黄淮海地区秸秆综合利用的中转模式初探

马晨雨，杨习文，李 煜，张 捷，贺德先

（河南农业大学农学院，郑州450002）

黄淮海地区秸秆综合利用的中转模式初探

马晨雨，杨习文，李 煜，张 捷，贺德先

（河南农业大学农学院，郑州450002）

为了研究如何提高黄淮海地区秸秆综合利用率的问题，综述了国内外近20年的关于秸秆处理的方法与综合利用的途径，发现作物秸秆具有阶段性过剩和存在空间不均衡的特点，而对作物秸秆运输和储藏成本较高，秸秆的分级、分类和转化技术的相对落后，限制了黄淮海地区作物秸秆的综合利用，造成了秸秆废弃物资源利用率低的现状。鉴于此，进行了黄淮海地区秸秆的中转途径的探讨，即建立“农田—中转站—工厂/农户”的中转站模式，连接秸秆从农田到工厂或农户的过程，在中转站中对秸秆进行预处理和粗加工，既可以减少秸秆的焚烧，促进秸秆的适量还田，使秸秆资源化利用的程度提高，又从一定程度上解决了秸秆在时间和空间分布不均衡的问题。但对于中转模式和国家匹配政策方面的研究还存在不足，优化中转模式与当前的农业生产形势和经营方式的关系有待进一步研究。

黄淮海地区；秸秆；综合利用；中转模式

0 引言

包括北京、天津、河南、河北、山东等省市在内的黄淮海地区，是中国重要的粮食主产区之一。该地区位于华北平原，光热量资源丰富，满足1年2熟的条件，主要采用小麦—玉米轮作的种植制度。另外，水稻、花生、棉花、大豆等作物也有一定量的种植。在中国粮食产地的八大分区中，黄淮海地区和长江中下游地区是全国粮食秸秆产量最多的2个区域。黄淮海地区秸秆资源分布广、季节性强，是一种丰富的可再生资源。

中国的秸秆利用率仅占发达国家利用率的35%[1]。据《中国生物质资源可获得性评价》报道，秸秆的多途径利用方式归为工业原料、畜牧饲料、直接燃烧或生物质能源等3类[2]。秸秆富含食用菌生长所必需的碳源，木质化程度高，是优良的工业原料；秸秆还具有一定的营养价值，通过青贮等工艺加工后，适口性好，饲用价值高；此外，秸秆热值高，绝大多数秸秆可直接燃烧。

目前，秸秆的分级、分类以及转化利用效率低，黄淮海地区的秸秆资源依然采取粗放型的开发利用方式，以燃烧和直接还田为主，占秸秆可收集量总数的半数以上，焚烧已被明令禁止，全量还田的弊端也逐渐显现出来。鉴于此，提出黄淮海地区秸秆综合利用的中转模式，以期为秸秆资源有效的开发利用、提高其综合利用率的问题研究提供理论依据和创新思路。

1 黄淮海地区秸秆资源构成

1.1 黄淮海地区秸秆资源丰富

毕于运等[3]在2010年的统计结果显示，2005年全国秸秆达84183.12万t，黄淮海地区在全国八大粮食主产区中秸秆产量最高，在2005年黄淮海地区秸秆总产量占全国总产量的25%[4]，约达2.01亿t[5]，秸秆资源密度为3.81 t/hm2；2012年，黄淮海地区秸秆理论资源量为2.4亿t[6]，秸秆资源密度增长为6.94 t/hm2。

如表1所示，2005年与2012年主要农作物秸秆分别为1.70亿t与2.30亿t，其中，粮食作物秸秆增加了约0.52亿t，油料作物秸秆增加了约2178.76万t，棉秆减少了约1236.24万t。黄淮海地区主要的作物秸秆类型是玉米秸秆和小麦秸秆，但是小面积种植的棉花秸秆、油料作物秸秆和玉米芯、蔬菜副产品等农产品初级加工后的副产品也具有很大的开发潜力。

