中國作物秸稈資源評估研究現狀

謝光輝，王曉玉，任蘭天

1 中國農業大學農學與生物技術學院農學系，北京 100193 2 中國農業大學生物質工程中心，北京 100193

中國作物秸稈資源評估研究現狀

謝光輝1,2*，王曉玉1*，任蘭天1

1 中國農業大學農學與生物技術學院農學系，北京 100193 2 中國農業大學生物質工程中心，北京 100193

文中分析了中國的農作物秸稈資源量，對實現秸稈資源化具有重要意義。首先明確了秸稈的概念，即收獲作物主產品之后所有大田剩余的副產物及主產品初加工過程產生的副產物，根據不同產出環節將秸稈分為田間秸稈和加工副產物。其次，闡述了秸稈評估的計算方法，給出了各種作物秸稈計算方法。第三，總結了近10年發表文獻和作者近期研究對 1991年以來中國秸稈資源量評估結果，對 1991?1999年中國作物田間秸稈資源量評估的值多數為6.0～6.8億 t，對加工副產物資源量未見報道；對2000?2007年田間秸稈產量的評估的值多數為5.9～7.3億 t，作物加工副產物量為0.9～1.1億t。第四，分析了對中國秸稈資源量評估值差異的原因等問題，包括以往研究作物秸稈的概念不明確，草谷比取值差異大而不符合當前作物生產現狀，以及對于農作物產量的統計指標和產量構成認識不清楚等。第五，報道了作者以最近5年測定的各省作物收獲指數，采用完全統計方法評估了2006?2007年中國作物秸稈量及其在8個地區的分布，結果表明秸稈資源總量為7.4億t，包括6.5億t田間秸稈和0.9億t作物加工副產物。

田間秸稈，加工副產物，草谷比

Abstract:The availability of crop residues in China is reviewed in this article.The definition of crop residues is clarified as the total byproducts of field production and processing industry thereafter, and methodology for evaluating crop residues is discussed.Based on literature, the progress on the crop residue assessment is addressed.The annual field crops residues in China from 1991 to 1999 were estimated between 6.0?6.8 hundred million tons, while the data for the process residues were not available.From 2000 to 2007, the annual crop residues were estimated between 5.9?7.3 hundred million tons, while the processing residues at the range of 0.9?1.1 hundred million tons.The reasons for the significant variations are due to the disagreement on crop residue definition,different, even inaccurate residue to grain ratio data used in the estimations, and the lacking of clear understanding on the statistical analysis and grain outputs related to the crop residue evaluation.With the complete statistic analysis method, the author’s group evaluated the residues in 2006 and 2007 to be 7.4 hundred million tones in total, including 6.5 hundred million tons for field crop residues and 0.9 hundred million tons for process residues.Moreover, the geographic distribution of the field crop residues wasanalyzed based on the harvest indices(HI)tested within the near five years.

Keywords:field residues, process residues, residue to grain ratio

作物秸稈是重要的有機物和能源資源，中國是農業大國，秸稈資源尤其豐富。在農業生產的基本循環中，秸稈還田對保持土地肥力、防止土壤侵蝕、維持作物可持續生產具有重要作用。而且，長期以來秸稈還是畜牧業主要的飼料來源，也是農村炊事和取暖的主要能源。當前，由于生物質產業這一新興產業的發展，秸稈還在食用菌養殖、密度壓縮板材和造紙等方面有了更廣泛的用途。尤其是在石油資源日益枯竭和生態環境不斷惡化的形勢下，生物質能源和生物基化學材料已成為當前越來越重要的發展領域，使得秸稈資源利用受到了世界各國前所未有的重視。因此，研究分析中國的農作物秸稈資源量，對實現秸稈資源化具有重大的現實意義。近年來，中國農作物秸稈資源量及其利用的研究報道越來越多，但是，前人文獻對我國秸稈總產量和種類分布的估算存在很大差異，其結論莫衷一是。因此，本文首先確定秸稈的概念，分析秸稈評估計算方法，以促進今后對秸稈資源量的研究。在此基礎上，對10年以來的前人對中國秸稈資源評估結果進行述評，分析秸稈量報道結果差異較大的原因。進而，回答當前中國作物秸稈總產量究竟有多少及其分布這一重要的問題，為相關管理機構對秸稈研究和利用的決策提供依據。

