秸秆综合利用减排固碳贡献与潜力研究

霍丽丽 姚宗路 赵立欣 罗 娟 张沛祯

(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)

0 引言

中国农作物秸秆资源量大面广，据农业农村部统计，2020年全国秸秆资源总量8.56×108t，可收集资源量7.22×108t，秸秆综合利用率达到87.6%，但仍有约8.9×107t秸秆未被有效利用，露天禁烧防控压力大[1-2]。推进秸秆综合利用，能够显著减少秸秆露天焚烧和随意堆弃产生的温室气体(GHG)排放，是耕地质量提升、农业农村污染治理的重要内容，有利于提升农田土壤碳汇、替代化石能源，是促进农业农村减排固碳、实现农业绿色低碳发展、建设生态宜居乡村的重要举措。

中国力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和[3]，农业农村减排固碳既是碳达峰、碳中和的重要举措，也是潜力所在。2014年中国农业温室气体排放总量约为8.3×108tCO2e(CO2当量，下同)，占全国的7%左右，如果加上农业生产用能和生活用能的排放，中国农业农村温室气体排放量占全国温室气体排放量的15%左右[4-6]。农业农村领域的非二氧化碳温室气体排放占比高，农业活动CH4排放约占全国的43%、N2O排放约占60%[4]。

秸秆综合利用包括肥料、饲料、燃料、基料和原料等五料化利用，秸秆利用与农业生产、农村生活紧密联结，可有效提升农业农村减排固碳的能力，能够为农业种植、畜牧养殖提供肥料与饲料，直接或间接还田可提高土壤固碳能力，增加土壤碳汇；能够生产成型燃料、沼气/生物天然气等燃料化利用，为农村生活取暖炊事提供燃料，替代生产生活使用的煤炭等化石能源，减少温室气体排放；还能够为菌菇生产提供基料，以及为造纸、板材等提供原料，从而减少林木砍伐，提高森林碳汇。因此，秸秆综合利用对农业农村减排固碳贡献潜力和空间较大，需要深入挖掘、充分利用。目前，秸秆综合利用仍存在温室气体排放基数不明、底数不清等问题，为科学评价秸秆综合利用的减排固碳底数及未来潜力，本文研究基于IPCC指南(2006年)温室气体排放核算理论框架，构建秸秆综合利用减排固碳评价方法，明确边界设定、核算不同技术的排放因子，研究秸秆综合利用减排固碳贡献，并根据秸秆利用潜力、设定不同情景，分析预测秸秆减排固碳潜力，为加强秸秆科学利用、促进农业减排固碳提供技术支撑。

1 评价方法

1.1 评价范围

根据IPCC指南(2006年)，秸秆综合利用过程其自身的CO2排放不计入温室气体排放核算中，认为其利用释放的CO2与作物生长吸收的CO2形成循环[7]。秸秆综合利用的温室气体排放源主要包括秸秆从农作物收获后还田，离田收储运、加工转化与利用以及副产物还田等全过程的温室气体排放。采用全生命周期评价方法核算温室气体排放量[8]，忽略农作物生长过程各类能源及化学品投入的温室气体排放，研究主要考虑了农作物收获后，秸秆还田、离田利用全过程的煤炭、燃油、电力等化石燃料消耗的排放，未考虑土地利用变化、作物种植、还田和收储运过程所用设备加工制造能耗、转化及利用的厂房建设与设备加工制造能耗、秸秆利用设施加工及安装能耗等[9-11]。秸秆综合利用的温室气体减排源主要包括秸秆直接或间接还田农田土壤碳汇、秸秆利用减少林木砍伐的森林碳汇，以及秸秆直接或间接能源利用抵扣化石能源的CO2减排。此外，研究还考虑了秸秆露天焚烧过程CH4、N2O、NOx和CO等直接和间接温室气体排放，以及秸秆露天堆放自然腐解的CH4和N2O温室气体排放。