表1 2005年与2012年黄淮海地区主要农作物秸秆的产量 万t

1.2 黄淮海地区结构资源的特点

黄淮海地区秸秆资源有着明显的特点：（1）秸秆资源地区分布不均衡，且增长不均衡。2005年时，山东、天津、北京位于秸秆资源密度大于等于6 t/hm2的高产区，河南、河北位于秸秆资源密度在4～6 t/hm2的中产区；而2012年，北京、河北与山东位列高产区，天津、河南位列中产区；（2）人均占有量不高。据2005年统计的数据[5]，山东省、河南省、河北省属于人均秸秆中产区，人均秸秆产量在500～800 kg，天津、北京属于人均秸秆低产区，人均秸秆产量在500 kg以下。2012年，全国人均秸秆产量为1.47 t，除北京、天津人均秸秆产量低于全国水平外，河南、山东河北均高于全国平均值；（3）阶段性过剩。黄淮海地区重要是小麦—玉米1年2熟的轮作种植制度，在一季作物收获后到下一季作物播种前的时间间隔短，秸秆大量堆积，大部分用焚烧或者直接还田的方式处理秸秆，在其他时候则无突出的秸秆问题，甚至面临秸秆短缺的问题[7]。

2 黄淮海地区秸秆资源化利用及评价

2.1 秸秆资源化利用的方式

目前的秸秆利用方式有3类，即物理方法、化学方法和生物方法[8]。物理方法包括干燥、粉碎、压缩成型、汽爆；化学方法包括燃烧、气化、裂解、液化、酸碱分解等；生物方法有厌氧发酵产生沼气和酶解发酵产生乙醇。

毕于运等[9]提出了中国秸秆资源综合利用的系统构成，将秸秆资源利用类型分为2类，即农业生产系统内部的秸秆资源循环利用与农业生产系统外部的秸秆资源利用。在黄淮海地区，农业生产系统内部的秸秆资源循环利用可包括秸秆还田、加工做饲料、生产沼气以及食用菌基料，农业生产系统外部的秸秆资源利用包括秸秆固化、气化等农村新能源的开发、工业加工用作餐具、秸秆发电等。

2.2 秸秆资源化利用的评价

2.2.1 综合利用率不高，以秸秆还田为主 据资料显示[10]，河南省秸秆还田的比例高达62.63%，秸秆饲用、生活能用、工业原料的比例分别为11.53%、10.84%和2.01%。秸秆还田是黄淮海地区秸秆利用的主要方式。秸秆还田分为直接还田与间接还田2类[11]，其中间接还田又包括快速腐熟剂处理[12]、过腹还田[13-14]、堆肥还田[15]、生物炭还田等[16]。

适量的秸秆还田有利于改善土壤的物理化性质，连续秸秆还田结合浅耕可以降低耕层土壤容重[17]，逐年连续全量还田还可以增强土壤的持水能力、增加孔隙度[18]，王慎重等[19]利用筛湿法得出了在0～10 cm的表层，秸秆作用在土壤显著影响了水稳定大团体的数量及其稳定性；秸秆中含有丰富的生物碳，长期秸秆还田可以显著提高土壤中的有机质积累量[20]，改进耕作和秸秆还田的方式相结合可以有效提高土壤保肥功能、修复污染土壤[21]；秸秆还田也能够提高土壤中的微生物数量[22]和酶的活性[23]；这些都有利于作物产量的提高[14-26]。

但是，由于秸秆连续全量还田，加之配套的耕作技术没有推广应用，秸秆还田的弊端也逐渐显露出来。粗放的田间管理会引起后茬作物的出苗率下降[27]。贾春林等[28]的研究表明，在黄淮地区秸秆还田对玉米的出苗影响为出苗晚且质量降低，在秸秆还田条件下会造成后茬作物病虫害多发[29]；不当的秸秆还田还会造成土壤碳氮比失调[30]、增加温室气体的排放[31-32]等不良影响。

2.2.2 不能因“物”制宜 对于秸秆来说，虽然主要都是由纤维素、半纤维素和木质素三大部分组成，但三者在植物中的组成、结构及分布会因秸秆的种类、产地和生长期等的不同而产生差异。如表2[33]所示，黄淮海地区的三大作物的组分不尽相同，不能够一概而论。

稻壳、棉秆不适宜用于饲料用途，小麦秆和稻草比玉米秸秆更适宜直接饲喂，甜菜渣、蔬菜蔓等是优质的饲草（料），直接还田虽然可以培肥地力但是却不能发挥其最大作用，与统一秸秆还田或者做燃料相比，玉米芯、棉壳、稻壳等做食用菌基料具有更大的利用价值[9]等。秸秆分类处理，往往能够产生更大的效益，在黄淮海地区的秸秆处理方式大多为秸秆直接还田，没有做到物尽其用。

