莫負(fù)濤，王汝富，李智燕，張萬(wàn)祥，王 延，張 潔

(甘肅省草原技術(shù)推廣總站，蘭州 730010)

甘肅地處黃河中上游，位于黃土高原、青藏高原和內(nèi)蒙古高原三大高原的交匯地帶，地理環(huán)境復(fù)雜多樣，山脈縱橫交錯(cuò)，海拔相差懸殊，其氣候特點(diǎn)多以干旱半干旱為主。農(nóng)業(yè)資源總量豐富，但水土資源不匹配，由于特殊的地理區(qū)位和環(huán)境條件及在長(zhǎng)期發(fā)展中形成的文化特色，農(nóng)業(yè)發(fā)展和“三農(nóng)問(wèn)題”的消解在全省經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展中占據(jù)著十分重要的地位。

秸稈作為農(nóng)作物收獲后剩余的重要生物資源，富含C、N、P、K、微量元素等營(yíng)養(yǎng)成分[1]，用則利，棄則害。近年來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷改革，甘肅省農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量快速增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年全省農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量為1 040.03×104t，受不同生產(chǎn)條件下草谷比及留茬高度等因素影響，秸稈可收集資源量為923.62×104t[2]。由于農(nóng)業(yè)科技不斷進(jìn)步和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展，農(nóng)民生活水平逐步改善，廣大農(nóng)村居民對(duì)農(nóng)作物秸稈的利用程度明顯下降，導(dǎo)致農(nóng)作物秸稈區(qū)域性過(guò)?，F(xiàn)象日益普遍，綜合利用進(jìn)步緩慢，利用方式、渠道單一，資源稟賦得不到體現(xiàn)，使本來(lái)豐富的“再生資源”變成了面廣量大的“污染源”。中央和國(guó)家部委十分重視秸稈資源化利用，分別從政策、法律、技術(shù)試點(diǎn)示范等多方面多角度進(jìn)行鼓勵(lì)引導(dǎo)和安排部署，秸稈綜合利用技術(shù)也擴(kuò)展到“肥料化、飼料化、基料化、燃料化、原料化”五大類(lèi)幾十種技術(shù)途徑；研究表明，我國(guó)農(nóng)作物秸稈五料化利用占比順序?yàn)榉柿匣?47.20%)>飼料化(17.99%)>基料化(11.79%)>原料化(2.47%)>燃料化(2.23%)[2]，利用格局仍然以農(nóng)用為主。

我國(guó)學(xué)者對(duì)于秸稈綜合利用方面的研究大多集中在三江平原以及華北平原等農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)[3-4]，針對(duì)我國(guó)主要農(nóng)作物秸稈資源產(chǎn)生量、秸稈焚燒污染排放、國(guó)內(nèi)外秸稈利用先進(jìn)技術(shù)途徑等方面已有較多研究[5-7]，內(nèi)容涉及秸稈直接還田及循環(huán)利用等諸多方面，也提出了一些建議及經(jīng)驗(yàn)借鑒。但由于我國(guó)地大物博，不同地區(qū)氣候條件、種植制度、生產(chǎn)生活方式、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r等存在較大差異，秸稈綜合利用方式也應(yīng)因地制宜，對(duì)此研究報(bào)道較少。甘肅作為西部省區(qū)氣候干燥、荒漠化區(qū)域面積大、植物資源量相對(duì)較少，年均秸稈產(chǎn)量約占全國(guó)秸稈總產(chǎn)量1.29%[8]。結(jié)合實(shí)際客觀分析當(dāng)?shù)刈魑锝斩挳a(chǎn)量及利用現(xiàn)狀，對(duì)于發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)，科學(xué)利用秸稈資源具有重要意義?；诖?，本文以近10年甘肅省大宗農(nóng)作物秸稈資源的調(diào)查統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，在分析農(nóng)作物秸稈產(chǎn)生情況及資源化利用現(xiàn)狀的前提下，剖析了目前秸稈綜合利用存在的困境，并提出發(fā)展建議，以期為我省農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)秸稈資源化利用提供相應(yīng)的理論支撐。

1 甘肅省主要秸稈資源現(xiàn)狀分析

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與測(cè)算方法

本研究以甘肅省大宗作物小麥、玉米、馬鈴薯、大豆、油菜為主，根據(jù)2007—2017年《甘肅省統(tǒng)計(jì)年鑒》中本省近10年農(nóng)作物種植面積、產(chǎn)量及谷草比來(lái)計(jì)算作物秸稈資源總量。作物谷草比主要參考農(nóng)業(yè)農(nóng)村部科技教育司《關(guān)于更新農(nóng)作物草谷比和可收集系數(shù)的函》；根據(jù)不同年份農(nóng)作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)，結(jié)合最新草谷比系數(shù)以及現(xiàn)有文獻(xiàn)[9]，對(duì)近10年秸稈產(chǎn)生量及可收集量進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算模型為：

