中国玉米秸秆资源量估算及其自然适宜性评价*

左 旭，王红彦，王亚静，王 磊，景 丽，王道龙

(1．中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081;2．河南省农业科学院农业经济与信息研究所，郑州 450002)

玉米秸秆是玉米收获后的副产物，主要包括玉米的茎秆、叶梢及芯。该研究中玉米秸秆仅指玉米的茎秆与叶梢，不考虑玉米芯。玉米秸秆富含碳、氮、磷、钾、碳水化合物及有机质，蛋白质与脂肪也占有一定比例，基本组织构成以纤维素、中纤维素及木质素为主［1-2］，在饲料、肥料、燃料、食用菌基料、加工原料等方面具有很高的开发利用价值。我国玉米秸秆资源数量大、分布广，合理高效开发利用玉米秸秆资源对于资源节约、环境保护及农民增收具有重大意义。目前国内关于玉米草谷比系统考证的文献较为少见，已有的研究对玉米草谷比取值差异较大，取值范围大约在0．9～2．0之间［3-11］，从而导致对玉米秸秆资源数量估算结果差异也较大。总体来看，较早时期关于玉米草谷比的考证取值较近10年来依据玉米种植试验数据统计出的玉米草谷比取值偏高。在玉米秸秆资源的适宜性方面，目前国内已有大量的文献对玉米秸秆资源在饲料、肥料、燃料、食用菌基料、工业原料方面的利用途径及开发现状进行了分析与阐述，但很少围绕玉米秸秆资源的自然适宜性进行系统评价。王亚静等［12］就玉米秸秆在“五料 (燃料、饲料、肥料、工业原料、食用菌基料)化”利用方面的适宜性进行了评价，但并未评价其新型能源化开发利用的适宜性。杨连玉等分析指出［13］，秸秆可作为反刍动物饲料、食用菌及单细胞蛋白基质料、生活能源或工业原料、秸秆直接还田或用于编织手工艺品的材料等，并指出解决好玉米秸秆的有效利用问题应以土地为基础，反刍动物生产为其调节核心，兼顾猪禽饲料与工业用粮生产，但并未就玉米秸秆的自然适宜性进行分级评价。该研究利用文献研究法，通过对大量实验数据的遴选，对玉米草谷比进行了较为全面的考证，并对玉米秸秆资源在“五料化”利用方面的自然适宜性进行分级评价，以期为提高我国玉米秸秆资源化、高值化利用水平作出有益探索。

1 研究方法

1.1 玉米秸秆估算方法与参数确定

在玉米草谷比与玉米产量已知的条件下，可用公式 (1)计算玉米秸秆产量:

式中，Wcornstraw是指玉米秸秆产量;Wcorn是指玉米产量;Rcornstraw是指玉米草谷比。

公式中的玉米产量可通过统计资料查询，玉米草谷比则需要进一步考证。该研究对大量的相关文献进行了遴选，共获得发表于1996～2009年间的41篇文献的326个有效的玉米草谷比样本数据。依据种植试验文献获取的玉米草谷比样本数据的平均值为1．09，标准差为0．25，即其主要变动范围为1．09±0．25(表1)。该平均估算值仅高于贾小黎、李成柱［7］0．9的取值，普遍小于其他文献中的取值，如牛若峰、刘天福［8］的《农业技术经济手册》与全国农业技术推广服务中心编著的《中国有机肥料养分志》［4］中均将玉米草谷比取值为1．2(表2)，李京京等［3］与钟华平等［5］的取值更高，达到2．0。对比大量的样本数值发现，随着玉米品种及生产技术的更新，玉米草谷比数值总体呈逐渐变小趋势，这与胡昌浩［14］等的论述一致。

表1 不同文献中玉米草谷比取值比较

1.2 玉米秸秆自然适宜性评价的方法

农作物秸秆可用于多种用途。在既定的条件下，决定一种秸秆最适宜于用作何种用途为最优选择，既要考虑秸秆本身的自然特征，又要考虑利用技术的技术成熟度，还要考虑经济效益与社会效益。该文将对玉米秸秆的自然适宜性进行分级评价。秸秆自然适宜性即在现实技术经济水平条件下，由玉米秸秆本身的自然特性，如质地、密度、碳氮比、养分含量、热值等，所决定的在其各种利用途径上的适宜程度。用于各种用途的玉米秸秆可被划分为不同的适宜级别，如最适宜、一般适宜、次适宜等。

