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晋东旱区农作物秸秆资源综合利用模式研究
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高德明梅旭荣陆建飞蔡典雄杜建中 刘培贵袁明生王向华孙佩琼杨雪 转载http://www.100gczg.com/ExamIndex.aspx?id=6170 提 要 系统分析了晋东丘陵旱农地区（寿阳）农作物秸秆资源及其利用现状，通过秸秆过腹还田生态系统物质循环；粪肥与秸秆配合还田、培肥土壤的定位试验；及其旱地水分利用效率等研究，获得秸秆过腹还田、农田休闲期秸秆覆盖、作物生育期秸秆覆盖和直接还田等 4 种利用途径的有关参数。以秸秆所产生的经济效益最大为目标函数，运用线性规划模型，优化秸秆综合利用结构，对北方旱地农作物秸秆资源综合利用具有一定的指导意义。 关键词 晋东旱区农作物秸秆综合利用 农作物秸秆是我国目前最大的生物资源之一，据统计，全国目前年产各种作物秸秆约 6～7亿t，其中的生物能源约为 2～2．5亿t 标准煤，粗蛋白含量约为 2000～2500万t，约相当于 1亿t 标准牲猪饲料中的粗蛋白含量。 据估计，每年各地燃烧的农作物秸秆总量达 4～5亿t，因此造成的氮素损失几乎相当于我国全年化学氮肥的产量。从作物秸秆中所含营养来看，全国农作物秸秆的粗营养与全国粮食产量相当，如能将其中的 10% 用作饲料，就相当于增产粮食5000万t，如能将其中的 1% 转化为畜产品，就可增加畜产品 1000万t。 随着我国作物生产水平的不断提高和国内农村经济的进一步发展，将有越来越多的剩余秸秆，这是一份极其宝贵而又巨大的资源，如何利用这些生物资源中的有效成分，提高整个农业生产系统的产出水平，是一个十分重要的课题。从长远来说，这对解决我国粮食问题也有极其重要的意义。 国外农作物秸秆利用方面的研究主要是采用氨化、碱化等方法处理后饲喂反刍动物。国内自 50 年代以来就进行了农作物秸秆综合利用的研究，主要方向也是用作饲料，也有采用微生物技术进行发酵（如生产沼气）的研究。另外，在秸秆培养食用菌的培养基配制、添加剂等方面也进行了研究，取得了一些进展。但大规模有效利用农作物秸秆的技术仍未实现。 1 晋东丘陵旱区研究背景 山西省寿阳县位于晋东丘陵地区，属太行太岳山地丘陵半湿润偏旱区，黄土高原东部边缘，海拔 1100m。受大气环流和地形的影响，气候带垂直分布明显，属于典型的大陆性气候，温暖干旱，年平均气温 7．3℃，≥0℃积温 3400℃，无霜期 140 天，农作物一年一熟。年降水量 485．5mm，年际间变率大，农业气象灾害频繁。 晋东丘陵旱区寿阳县是典型的农业县。全县人口 22万，地域广阔，总面积 2112km2，有耕地面积 6．9733万hm2左右，牧坡 4．93万hm2，农林牧几乎各占全县总面积的 1/3，人均占有耕地 0．317hm2。1996 年粮食产量达到 201×106kg，人均粮食占有量 914kg，属于全国领先水平。但人均占有肉量为全国平均水平的 1/2；人均占有禽蛋量与全国平均水平相差不大；人均占有奶量仅达山西省和全国平均水平的 7．54% 和 12．66%。 长期以来，本类型区丘陵旱地农业可持续发展面临一系列突出问题：①水、肥等资源利用率低是制约农业发展的主要症结；②农牧结合度低，畜牧业发展严重滞后，农牧生态系统脆弱，农村经济欠发达，人均收入不高；③秸秆饲草生物资源浪费严重。 经过了“六五”、“七五”、“八五”和正在进行的“九五”国家科技攻关晋东豫西北方旱农区域农业综合研究，结果表明：秸秆覆盖技术能创造出作物节水增产的小气候条件，改变下垫面的性质和能量平衡，调节土壤温、湿度；改善了农田水分状况，培肥土壤，控制水土流失，从而实现旱地有限水资源的合理利用。丰富的草山草坡和作物秸秆，适于发展羊、牛等草食畜，并具有发展粮食转化型畜牧业的潜力。通过攻关研究，完成了以玉米秸秆利用为中心的家畜饲养配套技术，包括秸秆加工利用、配合饲料和添加剂研究；正在进行以畜牧业高效利用秸秆饲草为核心、以农牧结合产业化技术研究为突破口、提高农牧结合度、形成农业和农村经济可持续发展模式和技术体系的科技攻关研究。 2 寿阳县秸秆产量与利用方向 2．1 寿阳县秸秆产量与利用 寿阳是国家级商品粮基地，山西省粮食大县，秸秆资源丰富是寿阳县独特优势之一。1993～1997 年，寿阳县平均年产农作物秸秆 168245t，其中的生物能源相当于 51604t 标准煤，粗蛋白含量为 5160．4t，约相当于 25800t 标准牲猪饲料中的粗蛋白含量。如能将寿阳县秸秆的 10% 用作饲料，就相当于增产粮食 2500t；如能将秸秆的 1% 转化为畜产品，就可增加畜产品 175t 活体羊。可见，寿阳秸秆是一份极其宝贵而又巨大的资源，但 1993～1997 年仅有部分玉米秸秆青贮、氨化用作饲料，利用率只有 19．