“双碳”视角下基于LCA 的市域秸秆资源化利用探讨

张鑫，朱宇恩，李磊，谢莹，李华2，*

（1.山西农业大学 城乡建设学院，山西 晋中 030801；2.山西大学 资源与环境工程研究所，山西 太原 030006；3.山西大学 环境与资源学院，山西 太原 030006；4.太原恒瑞泰环保科技有限公司，山西 太原 030006；5.山西大地民基生态环境股份有限公司，山西 太原 030002）

实施“双碳”战略不仅是我国主动承担应对全球气候变化的国际责任，同时也是我国践行社会主义生态文明观的重要体现。农业作为实现“双碳”目标的重要领域，如何发展绿色现代化农业、减少农业生产过程中的温室气体排放、促进农业废弃物的资源化利用就变得尤为重要。传统的农作物种植主要依赖于化肥的使用，因其施用总量大［1］、强度高［2］、生产力低［3］，现在已经成为制约我国农业发展的主要因素；而化肥、农药的使用、化石燃料的直接消耗以及秸秆的燃烧［4］是我国农业碳排放的主要来源。秸秆作为主要的农业废弃物，因其富含C、H、O、N、P、K 等元素以及纤维素、半纤维素等有机能源，可以对其进行肥料化、饲料化、能源化、基料化、原料化利用。因此，秸秆的资源化利用对于发展绿色现代农业、减少农业碳排放具有重要的现实意义，同时有助于我国“双碳”目标的实现。

对于各级政府而言，想要对所辖区域的秸秆进行资源化利用的同时促进当地“双碳”目标的实现，就必须在全面评估秸秆资源化利用潜力的同时从全生命周期的角度评价各种资源化利用方式下的固碳减排量。前人对于作物秸秆资源化的研究主要集中于利用方式［5-6］以及全国和大流域水平上利用潜力的研究［7-9］；对于秸秆利用碳减排的研究则主要集中于某种利用方式［10-12］和全国尺度上［13］综合利用对碳减排贡献。目前还没有学者在市域尺度上利用生命周期评价方法来评估秸秆资源化利用潜力及其固碳减排能力。晋中市位于山西省中部，属于“十四五”规划布局的国家级城市群之一，也是山西省的主要粮食产地之一。本文以晋中市为例，基于《山西省统计年鉴》［14］，在分析2020 年晋中市作物秸秆资源量、构成、空间分布以及全量化利用潜力的基础上，基于单位秸秆各利用方式全生命周期的固碳减排能力，重点分析了秸秆资源化利用的碳中和强度及其空间分布，以期为当地提高秸秆利用率、发展现代化农业以及实现“双碳”目标提供资料支持和决策参考，同时也能对其他城市群的建设起到一定的借鉴作用。

1 材料与方法

1.1 作物秸秆理论资源量估算

作物秸秆理论资源量是指农作物收获后除了可食用部分外剩余的茎、叶农作物副产品总量，不包括后期精加工、作物根的资源量，与秸秆经济产量和草谷比两因子密不可分［9］，则作物秸秆理论资源量的计算公式如下所示：

式中：SR为作物秸秆资源量，t；SEQ为作物经济产量，t；SG为作物草谷比系数，常见作物的SG如表1所示。

表1 作物秸秆资源化利用潜力估算参数Table.1 Calculation parameters of resource utilization potential of crop straw

1.2 作物秸秆可收集资源量估算

作物秸秆可收集资源量是指农作物经过机械和人工等收获技术，可从田间收集起来，可供人类利用的秸秆资源最大数量，作物秸秆可收集资源量的计算公式如下：

式中：SP为作物秸秆可收集资源量，t；SC为作物秸秆可收集系数，常见作物的SC如表1 所示。

1.3 作物秸秆全量化利用潜力估算

（1）肥料化利用潜力：主要是指秸秆还田的数量，还田方式包括根茬还田、粉碎覆盖还田、深翻还田、旋耕还田等。根据农业部《区域农作物秸秆全量处理利用技术导则》［18］华北农区秸秆还田量推荐范围为3~9 t·hm-2，按还田量3 t·hm-2计算。

