和過腹還田技術［4］；張曉先通過對秸稈收儲運系統中的經濟效益和環境效益的測算，提出應重點發展成型燃料和沼氣發酵技術［5］；孫彬等則認為黑龍江省秸稈資源化利用的關鍵在于加大秸稈利用關鍵技術與裝備的研發力度［6］。

在秸稈資源量測算方面，一些學者結合秸稈系數對黑龍江省農作物秸稈資源狀況進行過系統性分析［7－9］，但由于研究所選取的草谷比取值不同（范圍大約在0.9—2.0 之間），導致對玉米秸稈資源數量估算結果差異較大，秸稈資源化利用模式選擇也因此難以與現實狀況相符合。因此，借助合理草谷比系數對黑龍江省玉米秸稈資源產量進行精確測算，有助于探索出符合當地條件的資源化利用模式，實現黑龍江省玉米秸稈資源的高效利用。

鑒于此，本文根據2011—2020 年《黑龍江統計年鑒》相關數據，在對黑龍江省玉米秸稈資源量測算的基礎上，識別黑龍江省玉米秸稈資源量時空分布特征，結合玉米秸稈生產力空間分布層級，對不同秸稈資源化利用模式進行規劃布局，為全面推進黑龍江省玉米秸稈資源化利用工作提供參考。

1 玉米秸稈資源量時空分布特征

1.1 秸稈資源量測算

要實現對黑龍江省玉米秸稈資源量合理測算，首先要確定黑龍江省玉米產量，再結合玉米草谷比和可收集系數，最終計算出黑龍江省玉米秸稈理論資源量和可收集利用量。其中，玉米秸稈草谷比是指玉米單位面積秸稈產量與籽粒產量之比，也常被稱作玉米秸稈系數，廣泛應用于全國第三次農業普查中對農作物秸稈資源量的估算。草谷比系數并非一成不變，其取值往往與農作物生產豐、平、歉年的籽實產量呈正向相關［10］。同時，考慮到玉米秸稈在收集、運輸等過程中會產生損耗，導致玉米秸稈可采集利用量小于秸稈理論資源量，因此本文引入玉米秸稈可收集系數，測算黑龍江省玉米秸稈可收集利用量。本文借鑒霍麗麗等的研究結果，將玉米草谷比取值為0.84，可收集系數取值為0.88［11］。

玉米秸稈理論資源量計算公式為：P ＝ΣλiGi。式中：P 為秸稈理論資源量；Gi為玉米產量；λi為玉米秸稈系數，此處取λi＝0.84。

玉米秸稈理論資源量計算公式為：Pc＝ΣηiλiGi。式中：Pc為秸稈可收集資源量；ηi為玉米秸稈可收集系數，此處取ηi＝0.88。

1.2 黑龍江省玉米秸稈資源時間分布特征

2011—2020 年間黑龍江省玉米秸稈播種面積變化特征（表1）可分為兩個階段：第一階段為持續上升期（2011—2020 年）。這一時期由于黑龍江省玉米需求量急劇增加，貿易商和企業積極參與玉米購銷環節，農民玉米種植的積極性大幅提升，播種面積持續擴大，總量漲幅超過50%；第二階段為波動下降期（2016—2019 年）。這一時期玉米播種面積呈現波動下降狀態，雖然在2018 年時玉米播種面積較前兩年有所回升，但上升幅度較小，持續時間較短。這一時期，我國臨儲政策逐步取消，玉米補貼價格年年下降，而作為玉米替代品的大豆補貼價格卻年年上漲，當地農民改種意愿強烈，加之化肥成本與土地租金不斷上漲，嚴重挫傷了農民玉米種植積極性，導致玉米播種面積大幅下降，截至2020 年播種面積已降至540萬hm2，與最高值2015年相比減少196.1萬hm2。

表1 2011—2020 年黑龍江省玉米種植與秸稈產生量Table 1 Maize sowing and maize straw yield in Heilongjiang Province，2011－2020

受到玉米播種面積波動的影響，黑龍江省玉米產量、玉米秸稈理論資源量與可收集利用資源量也大致呈現相同的波動態勢。但總體而言，2011—2020年黑龍江省平均每年產出的玉米秸稈資源量高達3148.49 萬t，除去收集、貯藏、運輸和加工等環節的損耗，平均每年可供收集利用秸稈資源仍有2770.67 萬t，資源化利用潛力巨大。

1.3 黑龍江省玉米秸稈資源空間分布特征

為揭示黑龍江省玉米秸稈空間分布特征，本文借助ArcGIS 10.8 地理信息系統，運用自然間斷點分級法（Jenks）對玉米秸稈理論資源總量、單位面積產量和人均占有量的層次劃分，準確識別黑龍江省玉米秸稈資源空間分布特征。

