农业生物质能温室气体减排潜力

霍丽丽，赵立欣，姚宗路，罗 娟，张沛祯，谢 腾，贾吉秀，邓 云，魏欣宇

•农业生物环境与能源工程•

农业生物质能温室气体减排潜力

霍丽丽1,2，赵立欣1,2※，姚宗路1,2，罗 娟1,2，张沛祯1,2，谢 腾1,2，贾吉秀1,2，邓 云1,2，魏欣宇3

（1. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；2. 中国农业科学院农业农村碳达峰碳中和研究中心，北京 100081；3. 农业农村部农业生态与资源保护总站，北京 100125）

中国拥有丰富的农作物秸秆和畜禽粪污等农业废弃物资源。农业生物质能技术是促进农业废弃物资源有效利用的重要途径，既能够解决农业废弃物的环境污染问题、减少因焚烧或无序堆放排放温室气体，又能够替代化石能源减排CO2、提升土壤固碳能力，未来在“双碳”背景下发展潜力很大。该研究基于LCA全生命周期评价方法，研究8种不同生物质能技术的温室气体排放因子，核算农业生物质能转化与利用过程消耗能源的排放、抵扣化石能源减排、副产物土壤碳汇3个方面，并基于秸秆和畜禽粪污两大类农业废弃物资源禀赋及能源化利用潜力，预测3种不同情景下，农业生物质能替代化石能源的潜力，以及减排温室气体的贡献。结果表明，从减排因子看，热解炭气联产和规模化沼气/生物天然气技术的温室气体减排贡献最大。其次为成型燃料、捆烧供暖、生物质发电、炭化和燃料乙醇等技术，而户用沼气的减排贡献相对较小，8种不同生物质能技术的温室气体排放因子分别为-3.47、-3.20、-2.57、-2.63、-2.58、-2.48、-2.42 t/t（单位为标准CO2当量/标准煤当量）；基于现有政策及规划情景、技术水平提升情景、能源需求结构变化情景等3种不同情景下，评价农业生物质能对温室气体减排贡献潜力。结果显示，2030年农业生物质能替代化石能源潜力为6 490×104～7 664×104t，温室气体减排贡献为1.97×108～2.34×108t；2060年替代化石能源潜力为9 073×104～10 763×104t，温室气体减排贡献为2.79×108～3.36×108t。该研究为实现农业农村领域碳达峰碳中和目标提供数据支撑。

生物质；温室气体；减排潜力；农业废弃物；秸秆；畜禽粪污

0 引 言

农业生物质能技术是解决秸秆、畜禽粪污等废弃物资源利用的重要途径之一，能够有效减少农业面源污染及大气污染，促进农业和能源的可持续发展。生物质能开发是实施乡村振兴、污染防治、能源革命等国家重大战略的重要途径，是中国积极应对气候变化，实现碳达峰碳中和目标的重要手段[1-6]。《2020中国生物质发电产业发展报告》指出，生物质能在供热、交通领域的占比和影响力远大于其他可再生能源，预计将占到可再生能源消费增长量的30%[7]。

农业生物质能技术是可再生、可持续的零碳或负碳的能源技术，如秸秆捆烧、成型燃料、热解炭气联产等供暖技术的全生命周期过程温室气体排放仅为煤炭的1/10～1/7，能够显著减少CO2排放，可为中国农村能源转型提供可行的技术路径[8]。生物质热解多联产技术生产生物炭联产可燃气和电力，具有较好的经济性。其全生命周期过程为负碳排放，通过替代化石燃料及生物炭固碳的温室气体减排CO2当量（CO2e）总量最高可达136.45 g/MJ，可使2030年单位国内生产总值的碳排放量比2005年减少2%～61%[9]。秸秆沼气制备生物天然气技术在实现碳减排方面也有较好的潜力。以秸秆为原料的厌氧发酵生产生物天然气潜力823×108m3/a，通过替代天然气温室气体最大减排量1.97×108t/a，接近中国当前年温室气体总排放的2%[10]。相关研究表明，农业废弃物能源化利用对碳达峰碳中和具有重要贡献。

基于LCA全生命周期评价方法，研究成型燃料、秸秆捆烧供暖、户用沼气、规模化沼气/生物天然气、热解气化、炭化、生物质发电、燃料乙醇等8种不同农业生物质能技术的温室气体排放因子。分析农业生物质能温室气体排放现状，基于农业废弃物农用优先原则，即满足农业生产肥料化及饲料化利用的前提下，预测3种情景下农业生物质能规模，评价秸秆、畜禽粪污为原料的农业生物质能替代化石能源潜力及减排温室气体贡献，为实现农业农村领域碳达峰碳中和目标提供数据支撑。

