基于能值理論的新疆主要農(nóng)作物秸稈綜合利用生態(tài)足跡分析

邊艷霞+陳立強(qiáng)+王鵬程+張翠燕

摘要： 運(yùn)用能值分析與生態(tài)足跡相結(jié)合的方法，對(duì)新疆2005—2014年主要農(nóng)作物（棉花、小麥、玉米）秸稈資源的各種利用方式進(jìn)行評(píng)估，分析新疆主要農(nóng)作物秸稈綜合利用的人均生態(tài)足跡及人均生態(tài)承載力。結(jié)果顯示，近10年來新疆主要農(nóng)作物（棉花、小麥、玉米）秸稈利用的人均總生態(tài)足跡為2.622 hm2，人均總生態(tài)承載力為2.318 hm2，人均總生態(tài)赤字為0.304 hm2，年均生態(tài)足跡為0.087 hm2，年均生態(tài)承載力為0.077 hm2，年均生態(tài)赤字值為 0.010 hm2。新疆主要農(nóng)作物秸稈資源的利用超出了該區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)承載力，表明該區(qū)域秸稈資源利用不合理。因此，今后對(duì)新疆主要農(nóng)作物秸稈資源的利用須進(jìn)一步科學(xué)地規(guī)劃，堅(jiān)持適度利用；同時(shí)分析新疆主要農(nóng)作物秸稈資源綜合利用生態(tài)足跡的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)干旱區(qū)農(nóng)業(yè)秸稈資源的高效循環(huán)利用管理和健康發(fā)展奠定了一定的理論基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變也提供了有益的嘗試和探索。

關(guān)鍵詞： 能值理論；秸稈綜合利用；生態(tài)足跡；新疆；生態(tài)承載力；生態(tài)赤字

中圖分類號(hào)： S181 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）22-0269-05

農(nóng)作物秸稈是農(nóng)業(yè)廢棄物的一種，它是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展的寶貴資源，其綜合利用對(duì)可再生資源的高效利用和可持續(xù)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重要作用。目前，我國秸稈綜合利用取得了一定的成效，但其綜合利用效率仍較低，廢棄秸稈已成為我國重要的面源污染源。2011年中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會(huì)、中華人民共和國農(nóng)業(yè)部、中華人民共和國財(cái)政部印發(fā)了《“十二五”農(nóng)作物秸稈綜合利用實(shí)施方案》，要求2015年力爭秸稈綜合利用率超過80%，基本建立較完善的秸稈田間處理、收集、儲(chǔ)運(yùn)體系，形成布局合理、多元綜合產(chǎn)業(yè)化利用格局；2015年中央一號(hào)文件強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)農(nóng)業(yè)生態(tài)治理，提出開展秸稈、畜禽糞便資源化利用，大力推動(dòng)農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展；2016年《第十二屆全國人民代表大會(huì)第四次會(huì)議關(guān)于政府工作報(bào)告的決議（草案）》提出進(jìn)一步鼓勵(lì)秸稈資源化綜合利用，限制直接焚燒秸稈。新疆地域廣大，作物種類繁多，農(nóng)作物秸稈表現(xiàn)出分布廣、產(chǎn)量大、有效利用率低等特點(diǎn)，因此，大力開展秸稈多層次生態(tài)高值化（肥料化、飼料化、基料化、原料化、能源化）合理利用，對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)民增收、秸稈綜合利用的規(guī)?；皩?shí)現(xiàn)區(qū)域秸稈資源經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)環(huán)境效益的共贏都具有重要的意義。