式中：St為秸稈可收集總產(chǎn)量；Ci為第i種作物總產(chǎn)量；Ri為第i種作物的谷草比；ηi為第i種作物秸稈可收集利用系數(shù)。

1.2 近10年甘肅省主要作物種植面積及秸稈資源量分布

2007—2017年，甘肅省主要農(nóng)作物(小麥、玉米、馬鈴薯、大豆、油菜)的總量呈逐年上升趨勢(shì)，年均增長(zhǎng)率約50.55%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年全省秸稈產(chǎn)量為1 040.03×104t，其中玉米秸稈總量約513.43×104t，小麥秸稈總量約329.1×104t，大豆秸稈總量約65.74×104t，占甘肅省秸稈總量的87%以上。5種主要農(nóng)作物種植面積依次為玉米>小麥>馬鈴薯>油菜>大豆(圖1)。在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的背景下，小麥種植面積呈穩(wěn)中下降態(tài)勢(shì)，而玉米、油菜等飼料及經(jīng)濟(jì)作物種植面積顯著提升。主要農(nóng)作物秸稈總產(chǎn)出量保持在1×107t左右。

如圖2所示，近10年甘肅省主要農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量呈波動(dòng)式上升趨勢(shì)，其變化與玉米產(chǎn)量的增減趨勢(shì)一致，而小麥播種面積穩(wěn)中有降，因此甘肅省秸稈的產(chǎn)生主要以玉米、小麥等大宗糧食作物為主，秸稈總產(chǎn)量受玉米、小麥影響較大。近年來(lái)隨著機(jī)械化程度和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平的提升，作物產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量均有所增加。以5年為1個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，大豆產(chǎn)量表現(xiàn)平穩(wěn)，小麥產(chǎn)量、玉米產(chǎn)量的平均增長(zhǎng)率分別約為4.5%和72.3%；秸稈產(chǎn)量的平均增長(zhǎng)率約32%；油菜、馬鈴薯產(chǎn)量分別增加18.7%和13.6%左右。

由于受地理區(qū)位、氣候條件、植物資源量等客觀條件的限制，10年間甘肅省主要農(nóng)作物秸稈資源的主要構(gòu)成沒(méi)有產(chǎn)生大幅度改變(圖3)，小麥秸稈穩(wěn)中有降，而玉米秸稈產(chǎn)量逐年增加，2014年開(kāi)始，小麥和玉米秸稈占比趨于穩(wěn)定；2017年，兩種作物秸稈產(chǎn)量占主要農(nóng)作物秸稈總量的84.5%。

1.3 主要農(nóng)作物秸稈資源利用現(xiàn)狀及主要途徑

自2011年以來(lái)，國(guó)家發(fā)改委、農(nóng)業(yè)部、財(cái)政部、環(huán)境保護(hù)等部門(mén)出臺(tái)了一系列關(guān)于禁止秸稈焚燒、推進(jìn)農(nóng)作物秸稈綜合利用的方案政策。為貫徹落實(shí)中央及部委要求，甘肅省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳積極研究制定了《2019年甘肅省秸稈綜合利用試點(diǎn)實(shí)施方案》，對(duì)甘肅省農(nóng)作物秸稈綜合利用和禁燒等工作進(jìn)行了具體部署。隨著秸稈綜合利用工作的不斷推進(jìn)，借鑒一些先進(jìn)成熟的實(shí)用技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)[11-12]，經(jīng)過(guò)多年努力和多方配合，甘肅省農(nóng)作物秸稈在秸稈飼料化利用、能源燃料、基料化利用等方面也取得了較大進(jìn)步。

據(jù)統(tǒng)計(jì)(表1)，2017年全省農(nóng)作物秸稈產(chǎn)生總量為1040.03×104t，小麥、玉米、油菜、大豆、馬鈴薯秸稈產(chǎn)生量分別占秸稈總量的31.64%，49.37%，5.18%，6.32%和4.25%；五大作物秸稈占比達(dá)到96.77%，是全省秸稈的主要來(lái)源。全省秸稈可收集量約為 923.62×104t，秸稈“五料化”利用總量達(dá)到829.79×104t，秸稈綜合利用率達(dá)到89.84%，其中秸稈肥料化、飼料化、燃料化、基料化、原料化利用率分別為12.49%，64.31%，10.27%，7.40%，5.52%，已經(jīng)形成了以飼料化利用為主、肥料化為輔的綜合利用格局[13]。