1 评价方法

温室气体排放核算基于政府间气候变化专门委员会（IPCC）出版的《2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories》[11]建立的框架体系。温室气体包含CO2、CH4、N2O三类，参考《IPCC第四次评估报告》100年时间尺度下的全球增温潜势（GWP，Global Warming Potential）分别为1、21和310[12]。基于LCA全生命周期评价方法[13]，考虑生物质能加工转化与利用过程的能源消耗、生物质能替代化石能源以及生物质能加工转化与利用过程产生的副产物还田碳汇三方面的温室气体排放或减排量。生物质能加工转化与利用过程的化石能源（煤炭、石油、天然气等）、电力等消耗温室气体排放，基于前期研究建立的全生命周期过程评价模型进行测算[14]；生物质能替代化石能源，即在没有生物质能情况下的化石燃料使用的温室气体排放；副产物还田碳汇为有机碳还田固碳的碳汇。

1）农业生物质能温室气体减排量

式中GF为农业生物质能温室气体减排量，t（CO2当量，下文涉及温室气体同）；CF为替代化石能源温室气体减排量，t；HF为农业生物质能加工转化与利用过程温室气体排放量，t；CH为副产物还田碳汇减排量，t。

2）农业生物质能转化与利用过程温室气体排放

主要包括CO2、CH4、N2O三类排放源，CO2当量为3类温室气体排放量与增温潜力系数乘积之和。

3）副产物还田碳汇

4）替代化石能源温室气体减排量

2 排放因子与情景设定

2.1 边界设定

研究对象为以秸秆、畜禽粪污为主要原料的农业生物质能技术。生物质燃烧过程CO2的排放与生物质生长过程所吸收的相抵消，生物质能在燃烧利用过程中产生的CO2不计入温室气体排放中。农业生物质能的温室气体源主要包括农业废弃物能源转化与利用过程所消耗外部能源的排放、抵扣化石能源减排、副产物土壤碳汇等3个部分。排放源主要考虑从农业废弃物原料收储、加工转化到能源产品终端应用，以及副产物利用等全链条外部能源消耗的温室气体排放；替代化石能源主要考虑替代煤炭等化石能源的温室气体排放；副产物土壤碳汇主要是炭气联产、沼气等技术的副产物（如生物炭、沼渣沼液）还田固碳能力。本研究未考虑副产物堆肥还田腐解过程N2O排放，IPCC指南将其纳入土壤有机质分解N2O排放范畴。

2.2 排放因子

替代化石能源采用抵扣煤炭（折合标准煤，下文涉及化石燃料单位均以标准煤当量表示）的热量计算，基于原煤的CO2排放因子测算，单位热值含碳量为26.37 g/MJ，碳氧化率为0.94。基于《2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories》[11]，原煤的CO2排放系数为90.89 g/MJ，CH4和N2O排放量较小，忽略不计；1t标准煤单位热量为29 307.6MJ，折合2.663 7 t/t（单位为标准CO2当量/标准煤当量）排放。

农业生物质能技术主要包括成型燃料、捆烧供暖、户用沼气、规模化沼气/生物天然气、热解气化或炭化、生物质发电、燃料乙醇等。相关文献已分析不同技术温室气体排放量，但由于核算边界不统一、输入排放参数不一致等，导致其能源转化与利用过程的排放量差别较大。为统一核算数据，本研究基于全生命周期评价方法，采用前期研究建立的评价模型，评价不同农业生物质能利用技术的温室气体排放量[8,14]。生物质能源加工转化与利用过程考虑了从农业废弃物的收储运、能源加工转化和利用，以及副产物堆肥还田全生命周期阶段直接使用的能源（煤炭、石油、电力等）开采与生产过程的温室气体排放。研究未考虑土地利用变化，作物种植、畜禽养殖过程的能耗、能源转化，利用的厂房建设与设备加工制造的能耗，供暖供气管网和用户用能设施加工及安装的能耗，以及用户使用损失的能量。基于2019年已有工程的应用规模和技术水平测算，不同农业生物质能利用技术的温室气体排放因子有差异，成型燃料、捆烧供暖、炭化燃料、生物质发电、燃料乙醇、沼气/生物天然气、热解炭气联产技术的能源转化与利用过程的温室气体排放量分别为6.19、2.86、8.52 、2.98、9.00、9.49和10.0 g/MJ。此外，由于规模化沼气/生物天然气和热解炭气联产的副产物沼渣沼液、生物炭具有还田固碳能力，2项技术的温室气体减排潜力相比其他技术优势明显。不同技术的温室气体排放因子详见表 1[1.8-11,14-16]。

