秸秆有机肥全生命周期碳排放核算及碳减排措施

石岩 李妍 冯磊 吴迪 李冰

摘    要：秸稈作为农业生产重要的副产物和有机肥源，可以加工成有机肥，合理替代化肥，是农业生产化肥减量、增效的重要手段。本研究针对秸秆有机肥的产品特征，基于国际通用方法学，采用排放因子法，科学建立了秸秆有机肥全生命周期的碳排放核算方法，并以天津市某农业园区作为示范，核算了区域内蔬菜秸秆有机肥全生命周期的碳排放量，并提出减排措施。结果表明：秸秆有机肥生产及资源化利用的全生命周期过程中，有机肥好氧发酵产生的CH₄和N₂O的碳排放量所占比重较大，应采取改进好氧发酵装备结构、优化有机肥生产线的设备选型、提高成套装备的智能化水平、就近加工利用、采用节能型运输车辆等技术手段，有效降低秸秆有机肥全生命周期的碳排放量。研究成果为精准掌握农业碳排放情况及评估农业减排措施的效果提供了技术支撑。

关键词：秸秆有机肥；全生命周期；碳排放；碳核算；排放因子法

中图分类号：X71         文献标识码：A          DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2024.01.013

Accounting of Carbon Emission from Straw Organic Fertilizer during Its Whole Life Cycle and Carbon Reduction Measures

SHI Yan1， LI Yan1， FENG Lei2，WU Di1，LI Bing1

（1. Tianjin Academy of Agricultual Sciences， Tianjin 300384， China；2.Tianjin Agricultural Development Service Center， Tianjin 300061， China）

Abstract： As an important by-product and the source of organic fertilizer of agricultural production， straw can be processed into organic fertilizer and reasonably replace the chemical fertilizer， which was an important method of reducing the application rate of chemical fertilize and increasing its efficiency in agricultural production. This study focused on the product characteristics of straw organic fertilizer and was based on international general methodology. The emission factor method was adopted and the carbon emission accounting method for the whole life cycle of straw organic fertilizer was scientifically established. An agriculture demonstration district was taken as a demonstration in Tianjin， the carbon emission during the whole life cycle of vegetable straw organic fertilizer in the region was calculated， and the emission reduction measures were proposed. The results showed that in the whole life cycle of straw organic fertilizer production and resource utilization， the carbon emissions of CH₄and N₂O generated by aerobic fermentation of organic fertilizer accounted for a large proportion. Technical means such as improving the structure of aerobic fermentation equipment， optimizing the equipment selection of organic fertilizer production lines， improving the intelligence level of complete sets of equipment， nearby processing and utilization， and adopting energy-saving transport vehicles should be adopted to effectively reduce the carbon emissions of straw organic fertilizer throughout its life cycle. The research results provide technical support for accurately grasping agricultural carbon emissions and evaluating the effect of agricultural emission reduction measures.

Key words： straw organic fertilizer; whole life cycle; carbon emission; carbon accounting； emission factor method

实现“碳达峰、碳中和”，是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策，是立足新发展阶段、贯彻新发展理念、构建新发展格局、推动高质量发展的内在要求。我国正采取有力措施实现二氧化碳（CO₂）年排放量于2030年前达到峰值，2060年前实现碳中和的目标，展现出了中国绿色低碳发展的决心^[1-3]。农业是甲烷（CH₄）、氧化亚氮（N₂O）等温室气体的重要排放源，我国农业温室气体排放量在总量中占比高达11%。同时，农业又是一个巨大的碳汇系统。健康的农业生态系统可以抵消掉80%因农业导致的全球温室气体排放量^[4]。因此，农业农村减排固碳既是重要举措，也是潜力所在。

秸秆作为农业生产的重要副产物和有机肥源，富含多种营养成分，可以改良土壤、培肥地力和实现农业可持续发展，是世界上第一大可再生资源^[5-7]。《中华人民共和国循环经济促进法》第三十四条明确提出了“对农作物秸秆、畜禽粪便、农产品加工业副产品、废农用薄膜等进行综合利用， 开发利用沼气等生物质能源”。利用秸秆加工成有机肥来合理替代化肥，是农业生产中化肥减量、增效的重要手段，也是实现我国化肥零增长目标的重要途径之一^[8-9]。

目前，很多学者聚焦于秸秆有机肥发酵参数优化、发酵设备性能提升、有机肥施用效果等方面的研究^[10-12]，而对秸秆有机肥全生命周期碳排放情况鲜有报道。碳排放量计算是“碳达峰、碳中和”的重要理论依据，通过计算可以得到每年的碳减排量数值及逐年变化趋势^[13]。因此，本研究基于国际通用方法学，采用排放因子法，建立了秸秆有机肥全生命周期的碳排放核算方法，并进行了示范应用，为精准掌握农业碳排放情况及评估农业减排措施的效果提供了技术支撑。

