国内外农作物秸秆供应模型研究进展

吴娟娟，霍丽丽，赵立欣，姚宗路，孟海波，侯书林

(1.中国农业大学 工学院，北京　100083；2.农业部规划设计研究院 农业部农业废弃物能源化利用重点实验室，北京　100125)



国内外农作物秸秆供应模型研究进展

吴娟娟1,2，霍丽丽2，赵立欣2，姚宗路2，孟海波2，侯书林1

(1.中国农业大学 工学院，北京100083；2.农业部规划设计研究院 农业部农业废弃物能源化利用重点实验室，北京100125)

摘要：农作物秸秆是重要的生物质原料，其收集、存储存在诸多问题，秸秆无法稳定供应。为此，通过文献整理和实地调研，总结归纳了国内外农作物秸秆供应研究进展，对比分析了国外常用的IBSAL、SHAM及BioScope3种模型，并对国内外物流及成本相关研究进行归纳总结。针对我国秸秆供应还存在机械化程度低、物流模型不成熟、收集及运输费用高等诸多问题，建议提高机械化作业水平，尽快搭建适用于国内的秸秆供应模型，降低秸秆供应费用，为我国农作物秸秆综合利用提供原料供应保障。

关键词：农作物秸秆；供应模型；物流；成本

0引言

人类对能源的需求日益增加，加之传统能源的资源危机，使得人们对新能源的开发利用越来越迫切。生物质能源作为清洁的可再生能源，具有较大的发展前景[1]，比起煤炭、石油等不可再生资源，生物质能具有可再生性、资源丰富及环境友好性等优点[2]。目前，国内外生物质原料主要用于肥料化、饲料化、能源化、原料化、基料化等五化利用[3-4]。其中，秸秆是生物质能主要原料之一。

每年全世界秸秆产量为20亿t多，我国产量居世界首位，每年秸秆总量高达7亿t[5]。截止到2013年，农作物秸秆综合利用率为74.1%，2015年目标利用率力争达到80%,仍有超过2亿t的秸秆资源没有有效利用，而且已利用的秸秆其转化效率低，秸秆原料成本高[6-7]。究其原因，是由于我国秸秆商品化水平低，没有有效的秸秆供应系统，秸秆供应模型尚处空白阶段[8]。

为此，本文通过分析国内外农作物秸秆供应模型研究进展、收储运物流模型及供应成本分析现状，提出我国秸秆供应模型研究中所面临的问题及建议，为我国农作物秸秆的高效利用提供原料保障。

1国外农作物秸秆供应模型研究

1.1农作物秸秆供应分析

农作物秸秆供应过程指作物收获后将分散在田间地头的秸秆通过人工捡拾或在机械设备的辅助下，通过捡拾、打捆、压缩、装载及运输，完成秸秆的收集、运输、存储，将其运送到秸秆利用厂作为原料的全过程[9-10]。

欧美等发达国家秸秆供应体系发展已相当成熟。首先，从土地耕整到作物播种，以及田间管理均实现了机械化作业；其次，秸秆收集技术与工业化原料利用需求衔接得当；最后，秸秆收储运所需设备与秸秆收割前所用机具能形成完整专业化的配套体系[11-12]，专用收储运设备能自动完成田间秸秆捡拾、打捆、码放、堆垛及卸捆等全过程作业[12]。

目前，欧美国家常用的秸秆供应技术路线Bio Feed如图1[13]所示。

另外，在秸秆收集方面，秸秆收集机械经过100年多的发展，已经从初期蓄力牵引式打捆机发展到小方捆打捆机和圆捆打捆机，再到目前的中型和大型方捆打捆机，收集设备发展已趋于成熟[14]。在机械设备的辅助下，秸秆利用厂通过与农场主签订合同，在约定时间采用合适的收集方式完成秸秆收集运输工作[12]。在秸秆存储方面，一年轮作制能保证秸秆有充足的晾晒时间，秸秆含水率能达到标准要求；收储站机械化程度非常高，打捆、搬运、上料等全部程序均由机械完成，节省人力；收储站秸秆存储方法独特且具有科学依据，秸秆采用堆垛储存且垛与垛间有足够的安全距离，垛上部有防雨布覆盖防止雨水淋湿，垛底部有排水沟防止雨水侵入垛底；目前主要采取田间覆盖存储、农场露天存储、青贮饲料、集中存储覆盖4种方式，可根据需要选择合适的存储方式[15]。在秸秆运输方面，长途运输一般只考虑公路运输，运输工具通常为农场主私有车辆或各农场共同租赁的卡车，运输能力取决于原料的体积密度、运输距离、运输速度和货运空间及装卸货时间等。为降低卡车空闲时间，可增加打包吞吐量以及打包密度；为使运输距离达到最优化，可建立合适的收储站位置，节省运输成本[16]。

