前言
為了了解我國秸稈利用現狀，實施了全國性問卷調查，并結合國家統計數據進行分析，研究結果表明：2011年我國9種主要作物（水稻、小麥、玉米、高粱、馬鈴薯、油菜、向日葵、棉花和甘蔗）的秸稈總產量為778 Mt，其中焚燒27%、還田38%、燃料17%、飼料14%、其他用途4%；山東、河北和河南的還田量之和占全國的一半；還田方式主要是機械粉碎還田，還田量占全國全部還田量的67%。農戶支持還田的原因是改善土壤質量和提高作物產量，反對原因是機械成本增加、病蟲害加重和影響下季作物種植。因此，應因地制宜發展不同的秸稈資源化利用模式和還田方式，加強技術研發、宣傳培訓和政策扶持等。
背景
農作物秸稈作為農業生產的生物質副產品，具有巨大的潛在利用價值。上世紀70年代前，我國農作物秸稈產量比較少，主要用作生活燃料和飼料。隨著現代農業的發展、生活水平的提高和化石能源的普及，農業生產力的提高促進了秸稈產量的增加，同時秸稈作為燃料和飼料的比例也在下降。為了快速處理和節約成本，農戶習慣于將秸稈直接焚燒或棄置在田間地頭，但是秸稈焚燒會引起土壤有機質和營養成分的下降。2000-2003年，我國秸稈年產量600 Mt，其中140 Mt被焚燒。這些焚燒的秸稈排放了約7.7 Tg CO2 eq·a-1 的CH4 和2.2 Tg CO2 eq·a-1 的N2O，同時排放了3.6 Mt大氣污染物（其中顆粒物1.0 Mt）。秸稈的焚燒、棄置不僅浪費了生物質資源，而且加重了氣候變暖和環境污染。
秸稈作為生物質資源，可以用于還田、燃料、飼料或其他用途（如工業原料和食用菌基料等）。秸稈還田包括多種方式，如機械粉碎還田、覆蓋還田和留高茬還田等。秸稈還田結合施用化肥，能夠提高土壤養分含量，促進土壤固碳和改良土壤結構。秸稈就地還田還能減少外運產生的收集、運輸和儲存的成本。秸稈直接燃燒可作為農村生活能源，秸稈的燃燒值為標準煤的一半并且含硫量低于煤，因此是一種清潔的可再生能源。我國現代畜牧業產生了巨大的飼料需求，原因是動物產品需求增加和草地面積縮小退化，而秸稈作為重要的粗飼料可以彌補這個需求。因此，通過積極推廣還田、燃料和飼料等綜合利用方式，可以減少焚燒和廢棄秸稈引起的環境污染和溫室氣體排放。
國家環境保護總局（現環保部）和農業部分別于1999 年和2007 年頒布了關于秸稈禁燒和綜合利用的政策，促進了秸稈綜合利用，減少了生物質資源浪費。政策的實施伴隨著現代農業的發展影響了我國秸稈利用方式，因此有必要認識當前我國的秸稈利用現狀。本研究通過全國性的農戶問卷調查的方式，評估我國的秸稈利用現狀，了解農戶主要的還田方式，并探索農戶對秸稈還田的態度及原因。這些研究可以為制定新的政策和措施提供幫助，有利于促進我國秸稈綜合利用和農業生產的可持續發展。
1 材料與方法
1.1 數據來源
根據氣候、種植制度和耕種方式，我國大陸地區農田可以分為 4 個農業區域（圖 1）：東北區（遼寧省、吉林省、黑龍江省）、華北區（北京市、天津市、河北省、山西省、內蒙古自治區、山東省、河南省）、西北區（陜西省、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區、新疆維吾爾自治區）和南方區（上海市、江蘇省、浙江省、安徽省、福建省、江西省、湖北省、湖南省、廣東省、廣西壯族自治區、海南省、重慶市、四川省、貴州省、云南省、西藏自治區）。2012 年我們采用隨機問卷方式進行了全國范圍的實地調查，調查對象是具有種植經驗的農戶，每省份隨機選擇2~5 個縣，每個縣至少選擇一個村，每村隨機選擇5 個有經驗的農戶進行調查。調查內容是2011 年作物的農田管理措施，涉及秸稈內容包括作物經濟產量、秸稈產量、秸稈利用比例、還田方式和農戶對還田的態度及原因等。此次調查共獲得1126 份有效問卷，分布在全國152 個縣域（圖 1），水稻（387 份）、小麥（304 份）和玉米（346 份）的問卷數占有效問卷的92%。本文中各省作物播種面積和產量來自《中國農業年鑒2012》。
