山东省蔬菜秸秆资源空间分布特征及资源化利用模式

□李泽媛 郑 军 隋 涛

[内容提要]山东省蔬菜秸秆总量丰富，资源化利用潜力巨大。本文基于2010-2019年山东省蔬菜播种面积和产量数据，采用秸秆资源量草谷比的估算方法，探析山东省蔬菜秸秆总量及变化趋势，利用ArcGIS软件和九宫矩阵图，直观呈现蔬菜秸秆分布的区域特征和单产层级。结果表明，2010-2019年山东省蔬菜播种面积呈“W”型波动，但蔬菜秸秆资源量持续上升；蔬菜秸秆空间分布表现为“西高东低、南高北低”，潍坊市蔬菜秸秆资源总量最大，淄博、德州和济南等地区单位播种面积蔬菜秸秆资源量较高，秸秆人均产量区域分布呈现出“鲁西、鲁南高”，“鲁北、鲁东低”；矩阵图报告了山东省蔬菜秸秆生产力三大类型区，潍坊、济南和德州为蔬菜秸秆丰裕区，宜优先推广蔬菜秸秆资源化利用。结合蔬菜秸秆理化性状和生产力空间分布层级，探索提出蔬菜秸秆肥料化、饲料化、基料化、原料化和燃料化利用的县域发展模式。

农作物秸秆通常是指粮食作物和经济作物收获果实、籽粒后的剩余部分，富含丰富的有机质和氮、磷、钾等微量元素，是可供农村新能源开发、发展生态循环农业的宝贵资源。[1]农作物秸秆的产生和收集具有季节性、集中性，而秸秆利用环节具有分散性、连续性，持续推进秸秆资源化利用必然要统筹好这两者之间的差异。我国蔬菜秸秆产量丰富，2008年，蔬菜秸秆总产量仅次于水稻、玉米和小麦等粮食作物，远超棉花、油料、糖料等六大经济作物，且呈线性快速增长。[2]2014年，全国蔬菜秸秆的理论资源量高达5396.39万吨，占农作物秸秆总产量的7.75%，而油料作物和糖类作物该比例分别为7.46%和6.37%，均低于蔬菜秸秆的理论产量。[3]此外，蔬菜生产的区域性和季节性尤为突出，且蔬菜秸秆体积较大、易霉变，对收储运各环节的接续响应更为强烈。因此，根本上解决蔬菜秸秆随意丢弃和大量过剩造成的环境污染与资源浪费的关键是要构建省域内配套完备、运作稳定、机制长效和政策支撑的资源化利用体系。

山东省是我国重要的农业大省，也是蔬菜强省。据山东省统计局数据显示，2020年，山东省蔬菜(含食用菌)产量为8434.70万吨。寿光市、菏泽市已基本形成粮食秸秆肥料化、饲料化、基料化、能源化、原料化利用格局，淄博市也创新形成“猪-沼-果”等生态循环农业模式。目前，山东省蔬菜秸秆资源化利用的技术和模式仅限于局部地区探索，蔬菜秸秆收储运体系建设和模式构建仍有很大提升空间。本研究根据山东省统计年鉴数据，探析2010-2019年蔬菜秸秆产量变化和空间分布特征，为全面推进山东省蔬菜秸秆资源化利用工作提供有益借鉴。