2 玉米秸秆资源量估算结果

表2 部分省区玉米秸秆资源量估算所采用的草谷比

综合考虑玉米草谷比样本平均估算值与玉米草谷比变动趋势等因素，该研究将玉米草谷比取值为 1．10。

根据公式 (1)估算2013年我国玉米秸秆资源总量为2．403 368亿t，占全国秸秆总产量的24．17%，居全国各类农作物秸秆产量之首。玉米秸秆居全国前10名的省区分别是黑龙江、吉林、内蒙古、山东、河南、河北、辽宁、山西、四川及云南，其产量合计为 1．929 906亿 t，占全国玉米秸秆总产量的 80．30%。

3 玉米秸秆资源自然适宜性评价

3.1 玉米秸秆资源可燃性评价

可燃性是生物质的基本特性。一般我们将秸秆燃用的适宜性划分为最适宜、一般适宜、次适宜、不适宜4级。

玉米秸秆的平均热值为14 437kJ/kg，略高于秸秆的平均热值 (14 226kJ/kg，秸秆含水率15%左右)，比薪材的平均热值 (15 502kJ/kg，薪材湿度15%)低7．4%，相当于标准煤热值的49．2%，即2kg玉米秸秆约折合1kg标准煤。

秸秆耐燃性能主要取决于其木质化程度，木质化程度越高耐燃性越强，反之亦然。从木质素含量看，棉秆＞玉米秸＞麦秸与稻草，其耐燃性能排序亦相同。

综上，将玉米秸秆的燃用的适宜性划分为一般适宜级别 (表3)。2013年在我国可收集利用的玉米秸秆总量为2．211 099亿t，可折合1．087 8亿t标准煤。

3.2 玉米秸秆资源新型能源化开发利用自然适宜性评价

该研究将秸秆新型能源化开发利用的自然适宜性按利用方式划分为“三化一电”自然适宜性评价(即秸秆固化、炭化、气化、发电)与生物气化(即沼气生产)自然适宜性评价。秸秆用于“三化一电”与生物气化的自然适宜性受多种因素的影响，如秸秆的自然特性、秸秆收贮运及粉碎加工的难易程度等。

表3 玉米秸秆资源自然适宜性评价

3．2．1 玉米秸秆资源“三化一电”自然适宜性评价

根据秸秆收贮运以及粉碎加工、可固化成型的难易程度，可将秸秆“三化一电”的自然适宜性划分为适宜、较适宜及不适宜3个级别。该分级情况按照高位就序的原则进行分级归类，只要秸秆在“三化一电”利用方式中有一项为最适宜，即认为其在“三化一电”适宜性中属于最适宜级别。

根据玉米秸秆的密度、耐燃性、粉碎加工及可固化成型等难易程度等特征，应将其划分为较适宜“三化一电”级别。

3．2．2 玉米秸秆资源生物气化自然适宜性评价

秸秆生物气化即秸秆沼气的自然适宜性主要根据秸秆的C:N、产气率、木质素含量、吸水性能等自然特征进行评价。根据上述自然特征，可将秸秆沼气生产的自然适宜性划分为最适宜、适宜、次适宜及不适宜4个级别。

由中华人民共和国国家标准《农村家用沼气发酵工艺规程 (GB9958-88)》可知，在中温发酵条件下，玉米秸、麦秸、稻草与猪粪、人粪的产气量基本相当，其中玉米秸、麦秸略高于后两者，稻草略低于后两者。这说明，数量最多的玉米秸秆是良好的沼气发酵原料。在常温发酵条件下，玉米秸的产气量明显高于猪粪。

此外，在其它条件都具备的情况下，C:N配成25:1～30:1可以使沼气发酵在合适的速度下进行。玉米秸的C:N是沼气发酵原料最适宜C:N的1．77～2．12倍。以玉米秸为主要原料的农村户用沼气池，采用混合原料发酵工艺制取沼气时往往需要加入粪便或另外添加尿素或碳酸氢铵等化学物质来调节发酵原料的C:N。

