程曼,解文艷,楊振興,向云,周懷平*,張建杰,陳斌
(1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所 土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030031; 2.山西大學(xué) 黃土高原研究所,山西 太原 030006; 3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 試驗(yàn)研究中心,山西 太原 030031)
農(nóng)作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的主要產(chǎn)物之一,含有豐富的氮、磷、鉀及中微量元素及纖維素、半纖維素和糖類等有機(jī)物質(zhì)[1]。隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量逐年增多,秸稈資源化潛力不可忽視[2-3]。然而,秸稈作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的生物質(zhì)能源并沒有得到合理的利用,我國農(nóng)業(yè)上年均秸稈產(chǎn)量約7億t[4],約23%的秸稈被露天燃燒,這使得可利用的資源更緊張,且容易造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。農(nóng)作物秸稈資源的合理利用,不僅關(guān)系到我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,還涉及農(nóng)村環(huán)境及生態(tài)環(huán)境安全,是我國農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展、農(nóng)村環(huán)境整治和農(nóng)民生活健康的必然要求。
生態(tài)足跡分析是可持續(xù)發(fā)展評價(jià)的一種重要方法,在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用和討論[5-7],但隨著研究的深入,傳統(tǒng)生態(tài)足跡分析的缺陷逐漸顯現(xiàn),如:計(jì)算中采用全球生物產(chǎn)量,誤差較大[8];模型中人類活動(dòng)對生態(tài)系統(tǒng)的影響評估不足,結(jié)果生態(tài)偏向性強(qiáng)[9]等。為此,大量學(xué)者對傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型進(jìn)行了完善和改進(jìn),基于能值理論的生態(tài)足跡分析正是基于能值理論對傳統(tǒng)生態(tài)足跡分析的改進(jìn),從能量的角度對生態(tài)承載力和生態(tài)足跡進(jìn)行了新的詮釋,首先將不同能量流通過能值轉(zhuǎn)換率換算成太陽能值[10],再利用能值密度將各消費(fèi)項(xiàng)目的太陽能值折算成對應(yīng)的生物生產(chǎn)性土地面積,從而計(jì)算出研究區(qū)域的生態(tài)足跡和生態(tài)承載力。該分析方法克服了傳統(tǒng)生態(tài)足跡折算不同種類資源消耗時(shí)候所引入的誤差,提高了生態(tài)足跡分析的準(zhǔn)確性[11-12]。目前,研究者們已經(jīng)將能值生態(tài)足跡分析方法應(yīng)用到了區(qū)域可持續(xù)發(fā)展[13-15]、生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)評估[16]和農(nóng)業(yè)廢棄物利用評估[17-19]等方面。邊淑娟等[17]和黃春等[18]分別對福建省、成都平原秸稈利用方式進(jìn)行了評估,均發(fā)現(xiàn)了區(qū)域農(nóng)作物秸稈的消納空間和不合理利用現(xiàn)象?;谀苤档纳鷳B(tài)足跡分析在評估秸稈的可持續(xù)利用方面可以客觀真實(shí)地反映區(qū)域秸稈資源的利用特征,進(jìn)而為相關(guān)政策的制定提供科學(xué)依據(jù)。