能值分析理論是以能值為基準(zhǔn)，把生態(tài)系統(tǒng)或生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中各種不可比較的能量轉(zhuǎn)換成同一標(biāo)準(zhǔn)的能值來比較與分析，以評(píng)價(jià)其在系統(tǒng)中的作用和功能。生態(tài)足跡指生產(chǎn)任何已知人口（某個(gè)個(gè)人、一個(gè)城市或一個(gè)國家）所消耗的所有資源和吸納這些人口所產(chǎn)生的所有廢棄物所需的陸地和水域總面積[1]。傳統(tǒng)的生態(tài)足跡理論在國家、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展研究等領(lǐng)域得到了國內(nèi)外學(xué)者的應(yīng)用[2]，但傳統(tǒng)的生態(tài)足跡模型只能進(jìn)行靜態(tài)分析，且產(chǎn)量因子與均衡因子的確定都欠缺合理性，對(duì)區(qū)域真實(shí)發(fā)展情況的反映存在一定的誤差。

基于能值理論的生態(tài)足跡把各種不同類型、不同等級(jí)的能量流通過能值轉(zhuǎn)換率換算成可以衡量各種能量的太陽能值[3]，再利用能值密度將各消費(fèi)項(xiàng)目的太陽能值換算成相對(duì)應(yīng)的生物生產(chǎn)性土地面積，計(jì)算出研究區(qū)域的生態(tài)足跡和生態(tài)承載力[4]，克服了傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型折算不同種類資源消耗時(shí)所引入的誤差，大大提高了模型的準(zhǔn)確性。目前，我國學(xué)者已采用此方法對(duì)許多地域的生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了研究[5]。邊淑娟等將能值生態(tài)足跡分析方法運(yùn)用到農(nóng)作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物的綜合利用上，分別對(duì)福建省農(nóng)業(yè)廢棄物和成都平原稻麥秸稈綜合利用方式進(jìn)行了評(píng)估[6-7]。

目前，關(guān)于新疆生態(tài)足跡的研究較少，僅有少數(shù)學(xué)者對(duì)新疆發(fā)展及部分區(qū)域狀況等進(jìn)行了生態(tài)足跡分析[8]，運(yùn)用能值生態(tài)足跡方法對(duì)新疆秸稈資源綜合利用的合理性的研究報(bào)道比較少見。因此，本研究以2005—2014年《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》[9]中新疆主要農(nóng)作物（棉花、小麥、玉米）的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算出棉花、小麥、玉米秸稈資源的可收集利用量，通過能值轉(zhuǎn)換率得到對(duì)應(yīng)的棉花、小麥、玉米秸稈能值量，再利用全國及區(qū)域秸稈能值密度將消耗的能值換算成相應(yīng)的生物生產(chǎn)性面積，計(jì)算出新疆棉花、小麥、玉米秸稈資源不同利用方式的生態(tài)足跡，進(jìn)而評(píng)價(jià)新疆棉花、小麥、玉米秸稈利用的合理性，以期為區(qū)域秸稈資源的合理利用提供一定的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

新疆位于中國的西北部，地處34°25′～48°10′N，73°40′～96°18′E，面積約為166萬km2，占我國陸地總面積的1/6。全年日照時(shí)數(shù)達(dá)2 550～3 500 h，年總輻射量達(dá)5 000～6 490 MJ/m2，僅次于青藏高原而位居全國第2。新疆年均降水量僅為150 mm，氣候干燥，區(qū)域分異性明顯，是我國目前面積最大的干旱、半干旱荒漠區(qū)，生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱。新疆農(nóng)作物品種多，主要以棉花、小麥、玉米為主，秸稈資源豐富。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)資料來源主要有2個(gè)部分：（1）研究區(qū)主要農(nóng)作物棉花、小麥、玉米播種面積、產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)人口數(shù)量等數(shù)據(jù)均來自2005—2014年《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》[9]；全國棉花、小麥、玉米的產(chǎn)量和播種面積等數(shù)據(jù)來自2015年《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》[10]；秸稈的利用方式等相關(guān)數(shù)據(jù)來自第一次全國農(nóng)業(yè)污染源普查結(jié)果（2010年）及相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料[11]。（2）草谷比（農(nóng)作物秸稈發(fā)生量與作物產(chǎn)量之間的比例）、秸稈能值轉(zhuǎn)化率、太陽能值轉(zhuǎn)化率、能量折算系數(shù)、能值轉(zhuǎn)換率等數(shù)據(jù)參考相關(guān)文獻(xiàn)。