1 作物秸稈的概念和分類

“秸稈”具有狹義和廣義概念。一般地，狹義概念為《辭?！分械慕忉專唇斩挒樽魑锏那o稈，英文稱為Straw 或Stalk；廣義概念是指收獲作物主產品之后在田間剩余的副產物，這里我們稱之為“田間秸稈”，等同于英文的Field residue。但是，這一廣義概念仍不能滿足當前秸稈研究和產業發展的需求，我們認為秸稈應該有更為廣義的概念[1]，即是指收獲作物主產品之后所有大田剩余的副產物及主產品初加工過程產生的副產物，此定義等同于英文的Crop residue。

對作物秸稈進行恰當的分類，有助于完整理解和應用秸稈的概念的內涵和外延。根據不同產出環節，將秸稈分為田間秸稈(Field residue)和加工副產物(Process residue)。田間秸稈指作物主產品之后在大田地上部分剩余的所有作物副產物，主要包括作物的莖和葉。加工副產物是指作物粗級加工過程中產生的剩余物，如玉米芯、稻殼、花生殼、甘蔗渣、木薯渣等，但不包括麥麩、谷糠等其他精細加工的副產物。

按照作物種類對秸稈進行分類也是很重要的。凡是對作物分類的方法，均可用于相應的秸稈分類，主要包括大田作物秸稈(Field crop residue)和園藝作物秸稈(Horticultural crop residue)。大田作物秸稈包括禾谷類作物秸稈、豆類作物秸稈和薯類作物秸稈等糧食作物秸稈，以及纖維類作物秸稈、油料類作物秸稈、糖料類作物秸稈和嗜好類作物秸稈等經濟作物秸稈。再往下分可到每一個具體作物的秸稈，如水稻秸稈、棉花秸稈等。園藝作物秸稈包括草本的蔬菜、果樹和花卉作物的秸稈，但不包括蘋果、柑桔等木本作物修剪或其他操作產生的剩余物。由于園藝作物種植面積小，作物種類多且準確評估秸稈量有一定的難度。因此，評價中國作物秸稈產量時一般不考慮園藝作物，作物秸稈往往僅指大田作物秸稈。

2 作物秸稈量估算方法

2.1 田間秸稈

通常田間秸稈的產量由國家農業部門或統計部門發布的作物經濟產量(Production)，以收獲指數(Harvest index)或草谷比(Residue/Grain ratio，R/G)計算獲得。在我國，收獲指數也叫經濟系數，但前者為國際通用的概念，是指作物經濟產量占其地上部分生物產量的比值；其中，經濟產量是指人們傳統上認為有經濟價值的主產品產量，生物產量是指作物地上部分植物體的總重量，包括作物的經濟產量和田間秸稈產量。因此，以收獲指數計算某作物田間秸稈公式為：

草谷比是指作物田間秸稈產量與經濟產量之比，即作物副產品與主產品產量之比，以草谷比計算某作物田間秸稈的公式為：

田間秸稈產量=經濟產量×草谷比。

有研究報道把以草谷比和收獲指數計算田間秸稈產量的方法，分別稱為草谷比法和收獲指數法[1]，我們認為這其實是一種方法，以收獲指數計算作物田間秸稈產量和以草谷比計算的結果是相同的，因為這兩個概念是對作物經濟產量和田間秸稈產量之間關系不同的表示方式。

由于以草谷比計算田間秸稈產量給人以直接且易于理解的關系，10年來評估中國秸稈資源量的文獻中，大多數利用草谷比計算[2-7]，很少的文獻以收獲指數計算[8]，但是，我們能從作物研究的文獻中直接獲得收獲指數，以往的作物研究很少報道草谷比。評估秸稈資源量應用的草谷比，溯其根源，主要都應是以收獲指數進行換算而得到的，其公式為：

