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

分　类　中图法 F323.2

　　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。

3.1.4 约束条件

　　(1) 秸秆资源约束　X₁＋X₂＋X₃＋X₄≤170274810

　　(2) 秸秆增产贡献率

　　按照“九五”规划，农作物秸秆对粮食增产的贡献率要达到 6% 以上。根据“七五”、“八五”研究结果^[1、2]①，对于单产 6000kg/hm² 的耕地，采取秸秆过腹还田 1760kg/666.7m² 措施，玉米单产可增长 35%；采取农田休闲期秸秆覆盖 250kg/666.7m² 措施，单产可增长 17.5%；采取作物苗期秸秆覆盖 100kg/666.7m² 措施，单产可增长 4.75%；采取秸秆直接还田 306kg/666.7m² 措施，单产可增长 9.17%。故有：(0.35X₁/1760＋0.175X₂/250＋0.0475X₃/100＋0.0917X₄/306)/[(0.35＋0.175＋0.0475＋0.091 7)×1069654]≥6%。

　　(3) 土壤 C、N、P 平衡

　　从 1992 年开始，在寿阳实验区内设立不同秸秆、有机肥、化肥用量配比的定位试验，用密织尼龙袋做了 N、P、有机物（秸秆、厩肥）不同配比的三因素五水平正交旋转设计，采用 311AD－饱和设计研究春玉米农田 C、N、P 平衡施肥培肥技术及有关参数，重复 3 次；用尼龙袋法测定有机质年矿化率。得到以下试验结果：

　　●土壤有机质年矿化率 B(%)=0.0285；玉米秸秆还田有机质腐殖化系数 A(%)=0.30；家畜粪肥还田有机质腐殖化系数 A(%)=0.51；年残留于土壤中的根茬量 D=75kg/666.7m²。根据 M=(P×1.5×10⁵×B)/A－0.70D 关系式^[1]，M——还田有机质 (kg/666.7m²)，P——0～20cm 土壤有机质含量 (%)，B——土壤有机质年矿化率 (%)，A——还田有机质腐殖化系数 (%)，D——年残留于土壤中的根茬量
(kg/666.7m²)，得出还田玉米秸秆有机质：P=7.017 5×10^-5(70%×玉米秸秆 kg/666.7m²＋52.5)(70% 为玉米秸秆含有机质比例）；过腹还田秸秆有机质：P=1.19298×10^-4(0.2397 施牛粪 kg/666.7m²＋52.5)=1.19298×10^-4(0.1362 过腹还田秸秆 kg/666.7m²＋52.5)(1kg 秸秆产生 0.56818kg 鲜牛粪，鲜干牛粪换算系数为 75%，干牛粪有机质含量 31.97%)。故：P 秸秆 =7.0175×10^-5(0.7×玉米秸秆还田 kg/666.7m²＋52.5)=7.0175×10^-5(0.7×秸秆还田总量/1069654＋52.5)；P 牛粪 =1.19298×10^-4(0.1362×X₁/1069654＋52.5)。0～20cm 土壤有机质 P 总量 =P 秸秆＋P 牛粪。要维持寿阳试验区 0～20cm 土壤有机质平均 1.147% 的水平，得到：X₁＋3.02 秸秆还田总量≥1.0014×10⁸，不等式中秸秆还田总量可以根据单位面积施用量比例，用 (2.5X₂＋X₃＋3.06X₄)/(2.5＋1＋3.06) 取代。因此有：2.17X₁＋2.5X₂＋X₃＋3.06X₄≥2.17524×10⁸。

　　●土壤 N 平衡 = 秸秆 N 投入量 (kg/666.7m²)/[0.6211706－0.4697922( 秸秆 N 投入量 kg/666.7m²)²]，R=0.7183**（秸秆含 N0.685%）。为保持土壤肥力，促进土地资源可持续利用，土壤 N 平衡应该为正，得到 0.685%X₄/1069654≤1.14988。

　　●土壤 P₂O₅ 平衡 =[－0.06936574＋5.836011 秸秆 P₂O₅ 投入量
(kg/666.7m²)]/秸秆 P₂O₅ 投入量 (kg/666.7m²)，R=0.6416*( 秸秆含 P₂O₅0.2355%)。同样，要维持地力不下降，土壤 P 平衡应该为正，得到：5.836011×0.2355%X₄/1069654≥0.06936574。