图1　秸秆供应技术路线

1.2理论模型及成本分析

1.2.1理论模型

物流模型通常是在生物质原料相关数学计算模型的基础上，利用仿真软件来模拟原料供应的各个物流环节[17]，物流模型设计的目的是使原料调度过程中运输成本、仓储成本及收储站运营成本等总和最低。物流建设内容主要包括农户、原料、仓库或配送中心、运输服务及工厂等[18]。目前，国外对物流模型的研究相对较多，常用的农作物秸秆回收物流模型如下所述。

1)Sokhansanj S[19]等搭建了IBSAL( Integ-rated Biomass Supply Analysis and Logistics )物流模型，建立了收集模型的输入输出整体结构图，并联合利用EXTEND软件模拟秸秆收储运物流过程并进行了实例分析。具体IBSAL物流模型(小麦秸秆的物流体系)如图2所示。

图2　IBSAL物流模型的总体框图

2)Nilsson D[20]建立了SHAM(Straw HAndling Model)物流模型，通过对秸秆物流系统的性能参数(秸秆待处理时间、机械的最大收集量、处理机械的使用次数等)的优化，有效降低了秸秆收储成本，提高了秸秆收储运效率。SHAM动态仿真模型被分为3个主要组成部分：秸秆分布资源量子模型，天气变化与田间干燥子模型，秸秆收集和处理子模型，具体关系如图3所示。

图3　SHAM动态仿真模型

3)美国伊利诺伊大学建立的BioScope模型也是国外常用的秸秆供应模型。该模型不仅优化了秸秆供应需求与供应链的配置，还能较准确计算出秸秆的收储供应成本，具体组成部分之间的关系如图4所示[40]。

1.2.2成本分析

农作物秸秆收储运成本主要包括收集成本(秸秆购买成本、秸秆经纪人赚取利润、打捆绳费用)、运输成本(劳动力、燃油费、车辆维护、保险、维修费)、存储成本(收储站建设费用、管理人员工资、厂房维修)[13]。

目前，国外关于秸秆收储运成本研究已相对成熟。Junginger M等[21]通过参考煤、石油等不可再生能源的价格计算出合适的生物质原料的收购价格，并得到广泛认同。Börjesson P[22]等通过对瑞典某区域秸秆的收储运过程分析认为30～42 km为最佳秸秆运输距离，在此范围内原料运输成本仅占收储运总成本的20%～25%；且随着距离的增加，运输成本不断增加，此研究结果为秸秆收储站的选址建立提供了依据。Tao Lin等[40]通过确定最优化的农场数量、规模及位置，集中存储及预处理位置，最优的秸秆供应流程等使得秸秆供应成本最低。

图4　BioScope秸秆供应模型

2国内农作物秸秆供应模型研究

2.1农作物秸秆供应分析

当前，我国农业正处于由传统生产方式向现代生产方式转变的关键时期，能否建立成熟的农作物秸秆供应模型，关系到秸秆利用厂的命脉[23]。然而，不同农作物产区地块条件通常会影响到秸秆的供应工作，且不同作物收获方式、秸秆在田间堆放形态及散落方式也决定了不同的供应模式及使用机具[24]，使得我国在秸秆供应模型研究方面取得的成果并不显著，主要集中在模式方面的研究。

那贵森[25]通过秸秆电厂对原料供应的要求，提出要建立集秸秆收集、打包制备、储存及运输为一体的收储运模型，但并没有付诸实践。韩喜宇等[9]总结了多种生物质原料的收储运路线、设备选择、原料的存储及运输，但没有提及大批回收农作物秸秆的技术路线。于兴军等[10]得出秸秆从田间至秸秆发电厂可行的4种秸秆收集储运技术模式，并对各种模式的优缺点进行分析。丁翔文等[26]总结出小麦、玉米的最佳收储运路线，并对秸秆收加储运价格体系进行试验研究；但是以上几种模型涉及的技术模式环节多、机械化程度低、收集过程中能量消耗量和二氧化碳排放量大等问题没有得到有效解决。张艳丽[8]总结出我国秸秆收储运运营模式主要有分散性和集约型；但两种模式都存在缺点，分散性模式在原料供应上受制于秸秆经纪人，秸秆经纪人为追求利润可暗中操控肆意抬高收购价，对秸秆利用厂造成危机，而集约型模式，会加大秸秆利用厂的运营成本。徐亚云等[27]通过实地调研建立了基于设备—人工—费用的秸秆收储运模式的数学模型，并进行了实例分析。