1 秸秆有机肥全生命周期碳排放核算方法

1.1 核算方法的确立

目前，农业农村领域采用的碳排放核算方法主要有：排放因子法、物料平衡法和实测法^[14-15]。排放因子法是依照碳排放清单列表，针对每一种排放源构造活动数据与排放因子，以投入的能源使用量和排放因子的乘积作为该排放项目的碳排放量估算值。物料平衡法可以根据每年用于国家生产生活的新化学物质和设备，计算为满足新设备能力或替换去除气体而消耗的新化学物质份额。实测法通过测量和记录碳排放源的实际排放量，然后将这些数据进行计算和分析，得出碳排放的总量。3种碳排放核算方法相比较，排放因子法有成熟的核算公式、活动数据和排放因子数据库，适用于宏观、中观和微观尺度，应用最为普遍。物料平衡法适用于宏观和中观尺度，方法论认识尚不统一，需要纳入考虑范围内的排放中间过程较多，权威数据获取困难，容易出现系统误差。实测法应用时间较长，方法缺陷最小，但投入较大，数据获取相对困难。

针对秸秆有机肥的产品特征，綜合考察碳排放核算方法的适用范围和可操作性，采用排放因子法进行秸秆有机肥全生命周期的碳核算。核算遵循相关性、完整性、一致性、准确性、透明性的原则，核算碳排放量具体包括：识别排放源和温室气体种类、选择核算方法和功能单位、选择与收集活动数据和排放因子、计算项目排放量。根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）提供的碳核算基本方程为：

温室气体（GHG）排放=活动数据（AD）×排放因子（EF）（1）

式中，AD是导致温室气体排放的生产或消费活动的活动量；EF是与活动水平数据对应的系数，表征单位生产或消费活动量的温室气体排放系数。

1.2 排放源和温室气体种类识别

生命周期是指某一产品（或服务）从取得原材料，经生产、使用直至废弃的整个过程，即从摇篮到坟墓的过程^[16]。秸秆有机肥的全生命周期包括秸秆废弃物的产生、收集、运输、有机肥加工、有机肥施用的全过程，如图1所示。

秸秆废弃物经粉碎后，常规采用好氧发酵工艺加工成有机肥产品。好氧发酵是通过调控水分、碳氮比（C/N）、通风量等参数，经微生物的发酵作用和一系列的物理、化学反应，将不稳定有机物通过分解转化为安全、稳定的腐殖质物质的过程^[17]。与其他技术相比，堆肥能有效实现秸秆废弃物的减量化、无害化和资源化。秸秆废弃物好氧发酵过程中，可生物降解的有机碳大部分转变为CO₂，剩余固体部分用作肥料；CH₄产生于堆肥处理的厌氧部分，但其氧化很大程度上发生在堆肥处理的有氧部分；堆肥处理还会产生N₂O排放。根据IPCC关于农业温室气体排放的指南^[18]，堆肥过程产生的CO₂不计为全球变暖的贡献因子。因此，堆肥过程中产生的温室气体主要考虑CH₄和N₂O。

表1列出了秸秆有机肥全生命周期排放源和温室气体种类。秸秆废弃物的产生和收集过程碳排放量较少，且难于量化计算，为了简化计算不予考虑。废弃物运输到有机肥加工点位以及加工后的有机肥运输到施用点的过程主要是运输车辆化石燃料燃烧产生的碳排放量，监测指标为CO₂。在加工有机肥过程中碳排放来源主要包括加工设备运行用电产生的碳排放，监测指标是CO₂，以及发酵过程中的CH₄和N₂O排放。化肥生产是高能耗、高碳排放过程^[19]，废弃物经微生物降解形成有机肥，可以替代部分化肥进行土地利用，避免了化肥生产过程所带来的能量消耗及碳排放，从而起到碳汇的效果。

1.3 功能单位

评价产品温室气体排放水平，即描述特定数量的产品功能单元的输入及其相关的排放。功能单位作为基准单位来量化产品系统性能。功能单位是一个重要因素，它提供了比较的基础，同时为核算结果提供了一个通报基础。只要明确了分析单元与功能单位之间的关系，就可以在分析结束时转换回功能单位。功能单位的定义通常是某一特定产品的一个有意义的数量。本研究中，功能单位定义为1 t秸秆废弃物。活动水平数据和排放量计算均以1 t秸秆废弃物为基础，排放量计算结果表示为每吨秸秆废弃物的温室气体排放量。所有温室气体按照IPCC最新公布的温室气体全球升温潜势值（GWP）换算为二氧化碳当量（CO₂e），以千克二氧化碳当量（kgCO₂e）或克二氧化碳当量（gCO₂e）表示。N₂O和CH₄造成的温室效应分别乘以298、25折算为CO₂e。

