黑龙江省玉米秸秆资源时空分布特征与资源化利用模式构建

鹿傲飞，王玉斌

（中国农业大学 经济管理学院，北京 100083）

0 引言

伴随我国粮食增产，农作物秸秆产生量也随之增长，2017 年中国秸秆理论资源量约为8.84 亿t，可收集资源量为7.36 亿t，其中玉米秸秆占比最高，约为32.5%［1］。秸秆资源的有效利用对于促进农业经济可持续发展具有重大意义，但由于农业生产和农民生活方式转变、能源消费结构改善，各地区秸秆过剩问题凸显，随意堆弃、违规焚烧秸秆等现象频繁发生。在生态文明和绿色低碳背景下，如何破解秸秆资源过剩难题成为推进我国农业绿色发展的重要议题。

黑龙江省作为我国粮食主产区，玉米秸秆资源总量丰富、密度高，是秸秆资源化利用的重难点地区。为切实解决当地秸秆过剩难题，黑龙江省专门出台《开展农作物秸秆综合利用且推进试点工作实施方案》《2020 年黑龙江省秸秆综合利用工作实施方案》等文件鼓励各市县结合当地地域环境及资源配置特点，开展秸秆资源化利用［2］。但究竟哪些资源化利用模式适宜在当地布局，国内学者尚未达成共识。潘亚东等基于黑龙江省的气候条件与种植模式的考量，认为粉碎还田、饲料青贮和热电能源化利用应该是黑龙江省未来秸秆资源化利用的重点领域［3］；黄玉凡通过对黑龙江省秸秆综合利用现状的实地调研，提出应大力推广秸秆直接还田和过腹还田技术［4］；张晓先通过对秸秆收储运系统中的经济效益和环境效益的测算，提出应重点发展成型燃料和沼气发酵技术［5］；孙彬等则认为黑龙江省秸秆资源化利用的关键在于加大秸秆利用关键技术与装备的研发力度［6］。

在秸秆资源量测算方面，一些学者结合秸秆系数对黑龙江省农作物秸秆资源状况进行过系统性分析［7－9］，但由于研究所选取的草谷比取值不同（范围大约在0.9—2.0 之间），导致对玉米秸秆资源数量估算结果差异较大，秸秆资源化利用模式选择也因此难以与现实状况相符合。因此，借助合理草谷比系数对黑龙江省玉米秸秆资源产量进行精确测算，有助于探索出符合当地条件的资源化利用模式，实现黑龙江省玉米秸秆资源的高效利用。

鉴于此，本文根据2011—2020 年《黑龙江统计年鉴》相关数据，在对黑龙江省玉米秸秆资源量测算的基础上，识别黑龙江省玉米秸秆资源量时空分布特征，结合玉米秸秆生产力空间分布层级，对不同秸秆资源化利用模式进行规划布局，为全面推进黑龙江省玉米秸秆资源化利用工作提供参考。

1 玉米秸秆资源量时空分布特征

1.1 秸秆资源量测算

要实现对黑龙江省玉米秸秆资源量合理测算，首先要确定黑龙江省玉米产量，再结合玉米草谷比和可收集系数，最终计算出黑龙江省玉米秸秆理论资源量和可收集利用量。其中，玉米秸秆草谷比是指玉米单位面积秸秆产量与籽粒产量之比，也常被称作玉米秸秆系数，广泛应用于全国第三次农业普查中对农作物秸秆资源量的估算。草谷比系数并非一成不变，其取值往往与农作物生产丰、平、歉年的籽实产量呈正向相关［10］。同时，考虑到玉米秸秆在收集、运输等过程中会产生损耗，导致玉米秸秆可采集利用量小于秸秆理论资源量，因此本文引入玉米秸秆可收集系数，测算黑龙江省玉米秸秆可收集利用量。本文借鉴霍丽丽等的研究结果，将玉米草谷比取值为0.84，可收集系数取值为0.88［11］。

