京津冀秸秆养分资源及秸秆焚烧气体污染物排放定量估算

方 放，王 飞，石祖梁，郑向群，邵宇航，李 想，邱 凌



京津冀秸秆养分资源及秸秆焚烧气体污染物排放定量估算

方 放1，王 飞2，石祖梁2，郑向群3，邵宇航4，李 想2，邱 凌1※

（1. 西北农林科技大学农学院，杨凌 712100；2. 农业部农业生态与资源保护总站，北京 100125； 3. 农业部环境保护科研监测所，天津 300191；4. 南京农业大学农学院，南京 210095）

为推动区域农作物秸秆综合利用，减少秸秆露天焚烧气体对环境的影响，以京津冀地区为研究对象，评估分析了各类农作物秸秆资源产生、利用状况及其应用潜力，并定量估算了该地区主要农作物秸秆露天焚烧气体污染物排放特征。结果表明，2012年京津冀地区农作物秸秆资源总产量为5 406.9万t，秸秆中氮、磷、钾养分资源总量分别达到3.7×104、7.4×104、1.0×106t。秸秆资源化利用方式主要以还田为主，北京市、天津市、河北省还田量分别占秸秆量的67.7%、27.3%和61.2%。秸秆露天焚烧主要以小麦和玉米秸秆为主，占田间秸秆焚烧总量的93.03%，焚烧排放的污染物总量分别达到1.0×106和4.8×105t。基于京津冀地区秸秆利用现状，建议因地制宜地推动秸秆全量化利用，并在秸秆还田机制、离田利用机制、组织管理机制、技术研发机制等方面出台系统配套的政策措施，以期为中国不同区域秸秆资源的科学利用提供参考。

秸秆；养分；污染；京津冀；政策机制

0 引 言

中国是一个农业大国，秸秆资源量十分丰富。秸秆中蕴藏了作物生长过程中吸收近一半的养分[1]，是关系农业发展的重要有机质资源。目前，中国秸秆利用主要包括肥料化、饲料化、基料化、能源化、原料化等方式[2]，但受农业集约化程度低、资金短缺和农户认知的影响，秸秆资源综合利用水平整体不高[3-4]，仍有大量秸秆被直接焚烧或废弃[5-7]。秸秆不合理的应用不仅造成了资源浪费，秸秆焚烧还会增加大气中污染物含量，减少土层中的含水量、有机质含量、微生物数量及土壤酶活性[8-10]，引发一系列生态环境问题[11-13]，甚至威胁人体健康。

京津冀地区是中国重要的政治经济文化中心，是中国社会经济发展的重要拉动力[14]。近年来，京津冀地区资源与环境问题日益凸显，严重制约了经济发展和城市化进程[15]。目前，在政府及相关部门的大力推动下，京 津冀地区秸秆综合利用取得了一定成效，但仍有部分地区存在秸秆露天焚烧现象。相关报告显示，京津冀及 周边地区每年因秸秆焚烧向大气中排放的颗粒物有数十万吨，区域内PM2.5日均浓度平均增加60.6g/m3，最多增加127g/m3，对大气污染的影响非常大[16]。为加快推进京津冀地区秸秆综合利用工作，有效缓解因秸秆焚烧带来的环境污染，本研究通过对京津冀地区主要农作物秸秆产量及其养分资源量进行定量估算，分析了主要秸秆资源露天焚烧污染气体排放特征，并针对京津冀秸秆综合利用提出对策建议，以期为秸秆资源的科学利用提供技术支持，并为京津冀地区大气环境治理提供理论参考。

1 研究方法

1.1 数据来源

京津冀地区的秸秆资源量数据主要来源于《中国统计年鉴》（2013）[17]，秸秆综合利用中期评估报告（2013）[18]，《中国农村统计年鉴》（2013）[19]，《中国农业年鉴》（2012）[20]，全国农作物秸秆资源调查与评价报告[21]，农作物秸秆资源能源化利用调查与评价研究[22]，天津市、河北省的2014-2015年秸秆综合利用实施方案[23-24]，北京市畜牧业发展规划[25]以及国内外公开发表的期刊论文等。