秸秆木质素含量越高，越不利于沼气生产。农作物秸秆化学成分与木质材料十分相似，都具有丰富的纤维素与木质素。玉米秸秆木质素含量较高，上部、中部及下部木质素含量均值为14．44%［15］。在发酵前对玉米秸要采取切断、粉碎、堆沤等方法进行处理，目的在于破坏秸秆中的蜡质与木质素，使纤维变得松散、裸漏，以利于微生物的分解利用。此外，玉米秸易漂浮结壳，一般需要为玉米秸秆沼气添加搅拌设备，或对玉米秸秆进行一定的预处理。

由此，在生物气化方面，玉米秸秆应被划分为适宜级别。截止2013年，全国共有秸秆沼气集中供气工程434处，其中至少一半以上以玉米秸秆为主要发酵原料。

3.3 玉米秸秆资源可饲性评价

秸秆资源的可饲性评价分为可直接饲喂性评价与可加工饲喂性评价两个部分。该研究根据各类秸秆直接饲喂的适口性及其作为饲料的营养成分含量，把所有秸秆直接饲喂的适宜性划分为3级:适宜、较适宜及不适宜;根据各类秸秆在现实经济技术条件下可加工饲喂的可能性，把所有秸秆划分为2级:适宜与不适宜加工饲喂的秸秆。

秸秆在自然状态条件下是一种劣质饲料。在实际生产中，玉米秸、稻草、麦秸、薯秧、花生秧经常用作饲料。玉米秸秆中所含消化能约为2 235．7kJ/kg、干物质83．6%、粗蛋白6．3%、粗脂肪1．2%、粗纤维33．2%、无氮浸出物33．1%、灰分9．8%，其总能量与牧草相似［16］。但是玉米秸秆粗纤维含量高，直接饲喂适口性差，需要进行加工以提高其饲用价值，如秸秆青贮、微贮、氨化、揉搓丝化、压块及颗粒饲料加工等。通过这些加工工艺，可有效改善秸秆的适口性与营养成分，提高秸秆采食率与转化效率，提高秸秆直接饲喂的可适宜程度。

需要注意的是，同一种秸秆的不同部位的可饲性也有一定的差别。例如，有些秸秆的茎杆适口性较差，不适宜喂养牲畜，但叶梢、细枝部分却是优良的饲料。

综合以上诸多因素，玉米茎秆当划分为较适宜直接饲喂与适宜加工饲喂级别，玉米叶梢则属于适宜直接饲喂与适宜加工饲喂级别。

3.4 玉米秸秆资源直接还田自然适宜性评价

凡是未经过养殖转化与肥料加工，而以原物或直接粉碎后回归土壤的秸秆都应被称为秸秆直接还田，基本上所有的农作物秸秆都可直接还田。因此，该文将按照有机肥品质分级的方法对玉米秸秆的直接还田适宜性进行分级。其中，有机肥料的品质可分为1、2、3、4、5等5个级别，1级品质最高，5级最低。玉米秸秆营养物质丰富［4］，氮、磷含量较高，优于麦秸与稻草，钾含量高于麦秸、稍低于稻草。玉米秸秆的氮磷钾元素总含量 (N+P2O5+K2O)均值达27kg/t，27kg玉米秸秆的氮磷钾元素总含量相当于77kg氮磷钾复合肥 (15:10:10)的养分总含量。2013年，全国可用于直接还田的玉米秸为2．211 099亿t，相当于1 703万t氮磷钾复合肥 (15:10:10)的养分总含量。大量研究表明玉米秸秆还田能够增加土壤有机质含量，改善土壤理化性状，提高蓄水保墒能力，增加粮食产量。

在《中国有机肥料养分志》［4］有机肥料品质分级标准中，玉米秸秆属于3级有机肥级别。

3.5 玉米秸秆资源工业加工自然适宜性评价

秸秆与木材的化学组分较为近似，都具有丰富的纤维素与木质素，所以秸秆在许多门类可替代木材作为工业加工的原材料，如造纸、板材等。目前，我国以玉米秸秆为原料进行板材、纸浆生产的工业化开发目前尚处于研发阶段。以纸浆生产为例:据张强［1］等研究，玉米秸秆皮的纤维素含量高达44．6%，有利于提高纸浆率与纸的强度;半纤维素含量约为20．58%，有利于纸浆的吸水，易于打浆;木质素含量约为16．5%，有利于蒸煮漂白，从而提高纸张的质量。同时，玉米秸秆清洁制浆造纸多处于试验研究阶段［17］。