1.2 問卷有效性
全國實地調查經歷了4 個階段：預調查、調查員培訓、正式調查和數據輸入分析。為了保證調查的有效性，我們在設計調查問卷時，設計了三角互證問題（Triangulation questions），包括作物產量、秸稈還田類型和農戶對還田的態度等。有效問卷指填寫了秸稈處理方式比例且加和為100%的問卷。我們將各省作物的調查產量和統計年鑒中相應產量進行了t-檢驗，結果表明沒有顯著性差異。
1.3 秸稈利用方式和還田方式
本研究的目標作物是水稻、小麥、玉米、高粱、馬鈴薯、油菜、向日葵、棉花和甘蔗等9 種作物。這些作物代表了我國主要的糧食和經濟作物，其他作物也有秸稈產量，但用途比較單一，具體用途可參考《中國有機肥料養分志》。我國作物在收獲后，秸稈一般利用方式包括焚燒、還田、燃料、飼料和其他用途（如秸稈被農戶出售，后被用來生產生物質能源、造紙或育菌等）。本研究調查到農戶這一層次，無法對生產生物質能源等其他用途做出詳細分析，因此本研究將秸稈利用只分為這5 種方式。對于某個省份來說，不同秸稈用途比例（Uk，%）通過公式（1）計算得到，其值介于0~100之間。
式中：i 指9 種作物之一；Uikn 是被調查省份第n 個農戶的第k 種秸稈利用方式面積比例，%；k 指還田、焚燒、燃料、飼料或其他利用方式；Ni 為調查種植作物i 的農戶總數，Uikn 和Ni 通過調查獲得；Ai 為該省作物i 的播種面積，數據取自《中國農業年鑒2012》。
根據上面的計算，該省的不同利用方式的秸稈量（Qk，Mt）通過公式（2）計算：
式中：Yi 為該省作物i 的總產量，104 t，數據取自《中國農業年鑒2012》；Ri 為作物i 的草谷比，取值參考畢于運等和《中國生物質資源可獲得性評價》；Fi 為作物i 的干物質含量，%，數據取自IPCC 指南。
根據我國常見的還田方式，將其分為留高茬還田、粉碎翻壓還田、覆蓋還田、堆漚還田和腐熟劑處理還田。本研究的秸稈利用方式包括飼料，因此還田方式中沒有包括過腹還田。
1.4 統計分析
IPCC 建議采用95%置信區間（95% confidential interval）反映研究指標的不確定性。根據IPCC 的不確定性傳遞原則，我們計算了我國各省的不同利用方式下秸稈量的不確定性。
2 結果與分析
2.1 秸稈利用方式
2011 年全國9 種作物秸稈總產量為778 Mt，產量大于50 Mt的省份包括河南（84 Mt）、山東（75 Mt）、黑龍江（69 Mt）、河北（56 Mt）和吉林（52 Mt），這5 個省份的秸稈量占全國的43%（表1）。4 個農業區的產量大小順序是：華北區（282 Mt）>南方區（261 Mt）>東北區（152 Mt）>西北區（84 Mt）。用于焚燒、還田、燃料、飼料和其他用途的秸稈比例（秸稈量）分別是27.4%（200 Mt）、37.9%（295 Mt）、17.0%（137 Mt）、13.8%（113 Mt）和4.0%（34 Mt）。秸稈焚燒比例占1/3~2/3 的省份有14 個，其中11 個位于南方區。還田量最多的省份為山東、河南和河北，三者還田總和（155 Mt）占全國還田量的54%；還田比例占一半以上的省份包括北京（89%）、河北（81%）、山東（78%）、河南（61%）、重慶（58%）和山西（56%）。秸稈作燃料超過10 Mt 的省份包括東北三省和內蒙古，其用量之和占全國的46%。新疆、吉林和河南作飼料的秸稈量超過10 Mt，西藏、新疆、云南、甘肅和貴州各省秸稈作飼料的比例超過了1/3。