3 黄淮海地区秸秆资源化利用新模式

3.1 秸秆的预处理

秸秆预处理及其组分分离体系的完善是解决秸秆资源生态高值化利用的切入点[8]。秸秆体积大、不宜储存堆放等特点决定了利用秸秆进行生产首先要进行切碎、压缩成捆等粗加工，且秸秆中的纤维素、半纤维素与木质素等需经过特殊的工艺加工分解后才可以被用于工业生产。

秸秆的预处理包括物理方法、化学方法和物理化学方法。物理方法较常用的有机械粉碎法、液态水解法[34]和挤压膨化法[35]；在化学方法中的稀硫酸法[36]是较为成熟的预处理方法，使半纤维素水解的同时也能破坏纤维素的晶体结构；化学物理法中的蒸汽爆破法[37]耗能低，可以间歇性操作也可以连续性操作，适合农作物秸秆的预处理。

3.2 “农田—中转站—工厂/农户”的中转模式

在秸秆的不同利用方式中，除了秸秆还田等肥料化的应用外，其他回收途径就需要将秸秆收集并运离农田。由于秸秆收获时间集中且有季节性，农民售出秸秆的收益不足以支付收集秸秆的支出，加上运输成本高、不便储藏等原因，农民收集利用秸秆的积极性不高。

秸秆的收集方式分为人工收集与机收2种，机收又可分为2种：一种是将喂入收割机的秸秆直接打捆收集，或者将喂入收割机的秸秆直接粉碎再装车运走；第二种是先收获籽粒，将秸秆撒于田间，再由打捆机捡拾秸秆[38]。无论是人工收集还是机械收集，秸秆的季节性[39]决定了秸秆必须在短时间内得到有效地处理。传统的秸秆收集模式是有公司到地头进行现场收购，由于路途限制和储存费用高，公司现场收购往往不能从根本上解决秸秆堆积的问题，加之种粮农民土地规模小、政策宣传不到位等因素，使得秸秆多途径利用更加难以落实。

为解决秸秆收购和分类利用的问题，提出了“农田—中转站—工厂”的中转模式。中转站购买专业的秸秆收集农机，雇佣秸秆经纪人并培训专业的农机手，建立专业的秸秆收集队伍，在收获前到专业合作社或找到种粮户商谈收购秸秆的事宜并与需要秸秆的公司企业签订合约，待作物成熟之后中转站租赁联合收割机、打捆机、秸秆粉碎还田机等专业农机。等秸秆回收入中转站后，按照合约要求对秸秆进行一定的预处理，将玉米、小麦和水稻秸秆进行分类，将秸秆切碎成2～5 cm，便于青贮和氨化用作饲料加工；或者利用揉搓机压块机对秸秆进行粗加工，便于秸秆存放与运输。多余的秸秆则投入中转站内的沼气加工厂中，进行沼气的发酵生产，为村民提供生活用气以及汽车用气。

这套中转模式得以实行，离不开国家政策的扶持。目前国家政策中少有对秸秆综合利用企业的扶持[40]，企业运行成本大，不利于提高农民对秸秆收集的积极性，也不利于秸秆综合利用产业链的形成。中转站的运行成本包括：购买秸秆收集机械设备的资金，晒场、仓库的租赁费用以及物流运输费用；主要靠收购与出售之间的价格差维持经营。一方面，国家可以通过制定政策，鼓励低息贷款购买机械设备，为秸秆运输降低物流价格，降低运行成本，通过制定不同类型秸秆、不同用途的秸秆的最低保护价格使得中转站得以正常运行；另一方面，也可以通过创新项目的申请，争取到地方科技部门的资金支持，既能维持中转站运行，同时也可以做些产品研发。

表2 主要农作物秸秆的营养成分（干物） %

4 结论

秸秆问题是丰收季节里存在的一大生态威胁。秸秆燃烧会造成空气污染，全量还田不仅不能提高产量，甚至会降低下茬作物的出苗率，目前在中国秸秆资多途径利用率偏低。在黄淮海地区，通过“农田—中转站—工厂/农户”的中转模式，使得不同类型的作物秸秆得以分类利用，提高秸秆资源化利用效率，同时将中转站产气出售与农村集中供气结合起来，扭转以往农村集中供气经营的亏损局面，并在农村推广新型清洁型能源。中转模式减少秸秆的焚烧，促进秸秆适量还田，增加秸秆的利用途径，基本解决了秸秆在空间和时间上分布不均衡的问题。

[1]唐卫军,肖波,杨家宽,等.生物质转化利用技术研究进展[J].中国再生资源,2003(4):30-32.