　　●土壤 P₂O₅ 平衡 =[－0.1118414＋5.995568 厩肥 P₂O₅ 投入量
(kg/666.7m²)]/厩肥 P₂O₅ 投入量 (kg/666.7m²)，R=0.6522。同样得到：5.995568×0.239%×0.56818X₁/1069654≥0.1118414。

　　(4) 关键季节劳力

　　过腹还田 1000kg 秸秆需 2 个工日；农田休闲期覆盖 250kg 秸秆需 1.2 个劳力工日；结合中耕，作物生育期覆盖 100kg 秸秆需要 1.5 个劳力工日；作物收获后 306kg 秸秆直接还田需要 0.4 个劳力工日。因此：2X₁/1000≤92400×3（秸秆要在作物收获后 3 天内下窖）；1.2X₂/250≤92400×30（要在作物收获后 1 个月内覆盖）；1.5X₃/100≤92400×3（要在作物孕穗期覆盖结束）；2X₁/1000＋1.2X₂/250＋1.5X₃/100＋0.4X₄/306≤92400×360。

　　(5) 水土保持（5～25°坡度平均）

　　目前，0～25°耕地每 666.67m² 平均土壤流失量为 5002.779kg，径流量为 146.75kg。实行秸秆覆盖措施：水的流失量减少 43%～66.8%；土的流失量减少 44.8%～68.7%^[3]。根据秸秆覆盖量的不同处理模拟出方程：土壤流失量 (g)=5002.779－11.61583 秸秆覆盖量 (kg/666.7m²)；径流量 (kg)=146.75－0.288 75 秸秆覆盖量 (kg/666.7m)。旱地要求土壤流失量和径流量每年降低 5%，因此：土壤流失量 (g)=5002.779－11.615 83(2.5X₂＋X₃)/[(2.5＋1)×1069654]≤5002.779×(1－5%)；径流量 (kg)=146.75－0.28875(2.5X₂＋X₃)/[(2.5＋1)×1069654]≤146.75×(1－5%)。得到：2.5X₂＋X₃≥8.06×10⁷；2.5X₂＋X₃≥9.51×10⁷。

　　(6) 水分利用效率 (WUE)(kg.mm^-1.(hm²)^-1)

　　秸秆过腹还田，玉米单产增加幅度达到 35%，WUE 达到 26.7^[2]，提高了 10.2；农田休闲期秸秆覆盖 WUE 达到 20.6625^[3]，提高了 3.375；根据 1994 年设置的土壤养分平衡模拟试验得到模拟方程：WUE=1.44017＋1.683742×10^-3 秸秆返田量 (kg/666.7m²)＋8.115017×10^-4 厩肥投入量 (kg/666.7m²)，Se=0.1906043，R=0.8275。根据“九五”国家科技攻关技术指标，WUE 要求提高 3kg.mm^-1.(hm²)^-1，达到 19.5，得到：1.44017＋3.018×10^-10X₁＋5.998855×10^-12X₂＋2.399542×10^-12X₃＋7.3425985×10^-12X₄；≥19.5

　　(7) 土壤含水量增加值 (%)

　　根据 1990～1994 年寿阳试验区的田间试验数据模拟出：0～50cm 土壤含水量增加值 (%)=1.975%X₁/(1069654×1760)＋2.125%X₂/(1069654×250)＋2.025%X₃/(1069654×100)＋1.8% X₄/(1069654×306)(1.975%＋2.125%＋2.025%＋1.8%，得到：X₁＋7.575X₂＋18.046519X₃＋5.2422244X₄≥7.5278495×10⁹。

3.2 线性规划模型的解析

　　为了运算方便，设定 X_i=10⁶S_I，

　　则最大净产值 Mv=231838.29688S₁＋181600S₂＋10000S₃＋49400S₄

　　通过 LINDO 软件运行，得到优化结果（表 1)：(OFV) 当 X₁=126.8362×10⁶kg；X₂=38.04×10⁶kg；X₃=0；X₄=5.398602×10⁶kg 时，寿阳县秸秆增值达最大值，为 36580240.0 元，即：全县用 74.5% 的秸秆来青贮、氨化、发展牛羊，产生 72.065792×10⁶kg 粪肥还田；用 22.3% 的秸秆在农田休闲期覆盖 10155hm² 耕地，用 3.2% 的秸秆配合有机肥还田，农作物秸秆所产生的利润可达到 3658.024万元（不包括节省饲料、发展畜牧业以及用于其它行业所产生的经济效益）；农田水分利用效率达到 22.18kg.mm^-1.(hm²)^-1。