1.2 边界设定

秸秆综合利用的核算边界包括肥料(含根茬还田)、饲料、燃料、基料和原料等五料化利用的秸秆，以及露天焚烧、堆放自然腐解等未被有效利用的秸秆。秸秆资源量与利用现状数据来源于农业农村部门相关统计数据，秸秆种类主要包括早稻、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种。秸秆五料化利用温室气体核算边界如表1所示。

表1 秸秆五料化利用温室气体核算边界Tab.1 Accounting boundary range of GHG emissions from straw utilization

秸秆肥料化利用温室气体核算包含秸秆还田过程的农机燃料消耗温室气体排放，以及秸秆还田有机碳固碳的土壤碳汇，未核算秸秆还田腐解过程的N2O排放。

秸秆饲料化利用温室气体核算包括秸秆收储运与加工饲料过程、畜禽粪污堆肥与还田过程等消耗的化石燃料的排放，以及秸秆消化后间接还田的土壤碳汇。土壤碳汇参考秸秆直接还田测算方法，未核算畜禽粪污还田腐解过程的N2O排放。研究暂不考虑反刍动物饲养过程肠道发酵产生的CH4排放以及粪便收储运管理过程中产生的CH4与N2O排放，根据IPCC指南(2006年)将其纳入畜牧养殖和粪便管理的排放核算中。

秸秆燃料化利用温室气体核算的排放源从秸秆收储、加工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产生的温室气体排放；抵扣化石能源减排主要是替代煤炭等化石能源的温室气体CO2当量(包括CO2、CH4、N2O等)；副产物土壤碳汇主要包括秸秆炭气联产、秸秆沼气等技术的副产物(如生物炭、沼渣沼液)还田的土壤固碳。未核算副产物还田腐解过程的N2O排放。

秸秆基料化利用温室气体核算的排放源主要包括秸秆收储、加工与利用以及副产物利用(废菌棒堆肥还田)全过程的外部能源消耗的温室气体排放；碳汇源包括通过生产食用菌基质减少采伐林木增加森林碳汇，以及废菌棒堆肥还田的土壤碳汇。未核算废菌棒还田腐解过程的N2O排放。

秸秆原料化利用温室气体核算的排放源主要包括秸秆收储、加工与利用以及废旧人造板材和废纸张回收利用全链条过程的外部能源消耗的温室气体排放；碳汇源包括通过秸秆生产板材和纸张减少采伐林木增加森林碳汇，以及废旧人造板材和废纸张能源利用抵扣的化石能源排放。

秸秆露天焚烧温室气体排放主要包括CH4、N2O等直接排放源和CO、NOx等间接排放源。IPCC指南(2006年)第7章前体物与间接排放中描述了CO、NOx排放最终会在大气中被转化成CO2或N2O，可将NO和NO2折合为N2O，将CO折合为CO2核算温室气体排放。秸秆自然堆放温室气体排放主要是秸秆在微生物作用下腐解过程释放的CH4和N2O。

1.3 核算方法

秸秆综合利用评价的温室气体主要包括CO2、CH4、N2O 3类，为统一衡量温室气体排放，采用全球增温潜势将温室气体换算成CO2当量计算，参考《IPCC第五次评估报告》中温室气体的100年时间尺度下的全球增温潜势，CO2、CH4、N2O的全球增温潜势(GWP)分别为1、28和265[4]。

秸秆利用温室气体排放量计算公式为

EGHG,ft=∑(FC，ftEFGHG,ft)+SBGGHG,ef+STHGHG,ef

(1)

其中

EFGHG,ft=HFGHG,ft-CS,Farm-CS,Forest-AE,Fossil

(2)

HFGHG,ft=∑[HEiλj(WjCO2+GCH4WjCH4+GN2OWjN2O)]

(3)

CS，Farm=44Corg,k(1-λk)ηk/12

(4)

CS，Forest=44Corg,kY/12

(5)

AE，Fossil=Emτ

(6)

