基于可收集的秸秆资源量估算及利用潜力分析

孙建飞，郑聚锋，程 琨，潘根兴

（南京农业大学农业资源与生态环境研究所/江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心，南京 210095）

中国粮食产量位居全球第一位，与此同时也产出大量的秸秆。据估算，中国是世界第一秸秆大国，资源量约为9亿t[1]。秸秆的直接焚烧和堆置乱放已经带来一系列的环境问题。秸秆露天焚烧排放大量的CO2、CO、颗粒物，在浪费生物质能源以及造成农业碳库的损失同时还带来了严重的空气质量问题[2–4]，而秸秆焚烧过程也会对土壤健康造成直接影响[5]。因此，提高秸秆资源综合利用率成为中国农业可持续发展面临的重大挑战。近年来，国家和各省市分别出台了各类秸秆利用规划，规划的制定和具体的实施均需要有秸秆资源量估算作为前提，而鉴于对秸秆资源收集优化配置、秸秆收储运成本和利用效率的考虑，不同类型作物秸秆资源量空间分布的研究可以为秸秆综合利用区划提供数据支撑。

近年来，已有诸多学者对国家和地区秸秆资源量进行了估算。秸秆资源量的估算一般通过农业部或统计部门发布或者通过实地调查得到的作物经济产量，以收获指数或者草谷比计算获得；同时通过可收集系数法计算秸秆的可收集资源量[6]。例如，王亚静等[7]基于分省作物产量统计数据估算得出2005年中国七大农作物 (粮食作物、油料作物、棉花、麻类、糖料、烟草和果蔬) 秸秆总产量和可收集利用总量分别为8.4亿t和6.9亿t，其中粮食作物秸秆占总量的72%；而蔡亚庆等[8]对2009年中国五大农作物 (粮食作物、油料作物、棉花、麻类和糖料)秸秆资源量估算得出，秸秆总产量和可收集利用总量分别为7.48亿t和6.34亿t。对于不同地区和不同作物，包建财等[9]利用国家统计数据对西部七省区作物秸秆资源分布进行了估算，得出西部地区秸秆资源密度低于全国平均水平；而那伟等[10]则通过实地调查估算了吉林省玉米秸秆可利用资源量，并对空间分布特征进行了分析。但是，通过文献对比发现，对于大田作物的草谷比，不同品种、不同地区之间有较大差异[8,11]。以水稻为例，将不同研究进行对比发现水稻的草谷比在0.68～1.40之间，存在很大变异性。同时，不同作物和不同地区可收集利用系数也存在较大变异，例如，根据王亚静等[7]的研究，谷类作物秸秆可收集系数为0.83，而豆类作物则为0.88。草谷比和可收集系数的变异性将极大地影响秸秆资源量估算的准确性。

作为中国的农业生产大省，江苏省2014年粮食产量为3490.6万t，位居全国第四[12]，而2008年江苏省秸秆资源利用率仅为59%[13]，对江苏省秸秆资源量进行及时估算并分析秸秆资源的空间分布情况可为政府部门秸秆资源利用对策的制定提供数据支撑。近年来已有学者对江苏省秸秆资源量及空间分布进行了研究。然而，鉴于草谷比和可收集系数的选取对秸秆资源量估算的影响，以及江苏省不同地区作物草谷比的差异性，对江苏省秸秆资源量估算仍存在一定的不确定性，且对估算不确定性量化的研究还非常有限。秸秆还田是秸秆利用的主要途径，而近年来秸秆直燃发电、秸秆热裂解炭化由于其较大的减排潜力逐渐成为秸秆利用的新方向，如何因地制宜地利用秸秆已经成为当前农业和地方政府以及农民要解决的问题，对不同秸秆利用情景进行固碳减排潜力评价尤为必要。

本研究基于江苏省各区县产量数据，采用谷草比和可收集系数，对2014年江苏省区县尺度水稻、小麦、玉米和大豆四类粮食作物秸秆资源量和可收集资源量进行了估算，并评估其不确定性范围。最后，针对当前有推广前景的秸秆资源化利用技术，对不同类型秸秆资源化利用的生态环境效应进行了情景分析，以期为秸秆资源化利用区域规划和技术发展提供数据支撑和科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

