四川省秸秆资源肥料化与能源化利用潜力及生态足迹分析

陈炀，王丽霞，杨毅，王军英，孙鲁翔，杨孝广，邵蕾

（1.中国农业大学烟台研究院，山东烟台 264670；2.烟台市牟平区畜牧兽医站，山东烟台 264100）

伴随着现代农业规模化、集约化与产业化的发展，农业废弃物的产生量呈现快速增长态势［1］。2015年底，全国农作物秸秆可收集资源量达9亿t［2］。但由于我国秸秆资源分布零散、体积庞大且运输收集成本较高，导致秸秆出现过剩问题，农民在田间焚烧秸秆的现象屡禁不止［3］。2017年农业部制定了《开展果菜茶有机肥替代化肥行动方案》，提出要以果菜茶生产为重点，实施有机肥替代化肥，推进资源循环利用。我国农业部发布的《全国农村沼气发展“十三五”规划》中显示，2015年我国农作物可供沼气生产利用的秸秆资源量约1.8亿t，沼气生产潜力约为500亿m3。据韦茂贵等的研究，四川省年均秸秆产量为3 517.41万 t（2007—2009年），占全 国 的5.4%［4］。刘培川等［5］的研究指出，2015年全年四川省共发生14次秸秆大面积集中焚烧污染，共计48天，焚烧期间PM2.5平均浓度为77.5μg／m3，超过国家二级年平均标准浓度 （35μg／m3）1.2倍，秸秆焚烧对全省PM2.5贡献比例为3.11%。因此，判断四川省秸秆利用方式的合理性，促进秸秆的肥料化、能源化利用具有实际意义。本研究根据《四川统计年鉴2019》中农作物产量概算出各地级市秸秆资源量，并通过秸秆的养分含量系数和原料产气率估算作物秸秆肥料化及能源化利用潜力，结合能值理论，分析生态足迹特征，为秸秆肥料化、能源化综合利用及不同利用方式下秸秆生态足迹分析提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

《四川统计年鉴2019》显示，2018年四川省稻谷、小麦、玉米、豆类、薯类的产量之和占粮食作物总产量的98.89%，花生、油菜籽的产量之和占油料作物总产量的99.27%。因此本文选取这7种主要农作物（稻谷、小麦、玉米、豆类、薯类、花生、油菜籽）作为研究对象。

1.2 参数确定

1.2.1 秸秆资源量的计算 秸秆的资源量由作物经济产量乘以草谷比计算获得。草谷比是指作物田间秸秆产量与经济产量之比，即作物副产品与主产品产量之比。据王亚静等［6］的研究，由于秸秆在收集、储运等过程中会发生损耗，因此在计算秸秆可收集利用量时应引入可收集利用系数。秸秆可收集资源总量计算公式如下：

式中，Qn表示当年n种农作物田间秸秆可收集资源总量；Ai表示当年i作物的经济产量；ki表示i作物相应的草谷比，取值根据文献［7］、［8］；ci表示i作物相应的可收集系数，取值根据文献［9］、［10］。各种作物的可收集系数和草谷比见表1。

表1 各种农作物秸秆可收集系数和草谷比

1.2.2 秸秆肥料化利用 秸秆养分含量系数（干基）参考《中国有机肥料养分志》［11］（表2）。由作物经济产量乘以草谷比获得的秸秆可收集利用量为鲜基质量，计算养分含量时需根据秸秆的干物质含量将秸秆鲜基质量折算为干基质量［12］。

表2 秸秆干物质含量及养分含量系数（烘干基） （%）

1.2.3 秸秆能源化利用 秸秆产沼气潜力为秸秆干物质含量与原料产气率的乘积，原料产气率参考王艺鹏等［12］的研究结果（表3）。

表3 秸秆原料产气率及热值

1.2.4 秸秆生态足迹分析 基于能值理论，选取四川省秸秆量最大的3种农作物（稻谷、玉米、油菜籽）作为研究对象，将不同能量流通过能值转换率换算成太阳能值，利用能值密度将不同利用形式的太阳能值折算成对应的生物生产性土地面积，计算出研究区域内的生态足迹和生态承载力［13］。