式中EGHG,ft——秸秆利用全过程的温室气体(GHG)排放量，t

FC，ft——每种技术的秸秆利用量，t

EFGHG,ft——每种技术的秸秆利用GHG排放因子

SB——秸秆露天焚烧量，t

GGHG,ef——秸秆露天焚烧GHG排放因子

ST——秸秆自然堆放量，t

HGHG,ef——秸秆自然堆放GHG排放因子

HFGHG,ft——单位秸秆从作物收获后还田，离田收储运输、加工转化与利用以及副产物还田等全过程的GHG排放量，t

CS,Farm——单位秸秆直接或间接还田农田土壤碳汇量，t

CS,Forest——单位秸秆利用过程中减少林木砍伐的森林碳汇量，t

AE,Fossil——单位秸秆燃料利用抵扣化石能源的GHG减排量，t

HEi——第i类二次能源(含电力)或化学品生产所消耗的能源量

λj——二次能源(含电力)或化学品生产第j类能源消耗占总能源消耗的比例

WjCO2——第j类能源CO2排放系数

WjCH4——第j类能源CH4排放系数

WjN2O——第j类能源N2O排放系数

GCH4——CH4全球增温潜势

GN2O——N2O全球增温潜势

i——秸秆从作物收获后还田，以及离田收储运输、加工转化与利用、副产物还田等全过程能源或化学品的类型序号

j——各类物质消耗的能源类型序号

Corg,k——单位秸秆(干物质)总有机碳含量

λk——秸秆利用过程被分解或消化的秸秆所占的百分比

ηk——秸秆直接或间接还田有机碳固定在土壤中的比例

k——不同秸秆利用方式序号

Y——林木资源的碳转换周期，即林木采伐周期30年与100年增温尺度之比，本研究Y取值为0.3

Em——单位秸秆直接或间接能源利用所抵扣化石能源的量

τ——抵扣化石能源的GHG排放因子

秸秆露天焚烧GHG排放因子，参考IPCC指南(2006年)第4卷第4章农田中的源自生物质燃烧的非二氧化碳排放核算方法。秸秆自然腐解GHG排放因子，参考IPCC指南(2006年)第5卷第4章《固体废弃物的生物处理》提供的废弃物生物处理中的堆肥方式CH4和N2O排放进行测算。

2 秸秆综合利用减排固碳贡献现状

2.1 不同秸秆利用技术的排放因子

2.1.1秸秆肥料化

秸秆肥料化利用方式主要包括根茬还田、粉碎覆盖还田、深翻还田和旋耕还田等技术。相关研究表明，采用DNDC模型对农田土壤碳库进行估算，发现中国农田土壤碳库正以7.38×107t/a(C当量)的速度减退，说明中国农田土壤碳库容量还远达不到饱和，农田土壤碳库增加潜力巨大，秸秆还田后，有8%～35.7%的有机碳以土壤有机碳的形式保存于土壤碳库中[12-15]。有研究采用Meta法分析了秸秆持续还田对中国农田土壤有机碳的影响，与秸秆不还田相比，秸秆还田可以显著提高土壤有机碳含量，平均可提高13.97%±1.38%[16-18]。

基于文献[19-21]研究，假设秸秆还田有机碳固定于土壤中的比例按10%计，秸秆总有机碳含量按0.4计，核算出秸秆还田的土壤碳汇量为146.8 gCO2e/kg。根据调研数据测算，秸秆根茬还田、粉碎覆盖还田、深翻还田、旋耕还田等还田过程农机燃料消耗产生的温室气体排放因子分别为4.38、10.52、28.05、21.4 gCO2e/kg。经测算秸秆根茬还田、粉碎覆盖还田、深翻还田、旋耕还田排放因子分别为-142.3、-136.1、-118.6、-125.6 gCO2e/kg。

2.1.2秸秆饲料化

秸秆饲料化利用主要方式为干秸秆粗饲料，研究暂不考虑玉米全株青贮饲料。有研究显示，施用氮磷钾+农家肥的地块总有机碳储量比氮磷钾和休耕地块分别增加了25%和45%[22]。在黑龙江省肇州县的研究发现，有机肥施用后土壤有机碳总量中来源于玉米残茬的比例为14.36%，来源于有机肥的比例为25.92%，土壤原有有机碳比例为59.72%[23]。在江西红壤长期定位实验站的研究表明，红壤施用有机肥后，玉米秸秆源的有机碳比例约为11.0%，有机肥源的有机碳比例约为21.0%[24]。可以看出，畜禽粪便还田的固碳效果优于秸秆直接还田，其有机碳固碳率为20%～30%。