一、材料与方法

(一)数据来源

2010-2019年山东省蔬菜播种情况和产量数据来源于国家统计局网站，分地市蔬菜秸秆分布特征数据来自2019年度《山东省统计年鉴》。本文蔬菜种类划分如下：

表1 山东省蔬菜分类

(二)研究方法

1.蔬菜草谷比与收集系数

草谷比也称秸秆系数，即农作物收获量与剩余干物质产量之比，广泛用于第三次全国农业普查秸秆资源的估算工作，同样适用于非禾谷类蔬菜秸秆量的评估。草谷比并非一个准确的数值，而是与农作物生产丰、平、歉年的籽实产量呈正向相关。[4]已有研究中，蔬菜草谷比的测算基本采用分地区、分作物类型的样本测量计算求得，如全国大豆秸秆系数平均值为1.50、马铃薯秸秆系数平均值为0.71，山东省甘薯秸秆和花生秸秆的草谷比平均值分别为0.3和0.89[5-7]。由于不同类型蔬菜秸秆草谷比存在差异，叶菜类和部分瓜果类蔬菜秸秆含水量较高，采用加权计算草谷比数值的方法不够准确，因此将残体干物质比重考虑在内以适当修正测算结果。此外，蔬菜秸秆在采收、运输过程中会受人为损耗和自然风干影响，最终可采集利用的数量往往小于理论资源量，故引入可收集系数以测算秸秆可收集利用资源量。本文蔬菜秸秆产量估算借鉴何可(2016)、毕于运(2010)的研究结果，将草谷比取值为0.071，可收集系数取值为0.50。

2.秸秆资源估算方法

秸秆资源量估算方法，首先要确定农作物的经济产量，再借助草谷比和可收集系数建立理论资源量和可收集利用资源量的估算方法。计算公式为：

蔬菜秸秆理论资源量WD=WS×GR。式中：WD为蔬菜秸秆理论产生量；WS为蔬菜经济产量；GR为蔬菜秸秆系数，此处取GR=0.071。

蔬菜秸秆可收集利用资源量WC=WD×GI。式中：WC为蔬菜秸秆可收集利用资源量；WD为蔬菜秸秆理论资源量；GI为蔬菜可收集系数，此处取GI=0.50。

3.空间分布特征分析方法

利用ArcGIS10.2地理信息软件，采用自然段点法对蔬菜秸秆理论产量、单位蔬菜秸秆产量进行层次划分，直观展示山东省蔬菜秸秆空间分布特征与区域差异。

二、结果与分析

(一)蔬菜秸秆资源总量变化趋势

2010-2019年山东省蔬菜播种面积呈现“W型”波动特征。2010年、2013年和2018年是全省蔬菜播种面积三个高峰点，2012年和2016年为播种面积低谷期，最高与最低年份蔬菜播种面积相差25.68万公顷。蔬菜产量、蔬菜秸秆理论资源量与可收集利用资源量并未受到蔬菜播种面积的波动影响，2010-2019年秸秆理论资源量和可收集利用资源量增长率均为8.47%，且呈稳定增长态势。表2所示，2013-2015年蔬菜秸秆理论资源量增幅较大，年均增产10.72万吨，仅2013年一年之内，山东省蔬菜秸秆理论资源量增加了17.27万吨；2016-2019年增长明显减缓，蔬菜秸秆理论资源量年均仅增加3.04万吨。蔬菜播种面积频繁上下浮动或与山东省“品种调良、效益调高”的种植业结构调整政策有关。山东省于2012年和2016年分别进行了两次种植业结构调整，重点优化粮食作物生产和蔬菜种植基础条件，确保“米篮子”稳定增产的基础上，实现“菜篮子”供应充足、平稳发展，相应年份蔬菜播种面积均略有下降；此间，山东省全面推广设施蔬菜和反季蔬菜生产技术与措施，极大地提高了蔬菜自给能力，在蔬菜播种面积下降的情况下，产量未减反增。2010-2019年山东省年均蔬菜秸秆资源量560.35万吨，除去秸秆收集、储存和运输损耗，仍有280.17万吨秸秆可供收集利用，蔬菜秸秆资源化利用前景可观。

可以根据式(13)构建另一个线性回归模型,以一组(t2n-3+τn-1,T2n-2)或者(t2n-1+τn,T2n)为坐标求出线性回归模型的斜率与截距,即为校正过的θ和β值.

