基于能值理论的新疆主要农作物秸秆综合利用生态足迹分析

边艳霞+陈立强+王鹏程+张翠燕

摘要： 运用能值分析与生态足迹相结合的方法，对新疆2005—2014年主要农作物（棉花、小麦、玉米）秸秆资源的各种利用方式进行评估，分析新疆主要农作物秸秆综合利用的人均生态足迹及人均生态承载力。结果显示，近10年来新疆主要农作物（棉花、小麦、玉米）秸秆利用的人均总生态足迹为2.622 hm2，人均总生态承载力为2.318 hm2，人均总生态赤字为0.304 hm2，年均生态足迹为0.087 hm2，年均生态承载力为0.077 hm2，年均生态赤字值为 0.010 hm2。新疆主要农作物秸秆资源的利用超出了该区域生态经济系统承载力，表明该区域秸秆资源利用不合理。因此，今后对新疆主要农作物秸秆资源的利用须进一步科学地规划，坚持适度利用；同时分析新疆主要农作物秸秆资源综合利用生态足迹的动态变化，对干旱区农业秸秆资源的高效循环利用管理和健康发展奠定了一定的理论基础，对实现环境友好型、资源节约型农业发展方式的转变也提供了有益的尝试和探索。

关键词： 能值理论；秸秆综合利用；生态足迹；新疆；生态承载力；生态赤字

中图分类号： S181 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）22-0269-05

农作物秸秆是农业废弃物的一种，它是实现农业可持续发展和生态农业发展的宝贵资源，其综合利用对可再生资源的高效利用和可持续经济的发展有着重要作用。目前，我国秸秆综合利用取得了一定的成效，但其综合利用效率仍较低，废弃秸秆已成为我国重要的面源污染源。2011年中华人民共和国国家发展和改革委员会、中华人民共和国农业部、中华人民共和国财政部印发了《“十二五”农作物秸秆综合利用实施方案》，要求2015年力争秸秆综合利用率超过80%，基本建立较完善的秸秆田间处理、收集、储运体系，形成布局合理、多元综合产业化利用格局；2015年中央一号文件强调加强农业生态治理，提出开展秸秆、畜禽粪便资源化利用，大力推动农业循环经济发展；2016年《第十二届全国人民代表大会第四次会议关于政府工作报告的决议（草案）》提出进一步鼓励秸秆资源化综合利用，限制直接焚烧秸秆。新疆地域广大，作物种类繁多，农作物秸秆表现出分布广、产量大、有效利用率低等特点，因此，大力开展秸秆多层次生态高值化（肥料化、饲料化、基料化、原料化、能源化）合理利用，对农业可持续发展、农业循环经济发展、农民增收、秸秆综合利用的规模化及实现区域秸秆资源经济效益、社会效益和生态环境效益的共赢都具有重要的意义。

能值分析理论是以能值为基准，把生态系统或生态经济系统中各种不可比较的能量转换成同一标准的能值来比较与分析，以评价其在系统中的作用和功能。生态足迹指生产任何已知人口（某个个人、一个城市或一个国家）所消耗的所有资源和吸纳这些人口所产生的所有废弃物所需的陆地和水域总面积[1]。传统的生态足迹理论在国家、区域可持续发展研究等领域得到了国内外学者的应用[2]，但传统的生态足迹模型只能进行静态分析，且产量因子与均衡因子的确定都欠缺合理性，对区域真实发展情况的反映存在一定的误差。

基于能值理论的生态足迹把各种不同类型、不同等级的能量流通过能值转换率换算成可以衡量各种能量的太阳能值[3]，再利用能值密度将各消费项目的太阳能值换算成相对应的生物生产性土地面积，计算出研究区域的生态足迹和生态承载力[4]，克服了传统生态足迹模型折算不同种类资源消耗时所引入的误差，大大提高了模型的准确性。目前，我国学者已采用此方法对许多地域的生态经济系统进行了研究[5]。边淑娟等将能值生态足迹分析方法运用到农作物秸秆等农业废弃物的综合利用上，分别对福建省农业废弃物和成都平原稻麦秸秆综合利用方式进行了评估[6-7]。

目前，关于新疆生态足迹的研究较少，仅有少数学者对新疆发展及部分区域状况等进行了生态足迹分析[8]，运用能值生态足迹方法对新疆秸秆资源综合利用的合理性的研究报道比较少见。因此，本研究以2005—2014年《新疆统计年鉴》[9]中新疆主要农作物（棉花、小麦、玉米）的数据为基础，计算出棉花、小麦、玉米秸秆资源的可收集利用量，通过能值转换率得到对应的棉花、小麦、玉米秸秆能值量，再利用全国及区域秸秆能值密度将消耗的能值换算成相应的生物生产性面积，计算出新疆棉花、小麦、玉米秸秆资源不同利用方式的生态足迹，进而评价新疆棉花、小麦、玉米秸秆利用的合理性，以期为区域秸秆资源的合理利用提供一定的参考依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