玉米秸秆理论资源量计算公式为：P ＝ΣλiGi。式中：P 为秸秆理论资源量；Gi为玉米产量；λi为玉米秸秆系数，此处取λi＝0.84。

玉米秸秆理论资源量计算公式为：Pc＝ΣηiλiGi。式中：Pc为秸秆可收集资源量；ηi为玉米秸秆可收集系数，此处取ηi＝0.88。

1.2 黑龙江省玉米秸秆资源时间分布特征

2011—2020 年间黑龙江省玉米秸秆播种面积变化特征（表1）可分为两个阶段：第一阶段为持续上升期（2011—2020 年）。这一时期由于黑龙江省玉米需求量急剧增加，贸易商和企业积极参与玉米购销环节，农民玉米种植的积极性大幅提升，播种面积持续扩大，总量涨幅超过50%；第二阶段为波动下降期（2016—2019 年）。这一时期玉米播种面积呈现波动下降状态，虽然在2018 年时玉米播种面积较前两年有所回升，但上升幅度较小，持续时间较短。这一时期，我国临储政策逐步取消，玉米补贴价格年年下降，而作为玉米替代品的大豆补贴价格却年年上涨，当地农民改种意愿强烈，加之化肥成本与土地租金不断上涨，严重挫伤了农民玉米种植积极性，导致玉米播种面积大幅下降，截至2020 年播种面积已降至540万hm2，与最高值2015年相比减少196.1万hm2。

表1 2011—2020 年黑龙江省玉米种植与秸秆产生量Table 1 Maize sowing and maize straw yield in Heilongjiang Province，2011－2020

受到玉米播种面积波动的影响，黑龙江省玉米产量、玉米秸秆理论资源量与可收集利用资源量也大致呈现相同的波动态势。但总体而言，2011—2020年黑龙江省平均每年产出的玉米秸秆资源量高达3148.49 万t，除去收集、贮藏、运输和加工等环节的损耗，平均每年可供收集利用秸秆资源仍有2770.67 万t，资源化利用潜力巨大。

1.3 黑龙江省玉米秸秆资源空间分布特征

为揭示黑龙江省玉米秸秆空间分布特征，本文借助ArcGIS 10.8 地理信息系统，运用自然间断点分级法（Jenks）对玉米秸秆理论资源总量、单位面积产量和人均占有量的层次划分，准确识别黑龙江省玉米秸秆资源空间分布特征。

从玉米秸秆资源总量的分布特征来看（表2、图1），2020 年黑龙江省玉米播种总面积为540 万hm2，玉米秸秆资源总量为3182.44 万t，主要集中分布在哈尔滨、齐齐哈尔、绥化3 市，哈尔滨市玉米秸秆资源量更是占全省资源总量的20.7%，而伊春、鹤岗、七台河与大兴安岭地区秸秆资源总量较为贫乏，其中大兴安岭地区玉米秸秆资源量最低，仅占全省的0.02%。

图1 2020 年黑龙江省各市玉米秸秆产量分级Figure 1 Hierarchy of maize straw yield in cities of Heilongjiang Province，2020

表2 2020 年黑龙江省各市玉米秸秆产生量Table 2 Yield of maize straw in cities of Heilongjiang Province，2020

从玉米秸秆单位面积产量分布特征来看，考虑到玉米产量与当地耕作制度、地形地貌及气候条件等因素息息相关，因此本文通过测算各地级市玉米秸秆单位面积产量对各地秸秆生产能力与可收集利用强度进行直观展示（表3）。2020 年黑龙江省玉米秸秆播种面积单产为5.89t?hm2，依据自然断点法以5.04t?hm2 和5.63t?hm2 为界限，将黑龙江省玉米秸秆生产能力划分为低、中、高3 个区域，伊春市、七台河市与大兴安岭地区玉米秸秆资源量单产面积较低，玉米秸秆产量仅占全省的2.8%，秸秆生产能力与生产强度不足；而哈尔滨、大庆、绥化等6 市玉米秸秆产量合计占全省的62.9%，平均播种面积秸秆单产高出全省平均水平4.41%，具有较高的秸秆生产能力与生产强度。结合玉米秸秆产量分布来看（图2），一个地区玉米秸秆产量与其秸秆生产能力之间关系并不一致，如哈尔滨市秸秆产量虽为全省最高，但秸秆播面单产仅排第五。

