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晉東旱區(qū)農(nóng)作物秸稈資源綜合利用模式研究
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高德明梅旭榮陸建飛蔡典雄杜建中 劉培貴袁明生王向華孫佩瓊楊雪 轉(zhuǎn)載http://www.100gczg.com/ExamIndex.aspx?id=6170 提 要 系統(tǒng)分析了晉東丘陵旱農(nóng)地區(qū)（壽陽(yáng)）農(nóng)作物秸稈資源及其利用現(xiàn)狀，通過(guò)秸稈過(guò)腹還田生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)；糞肥與秸稈配合還田、培肥土壤的定位試驗(yàn)；及其旱地水分利用效率等研究，獲得秸稈過(guò)腹還田、農(nóng)田休閑期秸稈覆蓋、作物生育期秸稈覆蓋和直接還田等 4 種利用途徑的有關(guān)參數(shù)。以秸稈所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)用線性規(guī)劃模型，優(yōu)化秸稈綜合利用結(jié)構(gòu)，對(duì)北方旱地農(nóng)作物秸稈資源綜合利用具有一定的指導(dǎo)意義。 關(guān)鍵詞 晉東旱區(qū)農(nóng)作物秸稈綜合利用 農(nóng)作物秸稈是我國(guó)目前最大的生物資源之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)目前年產(chǎn)各種作物秸稈約 6～7億t，其中的生物能源約為 2～2．5億t 標(biāo)準(zhǔn)煤，粗蛋白含量約為 2000～2500萬(wàn)t，約相當(dāng)于 1億t 標(biāo)準(zhǔn)牲豬飼料中的粗蛋白含量。 據(jù)估計(jì)，每年各地燃燒的農(nóng)作物秸稈總量達(dá) 4～5億t，因此造成的氮素?fù)p失幾乎相當(dāng)于我國(guó)全年化學(xué)氮肥的產(chǎn)量。從作物秸稈中所含營(yíng)養(yǎng)來(lái)看，全國(guó)農(nóng)作物秸稈的粗營(yíng)養(yǎng)與全國(guó)糧食產(chǎn)量相當(dāng)，如能將其中的 10% 用作飼料，就相當(dāng)于增產(chǎn)糧食5000萬(wàn)t，如能將其中的 1% 轉(zhuǎn)化為畜產(chǎn)品，就可增加畜產(chǎn)品 1000萬(wàn)t。 隨著我國(guó)作物生產(chǎn)水平的不斷提高和國(guó)內(nèi)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，將有越來(lái)越多的剩余秸稈，這是一份極其寶貴而又巨大的資源，如何利用這些生物資源中的有效成分，提高整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)出水平，是一個(gè)十分重要的課題。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，這對(duì)解決我國(guó)糧食問(wèn)題也有極其重要的意義。 國(guó)外農(nóng)作物秸稈利用方面的研究主要是采用氨化、堿化等方法處理后飼喂反芻動(dòng)物。國(guó)內(nèi)自 50 年代以來(lái)就進(jìn)行了農(nóng)作物秸稈綜合利用的研究，主要方向也是用作飼料，也有采用微生物技術(shù)進(jìn)行發(fā)酵（如生產(chǎn)沼氣）的研究。另外，在秸稈培養(yǎng)食用菌的培養(yǎng)基配制、添加劑等方面也進(jìn)行了研究，取得了一些進(jìn)展。但大規(guī)模有效利用農(nóng)作物秸稈的技術(shù)仍未實(shí)現(xiàn)。 1 晉東丘陵旱區(qū)研究背景 山西省壽陽(yáng)縣位于晉東丘陵地區(qū)，屬太行太岳山地丘陵半濕潤(rùn)偏旱區(qū)，黃土高原東部邊緣，海拔 1100m。受大氣環(huán)流和地形的影響，氣候帶垂直分布明顯，屬于典型的大陸性氣候，溫暖干旱，年平均氣溫 7．3℃，≥0℃積溫 3400℃，無(wú)霜期 140 天，農(nóng)作物一年一熟。年降水量 485．5mm，年際間變率大，農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害頻繁。 晉東丘陵旱區(qū)壽陽(yáng)縣是典型的農(nóng)業(yè)縣。全縣人口 22萬(wàn)，地域廣闊，總面積 2112km2，有耕地面積 6．9733萬(wàn)hm2左右，牧坡 4．93萬(wàn)hm2，農(nóng)林牧幾乎各占全縣總面積的 1/3，人均占有耕地 0．317hm2。1996 年糧食產(chǎn)量達(dá)到 201×106kg，人均糧食占有量 914kg，屬于全國(guó)領(lǐng)先水平。但人均占有肉量為全國(guó)平均水平的 1/2；人均占有禽蛋量與全國(guó)平均水平相差不大；人均占有奶量?jī)H達(dá)山西省和全國(guó)平均水平的 7．54% 和 12．66%。 長(zhǎng)期以來(lái)，本類型區(qū)丘陵旱地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨一系列突出問(wèn)題：①水、肥等資源利用率低是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要癥結(jié)；②農(nóng)牧結(jié)合度低，畜牧業(yè)發(fā)展嚴(yán)重滯后，農(nóng)牧生態(tài)系統(tǒng)脆弱，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，人均收入不高；③秸稈飼草生物資源浪費(fèi)嚴(yán)重。 