中國(guó)農(nóng)作物秸稈資源量計(jì)算分析

中國(guó)農(nóng)作物秸稈資源量計(jì)算分析

收獲的稻草是重要的有機(jī)和能源資源。中國(guó)是一個(gè)偉大的農(nóng)業(yè)國(guó)家，其豐富的甘蔗資源。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本循環(huán)中,秸稈還田對(duì)保持土地肥力、防止土壤侵蝕、維持作物可持續(xù)生產(chǎn)具有重要作用。而且,長(zhǎng)期以來(lái)秸稈還是畜牧業(yè)主要的飼料來(lái)源,也是農(nóng)村炊事和取暖的主要能源。當(dāng)前,由于生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)這一新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,秸稈還在食用菌養(yǎng)殖、密度壓縮板材和造紙等方面有了更廣泛的用途。尤其是在石油資源日益枯竭和生態(tài)環(huán)境不斷惡化的形勢(shì)下,生物質(zhì)能源和生物基化學(xué)材料已成為當(dāng)前越來(lái)越重要的發(fā)展領(lǐng)域,使得秸稈資源利用受到了世界各國(guó)前所未有的重視。因此,研究分析中國(guó)的農(nóng)作物秸稈資源量,對(duì)實(shí)現(xiàn)秸稈資源化具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。近年來(lái),中國(guó)農(nóng)作物秸稈資源量及其利用的研究報(bào)道越來(lái)越多,但是,前人文獻(xiàn)對(duì)我國(guó)秸稈總產(chǎn)量和種類分布的估算存在很大差異,其結(jié)論莫衷一是。因此,本文首先確定秸稈的概念,分析秸稈評(píng)估計(jì)算方法,以促進(jìn)今后對(duì)秸稈資源量的研究。在此基礎(chǔ)上,對(duì)10年以來(lái)的前人對(duì)中國(guó)秸稈資源評(píng)估結(jié)果進(jìn)行述評(píng),分析秸稈量報(bào)道結(jié)果差異較大的原因。進(jìn)而,回答當(dāng)前中國(guó)作物秸稈總產(chǎn)量究竟有多少及其分布這一重要的問(wèn)題,為相關(guān)管理機(jī)構(gòu)對(duì)秸稈研究和利用的決策提供依據(jù)。1作物秸稈的分類“秸稈”具有狹義和廣義概念。一般地,狹義概念為《辭?！分械慕忉?即秸稈為作物的莖稈,英文稱為Straw或Stalk;廣義概念是指收獲作物主產(chǎn)品之后在田間剩余的副產(chǎn)物,這里我們稱之為“田間秸稈”,等同于英文的Fieldresidue。但是,這一廣義概念仍不能滿足當(dāng)前秸稈研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求,我們認(rèn)為秸稈應(yīng)該有更為廣義的概念,即是指收獲作物主產(chǎn)品之后所有大田剩余的副產(chǎn)物及主產(chǎn)品初加工過(guò)程產(chǎn)生的副產(chǎn)物,此定義等同于英文的Cropresidue。對(duì)作物秸稈進(jìn)行恰當(dāng)?shù)姆诸?有助于完整理解和應(yīng)用秸稈的概念的內(nèi)涵和外延。根據(jù)不同產(chǎn)出環(huán)節(jié),將秸稈分為田間秸稈(Fieldresidue)和加工副產(chǎn)物(Processresidue)。田間秸稈指作物主產(chǎn)品之后在大田地上部分剩余的所有作物副產(chǎn)物,主要包括作物的莖和葉。加工副產(chǎn)物是指作物粗級(jí)加工過(guò)程中產(chǎn)生的剩余物,如玉米芯、稻殼、花生殼、甘蔗渣、木薯渣等,但不包括麥麩、谷糠等其他精細(xì)加工的副產(chǎn)物。