2.3 情景设定

情景一为基于现有政策及规划情景。基于农业生物质能资源现状与潜力，以及2015—2019年生物质能增速及有关政策及规划，分析预测未来农业生物质能的规模潜力，生物质能规模增加到农业废弃物能源化利用潜力的最大值，且后续保持规模稳定。

情景二在情景一的基础上，考虑了技术水平提升的情景。在2015—2019年生物质能增速及有关政策和规划基础上，各类生物质能技术水平也将提升。随着生物质能规模化利用，成型燃料/捆烧供暖的能源转化效率将进一步提升[17-21]，沼气/生物天然气将从低浓度厌氧发酵向高浓度或干法发酵转变[22-24]，生物质发电将从直燃发电向热电联产转变[25]，热解气化将从传统低值气化向高值燃气或炭气联产转变[26-28]，燃料乙醇将从淀粉糖类乙醇向纤维素乙醇转变[29-32]。研究假设从原料收储、能源加工转化与应用全链条的净能量转化率2025年提升3%～6%，2030年提升5%～10%，2060年提升10%～20%。

情景三在情景二基础上，考虑了能源需求结构变化的情景。考虑了生物质能技术水平提升，同时基于不同生物质能技术成熟度，考虑了在碳达峰碳中和目标下未来能源结构的需求，生物质能技术仍然呈现多元化发展，在非电领域应用将进一步增强，将从传统的固体燃料向清洁燃气和液体燃料转变。

表1 农业生物质能技术的温室气体排放因子

3 农业生物质能利用现状与潜力

3.1 农业废弃物资源现状与潜力

3.1.1 农作物秸秆

农作物秸秆资源统计范围包含早稻、中稻和一季晚稻、双季晚稻、小麦、玉米、马铃薯、甘薯、花生、油菜籽、大豆、棉花、木薯、甘蔗等13个种类。据农业农村部门统计，2015—2019年，全国农作物秸秆理论资源量约8.05×108～10.43×108t（风干，含水率为15%）。其中，能源化利用1.03×108～1.15×108t。据中国统计年鉴数据显示，中国耕地总面积基本稳定在1.20×108hm2以上，粮食播种面积稳定在1.1×108hm2以上，棉花、油料、糖料等播种面积约0.178×108hm2。根据中国“十四五”规划和2035年远景目标纲要，“十四五”期间，为保障粮食安全，粮食产量要实现稳中有增，年产量稳定在6 500×108kg以上。根据现有农业相关规划和政策，未来中国秸秆资源总量也将基本保持稳定，假设未来秸秆产生量按9.0×108t计。基于已有研究预测的“五料化”利用量，秸秆能源化利用潜力约1.20×108t[33]。本研究基于此结论，假设未来秸秆能源化利用量1.20×108t，并保持稳定不变。2015—2060年，全国秸秆能源化利用量变化如图1所示。

2015—2019年，秸秆综合利用率从2015年的80.1%增加到2019年的86.7%[34]，年均增速1.65%。“十四五”期间，国家将进一步加大对秸秆综合利用的资金投入，持续提升秸秆综合利用水平，预计秸秆综合利用率将保持稳定增加。2015—2019年以秸秆为原料的农业生物质能的增速约为15%，根据该增速，到2028年可实现秸秆清洁能源化利用水平达到1.20×108t。

3.1.2 畜禽粪污

根据第二次全国污染普查获得的产排污系数测算[35]，2015年中国主要畜禽的畜禽粪尿产生量约为17.1×108t，其中生猪、奶牛、肉牛、蛋鸡、肉鸡和羊的粪尿产生量分别为6.32×108、1.84×108、4.90×108、0.91×108、1.77×108和1.36×108t。