基于IPCC指南(2006年)，反刍动物的消化率为55%；粪污有机碳的农田固碳率按20%计，测算秸秆饲料化利用间接还田固碳量为132.0 gCO2e/kg。据前期调研秸秆饲料利用全过程能源消耗测算，秸秆收储运温室气体排放因子为27.53 gCO2e/kg，加工与利用过程中的温室气体排放因子为21.04 gCO2e/kg，畜禽粪污堆肥还田温室气体排放为25.65 gCO2e/kg。因此，干秸秆粗饲料温室气体排放因子为-57.8 gCO2e/kg。

2.1.3秸秆燃料化

秸秆燃料化利用主要包括成型燃料、打捆供暖、沼气/生物天然气、热解炭气联产、热电联产、秸秆直燃发电、燃料乙醇等技术。替代化石能源采用抵扣煤炭(折合标准煤)的热量计算，基于原煤的单位热值含碳量为26.37 g/MJ，碳氧化率为0.94，基于《2006年IPCC国家温室气体清单指南》，参考《中国发电企业温室气体排放测算方法与报告指南(试行)》中煤炭排放因子的相关测算方法，原煤的CO2排放因子为90.89 gCO2/MJ，CH4和N2O排放量较小，忽略不计；1 t标准煤(tce)单位热量为29 307.6 MJ，折合1 t标准煤的温室气体排放因子为2.663 7 tCO2e。秸秆成型燃料、打捆供暖、热电联产、秸秆直燃发电、燃料乙醇、规模化沼气/生物天然气、热解炭气联产技术替代煤炭的温室气体减排量分别为1 117.39、1 031.44、932.18、327.2、421.7、570.49、496.19 gCO2e/kg，如表2[9-11，25-30]所示。

表2 秸秆燃料化利用的GHG测算相关参数Tab.2 GHG calculation related parameters for straw fuel utilization

不同秸秆利用技术的GHG排放有一定差异，成型燃料、打捆供暖、直燃发电/热电联产、燃料乙醇、规模化沼气/生物天然气、热解炭气联产技术的转化与利用过程温室气体排放量分别为90.4、41.8、85.5、131.4、138.5、146.1 gCO2e/kg。规模化沼气/生物天然气、热解炭气联产技术的副产物还田土壤碳汇量分别为513.4、803.5 gCO2e/kg。因此，秸秆成型燃料、打捆供暖、热电联产、直燃发电、燃料乙醇、规模化沼气/生物天然气、热解炭气联产技术的温室气体排放因子分别为-1 027.0、-990.8、-845.97、-241.4、-264.7、-945.4、-1 153.6 gCO2e/kg。

2.1.4秸秆基料化

秸秆基料化主要利用方式为食用菌栽培和废菌渣堆肥还田。相关研究表明，用稻草、豆秸部分替代阔叶树锯末栽培黑木耳，秸秆替代比例为25%～35%时，菌丝、子实体生长方面与阔叶树锯末栽培基本相同[31]，因此秸秆基料利用可替代部分林木资源。经测算，秸秆基料化利用替代林木资源的森林碳汇量为462 gCO2e/kg。菌菇生产过程碳损失率为30%[32-33]，假设菌菇有机碳的农田固碳率等于秸秆还田固碳率，按10%计，废菌渣还田的土壤碳汇为136.1 gCO2e/kg。秸秆基料化的收储运、加工利用、废菌棒堆肥还田的排放量分别为27.5、88.0、25.7 gCO2e/kg。因此，秸秆基料化利用温室气体排放因子为-457.0 gCO2e/kg。

