基于能值理論的新疆主要農作物秸稈綜合利用生態足跡分析

邊艷霞+陳立強+王鵬程+張翠燕

摘要： 運用能值分析與生態足跡相結合的方法，對新疆2005—2014年主要農作物（棉花、小麥、玉米）秸稈資源的各種利用方式進行評估，分析新疆主要農作物秸稈綜合利用的人均生態足跡及人均生態承載力。結果顯示，近10年來新疆主要農作物（棉花、小麥、玉米）秸稈利用的人均總生態足跡為2.622 hm2，人均總生態承載力為2.318 hm2，人均總生態赤字為0.304 hm2，年均生態足跡為0.087 hm2，年均生態承載力為0.077 hm2，年均生態赤字值為 0.010 hm2。新疆主要農作物秸稈資源的利用超出了該區域生態經濟系統承載力，表明該區域秸稈資源利用不合理。因此，今后對新疆主要農作物秸稈資源的利用須進一步科學地規劃，堅持適度利用；同時分析新疆主要農作物秸稈資源綜合利用生態足跡的動態變化，對干旱區農業秸稈資源的高效循環利用管理和健康發展奠定了一定的理論基礎，對實現環境友好型、資源節約型農業發展方式的轉變也提供了有益的嘗試和探索。

關鍵詞： 能值理論；秸稈綜合利用；生態足跡；新疆；生態承載力；生態赤字

中圖分類號： S181 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）22-0269-05

農作物秸稈是農業廢棄物的一種，它是實現農業可持續發展和生態農業發展的寶貴資源，其綜合利用對可再生資源的高效利用和可持續經濟的發展有著重要作用。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展和改革委員會、中華人民共和國農業部、中華人民共和國財政部印發了《“十二五”農作物秸稈綜合利用實施方案》，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、儲運體系，形成布局合理、多元綜合產業化利用格局；2015年中央一號文件強調加強農業生態治理，提出開展秸稈、畜禽糞便資源化利用，大力推動農業循環經濟發展；2016年《第十二屆全國人民代表大會第四次會議關于政府工作報告的決議（草案）》提出進一步鼓勵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，農作物秸稈表現出分布廣、產量大、有效利用率低等特點，因此，大力開展秸稈多層次生態高值化（肥料化、飼料化、基料化、原料化、能源化）合理利用，對農業可持續發展、農業循環經濟發展、農民增收、秸稈綜合利用的規模化及實現區域秸稈資源經濟效益、社會效益和生態環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，把生態系統或生態經濟系統中各種不可比較的能量轉換成同一標準的能值來比較與分析，以評價其在系統中的作用和功能。生態足跡指生產任何已知人口（某個個人、一個城市或一個國家）所消耗的所有資源和吸納這些人口所產生的所有廢棄物所需的陸地和水域總面積[1]。傳統的生態足跡理論在國家、區域可持續發展研究等領域得到了國內外學者的應用[2]，但傳統的生態足跡模型只能進行靜態分析，且產量因子與均衡因子的確定都欠缺合理性，對區域真實發展情況的反映存在一定的誤差。

基于能值理論的生態足跡把各種不同類型、不同等級的能量流通過能值轉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項目的太陽能值換算成相對應的生物生產性土地面積，計算出研究區域的生態足跡和生態承載力[4]，克服了傳統生態足跡模型折算不同種類資源消耗時所引入的誤差，大大提高了模型的準確性。目前，我國學者已采用此方法對許多地域的生態經濟系統進行了研究[5]。邊淑娟等將能值生態足跡分析方法運用到農作物秸稈等農業廢棄物的綜合利用上，分別對福建省農業廢棄物和成都平原稻麥秸稈綜合利用方式進行了評估[6-7]。

目前，關于新疆生態足跡的研究較少，僅有少數學者對新疆發展及部分區域狀況等進行了生態足跡分析[8]，運用能值生態足跡方法對新疆秸稈資源綜合利用的合理性的研究報道比較少見。因此，本研究以2005—2014年《新疆統計年鑒》[9]中新疆主要農作物（棉花、小麥、玉米）的數據為基礎，計算出棉花、小麥、玉米秸稈資源的可收集利用量，通過能值轉換率得到對應的棉花、小麥、玉米秸稈能值量，再利用全國及區域秸稈能值密度將消耗的能值換算成相應的生物生產性面積，計算出新疆棉花、小麥、玉米秸稈資源不同利用方式的生態足跡，進而評價新疆棉花、小麥、玉米秸稈利用的合理性，以期為區域秸稈資源的合理利用提供一定的參考依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

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。全年日照時數達2 550～3 500 h，年總輻射量達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，區域分異性明顯，是我國目前面積最大的干旱、半干旱荒漠區，生態環境相對脆弱。新疆農作物品種多，主要以棉花、小麥、玉米為主，秸稈資源豐富。

1.2 數據來源

本研究數據資料來源主要有2個部分：（1）研究區主要農作物棉花、小麥、玉米播種面積、產量和農業人口數量等數據均來自2005—2014年《新疆統計年鑒》[9]；全國棉花、小麥、玉米的產量和播種面積等數據來自2015年《中國統計年鑒》[10]；秸稈的利用方式等相關數據來自第一次全國農業污染源普查結果（2010年）及相關統計資料[11]。（2）草谷比（農作物秸稈發生量與作物產量之間的比例）、秸稈能值轉化率、太陽能值轉化率、能量折算系數、能值轉換率等數據參考相關文獻。