基于中国农业科学院农业经济与发展研究所与国际食物政策研究所（IFPRI）共同开发的中国农业产业模型（China Agriculture Sector Model，CASM），预测畜禽农产品增长率变化趋势，中国畜产品总产量在2020—2060年呈增加趋势。其中，猪肉年均产量增长0.9%，牛肉、羊肉和禽肉均为1.1%，禽蛋、奶和水产品分别为0.5%、1.5%和0.7%。据此预测，中国畜禽粪污资源量到2025年可达17.91×108t，2030年18.94×108t，2060年22.16×108t。

2015—2019年，畜禽粪污利用率从60%增加到75%，能源化利用量约4 000×104～5 000×104t。根据《国务院办公厅关于促进畜牧业高质量发展的意见》（国办发〔2020〕31号）发展目标，到2025年畜禽粪污利用率可超过80%。基于畜禽养殖规模、农业面源污染防治、种养循环利用及生物天然气发展等相关政策措施预测，到2025年，畜禽粪污能源化利用量约为1.1×108t，占总资源量约6.1%；到2030年畜禽粪污能源化利用量2.12×108t，占总资源量约11.2%；到2060年畜禽粪污能源化利用量为3.27×108t，占总资源量约15.3%。畜禽粪污能源化利用量变化如图1所示。

3.2 农业生物质能利用现状

农业生物质能清洁利用技术主要包括成型燃料、捆烧供暖、沼气、热解气化、炭化、生物质发电、燃料乙醇等。以上各类技术利用现状见表2，数据来源于中国统计年鉴、农业农村部秸秆资源数据和畜禽粪污产排污系数，以及中国农业科学院农业经济与发展研究所作物种植及畜禽养殖等农产品产量数据预测。成型燃料、生物质发电的产业规模仅为以秸秆等农业废弃物为原料，不含林业剩余物为原料规模；规模化沼气/生物天然气按沼气量计，1 m3生物天然气折合1.69 m3沼气；燃料乙醇包含以木薯、甜高粱等能源作物及秸秆纤维素为主要原料生产的燃料乙醇，不含陈化粮原料。成型燃料、捆烧供暖、规模化沼气/生物天然气、炭化燃料数据来源于农业农村部门全国农村可再生能源统计，生物质发电、燃料乙醇数据来源于国家能源部门公开报道数据。此外，中国农村地区仍有大量的秸秆直接作为家庭生活能源使用，是传统的农村能源利用方式之一。农业生物质能产业规模现状，如图2所示。自2012年以来，农业生物质能产业规模总量呈现先减少后逐渐增加趋势，折合能源量从2012年的1 563×104t增加到2019年的1 780×104t，增加比例约14%。

表2 农业生物质能利用现状

与2012年比，2019年农业生物质能规模总量增加不大，但能源结构发生较大变化，从农村户用向规模化应用转变，户用规模显著减少，规模化应用逐渐增加。大型沼气/生物天然气、生物质发电和成型燃料利用规模显著增长，户用沼气、中小型沼气工程，以及传统热解气化工程逐渐减少。以农业废弃物为原料的规模化沼气/生物天然气使用量占农业生物质能源的比例，从2012年的4.6%增加到2019年的7.5%，生物质成型燃料能源占比从6.7%增加到17.8%，生物质发电占比从3.7%增加到10.2%。燃料乙醇、秸秆炭化等技术应用规模略有增加，而户用沼气能源占比从43.6%降低到16.0%。

生物质成型燃料技术在2007年建成了第一个自动化生产示范工程，随后在各地逐步推开，近年来，成型燃料产量显著增长，从2010年约300×104t提高到2019年的1 095×104t。截至2019年底，中国秸秆成型燃料加工点共2 360处，产品主要用于中小型锅炉供热、发电和村镇炊事取暖用能等。

近年来秸秆捆烧直燃供暖技术应用逐渐增加。截至2019年，辽宁、黑龙江、河北、山西、吉林等省建成秸秆捆烧供暖试点178处，供暖户数7.89×104户，供暖面积701.95×104m2，为乡镇机关单位、农村社区、学校、相关企业等实现了集中供暖。

沼气技术不断进步。据农业农村部门统计，2019年，户用沼气池数量3 380.27×104户；以农业废弃物为主要原料的沼气工程10.265×104处，总池容2 197.81×104m3，供气户数917.21×104户，装机容量341 476.8 kW。其中，生物天然气工程44处，池容104.67×104m3，年产生物天然气19 649.44×104m3，进管网2 894.14×104m3，进加气站5 755×104m3。沼气工程消耗的原料以畜禽粪污和秸秆为主。其中，畜禽粪污原料使用量最高，约为1.74×108t；秸秆原料使用量约为779×104t；其他有机废弃物使用量约为562×104t。