1.2 秸秆养分资源数量核算方法

本研究采用如下方法来估算中国秸秆养分资源数量[1]，其计算公式如下：

式中N代表秸秆（风干基，下同）氮素（N）资源数量，t；代表第种秸秆资源数量，t；表示第种作物秸秆氮素（N）质量分数，%。P为秸秆磷素（P2O5）资源数量，t；P表示第种作物秸秆磷素（P）质量分数，%；2.29为单质磷折算为五氧化二磷（P2O5）的系数。K为秸秆钾素（K2O）资源数量，t；表示第种作物秸秆钾素（K）质量分数，%；1.2为单质钾折算为氧化钾（K2O）的系数[26]。为秸秆种类数量。

1.3 秸秆焚烧污染物排放状况

京津冀秸秆露天焚烧CO、CO2、NO、NO2和NOx排放量采用如下方法，具体公式为：

式中M代表秸秆露天焚烧产生的污染气体总量，t；S为第种作物秸秆焚烧量，t；E为第种气体秸秆排放因子，g/kg[27]。

2 结果与分析

2.1 京津冀农作物秸秆资源量与利用途径

中国秸秆资源丰富，但不同地区秸秆资源量差异性较大。2012年全国玉米、水稻、小麦、棉花、油菜等秸秆资源总量达6.93亿t，京津冀三省（市）秸秆资源量分别占全国秸秆资源总量的0.2%、0.5%和7.1%。如表1所示，2012年河北省秸秆资源量为4 899.21万t，在京津冀地区占主导地位。对5种作物的秸秆资源量进行统计，结果表明京津冀三省（市）均以玉米和小麦秸秆为主。其中，玉米秸秆占北京、天津、河北的秸秆总量比例分别为79.9%、58.8%和57.0%，小麦秸秆占比分别为19.4%、23.4%和34.3%。

秸秆是重要的生物质资源，其开发利用对实现中国经济和社会可持续发展具有重要意义。调查表明，京津冀三省（市）秸秆最为重要的利用方式是还田，还田量分别占各地秸秆总量的67.7%、27.3%和61.2%，北京地区秸秆还田率最高。分析京津冀地区不同种类作物秸秆还田率，三省（市）均以小麦秸秆还田率最高，其中北京市小麦秸秆还田率高达94.5%，其次为河北省78.5%，天津市最低，仅为47.1%；玉米秸秆还田率在5种作物秸秆中位居第二，北京市、河北省、天津市依次为61.4%、59.3%和22.9%。京津冀地区秸秆堆肥利用所占比例较少，分别占各地秸秆资源总量的1.7%、0.5%和1.4%。用于能源化、基料化、原料化等其他资源化途径的秸秆分别占三省（市）秸秆资源总量的29.1%、58.1%和32.7%，其中天津市秸秆离田利用率较高。

表1 京津冀地区主要农作物秸秆资源量与利用途径

注：-表示未统计，2012年统计数据，下同。

Note: - mean no statistics , statistical data in 2012, the same below.

京津冀地区仍有不少农作物秸秆被直接废弃或露天焚烧，其中天津市焚烧率和废弃率最高，分别达8.2%和5.9%；其次为河北省，分别为1.5%和3.2%；北京市秸秆焚烧率和废弃率最低，仅为0.6%和0.8%。综合来看，京津冀地区秸秆焚烧和废弃资源量总计为278.83万t，约占秸秆资源总量的5.2%。

2.2 京津冀秸秆还田养分资源数量估算及其对环境影响

秸秆中含有大量的有机质、氮磷钾和微量元素，长期以来秸秆还田已经成为中国农业增产增收的重要技术措施。由表2可见，受秸秆资源量影响，2012年京津冀地区秸秆养分资源量存在一定的差异，三省（市）养分总量表现为河北省＞天津市＞北京市，但总养分还田量则表现为河北省＞北京市＞天津市，养分还田数量依次为6.1×105、2.4×104、1.9×104t。北京地区秸秆养分还田率较高，还田养分量可占秸秆总养分量的66.6%，其中N、P、K养分还田量分别占到各自总量的66.1%、65.1%和67.1%。河北省农业种植面积较大，秸秆产量较高，秸秆养分资源总量可达103.3万t，其中59.4%用于还田；还田养分资源中N、P、K分别占总养分的39.3%、5.8%和54.9%。天津地区用于还田的秸秆养分资源仅占秸秆总养分的25.9%，其中N、P、K还田量分别占各自总量的25.5%、24.9%和26.4%。