2.1.5秸秆原料化

秸秆原料化以人造板材和造纸利用为主，目前，废旧秸秆人造板材或秸秆纸张最终处理途径主要用于燃烧发电。人造板消耗原木材量为1.1 m3/m3，1 kg人造板消耗秸秆量为1.5 kg，人造板密度为650 kg/m3[34-35]，秸秆人造板原料化利用替代木材砍伐的森林碳汇量为308 gCO2e/kg。废旧人造板能源利用，根据IPCC指南(2006年)其回收率为97.7%，秸秆人造板发热量假设与秸秆发热量相等，按14.6 MJ/kg计，减排量参照秸秆成型燃料抵扣化石能源碳减排量计算，废旧人造板替代化石能源的温室气体减排量为574 gCO2e/kg。秸秆人造板的收储运、加工利用、废旧板材能源利用的排放量分别为27.5、122.0、63.0 gCO2e/kg。因此，秸秆原料化人造板的温室气体排放因子为-669.6 gCO2e/kg。

秸秆造纸假设生产秸秆纸产品等效替代等量的木材纸产品，即生产1 t秸秆纸可以减少因生产1 t木材纸产品所需消耗的木材的采伐量，1 t秸秆可生产纸产品为0.628 t[36-37]。秸秆造纸替代木材砍伐的森林碳汇量为290.1 gCO2e。假设废旧秸秆纸张与秸秆的发热量相当，抵扣化石能源减排量参照秸秆成型燃料抵扣化石能源碳减排量计算，秸秆纸张量与秸秆造纸利用量(干物质)之比为22/35[38]，根据IPCC指南(2006年)给出纸制品丢弃率为34.2%，废旧纸张回收率65.3%，废旧秸秆纸张能源利用抵扣化石能源减排量为383.6 gCO2e/kg。秸秆造纸的收储运、加工利用、废纸张能源利用的排放量分别为27.5、1 004.6、63.0 gCO2e/kg。因此，秸秆原料化造纸的温室气体排放因子为421.3 gCO2e/kg。

2.1.6秸秆露天焚烧与堆放自然腐解

根据IPCC指南(2006年)给出农田残余物露天焚烧的燃烧因子Cf，小麦秸秆为0.90、玉米秸秆为0.80、水稻秸秆为0.80。根据我国国情，2020年小麦秸秆机械化收获率约97%[39]，机械化收获时将秸秆直接粉碎还田，焚烧量极少，因此燃烧因子Cf取0.8。按IPCC指南(2006年)给出的缺省值计算，折合温室气体排放量为872.4 gCO2e/kg。基于现有文献数据[40-45]，采用箱线图中位数计算，秸秆露天焚烧的CH4排放量为4.0 g/kg，N2O排放量为0.07 g/kg，NOx排放量为2.2 g/kg，CO排放量为69.25 g/kg，折合温室气体排放因子为802.0 gCO2e/kg。其中，直接排放源温室气体排放量为130.4 gCO2e/kg，间接排放量为671.6 gCO2e/kg。按照IPCC指南(2006年)推荐采用实测值，因此取排放因子为802.0 gCO2e/kg。秸秆自然腐解参考IPCC指南(2006年)第5卷第4章中固体废弃物的生物处理，废弃物堆肥产生的CH4排放量为0.08～20 g/kg，平均值为10 g/kg，N2O排放量为0.2～1.6 g/kg，平均值为0.6 g/kg，基于平均值计算，秸秆自然腐解折合温室气体排放因子为439.0 gCO2e/kg。

