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中国作物秸秆资源评估研究现状

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-06-24  浏览次数:8838

作物秸秆是重要的有机物和能源资源,中国是农业大国,秸秆资源尤其丰富。在农业生产的基本循环中,秸秆还田对保持土地肥力、防止土壤侵蚀、维持作物可持续生产具有重要作用。而且,长期以来秸秆还是畜牧业主要的饲料来源,也是农村炊事和取暖的主要能源。当前,由于生物质产业这一新兴产业的发展,秸秆还在食用菌养殖、密度压缩板材和造纸等方面有了更广泛的用途。尤其是在石油资源日益枯竭和生态环境不断恶化的形势下,生物质能源和生物基化学材料已成为当前越来越重要的发展领域,使得秸秆资源利用受到了世界各国前所未有的重视。因此,研究分析中国的农作物秸秆资源量,对实现秸秆资源化具有重大的现实意义。近年来,中国农作物秸秆资源量及其利用的研究报道越来越多,但是,前人文献对我国秸秆总产量和种类分布的估算存在很大差异,其结论莫衷一是。因此,本文首先确定秸秆的概念,分析秸秆评估计算方法,以促进今后对秸秆资源量的研究。在此基础上,对10年以来的前人对中国秸秆资源评估结果进行述评,分析秸秆量报道结果差异较大的原因。进而,回答当前中国作物秸秆总产量究竟有多少及其分布这一重要的问题,为相关管理机构对秸秆研究和利用的决策提供依据。
1  作物秸秆的概念和分类
    “秸秆”具有狭义和广义概念。一般地,狭义概念为《辞海》中的解释,即秸秆为作物的茎秆,英文称为Straw或Stalk;广义概念是指收获作物主产品之后在田间剩余的副产物,这里我们称之为“田间秸秆”,等同于英文的Field residue。但是,这一广义概念仍不能满足当前秸秆研究和产业发展的需求,我们认为秸秆应该有更为广义的概念,即是指收获作物主产品之后所有大田剩余的副产物及主产品初加工过程产生的副产物,此定义等同于英文的Crop residue。
    对作物秸秆进行恰当的分类,有助于完整理解和应用秸秆的概念的内涵和外延。根据不同产出环节,将秸秆分为田间秸秆(Field residue)和加工副产物(Process residue)。田间秸秆指作物主产品之后在大田地上部分剩余的所有作物副产物,主要包括作物的茎和叶。加工副产物是指作物粗级加工过程中产生的剩余物,如玉米芯、稻壳、花生壳、甘蔗渣、木薯渣等,但不包括麦麸、谷糠等其他精细加工的副产物。
    按照作物种类对秸秆进行分类也是很重要的。凡是对作物分类的方法,均可用于相应的秸秆分类,主要包括大田作物秸秆(Field crop residue)和园艺作物秸秆(Horticultural crop residue)。大田作物秸秆包括禾谷类作物秸秆、豆类作物秸秆和薯类作物秸秆等粮食作物秸秆,以及纤维类作物秸秆、油料类作物秸秆、糖料类作物秸秆和嗜好类作物秸秆等经济作物秸秆。再往下分可到每一个具体作物的秸秆,如水稻秸秆、棉花秸秆等。园艺作物秸秆包括草本的蔬菜、果树和花卉作物的秸秆,但不包括苹果、柑桔等木本作物修剪或其他操作产生的剩余物。由于园艺作物种植面积小,作物种类多且准确评估秸秆量有一定的难度。因此,评价中国作物秸秆产量时一般不考虑园艺作物,作物秸秆往往仅指大田作物秸秆。
2  作物秸秆量估算方法
2.1  田间秸秆
