中國玉米秸稈資源量估算及其自然適宜性評價*

左 旭，王紅彥，王亞靜，王 磊，景 麗，王道龍

(1．中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081;2．河南省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與信息研究所，鄭州 450002)

玉米秸稈是玉米收獲后的副產(chǎn)物，主要包括玉米的莖稈、葉梢及芯。該研究中玉米秸稈僅指玉米的莖稈與葉梢，不考慮玉米芯。玉米秸稈富含碳、氮、磷、鉀、碳水化合物及有機質(zhì)，蛋白質(zhì)與脂肪也占有一定比例，基本組織構(gòu)成以纖維素、中纖維素及木質(zhì)素為主［1-2］，在飼料、肥料、燃料、食用菌基料、加工原料等方面具有很高的開發(fā)利用價值。我國玉米秸稈資源數(shù)量大、分布廣，合理高效開發(fā)利用玉米秸稈資源對于資源節(jié)約、環(huán)境保護及農(nóng)民增收具有重大意義。目前國內(nèi)關(guān)于玉米草谷比系統(tǒng)考證的文獻較為少見，已有的研究對玉米草谷比取值差異較大，取值范圍大約在0．9～2．0之間［3-11］，從而導致對玉米秸稈資源數(shù)量估算結(jié)果差異也較大?？傮w來看，較早時期關(guān)于玉米草谷比的考證取值較近10年來依據(jù)玉米種植試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計出的玉米草谷比取值偏高。在玉米秸稈資源的適宜性方面，目前國內(nèi)已有大量的文獻對玉米秸稈資源在飼料、肥料、燃料、食用菌基料、工業(yè)原料方面的利用途徑及開發(fā)現(xiàn)狀進行了分析與闡述，但很少圍繞玉米秸稈資源的自然適宜性進行系統(tǒng)評價。王亞靜等［12］就玉米秸稈在“五料 (燃料、飼料、肥料、工業(yè)原料、食用菌基料)化”利用方面的適宜性進行了評價，但并未評價其新型能源化開發(fā)利用的適宜性。楊連玉等分析指出［13］，秸稈可作為反芻動物飼料、食用菌及單細胞蛋白基質(zhì)料、生活能源或工業(yè)原料、秸稈直接還田或用于編織手工藝品的材料等，并指出解決好玉米秸稈的有效利用問題應(yīng)以土地為基礎(chǔ)，反芻動物生產(chǎn)為其調(diào)節(jié)核心，兼顧豬禽飼料與工業(yè)用糧生產(chǎn)，但并未就玉米秸稈的自然適宜性進行分級評價。該研究利用文獻研究法，通過對大量實驗數(shù)據(jù)的遴選，對玉米草谷比進行了較為全面的考證，并對玉米秸稈資源在“五料化”利用方面的自然適宜性進行分級評價，以期為提高我國玉米秸稈資源化、高值化利用水平作出有益探索。

1 研究方法

1.1 玉米秸稈估算方法與參數(shù)確定

在玉米草谷比與玉米產(chǎn)量已知的條件下，可用公式 (1)計算玉米秸稈產(chǎn)量:

式中，Wcornstraw是指玉米秸稈產(chǎn)量;Wcorn是指玉米產(chǎn)量;Rcornstraw是指玉米草谷比。

公式中的玉米產(chǎn)量可通過統(tǒng)計資料查詢，玉米草谷比則需要進一步考證。該研究對大量的相關(guān)文獻進行了遴選，共獲得發(fā)表于1996～2009年間的41篇文獻的326個有效的玉米草谷比樣本數(shù)據(jù)。依據(jù)種植試驗文獻獲取的玉米草谷比樣本數(shù)據(jù)的平均值為1．09，標準差為0．25，即其主要變動范圍為1．09±0．25(表1)。該平均估算值僅高于賈小黎、李成柱［7］0．9的取值，普遍小于其他文獻中的取值，如牛若峰、劉天福［8］的《農(nóng)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟手冊》與全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心編著的《中國有機肥料養(yǎng)分志》［4］中均將玉米草谷比取值為1．2(表2)，李京京等［3］與鐘華平等［5］的取值更高，達到2．0。對比大量的樣本數(shù)值發(fā)現(xiàn)，隨著玉米品種及生產(chǎn)技術(shù)的更新，玉米草谷比數(shù)值總體呈逐漸變小趨勢，這與胡昌浩［14］等的論述一致。