表3 2020 年黑龙江省玉米秸秆播种面积单产层级划分Table 3 Hierarchy of maize straw sowing area per unit yield in Heilongjiang Province，2020

图2 2020 年黑龙江省各市玉米秸秆单位面积产出Figure 2 Maize straw sowing area per unit yield of cities in Heilongjiang Province，2020

从玉米秸秆人均占有量的分布特征来看（表4、图3），2020 年黑龙江省人均玉米秸秆产量为1.0t?人，高、中、低产地区与黑龙江省人均秸秆产量的比值为151∶80 ∶19 ∶100，单产密集区主要集中在西部绥化市、齐齐哈尔市与黑河市，分别位居第一、二、四位，而东部地区仅有双鸭山市秸秆人均产量较高，位居黑龙江省第三位，其余地级市人均产量均处中游，而中部伊春市与西北大兴安岭地区人均产量只有0.26t?人和0.02t?人，人均占有量较少。

图3 2020 年黑龙江省各市玉米秸秆人均占有量分布Figure 3 Distribution of maize straw per capita yield in cities of Heilongjiang Province，2020

表4 2020 年黑龙江省玉米秸秆人均占有量层级划分Table 4 Hierarchy of maize straw per capita occupancy in Heilongjiang Province，2020

2 玉米秸秆资源利用模式及地区选择

2.1 玉米秸秆资源化利用模式划分

当前我国玉米秸秆资源化利用模式主要划分为5种：肥料化利用、饲料化利用、燃料化利用、基料化利用与原料化利用（表5）。

肥料化利用模式是指将玉米秸秆腐烂分解转化为肥料应用于农业生产，实现农作物产量增加，其中秸秆还田由于具备成本低、效率高等优点，成为我国玉米秸秆肥料化主要利用方式，相关研究显示2019年黑龙江省的秸秆还田率为57.4%［12］。当前，黑龙江省玉米秸秆还田方式主要包括秸秆粉碎还田、秸秆腐烂还田与秸秆炭化还田，其中前两种方式技术条件较为成熟，而秸秆炭化还田目前还处于试验阶段，并没有大面积推广。

饲料化利用模式是指运用秸秆青（黄）贮技术，将有氧发酵加工秸秆转化为富含氨基酸、糖等可满足牲畜生长所需饲料的资源化利用方式。通过玉米秸秆饲料化，一方面可以扩大饲料来源，降低养殖户购买饲料的成本，另一方面通过玉米秸秆过腹还田实现秸秆再利用，减少秸秆焚烧等方式可能导致的环境污染。近年来，玉米秸秆饲料化利用量年均增长率为2.93%，东北地区更是成为秸秆饲料化利用的核心区域，《2021 年黑龙江统计年鉴》相关数据显示，黑龙江省秸秆饲料化应用前景可观。

燃料化利用模式主要是指将玉米秸秆直接作为家庭燃料或者通过热解气化、沼气化、固化成型、炭化等方式转变为一种清洁能源，主要包括秸秆发电技术、秸秆炭化技术、固化成型技术等。2019 年黑龙江省农村秸秆燃料化利用1452 万t，是除秸秆还田外的第二大利用方式。目前，黑龙江省秸秆炭化技术与固化成型技术均有所进展，但通过秸秆直接燃烧发电仍是秸秆燃料化的主要利用方式。依靠秸秆燃烧发电，不仅解决了企业发电成本高、材料收集难的问题，更是帮助农户获得清洁能源，带动当地农民就业，也从源头上减少了秸秆露天焚烧问题，实现了政府、企业与农户间的多方共赢。

基料化利用模式主要是指将玉米秸秆作为基料应用于食用菌、蔬菜等栽培，运用这种方法栽培的食用菌不仅能够产生更多的菌基，而且具备更高的营养价值。黑龙江省是全国第三大食用菌主产区，每年食用菌总面积4 万hm2左右，生产规模超过60 亿袋，位居全国首位。基料化利用模式的开展对自然资源依赖程度较高，以食用菌产业发展为例，需借助大量的木材资源，因此在很多地区难以开展。东北地区林业资源丰富，资源环境优势明显，能够极大推动草腐食用菌产业发展与基料化利用模式构建。

