中国主要农作物秸秆可新型能源化生态经济总量分析

朱开伟，刘 贞,2，贺良萍，林金钗



中国主要农作物秸秆可新型能源化生态经济总量分析

朱开伟1，刘 贞1,2，贺良萍1，林金钗1

（1重庆理工大学低碳能源中心，中国重庆 400054；2劳伦斯伯克利国家实验室，美国加州 94530）

【目的】如何在保护生态环境和考虑秸秆资源开发成本的基础上，实现秸秆资源的合理开发，对中国农业生物质能发展规划有着重要的意义。因此，从保护生态环境和开发成本角度，对可新型能源化利用秸秆资源的生态经济总量进行评估，为生物质能产业布局、优先发展区域、优先发展技术以及政策制定提供参考。【方法】采用文献调研法对研究秸秆还田量与水土流失、土壤有机质和农作物单产关系的文献进行梳理，在此基础上提出土壤生态保留量的概念，并归纳出不同农作物的基础土壤生态保留量；根据基准年农作物单产、种植结构和草谷比系数，考虑土壤生态保留量和秸秆用途，对区域秸秆生态总量和资源密度进行计算；对政府政策和相关项目成本进行分析，设计发展情景和项目成本参数，并以项目投资回报率为变量，计算不同回报率下项目的经济收集半径；根据秸秆资源密度和经济收集半径，计算项目的经济收集量，并与项目理论需求量进行比较，整理出不同项目可用秸秆生态经济总量。【结果】中国主要农作物可新型能源化利用秸秆生态总量约8 661.31万t，主要分布在广西、四川、山东和河南，主要由薯类、甘蔗和油菜秸秆构成。当投资回报率（ROI）为0时，现有技术水平和政策下，6 MW、25 MW直燃发电项目，12 MW气化发电项目，年产5 000 t和10 000 t燃料成型项目可用秸秆生态经济总量分别为8 658.24×104、8 655.29×104、8 658.24×104、3 314.69×104和8 661.31×104t。当ROI为5%时，6 MW、25 MW直燃发电项目，12 MW气化发电项目，年产5 000 t和10 000 t燃料成型项目可用秸秆生态经济总量分别为7 943.15×104、8 347.38×104、8 347.38×104、260.45×104和8 661.31×104t。当ROI为10%时，6 MW、25 MW直燃发电项目，12 MW气化发电项目，年产5 000 t和10 000 t燃料成型项目可用秸秆生态经济总量分别为1 853.29×104、7 023.24×104、7 068.07×104、0和8 661.31×104t。在现有技术水平和政策下，不同ROI下纤维素乙醇项目的可用秸秆生态经济总量均为0。【结论】（1）现有政策对发电类项目有显著的激励作用，可适当降低对年产10 000 t燃料成型项目的补贴力度，提高发电类项目的补贴力度；（2）在生物质能产业布局方面，现阶段可优先发展年产10 000 t秸秆燃料成型项目，可优先在广西、湖北、广东、安徽、河南等地规划建设12 MW秸秆气化发电项目，其次可考虑在广西、湖北、广东和安徽规划建设25 MW秸秆直燃发电项目，最后可考虑在广西规划建设6 MW秸秆直燃发电项目。