2 各指標(biāo)的計(jì)算方法

2.1 新疆主要農(nóng)作物秸稈可收集利用量計(jì)算

根據(jù)新疆主要農(nóng)作物（棉花、小麥、玉米）的產(chǎn)量可計(jì)算出農(nóng)作物秸稈可收集利用量，計(jì)算公式如下：endprint

式中：S表示棉花、小麥、玉米秸稈可收集利用量；Q表示棉花、小麥、玉米作物產(chǎn)量；r1表示秸稈草谷比，參照新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第六師棉花草谷比實(shí)際測算結(jié)果和小麥、玉米草谷比種植試驗(yàn)結(jié)果，棉花、小麥、玉米的草谷比分別取值為5.00、1.30、1.10；r2為秸稈可收集利用系數(shù)，參考新疆農(nóng)業(yè)相關(guān)政策和具體實(shí)際情況，棉花秸稈可收集利用系數(shù)取值為0.90，小麥、玉米秸稈可收集利用系數(shù)取值為0.83[12]。

2.2 新疆主要農(nóng)作物秸稈能值估算

依據(jù)棉花、小麥、玉米秸稈能量折算系數(shù)和太陽能值轉(zhuǎn)換率可計(jì)算出秸稈能值量，計(jì)算公式如下：

式中：E表示棉花、小麥、玉米秸稈的能值量，sej；Q表示棉花、小麥、玉米秸稈的可收集利用量，t；CV表示秸稈能量折算系數(shù)（熱值），棉花、小麥、玉米秸稈的熱值分別取值為1.83×1010、1.597×1010、1.62×1010 J/t；t為秸稈能值轉(zhuǎn)換率，取值為4.53×104 sej/J[13]。

2.3 新疆主要農(nóng)作物秸稈人均生態(tài)足跡分析

依據(jù)能值生態(tài)足跡分析方法，按照秸稈不同利用方式的比率及公式（1）計(jì)算出棉花、小麥、玉米秸稈不同利用方式的秸稈利用量，再按照公式（2）計(jì)算出不同利用方式的總能值，進(jìn)而計(jì)算得出棉花、小麥、玉米秸稈的人均生態(tài)承載力，計(jì)算公式如下：

式中：Ec表示棉花、小麥、玉米秸稈的人均生態(tài)承載力；Ea表示新疆人均消耗棉花、小麥、玉米秸稈的理論能值；q表示人均棉花、小麥、玉米秸稈生產(chǎn)量；t表示棉花、小麥、玉米秸稈能值轉(zhuǎn)換率；ρ1表示全國棉花、小麥、玉米秸稈能值密度；E表示全國棉花、小麥、玉米秸稈的總能值；S表示全國棉花、小麥、玉米的播種面積。最后計(jì)算出棉花、小麥、玉米秸稈不同利用方式的人均生態(tài)足跡，計(jì)算公式如下：

式中：Ef表示棉花、小麥、玉米秸稈不同處理方式的人均生態(tài)足跡；i表示秸稈處理方式種類；efi表示第i種棉花、小麥、玉米秸稈處理方式的人均生態(tài)足跡；ei表示第i種棉花、小麥、玉米秸稈處理方式的人均能值；ρ2表示棉花、小麥、玉米秸稈的能值密度，等于棉花、小麥、玉米秸稈總能值與棉花、小麥、玉米播種面積之比值。根據(jù)結(jié)果得出棉花、小麥、玉米秸稈的生態(tài)赤字或盈余，評(píng)價(jià)新疆棉花、小麥、玉米秸稈利用的合理性。