江苏省位于中国大陆东部沿海，属于温带向亚热带的过渡性气候，平均气温15.9℃，境内年降雨量972.3 mm，地形以平原为主，主要由苏北平原、黄淮平原、江淮平原、滨海平原、长江三角洲平原组成。农业总播种面积为767.86万hm2，主要种植作物有水稻、小麦、玉米、油菜、大豆、棉花等，属于可持续发展农业优化发展区[14]。江苏省北部是重要的粮食生产区，无论是粮食播种面积还是粮食总产量均高于江苏南部地区 (图1)。江苏北部县域播种面积集中在10.0万 hm2公顷以上，县域粮食产量大多在50万t以上；而江苏南部地区县域粮食播种面积和产量主要集中在2.0～5.0万 hm2和10～30万t(图1)。鉴于水稻、小麦、玉米和大豆占江苏省粮食作物产量的88%，本研究主要针对这四种粮食作物的秸秆资源量进行估算和评价。

1.2 秸秆资源量估算方法

1.2.1 秸秆资源总量估算方法 田间秸秆量的估算采用草谷比法进行计算。田间秸秆量是指作物经济产量收获之后地上部剩余的所有副产物，主要包括作物的茎和叶；草谷比是指作物田间秸秆量与作物经济产量的比值。田间秸秆量计算方法如下式所示：

式中：SF为田间秸秆量 (t)，R为草谷比，Y为经济产量 (t)。四种粮食作物草谷比如表1所示。

收获指数是指农作物经济产量与生物产量的比值，因此，如果获取的参数为收获指数，也可通过下式对收获指数 (Hi) 和草谷比进行换算：

农产品加工副产物虽然所占农产品比例较少，但巨大的粮食产量使得农产品加工副产物成为农业废弃物不可忽视的一部分。四种作物中，农产品加工副产物主要是玉米芯，因此本研究对玉米秸秆资源量和玉米芯资源量分别进行估算。玉米芯资源量通过农产品加工副产物系数，即副产品与经济产量的比值，进行计算：

图 1 江苏省各县市粮食播种面积和产量Fig. 1 The sown areas and yields of grain crops in the counties of Jiangsu Province

表 1 江苏省主要粮食作物草谷比Table 1 Straw and grain ratios of major grain crops in Jiangsu province

式中：SC为玉米芯资源量；Rc为副产物系数，玉米芯副产物系数取0.25[15]。最终，玉米秸秆资源量则通过草谷比所计算得出的玉米生产废弃物资源量减去玉米芯资源量得到。

1.2.2 秸秆可收集资源量估算方法 在实际秸秆收获过程中，不同的收获留茬深度 (人工收割、机械收割)、秸秆部分落叶凋落都会导致实际收获的秸秆量小于田间的秸秆量。因此，可以通过可收集系数法计算出田间秸秆可以收集利用的最大资源量：

式中：CS为秸秆可收集利用量；C为可收集系数，不同作物秸秆可收集系数如表2所示。

表 2 江苏省主要秸秆可收集系数Table 2 Coefficients of collectivity for crop straw in Jiangsu province

1.2.3 秸秆资源化利用潜力分析 秸秆还田、秸秆直燃发电和秸秆热裂解炭化是当前重要的三种秸秆资源化利用方式。其中，秸秆热裂解是指在限氧条件下秸秆在250～750℃发生热裂解作用而得到生物质炭、木醋液和生物质可燃气的过程[27]。本研究共设置了三个情景，即将未被利用的秸秆分别采用秸秆还田、秸秆直燃发电和秸秆热裂解炭化进行利用，计算三种情景的固碳减排潜力。与秸秆弃置和直接焚烧相比，秸秆还田可通过养分归还带来的节省化肥进行减排，秸秆直燃发电通过替代煤炭发电进行减排，而秸秆热裂解炭化则通过养分归还、土壤固碳以及能源替代进行减排。三种情景的固碳减排潜力分析基于秸秆养分含量 (表3)、秸秆折标煤参考系数 (表3)、化肥生产温室气体排放系数 (表4)、秸秆直燃发电系数 (取675 kWh/t[28])、生物质炭养分和有机碳含量 (表5) 以及秸秆热裂解炭化可燃气生产系数 (取250 kWh/t，本课题组未发表数据) 进行计算。

表 3 不同作物秸秆养分含量Table 3 Nutrient contents in crop straw

表 4 肥料生产过程温室气体排放系数[31]Table 4 Greenhouse gas emission factors for chemical fertilizer manufacture