秸稈焚燒的比例在東北區和南方區占到1/3 左右，而在華北區和西北區只有14%（圖2）；華北區和南方區秸稈還田比例最高，分別是62%和35%，東北區最低，只有9%；東北區秸稈作燃料比例占35%，為最高，次之是西北區，占30%；秸稈作飼料比例最高的區域是西北區和東北區，分別占24%和18%。
2.2 秸稈還田方式
調查結果表明，2011 年4 個農業區秸稈主要的還田方式都是機械粉碎還田，粉碎還田量占還田總量的67%（圖3）。華北區粉碎還田量甚至占該區還田量的82%，占秸稈產量的一半；覆蓋還田方式主要在華北區和南方區采用，分別占這兩個區還田量的15%和28%；留茬還田在4 個農業區都有農戶采用，還田量分別占4 個區還田量的27%（東北區）、16%（南方區）、13%（西北區）和2%（華北區）；堆漚和腐熟還田主要分布于西北區和南方區，這兩種方式之和分別占兩個區的24%和18%。
2.3 農戶對秸稈還田的態度
華北區、東北區和南方區中，支持秸稈還田的農戶是持反對態度農戶的4 倍以上，支持率最高的是華北區（表2），這3 個農業區反對秸稈還田比例也都低于20%。西北區的支持農戶只占43%，反對農戶比例（46%）超過支持農戶，這和該區干旱的氣候條件有關。南方區和東北區持無所謂態度的農戶比例高于華北區和西北區。
調查的農戶支持秸稈還田的理由，主要在于秸稈還田能增加土壤養分和替代部分化肥，提高農田土壤質量和作物產量，同時保護環境和減少秸稈外運等成本（表3）。農戶反對秸稈還田的原因主要包括秸稈可作為燃料和飼料使用，而且還田會增加機械操作成本，有時會加重作物病蟲害。農戶持無所謂態度，一般是因為當地環境條件限制了秸稈還田的實施（比如氣候、地理和技術等），使其對還田技術缺乏了解。
3 討論
我國秸稈利用方式在不同地區和年代存在著明顯的差異。2011年，全國農作物秸稈焚燒比例從2000 年的21%增加到27%（表1）。東北三省及內蒙古、南方區江蘇、安徽、湖北、湖南等地秸稈焚燒比例達到甚至超過了1/3。東北區秸稈焚燒嚴重是因為秋收后地溫低，秸稈還田不易腐爛，而南方是因為夏收茬口緊、上茬還田影響下茬種植，而且冬季無需采暖。秸稈產量的增加和禁燒措施促進了秸稈資源化利用，如河北的還田比例從2006 年的41%增加到2011 年的81%（表1）。遼寧省遼中縣秸稈還田比例（14%）稍高于全省平均值（11%），但是焚燒比例（15%）明顯低于全省平均值（30%），原因在于遼中縣是全國畜禽養殖基地，較多秸稈被作為飼料，減少了田間焚燒。浙江省秸稈焚燒比例從2011 年的39%下降到2013 年的22%，而還田比例從47%增加到61%，反映了秸稈處理方式由焚燒向還田轉變。其他一些研究表明，黑龍江、河南的秸稈利用比例和西北區的焚燒比例等，與本研究的結果基本一致。這些研究表明，我國秸稈資源化具有很大的潛力，但是資源化推廣需要考慮不同地區間氣候、地理和經濟等差異。
