河南省农业废弃物能源化潜力与分布格局研究

杜欢政 , 刘香玲 ， 王 韬

(同济大学 a.循环经济研究所；b.马克思主义学院；c.环境科学与工程学院，上海 200092)

0 引言

我国农业废弃物量大且分布广泛，若处理不当，不仅造成资源浪费，而且带来环境污染。农作物秸秆露天焚烧释放大量 CO和CO2以及细颗粒物等，极易污染空气。畜禽养殖尤其是规模化畜禽养殖产生大量粪便和污水，若未经无害化处理而直接排放，将会对土壤、地下水和农业生态环境造成严重威胁。农业废弃物资源化利用尤其是能源化利用不仅可以提供清洁能源，还能有效减少环境污染。加快推进农作物秸秆和畜禽养殖废弃物全量资源化利用势在必行。因此，农业废弃物能源化潜力成为近年来研究的热点。张海成等[1]、左旭[2]、韦佳培等[3]估算了我国农业废弃物能源潜力总量；陈利洪等[4]、吴浩玮等[5]、张田等[6]、陈秋红等[7]估算了我国畜禽粪便能源潜力；崔明等[8]、霍丽丽等[9]、丛宏斌等[10]估算了我国农作物秸秆能源潜力；卢洪秀等[11]、徐鹏等[12]、陈利洪等[13]、鲍金苹等[14]估算了农业废弃物能源化潜力，分析了区域层面的农业废弃物能源化潜力。研究结果表明，我国农业废弃物具有巨大的能源潜力。

我国幅员辽阔，农业发展地区差异显著，农业废弃物存在区域分布不均衡与相对集中的特点。河南省作为我国重要的农业大省，对农业废弃物能源化潜力及地区分布格局的研究较少。因此，本研究以河南省农业废弃物为研究对象，定量估算河南省农业废弃物产生量和能源蕴藏量，分析其分布格局，对河南省农业废弃物能源化利用潜力进行综合评价，为促进河南省生物质能产业化发展提供科学支撑。

1 研究区域、数据来源与研究方法

1.1 研究区域

河南省位于我国中部，辖郑州、开封、洛阳、平顶山、安阳、鹤壁、新乡、焦作、濮阳、许昌、漯河、三门峡、南阳、商丘、信阳、周口、驻马店、济源18个市。截至2019年底，全省农村人口4 511万，占全省总人口的41.19%。2019年全省能源消耗总量2.23亿t标煤，居全国第8位，其中农业农村能源消耗量1 382.61万t标煤。河南省是我国重要的粮食主产区之一，被称为中国的“大粮仓”，农作物种植面积广且种类繁多，全省大部分地区以种植耐旱性较强的农作物如小麦、玉米、黄豆为主，豫南则主要种植水稻。河南省还是全国畜牧养殖大省，畜牧养殖业主要集中在驻马店、南阳等地。

1.2 数据来源

数据来源于1991—2020年的《河南统计年鉴》《中国能源统计年鉴》《中国统计年鉴》。研究时段为1990—2019年，以河南省18个省辖市的农作物秸秆和畜禽粪便为研究对象。农作物秸秆主要选择稻谷、小麦、玉米、大豆、薯类、花生、棉花、油菜、烟叶、蔬菜、水果等共计11个统计对象，畜禽粪便主要选取猪、牛、马、驴、骡、羊、鸡、鸭、鹅、兔等禽畜种类。

1.3 研究方法

农作物秸秆理论产生量通过农作物产量与草谷比进行估算[15]，农作物秸秆能源蕴藏量通过农作物秸秆理论产生量、收集系数、折标煤系数进行估算[15]。为了更符合河南省实际情况，农作物草谷比主要参考石元春[16]、毕于运等[17]、X.Y.Zeng等[18]的研究；收集系数主要参考王雨辰等[19]、崔明等[8]、陈利洪[15]、熊娜等[20]、李胜男等[21]、曹志宏[22]的研究；各主要农作物折标煤系数主要参考石元春[16]、陈利洪[15]的研究(表1)。

依据不同种类畜禽数量、养殖周期、排泄系数、干物质含量可以估算出畜禽粪便或尿液理论产生量[15]，畜禽粪便或尿液能源蕴藏量通过畜禽粪便理论产生量、收集系数、折标煤系数等进行估算[15]。不同类型畜禽排泄系数参考农业部《畜禽养殖业产污系数与排污系数手册》，养殖周期参考张田等[6]的研究，畜禽粪便或尿液的干物质含量参考张田等[6]和陈利洪[15]的研究,畜禽粪便或尿液的收集系数参考陈利洪[15]和石元春[16]的研究,畜禽粪便或尿液折标煤系数参考陈利洪[15]的研究(表2)。