表2 2010-2019年山东蔬菜种植与秸秆产生量

(二)2019年山东省蔬菜秸秆产量空间分布

1.各市蔬菜秸秆资源量空间分布特征

为更直观展示山东省蔬菜秸秆空间分布特征，借助ArcGIS软件分析2019年山东省各地市蔬菜秸秆资源量的省域空间分布和单位产量分级情况。

如图1、表3所示，2019年山东省蔬菜播种总面积为146.42万hm2，蔬菜秸秆资源总量为580.86万吨，全省蔬菜秸秆分布呈现明显的“西高东低、南高北低”的空间分布特征。中部地区潍坊市蔬菜秸秆资源量最高，占全省的14.91%；9个蔬菜秸秆中数量地区主要位于鲁西北、鲁西、鲁西南和鲁东南，聊城(58.81万吨)、菏泽(57.86万吨)、临沂市(54.37万吨)和济宁(49.11万吨)蔬菜秸秆产量较高；东营(5.04万吨)、威海(6.80万吨)、日照(7.56万吨)蔬菜秸秆产量相对较少。

表3 2019年山东各市蔬菜秸秆产生量

图1 2019年山东各市蔬菜秸秆产量分级

2.蔬菜秸秆播面单产空间分布特征

蔬菜产量受到地形地貌、耕作制度、土壤特性和气候特征等因素影响。为更准确报告山东省蔬菜秸秆地区生产能力和空间分布特征，采用单位产量方法加以测度。农作物蔬菜秸秆播面单产指的是一定区域内蔬菜单位播种面积的全年秸秆产量，直接体现当地蔬菜秸秆综合生产能力，间接反映该地区蔬菜秸秆可收集利用的强度。表4所示，2019年全省蔬菜秸秆播面单产为3.97 t/hm2，以3.59 t/hm2和4.37 t/hm2为划分依据，大致可分为低、中、高三个区域，其中鲁西北蔬菜秸秆播面单产明显高于其他地区。威海、东营、济宁等5市蔬菜秸秆播面单产总量最低，蔬菜秸秆产量占全省22.46%；烟台、青岛、潍坊等8市蔬菜秸秆产量合计占全省的59.50%，平均播面秸秆单产高出全省4.28%；淄博、德州和济南蔬菜秸秆单位播面产量总计4.66 t/hm2，蔬菜秸秆产量之和占全省的18.04%。可以发现，一个地区蔬菜秸秆产量与秸秆生产能力之间无相关关系，潍坊秸秆产量为全省最高，但秸秆播面单产仅排第四；东营市秸秆产量为全省最低，但秸秆生产能力仍高于济宁和菏泽。(图2)

图2 2019年山东各市蔬菜秸秆播面单产分布

表4 2019年山东蔬菜秸秆播面单产层级划分

3.蔬菜秸秆人均产量空间分布特征

2019年全省人均蔬菜秸秆产量为57.68kg/人，高、中、低产地区与全省人均秸秆产量的比值为156.76：98.39：43.39：100，具体表现为西部高于东部地区、南部高于北部地区(图3)。2019年山东省人均蔬菜秸秆产量高于72.39kg/人的地区有4个，分别是潍坊、德州、聊城和枣庄，人均秸秆产量合计达到90.42kg，高出全省平均值56.76%，其中，聊城(96.43kg/人)人均秸秆产量最高；青岛、临沂、泰安等6市属于中产地区，泰安(72.39kg/人)人均秸秆产量高于其他5市；威海、烟台、东营等6市蔬菜秸秆人均产量较低，合计仅为25.03kg/人，不足全省平均值半数。(详见表5)

表5 2019年山东蔬菜秸秆人均产量层级划分

图3 2019年山东各市蔬菜秸秆人均产量分布

4.蔬菜秸秆空间分布层级矩阵图

蔬菜秸秆空间分布可以用蔬菜秸秆产量这一总量指标和蔬菜秸秆播面单产、蔬菜秸秆人均产量等个量指标表达。个量指标虽然能够作为一定区域内蔬菜秸秆产出水平的评定依据，但由于每个地区人口密度和复种指数有所差异，通常造成指标值反映的信息不够准确。[8]基于此，本文以蔬菜秸秆产量为横坐标，以蔬菜秸秆播面单产为纵坐标，将全省16个地市(区、县)细分为9类地区，并绘制蔬菜秸秆数量分布矩阵图，由此综合评价山东省蔬菜秸秆生产能力和利用强度。如图4所示，全省蔬菜秸秆数量划分为9种组合、3大类型，各类型以不同色块加以区分。