2.1.7不同技术对比分析

不同秸秆综合利用技术的温室气体排放量差异较大，温室气体排放因子和组成如图1、2所示。

图1 各类技术温室气体排放因子Fig.1 GHG emission factors of different technologies

图2 各类技术温室气体排放组成Fig.2 Composition of GHG emissions of different technologies

燃料化利用技术普遍优于其他利用技术，主要是秸秆燃料化利用直接替代化石能源的减排贡献，热解炭气联产、成型燃料、打捆供暖、沼气+沼渣沼液还田技术的温室气体减排优势明显。生物质发电技术增加余热利用可显著提升能源利用效率，温室气体减排仍有较大增长空间；燃料乙醇技术温室气体减排量较其他能源技术略低，仍待技术突破提升能源转化率以及副产物低碳循环利用。木腐菌类食用菌栽培和人造板技术的温室气体减排量仅次于秸秆燃料化利用技术，二者在减少木材砍伐的森林碳汇作用方面优势显著，食用菌废菌渣可还田固碳产生土壤碳汇，人造板废弃后可燃料化利用替代化石能源。秸秆直接还田和秸秆饲料间接还田技术均具有一定的土壤碳汇作用。秸秆造纸利用技术表现为正向碳排放，其森林碳汇和能源替代的碳减排无法全部抵消利用过程的碳排放。

2.2 秸秆综合利用减排固碳贡献

2020年全国秸秆产生量为8.56×108t，可收集量为7.22×108t，利用量为6.33×108t，秸秆综合利用率达到87.6%。肥料化、饲料化、燃料化、基料化、原料化利用量占秸秆可收集资源量的比例分别为62.1%、15.4%、8.5%、0.7%和1.0%。据相关研究及统计数据显示，2015年秸秆露天焚烧量约为8.11×107t，约占秸秆可收集资源量9.0%[46-47]；据生态环境部卫星遥感监测，2019年全国秸秆焚烧火点数比2015年下降了42%[48]，若按此比例计算，2020年秸秆露天焚烧量约为4.7×107t，约占秸秆可收集资源量的6.5%。

2020年秸秆综合利用温室气体净减排贡献为7.0×107tCO2e，其中，秸秆五料化利用的温室气体减排量为1.26×108tCO2e，露天焚烧和自然腐解的温室气体排放量为5.6×107tCO2e。

从五料化利用结构分析，2020年，秸秆肥料化、饲料化、燃料化、基料化、原料化利用的温室气体减排量分别为7.9×107、5×106、3.8×107、4×105、3×106tCO2e，占比分别为62.7%、4.4%、30.0%、0.4%、2.6%。肥料化和燃料化利用的减排量最高，占总减排量的92.7%，温室气体减排贡献较大。2020年秸秆露天焚烧温室气体排放量为3.8×107tCO2e，自然腐解温室气体排放量为1.8×107tCO2e，如图3所示。

图3 2020年秸秆综合利用的温室气体排放量Fig.3 GHG emissions from utilization of straw in 2020

温室气体排放与减排结构分析如图4所示， 2020年秸秆综合利用过程的温室气体排放总量为2.9×107tCO2e。秸秆利用温室气体减排源主要包括提高农田固碳的土壤碳汇、减少木材砍伐森林碳汇、抵扣化石能源的CO2减排，减排总量为1.55×108tCO2e，其中土壤和森林碳汇占比为69.2%，抵扣化石能源占比为30.8%。

图4 秸秆五料化利用的温室气体组成Fig.4 GHG composition of comprehensive utilization of straw

3 秸秆综合利用减排固碳潜力预测

3.1 秸秆资源量与利用预测

“十四五”期间，我国耕地总面积基本稳定在1.2×108hm2以上，粮食播种面积稳定在1.1×108hm2以上，为保障粮食安全，粮食产量要实现稳中有增，年产量需稳定在6.5×109t以上。目前棉花、油料、糖类等作物播种面积约1.78×107hm2，未来产量也将略有增加。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)，预测到2060年，粮食产量增长率约8.4%，棉花、油料及糖类作物产量增长率约14.5%。根据粮食产量测算出到2030年我国秸秆年产生量9.0×108t左右，到2060年将达到1.0×109t左右。按秸秆可收集率为87%计，预测2030年、2060年的秸秆可收集资源量分别约为7.8×108t和8.8×108t。