[2]李京京.中国生物质资源可获得性评价[M].北京:中国环境科学出版社,1998:37-39.

[3]毕于运,高春雨,王亚静,等.中国秸秆资源数量估算[J].农业工程学报,2009,25(12):211-217.

[4]肖体琼,何春霞,凌秀军,等.中国农作物秸秆资源综合利用现状及对策研究[J].世界农业,2010(12):31-36.

[5]毕于运,王亚静,高春雨.中国主要秸秆资源数量及其区域分布[J].农机化研究,2010,32(3):1-7.

[6]方放,李想,石祖梁,等.黄淮海地区农作物秸秆资源分布及利用结构分析[J].农业工程学报,2015,31(2):228-234.

[7]高春雨,王亚静,李宝玉,等.我国秸秆资源短缺与过剩问题探讨[J].农机化研究,2010,32(4):209-212.

[8]陈洪章.秸秆资源生态高值化理论与应用[M].北京:化学工业出版社,2006:271.

[9]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[J].中国农业资源与区划,2010,31(4):35-38.

[10]崔保伟,郭振升.河南农作物秸秆资源综合利用现状及对策研究[J].沼气与生态,2012(7):22-23.

[11]靳海洋,蒋向,杨习文,等.作物秸秆直接还田思考与秸秆多途径利用商榷[J].中国农学通报,2016,32(9):142-147.

[12]张电学,韩志卿,刘微,等.不同促腐条件下秸秆直接还田对土壤酶活性动态变化的影响[J].土壤通报,2006,37(3):475-478.

[13]杨增玲,楚天舒,韩鲁佳,等.秸秆饲料化集成技术模式及其区域适用性评价[J].农业工程学报,2013,29(23):186-193.

[14]Shricastava B,Thakur S,Khasa Y P,et al.White-rot fungal conversion of wheatstraw to energy rich cattle feed[J]. Biodegradation,2011,22(4):823-831.

[15]黄继川,彭智平,于俊红,等.施用玉米秸秆堆肥对盆栽芥菜土壤酶活性和微生物的影响[J].植物营养与肥料学报,2010,16(2):348-353.

[16]李飞跃,汪建飞.中国粮食作物秸秆焚烧排碳量及转化生物炭固碳量的估算[J].农业工程学报,2013,29(14):1-7.

[17]慕平,张恩和,王汉宁,等.连续多年秸秆还田对玉米耕层土壤理化性状及微生物量的影响[J].水土保持学报,2011,25(5):81-85.

[18]李玮,乔玉强,陈欢,等.秸秆还田和施肥对砂姜黑土理化性质及小麦-玉米产量的影响[J].生态学报,2014,34(17):5052-5061.

[19]王慎重,王瑜,李娜,等.耕作方式和秸秆还田对华北地区农田土壤水稳性团聚体分布及稳定性的影响[J].生态学报,2013,33(22): 7116-7124.

[20]Lou Y L,Xu M G,Wei W,et al.Return rate of straw residue affects soil organic C sequestration by chemical fertilization[J].Soil and Tilage Research,2011,113(1):70-73.

[21]汤文光,肖小平,唐海明,等.长期不同耕作与秸秆还田对土壤养分库容及重金属Cd的影响[J].应用生态学报,2015,26(1):168-176.

[22]Guggenberger G,Elliott E T,Frey S D,et al.Microbial contributions to the aggregation of a culivated grassland soil amended with starch [J].Soil Biology and Biochemistry,1999,31(3):407-419.

[23]丁永亮,李锦,闫慧荣,等.秸秆还田的土壤酶效应初探[J].西北农林科技大学学报:自然科学版,2014,42(3):137-144.

[24]屈会娟,李金才,沈学善,等.秸秆全量还田对冬小麦不同小穗位和粒位结实粒数和粒重的影响[J].中国农业科学,2011,44(10):2176-2183.