3.6 玉米秸秆资源种植食用菌自然适宜性评价

玉米秸秆富含食用菌赖以生存的纤维素与木质素等有机物，且来源广泛、成本低，是目前食用菌生产中较好的原料。目前，利用玉米秸秆栽培的食用菌品种有大球盖菇、真姬菇、平菇、草菇、双孢菇、鸡腿菇、秀珍菇等。山东省枣庄市山亭区的食用菌种植实践表明，利用玉米秸秆栽培双孢菇、鸡腿菇等，鲜菇产量可达10～15kg/m2［18］。以玉米秸秆为主料栽培双孢蘑菇产量可达到9．60kg/m2以上［19］。

将玉米秸秆通过堆肥、发酵等处理用于园艺植物栽培与育苗，以期替代传统的草炭基质，是玉米秸秆基料化利用的重要方向。目前，以玉米秸秆作为主要发酵材料的栽培基质主要用于番茄、黄瓜、辣椒等设施蔬菜的生产。

4 讨论

4.1 玉米秸秆资源的自然适宜性评价

该研究将用于包括新型能源化利用在内的各种用途的玉米秸秆资源进行了适宜性级别的界定划分，并估算了可用于各种用途的玉米秸秆资源量，具有一定的创新。但囿于篇幅所限，该文并未将玉米芯作为玉米秸秆的组成部分进行论述。玉米芯也可用于燃料、饲料、基料、工业原料等多种用途。而且，由于对玉米秸秆的定义范围不同，最终得到的玉米秸秆资源量也会有所不同［20］。该文所计算的玉米秸秆资源量不包括玉米芯。此外，由于获取到的不同地区的玉米草谷比的试验数据不完整，该文暂未以各地区玉米产量的比重为权重估算玉米草谷比，为确保玉米草谷比估算数值尽量接近真实数值，随着研究的不断深入，应加以改进。

4.2 我国玉米秸秆主产区的利用途径

我国玉米秸秆资源丰富，适宜于多种用途，同时存在资源分布不均衡、地区性资源过剩等问题。不同的地区应根据实际情况选择适合本地区的秸秆利用模式。东北地区是我国最大的玉米秸秆产区，玉米秸秆产量达8 310．83万t，占全国玉米秸秆总产量的34．6%。但长期以来，该地区玉米秸秆利用方式粗放，利用率偏低。据统计，2012年黑龙江、吉林及辽宁的秸秆利用率分别为75%、75．03%、65．6%，均低于河北、河南、山东、山西等玉米秸秆主产区。尤其是辽宁，其秸秆利用率远低于全国74．1%的平均水平;且玉米秸秆资源利用结构不尽合理，家庭直接燃用与焚烧仍占很大比例，直接还田比例仅为11．2%。针对东北地区玉米秸秆资源及利用现状、当地其他资源条件及生产条件等因素，应主要加强该地区饲料化(如秸秆养畜、过腹还田，实现农牧结合)与燃料化 (如固化成型)方面的利用，加强农村社会经济系统内部的秸秆资源利用［21］，体现秸秆综合利用的生态效益、经济效益及社会效益。而在黄淮海地区，则应加强玉米秸秆资源在食用菌基料、沼气等方面的应用与研究，实现玉米秸秆资源的高值化利用。

5 结论

(1)经过文献考证，该研究将玉米草谷比取值为1．10。

(2)我国玉米秸秆资源丰富。2013年，全国玉米秸秆总产量为2．403 368亿t，居全国各类农作物秸秆产量之首，主要分布在东北与黄淮海两地区，该地区玉米秸秆产量占全国的60．42%;以省为单元，黑龙江、吉林、内蒙古、山东、河南、河北、辽宁等10省区玉米秸秆产量居前10位，占全国的80．30%。