未来将持续推进秸秆综合利用，在保障农田土壤有机质含量和养殖饲料需求的基础上，促进秸秆燃料化、基料化和原料化等多元化利用，预计秸秆综合利用率将保持稳定增加，直至达到全部资源化利用。为保证粮食稳产增产，保障耕地土壤肥力，我国不同区域应保证适宜数量的秸秆还田。根据现有研究结果，在土壤有机质含量为1%、年矿化率2%、腐殖化系数20%情况下，为维持和逐步提高土壤有机质含量，每年需给土壤补充16.7～33.3 kg/hm2干秸秆[49-53]。不同地区的秸秆还田比例占秸秆产生量的50%～70%较为适宜，不同作物、不同土壤类型的秸秆还田量有一定差异。根据不同区域还田需求进行测算，各区域的秸秆适宜的还田量分别为：华北区33.3 kg/hm2、长江中下游区29.1 kg/hm2、东北区27.3 kg/hm2、西北区26.7 kg/hm2、华南区21.0 kg/hm2、西南区15.3 kg/hm2。因此，测算出全国秸秆肥料化利用总量应不低于4.9×108t。基于粮食、油料、棉花等作物的产量变化趋势，预计到2030年肥料化利用量将达到4.69×108t，2060年将达到5.09×108t。

基于中国农业产业模型(CASM)畜禽农产品增长率，预测秸秆饲料化利用变化趋势，预计到2030年和2060年秸秆饲料化利用量将分别达到1.27×108t和1.89×108t。秸秆基料化和原料化利用总体规模较小，2020年仅占秸秆可收集量的1.7%，未来将保持缓慢增加，预计到2030年、2060年分别达到1.5×107t和1.7×107t。在满足肥料、饲料农用需求基础上，基于不同区域的经济发展水平和用能习惯，及现有秸秆燃料化技术成熟度和应用规模增长情况预测，秸秆燃料化利用到2030年将达到1.24×108t、2060年将达到1.67×108t。

基于以上五料化利用情况预测，秸秆综合利用率到2030年将达到94%，到2040年以后可基本实现全部利用。不同年度秸秆综合利用预测如图5所示。

图5 秸秆综合利用预测(2020—2060年)Fig.5 Prediction of straw utilization potential (2020—2060)

3.2 情景假设

以减排固碳为导向，在满足土壤有机质提升和饲料需求的基础上，进行秸秆综合利用减排固碳预测。其中，秸秆五料化利用的秸秆收储运、加工与利用等过程的能源消耗，暂不考虑未来燃油、电力等能源的温室气体排放因子的变化。

情景1(基线情景)：基于秸秆综合利用现状及利用潜力进行预测。假设各类利用技术结构及能效不变，以及秸秆露天焚烧占未利用秸秆量的48.5%比例不变，考虑现有耕地面积、农业生产、草食畜牧、农村清洁能源等现状。

情景2：基于情景1秸秆利用结构不变，燃料化利用的技术水平提升情况下预测。秸秆综合利用减排固碳贡献最大的是肥料化和燃料化利用。其中，秸秆燃料化利用的技术水平仍有提升潜力，随着生物质能技术不断发展，成型燃料/打捆供暖的能源转化效率将进一步提升，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，生物质发电将从直燃发电向热电联产转变，热解炭气联产将从传统低值气化向高值燃气或炭气联产转变，燃料乙醇将从淀粉糖类乙醇向纤维素乙醇转变，且转化效率也将进一步提升[27,54-57]。研究假设在2020年的基础上，从原料收储、能源加工转化与应用全链条的净能量转化率2030年提升5%～10%，2060年提升10%～20%。秸秆燃料化利用技术净能源转化率增长情况如表3所示。

表3 秸秆燃料化利用技术净能源转化率增量Tab.3 Increase in energy conversion rate of energy utilization

情景3：基于情景2燃料化利用的技术水平提升，燃料化利用结构变化情况下进行预测。在秸秆燃料化技术水平提升，同时基于不同燃料化技术成熟度，考虑了在碳达峰碳中和目标下未来能源结构的需求，秸秆燃料化技术仍为多元化结构，但在非电领域应用将进一步增强，将逐步从传统的固体燃料向清洁燃气和液体燃料转变，按照目前的政策，由于秸秆直燃发电效率低，将向热电联产转变。燃料化利用结构变化后的秸秆原料量如表4所示。

