吳娟娟，霍麗麗，趙立欣，姚宗路，孟海波，侯書林

(1.中國農(nóng)業(yè)大學 工學院，北京　100083；2.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設計研究院 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室，北京　100125)

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國內(nèi)外農(nóng)作物秸稈供應模型研究進展

吳娟娟1,2，霍麗麗2，趙立欣2，姚宗路2，孟海波2，侯書林1

(1.中國農(nóng)業(yè)大學 工學院，北京100083；2.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設計研究院 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室，北京100125)

摘要：農(nóng)作物秸稈是重要的生物質原料，其收集、存儲存在諸多問題，秸稈無法穩(wěn)定供應。為此，通過文獻整理和實地調研，總結歸納了國內(nèi)外農(nóng)作物秸稈供應研究進展，對比分析了國外常用的IBSAL、SHAM及BioScope3種模型，并對國內(nèi)外物流及成本相關研究進行歸納總結。針對我國秸稈供應還存在機械化程度低、物流模型不成熟、收集及運輸費用高等諸多問題，建議提高機械化作業(yè)水平，盡快搭建適用于國內(nèi)的秸稈供應模型，降低秸稈供應費用，為我國農(nóng)作物秸稈綜合利用提供原料供應保障。

關鍵詞：農(nóng)作物秸稈；供應模型；物流；成本

0引言

人類對能源的需求日益增加，加之傳統(tǒng)能源的資源危機，使得人們對新能源的開發(fā)利用越來越迫切。生物質能源作為清潔的可再生能源，具有較大的發(fā)展前景[1]，比起煤炭、石油等不可再生資源，生物質能具有可再生性、資源豐富及環(huán)境友好性等優(yōu)點[2]。目前，國內(nèi)外生物質原料主要用于肥料化、飼料化、能源化、原料化、基料化等五化利用[3-4]。其中，秸稈是生物質能主要原料之一。

每年全世界秸稈產(chǎn)量為20億t多，我國產(chǎn)量居世界首位，每年秸稈總量高達7億t[5]。截止到2013年，農(nóng)作物秸稈綜合利用率為74.1%，2015年目標利用率力爭達到80%,仍有超過2億t的秸稈資源沒有有效利用，而且已利用的秸稈其轉化效率低，秸稈原料成本高[6-7]。究其原因，是由于我國秸稈商品化水平低，沒有有效的秸稈供應系統(tǒng)，秸稈供應模型尚處空白階段[8]。

為此，本文通過分析國內(nèi)外農(nóng)作物秸稈供應模型研究進展、收儲運物流模型及供應成本分析現(xiàn)狀，提出我國秸稈供應模型研究中所面臨的問題及建議，為我國農(nóng)作物秸稈的高效利用提供原料保障。

1國外農(nóng)作物秸稈供應模型研究

1.1農(nóng)作物秸稈供應分析

農(nóng)作物秸稈供應過程指作物收獲后將分散在田間地頭的秸稈通過人工撿拾或在機械設備的輔助下，通過撿拾、打捆、壓縮、裝載及運輸，完成秸稈的收集、運輸、存儲，將其運送到秸稈利用廠作為原料的全過程[9-10]。

歐美等發(fā)達國家秸稈供應體系發(fā)展已相當成熟。首先，從土地耕整到作物播種，以及田間管理均實現(xiàn)了機械化作業(yè)；其次，秸稈收集技術與工業(yè)化原料利用需求銜接得當；最后，秸稈收儲運所需設備與秸稈收割前所用機具能形成完整專業(yè)化的配套體系[11-12]，專用收儲運設備能自動完成田間秸稈撿拾、打捆、碼放、堆垛及卸捆等全過程作業(yè)[12]。