我國農業土壤曾經由于有機物投入缺乏，30%~50%有機碳損失。近30 年來東北區過度種植和不注意培肥土壤，也導致黑土有機碳含量急劇下降，而在華北地區，秸稈還田顯著增加了農田土壤有機碳含量，因此我國農田收獲秸稈應當優先考慮還田以培肥土壤。在秸稈資源充足或條件不適于還田地區，秸稈可以作為能源、飼料和工業原料。本研究表明我國作為生活燃料的秸稈占總產量的17%，但由于傳統的直燃效率比較低（最高僅有12%耀15%），秸稈能源化需要發展新型技術如制造沼氣、固化成型、熱解氣化、直燃發電等。我國秸稈作為飼料的比例為14%，其中西北區的秸稈飼料比例占該區秸稈產量的1/4。秸稈飼喂前需進行物理、化學或生物學處理，提高適口性和消化率，只有這樣才能促進秸稈飼料化，有利于我國“節糧型”畜牧業的發展。因此，我國秸稈資源化利用需要因地制宜，發展還田主導、種養結合和產業帶動等各種綜合利用的模式。
秸稈資源化能充分利用農作物的副產物，但資源化利用過程也會對環境產生一些影響。秸稈還田能培肥土壤和固碳減排，但也能增加稻田的甲烷排放。不同還田方式對固碳減排產生的影響不同，如相比留高茬還田，覆蓋還田可以更有效控制稻田溫室氣體排放強度。無論支持或反對秸稈還田的農戶都沒有考慮其對大氣溫室氣體的影響，因此需要加強宣傳，提高農戶對這方面的認知（表3）。另外，秸稈堆漚還田排放NH3 和N2O，導致氮素損失和大氣變暖。秸稈能源化將一次性焚燒改成多次燃燒，作為可再生能源可以替代煤等化石能源，減少溫室氣體排放。秸稈飼料化處理可以滿足畜牧業發展的要求，但是畜牧業擴張會增加溫室氣體排放和環境污染。總之，秸稈利用或還田方式的選擇需要考慮它們對環境的這些影響，可以采用經驗模型、生命周期和碳足跡等進行評估。
本文結果表明，相對于環境因素，農戶更關注秸稈還田對農藝和經濟的影響（表3）。Zhao 等采用Meta 方法分析發現全國秸稈還田實行9 年后，谷物產量增加了7%，貧瘠缺水的農田增產效果更加明顯；趙秀玲等綜述了華北區的相關研究發現，合理的秸稈還田能改善土壤質量和增加作物產量；胡誠等研究認為，與不還田相比，秸稈還田能顯著改良貧瘠的低產黃泥田，早晚稻秸稈還田結合腐熟劑比單施化肥增產24%。本研究中東北區農戶支持還田比例占64%，說明黑土有機碳含量下降引起了農戶對秸稈還田的重視，但該區低溫導致秸稈分解緩慢，目前實際還田率只有9%（圖2），說明適宜的還田技術在該區具有很大的推廣潛力。梁堯等研究發現，與秸稈覆蓋和無還田相比，東北黑土區采用深翻還田能夠有效培肥土壤和實現玉米穩產、增產。我國西北區和南方區的還田支持率低于東北區（表2），原因可能在于西北區雨養農業占一定比例，缺水使秸稈無法充分分解，而南方區茬口緊和秸稈量巨大（一年兩季甚至三季），導致還田支持率低。因此，只有通過開展不同環境條件下的田間試驗，尋找適應我國不同地區氣候、地理和種植制度的還田方式，秸稈還田才能得到快速發展。
4 結論
（1）根據氣候、地理和種植制度的差異性，我國農作物生產應發展適應不同地區的秸稈資源利用化模式。
（2）我國農作物秸稈應優先考慮還田，培肥土壤以保證作物穩產、高產的可持續性。
（3）各農業區應因地制宜地發展秸稈還田技術，減少還田的負效應（如成本增加、病蟲害加重和對下季作物播種的影響等），并幫助農戶正確認識秸稈利用對環境的不利影響。
（4）在我國不適于秸稈還田地區或秸稈富余地區，應積極推廣秸稈向新型能源和優質飼料的轉化。
作者：張國，逯非，趙紅，楊廣斌，王效科，歐陽志云
單位：貴州師范大學喀斯特研究院，中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室，濟南市環境研究院，貴州師范大學地理與環境科學學院
來源：《農業環境科學學報》2017年第5期
中國鄉村發現網轉自：微信號 農業環境科學
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