按照作物種類對(duì)秸稈進(jìn)行分類也是很重要的。凡是對(duì)作物分類的方法,均可用于相應(yīng)的秸稈分類,主要包括大田作物秸稈(Fieldcropresidue)和園藝作物秸稈(Horticulturalcropresidue)。大田作物秸稈包括禾谷類作物秸稈、豆類作物秸稈和薯類作物秸稈等糧食作物秸稈,以及纖維類作物秸稈、油料類作物秸稈、糖料類作物秸稈和嗜好類作物秸稈等經(jīng)濟(jì)作物秸稈。再往下分可到每一個(gè)具體作物的秸稈,如水稻秸稈、棉花秸稈等。園藝作物秸稈包括草本的蔬菜、果樹和花卉作物的秸稈,但不包括蘋果、柑桔等木本作物修剪或其他操作產(chǎn)生的剩余物。由于園藝作物種植面積小,作物種類多且準(zhǔn)確評(píng)估秸稈量有一定的難度。因此,評(píng)價(jià)中國(guó)作物秸稈產(chǎn)量時(shí)一般不考慮園藝作物,作物秸稈往往僅指大田作物秸稈。2作物甘蔗體積計(jì)算方法2.1草谷比和收獲指數(shù)的計(jì)算方法通常田間秸稈的產(chǎn)量由國(guó)家農(nóng)業(yè)部門或統(tǒng)計(jì)部門發(fā)布的作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量(Production),以收獲指數(shù)(Harvestindex)或草谷比(Residue/Grainratio,R/G)計(jì)算獲得。在我國(guó),收獲指數(shù)也叫經(jīng)濟(jì)系數(shù),但前者為國(guó)際通用的概念,是指作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量占其地上部分生物產(chǎn)量的比值;其中,經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量是指人們傳統(tǒng)上認(rèn)為有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的主產(chǎn)品產(chǎn)量,生物產(chǎn)量是指作物地上部分植物體的總重量,包括作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和田間秸稈產(chǎn)量。因此,以收獲指數(shù)計(jì)算某作物田間秸稈公式為:草谷比是指作物田間秸稈產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量之比,即作物副產(chǎn)品與主產(chǎn)品產(chǎn)量之比,以草谷比計(jì)算某作物田間秸稈的公式為:有研究報(bào)道把以草谷比和收獲指數(shù)計(jì)算田間秸稈產(chǎn)量的方法,分別稱為草谷比法和收獲指數(shù)法,我們認(rèn)為這其實(shí)是一種方法,以收獲指數(shù)計(jì)算作物田間秸稈產(chǎn)量和以草谷比計(jì)算的結(jié)果是相同的,因?yàn)檫@兩個(gè)概念是對(duì)作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和田間秸稈產(chǎn)量之間關(guān)系不同的表示方式。由于以草谷比計(jì)算田間秸稈產(chǎn)量給人以直接且易于理解的關(guān)系,10年來(lái)評(píng)估中國(guó)秸稈資源量的文獻(xiàn)中,大多數(shù)利用草谷比計(jì)算,很少的文獻(xiàn)以收獲指數(shù)計(jì)算,但是,我們能從作物研究的文獻(xiàn)中直接獲得收獲指數(shù),以往的作物研究很少報(bào)道草谷比。評(píng)估秸稈資源量應(yīng)用的草谷比,溯其根源,主要都應(yīng)是以收獲指數(shù)進(jìn)行換算而得到的,其公式為:以上計(jì)算方法通常適用于各種作物,但是有些作物有其特殊性。