（2）基料化利用潜力：主要是指用于生产食用菌培养基质的秸秆数量。根据调查，晋中市食用菌种植主要为平菇、双孢蘑菇。根据农业部《区域农作物秸秆全量处理利用技术导则》［18］，1 t 秸秆可转化平菇1500 kg、双孢蘑菇550~800 kg。2020 年晋中市食用菌的产量来源于晋中市农业农村局的统计数据。

（3）饲料化利用潜力：主要是指用于加工生产羊和牛、马、驴等大型牲畜饲料所需的秸秆数量。饲料化利用量参考《晋中市秸秆资源综合利用计划》。

（4）原料化利用潜力：主要是指用于制造人造板材、清洁造纸等的秸秆数量。原料化利用量参考《晋中市秸秆资源综合利用计划》。

（5）能源化利用潜力：主要是指用于生产可替代能源的秸秆数量，能源化利用方式主要包括生产成型燃料、进行打捆供暖、制备燃料乙醇、进行沼气发酵、热解气化等。可能源化利用的秸秆数量为扣除其它方式秸秆利用数量外剩余的秸秆资源量。

1.4 作物秸秆全量化利用碳减排量估算

作物秸秆全量化利用碳减排量是指作物秸秆进行资源化利用时所减少的CO2排放数量，包括代替露天焚烧引起的CO2排放量、秸秆替代物全生命周期的CO2排放量以及资源化利用过程引起的碳汇量及全生命周期的CO2排放量，秸秆露天焚烧引起的碳排放量为0.802 tCO2eq·t-1［13］，其余计算过程中所用到的各项参数如表2、表3 所示。

表2 秸秆全量化利用过程的碳汇系数及碳排放系数Table 2 Carbon sink and emission coefficient in the process of full quantitative utilization of straw单位：tCO2 eq·t-1

表3 秸秆替代物的替代系数及其全生命周期的碳排放系数Table 3 Substitution coefficient of straw substitute and its carbon emission coefficient in the whole life cycle

式中：CQ为作物秸秆全量化利用可减排的CO2量，tCO2eq；CQi为作物秸秆进行第i种方式利用时可减排的CO2量，tCO2eq；CEb为作物秸秆露天焚烧时的碳排放系数，tCO2eq·t-1；CSi为作物秸秆进行第i种方式利用时的碳汇系数，tCO2eq·t-1；CEi为作物秸秆进行第i种方式利用时全生命周期的碳排放系数，tCO2eq·t-1；CRi为作物秸秆进行第i种方式利用时所替代物的全生命周期的碳排放系数，tCO2eq·t-1；ri为秸秆替代系数；SUi为作物秸秆进行第i种方式的利用数量，t。

1.5 作物秸秆全量化利用碳中和强度估算

作物秸秆全量化利用碳中和强度是指作物秸秆进行肥料化、饲料化、基料化、原料化以及能源化利用时单位面积可中和的CO2的数量，其值越大，说明该地区碳中和的能力越强。具体计算公式如下：

式中：CNI为作物秸秆资源化利用潜力碳中和强度，tCO2eq·hm-2；A为区域面积，hm2。

1.6 数据来源

2020 年晋中市主要农作物经济产量、播种面积、各县（市、区）耕地面积等数据来源于2021 年山西省统计年鉴［14］。

2 结果与分析

2.1 晋中市主要农作物秸秆资源量及构成

如表4、图1 所示，2020 年晋中市主要农作物秸秆理论和可收集资源量分别为200.95 万t、164.9 万t，平均可收集系数为0.82；晋中市主要以玉米种植为主，其播种面积占全市总播种面积的74.47%，其次为蔬菜、谷子、大豆，占比分别为9.33%、4.87%、2.95%；玉米秸秆是晋中市的主要农作物秸秆，其可收集资源量占全市的84.66%，其次为蔬菜、谷子、高粱，占比分别为6.67%、3.04%、1.99%，其余农作物秸秆占比仅为3.64%。由此可见，虽然谷类作物、豆类作物、薯类作物、油料作物、蔬菜类在晋中市都有种植，但秸秆资源量差异相对较大，农作物秸秆品类主要以玉米秸秆为主，蔬菜、谷子、高粱秸秆为辅。