另外，在秸秆收集方面，吕宸等[7]指出影响我国农作物秸秆收集的因素是多方面的，秸秆收集还存在着诸多问题，目前尚未形成机械化收集体系。例如，田间捡拾打捆主要采用小型方捆机，缺少专门的装卸码垛搬运设备，大多仍然依赖人工装卸，秸秆收集效率低；一年两熟种植模式使得秸秆空闲周期短，通常情况下只能将秸秆以散秆形式运送到秸秆经纪人处进行集中晾晒打捆处理，增加了中间环节，导致成本升高。在秸秆储存方面，霍丽丽等[28]通过对生物质原料理化特性研究，得出生物质原料在储存过程中应充分考虑不同原料堆积密度、流动性等造成的差异。在秸秆储存方面的研究较少，仍需要解决在存储过程中产生的秸秆发霉等问题，通过秸秆理化特性试验探究其影响因素，找到经济、合理的存储方法。在秸秆运输方面，秸秆运输包括田间—收储站、收储站—秸秆利用厂两部分，考虑到交通条件，从田间到秸秆收储站主要采用农用车运输，从收储站到秸秆利用厂，主要使用大型货车[29-30]；国内主要采用重心法、层次分析法优化选址来确定最佳收储站位置，从而使运输距离最小[2,31]，但这仅对某一案例进行分析，缺乏通用性。

综上所述，我国农作物秸秆供应模型研究尚处初级阶段,目前还没有形成成熟的原料供应系统，收储运环节仍面临收集难度大、储存技术不成熟、储存成本高、一年两熟种植方式需要将秸秆在较短时间清运干净等困难[32]。

2.2理论模型及成本分析

2.2.1理论模型

目前，我国农作物秸秆回收物流模式单一、粗放，普遍采用农户→秸秆经纪人→秸秆料场→回收站→车站物流和加工中心→秸秆利用厂运营模式[33]，秸秆回收物流现状不乐观，对物流供应模型的研究较少，且集中在定性研究。例如：盖晓英[34]对某秸秆发电厂输送系统的定性分析；或者只是针对某一具体生物质电厂的分析研究，如陈丽欢等[35]对河南省鹿邑县某生物发电厂物流过程的模拟分析，而这种模型却不普遍适用于其他生物质能利用厂。同时，赵亮等[36]通过建立收购站到秸秆利用厂的物流模型，并运用Extendsim7 软件对物流系统进行仿真模拟，分析货车、取样台、称质量站及卸载机等设备的数量变化对系统的影响，以期使得农闲时成本最低、农忙时收购量最大的优化结果，但仍然需要进行实例分析统计使模型更加精确。

2.2.2成本分析

农作物秸秆供应的费用包括秸秆从田间收集到秸秆进厂利用前端所花的所有费用[10]，对供应过程中涉及到的秸秆收集、运输、加工、储存等环节进行成本分析找到制约秸秆收集价格的主要因素，是提高秸秆综合利用效率的重要基础。陈丽欢等[35]采用作业成本法对秸秆供应物流系统进行深入分析，通过比较分析每项作业的物流成本，找出不合理或有待改善的作业环节，并提出改进意见。

李剑锋等[37]指出在秸秆发电厂的发电成本比重组成中，秸秆费用占发电成本的58%，而常规煤电项目燃料费占56%，导致秸秆价格高的主要原因是秸秆田间收集、运输和储存困难，秸秆运输储存成本高。曹溢等[38]以江苏省某秸秆电厂为例分析，得出秸秆收购成本占收集成本的63%。其中，收集成本主要由收购成本、运输成本、装卸成本和预处理成本组成，可知收购价格是影响收集成本最主要因素。张展等[39]认为运输成本可变性最大，运输距离越长，成本增加越多。

综上所述，我国秸秆物流供应系统还存在较多问题，供应风险大、物流效率低、秸秆收集和运输费用成本高等，是造成秸秆收储运运营成本高的主要原因；同时，缺少系统原料供应的解决方案以及不同模式的科学定量评价，难以为秸秆利用提供具体的供应模型。