中国生物质热解气化技术始于20世纪80年代初期，近年来技术水平不断提升并逐渐显现出优势，热解气热值比传统气化燃气高4～5倍，生物炭还可以还田固碳、改善土壤质量。2019年，国内热解气化集中供气工程376处，运行数量196处，供气户数1.85×104户；热解炭化工程91处，年产生物炭34.28×104t。

生物质发电以直燃发电为主，主要包括农林生物质发电，垃圾焚烧发电和沼气发电。2019年，中国生物质发电累计装机2 408×104kW，其中农林生物质发电装机容量为1 107×104kW，占发电装机总容量的46%，发电量约427.7×108kWh，约占生物质发电总量的38.5%。农林生物质发电中以秸秆等农业废弃物为原料的发电量约占一半。

燃料乙醇生产主要以淀粉、糖类转化乙醇为主。2019年，中国燃料乙醇年产能270×104t，以玉米、小麦等陈化粮为主，少量以木薯、甜高粱等非粮作物为原料。以秸秆等纤维素类原料生产燃料乙醇尚处于示范推广阶段，示范规模年产约5×104t。目前，以木薯、甜高粱、秸秆等为原料生产燃料乙醇占比约为20%。

3.3 农业生物质能利用潜力

为预测未来农业生物质能利用潜力及温室气体减排贡献，基于现有生物质能增速与激励政策、技术进步以及能源结构变化等不同因素，分别分析了3种情景下的不同技术类型的农业生物质能规模。

情景一，基于2015—2019年生物质能增速及现有政策或规划进行预测。成型燃料、捆烧供暖，以及直燃发电技术规模化应用，基于秸秆综合利用及生物质发电项目建设方案等现行相关激励政策，按照到2028年秸秆清洁能源化利用水平达到1.20×108t的年均增速计算，预计到2025年成型燃料和捆烧供暖用量将达到1 501×104t，农业生物质发电量将达到541.5×108kWh；基于秸秆资源量限制，到2030年成型燃料和捆烧供暖规模将达到1 810×104t左右，农业生物质发电将达到600.0×108kWh左右。

沼气技术正在逐步向生物天然气、沼气发电等特大型工程及大型沼气工程应用转变，户用沼气量逐步萎缩，年均减少18.2%。根据中国不同区域气候特征、养殖习惯、户用沼气适宜性及使用寿命，西南地区户用沼气仍有一定存量，其他地区户用沼气量将进一步下降，预计到2025年户用沼气产量将减少到17×108m3，到2030年将减少到6×108m3。根据《关于促进生物天然气产业化发展的指导意见》（发改能源规〔2019〕1895号）规划，到2025年生物天然气产量将达到100×108m3，到2030年将达到200×108m3。基于沼气发电上网相关激励政策下，沼气发电年均增长速度为72.6%，近日国家发展改革委等三部门联合发布《2021年生物质发电项目建设工作方案》，安排农林生物质发电及沼气发电竞争配置项目补贴资金3亿元，预计沼气发电规模将持续增长。基于现有增长速度测算，到2025年用于发电的沼气量将达到143×108m3，到2030年将达到286×108m3。中国沼气生产主要以畜禽粪污、农作物秸秆为主要原料，极少部分采用其他有机废弃物为原料。因此，本研究未考虑其他有机废弃物为原料的沼气规模。根据现有规模预测，基于秸秆和畜禽粪污的可利用资源量，测算未来规模化沼气/生物天然气工程年均增长比例约5%。预计到2025年沼气量将达到332×108m3，到2030年将达到650×108m3。

生物质热解气化技术逐渐从单项产品技术转向炭气联产技术，转化效率和产品质量得到显著提升。2018年相关部门出台了《关于开展秸秆气化清洁能源利用工程建设的指导意见》，一定程度上激励产业规模逐步扩大。2019年热解气化工程产气量约15×104m3，比2015年增加约15%，年均增速约6.1%。根据该增长速度测算，预计到2025年热解气产量将达到22×104m3，到2030年将达到30×104m3。