表 5 不同秸秆生物质炭养分含量 (g/kg)[32–33]Table 5 Nutrient contents in straw based biochar

1.3 数据来源

通过江苏省各市级统计年鉴，获得江苏省2014年县域水稻、小麦、玉米、大豆四种主要粮食作物产量数据和农作物播种面积数据。由于未收集到徐州市和宿迁市2014年县域产量和面积数据，基于数据可获取程度，本研究估算了2012年徐州市和2013年宿迁市县域秸秆资源量。

1.4 统计方法

本研究根据草谷比和可收集系数的变异性，采用95%置信区间对各县市秸秆资源量和可收集资源量估算结果的不确定性进行表征，95%置信区间(CI) 计算方法为：

式中：SD为标准差；n为样本量；z值可查表得出。

采用聚类分析方法 (Ward法) 对不同区域秸秆资源量进行分级。数据分析采用JMP 11.0进行，普通制图采用Microsoft Office Excel 2013进行，秸秆资源量空间分布图采用ArcGIS 9.3软件制图。

2 结果与分析

2.1 秸秆资源量估算

江苏省主要粮食作物草谷比和可收集系数存在较大变异，其变异系数分别在2.2%～16.73%和5.43%～18.87%。基于这些变异性，本研究估算得出江苏省2014年主要粮食作物秸秆资源为 (3974 ±253) 万吨，可收集资源量为 (3062 ± 155) 万 t。水稻的秸秆资源总量最高，为2038.23万t，而大豆的秸秆资源总量最低，仅为89.84万t。水稻、小麦、玉米、大豆四种作物秸秆可收集资源量所占比例分别为53.15%、36.74%、7.87%、2.24% (表6)。江苏省2014年玉米芯资源量63.25万t。

表 6 主要粮食作物秸秆资源量 (× 104 t)Table 6 Quantity of straw resources for major grain crops

2.2 秸秆资源的空间分布

由江苏省秸秆可收集资源量分布 (图2) 可知，江苏省各区县秸秆可收集资源量在794 t～118.52万t之间，存在较大的区域差异。秸秆资源主要集中在中北部，呈现由南到北逐渐增多的特征。根据聚类分析结果，秸秆可收集量最丰富的区域为沭阳县、邳州市和东海县，可收集资源量分别达到113.98、110.55和 98.98万 t。

图 2 可收集秸秆资源量分布Fig. 2 Distribution of collectible grain crop straw resources

从水稻、小麦、玉米、大豆可收集秸秆量分布(图3)，可以看出各区县水稻秸秆可收集资源量为8 t～69.42万t，水稻秸秆可收集资源最为丰富的区域集中分布在江苏中部，其中兴化市水稻秸秆可收集资源量最高，为72.54万t；南部水稻秸秆资源相对较少。小麦秸秆可收集资源量在256 t～57.07万t之间，分布呈现明显的层状特征，由东北到西南可收集量逐渐减少。小麦秸秆可收集量分布最多的地区是沭阳县、东海县、泗洪县、睢宁县和邳州市，可收集资源量分别达到51.24、44.18、39.78、39.71和37.55万t。各区县玉米秸秆可收集资源量在263 t～18.69万t之间，地理上分布由南到北逐渐减少，江苏中北部两侧相对较多，分布最丰富的地区在盐城东台市，可收集量达到18.69万t。大豆秸秆可收集资源量相对较低，不同区县在1.28 t～5.87万t之间，中部相对丰富，南部较少。最丰富的地区位于南通市启东市，大豆秸秆可收集资源是5.33万t。

基于不同作物秸秆资源量，结合不同作物秸秆的养分含量，评估了江苏省秸秆养分资源量及其分布。江苏省粮食作物秸秆氮、磷、钾养分资源量分别为 25.58万 t (以 N 计)、3.51万 t (以 P2O5计)、46.22万t (以K2O计)；空间分布上，各养分资源均以中部和北部地区最高 (图4)。

2.3 秸秆资源利用减排潜力评价

图 3 四种作物可收集秸秆资源分布Fig. 3 Collectible straw resources distribution of four grain crops

图 4 粮食作物秸秆养分资源分布Fig. 4 Distributions of nutrient resources from collectible grain crop straw