土壤生态保留量；秸秆生态经济总量；经济收集半径；生物质能

0 引言

【研究意义】与林业木质剩余物、禽畜粪便等生物质相比，农作物秸秆在时空间上分布相对集中，具有易收集、成本低等特点，已成为发展生物质能源的重要原料之一。同时，秸秆还田具有防止水土流失、维护土壤功能的作用[1]，能减小化肥需求及其带来的环境污染。中国作为农业大国，秸秆资源丰富。因此，农作物秸秆具有非常可观的能源效益和环境效益。秸秆新型能源化利用不仅与秸秆资源量有关，还与区域和开发成本相关。因此，从保护生态环境和开发成本角度，对不同区域不同秸秆能源化项目可用秸秆的生态经济总量进行评估，对保护农业生态环境以及秸秆新型能源化产业布局、优先发展区域、优先发展技术和政策制定都有着重要的意义。【前人研究进展】目前，秸秆资源的评估可分为3类。第一类主要研究秸秆资源理论总量，LIU等[2]考虑农作物产量和土地变更等因素，对加拿大秸秆资源潜力进行了评估，认为其潜力约为3 730×104t；ROBERTS等[3]考虑农作物种类、种植面积和单产，测算出培列敦地区年秸秆资源量约为20.5×104t；HAASE等[4]考虑农作物播种面积和草谷比系数，通过GIS系统对欧洲农业可利用秸秆资源总量进行了评估；第二类是考虑秸秆还田、收集率和用途，对可能源化秸秆资源潜力进行评估，但在计算秸秆还田量时采用还田比进行计算。田宜水等[5]考虑不同农作物的燃料、肥料、饲料及工业用途，得出中国可能源化利用秸秆资源量约3.44×108t；CHANDRA等[6]考虑农作物产量、秸秆收集率以及用途，采用能流图的方法测算出斐济农业生物质能潜力约为72.67 PJ；朱开伟等[7]考虑秸秆农业、工业、燃烧等用途，采用情景分析法测算出中国主要农作物可新型能源化秸秆资源为0.15×108—1.86×108t标煤。第三类是研究开发成本、加工技术等因素对秸秆资源经济总量的影响。由于具体技术和评价内容不同，经济总量的评价结果差异较大。如：STEPHEN等[8]采用IBSAL模型，考虑交易成本和运输成本，计算出亚伯达平河地区农作物剩余可采集量介于5×104—50×104t；HOOGWIJK等[9]对不同区域生产力水平和劳动力投入成本进行设计，发现当生产成本低于2 $/GJ时，全球荒地和可复耕耕地每年可提供130—270 EJ生物质能；SUN等[10]考虑单位采购成本、运输成本和收集成本，采用蒙特卡罗模拟法对农作物剩余收集率进行研究，发现价格联盟有利于提高农作物剩余使用率。【本研究切入点】（1）提出土壤生态保留量的概念，并通过对相关研究的梳理确定不同农作物的基础还田量；（2）从项目层面构建成本曲线，考虑技术进步和激励政策的影响，计算不同情景下不同区域、不同项目可用秸秆的生态经济总量。【拟解决的关键问题】考虑秸秆还田量对水土流失、土壤有机质和农作物长期产量的影响，对不同农作秸秆的基础还田量进行设计；对现有相关政策和文献进行梳理，设计合理的发展情景；以项目投资收益率为变量做灵敏度分析，寻找优先发展项目和优先发展区域。

1 材料与方法

1.1 可新型能源化秸秆资源生态经济总量评价模型

1.1.1 可新型能源化秸秆资源密度 可新型能源化秸秆资源密度是指可用于发展生物质能源的秸秆资源生态总量与播种面积的比值，则不同区域可新型能源化秸秆的生态潜力可表示为：

式中，Q为区域可新型能源化秸秆生态总量；S,j、p,j和r,j分别为第区域第种农作物的播种面积、单产和土壤生态还田量；π、α、β和δ分别为第种农作物的草谷比系数、工业用比、饲料用比和燃烧用比；为农作物种类。则区域可新型能源化秸秆资源密度ρ可表示为：

（2）

1.1.2 最大经济收集半径 设项目收益主要来自能源化产品销售和政府补贴，且产品均能售完；项目主要成本包括建设成本、工人工资、加工成本、秸秆原料成本、秸秆运输成本和维修成本。依据相关政策[11]，暂不考虑税收，则项目周期内的总收益和总成本分别如公式（3）和（4）所示：

（4）

式中，R、p、q、G、c、H、c′、S、L和ω分别为第种项目的总收入、产品单价、年产量、年政府补贴、单位建造成本、年工人工资、单位加工成本、项目规模、项目周期和年维修系数；C,m、4,i,m和5,i,m分别为区域第种项目总成本、秸秆原料成本和运输成本；(P/A,,L)为年金现值系数；为贴现率。

秸秆原料成本主要为秸秆田间售价、收集成本和其他成本。收集成本方面，每吨秸秆收、存、运所需人数按2人测算，每天处理7 t秸秆，工资按各省农村劳动力成本进行计算；其他成本按总成本的17%计算，包括合理利润、场地租赁费和打捆机损耗费[12]。则区域吨秸秆原料成本和总成本分别为：