從玉米秸稈資源總量的分布特征來看（表2、圖1），2020 年黑龍江省玉米播種總面積為540 萬hm2，玉米秸稈資源總量為3182.44 萬t，主要集中分布在哈爾濱、齊齊哈爾、綏化3 市，哈爾濱市玉米秸稈資源量更是占全省資源總量的20.7%，而伊春、鶴崗、七臺河與大興安嶺地區秸稈資源總量較為貧乏，其中大興安嶺地區玉米秸稈資源量最低，僅占全省的0.02%。

圖1 2020 年黑龍江省各市玉米秸稈產量分級Figure 1 Hierarchy of maize straw yield in cities of Heilongjiang Province，2020

表2 2020 年黑龍江省各市玉米秸稈產生量Table 2 Yield of maize straw in cities of Heilongjiang Province，2020

從玉米秸稈單位面積產量分布特征來看，考慮到玉米產量與當地耕作制度、地形地貌及氣候條件等因素息息相關，因此本文通過測算各地級市玉米秸稈單位面積產量對各地秸稈生產能力與可收集利用強度進行直觀展示（表3）。2020 年黑龍江省玉米秸稈播種面積單產為5.89t?hm2，依據自然斷點法以5.04t?hm2 和5.63t?hm2 為界限，將黑龍江省玉米秸稈生產能力劃分為低、中、高3 個區域，伊春市、七臺河市與大興安嶺地區玉米秸稈資源量單產面積較低，玉米秸稈產量僅占全省的2.8%，秸稈生產能力與生產強度不足；而哈爾濱、大慶、綏化等6 市玉米秸稈產量合計占全省的62.9%，平均播種面積秸稈單產高出全省平均水平4.41%，具有較高的秸稈生產能力與生產強度。結合玉米秸稈產量分布來看（圖2），一個地區玉米秸稈產量與其秸稈生產能力之間關系并不一致，如哈爾濱市秸稈產量雖為全省最高，但秸稈播面單產僅排第五。

表3 2020 年黑龍江省玉米秸稈播種面積單產層級劃分Table 3 Hierarchy of maize straw sowing area per unit yield in Heilongjiang Province，2020

圖2 2020 年黑龍江省各市玉米秸稈單位面積產出Figure 2 Maize straw sowing area per unit yield of cities in Heilongjiang Province，2020

從玉米秸稈人均占有量的分布特征來看（表4、圖3），2020 年黑龍江省人均玉米秸稈產量為1.0t?人，高、中、低產地區與黑龍江省人均秸稈產量的比值為151∶80 ∶19 ∶100，單產密集區主要集中在西部綏化市、齊齊哈爾市與黑河市，分別位居第一、二、四位，而東部地區僅有雙鴨山市秸稈人均產量較高，位居黑龍江省第三位，其余地級市人均產量均處中游，而中部伊春市與西北大興安嶺地區人均產量只有0.26t?人和0.02t?人，人均占有量較少。

圖3 2020 年黑龍江省各市玉米秸稈人均占有量分布Figure 3 Distribution of maize straw per capita yield in cities of Heilongjiang Province，2020

表4 2020 年黑龍江省玉米秸稈人均占有量層級劃分Table 4 Hierarchy of maize straw per capita occupancy in Heilongjiang Province，2020

2 玉米秸稈資源利用模式及地區選擇

2.1 玉米秸稈資源化利用模式劃分

當前我國玉米秸稈資源化利用模式主要劃分為5種：肥料化利用、飼料化利用、燃料化利用、基料化利用與原料化利用（表5）。

肥料化利用模式是指將玉米秸稈腐爛分解轉化為肥料應用于農業生產，實現農作物產量增加，其中秸稈還田由于具備成本低、效率高等優點，成為我國玉米秸稈肥料化主要利用方式，相關研究顯示2019年黑龍江省的秸稈還田率為57.4%［12］。當前，黑龍江省玉米秸稈還田方式主要包括秸稈粉碎還田、秸稈腐爛還田與秸稈炭化還田，其中前兩種方式技術條件較為成熟，而秸稈炭化還田目前還處于試驗階段，并沒有大面積推廣。

飼料化利用模式是指運用秸稈青（黃）貯技術，將有氧發酵加工秸稈轉化為富含氨基酸、糖等可滿足牲畜生長所需飼料的資源化利用方式。通過玉米秸稈飼料化，一方面可以擴大飼料來源，降低養殖戶購買飼料的成本，另一方面通過玉米秸稈過腹還田實現秸稈再利用，減少秸稈焚燒等方式可能導致的環境污染。近年來，玉米秸稈飼料化利用量年均增長率為2.93%，東北地區更是成為秸稈飼料化利用的核心區域，《2021 年黑龍江統計年鑒》相關數據顯示，黑龍江省秸稈飼料化應用前景可觀。