3国内外秸秆供应比较

国内外在作物种植收获方式、秸秆供应机械化作业程度及秸秆供应系统的完善性等多方面均存在差异，详细比较如表1所示。

欧美等农业发达国家通常以农场为农业生产的基本单位，如仅丹麦面积能达到100hm2以上的农场就有2万多个，一年轮作制使得空闲周期比较长，能保证秸秆充分晾晒使含水率符合标准要求[13]。一系列有利条件使得国外农业生产过程实现全机械化作业，有效提高了收集效率，降低了秸秆的收集成本。而我国地域性差异大，地块较分散，农作物交替种植且间隔期短，作物种类和品种多样，不同地区、不同农作物收获方式不尽相同，加上农作物在田间分布复杂[7]，在收储运过程中面临收购难、贮存难、运输难及成本高等困难[41]。

表1　国内外秸秆供应环节对比

另外，国内外秸秆利用方面也存在差异，国外基本能规模化集中利用，如秸秆直燃发电、秸秆肥料及粗饲料等[3]。国内秸秆利用分散，随着农村生活质量提高，大量秸秆被废弃或田间直接焚烧，严重影响环境，政府严令禁烧，但屡禁不止，原因是秸秆不能全部有效收集利用[42]。近年来，在直燃发电、成型燃料、青贮饲料、粉碎还田、造纸及菌菇基料等多方面利用给予了大力支持和推广，一定程度提高了秸秆的综合利用率[4];但各种利用方式均存在秸秆收获季节性强，供应不连续，秸秆成本高等问题，亟需建立一套完整的秸秆收储运供应体系。

国外秸秆供应体系较为完善，并搭建了前文所述的IBSAL、SHAM及BioScope等供应模型，能够有效模拟秸秆收集、储存、运输过程并进行成本分析。而我国并没有完整的秸秆供应模型，仅仅提出了一些供应模式，如分散性收集模式、集中型收集模式，模型研究尚处初级阶段，且国内相关研究仅针对个案进行收储运过程和成本分析，不具有普遍意义。

面对以上问题，我国农作物秸秆供应体系的完善工作刻不容缓。因此，要在借鉴国外秸秆供应模型的基础上，大力研发适用于国内的收储运机械设备，包括抓草机、打捆机、散秆捡拾装运车等，实现秸秆全过程机械化收集；着重建立和优化适宜我国的秸秆供应物流模型，针对我国秸秆运输工作集中、秸秆运送到厂等待时间长等问题，通过模型分析优化车辆数量同时使等待时间最短，提高工作效率；加快构建适应不同地区、不同地形、不同作物的秸秆收集、捡拾、打捆、压缩、装载、存储及运输为一体的秸秆供应模型。

4结论

1)国外秸秆供应体系较为完善，建立了IBSAL、SHAM及BioScope等秸秆连续供应模型，能够直接有效指导秸秆收集、存储、运输全过程，有效降低了秸秆供应成本。

2)我国秸秆供应体系不完善，仅提出了分散性、集中型等收集模式，并没有定量分析理论模型的依据，秸秆综合利用成本高。

3)与国外相比，我国秸秆供应存在作物种植收获方式、机械化作业程度及供应系统的完善性等差异，因此国外秸秆供应模型无法适应我国秸秆供应现状。我国需要尽快建立适宜的秸秆供应模型，解决我国秸秆综合利用原料供应不连续及原料成本高的问题，为秸秆原料的稳定供应提供依据。

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Research Progress of Corp Straw Supply Model at Home and Abroad

Wu Juanjuan1,2，Huo Lili2，Zhao Lixin2，Yao Zonglu2，Meng Haibo2，Hou Shulin1

( 1.College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China;2.The Chinese Academy of Agricultural Engineering, Key Laboratory of Energy Resource Utilization from Agricultural Residues, Ministry of Agriculture, Beijing 100125,China)

Abstract：Straws are important biomass feedstocks, due to the collection, storage, and many other problems,their supply system can’t be steady.So this paper through literature review and field research, summarized research progress of straw supply model,comparatively analyzed three common foreign models--IBSAL, SHAM and BioScope, and summarized studies associated with logistics and cost at home and abroad. In this paper, many problems are pointed out in our country’s straw supply, such as low degree of mechanization, immaturity of logistics model, high cost of collection and transportation. We propose to improve the working level of the mechanization, set up straw supply model suitable for domestic as soon as possible and reduce the straw supply, to provide theoretical reference for crop straws supply model research in China.

Key words：corp straw; supply models; logistics; cost

文章编号：1003-188X(2016)03-0263-06

中图分类号：S11+7

文献标识码：A

作者简介：吴娟娟(1989-)，女，山东滕州人，硕士研究生，(E-mail)1198546631@qq.com。通讯作者：赵立欣(1967-)，女，北京人，研究员，(E-mail)zhaolixin5092@163.com。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201403019)

收稿日期：2015-03-16