山西省農(nóng)作物秸稈資源豐富,其資源量因作物產(chǎn)量的提高呈增長趨勢,尤其是21世紀(jì)開始玉米種植面積和產(chǎn)量的大幅度提升,秸稈結(jié)構(gòu)和地區(qū)差異也發(fā)生了顯著的變化[20]。目前針對山西省秸稈資源的系統(tǒng)分析相對較少,各區(qū)域秸稈資源的數(shù)量、類型及利用特征并不清楚。基于此,本研究在估算1995年至2016年山西省主要糧食作物(小麥、玉米、豆類和薯類)秸稈可收集量的基礎(chǔ)上,分析山西省主要糧食作物秸稈的資源量和結(jié)構(gòu)的變化趨勢,并利用能值理論研究各區(qū)域秸稈利用中肥料化、飼料化、燃料化以及焚燒的生態(tài)足跡,探討各區(qū)域主要作物秸稈資源利用的生態(tài)盈余/生態(tài)赤字,為促進(jìn)山西省秸稈資源的綜合利用提供理論依據(jù)。
山西省地處華北西部的黃土高原東翼,位于110°14′~114°33′E,34°34′~40°44′N,總面積15.67×104km2,占我國總面積的1.6%。地貌復(fù)雜多樣,有山地、丘陵、高原、盆地、臺(tái)地等,其中山地和丘陵占80%,其他平川河谷占20%左右,海拔500~1 500 m。氣候類型屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均溫4.2~14.2℃,年均降雨量358~621 mm。本研究以山西省各市為單元進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析,將山西省分為晉南地區(qū)(運(yùn)城市和臨汾市),晉東南地區(qū)(長治市和晉城市)、呂梁地區(qū)(呂梁市)、晉中地區(qū)(太原市、晉中市和陽泉市)以及晉北地區(qū)(大同市、忻州市和朔州市)。
數(shù)據(jù)主要來源:(1)山西省各市主要農(nóng)作物小麥、玉米、豆類和薯類播種面積和產(chǎn)量等數(shù)據(jù)主要來源于《山西統(tǒng)計(jì)年鑒2017》[21];(2)全國小麥、玉米、豆類和薯類播種面積和產(chǎn)量等數(shù)據(jù)來源于2017年《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》[22];(3)山西省各市農(nóng)業(yè)人口數(shù)據(jù)來源于2017年山西省各市統(tǒng)計(jì)年鑒[23-33];(4)山西省各地區(qū)秸稈資源利用的數(shù)據(jù)主要來源于座談、調(diào)查問卷和實(shí)地調(diào)查,通過和山西省生態(tài)環(huán)境廳和農(nóng)業(yè)廳進(jìn)行座談,了解秸稈資源利用現(xiàn)狀,選擇典型縣市進(jìn)行實(shí)地調(diào)查和問卷調(diào)查,根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展水平、地理位置、種植制度等,采用問卷方式對縣農(nóng)委、農(nóng)機(jī)推廣站、土肥站等相關(guān)單位工作人員及農(nóng)戶進(jìn)行調(diào)查。
農(nóng)作物秸稈可收集量可依據(jù)農(nóng)作物的產(chǎn)量計(jì)算得出,具體計(jì)算公式如下[18]:
(1)