新疆位于中国的西北部，地处34°25′～48°10′N，73°40′～96°18′E，面积约为166万km2，占我国陆地总面积的1/6。全年日照时数达2 550～3 500 h，年总辐射量达5 000～6 490 MJ/m2，僅次于青藏高原而位居全国第2。新疆年均降水量仅为150 mm，气候干燥，区域分异性明显，是我国目前面积最大的干旱、半干旱荒漠区，生态环境相对脆弱。新疆农作物品种多，主要以棉花、小麦、玉米为主，秸秆资源丰富。

1.2 数据来源

本研究数据资料来源主要有2个部分：（1）研究区主要农作物棉花、小麦、玉米播种面积、产量和农业人口数量等数据均来自2005—2014年《新疆统计年鉴》[9]；全国棉花、小麦、玉米的产量和播种面积等数据来自2015年《中国统计年鉴》[10]；秸秆的利用方式等相关数据来自第一次全国农业污染源普查结果（2010年）及相关统计资料[11]。（2）草谷比（农作物秸秆发生量与作物产量之间的比例）、秸秆能值转化率、太阳能值转化率、能量折算系数、能值转换率等数据参考相关文献。

2 各指标的计算方法

2.1 新疆主要农作物秸秆可收集利用量计算

根据新疆主要农作物（棉花、小麦、玉米）的产量可计算出农作物秸秆可收集利用量，计算公式如下：endprint

式中：S表示棉花、小麦、玉米秸秆可收集利用量；Q表示棉花、小麦、玉米作物产量；r1表示秸秆草谷比，参照新疆生产建设兵团第六师棉花草谷比实际测算结果和小麦、玉米草谷比种植试验结果，棉花、小麦、玉米的草谷比分别取值为5.00、1.30、1.10；r2为秸秆可收集利用系数，参考新疆农业相关政策和具体实际情况，棉花秸秆可收集利用系数取值为0.90，小麦、玉米秸秆可收集利用系数取值为0.83[12]。

2.2 新疆主要农作物秸秆能值估算

依据棉花、小麦、玉米秸秆能量折算系数和太阳能值转换率可计算出秸秆能值量，计算公式如下：

式中：E表示棉花、小麦、玉米秸秆的能值量，sej；Q表示棉花、小麦、玉米秸秆的可收集利用量，t；CV表示秸秆能量折算系数（热值），棉花、小麦、玉米秸秆的热值分别取值为1.83×1010、1.597×1010、1.62×1010 J/t；t为秸秆能值转换率，取值为4.53×104 sej/J[13]。

2.3 新疆主要农作物秸秆人均生态足迹分析

依据能值生态足迹分析方法，按照秸秆不同利用方式的比率及公式（1）计算出棉花、小麦、玉米秸秆不同利用方式的秸秆利用量，再按照公式（2）计算出不同利用方式的总能值，进而计算得出棉花、小麦、玉米秸秆的人均生态承载力，计算公式如下：

式中：Ec表示棉花、小麦、玉米秸秆的人均生态承载力；Ea表示新疆人均消耗棉花、小麦、玉米秸秆的理论能值；q表示人均棉花、小麦、玉米秸秆生产量；t表示棉花、小麦、玉米秸秆能值转换率；ρ1表示全国棉花、小麦、玉米秸秆能值密度；E表示全国棉花、小麦、玉米秸秆的总能值；S表示全国棉花、小麦、玉米的播种面积。最后计算出棉花、小麦、玉米秸秆不同利用方式的人均生态足迹，计算公式如下：

式中：Ef表示棉花、小麦、玉米秸秆不同处理方式的人均生态足迹；i表示秸秆处理方式种类；efi表示第i种棉花、小麦、玉米秸秆处理方式的人均生态足迹；ei表示第i种棉花、小麦、玉米秸秆处理方式的人均能值；ρ2表示棉花、小麦、玉米秸秆的能值密度，等于棉花、小麦、玉米秸秆总能值与棉花、小麦、玉米播种面积之比值。根据结果得出棉花、小麦、玉米秸秆的生态赤字或盈余，评价新疆棉花、小麦、玉米秸秆利用的合理性。

3 结果与分析

3.1 新疆主要农作物秸秆可收集利用量

新疆棉花、小麦、玉米播种面积占农作物总播种面积的比例较大，其秸秆产出量也较大。由公式（1）计算出新疆2005—2014年主要农作物秸秆资源的可收集量（表1）。

3.2 不同利用方式下新疆主要農作物秸秆能值估算结果

2010年第一次全国农业污染源普查结果显示，新疆各种农作物秸秆丢弃不用、田间焚烧量占总量的3.22%，秸秆直接还田量占总量的24.07%，秸秆肥料化利用量占总量的 1.29%，秸秆饲料化利用量占总量的53.04%，用于生活燃料的秸秆量占总量的14.30%，秸秆的其他形式用量占总量的4.08%，秸秆的综合利用率为72.71%，与2020年秸秆综合利用率85%以上的目标还有较大的距离。根据上述秸秆综合利用比例估算出不同利用方式所消耗的棉花、小麦、玉米秸秆量（表2）和不同利用方式下棉花、小麦、玉米秸秆的能值构成（表3），根据表3绘制出2005—2014年新疆主要农作物（棉花、小麦、玉米）秸秆不同利用方式下能值的动态变化趋势，分别如图1、图2、图3所示，从图中可以看出，棉花秸秆总能值从2009年出现下滑，但下降不明显，2011年开始又呈上升趋势，10年间，小麦、玉米秸秆的总能值变化幅度没有棉花秸秆总能值的变化幅度大。

