我国农作物秸秆资源化利用现状及农户对秸秆还田的认知态度

    农作物秸秆作为农业生产的生物质副产品，具有巨大的潜在利用价值。上世纪70 年代前，我国农作物秸秆产量比较少，主要用作生活燃料和饲料。随着现代农业的发展、生活水平的提高和化石能源的普及，农业生产力的提高促进了秸秆产量的增加，同时秸秆作为燃料和饲料的比例也在下降。为了快速处理和节约成本，农户习惯于将秸秆直接焚烧或弃置在田间地头，但是秸秆焚烧会引起土壤有机质和营养成分的下降。2000-2003 年，我国秸秆年产量600 Mt，其中140 Mt被焚烧。这些焚烧的秸秆排放了约7.7 Tg CO2 eq·a-1 的CH4 和2.2 Tg CO2 eq·a-1 的N2O，同时排放了3.6 Mt大气污染物（其中颗粒物1.0 Mt）。秸秆的焚烧、弃置不仅浪费了生物质资源，而且加重了气候变暖和环境污染。

      秸秆作为生物质资源，可以用于还田、燃料、饲料或其他用途（如工业原料和食用菌基料等）。秸秆还田包括多种方式，如机械粉碎还田、覆盖还田和留高茬还田等。秸秆还田结合施用化肥，能够提高土壤养分含量，促进土壤固碳和改良土壤结构。秸秆就地还田还能减少外运产生的收集、运输和储存的成本。秸秆直接燃烧可作为农村生活能源，秸秆的燃烧值为标准煤的一半并且含硫量低于煤，因此是一种清洁的可再生能源。我国现代畜牧业产生了巨大的饲料需求，原因是动物产品需求增加和草地面积缩小退化，而秸秆作为重要的粗饲料可以弥补这个需求。因此，通过积极推广还田、燃料和饲料等综合利用方式，可以减少焚烧和废弃秸秆引起的环境污染和温室气体排放。

根据气候、种植制度和耕种方式，我国大陆地区农田可以分为 4 个农业区域（图 1）：东北区（辽宁省、吉林省、黑龙江省）、华北区（北京市、天津市、河北省、山西省、内蒙古自治区、山东省、河南省）、西北区（陕西省、甘肃省、青海省、宁夏回族自治区、新疆维吾尔自治区）和南方区（上海市、江苏省、浙江省、安徽省、福建省、江西省、湖北省、湖南省、广东省、广西壮族自治区、海南省、重庆市、四川省、贵州省、云南省、西藏自治区）。2012 年我们采用随机问卷方式进行了全国范围的实地调查，调查对象是具有种植经验的农户，每省份随机选择2~5 个县，每个县至少选择一个村，每村随机选择5 个有经验的农户进行调查。调查内容是2011 年作物的农田管理措施，涉及秸秆内容包括作物经济产量、秸秆产量、秸秆利用比例、还田方式和农户对还田的态度及原因等。此次调查共获得1126 份有效问卷，分布在全国152 个县域（图 1），水稻（387 份）、小麦（304 份）和玉米（346 份）的问卷数占有效问卷的92%。本文中各省作物播种面积和产量来自《中国农业年鉴2012》。

全国实地调查经历了4 个阶段：预调查、调查员培训、正式调查和数据输入分析。为了保证调查的有效性，我们在设计调查问卷时，设计了三角互证问题（Triangulation questions），包括作物产量、秸秆还田类型和农户对还田的态度等。有效问卷指填写了秸秆处理方式比例且加和为100%的问卷。我们将各省作物的调查产量和统计年鉴中相应产量进行了t-检验，结果表明没有显著性差异。