目前，歐美國家常用的秸稈供應技術路線Bio Feed如圖1[13]所示。

另外，在秸稈收集方面，秸稈收集機械經(jīng)過100年多的發(fā)展，已經(jīng)從初期蓄力牽引式打捆機發(fā)展到小方捆打捆機和圓捆打捆機，再到目前的中型和大型方捆打捆機，收集設備發(fā)展已趨于成熟[14]。在機械設備的輔助下，秸稈利用廠通過與農(nóng)場主簽訂合同，在約定時間采用合適的收集方式完成秸稈收集運輸工作[12]。在秸稈存儲方面，一年輪作制能保證秸稈有充足的晾曬時間，秸稈含水率能達到標準要求；收儲站機械化程度非常高，打捆、搬運、上料等全部程序均由機械完成，節(jié)省人力；收儲站秸稈存儲方法獨特且具有科學依據(jù)，秸稈采用堆垛儲存且垛與垛間有足夠的安全距離，垛上部有防雨布覆蓋防止雨水淋濕，垛底部有排水溝防止雨水侵入垛底；目前主要采取田間覆蓋存儲、農(nóng)場露天存儲、青貯飼料、集中存儲覆蓋4種方式，可根據(jù)需要選擇合適的存儲方式[15]。在秸稈運輸方面，長途運輸一般只考慮公路運輸，運輸工具通常為農(nóng)場主私有車輛或各農(nóng)場共同租賃的卡車，運輸能力取決于原料的體積密度、運輸距離、運輸速度和貨運空間及裝卸貨時間等。為降低卡車空閑時間，可增加打包吞吐量以及打包密度；為使運輸距離達到最優(yōu)化，可建立合適的收儲站位置，節(jié)省運輸成本[16]。

圖1　秸稈供應技術路線

1.2理論模型及成本分析

1.2.1理論模型

物流模型通常是在生物質原料相關數(shù)學計算模型的基礎上，利用仿真軟件來模擬原料供應的各個物流環(huán)節(jié)[17]，物流模型設計的目的是使原料調度過程中運輸成本、倉儲成本及收儲站運營成本等總和最低。物流建設內(nèi)容主要包括農(nóng)戶、原料、倉庫或配送中心、運輸服務及工廠等[18]。目前，國外對物流模型的研究相對較多，常用的農(nóng)作物秸稈回收物流模型如下所述。

1)Sokhansanj S[19]等搭建了IBSAL( Integ-rated Biomass Supply Analysis and Logistics )物流模型，建立了收集模型的輸入輸出整體結構圖，并聯(lián)合利用EXTEND軟件模擬秸稈收儲運物流過程并進行了實例分析。具體IBSAL物流模型(小麥秸稈的物流體系)如圖2所示。

圖2　IBSAL物流模型的總體框圖

2)Nilsson D[20]建立了SHAM(Straw HAndling Model)物流模型，通過對秸稈物流系統(tǒng)的性能參數(shù)(秸稈待處理時間、機械的最大收集量、處理機械的使用次數(shù)等)的優(yōu)化，有效降低了秸稈收儲成本，提高了秸稈收儲運效率。SHAM動態(tài)仿真模型被分為3個主要組成部分：秸稈分布資源量子模型，天氣變化與田間干燥子模型，秸稈收集和處理子模型，具體關系如圖3所示。

圖3　SHAM動態(tài)仿真模型

3)美國伊利諾伊大學建立的BioScope模型也是國外常用的秸稈供應模型。該模型不僅優(yōu)化了秸稈供應需求與供應鏈的配置，還能較準確計算出秸稈的收儲供應成本，具體組成部分之間的關系如圖4所示[40]。

1.2.2成本分析

農(nóng)作物秸稈收儲運成本主要包括收集成本(秸稈購買成本、秸稈經(jīng)紀人賺取利潤、打捆繩費用)、運輸成本(勞動力、燃油費、車輛維護、保險、維修費)、存儲成本(收儲站建設費用、管理人員工資、廠房維修)[13]。

目前，國外關于秸稈收儲運成本研究已相對成熟。Junginger M等[21]通過參考煤、石油等不可再生能源的價格計算出合適的生物質原料的收購價格，并得到廣泛認同。B?rjesson P[22]等通過對瑞典某區(qū)域秸稈的收儲運過程分析認為30～42 km為最佳秸稈運輸距離，在此范圍內(nèi)原料運輸成本僅占收儲運總成本的20%～25%；且隨著距離的增加，運輸成本不斷增加，此研究結果為秸稈收儲站的選址建立提供了依據(jù)。Tao Lin等[40]通過確定最優(yōu)化的農(nóng)場數(shù)量、規(guī)模及位置，集中存儲及預處理位置，最優(yōu)的秸稈供應流程等使得秸稈供應成本最低。