3.2.1 秸秆饲料化利用

农作物光合作用产物的50%以上都存在于其秸秆中，农作物秸秆富含有机质、氮、磷、钾、钙、镁等多种营养成分，营养价值丰富。研究显示，1 t普通秸秆的营养价值与0.25 t粮食的营养价值相当。通过青贮、氨化、微贮等处理技术可大大增加秸秆饲料的营养价值，升值的部分可能是农民辛苦种植出来的粮食价值的3～5倍。新疆区域秸秆饲料化利用的量约占总量的一半，部分地区畜牧业大户采用秸秆青贮养畜技术，有效解决了春、冬季饲草短缺的问题。随着近年来新疆草食牲畜养殖的规模化发展，裹包青贮、颗粒饲料、压块饲料等秸秆商品饲料有非常广阔的应用前景。

3.2.2 秸秆直接还田利用

秸秆直接还田是最简单、最易于推广和操作的一种秸秆利用方式。秸秆直接还田可以提高土壤的有效肥力，对改善土壤理化性状、氮元素的固定和保存均有较大的作用。新疆区域秸秆直接还田量占总量的 24.07%，目前主要以机械埋压、高茬收割、套种等秸秆直接还田技术为主，今后须加强运用生态系统理论和方法研究秸秆直接还田方面的问题。

3.2.3 秸秆肥料化利用

新疆区域秸秆肥料化利用量仅占总量的1.29%，所占比例较小。秸秆直接还田对环境、土壤、后茬作物的产量和质量会造成一定的影响，因此，加大政策引导与技术扶持，打破成本瓶颈，改粗肥还田为精肥还田，促进秸秆肥料化利用技术的快速发展就显得尤为重要。

3.2.4 秸秆作生活燃料利用

秸秆能源化主要包括秸秆固化成型、气化、炭化、秸秆发电、秸秆直接用作生活燃料等。据测算，2 t秸秆的热值相当于1 t标准煤的热值，秸秆用于生活燃料的量占总量的14.30%。

3.2.5 焚烧及其他

研究区秸秆的处理方式，除上述几种外，秸秆丢弃不用和田间焚烧及其他用量分别占总量的322%、4.08%。

秸秆露天焚烧问题已引起研究区各级政府部门的高度重视，但秸秆任意丢弃、遍地焚烧现象屡禁不止，亟待有关部门采取有效措施解决秸秆焚烧带来的资源浪费与

环境污染等问题。endprint

3.3 秸秆人均生态足迹分析

根据公式（3）和公式（4）计算出2005—2014年新疆棉花、小麦、玉米秸秆资源的人均生态承载力和棉花、小麦、玉米秸秆不同处理方式的人均生态足迹。由表4可知，2005—2014年期间，除2006年小麦秸秆人均总生态足迹小于人均总生态承载力（即生态盈余）外，其他年份3种作物（棉花、小麦、玉米）秸秆利用的人均总生态足迹均大于对应的人均总生态承载力， 均表现为人均生态赤字。 由于棉花、 小麦、玉米

秸秆不同利用方式下利用比例数据收集相对困难，计算时未对棉花、小麦、玉米秸秆的使用比例进行区分，是按照2010年第一次全国农业污染源普查结果，假定三者使用比例相同进行模糊量化换算。因此，棉花、小麦、玉米秸秆不同利用方式下人均生态足迹均表现为饲料化>还田>生活燃料>其他>焚烧>肥料化。

4 结论与讨论

2005—2014年新疆主要农作物（棉花、小麦、玉米）秸秆利用的人均总生态足迹为2.622 hm2，人均总生态承载力为2.318 hm2，人均总生态赤字为0.304 hm2；年均生态足迹为0.087 hm2，[CM（21]年均生态承载力为[KG*8]0.077[KG*3]hm2，年均生态赤字为

0.010 hm2。新疆主要农作物（棉花、小麦、玉米）秸秆资源的利用超出了该区域生态经济系统的承载能力，表明该区域秸秆资源利用不合理，今后对新疆主要农作物秸秆资源的利用须进一步科学规划，坚持适度利用，不断提高秸秆资源的有效综合利用率。

本研究在计算2005—2014年新疆主要农作物（棉花、小麦、玉米）秸秆综合利用人均生态足迹时，由于研究区域农田生物资源的复杂多样和不同利用方式下3种秸秆的利用比例数据收集有难度，因此秸秆可收集系数、能值转换率、不同利用方式下秸秆的使用比例等数据的选取可能与实际值存在一定的差异，导致计算结果存在一定的误差。但总体而言，能值生态足迹方法有其理论的先进性，研究结果基本可以客观真实地反映新疆主要农作物（棉花、小麦、玉米）秸秆资源的利用状况， 为新疆秸秆资源的有效综合利用提供了一定的科学

依据，可为政府决策部门制定相关政策提供可靠的参考。

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