表1 不同文獻中玉米草谷比取值比較

1.2 玉米秸稈自然適宜性評價的方法

農(nóng)作物秸稈可用于多種用途。在既定的條件下，決定一種秸稈最適宜于用作何種用途為最優(yōu)選擇，既要考慮秸稈本身的自然特征，又要考慮利用技術(shù)的技術(shù)成熟度，還要考慮經(jīng)濟效益與社會效益。該文將對玉米秸稈的自然適宜性進行分級評價。秸稈自然適宜性即在現(xiàn)實技術(shù)經(jīng)濟水平條件下，由玉米秸稈本身的自然特性，如質(zhì)地、密度、碳氮比、養(yǎng)分含量、熱值等，所決定的在其各種利用途徑上的適宜程度。用于各種用途的玉米秸稈可被劃分為不同的適宜級別，如最適宜、一般適宜、次適宜等。

2 玉米秸稈資源量估算結(jié)果

表2 部分省區(qū)玉米秸稈資源量估算所采用的草谷比

綜合考慮玉米草谷比樣本平均估算值與玉米草谷比變動趨勢等因素，該研究將玉米草谷比取值為 1．10。

根據(jù)公式 (1)估算2013年我國玉米秸稈資源總量為2．403 368億t，占全國秸稈總產(chǎn)量的24．17%，居全國各類農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量之首。玉米秸稈居全國前10名的省區(qū)分別是黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古、山東、河南、河北、遼寧、山西、四川及云南，其產(chǎn)量合計為 1．929 906億 t，占全國玉米秸稈總產(chǎn)量的 80．30%。

3 玉米秸稈資源自然適宜性評價

3.1 玉米秸稈資源可燃性評價

可燃性是生物質(zhì)的基本特性。一般我們將秸稈燃用的適宜性劃分為最適宜、一般適宜、次適宜、不適宜4級。

玉米秸稈的平均熱值為14 437kJ/kg，略高于秸稈的平均熱值 (14 226kJ/kg，秸稈含水率15%左右)，比薪材的平均熱值 (15 502kJ/kg，薪材濕度15%)低7．4%，相當于標準煤熱值的49．2%，即2kg玉米秸稈約折合1kg標準煤。

秸稈耐燃性能主要取決于其木質(zhì)化程度，木質(zhì)化程度越高耐燃性越強，反之亦然。從木質(zhì)素含量看，棉稈＞玉米秸＞麥秸與稻草，其耐燃性能排序亦相同。

綜上，將玉米秸稈的燃用的適宜性劃分為一般適宜級別 (表3)。2013年在我國可收集利用的玉米秸稈總量為2．211 099億t，可折合1．087 8億t標準煤。

3.2 玉米秸稈資源新型能源化開發(fā)利用自然適宜性評價

該研究將秸稈新型能源化開發(fā)利用的自然適宜性按利用方式劃分為“三化一電”自然適宜性評價(即秸稈固化、炭化、氣化、發(fā)電)與生物氣化(即沼氣生產(chǎn))自然適宜性評價。秸稈用于“三化一電”與生物氣化的自然適宜性受多種因素的影響，如秸稈的自然特性、秸稈收貯運及粉碎加工的難易程度等。

表3 玉米秸稈資源自然適宜性評價

3．2．1 玉米秸稈資源“三化一電”自然適宜性評價

根據(jù)秸稈收貯運以及粉碎加工、可固化成型的難易程度，可將秸稈“三化一電”的自然適宜性劃分為適宜、較適宜及不適宜3個級別。該分級情況按照高位就序的原則進行分級歸類，只要秸稈在“三化一電”利用方式中有一項為最適宜，即認為其在“三化一電”適宜性中屬于最適宜級別。

根據(jù)玉米秸稈的密度、耐燃性、粉碎加工及可固化成型等難易程度等特征，應(yīng)將其劃分為較適宜“三化一電”級別。

3．2．2 玉米秸稈資源生物氣化自然適宜性評價

秸稈生物氣化即秸稈沼氣的自然適宜性主要根據(jù)秸稈的C:N、產(chǎn)氣率、木質(zhì)素含量、吸水性能等自然特征進行評價。根據(jù)上述自然特征，可將秸稈沼氣生產(chǎn)的自然適宜性劃分為最適宜、適宜、次適宜及不適宜4個級別。

