基于能值理论的江苏省稻麦秸秆综合利用生态足迹分析

王焱镤，朱利群

(南京农业大学农村发展学院，江苏南京210095)

农作物秸秆作为一种优质的生物质资源，其综合利用问题一直受到社会各界的关注。现阶段，江苏省秸秆综合利用已初步形成以秸秆还田为主、多种利用方式共同发展的良性格局，但在多项秸秆利用技术日趋成熟、秸秆焚烧现象得到有效制止的同时，产业链短、商业化规模低、效益差等问题也日益凸显。除了秸秆收储运环节薄弱、农民综合利用积极性差、秸秆沼气和气化产气的季节不平衡、秸秆发电转化率低等方面外，秸秆综合利用结构优化和产业规模化也较低。通过查阅大量资料与走访典型秸秆利用示范点，发现在全面加快秸秆综合利用进程中，存在着严重的资源“二次浪费”现象。大量的沼气工程被闲置，部分示范县的沼气池实际利用率不足20%;秸秆集中供气工程因四季产气不均衡等问题，导致农户使用比例骤减，且产气过程中秸秆作为发酵原料的比例大大降低。因此，在思考秸秆利用技术的匮乏之余，更应该反思在推进秸秆综合利用的进程中盲目扩大规模等问题。

目前，国内许多学者对秸秆利用各个方面的问题展开了大量研究。有学者通过收集资料，采用不同的估算方法估算秸秆资源利用量［1］以及各类利用方式的数量比例［2］;有从农户角度探讨影响其综合利用的因素［3］以及农户意愿与认知行为对秸秆综合利用的影响［4］;还有通过试验分析和调查统计，对不同秸秆利用技术的原理、方法及效果进行系统的分析与评价，分析其在生态、经济、社会上的可行性。其中，对生态效益的评估多集中在秸秆还田，但也有部分学者对其他利用方式进行了评估。如张兵等从环境效益方面对秸秆发电进行了评价，认为秸秆发电的环境外部性主要体现为CO2等温室气体和SO2等污染物排放量的减少，从其他污染物的排放量看，秸秆发电在原料种植与获取阶段的排放很少，仅为煤炭开采阶段的5%，炉渣和废水的排放量仅为煤炭开采阶段的9%和12%［5］。现阶段，江苏省对于生态足迹的研究仍较少，涉及领域较小，仅有少数学者对作物、耕地等进行了生态足迹差异分析［6-7］，未有人从生态承载力的角度出发分析秸秆综合利用的合理性。因此，笔者根据《江苏省农作物秸秆综合利用规划(2010-2015年)》(以下简称《规划》)制定的综合利用率目标比率，利用2012年江苏省农作物基础数据，估算出秸秆资源可收集利用总量，通过能值转换率进行能值转换，以得到对应的秸秆能值量并建立秸秆资源消耗账户，引入全国和区域的秸秆能值密度，将消耗的能值换算成相应的生物生产性面积，计算出江苏省秸秆不同利用方式的生态足迹，并分析其生态赤字/盈余，从而评估江苏省秸秆综合利用推广的合理性，以期为秸秆合理利用推进工作提供参考。

1 研究区概况及数据来源

1.1 江苏省概况 江苏省地处东部沿海地区，属亚热带和暖温带过渡地带，有明显的季风气候特征，四季分明。年日照时数2 000～2 600 h，年平均气温13～16℃，无霜期200～240 d，年均降雨量800～1 200 mm。江苏省耕地面积约473.33万hm2，包括太湖、沿江、丘陵、里下河、沿海和徐淮六大农区，种植农作物以水稻、小麦、油菜、玉米为主，是我国重要的农业产区，秸秆资源丰富，主要以稻麦秸秆为主。江苏省作为农业大省和经济大省，在秸秆利用方面进行了一些探索。2008年，全省秸秆资源总量达4 011万t，利用量2 366万t，综合利用率59%，其中秸秆肥料化占比23%，能源化占比20%，工业原料化占比8%，饲料化占比5%，基料化占比3%［8］。

近年来，江苏省高度重视秸秆综合利用工作，在政策、技术、宣传和执法方面采取了一系列措施，如紧抓秸秆焚烧、促进多形式利用等，并取得了一些积极成效。其中，秸秆肥料化利用以直接还田(机械化还田)为主，过腹还田、堆沤还田等间接还田为辅;随着农村直接生活燃料利用比率的下降，秸秆能源化利用呈现出新格局;秸秆发电比例逐年上升;秸秆沼气和企划推广加快，秸秆固化和炭化已步入实用阶段;秸秆工业原料化利用主要应用于板材加工、造纸、编织等行业，并已初步形成产业化规模，秸秆新兴建材、秸秆化工等新领域也为秸秆深度利用拓展了新空间;秸秆饲料化利用成为发展节粮型畜牧业的重要途径，其规模随着规模化养殖业的发展和饲料出口带动日益扩大;秸秆基料化除用作食用菌基料外，还广泛用作育苗基料、花木基料、草木基料等，并从起步阶段逐渐向成熟阶段过渡，形成“龙头企业+基地”、“公司+农户”等多样化形式［8］。