以上計算方法通常適用于各種作物，但是有些作物有其特殊性。第一，花生、薯類作物和某些地區的棉花在收獲時，會拔出一定量的根。這部分根也應屬于田間秸稈，應將以草谷比計算得到的地上部田間秸稈加上拔出根(Pulled root)重量即為該作物田間秸稈總量。拔出根重的計算公式為：

拔出根重=拔出根系數×地上部田間秸稈重；

拔出根系數=拔出根重/地上部田間秸稈重(取樣測定或由文獻獲得)。

第二，玉米也有其特殊性，玉米經濟產量為籽粒產量，因此以草谷比估算的玉米田間秸稈應扣除玉米芯量，玉米芯屬于加工副產物。玉米的田間秸稈計算公式為：

玉米田間秸稈量=經濟產量×草谷比?玉米芯產量。

第三，對于棉花，其產量有子棉和皮棉兩種產量。由于國家統計數據中棉花產量是皮棉產量，從文獻中查閱收獲指數量應注意獲得或換算為皮棉的草谷比。而且，還要注意，以這個草谷比計算田間秸稈時要減去棉籽，棉籽不屬于田間秸稈。因此棉花田間秸稈計算公式如下：

棉花田間秸稈量=經濟產量(皮棉)×草谷比?棉籽產量；

棉籽產量＝經濟產量(皮棉)×(1/衣分?1)。

2.2 加工副產物

部分作物有加工副產物，其產量通?？筛鶕魑锝洕a量和加工副產物系數相乘獲得，加工副產物占作物經濟產量的比值被稱為加工副產物系數(Process residue index)，在實際中常用以下公式：

3 中國秸稈資源量

中國 1991?1999年作物秸稈資源量評估的值多數為6.0～6.8億t[4,7,9-10]，這些研究均沒有將作物加工副產物納入評估范圍，因此，準確地說，這些秸稈資源量應為“田間秸稈”資源量(表1)，而鐘華平等[8]估算1998年田間秸稈量高達7.95億t，相對于90年代的田間秸稈量最低值[11]差異接近2億t。如此大的差異，可能是計算不當導致的，例如，與Li等[7]評估的1997年秸稈數值相比，2個研究的玉米草谷比相同，但鐘華平等[8]的玉米田間秸稈量卻高出約 1億 t，提高幅度為 58%，我國玉米總產量年際雖然有一定的差異，但如此大的差異是不應該的。另外，選取作物對象不同，以及作物草谷比不同也是田間秸稈研究結果差異大的原因，如有的水稻草谷比取值為 0.623[7,11-12]，有的取值為 1[1]或0.97[9]。

表1 1991?1999年中國作物秸稈資源量的評估(秸稈量單位：萬噸)Table 1 China’s crop residues quantity during 1991?1999(Residue quantity unit: 104ton)

曹國良等[6]和汪海波等[4]對 2000?2004年秸稈資源量進行了研究，其評估值在5.9億～6.9億t之間(表2)。同樣，這些研究也沒有納入作物加工副產物，其資源量也應為“田間秸稈”。這些研究出現的資源量差異的原因，除作物生產年際的變化外，主要是由于對草谷比取值不同造成的。其中，曹國良等[6]的水稻草谷比取值為0.623，該研究者對作物田間秸稈評估的值則較低，為5.9億～6.2億t；而汪海波等[4]的水稻草谷比取值為1，其田間秸稈評估的值則較高，為6.6億～6.8億t。