91%。 由于寿阳县煤炭资源比较丰富，而且埋藏较浅，大部分为历代百姓以小煤窑形式土法开采。因此，这里的农民不存在燃料问题。农作物秸秆成了农民的一种负担和累赘，相当大的一部分秸秆被农民在田间直接烧毁，浪费了生物资源又污染了大气环境，造成的氮素损失几乎可以相当于寿阳县年平均化肥用量的 37．768×106kg。长此下去，有机质来源缺乏，加速土壤退化过程，影响农业可持续发展。 通过“八五”、“九五”国家重点科技攻关寿阳试验区的研究，在秸秆覆盖和秸秆直接还田的水、肥、生物资源利用效率方面；秸秆与水分利用效率相关性方面；秸秆通过草食性家畜过腹还田，特别是以玉米秸秆利用为中心的家畜饲养配套技术，包括畜群改良、秸秆加工利用、配合饲料和添加剂、规模化养殖的经济效益、水分利用效率等方面都取得了系列成果。 2．2 寿阳县秸秆综合利用的认可和实施 在科技攻关研究、试验、示范、推广的推动下，寿阳县带动整个丘陵旱地类型区正积极推行“大玉米”和“大畜牧”战略以及秸秆覆盖旱作农业技术。秸秆是“大玉米”和“大畜牧”战略的桥梁。秸秆资源利用好，配置合理，则旱地农田水分利用效率的提高、土壤营养元素与有机质的提高及改良、畜牧业的大力发展、劳动力就业机会的增多等方面，以及整个农业生态系统经济效益、生态效益和社会效益将会得到全面发展和提高，种植业、养殖业两业兴旺，协调发展，农业生态系统良性循环。因此，农作物秸秆成了晋东丘陵旱地农业生态系统极其重要的调控因子之一，是连接种植业与养殖业的核心。 在寿阳县，具有成熟技术的秸秆利用方式主要有 4 种：青贮、氨化养畜，过腹还田；农田休闲期覆盖；作物生长苗期覆盖；直接还田。 寿阳县秸秆利用与走向问题，对提高本类型区水、土资源利用率，促进旱地农业和农村经济持续发展具有重要意义。上述 4 种利用方式都具有一定的经济效益、生态效益和社会效益。本文运用线形规划模型对寿阳县的秸秆资源的走向与利用方式进行结构优化。 3 寿阳县玉米秸秆综合利用结构优化 线性规划的思想是合理安排有限资源，使决策结果最优，适于解决多重矛盾而又没有统一度量单位的决策问题。线性规划是在同一组线性约束条件下，使目标函数达到最优的数学方法。线性规划的解法多种多样，本文采用的是单纯形解法。 3．1 线性规划模型的建立 3．1．1 决策变量 根据目前晋东丘陵旱区具有成熟技术的 4 种秸秆资源利用方式，确定 4 个决策变量，即 X1（kg）：秸秆氨化或青贮，过腹还田。根据研究结果，1kg秸秆可以产生 0．56818kg鲜牛粪（或 0．826 8kg 鲜羊粪），按照每公顷耕地施 1．5万kg 粪肥的标准；X2（kg）：农田休闲期秸秆覆盖，按照每公顷耕地覆盖 3750kg 秸秆的标准；X3（kg）：在作物苗期，按照每公顷耕地覆盖 1500kg 秸秆标准；X4（kg）：按照每公顷 4590kg 秸秆的标准，作物收获后直接还田。 3．1．2 目标函数 本模型以玉米秸秆直接产生的经济效益最大为目标函数（不包括秸秆养家畜以及其它行业产生的经济效益），将旱农地区农业可持续发展一个比较重要的指标——水分利用效率（WUE）作为约束条件。①秸秆过腹还田：间接投入 1760kg 秸秆，增收 150 元玉米；秸秆氨化费（人工、尿素、占地和其它）0．067 元/kg；秸秆原料价格按 0．06 元/kg 计；1kg秸秆相当于 0．25 个饲料单位；投入 72kg 秸秆，产生 41kg 牛粪，可以减少 1kg 化肥的投入。因此，1kg秸秆增值 0．2318383 元；②农田休闲期秸秆覆盖：投入 250kg 秸秆，可以增收 70 元玉米，秸秆费用 0．06 元/kg；附加投入劳动力价值 9．6 元。因此，1kg秸秆增值 0．1816 元；③作物生育期秸秆覆盖：投入 100kg 秸秆，增收 19 元玉米，劳动力投入价值 12 元。因此，1kg秸秆增值 0．01 元；④秸秆直接还田：投入 306kg 秸秆，增收 36．69 元玉米，投入劳动力 3．2 元。因此，1kg秸秆增值 0．0494 元。故目标函数秸秆增值最大 Mv＝0．231838 3X1＋0．1816X2＋0．01X3＋0．0494X4。 3．1．3 基本情况 全县实有耕地面积 6．9733万hm2，果园 1576．933hm2，合计面积 71309．933hm2；劳动力 92400 人，年用化肥 3．546×106kg，粮食 175×106kg，秸秆 170．27481×106kg。 参考文献 1 冷石林，韩仕峰，王立祥等．中国北方旱地作物节水增产理论与技术．北京：中国农业科技出版社，1996，61～62 2 赵聚宝，徐祝龄等．中国北方旱地农田水分开发利用．北京：中国农业出版社，1996，77 3 王维敏，张镜清．王文山等．黄淮海地区农田土壤有机质平衡的研究．中国农业科学，1988，21（1），19～26 |
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