經(jīng)過(guò)了“六五”、“七五”、“八五”和正在進(jìn)行的“九五”國(guó)家科技攻關(guān)晉東豫西北方旱農(nóng)區(qū)域農(nóng)業(yè)綜合研究，結(jié)果表明：秸稈覆蓋技術(shù)能創(chuàng)造出作物節(jié)水增產(chǎn)的小氣候條件，改變下墊面的性質(zhì)和能量平衡，調(diào)節(jié)土壤溫、濕度；改善了農(nóng)田水分狀況，培肥土壤，控制水土流失，從而實(shí)現(xiàn)旱地有限水資源的合理利用。豐富的草山草坡和作物秸稈，適于發(fā)展羊、牛等草食畜，并具有發(fā)展糧食轉(zhuǎn)化型畜牧業(yè)的潛力。通過(guò)攻關(guān)研究，完成了以玉米秸稈利用為中心的家畜飼養(yǎng)配套技術(shù)，包括秸稈加工利用、配合飼料和添加劑研究；正在進(jìn)行以畜牧業(yè)高效利用秸稈飼草為核心、以農(nóng)牧結(jié)合產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究為突破口、提高農(nóng)牧結(jié)合度、形成農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展模式和技術(shù)體系的科技攻關(guān)研究。 2 壽陽(yáng)縣秸稈產(chǎn)量與利用方向 2．1 壽陽(yáng)縣秸稈產(chǎn)量與利用 壽陽(yáng)是國(guó)家級(jí)商品糧基地，山西省糧食大縣，秸稈資源豐富是壽陽(yáng)縣獨(dú)特優(yōu)勢(shì)之一。1993～1997 年，壽陽(yáng)縣平均年產(chǎn)農(nóng)作物秸稈 168245t，其中的生物能源相當(dāng)于 51604t 標(biāo)準(zhǔn)煤，粗蛋白含量為 5160．4t，約相當(dāng)于 25800t 標(biāo)準(zhǔn)牲豬飼料中的粗蛋白含量。如能將壽陽(yáng)縣秸稈的 10% 用作飼料，就相當(dāng)于增產(chǎn)糧食 2500t；如能將秸稈的 1% 轉(zhuǎn)化為畜產(chǎn)品，就可增加畜產(chǎn)品 175t 活體羊�？梢�(jiàn)，壽陽(yáng)秸稈是一份極其寶貴而又巨大的資源，但 1993～1997 年僅有部分玉米秸稈青貯、氨化用作飼料，利用率只有 19．91%。 由于壽陽(yáng)縣煤炭資源比較豐富，而且埋藏較淺，大部分為歷代百姓以小煤窯形式土法開采。因此，這里的農(nóng)民不存在燃料問(wèn)題。農(nóng)作物秸稈成了農(nóng)民的一種負(fù)擔(dān)和累贅，相當(dāng)大的一部分秸稈被農(nóng)民在田間直接燒毀，浪費(fèi)了生物資源又污染了大氣環(huán)境，造成的氮素?fù)p失幾乎可以相當(dāng)于壽陽(yáng)縣年平均化肥用量的 37．768×106kg。長(zhǎng)此下去，有機(jī)質(zhì)來(lái)源缺乏，加速土壤退化過(guò)程，影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。 通過(guò)“八五”、“九五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)壽陽(yáng)試驗(yàn)區(qū)的研究，在秸稈覆蓋和秸稈直接還田的水、肥、生物資源利用效率方面；秸稈與水分利用效率相關(guān)性方面；秸稈通過(guò)草食性家畜過(guò)腹還田，特別是以玉米秸稈利用為中心的家畜飼養(yǎng)配套技術(shù)，包括畜群改良、秸稈加工利用、配合飼料和添加劑、規(guī)模化養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益、水分利用效率等方面都取得了系列成果。 2．2 壽陽(yáng)縣秸稈綜合利用的認(rèn)可和實(shí)施 在科技攻關(guān)研究、試驗(yàn)、示范、推廣的推動(dòng)下，壽陽(yáng)縣帶動(dòng)整個(gè)丘陵旱地類型區(qū)正積極推行“大玉米”和“大畜牧”戰(zhàn)略以及秸稈覆蓋旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)。秸稈是“大玉米”和“大畜牧”戰(zhàn)略的橋梁。秸稈資源利用好，配置合理，則旱地農(nóng)田水分利用效率的提高、土壤營(yíng)養(yǎng)元素與有機(jī)質(zhì)的提高及改良、畜牧業(yè)的大力發(fā)展、勞動(dòng)力就業(yè)機(jī)會(huì)的增多等方面，以及整個(gè)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益將會(huì)得到全面發(fā)展和提高，種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)兩業(yè)興旺，協(xié)調(diào)發(fā)展，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)。因此，農(nóng)作物秸稈成了晉東丘陵旱地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)極其重要的調(diào)控因子之一，是連接種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)的核心。 