第一,花生、薯類作物和某些地區(qū)的棉花在收獲時(shí),會(huì)拔出一定量的根。這部分根也應(yīng)屬于田間秸稈,應(yīng)將以草谷比計(jì)算得到的地上部田間秸稈加上拔出根(Pulledroot)重量即為該作物田間秸稈總量。拔出根重的計(jì)算公式為:拔出根重=拔出根系數(shù)×地上部田間秸稈重;拔出根系數(shù)=拔出根重/地上部田間秸稈重(取樣測(cè)定或由文獻(xiàn)獲得)。第二,玉米也有其特殊性,玉米經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量為籽粒產(chǎn)量,因此以草谷比估算的玉米田間秸稈應(yīng)扣除玉米芯量,玉米芯屬于加工副產(chǎn)物。玉米的田間秸稈計(jì)算公式為:玉米田間秸稈量=經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量×草谷比-玉米芯產(chǎn)量。第三,對(duì)于棉花,其產(chǎn)量有子棉和皮棉兩種產(chǎn)量。由于國(guó)家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中棉花產(chǎn)量是皮棉產(chǎn)量,從文獻(xiàn)中查閱收獲指數(shù)量應(yīng)注意獲得或換算為皮棉的草谷比。而且,還要注意,以這個(gè)草谷比計(jì)算田間秸稈時(shí)要減去棉籽,棉籽不屬于田間秸稈。因此棉花田間秸稈計(jì)算公式如下:棉花田間秸稈量=經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量(皮棉)×草谷比-棉籽產(chǎn)量;棉籽產(chǎn)量=經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量(皮棉)×(1/衣分-1)。2.2加工副產(chǎn)物系數(shù)部分作物有加工副產(chǎn)物,其產(chǎn)量通常可根據(jù)作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和加工副產(chǎn)物系數(shù)相乘獲得,加工副產(chǎn)物占作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的比值被稱為加工副產(chǎn)物系數(shù)(Processresidueindex),在實(shí)際中常用以下公式:水稻加工副產(chǎn)物(稻殼)系數(shù)=1-糙米率;花生加工副產(chǎn)物(花生殼)系數(shù)=1-出仁率;棉花加工副產(chǎn)物(棉子殼)系數(shù)=棉籽出殼率×(1/衣分-1)(棉籽出殼率即單位重量的棉籽產(chǎn)出的棉殼重量);甘蔗加工副產(chǎn)物(甘蔗渣)系數(shù)=甘蔗渣重量/甘蔗莖稈重量;玉米加工副產(chǎn)物(玉米芯)系數(shù)=玉米芯重量/玉米籽粒重量。3對(duì)作物田間秸稈量評(píng)估的值中國(guó)1991-1999年作物秸稈資源量評(píng)估的值多數(shù)為6.0~6.8億t,這些研究均沒有將作物加工副產(chǎn)物納入評(píng)估范圍,因此,準(zhǔn)確地說(shuō),這些秸稈資源量應(yīng)為“田間秸稈”資源量(表1),而鐘華平等估算1998年田間秸稈量高達(dá)7.95億t,相對(duì)于90年代的田間秸稈量最低值差異接近2億t。如此大的差異,可能是計(jì)算不當(dāng)導(dǎo)致的,例如,與Li等評(píng)估的1997年秸稈數(shù)值相比,2個(gè)研究的玉米草谷比相同,但鐘華平等的玉米田間秸稈量卻高出約1億t,提高幅度為58%,我國(guó)玉米總產(chǎn)量年際雖然有一定的差異,但如此大的差異是不應(yīng)該的。