燃料乙醇目前主要以陈化粮为原料，少部分采用木薯、甜高粱等原料。2017年多部委联合印发的《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》指出，到2025年，力争纤维素乙醇实现规模化生产，先进生物液体燃料技术、装备和产业整体达到国际领先水平，形成更加完善的市场化运行机制。近年来，中国燃料乙醇产量逐步增加，年均增速为7.1%。根据现有规模和增速测算，预计到2025年产量将达到419×104t，到2030年将达到591×104t。若以秸秆等农业废弃物和木薯、甜高粱为原料的非粮燃料乙醇占比20%，且假设燃料乙醇增量均以秸秆为原料，到2025年和2030年燃料乙醇产量分别达到83.8×104t和118.2×104t。

2060年规模预测，基于根据农业废弃物可利用资源情况，假设2060年农业废弃物资源基本实现全量利用，基于2030年规模按线性比例增加，直至农业废弃物能源化利用达到预测量。以秸秆为原料的生物质能利用量将保持在约1.20×108t，以畜禽粪污为原料生物质能原料利用的增长率约54%，畜禽粪污能源化利用量从2030年的2.12×108t增加到2060年的3.27×108t。2060年，成型燃料/捆烧供暖规模约1 800×104t，沼气/生物天然气规模将增加到1 000×108m3，热解气化/炭气联产技术达35×104m3，生物质发电690×108kWh，燃料乙醇136×104t。

情景一，替代化石能源潜力预测，2025年为4 055×104t，2030年为6 490×104t，2060年为9 073×104t；比2015年分别增加2 575×104、5 010×104和7 594×104t。

情景二，基于情景一的技术水平提升情景下，通过秸秆、粪污等原料的存储质量与效率提升、收储过程能耗减少、能源加工转化及利用效率提高等途径，生物质能的净能量转化率将不断增加，基于现有技术水平及前沿技术进展，设定了不同技术在不同阶段的净能量转化率增量，详见表3。情景二替代化石能源潜力预测，2025、2030和2060年农业生物质能源替代化石能源潜力分别为4 097×104、6 895×104和10 551×104t；比2015年分别增加2 617×104、5 415×104和9 071×104t。

情景三，能源结构变化情景下，结合“双碳”目标，预测生物质能将逐步向气体燃料、液体燃料转化应用。情景三替代化石能源潜力预测，2025、2030和2060年农业生物质能源替代化石能源潜力分别为4 240×104、7 664×104和10 763×104t；比2015年分别增加2 760×104、6 184×104、9 284×104t。

3种情景下替代标煤量如图3所示。3种情景下的各类农业生物质能规模详见表4。2019年，全国能源消费总量为48.7×108t36]，预计2030年将达到60×108t[37]。2019年农业生物质能约占全国能源消费总量的0.36%，预计到2030年占比将达到1.1%～1.3%。

表3 农业生物质能技术净能量转化率增量[8,14,16-30]

图3 农业生物质能替代化石能源潜力

2019年，农业生物质能中固体类燃料用于热能或电力的比例约为44%、气体燃料为53%、液体燃料为3%。未来基于情景一预测，2030年农业生物质能中固体类燃料用于热能或电力约占24%、气体燃料占74%、液体燃料占2%。到2060年，固体类燃料用于热能或电力约占19%、气体燃料占80%、液体燃料占1%。基于情景三预测，2030年生物质能源结构规模分别为固体类燃料用于热能或电力约占19%、气体燃料占79%、液体燃料占2%。到2060年，固体燃料占比将显著降低，能源结构比例固体类燃料转化热能或电力约11%、气体燃料占87%、液体燃料占2%。如图4所示。

表4 不同情景下农业生物质能规模预测

未来生物质能中沼气/生物天然气、热解气等清洁燃气类产品将占主导地位。基于情景三预测2025年、2030年、2060年清洁燃气分别为2 634×104、5 826×104、8 968×104t，分别是2015年的2.5、5.6、8.6倍。生物质发电规模显著增加，2025年、2030年、2060年分别为685.5×104、774.3×104、932.8×104t，分别是2015年的4.2、4.7、5.7倍。燃料乙醇规模显著增加，2025年、2030年、2060年分别为82×104、152×104、171×104t，分别是2015年的2.1、3.8、4.3倍。固体类燃料呈先增后减的趋势，2025年、2030年、2060年分别为695.6×104、692×104、287×104t，分别是2015年的3.0、3.0、1.2倍。