在壽陽(yáng)縣，具有成熟技術(shù)的秸稈利用方式主要有 4 種：青貯、氨化養(yǎng)畜，過(guò)腹還田；農(nóng)田休閑期覆蓋；作物生長(zhǎng)苗期覆蓋；直接還田。 壽陽(yáng)縣秸稈利用與走向問(wèn)題，對(duì)提高本類型區(qū)水、土資源利用率，促進(jìn)旱地農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展具有重要意義。上述 4 種利用方式都具有一定的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益。本文運(yùn)用線形規(guī)劃模型對(duì)壽陽(yáng)縣的秸稈資源的走向與利用方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 3 壽陽(yáng)縣玉米秸稈綜合利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化 線性規(guī)劃的思想是合理安排有限資源，使決策結(jié)果最優(yōu)，適于解決多重矛盾而又沒(méi)有統(tǒng)一度量單位的決策問(wèn)題。線性規(guī)劃是在同一組線性約束條件下，使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)的數(shù)學(xué)方法。線性規(guī)劃的解法多種多樣，本文采用的是單純形解法。 3．1 線性規(guī)劃模型的建立 3．1．1 決策變量 根據(jù)目前晉東丘陵旱區(qū)具有成熟技術(shù)的 4 種秸稈資源利用方式，確定 4 個(gè)決策變量，即 X1（kg）：秸稈氨化或青貯，過(guò)腹還田。根據(jù)研究結(jié)果，1kg秸稈可以產(chǎn)生 0．56818kg鮮牛糞（或 0．826 8kg 鮮羊糞），按照每公頃耕地施 1．5萬(wàn)kg 糞肥的標(biāo)準(zhǔn)；X2（kg）：農(nóng)田休閑期秸稈覆蓋，按照每公頃耕地覆蓋 3750kg 秸稈的標(biāo)準(zhǔn)；X3（kg）：在作物苗期，按照每公頃耕地覆蓋 1500kg 秸稈標(biāo)準(zhǔn)；X4（kg）：按照每公頃 4590kg 秸稈的標(biāo)準(zhǔn)，作物收獲后直接還田。 3．1．2 目標(biāo)函數(shù) 本模型以玉米秸稈直接產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo)函數(shù)（不包括秸稈養(yǎng)家畜以及其它行業(yè)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益），將旱農(nóng)地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展一個(gè)比較重要的指標(biāo)——水分利用效率（WUE）作為約束條件。①秸稈過(guò)腹還田：間接投入 1760kg 秸稈，增收 150 元玉米；秸稈氨化費(fèi)（人工、尿素、占地和其它）0．067 元/kg；秸稈原料價(jià)格按 0．06 元/kg 計(jì)；1kg秸稈相當(dāng)于 0．25 個(gè)飼料單位；投入 72kg 秸稈，產(chǎn)生 41kg 牛糞，可以減少 1kg 化肥的投入。因此，1kg秸稈增值 0．2318383 元；②農(nóng)田休閑期秸稈覆蓋：投入 250kg 秸稈，可以增收 70 元玉米，秸稈費(fèi)用 0．06 元/kg；附加投入勞動(dòng)力價(jià)值 9．6 元。因此，1kg秸稈增值 0．1816 元；③作物生育期秸稈覆蓋：投入 100kg 秸稈，增收 19 元玉米，勞動(dòng)力投入價(jià)值 12 元。因此，1kg秸稈增值 0．01 元；④秸稈直接還田：投入 306kg 秸稈，增收 36．69 元玉米，投入勞動(dòng)力 3．2 元。因此，1kg秸稈增值 0．0494 元。故目標(biāo)函數(shù)秸稈增值最大 Mv＝0．231838 3X1＋0．1816X2＋0．01X3＋0．0494X4。 3．1．3 基本情況 全縣實(shí)有耕地面積 6．9733萬(wàn)hm2，果園 1576．933hm2，合計(jì)面積 71309．933hm2；勞動(dòng)力 92400 人，年用化肥 3．546×106kg，糧食 175×106kg，秸稈 170．27481×106kg。 參考文獻(xiàn) 1 冷石林，韓仕峰，王立祥等．中國(guó)北方旱地作物節(jié)水增產(chǎn)理論與技術(shù)．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社，1996，61～62 2 趙聚寶，徐祝齡等．中國(guó)北方旱地農(nóng)田水分開發(fā)利用．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1996，77 3 王維敏，張鏡清．王文山等．黃淮海地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)平衡的研究．中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，1988，21（1），19～26 |
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