（6）

式中，r为第种项目的秸秆收集半径；*为单位秸秆运输成本。则在满足一定年收益率的基础上，区域第种项目的最大经济收集半径R,m可表示为：

（8）

1.1.3 项目理论秸秆需求 为保障项目正常运转，项目安全库存按理论总量的5%计算。对于秸秆发电类项目而言，其秸秆理论需求量可表示为：

式中，T,e、S,e和t,e分别表示当第种项目为发电类项目时秸秆理论需求量、项目规模、年发电时间；1和2分别为秸秆发热量占比和发电效率；h为第种农作物秸秆的单位热值；3.6×106为千瓦时与焦耳的转换系数。非发电类项目秸秆理论需求量如下所示：

（10）

式中，T,a和S,a分别表示当第种项目为非发电类项目时的秸秆理论需求量和项目规模；3表示非发电类项目转化效率。

1.1.4 可新型能源化秸秆资源生态经济总量 区域第种项目的经济秸秆收集量A,m为2i,m，项目理论秸秆需求量为T。若T＞A,m，则表示第区域不适合第种项目，反之则经济可行。因此，可新型能源化秸秆生态经济总量可以表示为：

式中，表示可新型能源化秸秆经济生态总量；31表示大陆区域省（市、自治区）数量。(A,m)为0-1函数，具体为。

1.2 情景及参数设计

1.2.1 土壤生态保留量、草谷比及秸秆用途设计 秸秆还田对生态环境保护起着积极的作用[14-16]。但保留过多又会引发病虫害等；反之，又不能有效防止水土流失，维护土壤生态功能。因此，土壤生态保留量是指在一定农业耕种环境下，能够有效防止水土流失，增强和维护土壤功能的秸秆基础还田量。在保留量取值设计方面，首先从防止水土流失、维护土壤有机质和作物长期产量的角度，对相关文献进行检索，并总结出研究结论；然后，按作物种类对上述文献进行分类，并计算各农作物所对应研究结论的均值，将其视为土壤生态保留量。本文主要选取稻谷、小麦、玉米、大豆、薯类、棉花、花生、油菜和甘蔗作为研究对象；由于薯类、花生和甘蔗的相关研究较少，则取其他农作物秸秆保留量的均值。不同研究给出的草谷比不尽相同，为确保草谷比设计的合理性，综合文献[17-18]对草谷比进行设计。由于难以获取各区域各主要农作物秸秆的用途比，因此采用全国性数据进行计算，主要参考文献[19-21]进行设计。不同农作物的土壤生态保留量、草谷比和秸秆用途设计具体如表1所示。

表1 主要农作物秸秆土壤生态保留量、草谷比和用途设计

1.2.2 项目参数设计 秸秆新型能源化利用项目主要有秸秆直燃发电、气化发电、混燃发电、秸秆燃料成型和纤维素乙醇项目。常见秸秆直燃发电装机容量有6 WM和25 MW，而秸秆气化发电一般为12 MW以下[35-36]；混燃发电项目主要为秸秆与煤或与生活垃圾混燃发电，考虑到现有火力发电厂的选址，以及燃料成本难以核算，故不考虑混燃项目。对于秸秆燃料成型，国内企业生产能力较低，平均生产能力约7 000 t·a-1[37]。纤维素乙醇方面，国内尚处于产业化前期研究阶段。在上述基础上，采用文献调研的方法对不同类型秸秆新型能源化利用项目进行归纳设计，具体如表2所示。

表2 秸秆能源化项目设计

秸秆直燃发电简写为SDFPG，秸秆气化发电简写为SGPG，纤维素乙醇简写为CE，秸秆固体成型简写为BMF。下同

SDFPG is short for straw direct firing power generation. SGPG is short for straw gasification power generation; CE is short for cellulosic ethanol; BMF is short for biomass modeling fuel. The same as below

1.2.3 发展情景设计 从技术进步和政策激励角度共设计了4种情景，分别为情景I（现有技术水平，无政策激励）、情景II（现有技术水平，政策激励）、情景III（技术进步，无政策激励）和情景IV（技术进步，政策激励）。无政策激励是指政府不对企业进行除税收外的激励；政策激励情景中，主要参照《关于完善农林生物质能发电价格政策的通知（2010）》、《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法（2006）》和《秸秆能源化利用补助资金管理暂行办法（2008）》，对政策激励情景进行设计。现有技术水平主要是依据当前国内秸秆新型能源化项目的转换效率进行设计，而技术进步情景则主要是参照国外同类型项目进行设计。此外，由于秸秆燃料成型转化效率高，从转化效率角度进行设计不能体现技术进步的影响，因此从成本角度进行设计。则不同情景下，秸秆新型能源化项目的补贴强度和技术进步情景如表3所示。