4 农业生物质能温室气体减排贡献

如图5所示，情景一替代化石能源减排温室气体潜力预测，2025、2030和2060年替代化石能源CO2减排量分别为1.19×108、1.96×108和2.79×108t，比2015年减排量增加1 470×104、8 105×104和14 885×104t。情景二替代化石能源减排温室气体潜力预测，2025、2030和2060年替代化石能源CO2减排量分别为1.20×108、2.09×108和3.25×108t，比2015年减排量增加1 577×104、9 348×104和19 489×104t。情景三替代化石能源减排温室气体潜力预测，2025、2030和2060年替代化石能源CO2减排量分别为1.25×108、2.34×108和3.35×108t。比2015年减排量增加2 034×104、11 660×104和20 551×104t。

基于情景三农业生物质能规模，到2030年生物质能温室气体减排总量2.34×108t。其中，沼气/生物天然气、热解气等生物质类燃气温室气体减排量为1.93×108t，生物质发电温室气体减排量为0.20×108t，成型燃料/捆烧供暖的温室气体减排量为0.18×108t，燃料乙醇温室气体减排量为0.03×108t。到2060年生物质能温室气体减排量为3.35×108t，其中，沼气/生物天然气、热解气等生物质类燃气的温室气体减排量为3.0×108t，生物质发电温室气体减排量为0.24×108t，成型燃料/捆烧供暖的温室气体减排量为0.07×108t，燃料乙醇温室气体减排量为0.04×108t。

三种情景比较可知，情景三的温室气体减排量2025、2030、2060年分别比情景一增加4.7%、19.2%和20.3%，比情景二增加3.5%、11.2%和2.0%，可见，技术水平提升对农业生物质能替代化石能源及温室气体减排具有重要作用。预测2030年农作物秸秆能源化利用的资源潜力为1.2×108t，约占秸秆资源总量的13.3%。

国内外相关研究多为单项技术应用的减排潜力研究[1,6,8,10]，本研究综合评价了不同农业生物质能技术规模和减排固碳潜力，较为科学保守的预测了农业生物质能发展潜力，可为中国可再生能源发展提供一定的支撑依据。

2019年中国CO2排放总量为98.26×108t[38]，农业生物质能替代化石能源可减排约0.5%的CO2当量。预计到2030年中国温室气体排放总量为160×108～180×108tCO2e[39-40]，农业生物质能替代化石能源可减排约1.8%～2.0%的CO2当量。

5 结 论

1）农业生物质能既能作为清洁可再生能源替代化石燃料推动能源碳强度下降，又能通过副产物还田利用形成土壤碳汇实现负碳排放，减排固碳潜力巨大。对8种不同的农业生物质能技术的温室气体排放因子进行测算得出，热解炭气联产、沼气生物天然气的温室气体减排贡献最大，其次是成型燃料、捆烧供暖、生物质发电、炭化及燃料乙醇等技术，最后是户用沼气技术。沼气/生物天然气和热解气化技术的温室气体减排量分别为3.47和3.20 t/t。成型燃料、捆烧供暖、生物质发电、燃料乙醇技术的温室气体减排量分别为2.57、2.63、2.58、2.48、2.42 t/t。户用沼气的温室气体减排量为1.95 t/t。

2）通过设定的3种不同情景下，农业生物质能对减排温室气体贡献潜力较大，2030年农业生物质能替代化石能源的潜力为6 490×104～7 664×104t，温室气体减排贡献为1.97×108～2.34×108t；2060年替代化石能源的潜力为9 073×104～10 763×104t，温室气体减排贡献为2.79×108～3.36×108t。

3）研究基于农业废弃物农用优先原则，较为保守地预测了农业废弃物能源化利用潜力。预测2030年农作物秸秆能源化利用的资源潜力为1.2×108t，约占秸秆资源总量的13.3%；畜禽粪污能源化利用的资源潜力为2.12×108t，约占畜禽粪污资源总量的11.2%；到2060年，农作物秸秆资源能源化利用潜力将稳定不变，畜禽粪污能源化利用量增加到3.27×108t，约占畜禽粪污资源总量的15.3%。

4）研究不足之处在于，农业生物质能的原料范畴仅考虑了13类农作物的秸秆资源量和主要畜禽品种的粪污资源量，未考虑杂粮、麻类、糖料、烟叶以及香蕉等其他秸秆，未考虑蔬菜尾菜、果树剪枝，以及稻壳、花生壳、玉米芯等农业生产与加工过程的剩余物资源量；同时，农业生物质能规模未考虑边际土地能源作物的生产潜力。因此，农业废弃物资源仍有较大的生物质能利用空间，农业生物质能蕴含巨大的替代化石能源潜力以及温室气体减排潜力。另外，下一步仍需对潜力评价结果的不确定性进一步分析。