表2 京津冀秸秆还田养分资源数量估算

注：总养分指秸秆中N、P、K养分的总量。

Note: Total nutrient mean the sum of N, P, K nutrients in straw

2.3 主要农作物秸秆焚烧排放气体污染估算及其对环境影响

随着中国农村经济水平的不断提高，农业生产方式和农民生活方式的转变，秸秆作为传统的生活燃料用量逐年减少，大量秸秆因缺乏有效出路而出现区域性、季节性和结构性过剩，秸秆随意丢弃和露天焚烧的现象激增，从而对生态环境造成了严重威胁[28]。由表1计算可得，京津冀地区秸秆焚烧主要以小麦和玉米秸秆为主，占田间秸秆焚烧总量的93.03%。如表3所示，根据相关文献得到CO、CO2、NO2、NO和NOx等气体在不同秸秆焚烧时的排放因子，估算得出2012年京津冀地区秸秆焚烧释放出的气体污染物排放状况。结果表明，河北省小麦和玉米秸秆焚烧所产生的CO、CO2、NO2、NO和NOx排放量最大，分别达到8.7×104、9.6×105、2.5×102、5.5×102和8.1×102t，污染气体排放量占京津冀地区总排放量的69.3%，约为天津市排放量的3倍。北京地区可能受政府支持和农户认知程度的影响，秸秆露天焚烧较少，其焚烧排放的气体也较小，CO、CO2、NO2、NO和NOx排放量仅为1.2×103、1.3×104、4.3 、8.5和12.8 t。京津冀地区小麦和玉米秸秆焚烧排放的污染物总量分别达到1.0×106和4.8×105t。

3 讨 论

本文研究结果表明，京津冀三省（市）秸秆资源产生总量为5 406.9万t，占全国水平的7.8%。近年来在各部门的大力推动下，秸秆综合利用取得了一定成效，约60%的秸秆得到直接还田或堆肥利用，但在区域之内表现出一定的差异。其中，北京、天津、河北省的秸秆还田量分别占各地秸秆总量的67.7%、27.3%和61.2%，北京和河北秸秆还田率均高于60%，天津市则低于30%，这与北京市和河北省着力加大秸秆还田力度，改变农民耕作习惯有关。如北京市出台了《北京都市型现代农业基础建设及综合开发工程（2009-2012年）》，开展了以质量提升为中心的农田培肥工程，对玉米秸秆还田进行每 667 m2每年补贴40元的政策引导；同时实施农机购机补贴政策，并在中央财政补贴30%的基础上，地方叠加配套补贴20%[29]。河北省也将秸秆粉碎还田机具纳入国家农机购置补贴政策，单机补贴额最高达到5万元，并对享有补贴资金的机具实行统一调度使用，通过持续提高农机装备水平，实现小麦、玉米秸秆的直接还田利用[30]。而天津市根据产业发展需求，将秸秆收集离田用于能源化、饲料化和原料化[31]，利用率达到58.1%，与秸秆还田形成竞争性用途，是造成秸秆还田率较低的直接原因。

秸秆中富含有机碳（C）、氮（N）、磷（P）、钾（K）以及中微量营养元素，可作为优良的有机肥源物 质[32]。秸秆还田可有效提升土壤中碳、氮含量，改善土壤微生物生存条件[33]，有助于提高作物对土壤中氮元素的吸收利用[34]，从而减少化肥投入，降低因土壤中氮磷流失造成的地下水和地表水污染；秸秆还田还能显著提升土壤有益微生物数量及土壤酶活性，改善土壤质量[35]，进而增加作物产量和质量。前人研究提出，华北农区为实现土壤生产力维持与持续提高，秸秆最小还田量应达到每年3 t/hm2[36]。因此，依据现有的耕地面积，北京、天津、河北秸秆最小还田量应分别达到69.6万、133.2万、1 894.5万t。目前的秸秆还田结构中（包括堆肥），天津市需至少增加秸秆还田量39.4万t才能满足土壤肥力提升标准。