式中,S表示作物秸稈可收集量(t),Q表示作物產(chǎn)量(t),r1表示秸稈草谷比,r2表示秸稈可收集系數(shù),i代表不同的秸稈類型。作物的草谷比指農(nóng)作物地上莖稈產(chǎn)量和農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量之比,參照文獻(xiàn)[20],小麥的草谷比為1.26,玉米的草谷比為1.17,豆類的草谷比為1.6,薯類的草谷比為0.57。小麥、玉米、薯類的可收集系數(shù)按照楊海蓉所列公式進(jìn)行計(jì)算[20];參考山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械化信息,根據(jù)作物機(jī)械收獲和人工收獲的面積比例和留茬高度,估算出小麥、玉米和薯類的可收集系數(shù)分別為0.68、0.95和0.78,豆類的可收集系數(shù)參考前人研究的平均值[34-35],其可收集系數(shù)為0.84。
作物秸稈能值依據(jù)其能量折算系數(shù)和太陽能值轉(zhuǎn)換率計(jì)算得出,具體公式如下[18]:
E=S×Cv×t,
(2)
式中,E為作物秸稈的能值(sej);S表示作物秸稈的可收集量(t);Cv為秸稈能量折算系數(shù),即熱值(J/t),小麥、玉米、豆類和薯類秸稈的熱值[36],分別取值1.597×1010J/t、1.62×1010J/t、1.908×1010J/t和1.265×1010J/t;t為秸稈能值轉(zhuǎn)換率,基于全球能值基線12.1E×24 sej/y[37],利用2000年前測算的能值轉(zhuǎn)換率[10]乘以1.281 8進(jìn)行校正,取值為3.46×104sej/J。
山西省各地區(qū)農(nóng)作物秸稈人均生態(tài)承載力,由式3計(jì)算得出:
Ec=Ea/ρ1=Ea/(Eb/s) ,
(3)
式中,Ec表示山西省各地區(qū)小麥、玉米、豆類和薯類秸稈的人均生態(tài)承載力(hm2),Ea為山西省各地區(qū)人均消耗小麥、玉米、豆類和薯類秸稈的理論能值(sej),由式1和式2計(jì)算出山西省各地區(qū)小麥、玉米、豆類和薯類秸稈的理論能值,再除以各地區(qū)農(nóng)業(yè)人口得出。ρ1表示全國小麥、玉米、豆類和薯類秸稈能值密度(sej/hm2);Eb表示全國小麥、玉米、豆類和薯類秸稈的總能值(sej),s為全國小麥、玉米、豆類和薯類的播種面積(hm2)。
山西省各地區(qū)小麥、玉米、豆類和薯類秸稈不同利用方式的人均生態(tài)足跡,由式4計(jì)算得出:
(4)
式中,Ef為山西省各地區(qū)小麥、玉米、豆類和薯類秸稈不同利用方式的人均總生態(tài)足跡(hm2),i表示秸稈利用方式種類,ei為山西省各地區(qū)第i種利用方式的人均能值(sej),ρ2為山西省各地區(qū)小麥、玉米、豆類和薯類秸稈的能值密度(sej/hm2),由山西省各地區(qū)小麥、玉米、豆類和薯類秸稈的能值(sej)除以播種面積(hm2)而得。
山西省主要糧食農(nóng)作物主要有小麥、玉米、豆類和薯類。圖2為1995年至2016年山西省主要糧食作物秸稈可收集量。1995年和2000年四種秸稈可收集總量分別為733.3×104t和660.3×104t,2005年以后,秸稈總收集量均高于900×104t,且隨時(shí)間的推移呈現(xiàn)波動(dòng)上升的變化特征。其中,玉米秸稈可收集量最大,1995年到2005年為394.3×104~1 167.7×104t,占到可收集總量的59.7%~81.8%,2011年后玉米秸稈可收集量占秸稈可收集總量的80%左右。小麥秸稈可收集量基本穩(wěn)定在173.3×104~254.9×104t,占總秸稈可收集量的17.0%~31.6%。豆類和薯類秸稈可收集量較少,分別為25.6×104~68.8×104t和11.0×104~41.2×104t。
Fig.1 Collectable amounts of main crop straw in Shanxi province from 1995 to 2016圖1 1995-2016年山西省主要糧食作物秸稈可收集量變化特征