表 1　线形规划最优目标函数值与优化结果
Table1 Lp optimum objective function value

OFV	36580240.0
Variable	Value	X	Reduced cost
S1	126.8362	126836200	0.000000
S2	38.04000	38040000	0.000000
S3	0.000000	0	201743.000000
S4	5.398602	5398602	0.000000

3.2.1 秸秆利用优化模式的三大效益

　　秸秆资源利用结构优化后，全县 170×10⁶kg 的农作物秸秆资源将产生巨大的经济效益、社会效益和生态效益。玉米籽粒产量将提高 22.11×10⁶kg，同时增加秸秆产量 22.55×10⁶kg；秸秆增值 3658万元，同时增加 135.3万元的秸秆产值（秸秆按 0.06 元/kg 计算），秸秆共增值 3793.3万元。

　　由于全县将有 16120hm² 玉米地（占耕地的 23%）直接受益于秸秆的综合利用，土壤理化性质和生态环境得到显著改善：农田水分利用效率 WUE 提高 0.357 个百分点（加权平均）；0～50cm 土壤含水量增加 2.057 个百分点；C、N、P 得到不同程度的提高；水土流失将得到明显控制。

　　74.5% 的秸秆用来过腹还田，带动了草食性畜牧业的发展，形成了畜牧业支柱产业，推动了农畜产品产业化进程，创造更多的就业机会，产生了一定的社会效益。

3.2.2 秸秆利用结构变化

　　通过秸秆利用结构优化，秸秆用于发展畜牧业的比例提高到 74.5%；22.3% 的秸秆用于农田休闲期覆盖；3.2% 的秸秆用来直接翻压还田。秸秆利用率达到 100%，取得较大的经济、社会和生态效益（图 1）。

图 1 寿阳县秸秆资源利用结构优化模式与效益
Fig.1 Model＆effects of crop stalks optimum utilization structure

4 优化结果的可行性分析

4.1 秸秆过腹还田

　　(1) 具有立足现状，将资源优势转化为经济优势的动力。寿阳县各级领导和部门已经充分认识到：一方面农村经济欠发达，另一方面秸秆资源丰富，先后出台一系列发展畜牧业的政策和措施，并组织有关部门落实实施。秸秆过腹还田具有了立足现状，将资源优势转化为经济优势的动力。

　　(2) 摆脱贫困的迫切性。由于基础薄弱，人均收入水平较低，资金短缺。畜牧业是农业经济第二主导产业，只有充分合理利用自身资源优势，发展草地与秸秆结合性畜牧业，赶着牛羊奔小康，才能早日摆脱贫困，形成良性循环的农业生态系统。

　　(3) 发展节粮性畜牧业的可行性。目前在我国人畜共粮、粮饲不分的现实下，面对粮饲供需矛盾的双重压力，一些“多功能”作物，特别是粮饲兼用作物，籽粒和秸秆“都是宝”的作物将优先得到发展。即通过大幅度增加籽粒产量及其副产品来保障精粗饲料资源的有效供给，发展节粮性畜牧业是具有中国特色的畜牧业发展道路，是切实可行的。

　　(4) 秸秆过腹还田技术可行。经过了国家科技攻关研究，农作物秸秆通过氨化处理，营养价值增加一倍以上，可提高秸秆有机物消化率 10～12 个百分点，粗蛋白提高 8% 以上，适口性得到改善，节粮效果也更为显著。

　　(5) 秸秆过腹还田的意义。秸秆过腹还田的意义远不止于仅仅为人类提供了畜产品，更重要的是优化了资源配置，节约了饲料用粮；同时改善了农田微环境，提高了水分利用效率，增加了农田粮食产量，减轻了国家粮食压力。

4.2 秸秆覆盖与翻压还田

　　我国北方旱农地区经常存在的干旱缺水和降水的分配不均对不同种植方式下的不同作物，既不利于产量的形成，也不利于节约利用有限的水资源。大范围地增加水分来源是短期内难以解决的。通过覆盖栽培技术来创造出作物节水增产的小气候条件，实现有限水资源的合理利用，效果明显，易于被农民接受和推广。

参考文献

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