图1 2020年晋中市主要农作物播种面积、产量及秸秆资源量占比Fig.1 Proportion of main crops in sowing area， yield， and straw resources in Jinzhong City in 2020

表4 2020 年晋中市主要农作物播种面积、产量及秸秆资源量Table 4 The major crop sowing area， yield， and straw resource quantity in Jinzhong City in 2020

表5 晋中市各县（市、区）耕地面积Table 5 Cultivated area of counties in Jinzhong City单位：万hm2

表6 晋中市各县（市、区）区域面积Table 6 Area of counties in Jinzhong City单位：万hm2

2.2 晋中市主要农作物秸秆可收集资源量的集中程度及空间分布

如图2 所示，2020 年晋中市作物秸秆可收集资源量区域均值为15.0 万t，其中，寿阳县作物秸秆可收集资源量最大，为38.0 万t，最小为灵石县，为3.48 万t，仅为平均水平的23.20%；在区域11 个县（市、区）中，有5 个县（市、区）的作物秸秆可收集资源量超过了区域平均值，分别为榆次区、太谷区、寿阳县、祁县、平遥县，昔阳县的作物秸秆可收集资源量基本与区域均值持平，有将近1/2 的县（市、区）的作物秸秆可收集资源量还未达到区域平均水平。

图2 2020 年晋中市各县（市、区）秸秆可收集资源量及区域均值Fig.2 The collectable straw resources and regional average value of all counties in Jinzhong City in 2020

根据各县（市、区）作物秸秆可收集资源量占总区域的比例来确定该地区作物秸秆可收集资源量的集中程度，比值乘以100 在18~24 以内的为一级区，在12~18 以内的为二级区，在6~12 以内的为三级区，在0~6 以内的为四级区。如图3 作物秸秆可收集资源量空间分布图所示，作物秸秆可收集资源量有一级区1 个，为寿阳县，主要是因为虽然寿阳县的单位面积经济产量为13.52 t·hm-2、但总作物种植面积占到全市的19.48%，而玉米种植面积则占到了全市总面积的22.13%，经济产量占全市24.60%；二级区2 个，为祁县、平遥县；主要是因为祁县单位面积经济产量达到了17.03 t·hm-2，但种植面积却仅占全市的9.79%，而平遥县则是因为种植面积大，占全市的14.18%；三级区3 个，为榆次区、太谷区、昔阳县，虽然榆次区、太谷区单位面积经济产量分别达到了17.84 t·hm-2、20.64 t·hm-2，但种植谷子、高粱等草谷比系数相对较高的作物面积却相对较小；四级区5 个，为榆社县、左权县、和顺县、灵石县、介休市，主要是因为这5 个县（市、区）单位面积经济产量低且种植面积小。

图3 2020 年晋中市作物秸秆可收集资源量空间分布Fig.3 Spatial distribution of collectable crop straw resources in Jinzhong City in 2020