不同地區(qū)農(nóng)作物秸稈收集量分布不同(表1),晉南地區(qū)(臨汾市和運(yùn)城市)秸稈可收集量最高,為544.5×104t;晉北地區(qū)(大同市和朔州市)秸稈可收集量次之,為353.2×104t;晉東南(晉城市和長治市)和晉中地區(qū)(太原市、晉中市和陽泉市)秸稈可收集量較小,分別為242.8×104t和263.4×104t;呂梁地區(qū)(呂梁市)秸稈可收集量最小,為71.8×104t。晉南地區(qū)小麥和玉米秸稈可收集量分布較多,分別占該區(qū)秸稈可收集量的41.5%和56.7%;除此以外其他地區(qū)均以玉米秸稈可收集量最高,占總秸稈可收集量的88.4%-94.5%。
表1 山西省不同地區(qū)農(nóng)作物秸稈可收集量及利用現(xiàn)狀
山西省糧食作物秸稈的主要利用方式有:肥料化、飼料化、燃料、焚燒以及其他利用(用作食用菌基質(zhì)等)。全省范圍來看,肥料化、飼料化和燃料分別占可收集秸稈總量的32.9%、18.9%和7.0%,食用菌基質(zhì)等其他利用方式占1.5%,焚燒和堆棄的秸稈占39.8%。受地形、種植制度和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等影響,各地區(qū)秸稈利用存在一定的差異,總利用率由南向北表現(xiàn)為逐漸遞減的趨勢。晉南地區(qū)秸稈利用以秸稈還田用作肥料為主,其占總秸稈收集量的50.3%,飼料化和燃料化分別占17.0%和15.8%,焚燒和堆棄占12.6%,其他利用僅占4.2%。晉東南地區(qū)秸稈利用中焚燒和堆棄所占比重較大,為40.1%,肥料化占32.3%。晉中地區(qū)、呂梁地區(qū)和晉北地區(qū)秸稈利用率相對較低,焚燒和堆棄分別占45.7%,54.2%和59.3%。
表2 山西省各地區(qū)秸稈不同利用方式的生態(tài)足跡(×10-2 hm2)
由表2可知,山西省主要糧食作物小麥、玉米、豆類和薯類秸稈人均總生態(tài)足跡為68.197×10-2hm2,人均總生態(tài)承載力為56.121×10-2hm2,人均生態(tài)赤字達(dá)12.076×10-2hm2。山西省各地區(qū)的秸稈利用均產(chǎn)生生態(tài)赤字,晉中地區(qū)的秸稈利用人均生態(tài)赤字為3.125×10-2hm2,晉東南和晉北地區(qū)的人均生態(tài)赤字約為2.5×10-2hm2,晉南地區(qū)和呂梁地區(qū)的人均生態(tài)赤字分別為1.935×10-2hm2和1.800×10-2hm2。從秸稈類型來看,除了晉東南地區(qū)小麥秸稈以外,山西省5個(gè)地區(qū)均表現(xiàn)為玉米秸稈利用產(chǎn)生生態(tài)赤字,小麥、豆類和薯類秸稈均產(chǎn)生生態(tài)盈余。
不同地區(qū)小麥、玉米、豆類和薯類的種植結(jié)構(gòu)不同,且秸稈利用方式因地勢和經(jīng)濟(jì)條件等不同而存在很大的差異。晉南地區(qū)小麥、玉米、豆類和薯類秸稈的人均生態(tài)足跡分別為6.550×10-2hm2、9.059×10-2hm2、0.199×10-2hm2和0.071×10-2hm2,不同利用方式的人均生態(tài)足跡表現(xiàn)為肥料化>飼料化>燃料>焚燒>其他。晉東南地區(qū)小麥、玉米、豆類和薯類秸稈的人均生態(tài)足跡分別為0.945×10-2hm2、9.730×10-2hm2、0.440×10-2hm2和0.071×10-2hm2,晉中地區(qū)小麥、玉米、豆類和薯類秸稈的人均生態(tài)足跡分別為0.155×10-2hm2、11.975×10-2hm2、0.257×10-2hm2和0.089×10-2hm2,晉東南地區(qū)和晉中地區(qū)不同利用方式的人均生態(tài)足跡均表現(xiàn)為焚燒>肥料化>飼料化>燃料>其他。呂梁地區(qū)和晉北地區(qū)均表現(xiàn)為玉米秸稈人均生態(tài)足跡最大,分別為12.843×10-2hm2和13.187×10-2hm2,不同利用方式秸稈的生態(tài)足跡表現(xiàn)為焚燒>飼料化>肥料化>燃料>其他。呂梁地區(qū)和晉北地區(qū)玉米秸稈人均生態(tài)足跡分別為12.843×10-2hm2和13.187×10-2hm2,均表現(xiàn)為>50 %的生態(tài)足跡為秸稈焚燒所產(chǎn)生的。