由中華人民共和國國家標準《農(nóng)村家用沼氣發(fā)酵工藝規(guī)程 (GB9958-88)》可知，在中溫發(fā)酵條件下，玉米秸、麥秸、稻草與豬糞、人糞的產(chǎn)氣量基本相當，其中玉米秸、麥秸略高于后兩者，稻草略低于后兩者。這說明，數(shù)量最多的玉米秸稈是良好的沼氣發(fā)酵原料。在常溫發(fā)酵條件下，玉米秸的產(chǎn)氣量明顯高于豬糞。

此外，在其它條件都具備的情況下，C:N配成25:1～30:1可以使沼氣發(fā)酵在合適的速度下進行。玉米秸的C:N是沼氣發(fā)酵原料最適宜C:N的1．77～2．12倍。以玉米秸為主要原料的農(nóng)村戶用沼氣池，采用混合原料發(fā)酵工藝制取沼氣時往往需要加入糞便或另外添加尿素或碳酸氫銨等化學物質(zhì)來調(diào)節(jié)發(fā)酵原料的C:N。

秸稈木質(zhì)素含量越高，越不利于沼氣生產(chǎn)。農(nóng)作物秸稈化學成分與木質(zhì)材料十分相似，都具有豐富的纖維素與木質(zhì)素。玉米秸稈木質(zhì)素含量較高，上部、中部及下部木質(zhì)素含量均值為14．44%［15］。在發(fā)酵前對玉米秸要采取切斷、粉碎、堆漚等方法進行處理，目的在于破壞秸稈中的蠟質(zhì)與木質(zhì)素，使纖維變得松散、裸漏，以利于微生物的分解利用。此外，玉米秸易漂浮結(jié)殼，一般需要為玉米秸稈沼氣添加攪拌設(shè)備，或?qū)τ衩捉斩掃M行一定的預(yù)處理。

由此，在生物氣化方面，玉米秸稈應(yīng)被劃分為適宜級別。截止2013年，全國共有秸稈沼氣集中供氣工程434處，其中至少一半以上以玉米秸稈為主要發(fā)酵原料。

3.3 玉米秸稈資源可飼性評價

秸稈資源的可飼性評價分為可直接飼喂性評價與可加工飼喂性評價兩個部分。該研究根據(jù)各類秸稈直接飼喂的適口性及其作為飼料的營養(yǎng)成分含量，把所有秸稈直接飼喂的適宜性劃分為3級:適宜、較適宜及不適宜;根據(jù)各類秸稈在現(xiàn)實經(jīng)濟技術(shù)條件下可加工飼喂的可能性，把所有秸稈劃分為2級:適宜與不適宜加工飼喂的秸稈。

秸稈在自然狀態(tài)條件下是一種劣質(zhì)飼料。在實際生產(chǎn)中，玉米秸、稻草、麥秸、薯秧、花生秧經(jīng)常用作飼料。玉米秸稈中所含消化能約為2 235．7kJ/kg、干物質(zhì)83．6%、粗蛋白6．3%、粗脂肪1．2%、粗纖維33．2%、無氮浸出物33．1%、灰分9．8%，其總能量與牧草相似［16］。但是玉米秸稈粗纖維含量高，直接飼喂適口性差，需要進行加工以提高其飼用價值，如秸稈青貯、微貯、氨化、揉搓絲化、壓塊及顆粒飼料加工等。通過這些加工工藝，可有效改善秸稈的適口性與營養(yǎng)成分，提高秸稈采食率與轉(zhuǎn)化效率，提高秸稈直接飼喂的可適宜程度。