2.3 晋中市作物秸秆全量化利用分析

2.3.1 秸秆肥料化利用

根据2021 年《山西省统计年鉴》，2020 年末晋中市实有耕地面积为35.82 万hm2，按照农业部发布的《区域农作物秸秆全量处理利用技术导则》中华北农区秸秆还田量推荐范围为3~9 t·hm-2，按最低还田量3 t·hm-2计算，则所需秸秆量为107.46 万t，扣除留茬量36.05 万t，还需71.41 万t 秸秆进行肥料化利用，占秸秆可收集资源量的43.31%。根据各县（市、区）的耕地面积，估算了晋中市秸秆肥料化需求量的空间分布特征，如图4（a）所示，寿阳县秸秆肥料化需求最大，榆次区、平遥县次之，主要和其耕地面积相对较大有关；虽然左权县、榆社县、和顺县、灵石县、介休市的耕地面积较祁县、太谷县小，但其肥料化需求却在祁县、太谷县之上，主要是因为秸秆留茬量小。

图4 晋中市肥料化、饲料化需求量空间分布Fig.4 Spatial distribution of fertilizer and feed demand in Jinzhong City

2.3.2 秸秆饲料化利用

根据晋中市秸秆资源综合利用计划，预计推进秸秆饲料化利用39 万t，占秸秆可收集资源量的23.65%，可喂养羊55.71 万只羊或牛、马、驴等大型牲畜11.14 万头；根据2021 年山西统计年鉴，2020 年末晋中市羊存栏量为99.81 万只，大型牲畜存栏量为14.42 万只，由此可见，若全部满足羊、牛、马、驴的饲料需求，需要秸秆120.34 万t，预计推进的秸秆饲料化利用量仅占到需求量的32.41%。根据各县（市、区）的食草性牲畜的年末存栏数量，估算了晋中市秸秆饲料化需求量的空间分布特征，如图4（b）所示，晋中市秸秆饲料化需求量较多的区域主要集中于晋中市中部地区，其中祁县秸秆饲料化需求最大，要远远大于其他县（市、区），在27 万t 以上，即便把全县可收集秸秆用于制备饲料，也还有4.88 万t 的缺口，主要是因为其大型牲畜的年末存栏量就占到了全市的38.29%，同时羊的年末存栏量也高于平均水平。

2.3.3 秸秆基料化和原料化利用

根据调查，晋中市食用菌种植主要为平菇、双孢蘑菇。2020 年食用菌总量0.52 万t，所需秸秆量为3.77 万t，占可收集资源量的2.29%；此外，根据晋中市秸秆资源综合利用计划，预计推进秸秆原料化利用1 万t，占可收集资源量的0.61%。

2.3.4 秸秆能源化利用

除去以上肥料化、饲料化、基料化、原料化利用的秸秆量，剩余可利用的秸秆数量为49.72 万t，占可收集资源量的30.15%，可以进行热解气化、沼气化、炭化、生产固化成型燃料等能源化利用。

2.4 作物秸秆全量化利用碳中和强度及空间分布

如图5 所示，各县（市、区）作物秸秆能源化利用的碳中和强度最高，在0.2~0.7 tCO2eq·hm-2之间，其次为肥料化利用、饲料化利用，其碳中和强度分别在0.02~0.12、0~0.125 tCO2eq·hm-2，基料化利用和原料化利用的碳中和强度最低，分别在0.005~0.030、0.005~0.025 tCO2eq·hm-2。介休市除了饲料化利用外，其余4 种资源化利用方式的碳中和强度都比其他县（市、区）要高，主要是因为其区域面积同比最小；祁县除了肥料化利用外，其余4 种资源化利用方式的碳中和强度也都相对较高，尤其是饲料化利用的碳中和强度，要明显高于其他县（市、区），主要是因为其羊、牛、马、驴等牲畜的养殖数量多，饲料化利用潜力最大，同时区域面积也相对较小；东部地区的昔阳县、和顺县、左权县、榆社县的各种资源化利用方式的碳中和强度都相对较小，主要是因为东部地区虽然区域面积较大，但山地面积占比较大，可耕地面积较小；寿阳县除肥料化利用碳中和强度相对较大之外，其余利用方式的碳中和强度都相对较小，主要是因为寿阳县的耕地面积最大，肥料化需求最高。整体来看，各县（市、区）作物秸秆资源化利用的碳中和强度在0.5~2.5 tCO2eq·hm-2之间，西南部地区的祁县、平遥县、介休市的碳中和强度最高，其次为榆次区、太谷区、灵石县，主要是因为这些地区的区域面积相对较小，但地势相对平坦、水资源相对充足，适宜农作物的种植。