【致谢】感谢中国农业科学院农业经济与发展研究所张玉梅研究员在作物种植及畜禽养殖等农产品产量数据预测方面给予的支持；感谢农业农村部门在秸秆资源与利用现状数据、以及畜禽粪污产排污系数等方面给予的支持。

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Potentiality of agricultural biomass energy for greenhouse gas emission reduction

Huo Lili1,2, Zhao Lixin1,2※, Yao Zonglu1,2, Luo Juan1,2, Zhang Peizhen1,2, Xie Teng1,2, Jia Jixiu1,2, Deng Yun1,2, Wei Xinyu3

(1.100081,100081,100125,

Agricultural wastes are cost-effective, renewable, and abundant in China, such as crop straw and livestock manure. Biomass energy technologies can be widely utilized for the effective disposal of agricultural waste resources. The environmental pollution of agricultural wastes can be reduced by the emission of greenhouse gas (GHG), due to the traditiopnal incineration or disorderly stacking. It is also likely to replace fossil energy for much fewer CO2emissions during soil carbon sequestration in the future. In this study, a systematic evaluation was made for the potential reduction in the GHG from the agriculture biomass energy, according to the “2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories” and the Life Cycle Assessment (LCA). The GHG emission factors were also calculated in the eight biomass energy technologies from the three scenarios, including the energy consumption emissions during the conversion and utilization of agricultural biomass energy, the deduction of fossil energy emissions reduction, and the carbon sinks of by-products to the soil. The potential of agricultural biomass energy to replace fossil energy and the contribution of GHG emission reduction were then predicted under three scenarios using the resource endowment and energy utilization of straw and livestock manure. The results showed that the largest contributions of GHG reduction were achieved by the pyrolysis of carbon gas for cogeneration, and large-scale biogas/biogas, followed by the molding fuels, bundle heating, biomass power generation, carbonization, and fuel ethanol. There was only a relatively small contribution of household biogas to the emissions reduction. The contributions of GHG emission reduction were 3.47, 3.20, 2.57, 2.63, 2.58, 2.48, and 2.42 t/t for the eight technologies of biomass energy, respectively. The potential of agricultural biomass energy to the reduction of GHG emissions was evaluated under three scenarios, including the existing policies and planning, technological improvement, as well as the energy demand structure. It was found that the potential to replace fossil energy in 2030 and 2060 were 6 490×104-7 664×104t and 9 073×104-10 763×104t, respectively, where the contributions of GHG emission reduction were 1.97×108-2.34×108t and 2.79×108-3.35×108t, respectively. Based on the principle of agricultural waste priority, the energy utilization potential of agricultural waste was predicted conservatively. It is predicted that the energy utilization potential of crop straw in 2030 will be 1.2×108t, accounting for 13.3% of the total straw resources. The resource potential of energy utilization of livestock manure was 2.12×108t, accounting for 11.2% of the total resources of livestock manure. By 2060, the energy utilization potential of crop straw resources will remain stable, and the energy utilization amount of livestock manure will increase to 3.27×108t, accounting for about 15.3% of the total livestock manure. Agricultural biomass energy can not only replace fossil fuels as a clean and renewable energy, promote the reduction of energy carbon intensity, but also through the return of by-products to the field, improve soil carbon sink, achieve negative carbon emissions, GHG emission reduction potential is huge. The research provides data support for achieving the goals of carbon peak and carbon neutral in agriculture and rural areas.

biomass; GHG; emission reduction potential; agricultural waste; straw; livestock manure

霍丽丽，赵立欣，姚宗路，等. 农业生物质能温室气体减排潜力 [J]. 农业工程学报，2021，37(22)：179-187.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.020 http://www.tcsae.org

Huo Lili, Zhao Lixin, Yao Zonglu, et al. Potentiality of agricultural biomass energy for greenhouse gas emission reduction[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(22): 179-187. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.020 http://www.tcsae.org

2021-08-30

2021-10-01

中国农业科学院科技创新工程；财政部和农业农村部：国家现代农业产业技术体系资助（CARS-02）

霍丽丽，博士，高级工程师，研究方向为农业废弃物能源化利用。 Email：huolili666@126.com

赵立欣，研究员，研究方向为农业废弃物清洁利用技术。Email：zhaolixin5092@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.020

X712，TK6

A

1002-6819(2021)-22-0179-09