表1 主要农作物草谷比系数、收集系数和折标煤系数Tab.1 Coefficients of straw generation, collection, and energy content of crops

表2 主要畜禽的粪便排泄系数、收集系数、干物质含量和折标煤系数 Tab.2 Coefficients of excreta generation, collection, dry weight and energy content of livestock and poultry

2 农业废弃物分析

2.1 农业废弃物产生量总体特征

2.1.1农业废弃物产生量较大且年际变化明显。1990—2019年，河南省农业废弃物累积产生量85.02亿t，农业废弃物年产生量呈先增加后减少的“双峰”变化趋势，峰值出现在1996年和2006年，分别为3.18亿t和3.56亿t。全省农作物秸秆年产生量平稳且缓慢增长，年均增长率为1.91%。其中，1991年和2003年农作物秸秆产生量较前一年略有下降，极大可能是受严重自然灾害影响，尤其是2003年“非典”疫情影响，导致小麦、玉米、大豆、薯类等主要农作物产量下降。畜禽粪便产生量呈先增加后减少的“双峰”变化趋势，峰值出现在1996年和2006年，分别为2.49亿t和2.55亿t。畜禽粪便产生量动态演变规律与1990—2019年河南省畜禽养殖种类和数量发生较大变化有关。通过分析1990—2019年河南省畜禽养殖种类和数量的时间变化特征，可以把河南省畜禽养殖业发展划分为3个阶段：第一阶段(1990—1996年)，河南省大力发展畜禽养殖业，畜禽养殖数量处于快速增长状态；第二阶段(1997—2006年)，随着社会经济发展、居民饮食结构改变及农业机械化水平提高，役用牛、马驴骡等养殖数量下降，猪、肉牛、羊和家禽数量增加，畜禽养殖整体结构发生较大的改变；第三阶段(2007—2019年)，由于国家重视畜禽养殖带来的环境污染，促使畜禽养殖业不断优化结构和转型升级，向生态型、环境友好型和现代生产体系方向发展。

2.1.2农业废弃物累积产生量地区差异性明显。1990—2019年河南省农业废弃物累积产生量地区分布差异性较大，各市农业废弃物累积产生量在0.35亿～12.05亿t。南阳、周口、驻马店等市农业废弃物累积产生量较多，三市总和约占全省的38.61%；农业废弃物累积产生量较少的省辖市是三门峡、鹤壁、济源，三市总和仅占全省的3.70%。秸秆累积产生量地区分布差异性明显，周口市秸秆累积产生量最高，达到3.75亿t，占全省的13.89%；济源市秸秆累积产生量最少，仅占全省的0.32%。畜禽粪便累积产生量地区分布差异性也比较显著，南阳市畜禽粪便累积产生量最高，达到9.05亿t，占全省的15.60%；济源市畜禽粪便累积产生量最少，仅占全省的0.45%。1990—2019年农业废弃物累积产生量年均增长率地区差异较大，下降较大的3个市是济源、郑州、洛阳，其年均增长率呈负增长，年均增长率分别为-2.81%，-1.75%，-0.47%；增长较快的3个市是鹤壁、濮阳、安阳，年均增长率分别为2.91%，2.60%，1.86%，远高于全省年均增长率0.76%。总体来看，虽然鹤壁、濮阳、安阳等市是河南省农业废弃物的“后起之秀”，但全省东部(商丘)、东南部(周口、驻马店)、西南部(南阳)仍是河南省农业废弃物的主要分布区。

2.2 农业废弃物能源蕴藏量总体特征

2.2.1农业废弃物能源蕴藏量较大且略有波动。1990—2019年，河南省农业废弃物能源累积蕴藏量为14.57亿t标煤，虽有一定的波动，但总体呈上升趋势，年均增长率为2.28%。畜禽粪便能源蕴藏量先增加后降低，呈“双峰”变化趋势，峰值出现在1996年和2006年，分别为1 441.45万t标煤和1 673.30万t标煤。秸秆能源蕴藏量总体呈上升趋势，年均增长率为2.78%。秸秆累积能源蕴藏量占农业废弃物累积能源蕴藏量的81.77%，是农业废弃物能源蕴藏量的主要组成部分。即使1990—2019年河南省畜禽粪便年产生量远高于农作物秸秆年产生量，但由于畜禽粪便干物质含量低，其能源蕴藏量远低于秸秆能源蕴藏量。