    通常田间秸秆的产量由国家农业部门或统计部门发布的作物经济产量(Production),以收获指数(HarVest index)或草谷比(Residue/Grain ratio,R/G)计算获得。在我国,收获指数也叫经济系数,但前者为国际通用的概念,是指作物经济产量占其地上部分生物产量的比值;其中,经济产量是指人们传统上认为有经济价值的主产品产量,生物产量是指作物地上部分植物体的总重量,包括作物的经济产量和田间秸秆产量。因此,以收获指数计算某作物田间秸秆公式为:
    田间秸秆产量=经济产量/收获指数-经济产量=经济产量×(1/收获指数-1)。
    草谷比是指作物田间秸秆产量与经济产量之比,即作物副产品与主产品产量之比,以草谷比计算某作物田间秸秆的公式为:
    田间秸秆产量=经济产量×草谷比。
    有研究报道把以草谷比和收获指数计算田间秸秆产量的方法,分别称为草谷比法和收获指数法,我们认为这其实是一种方法,以收获指数计算作物田间秸秆产量和以草谷比计算的结果是相同的,因为这两个概念是对作物经济产量和田间秸秆产量之间关系不同的表示方式。
    由于以草谷比计算田间秸秆产量给人以直接且易于理解的关系,10年来评估中国秸秆资源量的文献中,大多数利用草谷比计算,很少的文献以收获指数计算,但是,我们能从作物研究的文献中直接获得收获指数,以往的作物研究很少报道草谷比。评估秸秆资源量应用的草谷比,溯其根源,主要都应是以收获指数进行换算而得到的,其公式为:
    草谷比=1/收获指数-1。
    以上计算方法通常适用于各种作物,但是有些作物有其特殊性。第一,花生、薯类作物和某些地区的棉花在收获时,会拔出一定量的根。这部分根也应属于田间秸秆,应将以草谷比计算得到的地上部田间秸秆加上拔出根(Pulled root)重量即为该作物田间秸秆总量。拔出根重的计算公式为:
    拔出根重=拔出根系数×地上部田间秸秆重;
    拔出根系数=拔出根重/地上部田间秸秆重(取样测定或由文献获得)。
    第二,玉米也有其特殊性,玉米经济产量为籽粒产量,因此以草谷比估算的玉米田间秸秆应扣除玉米芯量,玉米芯属于加工副产物。玉米的田间秸秆计算公式为:
    玉米田间秸秆量=经济产量×草谷比一玉米芯产量。
    第三,对于棉花,其产量有子棉和皮棉两种产量。由于国家统计数据中棉花产量是皮棉产量,从文献中查阅收获指数量应注意获得或换算为皮棉的草谷比。而且,还要注意,以这个草谷比计算田间秸秆时要减去棉籽,棉籽不属于田问秸秆。因此棉花田间秸秆计算公式如下:
    棉花田间秸秆量=经济产量(皮棉)×草谷比-棉籽产量;
    棉籽产量=经济产量(皮棉)×(1/衣分-1)。
2.2  加工副产物
    部分作物有加工副产物,其产量通常可根据作物经济产量和加工副产物系数相乘获得,加工副产物占作物经济产量的比值被称为加工副产物系数(Process residue index),在实际中常用以下公式:
    水稻加工副产物(稻壳)系数=1-糙米率;
    花生加工副产物(花生壳)系数=1-出仁率;
    棉花加工副产物(棉子壳)系数=棉籽出壳率×(1/衣分-1)(棉籽出壳率即单位重量的棉籽产出的棉壳重量);
    甘蔗加工副产物(甘蔗渣)系数=甘蔗渣重量/甘蔗茎秆重量;
    玉米加工副产物(玉米芯)系数=玉米芯重量/玉米籽粒重量。
3  中国秸秆资源量
    中国1991-1999年作物秸秆资源量评估的值多数为6.0~6.8亿t,这些研究均没有将作物加工副产物纳入评估范围,因此,准确地说,这些秸秆资源量应为“田间秸秆”资源量(表1)(略),而钟华平等估算1998年田间秸秆量高达7.95亿t,相对于90年代的田间秸秆量最低值差异接近2亿t。如此大的差异,可能是计算不当导致的,例如,与Li等评估的1997年秸秆数值相比,2个研究的玉米草谷比相同,但钟华平等的玉米田间秸秆量却高出约1亿t,提高幅度为58%,我国玉米总产量年际虽然有一定的差异,但如此大的差异是不应该的。另外,选取作物对象不同,以及作物草谷比不同也是田间秸秆研究结果差异大的原因,如有的水稻草谷比取值为0.623,有的取值为1或0.97。