图4 山东省各地市(区、县)蔬菜秸秆数量分布矩阵图

第一类为蔬菜秸秆富裕度较高地区，包括高数量-高产区(无)、高数量-中产区和中数量-高产区。第一类型地区包括济南、德州和潍坊3市，2019年蔬菜秸秆产量合计179.39万吨，占全省秸秆总量的30.88%，蔬菜秸秆播面单产平均为4.50 t/hm2，为全省的1.13倍。第一地区的蔬菜秸秆总产量和单位面积秸秆产出均为全省丰产典型，蔬菜秸秆总量大、密度高，可作为蔬菜秸秆“收-储-运”体系建设起步阶段集约示范地区。潍坊作为全省蔬菜播种面积、蔬菜产量、蔬菜秸秆产量均居首位的地区，率先进行蔬菜秸秆资源化利用体系建设和模式探索尤为必要。

第二类型为蔬菜秸秆一般富裕地区，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，包括青岛、临沂、枣庄、泰安、聊城和淄博6个地区，蔬菜秸秆产量合计247.13万吨，占全省的42.55%，蔬菜秸秆播面单产平均为4.10 t/hm2，为全省的1.03倍。此类一般富裕地区建议定位为蔬菜秸秆资源化利用适度集约区，以潍坊、淄博为中心的鲁中地区、以聊城为中心的鲁北地区、以青岛为中心的鲁东地区应适度推行蔬菜秸秆资源化利用。

第三类型为蔬菜秸秆富裕程度较低地区，包括中数量-低产区、低数量-中产区和低数量-低产区，覆盖7个地市，蔬菜秸秆产量共计154.34万吨，占全省的26.57%，蔬菜秸秆播面单产平均值低于全省19.22个百分点。该类地区蔬菜秸秆生产力相对薄弱，应谨慎布置大规模秸秆利用项目，侧重实施蔬菜秸秆内部消耗，避免过度收集和无谓的成本增加。菏泽和济宁市蔬菜秸秆总产量虽属于一般丰产地区，但由于耕地面积较大，面临收储范围广、运输距离长的问题，因此在建设初期，同样不宜在菏泽和济宁地区投入大型秸秆利用工程。

三、蔬菜秸秆资源化利用模式及地区选择

(一)肥料化利用

蔬菜秸秆粉碎还田肥料化利用有助于提升土壤有机质和土壤肥力，调节土壤氮素含量，形成健康的耕作层和亚表层。该模式流程较易操作，主要包含：蔬菜秸秆收集后粉碎+均匀抛洒地面→机械深翻→撒施腐熟剂→施加有机肥。利用粉碎机完成秸秆粉碎，保持秸秆长度在10厘米左右，确保粉碎彻底；机械操作使秸秆均匀抛洒，趁秸秆水分、养分含量高时尽早将混合均匀的秸秆深翻至地表25cm处，撒匀腐熟剂加速秸秆分解，迅速变为有机质肥料，同时起到灭菌、提高有机质的分解作用。该模式操作简单，节约储运成本，需政府提供购机补贴、作业补贴和实物补贴，有条件地区可辅助GPS定位手段进行监测。2015年，枣庄、青岛和泰安3市马铃薯播种面积为98.45万亩，总产量达301.93万吨，建议推广马铃薯茎秆肥料化利用。[9]