另外,選取作物對(duì)象不同,以及作物草谷比不同也是田間秸稈研究結(jié)果差異大的原因,如有的水稻草谷比取值為0.623,有的取值為1或0.97。曹國(guó)良等和汪海波等對(duì)2000-2004年秸稈資源量進(jìn)行了研究,其評(píng)估值在5.9億~6.9億t之間(表2)。同樣,這些研究也沒有納入作物加工副產(chǎn)物,其資源量也應(yīng)為“田間秸稈”。這些研究出現(xiàn)的資源量差異的原因,除作物生產(chǎn)年際的變化外,主要是由于對(duì)草谷比取值不同造成的。其中,曹國(guó)良等的水稻草谷比取值為0.623,該研究者對(duì)作物田間秸稈評(píng)估的值則較低,為5.9億~6.2億t;而汪海波等的水稻草谷比取值為1,其田間秸稈評(píng)估的值則較高,為6.6億~6.8億t。汪海波等對(duì)中國(guó)2004年和2005年秸稈資源量進(jìn)行了研究,Li等、張培棟等和畢于運(yùn)等研究了2005年秸稈資源量。這兩年的秸稈總產(chǎn)量為7.2億~8.4億t(表3),顯然,比對(duì)2000-2004年作物秸稈資源量的評(píng)估值提高了。評(píng)估值提高的原因除作物產(chǎn)量可能增加外,主要是增加了被評(píng)估的作物對(duì)象,體現(xiàn)在畢于運(yùn)等的評(píng)估研究中,其秸桿評(píng)估結(jié)果為最高量值8.4億t。畢于運(yùn)等首次將藥材、蔬菜和其他作物計(jì)入作物秸稈資源量中,這些作物秸稈量為1.3億t,而大田作物秸稈量被評(píng)估為7.1億t。同時(shí),畢于運(yùn)等也首次將作物加工副產(chǎn)物納入作物秸稈資源評(píng)估,他們報(bào)道的作物田間秸稈量為7.3億t、加工副產(chǎn)物量為1.1億t。其余研究仍未包括作物加工副產(chǎn)物,其研究結(jié)果也應(yīng)僅為田間秸稈量。而且畢于運(yùn)等應(yīng)用了相對(duì)較合理的草谷比取值,例如將玉米的草谷比取值為1.2,而絕大多數(shù)前人研究均將玉米的草谷比取值為2.0(表1~4)。在過(guò)去的近20年里,我國(guó)主要作物中玉米生產(chǎn)水平提高的幅度是最大的,將21世紀(jì)玉米生產(chǎn)的草谷比取值為2.0,導(dǎo)致較大程度上高估了玉米秸稈產(chǎn)量。最后,應(yīng)該指出的是Li等引用前人對(duì)玉米秸稈量評(píng)估值,比張培棟等和汪海波等的評(píng)估值高17%(表3),這些研究玉米的草谷比取值均為2.0,其原因是Li等引用的值是對(duì)2005年玉米秸稈量的預(yù)測(cè)值。崔明等和高利偉等報(bào)道了中國(guó)對(duì)2006年作物田間秸稈量評(píng)估研究結(jié)果,雖然他們也稱之為作物秸稈量,但未包括作物加工副產(chǎn)物(表4)。崔明等對(duì)2006年中國(guó)水稻、玉米、小麥、油菜和棉花5大作物田間秸稈量評(píng)估為4.3億t,雖然其玉米、油菜和棉花的草谷比取值和大多數(shù)的研究相比更為合理,但是小麥和水稻草谷比取值(分別0.73、0.68)過(guò)低,低估了作物的田間秸稈量。高利偉等對(duì)2006年田間秸稈量評(píng)估結(jié)果為7.6億t,盡管沒有包括作物加工副產(chǎn)物,該研究對(duì)田間秸稈的評(píng)估所選的作物對(duì)象齊全,其草谷比的取值也更為趨于合理。但是,對(duì)玉米的草谷比仍取值為2,由于玉米是我國(guó)最大作物之一,這樣必然過(guò)高評(píng)估了中國(guó)田間秸稈資源量。王曉玉等(未發(fā)表)的研究結(jié)果是本文作者對(duì)2006和2007年的大田秸稈資源量平均值評(píng)估,其結(jié)果為秸稈資源量為7.4億t,包括6.5億t的田間秸稈和0.9億t的作物加工副產(chǎn)物(表4)。