表4 秸秆燃料化利用变化量Tab.4 Changes in straw energy utilization t

3.3 秸秆综合利用减排固碳潜力

3种情景下，秸秆综合利用温室气体减排固碳潜力预测如图6所示，到2030年秸秆综合利用减排固碳潜力将达到1.52×108～1.72×108tCO2e，到2060年秸秆综合利用减排固碳潜力将达到2.20×108～2.73×108tCO2e。

图6 秸秆综合利用温室气体净减排量预测Fig.6 Prediction of greenhouse gas emission reduction potential of comprehensive utilization of straw

到2030年秸秆焚烧或自然腐解温室气体排放量为2.9×107tCO2e，秸秆综合利用的温室气体排放总量为3.4×107tCO2e，秸秆综合利用的农田/森林碳汇减排量为1.22×108tCO2e，3种不同情景下，秸秆综合利用抵扣化石能源减排量分别为9.3×107、9.7×107、1.10×108tCO2e。到2060年，秸秆综合利用的温室气体排放总量为4.4×107～4.6×107tCO2e，秸秆综合利用的农田/森林碳汇减排量为1.40×108～1.72×108tCO2e，秸秆综合利用替代化石减排贡献为1.24×108～1.48×108tCO2e。

秸秆五料化利用分析，肥料化和燃料化利用在秸秆综合利用减排固碳中仍发挥主要作用，到2030年肥料化利用减排固碳贡献占比为40.7%、燃料化利用减排固碳贡献占比为55.2%；到2060 年，肥料化利用减排固碳贡献占比为31.9%、燃料化利用减排固碳贡献占比为62.8%。相关研究认为秸秆厌氧发酵和秸秆热解联产等能源化利用均具有较好的减排固碳贡献，通过秸秆制取生物天然气技术，替代天然气的温室气体最大减排量为1.97×108tCO2e[26]；通过中速热解多联产技术(Biomass intermediate pyrolysis poly-generation，BIPP)生产生物炭联产可燃气和电力，替代化石燃料及生物炭固碳的温室气体减排总量最高可达136.45 gCO2e/MJ，在全国范围内的应用可以使2030年单位国内生产总值的碳排放量比2005年减少2%～61%[27]。基于情景3预测，到2060年秸秆燃料化利用量占比仅18.9%，温室气体减排贡献潜力占比可达62.8%。秸秆燃料化利用的减排贡献中仍具有较高的还田固碳贡献，其中替代化石燃料减排贡献约占72.2%、间接还田固碳贡献约占27.8%。因此，秸秆综合利用应重视化石能源替代和土壤碳汇的双重减碳作用，在推广应用中应选择温室气体减排贡献潜力大的技术。

4 结论

(1)2020年秸秆综合利用温室气体净减排量为7.0×107tCO2e，其中，秸秆五料化利用的温室气体减排量为1.26×108tCO2e，露天焚烧和自然腐解的温室气体排放量为5.6×107tCO2e。

(2)秸秆综合利用温室气体减排固碳贡献潜力较大，到2030年为1.52×108～1.72×108tCO2e，2060年为2.20×108～2.73×108tCO2e。秸秆肥料化在五料化利用中的减排贡献最大，到2030年和2060年秸秆肥料化利用的减排固碳贡献分别达到8.2×108tCO2e和8.7×107tCO2e，在秸秆综合利用贡献中的占比分别为40.7%和31.9%。秸秆燃料化在五料化利用中的减排增加潜力最大，到2030年和2060年秸秆燃料化利用减排贡献占比分别为55.2%和62.8%。

(3)建议加快秸秆综合利用，聚焦秸秆肥料化和燃料化，重点支持温室气体减排效果显著的秸秆利用技术，提高减排固碳贡献。积极推进秸秆全量利用，减少秸秆露天焚烧和自然腐解产生的大量温室气体排放，助力实现碳达峰碳中和目标。