表3 政策激励强度和技术进步情景设计

1.2.4 秸秆原料成本设计 各区域生物质发电上网电价见表4。稻谷、小麦、玉米和棉花秸秆的田间收购价分别约140、140、150、60 yuan/t[43]，而其他农作物秸秆的相关资料较少。因此，以稻谷、小麦、玉米、棉花秸秆单价与其折标系数比值的均值为基准，分别乘以豆类、薯类、花生、油菜和甘蔗秸秆的折标煤系数进行定价；若稻谷、小麦、玉米、豆类、薯类、棉花、花生、油菜和甘蔗秸秆折标系数分别取0.429、0.5、0.529、0.543、0.429、0.543、0.8、0.8和0.8，则豆类、薯类秸秆单价分别为135.75、107.25 yuan/t，花生、油菜和甘蔗秸秆单价均为200 yuan/t；农民日工资从中国农村统计年鉴获取，根据公式（5），则各省（市）单位秸秆资源成本如表5所示。

表4 各区域生物质发电上网电价[12]

表5 各省（市）单位秸秆资源成本

2 结果

2.1 秸秆资源密度及构成

以2012年为基准年，考虑秸秆生态保留下可新型能源化秸秆总量约为8 661.31×104t，主要集中在广西、四川、山东和河南，分别约占总量的13.80%、8.83%、8.10%和7.30%。其主要由薯类、甘蔗和油菜秸秆构成，分别约占总量的45.70%、20.68%和15.06%。全国平均可新型能源化秸秆资源密度约73.78 t·km-2，其中广西最高，约272.37 t·km-2；海南、广东、重庆、福建、甘肃、青海和四川秸秆资源密度介于100—200 t·km-2，其余省份均小于100 t·km-2。不同区域可新型能源化秸秆资源密度及构成如图1所示。

图1 各省（市）秸秆资源密度及构成

2.2 项目理论秸秆需求

整体来看，现有技术水平下6 MW和25 MW直燃发电项目平均秸秆理论需求量分别约4.93×104和20.54×104t，12 MW气化发电项目约9.86×104t；年产5×104t和10×104t的纤维素乙醇项目分别约需35.09×104和70.18×104t秸秆；年产5 000 t和10 000 t的燃料成型项目分别约需0.53×104和1.05×104t秸秆。技术进步情景下，6 MW和25 MW秸秆直燃发电项目平均理论需求量分别约3.29×104和13.70×104t，12 MW气化发电项目约6.60×104t；年产5×104t和10×104t的纤维素乙醇项目分别需约26.32×104和52.63×104t。现有技术水平和技术进步下，不同项目的秸秆理论需求量分别如图2-a和2-b所示。

图2 不同情景下不同秸秆能源化项目秸秆理论需求量

2.3 最大经济收集半径

2.3.1 投资回报率为0 若贴现率取0.1，单位运价取1.5 yuan/(t·km)，发电类项目厂内用电率取0.11[39]，成型燃料单价取700 yuan/(t·km)，燃料乙醇单价取6 600 yuan/(t·km)。4种情景中纤维素乙醇项目的总运营成本均大于总收益，故其最大经济收集半径均为0。情景I中，除北京、天津、辽宁、西藏、甘肃、青海和宁夏最大经济收集半径为0外，绝大部分地区25 MW直燃发电项目的收集半径介于13.41—44.83 km，而6 MW直燃发电项目仅江苏、浙江、安徽、安徽、江西、山东、河南、湖北、湖南、广东、广西、海南和新疆具有经济性；12 MW气化发电项目的最大经济收集半径主要介于5.42—33.87 km；年产5 000 t和10 000 t燃料成型项目平均最大经济收集半径分别约4.01和11.98 km。情景II中年产5 000 t秸秆燃料成型项目的收集半径不变，其余项目收集半径有所增加。其中6 MW和25 MW秸秆直燃发电项目平均经济收集半径分别约30.37和57.41 km，12 MW气化发电和年产10 000 t燃料成型项目的平均经济收集半径分别约为43.62和24.52 km。在情景III和IV中，年产5 000 t的秸秆燃料成型项目经济收集半径有着显著的变化，其余项目的经济收集半径均有所提高。除纤维素乙醇项目外，其余项目在不同地区不同情景下的最大经济收集半径分别如图3所示。