燃料化利用模式主要是指將玉米秸稈直接作為家庭燃料或者通過熱解氣化、沼氣化、固化成型、炭化等方式轉變為一種清潔能源，主要包括秸稈發電技術、秸稈炭化技術、固化成型技術等。2019 年黑龍江省農村秸稈燃料化利用1452 萬t，是除秸稈還田外的第二大利用方式。目前，黑龍江省秸稈炭化技術與固化成型技術均有所進展，但通過秸稈直接燃燒發電仍是秸稈燃料化的主要利用方式。依靠秸稈燃燒發電，不僅解決了企業發電成本高、材料收集難的問題，更是幫助農戶獲得清潔能源，帶動當地農民就業，也從源頭上減少了秸稈露天焚燒問題，實現了政府、企業與農戶間的多方共贏。

基料化利用模式主要是指將玉米秸稈作為基料應用于食用菌、蔬菜等栽培，運用這種方法栽培的食用菌不僅能夠產生更多的菌基，而且具備更高的營養價值。黑龍江省是全國第三大食用菌主產區，每年食用菌總面積4 萬hm2左右，生產規模超過60 億袋，位居全國首位。基料化利用模式的開展對自然資源依賴程度較高，以食用菌產業發展為例，需借助大量的木材資源，因此在很多地區難以開展。東北地區林業資源豐富，資源環境優勢明顯，能夠極大推動草腐食用菌產業發展與基料化利用模式構建。

原料化利用模式主要是指將玉米秸稈應用于生產紙張、包裝、板材與建材等，主要包括秸稈造紙技術、木糖醇生產技術與人造板材生產技術等。玉米秸稈中富含大量纖維素，將其作為工業化原料，不僅能夠充分利用農林剩余物，還可以提高社會經濟效益。近年來，東北地區已廣泛開展秸稈造紙等項目試點，更是形成了產業鏈長、科技含量高、綜合效益好的“泉林模式”。此外，黑龍江省也是我國玉米芯和玉米秸稈生產木糖醇的重要產區，通過玉米秸稈的半纖維素聚戊糖生產木糖醇，不僅生產成本低，而且所需工藝并不復雜，具有較大的發展潛力。但總體而言，由于秸稈收儲體系不完善、相關技術及設備供給不足等問題，秸稈的工業用量并不大，原料化利用模式在我國仍有較大的發展潛力。

2.2 區域劃分與模式選擇

雖然玉米秸稈的空間分布特征可以通過玉米秸稈產量、單位面積產量和人均產量等個量指標體現，但考慮到各區域人口密度和復種指數不同，因此容易導致指標值所反映信息有所偏頗［13］。有鑒于此，本文借鑒李澤媛等的研究方法［14］，將黑龍江省13個地市（區、縣）玉米秸稈生產詳細劃分為9 個類型區，各個類型區以不同色塊進行區分（圖4），以直觀反映黑龍江省玉米秸稈生產能力和利用強度。

圖4 黑龍江省各市玉米秸稈數量分布矩陣Figure 4 Quantitative distribution matrix of maize straw in Heilongjiang Province

第一類型為玉米秸稈資源豐裕區，矩陣組合表現為高數量—高產區、高數量—中產區和中數量—高產區，主要包括哈爾濱、綏化、大慶、雙鴨山、佳木斯和齊齊哈爾6 個市。這一區域農業經濟發達，是黑龍江省秸稈生產重要基地。2020 年，該類型區玉米秸稈產量合計2355.73 萬t，占全省秸稈總量的79.62%，播種面積單產為5.6t?hm2。這一區域玉米秸稈總產量和單位面積秸稈產出均為全省豐產典型，因此可作為玉米秸稈“收—儲—運”體系建設起步階段集約示范地區，尤其是哈爾濱市和綏化市，是全省玉米秸稈高產量、高單產地區，率先進行玉米秸稈資源化利用體系建設和模式探索尤為必要。

第二類型為玉米秸稈資源一般區，矩陣組合表現為高數量—低產區（無）、中數量—中產區和低數量—高產區（無），主要包括牡丹江、雞西、黑河、鶴崗4個市，玉米秸稈產量合計559.81 萬t，占全省的17.59%，玉米秸稈播種面積單產平均為5.62t?hm2。該區域秸稈資源除去競爭性用途后，雖然所剩資源仍然客觀，但仍應有選擇性地對當地秸稈資源進行開發利用。因此，本區域可重點考慮布局如秸稈直接還田、秸稈過腹還田、秸稈氣化等模式，在滿足居民基本生活需求的基礎上實現秸稈資源化利用。