需要注意的是，同一種秸稈的不同部位的可飼性也有一定的差別。例如，有些秸稈的莖桿適口性較差，不適宜喂養(yǎng)牲畜，但葉梢、細枝部分卻是優(yōu)良的飼料。

綜合以上諸多因素，玉米莖稈當劃分為較適宜直接飼喂與適宜加工飼喂級別，玉米葉梢則屬于適宜直接飼喂與適宜加工飼喂級別。

3.4 玉米秸稈資源直接還田自然適宜性評價

凡是未經(jīng)過養(yǎng)殖轉(zhuǎn)化與肥料加工，而以原物或直接粉碎后回歸土壤的秸稈都應(yīng)被稱為秸稈直接還田，基本上所有的農(nóng)作物秸稈都可直接還田。因此，該文將按照有機肥品質(zhì)分級的方法對玉米秸稈的直接還田適宜性進行分級。其中，有機肥料的品質(zhì)可分為1、2、3、4、5等5個級別，1級品質(zhì)最高，5級最低。玉米秸稈營養(yǎng)物質(zhì)豐富［4］，氮、磷含量較高，優(yōu)于麥秸與稻草，鉀含量高于麥秸、稍低于稻草。玉米秸稈的氮磷鉀元素總含量 (N+P2O5+K2O)均值達27kg/t，27kg玉米秸稈的氮磷鉀元素總含量相當于77kg氮磷鉀復(fù)合肥 (15:10:10)的養(yǎng)分總含量。2013年，全國可用于直接還田的玉米秸為2．211 099億t，相當于1 703萬t氮磷鉀復(fù)合肥 (15:10:10)的養(yǎng)分總含量。大量研究表明玉米秸稈還田能夠增加土壤有機質(zhì)含量，改善土壤理化性狀，提高蓄水保墑能力，增加糧食產(chǎn)量。

在《中國有機肥料養(yǎng)分志》［4］有機肥料品質(zhì)分級標準中，玉米秸稈屬于3級有機肥級別。

3.5 玉米秸稈資源工業(yè)加工自然適宜性評價

秸稈與木材的化學組分較為近似，都具有豐富的纖維素與木質(zhì)素，所以秸稈在許多門類可替代木材作為工業(yè)加工的原材料，如造紙、板材等。目前，我國以玉米秸稈為原料進行板材、紙漿生產(chǎn)的工業(yè)化開發(fā)目前尚處于研發(fā)階段。以紙漿生產(chǎn)為例:據(jù)張強［1］等研究，玉米秸稈皮的纖維素含量高達44．6%，有利于提高紙漿率與紙的強度;半纖維素含量約為20．58%，有利于紙漿的吸水，易于打漿;木質(zhì)素含量約為16．5%，有利于蒸煮漂白，從而提高紙張的質(zhì)量。同時，玉米秸稈清潔制漿造紙多處于試驗研究階段［17］。

3.6 玉米秸稈資源種植食用菌自然適宜性評價

玉米秸稈富含食用菌賴以生存的纖維素與木質(zhì)素等有機物，且來源廣泛、成本低，是目前食用菌生產(chǎn)中較好的原料。目前，利用玉米秸稈栽培的食用菌品種有大球蓋菇、真姬菇、平菇、草菇、雙孢菇、雞腿菇、秀珍菇等。山東省棗莊市山亭區(qū)的食用菌種植實踐表明，利用玉米秸稈栽培雙孢菇、雞腿菇等，鮮菇產(chǎn)量可達10～15kg/m2［18］。以玉米秸稈為主料栽培雙孢蘑菇產(chǎn)量可達到9．60kg/m2以上［19］。

將玉米秸稈通過堆肥、發(fā)酵等處理用于園藝植物栽培與育苗，以期替代傳統(tǒng)的草炭基質(zhì)，是玉米秸稈基料化利用的重要方向。目前，以玉米秸稈作為主要發(fā)酵材料的栽培基質(zhì)主要用于番茄、黃瓜、辣椒等設(shè)施蔬菜的生產(chǎn)。

4 討論

4.1 玉米秸稈資源的自然適宜性評價

該研究將用于包括新型能源化利用在內(nèi)的各種用途的玉米秸稈資源進行了適宜性級別的界定劃分，并估算了可用于各種用途的玉米秸稈資源量，具有一定的創(chuàng)新。但囿于篇幅所限，該文并未將玉米芯作為玉米秸稈的組成部分進行論述。玉米芯也可用于燃料、飼料、基料、工業(yè)原料等多種用途。而且，由于對玉米秸稈的定義范圍不同，最終得到的玉米秸稈資源量也會有所不同［20］。該文所計算的玉米秸稈資源量不包括玉米芯。此外，由于獲取到的不同地區(qū)的玉米草谷比的試驗數(shù)據(jù)不完整，該文暫未以各地區(qū)玉米產(chǎn)量的比重為權(quán)重估算玉米草谷比，為確保玉米草谷比估算數(shù)值盡量接近真實數(shù)值，隨著研究的不斷深入，應(yīng)加以改進。