图3 不同情景下不同项目的经济收集半径（ROI=0）

2.3.2 投资回报率为5% 4种情景中纤维素乙醇项目的最大经济收集半径仍为0。情景I中，6 MW直燃发电项目仅在广东具有6.48 km的经济收集半径，其余省份均为0；而25 MW直燃发电项目仅在江苏、浙江、安徽、江西、山东、河南、湖北、湖南、广东、广西、海南和新疆具有经济性，平均最大经济收集半径约22.26 km；12 MW秸秆气化发电项目则仅在浙江、安徽、江西、湖北、湖南、广东、广西和海南具有经济性，平均经济收集半径约18.21 km；年产5 000 t燃料成型项目仅在山西、青海和新疆具有经济性，而年产10 000 t燃料成型项目的平均经济收集半径约12.67 km。情景II中各区域年产5 000 t燃料成型项目的最大经济收集半径与情景I相同；25 MW直燃发电项目、12 MW气化发电项目和年产10 000 t燃料成型项目在所有省市都具有经济性，平均经济收集半径分别为48.67、36.57和23.51 km；而6 MW直燃发电项目仅在北京、天津不具有经济性，其平均收集半径约22.17 km。情景III中，25 MW直燃发电项目和12 MW气化发电项目的经济适应区相同，6 MW直燃发电项目、年产5 000 t和10 000 t燃料成型项目的经济收集半径分别为14.20、10.12和15.08 km。情景IV中，6 MW和25 MW直燃发电项目的平均经济收集半径分别为31.79和58.91 km，12 MW气化发电项目平均约为45.18 km，年产10 000 t燃料成型项目平均约为23.09 km。不同情景中，具有经济性的秸秆能源化项目在不同地区的经济收集半径分别如图4所示。

图4 不同情景下不同项目的经济收集半径（ROI=5%）

2.3.3 投资回报率为10% 情景I中，6 MW直燃发电项目、12 MW 气化发电项目和年产5 000 t燃料成型项目的经济收集半径均为0，25 MW直燃发电项目仅在广东具有经济性，收集半径为9.41 km，年产10 000 t燃料成型项目仅在河北、山西、内蒙古、黑龙江、山东、重庆、贵州、甘肃、青海、宁夏和新疆具有经济性，平均收集半径约11.21 km。情景II中，25 MW直燃发电项目和12 MW气化发电项目均在除北京、天津、上海以外的地区具有经济性，平均经济收集半径分别为36.68和27.15 km；6 MW直燃发电项目仅在山西、安徽、湖北、广西、贵州、云南、陕西、甘肃和新疆具有经济性，而年产10 000 t燃料成型项目在所有省份均具有经济性。情景III中，25 MW直燃发电项目、12 MW气化发电项目和年产10 000 t燃料成型项目的平均经济收集半径分别为22.07、17.46和14.16 km，6 MW直燃发电项目仅在广东具有经济性，而年产5 000 t燃料成型项目仅在河北、山西、内蒙古、黑龙江、山东、重庆、贵州、甘肃、青海、宁夏和新疆具有经济性。情景IV中，6 MW和25 MW直燃发电项目的平均经济收集半径分别为24.14和50.99 km，12 MW气化发电项目平均约为39.03 km，年产10 000 t燃料成型项目平均约为21.93 km。不同情景中，具有经济性的秸秆能源化项目在不同地区的经济收集半径分别如图5所示。

图5 不同情景下不同项目的经济收集半径（ROI=10%）

2.4 可新型能源化秸秆资源生态经济总量

2.4.1 投资回报率为0 由上述分析可知纤维素乙醇项目可利用秸秆资源的生态经济总量均为0。情景I中，6 MW和25 MW直燃发电项目可利用秸秆资源的生态经济总量分别为3 300.52×104和6 609.18×104t，12 MW气化发电项目为6 225.08×104t，年产5 000 t和10 000 t燃料成型项目分别为3 314.67×104和 5 788.92×104t。其中，6 MW直燃发电项目秸秆资源主要来自广西、湖北、广东和安徽；25 MW直燃发电项目和12 MW气化发电项目秸秆资源均主要来自广西、四川、山东和河南；年产5 000 t燃料成型项目则主要来自四川、山东、重庆和甘肃；年产10 000 t燃料成型主要来四川、山东、河南和湖北。情景II中，6 MW、25 MW直燃发电项目和12 MW气化发电项目可利用秸秆资源生态经济总量分别为8 658.24×104、8 655.29×104和8 658.24×104t，而年产10 000 t燃料成型项目为8 661.31×104t，年产5 000 t燃料成型项目仍为3 314.69×104t。情景III中，6 MW、25 MW直燃发电项目可利用秸秆生态经济总量分别为7 945.04×104和8 634.98×104t，12 MW气化发电项目为8 634.98×104t，年产5 000 t 和10 000 t燃料成型项目分别为5 914.02×104和8 661.31×104t。情景IV中，发电类项目和年产10 000 t燃料成型项目可用秸秆生态经济总量均为8 661.31×104t，而年产5 000 t燃料成型项目仍为5 914.02×104t。不同情景下不同项目可新型能源化利用秸秆生态经济总量如图6所示。