2.2.2农业废弃物累积能源蕴藏量地区差异性显著。河南省各地农业种养殖结构不同，导致全省农业废弃物能源蕴藏量地区间分布极不均衡。2010—2019年，全省农业废弃物累积能源蕴藏量为5.88亿t标煤。周口、驻马店、商丘和南阳等市农业废弃物累积能源蕴藏量较高，四市之和占全省的48.24%，几乎占全省累积能源蕴藏量的一半；济源市累积能源蕴藏量最低，仅占全省的0.37%。各市秸秆累积能源蕴藏量与畜禽粪便累积能源蕴藏量之比大致在2.35～6.39，这在一定程度上反映出河南省秸秆能源蕴藏量占比较大且农业废弃物能源蕴藏量地区差异性明显。秸秆累积能源蕴藏量与畜禽粪便累积能源蕴藏量之比最高的是安阳，为6.39，这可能与安阳市的农业结构密切相关。安阳是我国玉米、小麦主产区，滑县更是河南省第一产粮大县，与畜禽粪便相比，安阳秸秆累积能源蕴藏量更高。秸秆累积能源蕴藏量与畜禽粪便累积能源蕴藏量之比最低的是三门峡，仅为2.35，原因可能是三门峡农业秸秆废弃物产生量较少，秸秆累积能源蕴藏量偏低，加之三门峡畜禽养殖业发展态势良好，畜禽粪便累积能源蕴藏量较高，导致秸秆累积能源蕴藏量与畜禽粪便累积能源蕴藏量之比位于全省末位。

2.3 农业废弃物能源丰度时空演变特征

农业废弃物资源能源化利用不仅取决于农业废弃物产生量，还受农业废弃物能源丰度的制约。所谓农业废弃物能源丰度是一个国家或地区农业废弃物能源蕴藏量的丰富程度，用地均能源密度、人均能源密度、丰度系数指标反映[8,23]。其中，地均能源密度等于农业废弃物能源蕴藏量与耕地面积之比；人均能源密度等于农业废弃物能源蕴藏量与农村人口之比；丰度系数等于农业废弃物能源蕴藏量与农业农村能源消耗量之比。在农业农村能源消耗量相同的情况下，丰度系数越高，表明农业废弃物能源化潜力越大，对一个国家或地区农业废弃物能源化利用而言，农业废弃物丰度系数越高越好。

依据上述，计算出1990—2019年河南全省和各市农业废弃物地均能源密度、人均能源密度、丰度系数(图1)。在此基础上，进一步计算出全省和各市1990—1999年、2000—2009年、2010—2019年能源丰度平均值。从计算结果来看，随着年代变化，全省农业废弃物地均能源密度平均值和人均能源密度平均值均处于增长状态，丰度系数先增后减。全省地均能源密度平均值从1990—1999年的5.34 tce/hm2增长到2010—2019年的7.22 tce/hm2(图1a～1c)，人均能源密度平均值从1990—1999年的0.48 tce/人增长到2010—2019年的1.16 tce/人(图1d～1f)，丰度系数从1990—1999年的3.90增长到2000—2009年的5.42，而后降到2010—2019年的4.57(图1g～1i)。

图1 1990—2019年河南省各市农业废弃物能源丰度空间分布

1990—2019年，全省农业废弃物地均能源密度平均值“东部高西部低、北部高南部低”，丰度系数平均值“东南部高、西北部低”，人均能源密度平均值呈“东部逐步高于西部”的发展趋势。河南全省农业废弃物能源丰度的空间分布特征与1990—2019年全省种植业结构调整、畜牧业结构优化、城市化发展和城乡人口流动有关。以周口市最为典型，周口市农业废弃物能源蕴藏量从1990年的424.26万t上升到2019年的859.35万t，而农村人口从1990年的850万人下降到2019年的482万人。全省农业废弃物能源丰度地区差异性非常明显， 2010—2019年地均能源密度平均值最高的是商丘，为9.46 tce/hm2；最小的是三门峡，为4.14 tce/hm2，与三门峡的地貌以山地、丘陵和黄土塬为主，经济以工业和制造业为主要发展方向，农业废弃物产生量较少有关，因此，单位耕地面积农业废弃物能源化潜力较低。人均能源密度平均值最高的是驻马店，为1.61 tce/人；郑州最低，仅为0.58 tce/人，郑州以轻工业和服务业为主，农业废弃物产生量较少。丰度系数平均值最大的是鹤壁，为10.68，而最小的是郑州，为1.15，远低于全省的平均水平(4.57)。

3 农业废弃物能源化利用综合评价

根据以上研究结果，选定农业废弃物地均能源密度、人均能源密度、丰度系数3个测评指标，每个指标从低到高排序，依照1～18的分值进行测评，3个参考指标分数之和为该市农业废弃物能源化利用综合分值即农业废弃物能源化利用适宜度，分值越高，进行能源化利用越适宜[8]。从1990—1999年、2000—2009年、2010—2019年河南省各市农业废弃物能源化利用适宜度平均值空间分布(图2)可知， 1990—2019年，河南省农业废弃物能源化利用适宜度平均值东部一直高于西部。采用“众数区间值等距离三段式方法”确定2010—2019年河南省农业废弃物能源资源适宜开发分级标准[2](表3)，将河南省农业废弃物能源化开发利用划分为3个区域。