表1 2017年全省主要農(nóng)作物秸稈資源利用途徑及綜合利用率

2 秸稈資源評(píng)估研究存在的主要問(wèn)題

2.1 秸稈概念不明確

經(jīng)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，針對(duì)“作物秸稈”不同學(xué)者在各個(gè)方面均有較多研究，但最終秸稈資源評(píng)估結(jié)果尚不能統(tǒng)一[14-16]，雖然都稱(chēng)之為“作物秸稈”，但涵蓋范圍差別較大，多數(shù)研究以大田作物的“田間秸稈”作為某一地區(qū)秸稈資源，沒(méi)有將稻殼、玉米芯等作物加工副產(chǎn)物包括在內(nèi)；有的研究對(duì)象中只統(tǒng)計(jì)了部分大田作物，當(dāng)然，對(duì)作物秸稈產(chǎn)量的評(píng)估不一定要囊括所有作物，但至少其結(jié)果報(bào)道要說(shuō)明其研究的準(zhǔn)確范圍；多數(shù)研究中秸稈產(chǎn)量均以草谷比計(jì)算，得到的只是地上部分田間秸稈。上述種種原因均可導(dǎo)致秸稈資源量差異。

2.2 草谷比取值不適應(yīng)當(dāng)前作物生產(chǎn)現(xiàn)狀

隨著時(shí)代的進(jìn)步，根據(jù)不同時(shí)代的國(guó)家戰(zhàn)略定位對(duì)作物新品種進(jìn)行人工定向選育以及栽培措施的不斷完善，作物收獲指數(shù)逐步提高，草谷比指數(shù)總體下降。例如，通過(guò)對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量及矮稈性狀的長(zhǎng)期選擇，草谷比由原來(lái)的1.37下降到1.24；玉米品種在不斷地改良中，草谷比由2.0下降到0.98，且不同文獻(xiàn)來(lái)源中也很難統(tǒng)一[17]。雖然作物是隨時(shí)間因品種改良而變化，但在一定時(shí)期內(nèi)是一致的(應(yīng)以10年為宜)[18]，從本文中秸稈產(chǎn)量以農(nóng)業(yè)農(nóng)村部科技教育司2019年更新的草谷比以及收集系數(shù)計(jì)算，其結(jié)果更為準(zhǔn)確客觀。

2.3 產(chǎn)量構(gòu)成及統(tǒng)計(jì)指標(biāo)認(rèn)識(shí)不清

秸稈產(chǎn)量的理論估算值為風(fēng)干(含水量約15%)重。研究者首先要明確作物產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)指標(biāo)是風(fēng)干重還是鮮重，在我國(guó)作物產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，籽粒產(chǎn)量均以風(fēng)干重計(jì)，薯類(lèi)按5 kg鮮薯折1 kg糧食計(jì)算，因此，鮮重產(chǎn)量應(yīng)以含水率換算為風(fēng)干重；其次，要明確產(chǎn)量構(gòu)成，即作物的哪一部分，糧食按脫粒后的原糧計(jì)算，棉花產(chǎn)量按皮棉計(jì)算。如玉米產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)中不包括玉米芯，玉米以草谷比計(jì)算得到的應(yīng)是田間秸稈和加工副產(chǎn)物之和。

3 秸稈循環(huán)利用技術(shù)模式及建議

秸稈綜合利用主要遵循資源化利用和循環(huán)利用兩個(gè)原則。立足甘肅在全國(guó)發(fā)展大局中深化鞏固脫貧攻堅(jiān)成果、筑牢生態(tài)屏障等戰(zhàn)略職能定位以及國(guó)家落實(shí)碳達(dá)峰碳中和重大決策部署，發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)、固碳減排，因地制宜推進(jìn)秸稈資源化利用是貫徹新發(fā)展理念的必然要求，也是加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)的重要舉措，對(duì)加快建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)具有重要意義。當(dāng)前基于循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展的農(nóng)作物秸稈資源化利用模式應(yīng)該包含多種形式，但作為肥料回歸土地、回歸農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，是最符合循環(huán)農(nóng)業(yè)理念的利用方式之一，秸稈肥料化利用，能夠在提高秸稈綜合利用率的同時(shí)改良土壤環(huán)境，互利共贏。本文中結(jié)合甘肅特殊的地理區(qū)位，按照不同的流程和工藝，列舉4種適宜當(dāng)?shù)氐慕斩捓媚Ｊ健?/p>