4.2 我國玉米秸稈主產(chǎn)區(qū)的利用途徑

我國玉米秸稈資源豐富，適宜于多種用途，同時存在資源分布不均衡、地區(qū)性資源過剩等問題。不同的地區(qū)應(yīng)根據(jù)實際情況選擇適合本地區(qū)的秸稈利用模式。東北地區(qū)是我國最大的玉米秸稈產(chǎn)區(qū)，玉米秸稈產(chǎn)量達8 310．83萬t，占全國玉米秸稈總產(chǎn)量的34．6%。但長期以來，該地區(qū)玉米秸稈利用方式粗放，利用率偏低。據(jù)統(tǒng)計，2012年黑龍江、吉林及遼寧的秸稈利用率分別為75%、75．03%、65．6%，均低于河北、河南、山東、山西等玉米秸稈主產(chǎn)區(qū)。尤其是遼寧，其秸稈利用率遠低于全國74．1%的平均水平;且玉米秸稈資源利用結(jié)構(gòu)不盡合理，家庭直接燃用與焚燒仍占很大比例，直接還田比例僅為11．2%。針對東北地區(qū)玉米秸稈資源及利用現(xiàn)狀、當?shù)仄渌Y源條件及生產(chǎn)條件等因素，應(yīng)主要加強該地區(qū)飼料化(如秸稈養(yǎng)畜、過腹還田，實現(xiàn)農(nóng)牧結(jié)合)與燃料化 (如固化成型)方面的利用，加強農(nóng)村社會經(jīng)濟系統(tǒng)內(nèi)部的秸稈資源利用［21］，體現(xiàn)秸稈綜合利用的生態(tài)效益、經(jīng)濟效益及社會效益。而在黃淮海地區(qū)，則應(yīng)加強玉米秸稈資源在食用菌基料、沼氣等方面的應(yīng)用與研究，實現(xiàn)玉米秸稈資源的高值化利用。

5 結(jié)論

(1)經(jīng)過文獻考證，該研究將玉米草谷比取值為1．10。

(2)我國玉米秸稈資源豐富。2013年，全國玉米秸稈總產(chǎn)量為2．403 368億t，居全國各類農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量之首，主要分布在東北與黃淮海兩地區(qū)，該地區(qū)玉米秸稈產(chǎn)量占全國的60．42%;以省為單元，黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古、山東、河南、河北、遼寧等10省區(qū)玉米秸稈產(chǎn)量居前10位，占全國的80．30%。

(3)玉米秸稈適用性強，可用于燃料、飼料、肥料、工業(yè)原料及食用菌基料等多種用途，且在每種用途中的適宜性級別有所不同。玉米秸稈適宜用于沼氣生產(chǎn)，較適宜于“三化一電”。一般適宜于燃用。在飼料用途方面，玉米莖稈較適宜直接飼喂、適宜加工飼喂，玉米葉梢適宜直接飼喂與加工飼喂。在肥料用途方面，玉米秸稈屬于3級有機肥級別。玉米秸稈是目前食用菌生產(chǎn)中較好的原料。我國以玉米秸稈為原料進行板材、紙漿生產(chǎn)的工業(yè)化開發(fā)目前尚處于研發(fā)階段。玉米秸稈資源綜合利用應(yīng)注意合理配置資源、優(yōu)化利用結(jié)構(gòu)，將其轉(zhuǎn)化為各種優(yōu)質(zhì)的原料資源。

(4)以青貯、微貯、氨化、揉搓絲化、壓塊及顆粒飼料加工等飼料加工處理的玉米秸稈飼料化利用，以機械粉碎還田、整稈還田及過腹還田為主要內(nèi)容的玉米秸稈肥料化利用，以及玉米秸稈種植食用菌等方面，技術(shù)成熟、經(jīng)濟實用、成效顯著，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。玉米秸稈能源化利用與工業(yè)原料化利用技術(shù)前景明朗、生態(tài)友好，應(yīng)重點加強經(jīng)濟實用性研發(fā)。

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