前言
為了了解我國秸稈利用現(xiàn)狀，實施了全國性問卷調(diào)查，并結(jié)合國家統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究結(jié)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(chǎn)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(nóng)戶支持還田的原因是改善土壤質(zhì)量和提高作物產(chǎn)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(yīng)因地制宜發(fā)展不同的秸稈資源化利用模式和還田方式，加強技術(shù)研發(fā)、宣傳培訓(xùn)和政策扶持等。
背景
農(nóng)作物秸稈作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的生物質(zhì)副產(chǎn)品，具有巨大的潛在利用價值。上世紀(jì)70年代前，我國農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量比較少，主要用作生活燃料和飼料。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展、生活水平的提高和化石能源的普及，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的提高促進(jìn)了秸稈產(chǎn)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(jié)約成本，農(nóng)戶習(xí)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(zhì)和營養(yǎng)成分的下降。2000-2003年，我國秸稈年產(chǎn)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(zhì)資源，而且加重了氣候變暖和環(huán)境污染。
秸稈作為生物質(zhì)資源，可以用于還田、燃料、飼料或其他用途（如工業(yè)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(jié)合施用化肥，能夠提高土壤養(yǎng)分含量，促進(jìn)土壤固碳和改良土壤結(jié)構(gòu)。秸稈就地還田還能減少外運產(chǎn)生的收集、運輸和儲存的成本。秸稈直接燃燒可作為農(nóng)村生活能源，秸稈的燃燒值為標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)代畜牧業(yè)產(chǎn)生了巨大的飼料需求，原因是動物產(chǎn)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(huán)境污染和溫室氣體排放。
國家環(huán)境保護(hù)總局（現(xiàn)環(huán)保部）和農(nóng)業(yè)部分別于1999 年和2007 年頒布了關(guān)于秸稈禁燒和綜合利用的政策，促進(jìn)了秸稈綜合利用，減少了生物質(zhì)資源浪費。政策的實施伴隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展影響了我國秸稈利用方式，因此有必要認(rèn)識當(dāng)前我國的秸稈利用現(xiàn)狀。本研究通過全國性的農(nóng)戶問卷調(diào)查的方式，評估我國的秸稈利用現(xiàn)狀，了解農(nóng)戶主要的還田方式，并探索農(nóng)戶對秸稈還田的態(tài)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(jìn)我國秸稈綜合利用和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。
1 材料與方法
1.1 數(shù)據(jù)來源
根據(jù)氣候、種植制度和耕種方式，我國大陸地區(qū)農(nóng)田可以分為 4 個農(nóng)業(yè)區(qū)域（圖 1）：東北區(qū)（遼寧省、吉林省、黑龍江省）、華北區(qū)（北京市、天津市、河北省、山西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、山東省、河南省）、西北區(qū)（陜西省、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)）和南方區(qū)（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(qū)、海南省、重慶市、四川省、貴州省、云南省、西藏自治區(qū)）。2012 年我們采用隨機問卷方式進(jìn)行了全國范圍的實地調(diào)查，調(diào)查對象是具有種植經(jīng)驗的農(nóng)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(jīng)驗的農(nóng)戶進(jìn)行調(diào)查。調(diào)查內(nèi)容是2011 年作物的農(nóng)田管理措施，涉及秸稈內(nèi)容包括作物經(jīng)濟產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量、秸稈利用比例、還田方式和農(nóng)戶對還田的態(tài)度及原因等。此次調(diào)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(shù)占有效問卷的92%。本文中各省作物播種面積和產(chǎn)量來自《中國農(nóng)業(yè)年鑒2012》。
1.2 問卷有效性