    曹国良等和汪海波等对2000-2004年秸秆资源量进行了研究,其评估值在5.9亿~6.9亿t之间(表2)(略),同样,这些研究也没有纳入作物加工副产物,其资源量也应为“田间秸秆”。这些研究出现的资源量差异的原因,除作物生产年际的变化外,主要是由于对草谷比取值不同造成的。其中,曹国良等的水稻草谷比取值为0.623,该研究者对作物田间秸秆评估的值则较低,为5.9亿~6.2亿t;而汪海波等的水稻草谷比取值为1,其田间秸秆评估的值则较高,为6.6亿~6.8亿t。
    汪海波等对中国2004年和2005年秸秆资源量进行了研究,Li等、张培栋等和毕于运等研究了2005年秸秆资源量。这两年的秸秆总产量为7.2亿~8.4亿t(表3)(略),显然,比对2000-2004年作物秸秆资源量的评估值提高了。评估值提高的原因除作物产量可能增加外,主要是增加了被评估的作物对象,体现在毕于运等的评估研究中,其秸杆评估结果为最高量值8.4亿t。毕于运等首次将药材、蔬菜和其他作物计入作物秸秆资源量中,这些作物秸秆量为1.3亿t,而大田作物秸秆量被评估为7.1亿t。同时,毕于运等也首次将作物加工副产物纳入作物秸秆资源评估,他们报道的作物田间秸秆量为7.3亿t、加工副产物量为1.1亿t。其余研究仍未包括作物加工副产物,其研究结果也应仅为田间秸秆量。而且毕于运等应用了相对较合理的草谷比取值,例如将玉米的草谷比取值为1.2,而绝大多数前人研究均将玉米的草谷比取值为2.0(表l~4)。在过去的近20年里,我国主要作物中玉米生产水平提高的幅度是最大的,将21世纪玉米生产的草谷比取值为2.0,导致较大程度上高估了玉米秸秆产量。最后,应该指出的是Li等引用前人对玉米秸秆量评估值,比张培栋等和汪海波等的评估值高17%(表3),这些研究玉米的草谷比取值均为2.0,其原因是Li等引用的值是对2005年玉米秸秆量的预测值。
    崔明等和高利伟等报道了中国对2006年作物田间秸秆量评估研究结果,虽然他们也称之为作物秸秆量,但未包括作物加工副产物(表4)(略)。崔明等对2006年中国水稻、玉米、小麦、油菜和棉花5大作物田间秸秆量评估为4.3亿t,虽然其玉米、油菜和棉花的草谷比取值和大多数的研究相比更为合理,但是小麦和水稻草谷比取值(分别0.73、0.68)过低,低估了作物的田间秸秆量。高利伟等对2006年田间秸秆量评估结果为7.6亿t,尽管没有包括作物加工副产物,该研究对田间秸秆的评估所选的作物对象齐全,其草谷比的取值也更为趋于合理。但是,对玉米的草谷比仍取值为2,由于玉米是我国最大作物之一,这样必然过高评估了中国田间秸秆资源量。王晓玉等(未发表)的研究结果是本文作者对2006和2007年的大田秸秆资源量平均值评估,其结果为秸秆资源量为7.4亿t,包括6.5亿t的田间秸秆和0.9亿t的作物加工副产物(表4)。王晓玉等(未发表)的研究以查阅(或地区)2005-2009年测定的各省不同作物的收获指数,不同省区以本地的当前作物收获指数计算作物秸秆量。在作物选择上采用了完全统计方法,计算的过程中严格应用作物生产学的概念,按本文所述的方法,分别计算了各作物的田间秸秆量和加工副产物量,是迄今为止以相对可靠方法评估得到相对准确的研究,将于近期另文详细报道。