(二)饲料化利用

秸秆饲料化利用是去除蔬菜秸秆中多余水分，保留其中磷、钾、纤维素、氨基酸和维生素等能量物质作为牲畜养殖粗饲料，经过动物体内消化吸收转化为人类可利用的肉、奶、蛋等副产品。蔬菜秸秆粗纤维含量普遍较高且蛋白质含量较少，适口性较差，不同部位的营养成分含量有所不同。未经处理的蔬菜秸秆饲喂家畜难以被动物体消化吸收，且只有少数蔬菜秸秆类型经过处理后可做动物饲料，如瓜类秸秆、辣椒秆、白菜茎秆和油菜秆等。

南瓜秸秆废弃物以未采摘果实、南瓜果皮和籽用南瓜果肉为主，收获时间集中且受季节影响，短期内可以饲喂家禽的方式消耗掉一小部分。[10]辣椒秸秆营养成分与动物牧草(苜蓿)接近且更优，其中的辣椒素有利于畜禽健康，有潜力作为单胃动物饲料来源之一，但添加用量和实际投喂效果有待进一步考证。[11]

娃娃菜和大白菜水分含量可达90%以上，口感甘甜爽口、易腐烂、农药残留量少；将白菜类秸秆添加至蚯蚓基料中可以平衡碳氮比例，为蚯蚓输入维生素等有益物质。每100亩蚯蚓养殖基地，蔬菜秸秆年处理量约为8万方，畜禽粪便消耗量在3.3万方左右，年产优质蚯蚓粪有机肥1.8万吨，带来至少2700万销售收入。菜叶同时也起到为蚯蚓遮阳和保持空气湿度的效果，有利于蚯蚓孵化和育雏。相对而言，其他蔬菜秸秆种类无论从口感、水分含量还是腐烂周期来说，均不及娃娃菜、大白菜适宜。[12]

油菜喂养山羊过腹还田的经济效益可观，油菜秸秆饲料化利用模式技术主要有两条路径：铡草机切割油菜秆(2-3厘米)→粉碎机粉碎处理→掺入30%-40%精饲料→喂食山羊→粪便发酵还田；铡草机切割油菜秆(2-3厘米)→粉碎机粉碎处理→粗秸秆氨化处理2周→压实、双层覆膜制氨化饲料→取出放置24小时→喂食山羊→粪便发酵还田。秸秆饲料化模式需要政府提供农机购置补贴、秸秆收储补贴、粉碎机补贴和用电用地优惠等政策支持，适宜在有一定养殖传统与基础，政府补贴与监管落实较好的地区推广。济南、青岛、临沂适宜探索辣椒、瓜类秸秆配制家禽饲料，白菜类秸秆饲养蚯蚓过腹还田和油菜秸秆饲料化利用模式。

(三)基料化利用

蔬菜秸秆基料化利用是将秸秆与其他原料混合发酵，制成菌类栽培基质，产生的大量菇渣发酵加工生产有机肥的循环利用模式。杏鲍菇腐生兼寄生的生长特性具备强大的酶分泌系统，能有效分解姜秆、豆秆、薯藤中的纤维素和木质素等，此三类蔬菜秸秆可以作为纤维原料添加至杏鲍菇栽培基料；生姜秸秆也适用于完全或几乎全部代替棉籽壳制作菇类基料，显著降低菌菇栽培成本。[13-14]该模式主要流程为：蔬菜秸秆原材料收购→堆场短暂储存、集中打包→运送食用菌企业→粉碎处理→原材料混配→三次发酵处理→种植食用菌→出菇管理→采收→销售→菇渣循环利用。山东省鱼台、兰陵、邹城、金乡4市食用菌产量超过20万吨，对栽培基质的市场需求量非常大。安丘、莱芜和昌邑是大姜主要产区，种植面积均在15万亩以上，安丘和昌邑地区目前仅存在小规模姜秆有机肥生产基地，秸秆处理周期长，仓储收纳能力有限[15]。建议在食用菌高产区与大姜种植主产区构建“秸-菌-肥”收集、储存、运输、转化、销售“五位一体”的综合利用模式，形成区域间产业合作，双向节约生产成本，提高蔬菜秸秆资源化利用水平。