圖4　BioScope秸稈供應模型

2國內(nèi)農(nóng)作物秸稈供應模型研究

2.1農(nóng)作物秸稈供應分析

當前，我國農(nóng)業(yè)正處于由傳統(tǒng)生產(chǎn)方式向現(xiàn)代生產(chǎn)方式轉變的關鍵時期，能否建立成熟的農(nóng)作物秸稈供應模型，關系到秸稈利用廠的命脈[23]。然而，不同農(nóng)作物產(chǎn)區(qū)地塊條件通常會影響到秸稈的供應工作，且不同作物收獲方式、秸稈在田間堆放形態(tài)及散落方式也決定了不同的供應模式及使用機具[24]，使得我國在秸稈供應模型研究方面取得的成果并不顯著，主要集中在模式方面的研究。

那貴森[25]通過秸稈電廠對原料供應的要求，提出要建立集秸稈收集、打包制備、儲存及運輸為一體的收儲運模型，但并沒有付諸實踐。韓喜宇等[9]總結了多種生物質原料的收儲運路線、設備選擇、原料的存儲及運輸，但沒有提及大批回收農(nóng)作物秸稈的技術路線。于興軍等[10]得出秸稈從田間至秸稈發(fā)電廠可行的4種秸稈收集儲運技術模式，并對各種模式的優(yōu)缺點進行分析。丁翔文等[26]總結出小麥、玉米的最佳收儲運路線，并對秸稈收加儲運價格體系進行試驗研究；但是以上幾種模型涉及的技術模式環(huán)節(jié)多、機械化程度低、收集過程中能量消耗量和二氧化碳排放量大等問題沒有得到有效解決。張艷麗[8]總結出我國秸稈收儲運運營模式主要有分散性和集約型；但兩種模式都存在缺點，分散性模式在原料供應上受制于秸稈經(jīng)紀人，秸稈經(jīng)紀人為追求利潤可暗中操控肆意抬高收購價，對秸稈利用廠造成危機，而集約型模式，會加大秸稈利用廠的運營成本。徐亞云等[27]通過實地調研建立了基于設備—人工—費用的秸稈收儲運模式的數(shù)學模型，并進行了實例分析。

另外，在秸稈收集方面，呂宸等[7]指出影響我國農(nóng)作物秸稈收集的因素是多方面的，秸稈收集還存在著諸多問題，目前尚未形成機械化收集體系。例如，田間撿拾打捆主要采用小型方捆機，缺少專門的裝卸碼垛搬運設備，大多仍然依賴人工裝卸，秸稈收集效率低；一年兩熟種植模式使得秸稈空閑周期短，通常情況下只能將秸稈以散稈形式運送到秸稈經(jīng)紀人處進行集中晾曬打捆處理，增加了中間環(huán)節(jié)，導致成本升高。在秸稈儲存方面，霍麗麗等[28]通過對生物質原料理化特性研究，得出生物質原料在儲存過程中應充分考慮不同原料堆積密度、流動性等造成的差異。在秸稈儲存方面的研究較少，仍需要解決在存儲過程中產(chǎn)生的秸稈發(fā)霉等問題，通過秸稈理化特性試驗探究其影響因素，找到經(jīng)濟、合理的存儲方法。在秸稈運輸方面，秸稈運輸包括田間—收儲站、收儲站—秸稈利用廠兩部分，考慮到交通條件，從田間到秸稈收儲站主要采用農(nóng)用車運輸，從收儲站到秸稈利用廠，主要使用大型貨車[29-30]；國內(nèi)主要采用重心法、層次分析法優(yōu)化選址來確定最佳收儲站位置，從而使運輸距離最小[2,31]，但這僅對某一案例進行分析，缺乏通用性。

綜上所述，我國農(nóng)作物秸稈供應模型研究尚處初級階段,目前還沒有形成成熟的原料供應系統(tǒng)，收儲運環(huán)節(jié)仍面臨收集難度大、儲存技術不成熟、儲存成本高、一年兩熟種植方式需要將秸稈在較短時間清運干凈等困難[32]。