3 結(jié)果與分析

3.1 新疆主要農(nóng)作物秸稈可收集利用量

新疆棉花、小麥、玉米播種面積占農(nóng)作物總播種面積的比例較大，其秸稈產(chǎn)出量也較大。由公式（1）計(jì)算出新疆2005—2014年主要農(nóng)作物秸稈資源的可收集量（表1）。

3.2 不同利用方式下新疆主要農(nóng)作物秸稈能值估算結(jié)果

2010年第一次全國農(nóng)業(yè)污染源普查結(jié)果顯示，新疆各種農(nóng)作物秸稈丟棄不用、田間焚燒量占總量的3.22%，秸稈直接還田量占總量的24.07%，秸稈肥料化利用量占總量的 1.29%，秸稈飼料化利用量占總量的53.04%，用于生活燃料的秸稈量占總量的14.30%，秸稈的其他形式用量占總量的4.08%，秸稈的綜合利用率為72.71%，與2020年秸稈綜合利用率85%以上的目標(biāo)還有較大的距離。根據(jù)上述秸稈綜合利用比例估算出不同利用方式所消耗的棉花、小麥、玉米秸稈量（表2）和不同利用方式下棉花、小麥、玉米秸稈的能值構(gòu)成（表3），根據(jù)表3繪制出2005—2014年新疆主要農(nóng)作物（棉花、小麥、玉米）秸稈不同利用方式下能值的動(dòng)態(tài)變化趨勢，分別如圖1、圖2、圖3所示，從圖中可以看出，棉花秸稈總能值從2009年出現(xiàn)下滑，但下降不明顯，2011年開始又呈上升趨勢，10年間，小麥、玉米秸稈的總能值變化幅度沒有棉花秸稈總能值的變化幅度大。

3.2.1 秸稈飼料化利用

農(nóng)作物光合作用產(chǎn)物的50%以上都存在于其秸稈中，農(nóng)作物秸稈富含有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀、鈣、鎂等多種營養(yǎng)成分，營養(yǎng)價(jià)值豐富。研究顯示，1 t普通秸稈的營養(yǎng)價(jià)值與0.25 t糧食的營養(yǎng)價(jià)值相當(dāng)。通過青貯、氨化、微貯等處理技術(shù)可大大增加秸稈飼料的營養(yǎng)價(jià)值，升值的部分可能是農(nóng)民辛苦種植出來的糧食價(jià)值的3～5倍。新疆區(qū)域秸稈飼料化利用的量約占總量的一半，部分地區(qū)畜牧業(yè)大戶采用秸稈青貯養(yǎng)畜技術(shù)，有效解決了春、冬季飼草短缺的問題。隨著近年來新疆草食牲畜養(yǎng)殖的規(guī)?；l(fā)展，裹包青貯、顆粒飼料、壓塊飼料等秸稈商品飼料有非常廣闊的應(yīng)用前景。

3.2.2 秸稈直接還田利用

秸稈直接還田是最簡單、最易于推廣和操作的一種秸稈利用方式。秸稈直接還田可以提高土壤的有效肥力，對(duì)改善土壤理化性狀、氮元素的固定和保存均有較大的作用。新疆區(qū)域秸稈直接還田量占總量的 24.07%，目前主要以機(jī)械埋壓、高茬收割、套種等秸稈直接還田技術(shù)為主，今后須加強(qiáng)運(yùn)用生態(tài)系統(tǒng)理論和方法研究秸稈直接還田方面的問題。

3.2.3 秸稈肥料化利用

新疆區(qū)域秸稈肥料化利用量僅占總量的1.29%，所占比例較小。秸稈直接還田對(duì)環(huán)境、土壤、后茬作物的產(chǎn)量和質(zhì)量會(huì)造成一定的影響，因此，加大政策引導(dǎo)與技術(shù)扶持，打破成本瓶頸，改粗肥還田為精肥還田，促進(jìn)秸稈肥料化利用技術(shù)的快速發(fā)展就顯得尤為重要。