图6 不同情景下可能源化秸秆资源生态经济总量（ROI=0）

2.4.2 投资回报率为5% 情景I中，6 MW直燃发电项目的最大经济收集半径为0，故其可用秸秆生态经济总量为0，而25 MW直燃发电项目、12 MW气化发电项目和10 000 t燃料成型项目分别为2 675.81×104、2 999.70×104和3 867.78×104t，其中发电类项目秸秆资源主要来自广西、湖北、广东和安徽，燃料成型项目主要来自四川、山东、重庆、甘肃和新疆；另外，年产5 000 t燃料成型项目可用秸秆生态经济总量为260.45×104t，仅来自新疆。情景II中，6 MW、25 MW直燃发电项目和12 MW气化发电项目可用秸秆生态经济总量分别为7 943.15×104、8 347.38×104和8 347.38×104t，均主要来自广西、四川、山东、河南和湖北；而年产5 000 t和10 000 t燃料成型项目分别为260.45×104和8 661.31×104t。情景III中，6 MW直燃发电项目秸秆可利用生态经济总量约为476.49×104t，来自广东；25 MW直燃发电项目和气化发电项目可利用秸秆资源生态经济总量均为2 210.94×104t，均来自于浙江、湖南、广东、广西和海南；年产5 000 t和10 000 t燃料成型项目可利用秸秆生态经济总量分别为1 132.11×104和4 290.42×104t。情景IV中，6 MW、25 MW直燃发电项目、12 MW气化项目和年产10 000 t燃料成型项目可利用秸秆资源的生态经济总量分别为8 660.23×104、8 660.23×104、8 661.31×104和8 661.31×104t，年产5 000 t燃料成型项目可利用秸杆资源生态经济总量与情景III相同。此外，由于纤维素乙醇项目在所有情景中均不经济，其可利用秸秆资源量均为0。不同情景下不同项目可用秸秆生态经济总量如图7所示。

图7 不同情景下可能源化秸秆资源生态经济总量（ROI=5%）

2.4.3 投资回报率为10% 情景I中，年产10 000 t燃料成型项目可用秸秆生态经济总量约1 936.20×104t，主要来自山东、重庆、甘肃和新疆，而其余项目可用秸秆生态经济总量均为0。情景II中，25 MW直燃发电项目和12 MW气化发电项目可用秸秆生态经济总量分别为7 023.24×104和7 068.07×104t，均主要来自广西、四川、山东、河南、湖北和广东；6 MW直燃发电项目为1 853.29×104t，可用秸秆仅来自广西、安徽和新疆；而年产5 000 t燃料成型项目可用秸秆仍为0。情景III中，25 MW直燃发电项目和12 MW气化发电项目可用秸秆生态经济总量均为3 694.81×104t，均主要来自广西、湖北、广东、安徽和江苏；6 MW直燃发电项目为476.49×104t，仅来自广东；年产5 000 t和10 000 t燃料成型项目可用秸秆分别为1 936.20×104和4 504.25×104t，分别主要来自山东、重庆、甘肃、新疆和四川、山东、河南、重庆。情景IV中，6 MW、25 MW直燃发电项目、12 MW气化发电项目、年产5 000 t和10 000 t燃料成型项目可用秸秆生态经济总量分别为8 648.28×104、8 658.24×104、8 660.23×104、1 936.20×104和8 661.31×104t。此外，所有情景中纤维素乙醇项目可用秸秆生态经济总量均为0。不同情景下不同秸秆能源化项目可用秸秆生态经济总量分别如图8所示。