2.2理論模型及成本分析

2.2.1理論模型

目前，我國農(nóng)作物秸稈回收物流模式單一、粗放，普遍采用農(nóng)戶→秸稈經(jīng)紀人→秸稈料場→回收站→車站物流和加工中心→秸稈利用廠運營模式[33]，秸稈回收物流現(xiàn)狀不樂觀，對物流供應模型的研究較少，且集中在定性研究。例如：蓋曉英[34]對某秸稈發(fā)電廠輸送系統(tǒng)的定性分析；或者只是針對某一具體生物質電廠的分析研究，如陳麗歡等[35]對河南省鹿邑縣某生物發(fā)電廠物流過程的模擬分析，而這種模型卻不普遍適用于其他生物質能利用廠。同時，趙亮等[36]通過建立收購站到秸稈利用廠的物流模型，并運用Extendsim7 軟件對物流系統(tǒng)進行仿真模擬，分析貨車、取樣臺、稱質量站及卸載機等設備的數(shù)量變化對系統(tǒng)的影響，以期使得農(nóng)閑時成本最低、農(nóng)忙時收購量最大的優(yōu)化結果，但仍然需要進行實例分析統(tǒng)計使模型更加精確。

2.2.2成本分析

農(nóng)作物秸稈供應的費用包括秸稈從田間收集到秸稈進廠利用前端所花的所有費用[10]，對供應過程中涉及到的秸稈收集、運輸、加工、儲存等環(huán)節(jié)進行成本分析找到制約秸稈收集價格的主要因素，是提高秸稈綜合利用效率的重要基礎。陳麗歡等[35]采用作業(yè)成本法對秸稈供應物流系統(tǒng)進行深入分析，通過比較分析每項作業(yè)的物流成本，找出不合理或有待改善的作業(yè)環(huán)節(jié)，并提出改進意見。

李劍鋒等[37]指出在秸稈發(fā)電廠的發(fā)電成本比重組成中，秸稈費用占發(fā)電成本的58%，而常規(guī)煤電項目燃料費占56%，導致秸稈價格高的主要原因是秸稈田間收集、運輸和儲存困難，秸稈運輸儲存成本高。曹溢等[38]以江蘇省某秸稈電廠為例分析，得出秸稈收購成本占收集成本的63%。其中，收集成本主要由收購成本、運輸成本、裝卸成本和預處理成本組成，可知收購價格是影響收集成本最主要因素。張展等[39]認為運輸成本可變性最大，運輸距離越長，成本增加越多。

綜上所述，我國秸稈物流供應系統(tǒng)還存在較多問題，供應風險大、物流效率低、秸稈收集和運輸費用成本高等，是造成秸稈收儲運運營成本高的主要原因；同時，缺少系統(tǒng)原料供應的解決方案以及不同模式的科學定量評價，難以為秸稈利用提供具體的供應模型。

3國內(nèi)外秸稈供應比較

國內(nèi)外在作物種植收獲方式、秸稈供應機械化作業(yè)程度及秸稈供應系統(tǒng)的完善性等多方面均存在差異，詳細比較如表1所示。

歐美等農(nóng)業(yè)發(fā)達國家通常以農(nóng)場為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本單位，如僅丹麥面積能達到100hm2以上的農(nóng)場就有2萬多個，一年輪作制使得空閑周期比較長，能保證秸稈充分晾曬使含水率符合標準要求[13]。一系列有利條件使得國外農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程實現(xiàn)全機械化作業(yè)，有效提高了收集效率，降低了秸稈的收集成本。而我國地域性差異大，地塊較分散，農(nóng)作物交替種植且間隔期短，作物種類和品種多樣，不同地區(qū)、不同農(nóng)作物收獲方式不盡相同，加上農(nóng)作物在田間分布復雜[7]，在收儲運過程中面臨收購難、貯存難、運輸難及成本高等困難[41]。