4  中国秸秆资源的分布
4.1  秸秆的作物种类分布
    根据以上1991-1999年秸秆资源量的评估研究,水稻、小麦和玉米3大作物秸秆量占总量的76%~83%。2000-2006年秸秆资源总量中,这3大作物秸秆量的比例为60%~89%。与1991-1999年相比,这个范围明显过大。其原因当然有作物产业布局和产量随年度的变化,我们认为更主要是进入21世纪后研究秸秆资源的报道显著增多,而研究者选取的作物对象差异更大导致3大作物占秸秆总量的比变化更大。例如,毕于运等的研究除包括所有大田作物田间秸秆和加工副产物外,还包括药材、蔬菜和其他作物秸秆,该研究结果表明水稻、小麦和玉米3大作物秸秆量占总量的60%,王晓玉等(未发表)对中国大田作物田间秸秆量进行了完全统计研究,也包括了水稻、玉米、棉花和甘蔗的加工副产物,但不包括药材、蔬菜和其他作物,这3大作物秸秆量占总量的70%。其余的研究都是以大田作物为对象,均未将加工副产物计人秸秆总量,则3大作物秸秆量占总量的范围为76%~89%。其中崔明等选取作物种类较少,选择的大田作物只包含5类,分别是水稻、小麦、玉米、油菜和棉花,该研究结果表明3大作物秸秆量占总量的89%,因此研究对象选择的种类是造成作物秸秆量差异的主要原因之一。
4.2  秸秆的地区分布
    中国地域宽广,因不同地区农业气候、种植制度和社会经济条件不同,作物种类变化很大,因此,各地区的作物秸秆种类分布不同。MOA/DOE和钟华平等分别研究了中国1995年和1998年田间秸秆在各省的分布,韩鲁佳等将全国分为华北、东北、华东、中南和西北5个地区研究了1999年田间秸秆的分布。汪海波等和高利伟等分别研究了2004年和2006年田间秸秆在各省的分布。毕于运等研究了2005年中国田间秸秆和作物加工副产物地区的分布,将秸秆分布区分为东北区、黄淮海区、长江中下游区、华南区、西南区、西北区和青藏区7个区域。
    王晓玉等(未发表)的研究也以东北区、华北区、华东区、华中区、华南区、西南区、西北区和青藏区等8个区域分析了中国秸秆地区分布特点(表5)(略)。主要结果为,我国作物秸秆主要分布于华北、华中、华东和东北地区,其中黑龙江、河北、河南、山东、江苏、湖南和四川7个省是我国农作物秸秆分布的主要地区,均超过3000万t。稻秸是秸秆资源中占有比例最大的,约占总秸秆量的30.4%,主要分布在华中地区(如湖南、湖北等)和华东地区(如江苏、浙江、安徽等);其次是玉米秸秆,约占总秸秆量的21.1%,主要分布于东北和华北地区的各省份以及华东和华中的部分省份;小麦秸秆产量为农作物秸秆量的第3位,约占17.9%,主要分布于华北地区(如山东、河南等)、华东地区(如江苏、安徽等)。中国北方地处温带,主要种植作物是小麦、玉米;我国南方地处热带、亚热带,水稻是该地区最重要的作物品种;而西藏处于高寒地区,最主要的作物是棉花、青稞。
5  秸秆资源评估研究存在的主要问题
5.1  作物秸秆的概念不明确
    由于以前研究者对作物秸秆概念和分类没有统一的认识,研究对象或范围不一致,导致对中国秸秆资源评估结果的较大差异。虽然前人文献中都称研究“作物秸秆”,但是秸秆涵盖的范围不同,多数研究以大田作物的“田间秸秆”作为中国秸秆资源,有的研究对象中大田作物的种类也不完全,都没有将稻壳、玉米芯和甜菜渣等作物加工副产物包括在内。仅毕于运等和王晓玉等(未发表)分别估算了2005年大田作物秸秆和2006-2007年大田作物、园艺作物及其他作物秸秆资源量。对作物秸秆评估不一定要包括所有作物,但是对评估结果的报道要指明其准确的作物种类范围。最后,花生和薯类等作物在收获时拔出一定量的根也应属于田间秸秆,前人对秸秆的评估所道均未计入,因为以草谷比计算得到的只是地上部田间秸秆。