图8 不同情景下可能源化秸秆资源生态经济总量（ROI=10%）

3 讨论

3.1 方法有效性

农作物秸秆还田具有防止水土流失、增强和维护土壤功能，具有非常可观的环境效益。因此，如何在保障生态环境的基础上，实现秸秆的新型能源化利用，对中国环境保护和秸秆资源的有序开发都有着重要的意义。而秸秆新型能源化利用不仅受秸秆资源的制约，还与技术类型、开发成本和地域相关。为探究不同区域不同秸秆新型能源化项目可利用秸秆资源的生态经济总量，本研究从防止水土流失和维护土壤有机质的角度，提出了土壤生态保留量的概念；同时从项目层面，考虑土壤生态保留、技术进步和政策激励，对不同区域不同秸秆能源化项目可利用秸秆资源的生态经济总量进行评价研究，并提出了相关发展建议。

考虑秸秆生态还田和秸秆用途后，可新型能源化利用秸秆资源生态总量约为8 661.31×104t，比现有相关研究偏小[7,21]，同时在秸秆资源的空间分布和资源构成上也有所差异。文献[7,21,45]认为秸秆资源主要集中在黑龙江、吉林、新疆和河南等地，而本研究则认为主要集中在广西、四川、山东和河南；在秸秆资源构成上，部分研究认为可能源化秸秆资源主要由玉米、水稻和小麦秸秆构成[5,7,21]，而本研究认为可能源化秸秆资源主要是由薯类、甘蔗和油菜秸秆构成。造成该差异的主要原因在于，采用还田比计算还田量是在可获秸秆资源理论总量上进行的，等效于采用加权平均法计算整体农作物秸秆还田量，其还田量总是小于其理论秸秆产量；而土壤生态保留是针对土壤生态要求对不同农作物进行设计，会出现农作物秸秆理论产量小于生态还田需求量，同时不同区域农作物种植结构存在差异，从而造成可能源化秸秆资源构成和空间分布上的差异。在项目经济性评价方面，大多数区域6 MW、25 MW秸秆直燃发电项目和12 MW秸秆气化发电项目的直接发电成本介于0.35—0.55 yuan/(kW·h)，与相关研究[46-48]基本一致，秸秆纤维素乙醇项目和秸秆燃料成型项目单位生产成本与文献[42,49]基本相当。

3.2 政策建议

现有激励政策在不同ROI下对新型秸秆能源化项目都有着显著的激励作用，除年产10 000 t燃料成型项目外，其他项目的经济可行性依赖于政府补贴，尤其是在较高ROI条件下。可适当降低年产10 000 t燃料成型项目的补贴力度，提高其他项目的补偿强度。此外，在不同ROI和情景下，年产10 000 t燃料成型项目的区域适应性最好，其次为12 MW气化发电项目和25 MW直燃发电项目，而年产5 000 t燃料成型项目和6 MW秸秆直燃发电项目的区域适应性较差，且现阶段秸秆纤维素乙醇项目不具有经济可开发性。因此，在秸秆能源化产业布局方面现阶段可优先考虑年产10 000 t燃料成型项目、12 MW秸秆气化项目和25 MW秸秆直燃发电项目。在技术进步下，政策激励对秸秆能源化利用仍是必要的，且在高ROI下政策激励能有效提高能源化利用秸秆资源量。

当项目年收益和年运营成本一定时，随着ROI的不断增加，可用于秸秆运输的费用不断减小，使得最大经济收集半径也逐渐减小，导致部分区域秸秆经济收集量小于项目秸秆理论需求量，使得秸秆新型能源化项目在空间布局上发生变化。在现有技术水平和激励强度下，当ROI从0增加到10%时，年产10 000 t燃料成型项目的适宜开发区域变化不大，基本覆盖所有省市；发电类项目的适宜开发区域随着ROI的提高而迅速减少；不管是低ROI还是高ROI，6 MW直燃发电项目和年产5 000 t燃料成型项目的经济性均较差；而纤维素乙醇项目在全国范围内均不经济。