虽然京津冀地区秸秆综合利用取得了显著成效，但焚烧和废弃总量仍有278.83万t，主要农作物秸秆焚烧排放气体总量达到149.67万t，对大气环境和人体健康带来一定的威胁和挑战。分析原因，主要与京津冀地区秸秆综合利用仍存在以下问题有关。一是缺少能够使广大农民和企业“双赢”的有效经济激励，秸秆综合利用的一些关键环节也缺乏政策支持。二是秸秆综合利用政府资金投入不足，秸秆综合利用产业化项目扶持力度不够，秸秆综合利用“小而散”项目没有得到支持。三是秸秆还田和收集装备严重不足，农机收获缺少留茬标准，留茬高低及农田秸秆清理与农民利益衔接不紧密，农民为提高机械收获作业效率，降低油料和人工成本，导致留茬过高；同时秸秆还田后续农艺措施未能实现全程配套，导致秸秆还田产生一些负面效应[16]。四是秸秆收储运体系不健全，专业经纪人、合作社等社会化组织力量较弱，主体培育不足，基础设施跟不上，秸秆离田运输能力弱。因此，为从根本上解决京津冀地区秸秆相对过剩和露天焚烧问题，需要构建起覆盖区域范围的结构完备、运行稳定的综合利用体系：即因地制宜地制定“五料化”利用的技术策略，并在秸秆还田、离田利用、组织管理、技术研发等方面出台系统的配套政策，推动实现区域秸秆全量化利用[28]。在秸秆还田机制方面，需要探索建立秸秆还田长期稳定的财政支持[37]，并加大农机购置补贴支持力度。在秸秆离田利用机制方面，需要建立健全秸秆收集、储存、运输体系；加大政策创设力度，针对关键环节出台一系列补贴政策；建立秸秆离田利用的政府、企业、合作社等多方筹资制度，形成利益共享机制；加大信贷支持力度，培育技术可推广、发展可持续的龙头企业。在组织管理机制方面，需要将秸秆综合利用和禁烧工作完全上升为政府行为，建立统筹协调机制；探索建立秸秆综合利用绩效奖补策略，以秸秆利用量和综合利用率年度增幅为指标，充分调动各方的工作积极性；进一步加强顶层设计，组织编制前瞻性、指导性、适用性强的区域秸秆全量利用发展规划。在科技研发机制方面，需要开发或筛选相应农机农艺相结合的装备与技术，解决“如何还、还下去、还得好、适宜还田量、还田时序”等问题；加强秸秆收集技术攻关，解决如何满足收种季节紧、低本高效，并协调好收集秸秆与其后续利用的衔接问题[28]；开拓创新秸秆用途，大力推进“多元循环、种养结合、还田主导、产业带动”等技术模式[37]，从根本上解决“用得掉、用得好”的问题。

4 结 论

京津冀地区秸秆资源产生总量为5 406.9万t，资源化利用方式主要以秸秆还田为主，占秸秆总量的60%左右。秸秆焚烧和废弃总量为278.83万t。秸秆田间焚烧主要以小麦和玉米秸秆为主，占田间秸秆焚烧总量的93.03%，焚烧排放气体总量达到149.67万t。基于京津冀地区秸秆资源综合利用现状，建议从秸秆还田机制、离田利用机制、组织管理机制、科技研发机制等方面进行政策配套，构建起“区域秸秆全量利用”的利用体系和运行机制。

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Quantitative estimation on straw nutrient resources and emission of pollutants from straw burning in Beijing-Tianjin-Hebei region

Fang Fang1, Wang Fei2, Shi Zuliang2, Zheng Xiangqun3, Shao Yuhang4, Li Xiang2, Qiu Ling1※

(1.712100,; 2.100125,; 3.300191,; 4.210095)