農(nóng)作物秸稈作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的生物質(zhì)副產(chǎn)品,具有巨大的潛在利用價(jià)值,由于受到不同作物秸稈自身特性的影響,秸稈的收集受到一定的制約,因而,可收集秸稈量的估算更具有實(shí)際意義[18,21]。對山西省小麥、玉米、豆類和薯類的可收集秸稈量進(jìn)行了估算,發(fā)現(xiàn)1995年至2005年,山西省主要糧食作物的可收集秸稈量波動(dòng)在660.3×104t到1 526.4×104t,隨時(shí)間的推移呈現(xiàn)波動(dòng)上升的變化趨勢,其中,玉米秸稈可收集量最大,占總量的59.7%~81.9%;小麥秸稈可收集量基本穩(wěn)定在173.3×104~253.1×104t,豆類和薯類秸稈可收集量則較少,分別波動(dòng)在25.6×104~68.8×104t和11.0×104~41.2×104t。張國等研究表明2011年我國農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量為778.3×106噸,山西省農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量為21.2×106噸[38]。楊海蓉等基于《山西省統(tǒng)計(jì)年鑒》,估算了山西省田間秸稈資源量,表明1980年至2013年山西省農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量緩慢上升、平緩波動(dòng)和快速增長的變化趨勢,到2013年達(dá)1 620.0×104t[20]。以上研究均表明,玉米秸稈在山西省農(nóng)作物秸稈資源的占據(jù)重要地位,1995年至2016年間其秸稈產(chǎn)量和可收集量均呈上升趨勢,這主要是由玉米播種面積的增加及綜合生產(chǎn)水平的提高所引起的。
不同區(qū)域農(nóng)作物秸稈類型及空間分布特征與氣候類型、地形、種植制度、農(nóng)業(yè)人口以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等有關(guān)[39]。山西省各地區(qū)間秸稈種類存在差異,晉南地區(qū)以小麥和玉米秸稈為主,其他地區(qū)以玉米秸稈為主。另外,各地區(qū)間農(nóng)作物秸稈可收集量呈現(xiàn)出不均衡性,晉南地區(qū)最高,晉北地區(qū)次之,晉東南和晉中地區(qū)較低,呂梁地區(qū)最小。各地區(qū)的秸稈收集量和播種面積基本一致,各地區(qū)播種面積從大到小依次為:晉南地區(qū)>晉北地區(qū)>晉東南地區(qū)>晉中地區(qū)>呂梁地區(qū)。晉南地區(qū)地勢平坦、農(nóng)業(yè)人口集中,降雨和熱量資源豐富,大部分區(qū)域?yàn)橐荒陜勺髦?產(chǎn)生的秸稈為兩季作物秸稈量的總和,因而該地區(qū)是山西省秸稈資源最為豐富的地區(qū)。而呂梁地區(qū)則地處黃土丘陵溝壑區(qū),地形破碎,山區(qū)半山區(qū)面積占92%,基本為旱地,平均單產(chǎn)較低,因而秸稈收集量最小。
通過生態(tài)足跡分析,發(fā)現(xiàn)山西省秸稈利用呈現(xiàn)生態(tài)赤字,人均總生態(tài)足跡為68.197×10-2hm2,人均總生態(tài)承載力為56.121×10-2hm2,形成生態(tài)赤字12.076×10-2hm2,這反映出目前山西省整體上秸稈資源利用的不合理,亟須進(jìn)一步調(diào)整和規(guī)劃。各地區(qū)的秸稈利用均產(chǎn)生生態(tài)赤字,并且可以看出除了晉東南地區(qū)小麥秸稈以外,山西省五個(gè)地區(qū)均表現(xiàn)為玉米秸稈利用產(chǎn)生生態(tài)赤字,小麥、豆類和薯類秸稈則均產(chǎn)生生態(tài)盈余。