王曉玉等(未發(fā)表)的研究以查閱(或地區(qū))2005-2009年測(cè)定的各省不同作物的收獲指數(shù),不同省區(qū)以本地的當(dāng)前作物收獲指數(shù)計(jì)算作物秸稈量。在作物選擇上采用了完全統(tǒng)計(jì)方法,計(jì)算的過(guò)程中嚴(yán)格應(yīng)用作物生產(chǎn)學(xué)的概念,按本文所述的方法,分別計(jì)算了各作物的田間秸稈量和加工副產(chǎn)物量,是迄今為止以相對(duì)可靠方法評(píng)估得到相對(duì)準(zhǔn)確的研究,將于近期另文詳細(xì)報(bào)道。4中國(guó)稻草資源的分布4.1作物秸稈資源。在年度間的限制根據(jù)以上1991-1999年秸稈資源量的評(píng)估研究,水稻、小麥和玉米3大作物秸稈量占總量的76%~83%。2000-2006年秸稈資源總量中,這3大作物秸稈量的比例為60%~89%。與1991-1999年相比,這個(gè)范圍明顯過(guò)大。其原因當(dāng)然有作物產(chǎn)業(yè)布局和產(chǎn)量隨年度的變化,我們認(rèn)為更主要是進(jìn)入21世紀(jì)后研究秸稈資源的報(bào)道顯著增多,而研究者選取的作物對(duì)象差異更大導(dǎo)致3大作物占秸稈總量的比變化更大。例如,畢于運(yùn)等的研究除包括所有大田作物田間秸稈和加工副產(chǎn)物外,還包括藥材、蔬菜和其他作物秸稈,該研究結(jié)果表明水稻、小麥和玉米3大作物秸稈量占總量的60%,王曉玉等(未發(fā)表)對(duì)中國(guó)大田作物田間秸稈量進(jìn)行了完全統(tǒng)計(jì)研究,也包括了水稻、玉米、棉花和甘蔗的加工副產(chǎn)物,但不包括藥材、蔬菜和其他作物,這3大作物秸稈量占總量的70%。其余的研究都是以大田作物為對(duì)象,均未將加工副產(chǎn)物計(jì)入秸稈總量,則3大作物秸稈量占總量的范圍為76%~89%。其中崔明等選取作物種類較少,選擇的大田作物只包含5類,分別是水稻、小麥、玉米、油菜和棉花,該研究結(jié)果表明3大作物秸稈量占總量的89%,因此研究對(duì)象選擇的種類是造成作物秸稈量差異的主要原因之一。4.2農(nóng)作物秸稈分布特點(diǎn)中國(guó)地域?qū)拸V,因不同地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候、種植制度和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件不同,作物種類變化很大,因此,各地區(qū)的作物秸稈種類分布不同。MOA/DOE和鐘華平等分別研究了中國(guó)1995年和1998年田間秸稈在各省的分布,韓魯佳等將全國(guó)分為華北、東北、華東、中南和西北5個(gè)地區(qū)研究了1999年田間秸稈的分布。汪海波等和高利偉等分別研究了2004年和2006年田間秸稈在各省的分布。畢于運(yùn)等研究了2005年中國(guó)田間秸稈和作物加工副產(chǎn)物地區(qū)的分布,將秸稈分布區(qū)分為東北區(qū)、黃淮海區(qū)、長(zhǎng)江中下游區(qū)、華南區(qū)、西南區(qū)、西北區(qū)和青藏區(qū)7個(gè)區(qū)域。王曉玉等(未發(fā)表)的研究也以東北區(qū)、華北區(qū)、華東區(qū)、華中區(qū)、華南區(qū)、西南區(qū)、西北區(qū)和青藏區(qū)等8個(gè)區(qū)域分析了中國(guó)秸稈地區(qū)分布特點(diǎn)(表5)。主要結(jié)果為,我國(guó)作物秸稈主要分布于華北、華中、華東和東北地區(qū),其中黑龍江、河北、河南、山東、江蘇、湖南和四川7個(gè)省是我國(guó)農(nóng)作物秸稈分布的主要地區(qū),均超過(guò)3000萬(wàn)t。