China is a vast agricultural country which produces a large amount of crop straw. If the crop straw was used irrationally, the airborne pollutant concentration would increase, and the soil moisture and organic matter content would reduce. It does harm to ecological environment. Beijing-Tianjin-Hebei region is the political, economic and cultural center of China and plays an essential role in the development of social economy of China. There are severe environment problems occurring in this region such as smog happening frequently.Burning of cropstraw is concerned to be one of the main reasons for the smog in this region. The research of crop straw resource was carried out in the Beijing-Tianjin-Hebei region aimed to promote the comprehensive utilization of crop straw. The production and utilization of crop straw resources and their application potential were evaluated and analyzed. Furthermore, the emission characteristics of gaseous pollutants generated from open burning of major crop straw in the region were quantitatively estimated that. The results showed that the theoretical amount of crop straw in the Beijing-Tianjin-Hebei region was 5.4×107t in 2012, and the main crop species were corn and wheat straw. Crop straw resources could be used as high quality fertilizer with high contents of nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K), and the amounts were 3.7×104, 7.4×104and 1.0×106t for N, P and K respectively. Straw returned to field was the major utilization method for crop residue in the Beijing-Tianjin-Hebei region. However, the returned amounts were accounting for 67.7%, 27.3% and 61.2% of the total crop residue amounts in Beijing, Tianjin and Hebei respectively. Interestingly, the returned amount of wheat residue in Beijing was accounting for 94.5%, which was higher than Hebei (78.5%) and Tianjin (47.1%). The amount of wasted and burned straw accounted for 1.7%, 0.5% and 1.4% respectively in Beijing, Tianjin and Hebei. The nutrient resource such as N, P and K of crop straw returned to soil in the Beijing-Tianjin-Hebei region was 2.4×104, 1.9×104and 6.1×105t, respectively. However, there was still a large amount of crop straw abandoned or open burned. Wheat and maize residue were the major crop residue open burned in the region, which accounted for 93.0% of the total straw amount open burned. In Hebei, 14.9% and 31.8% of total straw resource were abandoned and open burned respectively, while 8.2% and 5.9% in Tianjin, and 0.6% and 0.8% in Beijing. According to the statistical data, 8.7×104t CO,9.6×105t CO2, 2.5×102t NO2, 5.5×102t NO and 8.1×102t NOxfrom open burning of wheat and maize straw were emitted to atmosphere in Hebei Province, which were as three times as that in Tianjin City. Due to farmers’ high cognitive level and policy of government, a very small amount of straw was open burned in Beijing, and only 1.2×103t CO, 1.3×104t CO2, 4.3 t NO2, 8.5 t NO and 12.8 t NOxwere emitted to atmosphere due to open burning of straw. The total amounts of pollutants emitted from wheat and maize straw open burning were 1.0×106and 4.8×105t, respectively. According to regional straw resource endowment and utilization potential, county (township) should be the unit to develop the “5 kinds of material” technology strategy based on the local conditions. What’s more, system supporting policy measures should be formulated and taken based on straw returning mechanism, use mechanism out of the field, organization and management mechanism, and technology research and development mechanism.

straw; nutrients; pollution; Beijing-Tianjin-Hebei region; policy mechanism

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.001

S216.4

A

1002-6819(2017)-03-0001-06

2016-09-27

2017-01-04

国家自然科学基金项目(51576167)；国家社会科学基金（16CGL039）。

方 放，男，安徽合肥人，高级工程师，博士，主要从事农村能源环保政策研究。杨凌西北农林科技大学 712100。 Email：fangfang@caas.cn

邱 凌，男，陕西西乡人，教授，博士，博士生导师，主要从事生物质能和生态农业研究。杨凌西北农林科技大学 712100。 Email：QL2871@126.com

方 放，王 飞，石祖梁，郑向群，邵宇航，李 想，邱 凌.京津冀秸秆养分资源及秸秆焚烧气体污染物排放定量估算[J]. 农业工程学报，2017，33(3)：1－6. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.001 http://www.tcsae.org

Fang Fang, Wang Fei, Shi Zuliang, Zheng Xiangqun, Shao Yuhang, Li Xiang, Qiu Ling.Quantitative estimation on straw nutrient resources and emission of pollutants from straw burning in Beijing-Tianjin-Hebei region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(3): 1－6. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.001 http://www.tcsae.org