秸秆能值依据其能量折算系数和太阳能值转换率计算得出，其计算公式如下：

式中，E为作物秸秆的能值（sej）；S表示作物秸秆的可收集量（t）；Cv为秸秆能量折算系数，即热值（J／t），本研究采用的不同作物秸秆热值（表3）见参考文献［8］；t为秸秆能值转换率，据程曼等［13］的研究，其值取 3.46×104sej／J。

四川省某种作物的秸秆人均生态承载力由下式计算得出：

式中，Ec表示四川省某种作物秸秆的人均生态承载力（hm2）；Ea为四川省人均消耗该种秸秆的能值（sej），由该种作物秸秆的能值除以四川省农业人口数量得出；ρ1表示全国该种作物秸秆的能值密度（sej／hm2）；Eb表示该种作物秸秆的能值（sej），s为全国该种作物的播种面积（hm2）。

四川省某种作物秸秆不同利用方式的人均生态足迹由下式计算得出：

式中，Ef为四川省某种作物秸秆不同利用方式的人均生态足迹（hm2）之和；i表示秸秆利用方式种类；ei为四川省第i种利用方式的人均秸秆能值（sej），由四川省人均消耗该种作物秸秆的能值（sej）乘以第i种利用方式所占的比例得出；ρ2为四川省该种农作物秸秆的能值密度（sej／hm2），由四川省该种农作物秸秆的能值（sej）除以播种面积（hm2）而得。

人均生态赤字／盈余由人均生态承载力减去人均生态足迹得出。

2 结果与分析

2.1 四川省各地级市（自治州）秸秆资源量以及肥料化和能源化利用潜力分析

2.1.1 秸秆资源量分析 2018年四川省7种主要农作物产生的秸秆总量为3 038.74万t（表4），其中稻谷、小麦、玉米、豆类、薯类、花生、油菜籽秸秆资源量分别占四川省秸秆总量的29.99%、6.95%、32.67%、3.40%、6.37%、2.27%、18.34%。21地市（自治州）中秸秆资源量前3位为南充市、达州市、绵阳市，分别为 282.66万、268.76万、248.31万 t，分别占四川省秸秆资源总量的9.30%、8.84%、8.17%；南充市小麦、玉米、花生秸秆资源量最大，分别为 20.91万、98.28万、11.45万t，分别占全省小麦、玉米、花生秸秆资源量的 9.90%、9.90%、16.57%；绵阳市油菜籽秸秆资源量最大，为68.64万t，占全省油菜籽秸秆资源量的12.32%。

表4 四川省各地市秸秆资源肥料化和能源化利用潜力

2.1.2 秸秆肥料化利用分析 为计算秸秆的肥料化利用经济效益，将作物秸秆中的氮、磷、钾折算成尿素（46-0-0）、过磷酸钙（0-12-0）、硫酸钾（0-0-50），按照尿素 1 600元／t、过磷酸钙1 000元／t、硫酸钾3 000元／t，计算秸秆还田可替代化肥的经济效益；并根据《NY525—2012有机肥料》中规定的有机质含量≥45%、水分含量≤30%来计算秸秆折算成有机肥的量。通过计算秸秆肥料化所替代的化肥和有机肥的量分析秸秆肥料化潜力。

四川省秸秆总氮（N）量、总磷（P2O5）量和总钾（K2O）量分别为25.83万、3.67万、41.28万 t，折算成尿素、过磷酸钙、硫酸钾的量分别为56.16万、30.57万、82.56万 t；有机质总量为 2 105.59万t，折算成有机肥的量为6 684.41万t；秸秆还田可减少化肥投入36.81亿元。秸秆中有机质折算成有机肥的量占前3位的是南充市、达州市和绵阳市，分别为 624.45万、586.81万、549.63万t，分别占四川省有机肥折算总量的 9.34%、8.78%、8.22%。达州市、南充市和绵阳市秸秆还田代替化肥的经济折算分别为3.41亿、3.37亿、2.84亿元，分别占四川省经济折算总量的9.26%、9.16%、7.72%（表4）。