4 结论

在现有中国农作物种植结构、单产和播种面积下，考虑土壤生态保留和秸秆主要用途后，中国可新型能源化利用秸秆生态总量约为8 661.31×104t，空间上主要分布在广西、四川、山东和河南，构成上主要由薯类、甘蔗和油菜秸秆构成。现有政策对发电类项目有着显著的激励作用，可适当降低对年产10 000 t燃料成型项目补贴力度，提高发电类项目的补助力度；同时在技术进步下，政策激励对秸秆新型能源化利用仍是必要的，在高投资回报率（ROI）下，政策激励能有效提高秸秆资源的利用。在秸秆能源产业布局方面，现阶段可优先发展年产10 000 t秸秆燃料成型项目，可优先在广西、湖北、广东、安徽、河南等地规划建设12 MW秸秆气化发电项目，其次可考虑在广西、湖北、广东和安徽规划建设25 MW秸秆直燃发电项目，最后可考虑在广西规划建设6 MW秸秆直燃发电项目。

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（责任编辑 赵伶俐）

Eco-economic Potential Analysis of Chinese Main Crops’ Bio-energy Utilization Straw Resources

ZHU Kai-wei1, LIU Zhen1,2, HE Liang-ping1, LIN Jin-chai1

(1Low-Carbon Energy Research, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China;2Lawrence Berkeley National Laboratory, California 94530, USA)

【Objective】Realizing the reasonable development of straw resource on the basis of protecting environment has important significance to Chinese agricultural bio-energy development planning. And effective development of straw resource is also closely related with cost. Thus, from the perspective of protecting environment and cost, this study analyzed the eco-economic potential of main crops’ energy utilization straw resource in different regions, which can provide reference for the layout of agricultural bio-energy industry, prior suitable regions for straw energy utilization project, prior developing technology and government policy formulation.【Method】Based on the research for the studies on the relationship between straw returning amount and soil erosion, soil organic matter, and the crop yield, the concept of soil ecological reserve amount was put forward and the specific returning amount of different crop straws were concluded. Combining the crop yield, planting structure, and grass grain ratio in benchmark year with the soil ecological reserve amount and other straw usages, the total ecological energy utilization straw resource and straw resource density were calculated by regions. Analyzing the policies and costs of different straw energy utilization projects, four developing scenarios and project costs were designed, and the economic collecting radius in different ratio of return on investment (ROI) was calculated by regions. According to the density and economic collecting radius, straw economic collecting amount was calculated, and then comparing the economic collecting amount with the project’s theory straw demand, to conclude the eco-economic straw collecting amount and space distribution of different projects.【Result】The straws can be used for bio-energy are 86.61 million ton, mainly distributed in Guangxi, Sichuan, Shandong and Henan, and the main straws are those of potato, sugar and rapeseed straws. When ROI is 0, the available straw for 6 MW SDFPG, 25 MW SDFPG, 12 MW SGPG, BMF 5 000 t·a-1and BMF 10 000 t·a-1, respectively, is 86.58, 86.55, 86.58, 33.15, 86.61 million ton at the current level technology and incentive policy.When ROI is 5%, the available straw for 6 MW SDFPG, 25 MW SDFPG, 12 MW SGPG, BMF 5 000 t·a-1and BMF 10 000 t·a-1, respectively, is 79.43, 83.47, 83.47, 2.60, and 86.61 million ton. When ROI is 10%, the available straw for 6 MW SDFPG, 25 MW SDFPG, 12 MW SGPG, BMF 5 000 t·a-1and BMF 10 000 t·a-1, respectively, is 18.53, 70.23, 70.68, 0, and 86.61 million ton. At current level technology and incentive policy, under different scenarios, the available straws for CE projects are always 0 in different ROI.【Conclusion】The existing policies have obvious incentives for power projects, the incentives for BMF 10 000 t·a-1should be appropriately reduced, and the incentives for power projects should be increased. In straw energy industry layout, at present, as for the BMF 10 000 t·a-1, first priority should be given, then first priority should be given to Guangxi, Hubei, Guangdong, Anhui, and Hainan to build 12 MW SGPS, and then construction of 25 MW SDFPG should be considered in Guangxi, Hubei, Guangdong and Anhui, and finally, construction of 6 MW SDFPG in Guangxi should be considered. Now the cost of CE project is so high that it does not necessarily produce economic benefits in every region.

soil ecological reserve amount; eco-economic straw resource amount; economic collecting radius; biomass energy

2016-04-25；接受日期：2016-07-15

国家自然科学基金（71573026）、重庆市研究生科研创新项目（CYS16223）

朱开伟，Tel：023-62563167；E-mail：kaiwei_zhu@foxmail.com。通信作者刘贞，Tel：023-62563167；E-mail：zhenliu@tsinghua.edu.cn