汪海波等[4]對中國 2004年和 2005年秸稈資源量進行了研究，Li等[7]、張培棟等[5]和畢于運等[1]研究了2005年秸稈資源量。這兩年的秸稈總產量為7.2億～8.4億t(表3)，顯然，比對2000?2004年作物秸稈資源量的評估值提高了。評估值提高的原因除作物產量可能增加外，主要是增加了被評估的作物對象，體現在畢于運等[1]的評估研究中，其秸桿評估結果為最高量值8.4億t。畢于運等[1]首次將藥材、蔬菜和其他作物計入作物秸稈資源量中，這些作物秸稈量為1.3億t，而大田作物秸稈量被評估為7.1億 t。同時，畢于運等[1]也首次將作物加工副產物納入作物秸稈資源評估，他們報道的作物田間秸稈量為7.3億t、加工副產物量為1.1億t。其余研究仍未包括作物加工副產物，其研究結果也應僅為田間秸稈量[4-5,7]。而且畢于運等[1]應用了相對較合理的草谷比取值，例如將玉米的草谷比取值為1.2，而絕大多數前人研究均將玉米的草谷比取值為 2.0(表1～4)。在過去的近20年里，我國主要作物中玉米生產水平提高的幅度是最大的，將21世紀玉米生產的草谷比取值為2.0，導致較大程度上高估了玉米秸稈產量。最后，應該指出的是Li等[7]引用前人[10]對玉米秸稈量評估值，比張培棟等[5]和汪海波等[4]的評估值高17%(表3)，這些研究玉米的草谷比取值均為2.0，其原因是 Li等[7]引用的值是對 2005年玉米秸稈量的預測值。

表2 2000?2003年中國作物秸稈資源量的評估(秸稈量單位：萬噸)Table 2 China’s crop residues quantity during 2000?2003(Residue quantity unit: 104ton)

表3 2004?2005年中國作物秸稈資源量的評估(秸稈量單位：萬噸)Table 3 China’s crop residues quantity during 2004?2005(Residue quantity unit: 104ton)

表4 2006?2007年中國作物秸稈資源量的評估(秸稈量單位：萬噸)Table 4 China’s crop residues quantity during 2006?2007(Residue quantity unit: 104ton)

崔明等[2]和高利偉等[3]報道了中國對 2006年作物田間秸稈量評估研究結果，雖然他們也稱之為作物秸稈量，但未包括作物加工副產物(表4)。崔明等[2]對2006年中國水稻、玉米、小麥、油菜和棉花5大作物田間秸稈量評估為4.3億t，雖然其玉米、油菜和棉花的草谷比取值和大多數的研究相比更為合理，但是小麥和水稻草谷比取值(分別0.73、0.68)過低，低估了作物的田間秸稈量。高利偉等[3]對2006年田間秸稈量評估結果為7.6億t，盡管沒有包括作物加工副產物，該研究對田間秸稈的評估所選的作物對象齊全，其草谷比的取值也更為趨于合理。但是，對玉米的草谷比仍取值為 2，由于玉米是我國最大作物之一，這樣必然過高評估了中國田間秸稈資源量。王曉玉等(未發表)的研究結果是本文作者對2006和2007年的大田秸稈資源量平均值評估，其結果為秸稈資源量為7.4億t，包括6.5億t的田間秸稈和0.9億t的作物加工副產物(表4)。王曉玉等(未發表)的研究以查閱(或地區)2005?2009年測定的各省不同作物的收獲指數，不同省區以本地的當前作物收獲指數計算作物秸稈量。在作物選擇上采用了完全統計方法，計算的過程中嚴格應用作物生產學的概念，按本文所述的方法，分別計算了各作物的田間秸稈量和加工副產物量，是迄今為止以相對可靠方法評估得到相對準確的研究，將于近期另文詳細報道。

4 中國秸稈資源的分布

4.1 秸稈的作物種類分布

根據以上 1991?1999年秸稈資源量的評估研究，水稻、小麥和玉米 3大作物秸稈量占總量的76%～83%。2000?2006年秸稈資源總量中，這3大作物秸稈量的比例為 60%～89%。與 1991?1999年相比，這個范圍明顯過大。其原因當然有作物產業布局和產量隨年度的變化，我們認為更主要是進入21世紀后研究秸稈資源的報道顯著增多，而研究者選取的作物對象差異更大導致3大作物占秸稈總量的比變化更大。例如，畢于運等[1]的研究除包括所有大田作物田間秸稈和加工副產物外，還包括藥材、蔬菜和其他作物秸稈，該研究結果表明水稻、小麥和玉米3大作物秸稈量占總量的60%，王曉玉等(未發表)對中國大田作物田間秸稈量進行了完全統計研究，也包括了水稻、玉米、棉花和甘蔗的加工副產物，但不包括藥材、蔬菜和其他作物，這3大作物秸稈量占總量的70%。其余的研究都是以大田作物為對象，均未將加工副產物計入秸稈總量，則 3大作物秸稈量占總量的范圍為 76%～89%。其中崔明等[2]選取作物種類較少，選擇的大田作物只包含5類，分別是水稻、小麥、玉米、油菜和棉花，該研究結果表明3大作物秸稈量占總量的89%，因此研究對象選擇的種類是造成作物秸稈量差異的主要原因之一。