原料化利用模式主要是指将玉米秸秆应用于生产纸张、包装、板材与建材等，主要包括秸秆造纸技术、木糖醇生产技术与人造板材生产技术等。玉米秸秆中富含大量纤维素，将其作为工业化原料，不仅能够充分利用农林剩余物，还可以提高社会经济效益。近年来，东北地区已广泛开展秸秆造纸等项目试点，更是形成了产业链长、科技含量高、综合效益好的“泉林模式”。此外，黑龙江省也是我国玉米芯和玉米秸秆生产木糖醇的重要产区，通过玉米秸秆的半纤维素聚戊糖生产木糖醇，不仅生产成本低，而且所需工艺并不复杂，具有较大的发展潜力。但总体而言，由于秸秆收储体系不完善、相关技术及设备供给不足等问题，秸秆的工业用量并不大，原料化利用模式在我国仍有较大的发展潜力。

2.2 区域划分与模式选择

虽然玉米秸秆的空间分布特征可以通过玉米秸秆产量、单位面积产量和人均产量等个量指标体现，但考虑到各区域人口密度和复种指数不同，因此容易导致指标值所反映信息有所偏颇［13］。有鉴于此，本文借鉴李泽媛等的研究方法［14］，将黑龙江省13个地市（区、县）玉米秸秆生产详细划分为9 个类型区，各个类型区以不同色块进行区分（图4），以直观反映黑龙江省玉米秸秆生产能力和利用强度。

图4 黑龙江省各市玉米秸秆数量分布矩阵Figure 4 Quantitative distribution matrix of maize straw in Heilongjiang Province

第一类型为玉米秸秆资源丰裕区，矩阵组合表现为高数量—高产区、高数量—中产区和中数量—高产区，主要包括哈尔滨、绥化、大庆、双鸭山、佳木斯和齐齐哈尔6 个市。这一区域农业经济发达，是黑龙江省秸秆生产重要基地。2020 年，该类型区玉米秸秆产量合计2355.73 万t，占全省秸秆总量的79.62%，播种面积单产为5.6t?hm2。这一区域玉米秸秆总产量和单位面积秸秆产出均为全省丰产典型，因此可作为玉米秸秆“收—储—运”体系建设起步阶段集约示范地区，尤其是哈尔滨市和绥化市，是全省玉米秸秆高产量、高单产地区，率先进行玉米秸秆资源化利用体系建设和模式探索尤为必要。

第二类型为玉米秸秆资源一般区，矩阵组合表现为高数量—低产区（无）、中数量—中产区和低数量—高产区（无），主要包括牡丹江、鸡西、黑河、鹤岗4个市，玉米秸秆产量合计559.81 万t，占全省的17.59%，玉米秸秆播种面积单产平均为5.62t?hm2。该区域秸秆资源除去竞争性用途后，虽然所剩资源仍然客观，但仍应有选择性地对当地秸秆资源进行开发利用。因此，本区域可重点考虑布局如秸秆直接还田、秸秆过腹还田、秸秆气化等模式，在满足居民基本生活需求的基础上实现秸秆资源化利用。

第三类型为玉米秸秆资源贫乏区，包括中数量—低产区、低数量—中产区和低数量—低产区，包括七台河市、伊春市和大兴安岭地区，玉米秸秆产量共计88.91 万t，占全省的2.79%。该类地区玉米秸秆生产力相对薄弱，在扣除竞争性用途后剩余玉米秸秆资源量较少，因此在该类型区应谨慎布局大规模秸秆利用项目，重点考虑玉米秸秆内部消耗，防止过度收集导致的成本增加。因此，该区域玉米秸秆资源化利用应以保护当地生态环境为导向，开展以秸秆还田为主，秸秆基料化、原料化为辅的产业模式，实现黑土地的可持续利用。