江苏省2014年秸秆利用率为88%，有12%的秸秆被堆弃乱放或焚烧[34]。结合本研究估算结果进行计算，江苏省未被利用的秸秆可收集量为367万t。根据不同秸秆养分含量，江苏省未被利用的秸秆资源所含N、P2O5、K2O养分量分别为3.07、1.93、15.76万t。如将秸秆的热值与标准煤进行折算，则江苏省未被利用的秸秆资源相当于170.12万t标准煤。情景分析结果显示，如果将江苏省未被利用的粮食作物秸秆全部还田，所返还的养分替代化肥可抵消36.2万吨CO2当量温室气体的排放。如果这部分秸秆直燃发电可以发电24.8亿kWh。按照目前华东区域电网单位供电平均CO2排放为0.928 kg/kWh[35]，能源化这部分秸秆发电可以减排230.18万t二氧化碳当量 (图 5)。

本课题组对合作企业进行的实地调查表明，1吨秸秆进行热裂解炭化可以产出0.35吨生物质炭，产生的可燃气体可发电250 kWh (未发表)。如果将江苏省未被利用的秸秆全部用来进行热裂解炭化，则可以生产128.6万t生物质炭，发电9.19亿kWh，发电量可抵消煤炭发电85.25万t二氧化碳当量的排放。根据表5中生物质炭养分含量，所生产的生物质炭养分折纯量N 1.79万t、P2O51.99万t和K2O 1.23万t，替代化肥可减排14.26万t二氧化碳当量温室气体；所生产的生物质炭有机碳含量为76.81万t，施入土壤固碳相当于281.25万t二氧化碳当量。综上所述，未被利用的秸秆进行热裂解炭化总计可以减排381.16万t二氧化碳当量。

图 5 不同情景秸秆资源化利用固碳减排潜力Fig. 5 Carbon sequestration and greenhouse gas emissionmitigation potential under different straw utilization scenarios

3 讨论

对秸秆资源量的准确估计和空间分布的分析是进行秸秆资源化利用的基础。本研究估算得出江苏省主要粮食作物秸秆可收集资源量在2907～3217万吨之间，说明当前对秸秆资源量的估算还存在一定的不确定性。本研究发现，无论是草谷比还是可收集系数，都存在一定的变异性。表1和表2表明，江苏玉米草谷比的变异系数高达16.7%，而大豆的可收集系数的变异系数也达到18.9%。同时，江苏省南部和北部地区作物草谷比也有差异，以小麦为例，苏北小麦的草谷比为1.38～1.4，而苏南为1.05～1.07[22]。由前人研究可知，草谷比的差异主要来源于作物品种。例如，早稻和中晚稻的草谷比有显著差异，而即使是早稻，不同品种之间草谷比的差异也非常大 (0.58～0.73)[36]。同时，作物草谷比与栽培方式、测定方法也有密切关系，顾克军等[37]研究表明，机械插秧、人工插秧、直播和抛秧下水稻草谷比有显著差异；而测定草谷比过程中籽粒和秸秆的含水量均会对草谷比的测定结果带来直接影响[22]。作物秸秆可收集系数的差异则主要是由田间条件 (地形、田间持水量等)、栽培方式、收获习惯、秸秆还田需求和机械化程度差异带来的，而影响可收集系数最大的因素是农作物的收获方式。研究表明，留茬高度对作物秸秆可收集量有显著影响，而不同机械收获和人工收获方式也直接影响作物秸秆的可收集性[37]。本研究在小麦秸秆资源量估算过程中，将江苏省分为苏南和苏北两个地区分别进行了计算，以降低估算的不确定性；但是，由于研究数据的缺乏，对于水稻、玉米和大豆仍然无法进行更详细的分区。因此，根据区域间作物种植特点、经济发展差异，开发区域特征的作物草谷比和可收集系数以降低秸秆资源量估算的不确定性，是未来秸秆资源化利用研究的重要方向。

江苏省主要粮食作物秸秆可收集资源量约占全国秸秆资源量的4.97%[1]，这些秸秆资源所含养分相当于25.6万t氮肥 (以N计)、16.1万t磷肥 (以P2O5计) 和131.4万t钾肥 (以K2O计)，三者之和相当于江苏省当年化肥施用量的一半；而其所含热值相当于1718万t标准煤，是当年江苏省能源消费量的5.8%，说明江苏主要粮食作物的秸秆具有巨大的利用价值。从表3可见，不同类型的秸秆其养分和热值不尽相同，例如，大豆秸秆的氮含量相对较多而小麦秸秆的氮含量相对较少，玉米、小麦秸秆的热值明显高于水稻和大豆秸秆，玉米芯则含有丰富的淀粉、木聚糖、氨基酸等[38]；同时，不同作物秸秆的空间分布具有各自的特征，例如，水稻秸秆主要分布在江苏中北部，小麦秸秆主要集中在江苏西北部，玉米和大豆秸秆资源量较少 (图3)。因此，在秸秆综合利用规划时，可以综合考虑秸秆自身属性以及地理分布特征和资源量等，因地制宜合理地利用秸秆资源。