(四)原料化利用

秸秆原料生产的纸品硬度高，韧性强，生产成本更为低廉。蔬菜秸秆的原料化利用主要应用于高强度瓦楞纸和可降解地膜纸的加工，两者生产技术和工艺基本相同。该模式秸秆原料收集过程对政府、企业密切配合、协调运营的要求较高。在政策配套层面，县政府应为参与主体提供打包机械补贴和秸秆综合利用补贴；在管理措施层面，需及时监控秸秆打包和机械作业环节合理运行，建立秸秆收储运体系、地膜纸产业研推体系。具体模式为：蔬菜秸秆收集蒸煮→净化筛选→浓缩制浆→压榨施胶→复卷→瓦楞纸、地膜纸，过程中废水通过四级处理实现100%回收利用，做到全程无残留、无污染。潍坊地区茄子秸秆产量丰富，适宜发展该模式。

(五)燃料化利用

直燃发电供暖模式即利用蔬菜秸秆生物质特性作再生能源，运送至电厂进行直燃发电供暖，燃烧后将底灰、炭灰等废弃物再回收，用于有机肥料生产的秸秆利用模式。直燃发电模式流程为：蔬菜秸秆田间收集→组织运输→存储秸秆→生物质热电综合利用项目→电力、集中供热。燃烧中产生的废灰用于开发绿色有机肥料，炉渣用于制作建筑工业保温板材，烟气含大量碳、氮、硫，经过脱硝、脱硫处理，监测合格后排入大气。该技术模式吸纳秸秆资源的能力强，适宜在蔬菜秸秆产量丰富的农业大县推广；同时，前期农民合作社、农机合作社、种粮大户等农业组织广泛参与蔬菜秸秆的有效收集也至关重要。该模式优先考虑在发电企业工厂化成熟、交通运输便利地区推广，第一和第二类型地区中德州、济南、聊城、枣庄和泰安5市的秸秆产量高、土地面积较小，适宜推广蔬菜秸秆燃料化利用。

四、结论

2010-2019年山东省蔬菜播种面积呈“W”型波动趋势，蔬菜秸秆资源量呈显著上升趋势；2019年蔬菜秸秆整体分布呈现“西高东低、南高北低”的地域特征，潍坊蔬菜秸秆资源量最大。淄博、德州、济南地区单位播种面积蔬菜秸秆资源量较高，秸秆生产能力强。蔬菜秸秆人均产量空间分布表现为“鲁西、鲁南高，鲁北、鲁东低”，潍坊、德州、聊城、枣庄人均秸秆产量较高。层级矩阵图显示，潍坊、济南和德州为蔬菜秸秆高富裕地区，宜优先推动蔬菜秸秆多元循环利用发展，建立蔬菜秸秆收储运服务网络，打好组织管理、技术集成、政策配套的“组合拳”；青岛、临沂、枣庄、泰安、聊城和淄博为蔬菜秸秆一般富裕地区，应因地制宜，适度推行蔬菜秸秆资源化利用项目。

由于不同种类蔬菜秸秆的理化性状差异较大，资源化利用方式不具备普适性。枣庄、青岛和泰安地区薯类作物产量丰富，宜发展马铃薯秸秆肥料化利用。青岛、济南、临沂适宜探索蔬菜秸秆饲料化利用模式，包括瓜类、辣椒秸秆配制家禽饲料，白菜类秸秆饲养蚯蚓过腹还田和油菜秸秆饲料化利用。临沂、济宁、滨州为主的食用菌高产区与安丘、莱芜和昌邑等大姜种植主产区宜构建“秸-菌-肥”五位一体的综合利用模式，形成蔬菜秸秆基料化利用产业区域联结机制。潍坊地区茄子秸秆产量丰富，适宜发展秸秆造纸、制有机地膜等原料化利用模式。德州、济南、聊城、枣庄和泰安等蔬菜秸秆产量高、土地面积较小的地区，宜采用秸秆直燃发电供暖模式，转化为电能和热能在县域内部消耗。