图2 1990—2019年河南省各市农业废弃物能源化利用适宜度空间分布

表3 2010—2019年河南省农业 废弃物能源化利用适宜度分级标准

(1)重点开发区：包括周口、商丘、开封、鹤壁、驻马店、漯河。周口、商丘不仅拥有丰富的农业废弃物资源，而且集中度较高，丰度系数也高，具有较大的能源开发潜力。开封、鹤壁、漯河的农业废弃物产生量虽然在全省排名为中下游，但由于耕地面积少或农村人口少，农业废弃物分布集中，收集半径短，能源开发潜力也较大。这些地区农业废弃物能源化利用除保证农业农村用能外，剩余部分可为城镇居民和工业提供能源，宜集中开发利用。驻马店具有较为丰富的农业废弃物资源，丰度系数高，但分布一般，宜分散开发利用。

(2)适度开发区：包括安阳、新乡、焦作、濮阳、许昌、南阳。安阳、新乡的农业废弃物资源丰富，且集中度较高，但丰度系数较低。焦作、濮阳、许昌、南阳的农业废弃物资源和集中度均一般。考虑农业废弃物能源开发成本和运输成本，这些地区农业废弃物能源宜适度开发利用，以发展小型沼气工程、户用沼气、秸秆固体成型等为主。

(3)限制开发区：包括郑州、洛阳、信阳、济源、三门峡、平顶山。由于以工业和服务业为主，郑州、洛阳、平顶山的农业废弃物资源不仅贫乏而且分散；信阳除中部丘陵岗地、中部黄淮平原农业废弃物资源相对丰富外，农业废弃物资源分布严重不均衡，集中度较低；济源、三门峡农业废弃物资源集中度较低，远距离运送不合理，因为农业废弃物资源一般运送距离以不超过30 km为宜[19]，加之丰度系数较低,这些地区开发利用农业废弃物应慎重考虑各种限制因素，因地制宜地采用合适的能源化利用方式，避免造成经济损失和生态环境破坏。

4 结论与讨论

4.1 结论

1990—2019年河南省农业废弃物资源量较大且能源蕴藏量较高，农业废弃物累积产生量为85.02亿t，累积能源蕴藏量为14.57亿t标煤。农业废弃物累积产生量和累积能源蕴藏量地区差异显著，全省东部、东南部、西南部是农业废弃物资源量和能源蕴藏量的主要分布区。河南省农业废弃物资源十分丰富[24]，但农业废弃物能源化利用不仅取决于农业废弃物资源总量，还应充分考虑农业废弃物资源的有效收集和利用效率。依据河南省农业废弃物能源化利用适宜度平均值，河南省农业废弃物能源化开发利用可划分为重点开发区(周口、商丘、开封、鹤壁、驻马店、漯河)、适度开发区(安阳、新乡、焦作、濮阳、许昌、南阳)、限制开发区(郑州、洛阳、信阳、济源、三门峡、平顶山)。

4.2 讨论

农业废弃物能源化利用是缓解能源短缺的重要途径。2019年河南省农业废弃物能源蕴藏量为5 841.56万t标煤，占全省总能耗的26.20%，与农业农村能耗之比为4.23。由此可见，农业废弃物能源化利用不仅可以满足农业农村能源消耗需求量，而且还可以通过预处理和提纯净化后用作发电、动力燃料或者化工原料等。不同年代河南省农业废弃物能源化开发利用区域略有变化，恰好说明农业废弃物能源化利用要因地制宜、因时制宜，切不可搞“一刀切”或“一成不变”。河南省各地应依据农业废弃物资源量和能源蕴藏量的时空分布特征，选择适宜的能源化利用方式。秸秆资源丰富的地区如周口、驻马店等地应充分发挥秸秆能源化优势，提高秸秆利用效率；驻马店、南阳等地畜牧业发展具有相对优势，可以依据农业废弃物资源量建立不同规模的沼气池，借助沼气池充分利用秸秆、粪便等农业废弃物资源，发展农业循环经济。

生物质资源“碳中性”属性决定其是替代化石能源的最佳选择。农业废弃物作为生物质资源的重要组成部分，其能源化利用可以减少碳排放，对实现“3060”双碳目标具有重要意义。2019年河南省农业废弃物能源蕴藏量5 841.56万t标煤，即使仅开发20%来替代现有能耗，其二氧化碳的减排效益也可达2 450万t[25]。我国人均土地和水资源相对匮乏，可用于能源化开发的生物质资源有限，但我国农业废弃物比较丰富且具有巨大的能源化潜力。因此，农业废弃物能源化利用是我国低碳发展与可再生能源开发的战略重点，并有望成为极具发展潜力的战略性行业。