4.2 秸稈的地區分布

中國地域寬廣，因不同地區農業氣候、種植制度和社會經濟條件不同，作物種類變化很大，因此，各地區的作物秸稈種類分布不同。MOA/DOE[11]和鐘華平等[8]分別研究了中國 1995年和 1998年田間秸稈在各省的分布，韓魯佳等[9]將全國分為華北、東北、華東、中南和西北5個地區研究了1999年田間秸稈的分布。汪海波等[4]和高利偉等[3]分別研究了2004年和 2006年田間秸稈在各省的分布。畢于運等[1]研究了2005年中國田間秸稈和作物加工副產物地區的分布，將秸稈分布區分為東北區、黃淮海區、長江中下游區、華南區、西南區、西北區和青藏區7個區域。

王曉玉等(未發表)的研究也以東北區、華北區、華東區、華中區、華南區、西南區、西北區和青藏區等 8個區域分析了中國秸稈地區分布特點(表5)。主要結果為，我國作物秸稈主要分布于華北、華中、華東和東北地區，其中黑龍江、河北、河南、山東、江蘇、湖南和四川 7個省是我國農作物秸稈分布的主要地區，均超過3 000萬t。稻秸是秸稈資源中占有比例最大的，約占總秸稈量的 30.4%，主要分布在華中地區(如湖南、湖北等)和華東地區(如江蘇、浙江、安徽等)；其次是玉米秸稈，約占總秸稈量的 21.1%，主要分布于東北和華北地區的各省份以及華東和華中的部分省份；小麥秸稈產量為農作物秸稈量的第3位，約占17.9%，主要分布于華北地區(如山東、河南等)、華東地區(如江蘇、安徽等)。中國北方地處溫帶，主要種植作物是小麥、玉米；我國南方地處熱帶、亞熱帶，水稻是該地區最重要的作物品種；而西藏處于高寒地區，最主要的作物是棉花、青稞。

表5 中國2006?2007年平均秸稈資源量及不同地區分布(秸稈量單位：萬噸)Table 5 China’s crop residues quantity and characteristics of regional distribution between 2006?2007(Residue quantity unit: 104ton)

5 秸稈資源評估研究存在的主要問題

5.1 作物秸稈的概念不明確

由于以前研究者對作物秸稈概念和分類沒有統一的認識，研究對象或范圍不一致，導致對中國秸稈資源評估結果的較大差異。雖然前人文獻中都稱研究“作物秸稈”，但是秸稈涵蓋的范圍不同，多數研究以大田作物的“田間秸稈”作為中國秸稈資源，有的研究對象中大田作物的種類也不完全，都沒有將稻殼、玉米芯和甜菜渣等作物加工副產物包括在內。僅畢于運等[1]和王曉玉等(未發表)分別估算了2005年大田作物秸稈和2006?2007年大田作物、園藝作物及其他作物秸稈資源量。對作物秸稈評估不一定要包括所有作物，但是對評估結果的報道要指明其準確的作物種類范圍。最后，花生和薯類等作物在收獲時拔出一定量的根也應屬于田間秸稈，前人對秸稈的評估所道均未計入，因為以草谷比計算得到的只是地上部田間秸稈。