3.1 秸—飼—肥種養(yǎng)結(jié)合技術(shù)模式

該模式既能拓展飼料來(lái)源，有效緩解人畜爭(zhēng)糧矛盾，又能有效提高土壤生產(chǎn)力，減少工業(yè)化肥使用，降低農(nóng)業(yè)面源污染，是充分將物質(zhì)和能量在動(dòng)植物之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換并實(shí)現(xiàn)良好循環(huán)的有效方式。甘肅地域廣袤，自然資源貧瘠，降雨稀少，發(fā)展草地畜牧業(yè)是農(nóng)作物秸稈資源化利用、帶動(dòng)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最主要途徑之一[19]。

3.2 秸—沼—肥能源生態(tài)技術(shù)模式

在特定的技術(shù)前提下，對(duì)秸稈進(jìn)行厭氧發(fā)酵可實(shí)現(xiàn)秸稈的高效利用。研究顯示，秸稈沼氣發(fā)酵的能量利用率是其直接燃燒的1.2～1.9倍，同時(shí)經(jīng)過(guò)發(fā)酵的沼液沼渣除了含有豐富的營(yíng)養(yǎng)元素外，還有多種生物活性物質(zhì)及微生物[20]。此外，該模式還具有提供高清潔能源、提高農(nóng)民生活質(zhì)量、改善居住環(huán)境以及緩解能源短缺壓力等諸多益處。

3.3 秸—菌—肥基質(zhì)利用技術(shù)模式

甘肅為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)省份，每年生產(chǎn)、加工農(nóng)副產(chǎn)品產(chǎn)生的下腳料數(shù)量大、玉米秸稈、玉米芯、小麥秸稈、果枝等資源豐富，是生產(chǎn)食用菌的良好原料。隨著國(guó)家大力倡導(dǎo)和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，豐富的秸稈資源將為食用菌產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供支撐，研究表明，2015年全省食用菌產(chǎn)量12×104t左右，人均占有量約為4.55 kg，僅為全國(guó)人均占有量的1/6，遠(yuǎn)低于全國(guó)水平[21]，省內(nèi)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的潛力巨大。

3.4 秸—炭—肥還田改土技術(shù)模式

在我國(guó)，陳溫福院士率先提出的秸稈炭化還田理念，是以秸稈等農(nóng)林廢棄物為原料，通過(guò)一定的設(shè)備和工藝進(jìn)行炭化，再以生物炭或炭基肥、炭基微生物制劑等產(chǎn)品形式作用于農(nóng)田，使土壤質(zhì)量改良,進(jìn)一步提高生產(chǎn)力得以永續(xù)利用。研究顯示，秸稈等生物炭具有改土培肥、固碳減排、促長(zhǎng)增產(chǎn)等諸多功效[22-27]。隨著國(guó)家“一控兩減”政策不斷加強(qiáng)以及工業(yè)化進(jìn)程中造成的土壤養(yǎng)分流失和退化，土壤生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)越來(lái)越得到廣泛關(guān)注，生物炭作為一種土壤改良劑作用于土壤中，在提高土壤生產(chǎn)力的同時(shí)還可以減少養(yǎng)分流失，顯著改善土壤條件；由于其特有的孔隙結(jié)構(gòu)，可以提高土壤蓄水儲(chǔ)養(yǎng)的能力并可為土壤中微生物寄居提供保護(hù)。它像一個(gè)地下碳水槽，鎖住二氧化碳，可以間接為增加作物產(chǎn)量起到積極作用，達(dá)到改善作物品質(zhì)的效果。

甘肅耕地廣袤，秸稈資源豐富；經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的農(nóng)業(yè)發(fā)展歷程，已形成了規(guī)?；?、集約化程度相對(duì)較高的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局，有多家秸稈加工利用企業(yè)和收儲(chǔ)運(yùn)合作社，為生物炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了良好的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)；早在2005年，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始了生物炭的基礎(chǔ)研究工作，經(jīng)過(guò)反復(fù)探索的與實(shí)踐，已在炭化工藝參數(shù)、產(chǎn)品研發(fā)方向及綜合利用等產(chǎn)業(yè)技術(shù)方面取得了重要進(jìn)展和突破，產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)成熟。總之，甘肅地區(qū)秸稈生物炭產(chǎn)業(yè)在資源基礎(chǔ)、產(chǎn)業(yè)技術(shù)、市場(chǎng)空間、政策環(huán)境等方面具有良好的發(fā)展條件、產(chǎn)業(yè)前景廣闊。

秸稈—土壤的“食物”，土壤，是秸稈的最終歸宿。秸稈生物炭取之于土還之于土，符合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了綠色循環(huán)發(fā)展，是面向未來(lái)的、低成本的可持續(xù)發(fā)展原料，可能為戰(zhàn)略性解決甘肅農(nóng)業(yè)循環(huán)發(fā)展問(wèn)題提供重要技術(shù)支撐。