秸秆处理问题是当前中国农业面临的重大挑战，到2015年仍有20%的秸秆被直接焚烧或丢弃乱放[1]。秸秆焚烧所带来的温室气体排放量接近全国温室气体总排放的五分之一[2]；同时，秸秆含有大量的养分和能量，秸秆的直接焚烧或丢弃乱放造成了巨大的环境影响和资源损失。本研究通过对江苏省未被利用的秸秆进行了情景分析发现，与秸秆丢弃和直接焚烧相比，秸秆还田、秸秆直燃发电和秸秆热裂解炭化所带来的减排量相当于江苏省温室气体排放总量的约0.18%、1.13%、1.88%。秸秆还田可以归还养分、提高土壤肥力和作物产量[39]，对土壤氧化亚氮排放也有一定的减排效果[40]；尽管秸秆还田对土壤固碳潜力影响的研究已有很多[41–43]，但是近来国际上一些科学家对秸秆还田所增加的土壤有机碳的稳定性提出质疑[44–45]；同时，已有研究显示秸秆还田显著增加淹水稻田的甲烷排放[46]，这将大量抵消其所带来的氧化亚氮减排量和土壤固碳量[47]。即使假设秸秆还田对农田综合温室效应无显著影响，其养分归还减少养分损失所带来的温室气体抵消量也远低于其他情景 (图5)，而且，一个对河南商丘地区农民秸秆还田意愿的调查发现70.8%受访农民认为秸秆还田增加病虫害，52.5%受访者提出需要多打药才能保证质量，愿意秸秆直接还田的人只占到50%[48]；最近，对全国152个县域1126份秸秆利用问卷调查发现，农户反对秸秆还田的原因是机械成本增加、病虫害加重和影响下季种植[49]，这些说明了秸秆还田存在一定的局限性。秸秆直燃发电可以通过替代煤电带来较大的减排效益，但秸秆发电成本远高于当前煤炭发电电价[50]。江苏省能源局调研显示，稻麦秸秆能源化利用数量不增反降，部分已投入几十万设备的收储站面临亏损或倒闭[51]，产业的发展举步维艰；而且秸秆直燃发电损失了巨量的养分，严重影响了农田土壤的养分循环。秸秆热裂解炭化技术可以获得生物质炭、木醋液、生物质气等产品，其中生物质气可通过发电维持秸秆热裂解的运行，木醋液可以作为液体肥应用，而生物质炭还田所带来的固碳减排、改善土壤、减少化肥使用和促进作物生长已得到大量的验证[52–55]。因此，秸秆热裂解不但可以获得清洁能源，还可以将养分归还土壤，具有巨大的减排潜力 (图5)，是秸秆利用的潜力途径。不过，也有学者指出，目前生物质炭产业化还面临着缺乏适合小规模的热裂解炭化设备、大规模设备仍需克服产能小效率低等问题，需要政府主导进行优化产业技术和支持生物质炭农业的推广应用[27]。

4 结论

本研究估算得出2014年江苏省秸秆资源总量约3973.61万t，可收集资源量为3062.24万t。水稻、小麦、玉米和大豆秸秆资源量及区域分布呈现不同的特征。秸秆资源量估算的不确定性主要来源于草谷比和可收集系数的变异性及本土适用性。秸秆还田、秸秆直燃发电和秸秆热裂解均可以带来显著的减排潜力，其中以秸秆热裂解最高，秸秆还田最低。不同的秸秆利用方式存在不同的局限性，作为农业生产环节的剩余物，秸秆的养分归还属性应当予以保证，而秸秆热裂解技术可以在保证养分循环的基础上获得清洁能源，是具有较大潜力的秸秆利用方式，如何发展适宜于中国农业实际的秸秆热裂解炭化产业是未来研究的重要方向。

参 考 文 献：

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