表1　國內(nèi)外秸稈供應環(huán)節(jié)對比

另外，國內(nèi)外秸稈利用方面也存在差異，國外基本能規(guī)模化集中利用，如秸稈直燃發(fā)電、秸稈肥料及粗飼料等[3]。國內(nèi)秸稈利用分散，隨著農(nóng)村生活質量提高，大量秸稈被廢棄或田間直接焚燒，嚴重影響環(huán)境，政府嚴令禁燒，但屢禁不止，原因是秸稈不能全部有效收集利用[42]。近年來，在直燃發(fā)電、成型燃料、青貯飼料、粉碎還田、造紙及菌菇基料等多方面利用給予了大力支持和推廣，一定程度提高了秸稈的綜合利用率[4];但各種利用方式均存在秸稈收獲季節(jié)性強，供應不連續(xù)，秸稈成本高等問題，亟需建立一套完整的秸稈收儲運供應體系。

國外秸稈供應體系較為完善，并搭建了前文所述的IBSAL、SHAM及BioScope等供應模型，能夠有效模擬秸稈收集、儲存、運輸過程并進行成本分析。而我國并沒有完整的秸稈供應模型，僅僅提出了一些供應模式，如分散性收集模式、集中型收集模式，模型研究尚處初級階段，且國內(nèi)相關研究僅針對個案進行收儲運過程和成本分析，不具有普遍意義。

面對以上問題，我國農(nóng)作物秸稈供應體系的完善工作刻不容緩。因此，要在借鑒國外秸稈供應模型的基礎上，大力研發(fā)適用于國內(nèi)的收儲運機械設備，包括抓草機、打捆機、散稈撿拾裝運車等，實現(xiàn)秸稈全過程機械化收集；著重建立和優(yōu)化適宜我國的秸稈供應物流模型，針對我國秸稈運輸工作集中、秸稈運送到廠等待時間長等問題，通過模型分析優(yōu)化車輛數(shù)量同時使等待時間最短，提高工作效率；加快構建適應不同地區(qū)、不同地形、不同作物的秸稈收集、撿拾、打捆、壓縮、裝載、存儲及運輸為一體的秸稈供應模型。

4結論

1)國外秸稈供應體系較為完善，建立了IBSAL、SHAM及BioScope等秸稈連續(xù)供應模型，能夠直接有效指導秸稈收集、存儲、運輸全過程，有效降低了秸稈供應成本。

2)我國秸稈供應體系不完善，僅提出了分散性、集中型等收集模式，并沒有定量分析理論模型的依據(jù)，秸稈綜合利用成本高。

3)與國外相比，我國秸稈供應存在作物種植收獲方式、機械化作業(yè)程度及供應系統(tǒng)的完善性等差異，因此國外秸稈供應模型無法適應我國秸稈供應現(xiàn)狀。我國需要盡快建立適宜的秸稈供應模型，解決我國秸稈綜合利用原料供應不連續(xù)及原料成本高的問題，為秸稈原料的穩(wěn)定供應提供依據(jù)。

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Research Progress of Corp Straw Supply Model at Home and Abroad

Wu Juanjuan1,2，Huo Lili2，Zhao Lixin2，Yao Zonglu2，Meng Haibo2，Hou Shulin1

( 1.College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China;2.The Chinese Academy of Agricultural Engineering, Key Laboratory of Energy Resource Utilization from Agricultural Residues, Ministry of Agriculture, Beijing 100125,China)

Abstract：Straws are important biomass feedstocks, due to the collection, storage, and many other problems,their supply system can’t be steady.So this paper through literature review and field research, summarized research progress of straw supply model,comparatively analyzed three common foreign models--IBSAL, SHAM and BioScope, and summarized studies associated with logistics and cost at home and abroad. In this paper, many problems are pointed out in our country’s straw supply, such as low degree of mechanization, immaturity of logistics model, high cost of collection and transportation. We propose to improve the working level of the mechanization, set up straw supply model suitable for domestic as soon as possible and reduce the straw supply, to provide theoretical reference for crop straws supply model research in China.

Key words：corp straw; supply models; logistics; cost

文章編號：1003-188X(2016)03-0263-06

中圖分類號：S11+7

文獻標識碼：A

作者簡介：吳娟娟(1989-)，女，山東滕州人，碩士研究生，(E-mail)1198546631@qq.com。通訊作者：趙立欣(1967-)，女，北京人，研究員，(E-mail)zhaolixin5092@163.com。

基金項目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201403019)

收稿日期：2015-03-16