這說明山西省五個(gè)地區(qū)的小麥、薯類和豆類的秸稈資源利用處于其生態(tài)系統(tǒng)的承載能力之內(nèi),存在一定程度的秸稈消納空間;而玉米秸稈利用的生態(tài)足跡過大,超過了其生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)承載力;從玉米秸稈不同利用方式生態(tài)足跡分析中可知,除晉南地區(qū)以外,晉東南地區(qū)、晉中地區(qū)、呂梁地區(qū)和晉北地區(qū)玉米秸稈焚燒的生態(tài)足跡過大。Zhou等(2008)研究表明,農(nóng)村能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中秸稈資源所占比例從1989年的34.8%下降到了2005年的17.1%,秸稈作為能源的比例下降勢必會(huì)增加秸稈的焚燒比例[40]。李煒和張紅(2013)估算了2000~2010年山西省主要農(nóng)作物秸稈露天焚燒年均排放的CO和CO2總量分別為205.6×103t和5 611.8×103t[41]。2012年至今山西省人民政府辦公廳等先后出臺(tái)了秸稈禁燒和玉米豐產(chǎn)方機(jī)收秸稈還田項(xiàng)目實(shí)施方案等[42]。然而山西省農(nóng)業(yè)受耕作制度及地形所限,加之農(nóng)村勞動(dòng)力的減少,秸稈禁燒工作難以開展,秸稈焚燒問題仍然相對嚴(yán)重。從秸稈生態(tài)足跡和調(diào)研現(xiàn)狀來看,山西省應(yīng)在“禁燒”的同時(shí)繼續(xù)鼓勵(lì)綜合利用秸稈,增加秸稈肥料化和飼料化的比例。另外,我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段山西省大部分地區(qū)秸稈還田是在政府大量財(cái)力和人力的補(bǔ)貼下進(jìn)行的,對于秸稈的綜合利用農(nóng)戶自身主觀意識不夠強(qiáng)烈,農(nóng)業(yè)合作社則因周轉(zhuǎn)資金較大,維持困難。因而現(xiàn)階段應(yīng)通過宣傳教育增加農(nóng)民秸稈綜合利用的自覺性,大力扶持和發(fā)展秸稈綜合利用企業(yè),發(fā)揮企業(yè)能動(dòng)性,從而促進(jìn)秸稈的綜合利用。
1995年至2016年,山西省主要糧食作物(小麥、玉米、豆類和薯類)秸稈可收集量呈波動(dòng)上升的趨勢,到2016年四種主要農(nóng)作物秸稈可收集量為1 526.4×104t。從各個(gè)區(qū)域來看,各地區(qū)農(nóng)作物秸稈資源構(gòu)成存在差異,晉南地區(qū)以小麥和玉米秸稈為主,其他地區(qū)以玉米秸稈為主;各地區(qū)秸稈可收集量呈現(xiàn)出不均衡性,晉南地區(qū)最高,晉北地區(qū)居中,晉東南和晉中地區(qū)次之,呂梁地區(qū)次之。山西省農(nóng)作物秸稈利用的人均總生態(tài)足跡為68.197×10-2hm2,人均總生態(tài)承載力為56.121×10-2hm2,形成生態(tài)赤字12.076×10-2hm2。除晉東南地區(qū)小麥秸稈外,小麥、豆類和薯類秸稈形成生態(tài)盈余,存在一定的消納空間;玉米秸稈在各地區(qū)均呈現(xiàn)生態(tài)赤字,除晉南地區(qū)以外,其他地區(qū)玉米秸稈焚燒的生態(tài)足跡過大。全省范圍來看現(xiàn)階段主要糧食作物秸稈資源的利用不合理,應(yīng)進(jìn)一步引導(dǎo)和合理規(guī)劃,統(tǒng)籌布局,形成長效機(jī)制,力爭通過增加秸稈肥料化和飼料化等實(shí)現(xiàn)秸稈資源的高效利用,進(jìn)而促進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展以及美麗鄉(xiāng)村的建設(shè)。