1.2 数据来源 原始数据和资料主要包括3个部分，农业基本数据(包括农作物产量、作物播种面积等)来自《江苏统计年鉴》、《江苏省农村统计年鉴》、《中国农村统计年鉴》;农村人口数据来自《江苏农村统计年鉴》;江苏省秸秆利用概况数据(包括秸秆综合利用率、不同利用方式利用比等)来自《规划》。另外，其他农村能源数据(包括作物稻谷比、秸秆能值转化率、太阳能转化率等)来自其他文献。

2 研究方法

2.1 基本原理 生态足迹是在可持续发展理念的基础上提出的可作为定量衡量指标的重要评价工具。生态足迹方法是由Rees于1992年提出，并由Wackernagel进一步完善，通过建立比较人类的生态需求和生态承载力的一个综合账户，来监测经济发展进程中资源可持续利用程度的方法［9-10］。该模型仅强调了生态的可持续性发展问题，未考虑经济、技术、人文、社会的可持续发展以及这些因素的进步对生态承载力带来的积极影响。因此，生态足迹的封闭性、模型研究的静态性、计算中采用全球生物产量的误差性［11］等均显露了其自身的缺陷。而改进的生态足迹模型则是在能值分析方法与生态足迹理论相结合的基础上，把各种不同类型和等级的能量流通过能值转换率，换算太阳能值以便直接进行加减，然后引入能值密度，将各消费项目的太阳能值换算成相对应的生物生产性土地面积［12］。能值理论改进的生态足迹模型，不仅考虑了生物圈生产的可再生资源，而且把风能、潮汐能、地热能等这些可为人类所利用的新能源等［13］也纳入了支撑人类消费的可再生资源的来源。

2.2 方法步骤

2.2.1 秸秆可收集利用量估算。农作物秸秆的可收集利用量一般可通过农作物产量计算获得［14］，公式如下:

式中，S为稻草(麦秆)可收集利用量;Q为稻草(麦秆)产量;r1为秸秆折算系数(即草谷比)，其中水稻取值1.04，小麦取值 1.38［15］;r2为秸秆可收集利用系数，取值 0.83［16］。

2.2.2 秸秆能值估算。秸秆的能值量可依据稻秸(麦秸)能量折算系数及太阳能值转换率计算得出，公式如下:

式中，E为稻秸(麦秸)能值;Q为稻秸(麦秸)可收集利用量;Cv为秸秆能量折算系数(热值)，其中稻草热值取值1.42×1010J/t，麦秆热值取值1.37×1010J/t［17］;t为秸秆能值转换率，取值 4.53 ×104sej/J［18］。

2.2.3 秸秆人均生态足迹分析。参考基于能值理论修正的生态足迹模型研究［12-13，19-20］，首先利用秸秆不同利用方式的比率及公式(1)，计算江苏省稻秸(麦秸)不同利用方式的秸秆利用量，再根据公式(2)计算不同利用方式的总能值。然后，计算江苏省稻秸(麦秸)的人均生态承载力，公式如下:

式中，Ec为江苏省稻秸(麦秸)人均生态承载力;Ea为江苏省人均消耗稻秸(麦秸)理论能值，其中q为人均稻秸(麦秸)生产量，t为稻秸(麦秸)能值转换率;ρ1为全国稻秸(麦秸)能值密度，其中E为全国稻秸(麦秸)总能值，S为全国水稻(小麦)播种面积。再计算江苏省稻秸(麦秸)不同利用方式的人均生态足迹，公式如下:

式中，Ef为江苏省稻秸(麦秸)不同处理方式的人均生态足迹;i为稻秸(麦秸)处理方式种类;efi为第i种稻秸(麦秸)处理方式的人均生态足迹;ei为第i种稻草(麦秸)处理方式的人均能值;ρ2为江苏省稻秸(麦秸)能值密度，即江苏省稻秸(麦秸)总能值与水稻(小麦)播种面积之比。根据上述结果计算出江苏省稻秸(麦秸)的生态赤字或者盈余，进而对区域稻秸(麦秸)利用的合理性进行评价。

3 结果与分析

3.1 秸秆资源可收集利用量估算 与2011年相比，2012年江苏省稻谷、小麦产量稳定增长，秸秆资源还是相当丰富。利用公式(1)及不同稻麦的草谷比，计算出秸秆资源可收集利用总量(表1)。