稻秸是秸稈資源中占有比例最大的,約占總秸稈量的30.4%,主要分布在華中地區(qū)(如湖南、湖北等)和華東地區(qū)(如江蘇、浙江、安徽等);其次是玉米秸稈,約占總秸稈量的21.1%,主要分布于東北和華北地區(qū)的各省份以及華東和華中的部分省份;小麥秸稈產(chǎn)量為農(nóng)作物秸稈量的第3位,約占17.9%,主要分布于華北地區(qū)(如山東、河南等)、華東地區(qū)(如江蘇、安徽等)。中國(guó)北方地處溫帶,主要種植作物是小麥、玉米;我國(guó)南方地處熱帶、亞熱帶,水稻是該地區(qū)最重要的作物品種;而西藏處于高寒地區(qū),最主要的作物是棉花、青稞。5關(guān)于高校作物資源評(píng)價(jià)的主要問(wèn)題5.1作物秸稈種類、vd由于以前研究者對(duì)作物秸稈概念和分類沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),研究對(duì)象或范圍不一致,導(dǎo)致對(duì)中國(guó)秸稈資源評(píng)估結(jié)果的較大差異。雖然前人文獻(xiàn)中都稱研究“作物秸稈”,但是秸稈涵蓋的范圍不同,多數(shù)研究以大田作物的“田間秸稈”作為中國(guó)秸稈資源,有的研究對(duì)象中大田作物的種類也不完全,都沒有將稻殼、玉米芯和甜菜渣等作物加工副產(chǎn)物包括在內(nèi)。僅畢于運(yùn)等和王曉玉等(未發(fā)表)分別估算了2005年大田作物秸稈和2006-2007年大田作物、園藝作物及其他作物秸稈資源量。對(duì)作物秸稈評(píng)估不一定要包括所有作物,但是對(duì)評(píng)估結(jié)果的報(bào)道要指明其準(zhǔn)確的作物種類范圍。最后,花生和薯類等作物在收獲時(shí)拔出一定量的根也應(yīng)屬于田間秸稈,前人對(duì)秸稈的評(píng)估所道均未計(jì)入,因?yàn)橐圆莨缺扔?jì)算得到的只是地上部田間秸稈。5.2對(duì)草谷比的選取在作物種類相同和計(jì)算方法正確時(shí),估算秸稈產(chǎn)量的準(zhǔn)確性則唯一取決于草谷比是否準(zhǔn)確。前人評(píng)估秸稈文獻(xiàn)的草谷比取值差異非常大(表1~4),以中國(guó)3大作物之一水稻為例,有約占一半的研究者將草谷比取值為0.62或0.68,其余研究者取值在0.9~1.1之間,草谷比的差異導(dǎo)致水稻的秸稈量就會(huì)相差0.8億t之多。再如玉米的草谷比有1.2、1.37和2三種取值,小麥草谷比多數(shù)取值為1.4,也有取值為0.73的。三大作物以外有的作物草谷比取值差異更大,如棉花的草谷比多研究者取值為3,也有取值為5.5或9的。甘蔗和麻類的草谷比的取值差異也較大。即使相對(duì)于同一年的草谷比,各位專家學(xué)者的估算量也可以說(shuō)相差很大。而且,研究者大都沒有對(duì)草谷比的取值作出明確的解釋,使人無(wú)從判斷其合理性。對(duì)草谷比取值的差異導(dǎo)致了資源量評(píng)估值的差異。即便是不同研究者之間對(duì)全國(guó)秸稈總量評(píng)估值相近,但有的對(duì)玉米草谷比取值偏高,小麥玉米草谷比取值偏低,而另一研究者卻相反,對(duì)玉米取值偏低,對(duì)小麥取值偏高,其結(jié)果是作物秸稈類型分布差異大。因此,要正確評(píng)估中國(guó)作物秸稈資源量及其分布,必須要獲得最接近作物生產(chǎn)實(shí)際的草谷比。5.3秸稈資源量與作物草谷比的關(guān)系影響作物草谷比首要的因素是品種改良,隨著作物新品種的選育更新,從過(guò)去到現(xiàn)在總的來(lái)說(shuō)應(yīng)是不斷下降的。最為顯著的例子是玉米,20年前玉米雖然也是3大作物之一,但由于不屬主糧而稱雜糧,育種和栽培