全國實地調(diào)查經(jīng)歷了4 個階段：預(yù)調(diào)查、調(diào)查員培訓(xùn)、正式調(diào)查和數(shù)據(jù)輸入分析。為了保證調(diào)查的有效性，我們在設(shè)計調(diào)查問卷時，設(shè)計了三角互證問題（Triangulation questions），包括作物產(chǎn)量、秸稈還田類型和農(nóng)戶對還田的態(tài)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(diào)查產(chǎn)量和統(tǒng)計年鑒中相應(yīng)產(chǎn)量進(jìn)行了t-檢驗，結(jié)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(biāo)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(jīng)濟作物，其他作物也有秸稈產(chǎn)量，但用途比較單一，具體用途可參考《中國有機肥料養(yǎng)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(nóng)戶出售，后被用來生產(chǎn)生物質(zhì)能源、造紙或育菌等）。本研究調(diào)查到農(nóng)戶這一層次，無法對生產(chǎn)生物質(zhì)能源等其他用途做出詳細(xì)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(diào)查省份第n 個農(nóng)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(diào)查種植作物i 的農(nóng)戶總數(shù)，Uikn 和Ni 通過調(diào)查獲得；Ai 為該省作物i 的播種面積，數(shù)據(jù)取自《中國農(nóng)業(yè)年鑒2012》。
根據(jù)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(chǎn)量，104 t，數(shù)據(jù)取自《中國農(nóng)業(yè)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(zhì)資源可獲得性評價》；Fi 為作物i 的干物質(zhì)含量，%，數(shù)據(jù)取自IPCC 指南。
根據(jù)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(tǒng)計分析
IPCC 建議采用95%置信區(qū)間（95% confidential interval）反映研究指標(biāo)的不確定性。根據(jù)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(jié)果與分析
2.1 秸稈利用方式
2011 年全國9 種作物秸稈總產(chǎn)量為778 Mt，產(chǎn)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(nóng)業(yè)區(qū)的產(chǎn)量大小順序是：華北區(qū)（282 Mt）>南方區(qū)（261 Mt）>東北區(qū)（152 Mt）>西北區(qū)（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(qū)。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(nèi)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(qū)和南方區(qū)占到1/3 左右，而在華北區(qū)和西北區(qū)只有14%（圖2）；華北區(qū)和南方區(qū)秸稈還田比例最高，分別是62%和35%，東北區(qū)最低，只有9%；東北區(qū)秸稈作燃料比例占35%，為最高，次之是西北區(qū)，占30%；秸稈作飼料比例最高的區(qū)域是西北區(qū)和東北區(qū)，分別占24%和18%。
2.2 秸稈還田方式
調(diào)查結(jié)果表明，2011 年4 個農(nóng)業(yè)區(qū)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(qū)粉碎還田量甚至占該區(qū)還田量的82%，占秸稈產(chǎn)量的一半；覆蓋還田方式主要在華北區(qū)和南方區(qū)采用，分別占這兩個區(qū)還田量的15%和28%；留茬還田在4 個農(nóng)業(yè)區(qū)都有農(nóng)戶采用，還田量分別占4 個區(qū)還田量的27%（東北區(qū)）、16%（南方區(qū)）、13%（西北區(qū)）和2%（華北區(qū)）；堆漚和腐熟還田主要分布于西北區(qū)和南方區(qū)，這兩種方式之和分別占兩個區(qū)的24%和18%。
2.3 農(nóng)戶對秸稈還田的態(tài)度
華北區(qū)、東北區(qū)和南方區(qū)中，支持秸稈還田的農(nóng)戶是持反對態(tài)度農(nóng)戶的4 倍以上，支持率最高的是華北區(qū)（表2），這3 個農(nóng)業(yè)區(qū)反對秸稈還田比例也都低于20%。西北區(qū)的支持農(nóng)戶只占43%，反對農(nóng)戶比例（46%）超過支持農(nóng)戶，這和該區(qū)干旱的氣候條件有關(guān)。南方區(qū)和東北區(qū)持無所謂態(tài)度的農(nóng)戶比例高于華北區(qū)和西北區(qū)。
調(diào)查的農(nóng)戶支持秸稈還田的理由，主要在于秸稈還田能增加土壤養(yǎng)分和替代部分化肥，提高農(nóng)田土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量，同時保護(hù)環(huán)境和減少秸稈外運等成本（表3）。農(nóng)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(nóng)戶持無所謂態(tài)度，一般是因為當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件限制了秸稈還田的實施（比如氣候、地理和技術(shù)等），使其對還田技術(shù)缺乏了解。
3 討論
我國秸稈利用方式在不同地區(qū)和年代存在著明顯的差異。2011年，全國農(nóng)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(nèi)蒙古、南方區(qū)江蘇、安徽、湖北、湖南等地秸稈焚燒比例達(dá)到甚至超過了1/3。東北區(qū)秸稈焚燒嚴(yán)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(chǎn)量的增加和禁燒措施促進(jìn)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(yǎng)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(zhuǎn)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(qū)的焚燒比例等，與本研究的結(jié)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(qū)間氣候、地理和經(jīng)濟等差異。