5.2 草谷比取值差異大

在作物種類相同和計算方法正確時，估算秸稈產量的準確性則唯一取決于草谷比是否準確。前人評估秸稈文獻的草谷比取值差異非常大(表 1～4)，以中國 3大作物之一水稻為例，有約占一半的研究者將草谷比取值為0.62或0.68，其余研究者取值在0.9～1.1之間，草谷比的差異導致水稻的秸稈量就會相差0.8億t之多。再如玉米的草谷比有 1.2、1.37和2三種取值，小麥草谷比多數取值為1.4，也有取值為0.73的。三大作物以外有的作物草谷比取值差異更大，如棉花的草谷比多研究者取值為 3，也有取值為 5.5或 9的。甘蔗和麻類的草谷比的取值差異也較大。即使相對于同一年的草谷比，各位專家學者的估算量也可以說相差很大。而且，研究者大都沒有對草谷比的取值作出明確的解釋，使人無從判斷其合理性。對草谷比取值的差異導致了資源量評估值的差異。即便是不同研究者之間對全國秸稈總量評估值相近，但有的對玉米草谷比取值偏高，小麥玉米草谷比取值偏低，而另一研究者卻相反，對玉米取值偏低，對小麥取值偏高，其結果是作物秸稈類型分布差異大。因此，要正確評估中國作物秸稈資源量及其分布，必須要獲得最接近作物生產實際的草谷比。

5.3 草谷比的取值不符合當前作物生產現狀

影響作物草谷比首要的因素是品種改良，隨著作物新品種的選育更新，從過去到現在總的來說應是不斷下降的。最為顯著的例子是玉米，20年前玉米雖然也是 3大作物之一，但由于不屬主糧而稱雜糧，育種和栽培都未受重視，其草谷比較高，甚至高達 2都是可能的。但是，在我國主要作物中，玉米是二、三十年以來品種改良和生產水平提高幅度最大的作物，到21世紀，玉米生產的草谷比取值要遠遠低于2了。因此，對各種作物秸稈量的評估，都應取當前生產中主栽品種的草谷比。雖然作物草谷比是隨時間因品種改良而變化的，但在一定短期時間是相對穩定的，應以10年期限合適。影響作物草谷比的另一個重要因素是栽培環境，對于評估秸稈資源量來說，這一因素集中體現于各地區的土壤、氣候以及耕作制度和栽培條件的不同，引起不同地區同一作物草谷比不同。以往的研究報道同作物以同一個草谷比來估算全國各地的秸稈資源量，必然會導致較大誤差。本文作者已查閱了 2005?2009年測定的作物在其主要生產省的收獲指數，將換算為草谷比于近期另文發表。

5.4 對于農作物產量的統計指標和產量構成認識不清楚

研究者首先要明確作物產量統計指標是指干重還是鮮重，從而通過計算保證對秸稈量的評估值是干重。中國作物產量統計數據中，籽粒產量均為風干重，薯類作物是折糧重量，即1964年以后按每5 kg鮮薯折1 kg糧食計算，因此其產量也相當于風干重，花生產量為帶殼的花生果風干重，甘蔗、甜菜、蔬菜和香蕉等作物產量則是鮮重。干重產量可直接計算秸稈量，鮮重產量則應乘以折干率(即1?含水率)換算為風干重。其次，要明確作物產量是指作物的哪一部分，如棉花產量有皮棉和籽棉之分，我國統計棉花產量多數是指皮棉產量，對于子棉產量要乘以衣分換算為皮棉產量。而且，要注意以草谷比和皮棉相乘獲得的值不是棉花田間秸稈量，因為其中含有棉籽，減除棉籽產量后的量才是棉花田間秸稈量。又如，因為玉米產量統計中不包括玉米芯，玉米以草谷比計算得到的應是田間秸稈和加工副產物之和。

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China’s crop residues resources evaluation

Guanghui Xie1,2*, Xiaoyu Wang1*, and Lantian Ren1
1 College of Agronomy and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100193, China 2 Biomass Engineering Centre, China Agricultural University, Beijing 100193, China

Received:May 21, 2010;Accepted:June 30, 2010

Supported by:Key Projects in the National Science and Technology Pillar Program during the Eleventh Five-Year Plan Period(No.2006BAD07A04).

Corresponding author:Guanghui Xie.Tel: +86-10-62734888; Fax: +86-10-62731298; E-mail: xiegh@cau.edu.cn*These authors contributed equally to this study.“十一五”國家科技支撐計劃(No.2006BAD07A04)資助。