本研究的目标作物是水稻、小麦、玉米、高粱、马铃薯、油菜、向日葵、棉花和甘蔗等9 种作物。这些作物代表了我国主要的粮食和经济作物，其他作物也有秸秆产量，但用途比较单一，具体用途可参考《中国有机肥料养分志》。我国作物在收获后，秸秆一般利用方式包括焚烧、还田、燃料、饲料和其他用途（如秸秆被农户出售，后被用来生产生物质能源、造纸或育菌等）。本研究调查到农户这一层次，无法对生产生物质能源等其他用途做出详细分析，因此本研究将秸秆利用只分为这5 种方式。对于某个省份来说，不同秸秆用途比例（Uk，%）通过公式（1）计算得到，其值介于0~100之间。

式中：i 指9 种作物之一；Uikn 是被调查省份第n 个农户的第k 种秸秆利用方式面积比例，%；k 指还田、焚烧、燃料、饲料或其他利用方式；Ni为调查种植作物i 的农户总数，Uikn和Ni通过调查获得；Ai 为该省作物i 的播种面积，数据取自《中国农业年鉴2012》。

根据上面的计算，该省的不同利用方式的秸秆量（Qk，Mt）通过公式（2）计算：

式中：Yi 为该省作物i 的总产量，104 t，数据取自《中国农业年鉴2012》；Ri为作物i 的草谷比，取值参考毕于运等和《中国生物质资源可获得性评价》；Fi为作物i 的干物质含量，%，数据取自IPCC 指南。

IPCC 建议采用95%置信区间（95% confidential interval）反映研究指标的不确定性。根据IPCC 的不确定性传递原则，我们计算了我国各省的不同利用方式下秸秆量的不确定性。

2011 年全国9 种作物秸秆总产量为778 Mt，产量大于50 Mt的省份包括河南（84 Mt）、山东（75 Mt）、黑龙江（69 Mt）、河北（56 Mt）和吉林（52 Mt），这5 个省份的秸秆量占全国的43%（表1）。4 个农业区的产量大小顺序是：华北区（282 Mt）>南方区（261 Mt）>东北区（152 Mt）>西北区（84 Mt）。用于焚烧、还田、燃料、饲料和其他用途的秸秆比例（秸秆量）分别是27.4%（200 Mt）、37.9%（295 Mt）、17.0%（137 Mt）、13.8%（113 Mt）和4.0%（34 Mt）。秸秆焚烧比例占1/3~2/3 的省份有14 个，其中11 个位于南方区。还田量最多的省份为山东、河南和河北，三者还田总和（155 Mt）占全国还田量的54%；还田比例占一半以上的省份包括北京（89%）、河北（81%）、山东（78%）、河南（61%）、重庆（58%）和山西（56%）。秸秆作燃料超过10 Mt 的省份包括东北三省和内蒙古，其用量之和占全国的46%。新疆、吉林和河南作饲料的秸秆量超过10 Mt，西藏、新疆、云南、甘肃和贵州各省秸秆作饲料的比例超过了1/3。

秸秆焚烧的比例在东北区和南方区占到1/3 左右，而在华北区和西北区只有14%（图2）；华北区和南方区秸秆还田比例最高，分别是62%和35%，东北区最低，只有9%；东北区秸秆作燃料比例占35%，为最高，次之是西北区，占30%；秸秆作饲料比例最高的区域是西北区和东北区，分别占24%和18%。

调查结果表明，2011 年4 个农业区秸秆主要的还田方式都是机械粉碎还田，粉碎还田量占还田总量的67%（图3）。华北区粉碎还田量甚至占该区还田量的82%，占秸秆产量的一半；覆盖还田方式主要在华北区和南方区采用，分别占这两个区还田量的15%和28%；留茬还田在4 个农业区都有农户采用，还田量分别占4 个区还田量的27%（东北区）、16%（南方区）、13%（西北区）和2%（华北区）；堆沤和腐熟还田主要分布于西北区和南方区，这两种方式之和分别占两个区的24%和18%。

华北区、东北区和南方区中，支持秸秆还田的农户是持反对态度农户的4 倍以上，支持率最高的是华北区（表2），这3 个农业区反对秸秆还田比例也都低于20%。西北区的支持农户只占43%，反对农户比例（46%）超过支持农户，这和该区干旱的气候条件有关。南方区和东北区持无所谓态度的农户比例高于华北区和西北区。