图5 作物秸秆全量化利用碳中和强度空间分布Fig.5 Spatial distribution of carbon neutralization intensity of the full quantitative utilization of crop straw

3 讨论

明确市域秸秆资源总量、类型、全量化利用潜力及其空间分布特征是对秸秆进行资源化利用并进行科学规划的基础，同时从全生命周期的角度评估各种资源化利用方式下的固碳减排量对于促进当地“双碳”目标的实现以及经济社会的协调发展有着重要的作用。本文在计算秸秆资源化利用潜力时所用到的草谷比系数和可收集系数这2 个关键参数，都是引用的其他学者的相关研究成果，并没有进行实测和现场调研，因此计算出的结果可能与实际情况有出入。计算表明，晋中市2020年主要农作物秸秆可收集资源量为164.90 万t，主要以玉米秸秆为主，这与杜艳玲等［38］的研究结果一致，玉米秸秆占比高达84.66%，主要集中于中部和东北部地区。寿阳县的作物秸秆可收集资源量最大，肥料化需求也最大，应该重点推进秸秆还田，聚焦秸秆的肥料化利用，同时碳中和强度可达到0.04~0.06 tCO2eq·hm-2；祁县的作物秸秆可收集资源量仅次于寿阳县，饲料化需求最大，应该重点聚焦秸秆的饲料化利用方式，改进饲料生产工艺，提高饲料化利用效率，同时碳中和强度可达到0.100~0.125 CO2eq·hm-2。单位秸秆原料化利用的固碳减排能力最高，为1.83 tCO2eq·t-1，与霍丽丽等［13］的研究结果存在一定差异，主要是因为核算边界以及测算相关参数不是完全一致。虽然单位秸秆原料化利用的固碳减排能力最高，但目前进行原料化利用的数量却最少，各级政府应该出台相应政策，鼓励并支持建设一批利用作物秸秆生产人造板和纸张的厂家，增加秸秆的原料化利用率。市域作物秸秆能源化利用碳中和强度最高，在0.2~0.7 tCO2eq·hm-2，在5 种常见的能源化利用方式中，制备成型燃料和进行打捆供暖的固碳减排能力也相对较高，可以优先考虑这2 种能源化利用方式，但生产燃料乙醇所带来的经济效益要明显高于其他方式，所以各级政府也应该鼓励建设一批生物质燃料乙醇企业。东部地区由于其山地面积占比较大，不适宜作物种植，除了必要的秸秆还田外，当地政府应该重点推进秸秆的能源化、原料化利用。

4 结论

本文对2020 年晋中市作物秸秆的构成、全量化利用潜力以及各利用方式下的碳中和强度及其空间分布特征进行初步分析，并估算了作物秸秆全量化利用碳减排经济效益。结果表明，单位秸秆原料化利用的固碳减排能力最高，市域作物秸秆能源化利用碳中和强度最高。寿阳县的作物秸秆可收集资源量最大，肥料化需求最大，应该重点推进秸秆科学还田，提高秸秆肥料化利用效率；祁县的牲畜饲养量大且饲料化碳中和强度最高，应该重点聚焦秸秆的饲料化利用方式，提高饲料化利用效率；东部地区由于其山地面积占比较大，不适宜作物种植，除了必要的秸秆还田外，应该重点推进秸秆的能源化、原料化利用。各级政府应当基于当地的“双碳”目标，结合秸秆综合利用现状，因地制宜的制定促进秸秆综合利用的各项政策，进一步提高秸秆综合利用率，同时也能实现环境效益和经济效益的双赢。