3 结论、讨论与建议

3.1 结论与讨论

本文以黑龙江省为研究区域，基于2011—2020年玉米播种面积和产量数据，运用秸秆草谷比对黑龙江省秸秆资源量进行估算，探析黑龙江省玉米秸秆资源量时间变化趋势，进一步运用ArcGIS 软件和九宫矩阵图，直观反映玉米秸秆空间分布区域特征和单产层级。主要研究结论如下：①从时间分布特征来看，2011—2020 年间黑龙江省玉米播种面积、秸秆产量变化以2015 年为界划分为持续上升和波动下降两个阶段，农民玉米种植积极性是影响资源量变化的重要因素。②从空间分布特征来看，黑龙江省玉米秸秆资源量主要集中在西南地区的哈尔滨、绥化、齐齐哈尔3 市，单产区域分布呈现出“西南—东北”带状分布特征，齐齐哈尔、黑河、绥化、双鸭山4市人均秸秆资源占有量较为丰富。③通过九宫矩阵图可将黑龙江省玉米秸秆生产划分为丰裕、一般、贫乏3 大类型区，各类型区玉米秸秆资源利用模式特征与生产力空间分布层级有所差异，因此应结合当地实际情况合理布局秸秆资源化利用模式。

3.2 建议

首先，要重视宣传，引导农民观念转变。①加强对玉米秸秆资源化利用的宣传。广泛利用多种渠道加强对玉米秸秆资源化利用的宣传，促使农户全方位了解秸秆资源化利用的益处，破除农户在传统秸秆焚烧处理方式中的“图省事、图省时”思想，积极引导农户树立“绿水青山是金山银山”的价值理念。②加强对农民专业化技能的培训。通过加强对农民专业化技能的培训，让农民获取更多相关知识，让农民了解玉米秸秆资源化利用能够产生经济、社会、环境效益，特别是当农民对玉米秸秆资源化利用能产生经济收益存在清楚的认知后，能够有效带动农民参与秸秆资源化利用的工作。③广泛开展玉米秸秆资源化利用的试点与示范工作。在省域范围内因地制宜地开展秸秆资源化利用试点与示范工作，根据各地农业生产特点选择不同的秸秆资源化利用模式，通过试点示范效应引导农户积极参与玉米秸秆资源化利用。

其次，要科学规划，探索多元协作模式。黑龙江省玉米秸秆资源总量丰富，要想有效处置当地秸秆资源，就必须以产业发展为导向，以满足农民、企业的实际需求为目标，制定符合当地特色的秸秆资源化利用布局规划，逐步建立如“畜牧养殖—秸秆有机肥生产—沼气生产”“饲料—粪肥—生物菌肥”等中央循环模式，实现秸秆利用向资源化、商品化转变，通过延长秸秆资源化利用产业链条，提高秸秆产业产品附加值。同时，政府要鼓励多元市场主体广泛参与秸秆资源化利用，探索诸如“政府＋企业＋农户”“企业＋合作社＋农户”等多级联动模式，实现不同主体间资源优势互补，促进政府、企业、农户等多元主体形成稳固的利益联结机制，不断探索黑龙江省秸秆资源化利用的新模式、新途径。

最后，要内引外联，加大科技研发投入。①主动学习国外秸秆资源化利用先进技术。首先，应在考虑黑龙江省秸秆资源化利用现实状况的基础上，合理吸收借鉴国内外秸秆资源化利用的先进技术与优秀经验，将技术模式落地转化，不断提高当地玉米秸秆资源化利用水平。②加强科技研发与投入力度。要鼓励高等院校、科研院所、科研机构与涉农企业加强合作，重点攻克黑龙江省秸秆资源化利用过程中面临的共性问题与技术瓶颈，实现科研成果转化。③建立玉米秸秆资源化利用服务体系。由高等院校与科研机构牵头成立秸秆资源化利用平台或中间服务组织，完善秸秆资源化利用服务体系，建立企业、农户、合作社等主体沟通交流平台，打破信息壁垒，解决农民秸秆无销路、企业生产无原料的困境。