调查的农户支持秸秆还田的理由，主要在于秸秆还田能增加土壤养分和替代部分化肥，提高农田土壤质量和作物产量，同时保护环境和减少秸秆外运等成本（表3）。农户反对秸秆还田的原因主要包括秸秆可作为燃料和饲料使用，而且还田会增加机械操作成本，有时会加重作物病虫害。农户持无所谓态度，一般是因为当地环境条件限制了秸秆还田的实施（比如气候、地理和技术等），使其对还田技术缺乏了解。

我国秸秆利用方式在不同地区和年代存在着明显的差异。2011年，全国农作物秸秆焚烧比例从2000 年的21%增加到27%（表1）。东北三省及内蒙古、南方区江苏、安徽、湖北、湖南等地秸秆焚烧比例达到甚至超过了1/3。东北区秸秆焚烧严重是因为秋收后地温低，秸秆还田不易腐烂，而南方是因为夏收茬口紧、上茬还田影响下茬种植，而且冬季无需采暖。秸秆产量的增加和禁烧措施促进了秸秆资源化利用，如河北的还田比例从2006 年的41%增加到2011 年的81%（表1）。辽宁省辽中县秸秆还田比例（14%）稍高于全省平均值（11%），但是焚烧比例（15%）明显低于全省平均值（30%），原因在于辽中县是全国畜禽养殖基地，较多秸秆被作为饲料，减少了田间焚烧。浙江省秸秆焚烧比例从2011 年的39%下降到2013 年的22%，而还田比例从47%增加到61%，反映了秸秆处理方式由焚烧向还田转变。其他一些研究表明，黑龙江、河南的秸秆利用比例和西北区的焚烧比例等，与本研究的结果基本一致。这些研究表明，我国秸秆资源化具有很大的潜力，但是资源化推广需要考虑不同地区间气候、地理和经济等差异。

我国农业土壤曾经由于有机物投入缺乏，30%~50%有机碳损失。近30 年来东北区过度种植和不注意培肥土壤，也导致黑土有机碳含量急剧下降，而在华北地区，秸秆还田显著增加了农田土壤有机碳含量，因此我国农田收获秸秆应当优先考虑还田以培肥土壤。在秸秆资源充足或条件不适于还田地区，秸秆可以作为能源、饲料和工业原料。本研究表明我国作为生活燃料的秸秆占总产量的17%，但由于传统的直燃效率比较低（最高仅有12%耀15%），秸秆能源化需要发展新型技术如制造沼气、固化成型、热解气化、直燃发电等。我国秸秆作为饲料的比例为14%，其中西北区的秸秆饲料比例占该区秸秆产量的1/4。秸秆饲喂前需进行物理、化学或生物学处理，提高适口性和消化率，只有这样才能促进秸秆饲料化，有利于我国“节粮型”畜牧业的发展。因此，我国秸秆资源化利用需要因地制宜，发展还田主导、种养结合和产业带动等各种综合利用的模式。

秸秆资源化能充分利用农作物的副产物，但资源化利用过程也会对环境产生一些影响。秸秆还田能培肥土壤和固碳减排，但也能增加稻田的甲烷排放。不同还田方式对固碳减排产生的影响不同，如相比留高茬还田，覆盖还田可以更有效控制稻田温室气体排放强度。无论支持或反对秸秆还田的农户都没有考虑其对大气温室气体的影响，因此需要加强宣传，提高农户对这方面的认知（表3）。另外，秸秆堆沤还田排放NH3 和N2O，导致氮素损失和大气变暖。秸秆能源化将一次性焚烧改成多次燃烧，作为可再生能源可以替代煤等化石能源，减少温室气体排放。秸秆饲料化处理可以满足畜牧业发展的要求，但是畜牧业扩张会增加温室气体排放和环境污染。总之，秸秆利用或还田方式的选择需要考虑它们对环境的这些影响，可以采用经验模型、生命周期和碳足迹等进行评估。