3.2.4 秸稈作生活燃料利用

秸稈能源化主要包括秸稈固化成型、氣化、炭化、秸稈發(fā)電、秸稈直接用作生活燃料等。據(jù)測算，2 t秸稈的熱值相當(dāng)于1 t標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值，秸稈用于生活燃料的量占總量的14.30%。

3.2.5 焚燒及其他

研究區(qū)秸稈的處理方式，除上述幾種外，秸稈丟棄不用和田間焚燒及其他用量分別占總量的322%、4.08%。

秸稈露天焚燒問題已引起研究區(qū)各級(jí)政府部門的高度重視，但秸稈任意丟棄、遍地焚燒現(xiàn)象屢禁不止，亟待有關(guān)部門采取有效措施解決秸稈焚燒帶來的資源浪費(fèi)與

環(huán)境污染等問題。endprint

3.3 秸稈人均生態(tài)足跡分析

根據(jù)公式（3）和公式（4）計(jì)算出2005—2014年新疆棉花、小麥、玉米秸稈資源的人均生態(tài)承載力和棉花、小麥、玉米秸稈不同處理方式的人均生態(tài)足跡。由表4可知，2005—2014年期間，除2006年小麥秸稈人均總生態(tài)足跡小于人均總生態(tài)承載力（即生態(tài)盈余）外，其他年份3種作物（棉花、小麥、玉米）秸稈利用的人均總生態(tài)足跡均大于對(duì)應(yīng)的人均總生態(tài)承載力， 均表現(xiàn)為人均生態(tài)赤字。 由于棉花、 小麥、玉米

秸稈不同利用方式下利用比例數(shù)據(jù)收集相對(duì)困難，計(jì)算時(shí)未對(duì)棉花、小麥、玉米秸稈的使用比例進(jìn)行區(qū)分，是按照2010年第一次全國農(nóng)業(yè)污染源普查結(jié)果，假定三者使用比例相同進(jìn)行模糊量化換算。因此，棉花、小麥、玉米秸稈不同利用方式下人均生態(tài)足跡均表現(xiàn)為飼料化>還田>生活燃料>其他>焚燒>肥料化。

4 結(jié)論與討論

2005—2014年新疆主要農(nóng)作物（棉花、小麥、玉米）秸稈利用的人均總生態(tài)足跡為2.622 hm2，人均總生態(tài)承載力為2.318 hm2，人均總生態(tài)赤字為0.304 hm2；年均生態(tài)足跡為0.087 hm2，[CM（21]年均生態(tài)承載力為[KG*8]0.077[KG*3]hm2，年均生態(tài)赤字為

0.010 hm2。新疆主要農(nóng)作物（棉花、小麥、玉米）秸稈資源的利用超出了該區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的承載能力，表明該區(qū)域秸稈資源利用不合理，今后對(duì)新疆主要農(nóng)作物秸稈資源的利用須進(jìn)一步科學(xué)規(guī)劃，堅(jiān)持適度利用，不斷提高秸稈資源的有效綜合利用率。

本研究在計(jì)算2005—2014年新疆主要農(nóng)作物（棉花、小麥、玉米）秸稈綜合利用人均生態(tài)足跡時(shí)，由于研究區(qū)域農(nóng)田生物資源的復(fù)雜多樣和不同利用方式下3種秸稈的利用比例數(shù)據(jù)收集有難度，因此秸稈可收集系數(shù)、能值轉(zhuǎn)換率、不同利用方式下秸稈的使用比例等數(shù)據(jù)的選取可能與實(shí)際值存在一定的差異，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果存在一定的誤差。但總體而言，能值生態(tài)足跡方法有其理論的先進(jìn)性，研究結(jié)果基本可以客觀真實(shí)地反映新疆主要農(nóng)作物（棉花、小麥、玉米）秸稈資源的利用狀況， 為新疆秸稈資源的有效綜合利用提供了一定的科學(xué)

依據(jù)，可為政府決策部門制定相關(guān)政策提供可靠的參考。

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