5.2  草谷比取值差异大
    在作物种类相同和计算方法正确时,估算秸秆产量的准确性则唯一取决于草谷比是否准确。前人评估秸秆文献的草谷比取值差异非常大(表1~4),以中国3大作物之一水稻为例,有约占一半的研究者将草谷比取值为0.62或0.68,其余研究者取值在0.9~1.1之间,草谷比的差异导致水稻的秸秆量就会相差0.8亿t之多。再如玉米的草谷比有1.2、1.37和2三种取值,小麦草谷比多数取值为1.4,也有取值为0.73的。三大作物以外有的作物草谷比取值差异更大,如棉花的草谷比多研究者取值为3,也有取值为5.5或9的。甘蔗和麻类的草谷比的取值差异也较大。即使相对于同一年的草谷比,各位专家学者的估算量也可以说相差很大。而且,研究者大都没有对草谷比的取值作出明确的解释,使人无从判断其合理性。对草谷比取值的差异导致了资源量评估值的差异。即便是不同研究者之间对全国秸秆总量评估值相近,但有的对玉米草谷比取值偏高,小麦玉米草谷比取值偏低,而另一研究者却相反,对玉米取值偏低,对小麦取值偏高,其结果是作物秸秆类型分布差异大。因此,要正确评估中国作物秸秆资源量及其分布,必须要获得最接近作物生产实际的草谷比。
5.3  草谷比的取值不符合当前作物生产现状
    影响作物草谷比首要的因素是品种改良,随着作物新品种的选育更新,从过去到现在总的来说应是不断下降的。最为显著的例子是玉米,20年前玉米虽然也是3大作物之一,但由于不属主粮而称杂粮,育种和栽培都未受重视,其草谷比较高,甚至高达2都是可能的。但是,在我国主要作物中,玉米是二、三十年以来品种改良和生产水平提高幅度最大的作物,到21世纪,玉米生产的草谷比取值要远远低于2了。因此,对各种作物秸秆量的评估,都应取当前生产中主栽品种的草谷比。虽然作物草谷比是随时间因品种改良而变化的,但在一定短期时间是相对稳定的,应以10年期限合适。影响作物草谷比的另一个重要因素是栽培环境,对于评估秸秆资源量来说,这一因素集中体现于各地区的土壤、气候以及耕作制度和栽培条件的不同,引起不同地区同一作物草谷比不同。以往的研究报道同作物以同一个草谷比来估算全国各地的秸秆资源量,必然会导致较大误差。本文作者已查阅了2005-2009年测定的作物在其主要生产省的收获指数,将换算为草谷比于近期另文发表。
5.4  对于农作物产量的统计指标和产量构成认识不清楚
    研究者首先要明确作物产量统计指标是指干重还是鲜重,从而通过计算保证对秸秆量的评估值是干重。中国作物产量统计数据中,籽粒产量均为风干重,薯类作物是折粮重量,即1964年以后按每5kg鲜薯折1kg粮食计算,因此其产量也相当于风干重,花生产量为带壳的花生果风干重,甘蔗、甜菜、蔬菜和香蕉等作物产量则是鲜重。干重产量可直接计算秸秆量,鲜重产量则应乘以折干率(即1-含水率)换算为风干重。其次,要明确作物产量是指作物的哪一部分,如棉花产量有皮棉和籽棉之分,我国统计棉花产量多数是指皮棉产量,对于子棉产量要乘以衣分换算为皮棉产量。而且,要注意以草谷比和皮棉相乘获得的值不是棉花田间秸秆量,因为其中含有棉籽,减除棉籽产量后的量才是棉花田间秸秆量。又如,因为玉米产量统计中不包括玉米芯,玉米以草谷比计算得到的应是田间秸秆和加工副产物之和。
    作者单位:1 中国农业大学农学与生物技术学院农学系,北京 100193,2 中国农业大学生物质工程中心,北京 100193)
 
 
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