2 各指標的計算方法

2.1 新疆主要農作物秸稈可收集利用量計算

根據新疆主要農作物（棉花、小麥、玉米）的產量可計算出農作物秸稈可收集利用量，計算公式如下：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、玉米作物產量；r1表示秸稈草谷比，參照新疆生產建設兵團第六師棉花草谷比實際測算結果和小麥、玉米草谷比種植試驗結果，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，參考新疆農業相關政策和具體實際情況，棉花秸稈可收集利用系數取值為0.90，小麥、玉米秸稈可收集利用系數取值為0.83[12]。

2.2 新疆主要農作物秸稈能值估算

依據棉花、小麥、玉米秸稈能量折算系數和太陽能值轉換率可計算出秸稈能值量，計算公式如下：

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（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為秸稈能值轉換率，取值為4.53×104 sej/J[13]。

2.3 新疆主要農作物秸稈人均生態足跡分析

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

式中：Ec表示棉花、小麥、玉米秸稈的人均生態承載力；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、玉米秸稈生產量；t表示棉花、小麥、玉米秸稈能值轉換率；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。最后計算出棉花、小麥、玉米秸稈不同利用方式的人均生態足跡，計算公式如下：

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。根據結果得出棉花、小麥、玉米秸稈的生態赤字或盈余，評價新疆棉花、小麥、玉米秸稈利用的合理性。

3 結果與分析

3.1 新疆主要農作物秸稈可收集利用量

新疆棉花、小麥、玉米播種面積占農作物總播種面積的比例較大，其秸稈產出量也較大。由公式（1）計算出新疆2005—2014年主要農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作物秸稈能值估算結果

2010年第一次全國農業污染源普查結果顯示，新疆各種農作物秸稈丟棄不用、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%以上的目標還有較大的距離。根據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、玉米秸稈的能值構成（表3），根據表3繪制出2005—2014年新疆主要農作物（棉花、小麥、玉米）秸稈不同利用方式下能值的動態變化趨勢，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

農作物光合作用產物的50%以上都存在于其秸稈中，農作物秸稈富含有機質、氮、磷、鉀、鈣、鎂等多種營養成分，營養價值豐富。研究顯示，1 t普通秸稈的營養價值與0.25 t糧食的營養價值相當。通過青貯、氨化、微貯等處理技術可大大增加秸稈飼料的營養價值，升值的部分可能是農民辛苦種植出來的糧食價值的3～5倍。新疆區域秸稈飼料化利用的量約占總量的一半，部分地區畜牧業大戶采用秸稈青貯養畜技術，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殖的規模化發展，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。新疆區域秸稈直接還田量占總量的 24.07%，目前主要以機械埋壓、高茬收割、套種等秸稈直接還田技術為主，今后須加強運用生態系統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。秸稈直接還田對環境、土壤、后茬作物的產量和質量會造成一定的影響，因此，加大政策引導與技術扶持，打破成本瓶頸，改粗肥還田為精肥還田，促進秸稈肥料化利用技術的快速發展就顯得尤為重要。

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、秸稈發電、秸稈直接用作生活燃料等。據測算，2 t秸稈的熱值相當于1 t標準煤的熱值，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各級政府部門的高度重視，但秸稈任意丟棄、遍地焚燒現象屢禁不止，亟待有關部門采取有效措施解決秸稈焚燒帶來的資源浪費與

環境污染等問題。endprint

3.3 秸稈人均生態足跡分析

根據公式（3）和公式（4）計算出2005—2014年新疆棉花、小麥、玉米秸稈資源的人均生態承載力和棉花、小麥、玉米秸稈不同處理方式的人均生態足跡。由表4可知，2005—2014年期間，除2006年小麥秸稈人均總生態足跡小于人均總生態承載力（即生態盈余）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足跡均大于對應的人均總生態承載力， 均表現為人均生態赤字。 由于棉花、 小麥、玉米

秸稈不同利用方式下利用比例數據收集相對困難，計算時未對棉花、小麥、玉米秸稈的使用比例進行區分，是按照2010年第一次全國農業污染源普查結果，假定三者使用比例相同進行模糊量化換算。因此，棉花、小麥、玉米秸稈不同利用方式下人均生態足跡均表現為飼料化>還田>生活燃料>其他>焚燒>肥料化。

4 結論與討論

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

0.010 hm2。新疆主要農作物（棉花、小麥、玉米）秸稈資源的利用超出了該區域生態經濟系統的承載能力，表明該區域秸稈資源利用不合理，今后對新疆主要農作物秸稈資源的利用須進一步科學規劃，堅持適度利用，不斷提高秸稈資源的有效綜合利用率。

本研究在計算2005—2014年新疆主要農作物（棉花、小麥、玉米）秸稈綜合利用人均生態足跡時，由于研究區域農田生物資源的復雜多樣和不同利用方式下3種秸稈的利用比例數據收集有難度，因此秸稈可收集系數、能值轉換率、不同利用方式下秸稈的使用比例等數據的選取可能與實際值存在一定的差異，導致計算結果存在一定的誤差。但總體而言，能值生態足跡方法有其理論的先進性，研究結果基本可以客觀真實地反映新疆主要農作物（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

依據，可為政府決策部門制定相關政策提供可靠的參考。

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