2.1.3 秸秆沼气潜力分析 2018年四川全省沼气潜力总计132.53×108m3（表4）。根据每立方米沼气的燃烧值相当于0.71 kg标准煤测算［14］，相当于940.96万t标准煤。21地市中沼气潜力前3位为南充市、达州市、绵阳市，分别为12.39×108、11.55×108、10.90×108m3，分别占四川省沼气总潜力的 9.35%、8.72%、8.22%；阿坝藏族羌族自治州沼气潜力最小（0.56×108m3），占四川省沼气总潜力的0.42%。

2.2 秸秆人均生态足迹和生态承载力分析

据《四川省十三五秸秆综合利用规划（2016—2020年）》，2018年四川省秸秆资源主要用于秸秆还田、饲料化、能源化、基料化、原料化等几个方面，分别占秸秆资源总量的44.00%、17.20%、14.77%、5.20%、4.10%。不同利用方式下，3种秸秆的生态足迹均表现为秸秆还田＞饲料化＞能源化＞其它＞基料化＞原料化（表5）。3种秸秆类型中，稻谷秸秆的人均生态足迹和人均生态承载力均最大，分别为3.201×10-2、3.596×10-2hm2；稻谷、油菜籽秸秆产生生态盈余，分别为0.395×10-2、0.384×10-2hm2；玉米秸秆产生生态赤字，为-0.192×10-2hm2。

表5 四川省秸秆不同利用方式的生态足迹 （×10-2 hm2）

3 讨论与结论

3.1 秸秆肥料化利用潜力分析

2018 年四川省主要农作物秸秆可收集利用量总计 3 038.74万 t，折算成有机肥的量为6 684.41万 t，秸秆还田可减少化肥投入 36.81亿元。南充市、达州市和绵阳市秸秆折算有机肥的量和替代化肥的经济折算量均处于全省前3位。秸秆还田不仅可以减少化肥投入、提高土壤有机质含量，还可减少温室气体排放、降低环境污染［17］。四川省秸秆资源丰富，可通过规范秸秆机械化粉碎还田技术、加大对秸秆还田的补贴、完善农机配套、推进秸秆肥料商品化等措施来促进秸秆还田，实现秸秆资源的循环利用［18］。

3.2 秸秆能源化利用潜力分析

四川省2018年全年沼气潜力为132.53×108m3，相当于940.96万t标准煤。四川省农业人口为5 850.30万人，每人可获得沼气资源226.54 m3，相当于160.84 kg标准煤。四川省秸秆沼气潜力前3位分别为南充市、达州市、绵阳市。四川省可充分利用秸秆资源，以农村沼气转型升级为契机，科学开展规模化生物天然气工程建设［19］；应因地制宜，针对秸秆资源集中区域，可重点采用秸秆沼气集中供气工程的发展模式；对于秸秆分散的区域，可考虑重点发展秸秆基料化与气化相结合技术模式或者秸秆-沼气-农业基地等循环农业模式［20］。

3.3 生态足迹分析

四川省3种主要作物秸秆利用呈现生态盈余，人均总生态足迹为8.458×10-2hm2，人均总生态承载力为9.044×10-2hm2，人均总生态盈余为0.587×10-2hm2。这说明四川省主要作物秸秆的整体利用方式比较合理。3种作物秸秆类型中，玉米秸秆利用产生生态赤字，稻谷、油茶籽秸秆则均产生生态盈余。这说明四川省稻谷、油菜籽秸秆利用处于其生态系统的承载能力之内，存在一定程度的秸秆消纳空间；而玉米秸秆利用的生态足迹偏大，超出了其生态系统的生态承载力，说明玉米秸秆的利用方式存在一定程度上的不合理。当地应该整体加大玉米秸秆还田的比例，促进玉米秸秆肥料化、能源化利用，同时减少玉米秸秆的焚烧比例，从而使玉米秸秆利用产生生态盈余。各地级市需因地制宜，根据实际情况，合理安排“五料化”利用的优先时序，从而真正实现秸秆资源的高效循环利用［21］。