(3)玉米秸秆适用性强，可用于燃料、饲料、肥料、工业原料及食用菌基料等多种用途，且在每种用途中的适宜性级别有所不同。玉米秸秆适宜用于沼气生产，较适宜于“三化一电”。一般适宜于燃用。在饲料用途方面，玉米茎秆较适宜直接饲喂、适宜加工饲喂，玉米叶梢适宜直接饲喂与加工饲喂。在肥料用途方面，玉米秸秆属于3级有机肥级别。玉米秸秆是目前食用菌生产中较好的原料。我国以玉米秸秆为原料进行板材、纸浆生产的工业化开发目前尚处于研发阶段。玉米秸秆资源综合利用应注意合理配置资源、优化利用结构，将其转化为各种优质的原料资源。

(4)以青贮、微贮、氨化、揉搓丝化、压块及颗粒饲料加工等饲料加工处理的玉米秸秆饲料化利用，以机械粉碎还田、整秆还田及过腹还田为主要内容的玉米秸秆肥料化利用，以及玉米秸秆种植食用菌等方面，技术成熟、经济实用、成效显著，已经得到广泛应用。玉米秸秆能源化利用与工业原料化利用技术前景明朗、生态友好，应重点加强经济实用性研发。

［1］ 张强，秦涛，张红艳，等．玉米秸秆的综合开发利用．玉米科学，2006，14(2):168～169

［2］ 吴鸿欣，曹洪国，韩增德，等．中国玉米秸秆综合利用技术介绍与探讨．农业工程，2011，1(3):9～12

［3］ 李京京，任东明，庄幸．可再生能源资源的系统评价方法及实例．自然资源学报，2001，7(4):373～380

［4］ 全国农业技术推广服务中心．中国有机肥料养分志．北京:中国农业出版社，1999

［5］ 钟华平，岳燕珍，樊江文．中国作物秸秆资源及其利用．资源科学，2003，25(4):62～67

［6］ 梁业森，刘以连，周旭英，等．非常规饲料资源的开发与利用．北京:中国农业出版社，1996

［7］ 贾小黎，李成柱．秸秆直接燃烧供热发电项目:资源可供性调研和相关问题的研究．太阳能，2006，(2):8～15

［8］ 牛若峰，刘天福．农业技术经济手册 (修订本)．北京:农业出版社，1984

［9］ 张福春，朱志辉．中国作物的收获指数．中国农业科学，1990，23(2):83～87

［10］ 刘刚，沈镭．中国生物质能源的定量评价及其地理分布．自然资源学报，2007，22(1):9～19

［11］ 崔明，赵立欣，田宜水，等．中国主要农作物秸秆资源能源化利用分析评价．农业工程学报，2008，(12):291～296

［12］ 王亚静，毕于运，高春雨．中国秸秆资源可收集利用量及其适宜性评价．中国农业科学，2010，43(9):1852～1859

［13］ 杨连玉，张国梁，赵颖彩，等．玉米秸秆利用途径及其在农业生态系统中的综合利用对策．饲料工业，2005，26(23):42～45

［14］ 胡昌浩，董树亭，王空军，等．我国不同年代玉米品种生育特性演进规律研究Ⅱ物质生产特性的演进．玉米科学，1998，(3):49～53

［15］ 岳建芝，张杰，徐桂转，等．玉米秸秆主要成分及热值的测定与分析．河南农业科学，2006，(9):30～32

［16］ 高梦祥，许育彬，熊雪峰，等．玉米秸秆的综合利用途径．陕西农业科学 (自然科学版)，2000，(7):29～31

［17］ 王敬昌，杜运科，任雅琴，等．玉米秸秆综合利用现状及发展策略．农业科技通讯，2012，(11):95～98

［18］ 沈瑞．玉米秸秆栽培食用菌十要点．山东蔬菜，2008，(1):43～44

［19］ 梁枝荣，张清文，周志强，等．应用玉米秸秆栽培双孢蘑菇新技术．微生物学通报，2000，(6):443～445，457

［20］ 彭春艳，罗怀良，孔静．中国作物秸秆资源量估算与利用状况研究进展．中国农业资源与区划，2014，35(3):14～20

［21］ 毕于运，王亚静，高春雨．中国秸秆资源综合利用的系统构成及总体趋势．中国农业资源与区划，2010，31(4):35～38