[25]徐国伟,吴长付,刘辉,等.麦秸还田及氮肥管理技术对水稻产量的影响[J].作物学报,2007,33(2):284-291.

[26]周怀平,解文艳,关春林,等.长期秸秆还田对旱地玉米产量、效益及水分利用的影响[J].植物营养与肥料学报,2013,19(2):321-330.

[27]李少坤,王克如,冯聚凯,等.玉米秸秆还田与不同耕作方式下影响小麦出苗的因素[J].作物学报,2006,32(3):463-465.

[28]贾春林,郭洪海,袁奎明,等.黄淮区不同播种方式对玉米出苗质量和土壤环境的影响[J].玉米科学,2012,20(1):108-111.

[29]刘凤艳,龚振平,马先树,等.秸秆还田对水稻病虫害发生的影响[J].黑龙江农业科学,2010(8):75-78.

[30]Kumar K,Goh K M.Nitrogen release from crop residues and organic amendments as affected by biochemical composition[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis,2003,34(17): 2441-2460.

[31]逯非,王效科,韩冰,等.稻田秸秆还田:土壤固碳与甲烷增排[J].应用生态学报,2010,21(1):99-108.

[32]史然,陈晓娟,沈建林,等.稻田秸秆还田的土壤增碳及温室气体排放效应和机理研究进展[J].土壤,2013,45(2):193-198.

[33]郑德聪,武月明,王菊霞.作物秸秆综合利用技术[M].北京:中国社会出版社,2006:3.

[34]罗鹏,刘忠.用木质纤维原料生产乙醇的预处理工艺[J].酿酒科技, 2005(8):42-47.

[35]刘运洋,申德超,徐冲.关于纤维素原料产生燃料酒精预处理工艺的一些探讨[J].酿酒,2005,32(3):41-42.

[36]朱跃钊,卢定强,万红贵,等.木质纤维预处理技术研究进展[J].生物加工过程,2004,2(4):11-25.

[37]罗鹏,刘忠.蒸汽爆破法预处理木质纤维原料的研究[J].林业科技, 2005,30(3):53-56.

[38]王亚静,王红彦,高春雨,等.稻麦玉米秸秆残留还田量定量估算方法及应用[J].农业工程学报,2015,31(13):244-250.

[39]卜毓坚,屠乃美,刘文,等.我国农作物秸秆综合利用现状及其技术进展[J].作物研究,2006,20(5):526-529.

[40]杨宏伟.黄淮海平原秸秆综合利用的现状及建议[J].农机科技推广,2016(1):23-26.

Comprehensive Utilization of Straws:Transfer Mode in Huang-Huai-Hai Region

Ma Chenyu,Yang Xiwen,Li Yu,Zhang Jie,He Dexian
(Agronomy College,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,Henan,China)

The paper aims to discuss the means of improving straw use efficiency in Huang-Huai-Hai Region, the authors summarized straw treatment utilization approaches from researches at home and abroad.The authors found that straws were periodic surplus and unbalanced in location,and due to the limit of technologies,transportation and storage,the utilization of straw was inefficient in the region.Therefore,a transfer model,which contains“field-transfer station-factories/farmers”,in Huang-Huai-Hai Region is needed,which can connect the farmland and the factories and farmers in straw utilization processes.The straw will be pretreated and roughly processed in the transfer station,thus reduce the burning rate and promote straw returning to field appropriately.The transfer model can increase the degree of resource utilization,and deals with the unbalanced spatial and temporal distribution of straw to a certain level.However,the national policy concerning the model is still lacking,and the study on the relationship of the transfer model and agricultural production and operating procedures should be enhanced.

Huang-Huai-Hai Region;Straws;Comprehensive Utilization;Transfer Mode

S216.2

：A论文编号：cjas16080023

国家级大学生创新创业训练计划项目“黄淮海地区秸秆多途径利用的中转模式”(201510466013)。

马晨雨，女，1992年出生，河南新乡人，硕士研究生，研究方向：作物遗传育种。通信地址：450002河南省郑州市金水区文化路95号河南农业大学农学院，E-mail：ma18736076042@163.com。

贺德先，男，1963年出生，河南南召人，教授，博士，主要从事作物生理生态研究。通信地址：450002河南省郑州市金水区文化路95号河南农业大学农学院，Tel：0371-63558213，E-mail：hedexian@126.com。

2016-08-24，

：2016-11-30。