第三類型為玉米秸稈資源貧乏區，包括中數量—低產區、低數量—中產區和低數量—低產區，包括七臺河市、伊春市和大興安嶺地區，玉米秸稈產量共計88.91 萬t，占全省的2.79%。該類地區玉米秸稈生產力相對薄弱，在扣除競爭性用途后剩余玉米秸稈資源量較少，因此在該類型區應謹慎布局大規模秸稈利用項目，重點考慮玉米秸稈內部消耗，防止過度收集導致的成本增加。因此，該區域玉米秸稈資源化利用應以保護當地生態環境為導向，開展以秸稈還田為主，秸稈基料化、原料化為輔的產業模式，實現黑土地的可持續利用。

3 結論、討論與建議

3.1 結論與討論

本文以黑龍江省為研究區域，基于2011—2020年玉米播種面積和產量數據，運用秸稈草谷比對黑龍江省秸稈資源量進行估算，探析黑龍江省玉米秸稈資源量時間變化趨勢，進一步運用ArcGIS 軟件和九宮矩陣圖，直觀反映玉米秸稈空間分布區域特征和單產層級。主要研究結論如下：①從時間分布特征來看，2011—2020 年間黑龍江省玉米播種面積、秸稈產量變化以2015 年為界劃分為持續上升和波動下降兩個階段，農民玉米種植積極性是影響資源量變化的重要因素。②從空間分布特征來看，黑龍江省玉米秸稈資源量主要集中在西南地區的哈爾濱、綏化、齊齊哈爾3 市，單產區域分布呈現出“西南—東北”帶狀分布特征，齊齊哈爾、黑河、綏化、雙鴨山4市人均秸稈資源占有量較為豐富。③通過九宮矩陣圖可將黑龍江省玉米秸稈生產劃分為豐裕、一般、貧乏3 大類型區，各類型區玉米秸稈資源利用模式特征與生產力空間分布層級有所差異，因此應結合當地實際情況合理布局秸稈資源化利用模式。

3.2 建議

首先，要重視宣傳，引導農民觀念轉變。①加強對玉米秸稈資源化利用的宣傳。廣泛利用多種渠道加強對玉米秸稈資源化利用的宣傳，促使農戶全方位了解秸稈資源化利用的益處，破除農戶在傳統秸稈焚燒處理方式中的“圖省事、圖省時”思想，積極引導農戶樹立“綠水青山是金山銀山”的價值理念。②加強對農民專業化技能的培訓。通過加強對農民專業化技能的培訓，讓農民獲取更多相關知識，讓農民了解玉米秸稈資源化利用能夠產生經濟、社會、環境效益，特別是當農民對玉米秸稈資源化利用能產生經濟收益存在清楚的認知后，能夠有效帶動農民參與秸稈資源化利用的工作。③廣泛開展玉米秸稈資源化利用的試點與示范工作。在省域范圍內因地制宜地開展秸稈資源化利用試點與示范工作，根據各地農業生產特點選擇不同的秸稈資源化利用模式，通過試點示范效應引導農戶積極參與玉米秸稈資源化利用。

其次，要科學規劃，探索多元協作模式。黑龍江省玉米秸稈資源總量豐富，要想有效處置當地秸稈資源，就必須以產業發展為導向，以滿足農民、企業的實際需求為目標，制定符合當地特色的秸稈資源化利用布局規劃，逐步建立如“畜牧養殖—秸稈有機肥生產—沼氣生產”“飼料—糞肥—生物菌肥”等中央循環模式，實現秸稈利用向資源化、商品化轉變，通過延長秸稈資源化利用產業鏈條，提高秸稈產業產品附加值。同時，政府要鼓勵多元市場主體廣泛參與秸稈資源化利用，探索諸如“政府＋企業＋農戶”“企業＋合作社＋農戶”等多級聯動模式，實現不同主體間資源優勢互補，促進政府、企業、農戶等多元主體形成穩固的利益聯結機制，不斷探索黑龍江省秸稈資源化利用的新模式、新途徑。

最后，要內引外聯，加大科技研發投入。①主動學習國外秸稈資源化利用先進技術。首先，應在考慮黑龍江省秸稈資源化利用現實狀況的基礎上，合理吸收借鑒國內外秸稈資源化利用的先進技術與優秀經驗，將技術模式落地轉化，不斷提高當地玉米秸稈資源化利用水平。②加強科技研發與投入力度。要鼓勵高等院校、科研院所、科研機構與涉農企業加強合作，重點攻克黑龍江省秸稈資源化利用過程中面臨的共性問題與技術瓶頸，實現科研成果轉化。③建立玉米秸稈資源化利用服務體系。由高等院校與科研機構牽頭成立秸稈資源化利用平臺或中間服務組織，完善秸稈資源化利用服務體系，建立企業、農戶、合作社等主體溝通交流平臺，打破信息壁壘，解決農民秸稈無銷路、企業生產無原料的困境。