我國農(nóng)業(yè)土壤曾經(jīng)由于有機物投入缺乏，30%~50%有機碳損失。近30 年來東北區(qū)過度種植和不注意培肥土壤，也導(dǎo)致黑土有機碳含量急劇下降，而在華北地區(qū)，秸稈還田顯著增加了農(nóng)田土壤有機碳含量，因此我國農(nóng)田收獲秸稈應(yīng)當(dāng)優(yōu)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(qū)，秸稈可以作為能源、飼料和工業(yè)原料。本研究表明我國作為生活燃料的秸稈占總產(chǎn)量的17%，但由于傳統(tǒng)的直燃效率比較低（最高僅有12%耀15%），秸稈能源化需要發(fā)展新型技術(shù)如制造沼氣、固化成型、熱解氣化、直燃發(fā)電等。我國秸稈作為飼料的比例為14%，其中西北區(qū)的秸稈飼料比例占該區(qū)秸稈產(chǎn)量的1/4。秸稈飼喂前需進(jìn)行物理、化學(xué)或生物學(xué)處理，提高適口性和消化率，只有這樣才能促進(jìn)秸稈飼料化，有利于我國“節(jié)糧型”畜牧業(yè)的發(fā)展。因此，我國秸稈資源化利用需要因地制宜，發(fā)展還田主導(dǎo)、種養(yǎng)結(jié)合和產(chǎn)業(yè)帶動等各種綜合利用的模式。
秸稈資源化能充分利用農(nóng)作物的副產(chǎn)物，但資源化利用過程也會對環(huán)境產(chǎn)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(chǎn)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(nóng)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(nóng)戶對這方面的認(rèn)知（表3）。另外，秸稈堆漚還田排放NH3 和N2O，導(dǎo)致氮素?fù)p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(yè)發(fā)展的要求，但是畜牧業(yè)擴張會增加溫室氣體排放和環(huán)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(huán)境的這些影響，可以采用經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀⑸芷诤吞甲阚E等進(jìn)行評估。
本文結(jié)果表明，相對于環(huán)境因素，農(nóng)戶更關(guān)注秸稈還田對農(nóng)藝和經(jīng)濟的影響（表3）。Zhao 等采用Meta 方法分析發(fā)現(xiàn)全國秸稈還田實行9 年后，谷物產(chǎn)量增加了7%，貧瘠缺水的農(nóng)田增產(chǎn)效果更加明顯；趙秀玲等綜述了華北區(qū)的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，合理的秸稈還田能改善土壤質(zhì)量和增加作物產(chǎn)量；胡誠等研究認(rèn)為，與不還田相比，秸稈還田能顯著改良貧瘠的低產(chǎn)黃泥田，早晚稻秸稈還田結(jié)合腐熟劑比單施化肥增產(chǎn)24%。本研究中東北區(qū)農(nóng)戶支持還田比例占64%，說明黑土有機碳含量下降引起了農(nóng)戶對秸稈還田的重視，但該區(qū)低溫導(dǎo)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(shù)在該區(qū)具有很大的推廣潛力。梁堯等研究發(fā)現(xiàn)，與秸稈覆蓋和無還田相比，東北黑土區(qū)采用深翻還田能夠有效培肥土壤和實現(xiàn)玉米穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)。我國西北區(qū)和南方區(qū)的還田支持率低于東北區(qū)（表2），原因可能在于西北區(qū)雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)占一定比例，缺水使秸稈無法充分分解，而南方區(qū)茬口緊和秸稈量巨大（一年兩季甚至三季），導(dǎo)致還田支持率低。因此，只有通過開展不同環(huán)境條件下的田間試驗，尋找適應(yīng)我國不同地區(qū)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(fā)展。
4 結(jié)論
（1）根據(jù)氣候、地理和種植制度的差異性，我國農(nóng)作物生產(chǎn)應(yīng)發(fā)展適應(yīng)不同地區(qū)的秸稈資源利用化模式。
（2）我國農(nóng)作物秸稈應(yīng)優(yōu)先考慮還田，培肥土壤以保證作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的可持續(xù)性。
（3）各農(nóng)業(yè)區(qū)應(yīng)因地制宜地發(fā)展秸稈還田技術(shù)，減少還田的負(fù)效應(yīng)（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(nóng)戶正確認(rèn)識秸稈利用對環(huán)境的不利影響。
（4）在我國不適于秸稈還田地區(qū)或秸稈富余地區(qū)，應(yīng)積極推廣秸稈向新型能源和優(yōu)質(zhì)飼料的轉(zhuǎn)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(xué)喀斯特研究院，中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，濟南市環(huán)境研究院，貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院
來源：《農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報》2017年第5期
中國鄉(xiāng)村發(fā)現(xiàn)網(wǎng)轉(zhuǎn)自：微信號 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)
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