表1 2012年江苏省稻麦生产情况统计

3.2 不同利用方式下秸秆能值估算 禁烧政策出台后，秸秆田间焚烧现象得到较好的控制。自2008年江苏省政府下发《规划》通知后，各级政府均高度重视秸秆综合利用工作，不断扩大秸秆利用领域，提高全省综合利用水平。《规划》预计2012年，各种秸秆利用方式比率应达到以下水平:秸秆肥料化增至32%，能源化增至26%，工业原料化增至12%，饲料化增至6%，基料化增至5%，综合利用率高达81%［8］。根据该利用比率，估算出不同利用方式所消耗的秸秆量(表2)，进而计算出不同利用方式下秸秆的能值构成(表3)。

表2 2012年江苏省不同利用方式下秸秆利用量t

表3 2012年江苏省不同利用方式下秸秆的能值构成sej

3.2.1 秸秆肥料化。秸秆肥料化利用一般包括机械化直接还田、覆盖还田、快速腐熟还田、稻麦双套还田等，但主要以秸秆还田为主。秸秆还田不仅能够改变土壤中微生物的组成和数量，还能够增加土壤的固碳能力，且其简单易操作，被广泛使用。目前，江苏省主要采用机械旋耕还田方式。近年来，江苏省大力提倡机械全量还田，因此农业机械化水平的高低直接影响着机械化还田进程。据调查，由于配套的小麦灭茬粉碎机具较为欠缺，且随着农业机械化的发展，农机手在抢收季节为获得更高的经济效益，割茬高度留得很高，残留的秸秆严重影响了下茬作物的播种，为后面的秸秆埋茬作业增加了难度。

3.2.2 秸秆能源化。秸秆能源化主要包括秸秆固化成型燃料、秸秆发电、秸秆制沼气、秸秆气化、直接作生活燃料等。着重介绍秸秆制沼气和秸秆发电两方面。

3.2.2.1 秸秆制沼气。目前，江苏省已初步形成以户用沼气为主，集中供气与户用沼气共同发展的格局。现阶段，沼气技术仍不成熟，户用沼气进出料难等问题制约了户用沼气的发展。集中供气站因冬季气温较低等因素造成季节产气不均衡问题。但从整体上来看，秸秆制沼气不但改变了农村家庭能源消费结构，减少了能源消费量，还带动了农村养殖业、种植业的发展。同时，沼渣沼液经处理后，可用作有机肥还田，不仅减少了化肥的使用量，更有利于农作物秸秆的还田。

3.2.2.2 秸秆发电。秸秆发电工程因其“三高一低”(即建设成本高、秸秆原料价格高、电厂维护成本高、原料供应量低)的特点以及发电技术的制约，造成秸秆发电厂的效益低。大多数因产能不足或发电越多亏损越严重，效益滞后，投资回报期较长。但综合来看，现阶段，秸秆发电工程仍是解决生物性资源浪费的有效途径，具有良好的发展前景。一方面，秸秆是一种低碳燃料，其含硫量等远低于煤炭，与传统发电方式相比，使用秸秆作为基础燃料进行发电可大大降低空气污染，减少温室气体的排放量。据估算，每利用0.1亿kg秸秆替代煤燃烧，将减少CO2排放0.14亿kg、SO2排放4万kg、烟尘排放10万kg［21］。同时，秸秆燃烧后的草木灰富含钾、镁、钙、磷等矿物质，可作为高效农作物肥料进行回收。目前，已有江苏省华晟生物质发电厂等实现了将秸秆发电后产物草木灰装袋销售。另一方面，解决生物性资源浪费的根本途径之一则是实现商品化，秸秆发电工程能够在原料收集、副产物销售等环节很好地实现这一途径。

3.2.3 秸秆工业原料化。现阶段，秸秆综合利用的理念导向上越来越注重产业化发展，特别是在工业化利用等非农领域。目前，江苏省秸秆工业原料化主要应用于板材加工、造纸、建材、编织、化工等，2008年全省年利用量已达320万t，约占秸秆资源总量的8%。鼓励秸秆工业原料化重点企业培育知名品牌，带动新型秸秆工业化利用产业共同发展，共同促进秸秆产业化进程。

3.2.4 秸秆饲料化。秸秆饲料是由秸秆粉碎加工而成的纤维饲料，天然秸秆本是一种劣质饲料，具有粗纤维含量高、粗蛋白含量低、适口性差等特点，无法高效利用，但经过氨化、青贮、揉搓丝化等微处理技术，可大大增加秸秆饲料的营养价值，与牲畜食用的精饲料进行合理搭配，可提高秸秆转化率。随着集约畜牧业的大力发展，秸秆饲料化也成为发展节粮型畜牧业的重要途径。此外，将秸秆青贮饲喂牛羊后，还可进行农作物秸秆的“过腹还田”，产生的畜禽粪便可直接作有机肥施于田间，也可用于户用沼气池生产沼气，再将沼渣、沼液进行循环利用。

3.2.5 秸秆基料化。秸秆中丰富的碳源(纤维素和木质素)、氮源、维生素、矿物质等物质，均为食用菌培养所需的营养物质，因此85%以上的秸秆经处理后都可用于食用菌栽培。采用秸秆为原料并配合发酵技术进行食用菌栽培，技术简单易操作，且经济效益明显，具有巨大的发展潜力。南京市高淳区高固食用菌科贸有限公司用秸秆作基料培育食用菌，每年消耗秸秆资源可达1.2万t;六合区蕈王菌业有限公司年消耗秸秆量1.5万t。据统计，南京市总秸秆基料化利用年消耗秸秆量约13.2万t。因此，秸秆基料化也是解决秸秆利用问题的有效途径之一。

3.2.6 其他。除上述几种处理方式外，江苏省秸秆处理方式还包括弃置乱堆以及一些未利用的方式。这说明江苏省秸秆综合利用过程中还存在盲区，这部分秸秆资源不仅造成了巨大的浪费，而且容易助长焚烧行为的发生。因此，亟待有关部门采取有效措施，落实秸秆多样化利用，促进江苏省秸秆资源的全面、高效利用。

3.3 秸秆人均生态足迹分析 由于在计算2012年江苏省秸秆不同利用方式消耗的秸秆量时，未对稻草和麦秆使用比例进行严格的区分，只是按照《规划》中秸秆不同利用方式的利用比率进行了模糊量化。因此，不同利用方式下稻草和麦秆的人均生态足迹均表现为肥料化＞能源化＞其他＞工业原料化＞饲料化＞基料化(表4)，可见，肥料化和原料化在区域秸秆资源的人均生态足迹上占主导地位。这一现象的形成与省政府实施《规划》中指定的秸秆利用方案及该省现已形成的农业产业结构息息相关。虽然秸秆不同利用方式上未呈现出差异，但是在稻草和麦秆各自的生态盈余和赤字上却表现出极大的不同。由表4可知，2012年江苏省稻秸和麦秸利用的人均生态足迹分别为0.076 9和0.072 7 hm2，人均生态承载力分别为0.095 5和0.054 4 hm2，而人均生态盈余/赤字却表现出较大的差异，稻秸人均生态盈余为0.018 6 hm2，麦秸人均生态赤字为0.018 3 hm2。这表明稻秸资源的利用尚处于区域生态经济系统的承载能力之内，还存在一定程度的秸秆消纳空间，而麦秸资源的利用不尽合理，甚至存在过度利用现象，已超出区域生态经济系统的承载能力。

表4 2012年江苏省不同利用方式下秸秆的生态足迹 hm2

4 讨论与结论

在能值理论分析的基础上，对2012年江苏省稻麦秸秆利用进行生态足迹评估发现，稻秸资源仍有较大的利用空间，而麦秸人均生态足迹已超出其生态承载力范围。一方面，麦秸生态赤字与秸秆利用过程中诸多“负效应”有关。比如，秸秆机械还田时，若留茬高度不当会影响下季作物播种;秸秆热解气化时对温度要求较苛刻，若处理不当则会造成大量原料浪费等。另一方面，稻秸生态盈余则反映出江苏省秸秆资源利用过程中存在诸多问题。如在走访与调研过程中，发现许多秸秆综合利用示范点的秸秆资源未得到合理利用，而是从其他途径获取秸秆原料，秸秆资源的不合理配置导致了秸秆资源利用效率低。这种低效率的形成主要有以下几个原因:①部分地区的农田多承包给种植大户，分散种植户平均拥有农田0.066 7～0.200 0 hm2不等(存在地区差异)，且农田块数多而分散，加之缺乏小块地的机械还田设备及秸秆打捆机器，大部分农户为了节省人力则直接将秸秆弃置于田边;②现阶段秸秆出售价格低廉，秸秆采拔的劳动力成本及秸秆运输成本远大于秸秆出售所获利益，导致了部分农户出售秸秆的积极性不高;③部分地区收储运体系不够完善，且秸秆产出受季节性影响，很难进行集中收集。此外，秸秆收购点较少且距村镇较远，在未有专业收购人员上门收购的情况下，大部分农户不会将秸秆运至收购点;④由于部分村镇户用沼气管理站运行模式低效，沼气池进出料难的问题未得到有效解决，可替代能源购置费用较低等原因，农户没有自行使用沼气池作为生活能源的积极性，从而导致已建好的部分沼气池被闲置，不仅导致大量闲置的秸秆未被利用，而且造成了二次浪费。因此，江苏省秸秆综合利用过程中仍有许多不合理之处，在加快秸秆综合利用进程的同时，政府应加强监督和管理力度，促进秸秆高效、合理利用，及时对秸秆利用进行生态足迹盈亏分析，以确保区域生态系统的可持续发展。

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