1.4 碳排放核算方法

秸秆废弃物产生和收集阶段的碳排放较少且难于量化计算，因此，以秸秆废弃物运输、有机肥加工、运输、有机肥施用的空间范围为边界识别、核算和报告边界内所有与秸秆废弃物处理相关的直接和间接的温室气体排放。估算温室气体排放量的排放因子参数主要参考《2006年IPCC国家温室气体清单指南》。

（1）有机肥加工装置用电的碳排放量计算

式中，ECO₂为加工装置用电的温室气体排放量，kgCO₂e；W为秸秆废弃物总量，t； C_electricity为有机肥加工的单位电耗，kWh·t^-1；β为电的CO₂排放因子。

（2）好氧发酵过程CH₄和N₂O的碳排放量计算

（3）运输过程的碳排放量计算

秸秆废弃物运输到有机肥加工点位及有机肥料运输到施用点位的化石燃料燃烧产生的碳排放量计算公式为：

E_燃料=m_燃料×EF（4）

式中，E_燃料为化石燃料的温室气体排放量，kgCO₂e；m_燃料为化石燃料的消耗量，kg；EF为化石燃料对应温室气体排放因子，kg·kg^-1。

（4）有机肥的碳减排量计算

由秸秆废弃物产生的有机肥料等同于尿素量：

W_U=W_OθC_N（ M_urea/M_C） ρ（5）

式中，W_U为秸秆废弃物产生有机肥料等同的尿素量；W_O为好氧发酵处理有机物的质量，kg；  θ为堆肥产品产率，%；C_N为堆肥产品中氮元素含量，%；M_urea、M_C为尿素和碳的分子质量；ρ为堆肥产品的有效利用率，%。

有机肥料对应的碳减排量公式为：

式中，ECO₂为堆肥产品利用引起的CO₂排放量，kgCO₂e； ?为尿素的煤耗系数；γ 为标准煤的CO₂排放因子；σ为尿素的电耗系数；β为电的CO₂排放因子。

（5）秸秆有机肥全生命周期的碳排放量计算

秸秆有机肥全生命周期碳排放量=好氧发酵装置用电的碳排放量+CH₄的碳排放量+N₂O的碳排放量+运输过程碳排放量-有机肥的碳减排量    （7）

2 示范区秸秆有机肥碳核算

2.1 示范区概况

以天津市某农业园区作为示范区域，核算区域内秸秆有机肥的碳排放情况。该农业园区占地面积200 hm2，秸秆废弃物年产量约420 t。园区内建有废弃物处理站，能够将示范区内秸秆废弃物无害化处理后加工成有机肥。

示范区内秸秆废弃物收集后运输到废弃物处理站，运输距离为1 km，废弃物处理站采用粉碎、条剁式好氧发酵、筛分、包装等为主的有机肥加工生产线，生产线平均用电为23 kWh·t^-1，加工的有机肥施用到周边的农田，平均运输距离为20 km。

2.2 示范区秸秆有机肥全生命周期碳排放核算

（1）有机肥加工装置用电的碳排放量计算

示范区年产秸秆废弃物总量W约420 t；有机肥加工生产线的平均单位电耗C_electricity为23 kWh·t^-1；根据BP中国碳排放计算器，电的CO₂排放因子β取0.997 kg·（kWh）^-1。有机肥加工装置用电产生的碳排放量为：

（2）好氧发酵过程CH₄和N₂O的碳排放量计算

（3）运输过程的碳排放量计算

运输车辆燃油类型为柴油。按照秸秆堆肥产率40%、采用載质量2 t的轻型卡车计算，秸秆废弃物运输到处理站需要210车次，秸秆有机肥运输到周边农田需要84车次，按照平均油耗0.18 L·km^-1计算化石燃料的消耗量m燃料；IPCC推荐化石燃料的排放因子EF为3.145。运输过程化石燃料燃烧产生的碳排放量为：

E_燃料=m_燃料×EF=（0.18×1×210+0.18×20×84）×3.145=1 069.9 kgCO₂e（11）

（4）有机肥的碳排放量计算

经测试，有机肥产品产率θ为40%，有效利用率ρ为70%；有机肥产品中氮元素含量CN平均为1.5%。由秸秆产生的有机肥料等同于尿素量为：

W_U=W_OθC_N（M_urea/M_C）ρ=420 000×0.4×0.015×（60/12）×0.7=8 820 kgCO₂e （12）

根据BP中国碳排放计算器，尿素的煤耗系数?为1.55；标准煤的CO₂排放因子γ为2.493；尿素的电耗系数σ为0.45 kWh·kg^-1；电的CO₂排放因子β为0.997 kg·（kWh）^-1。有机肥料对应的碳减排量为：

E_CO2= W_U（?γ +σβ）=8 820×（1.55×2.493+0.45×0.997）=38 040.7 kgCO₂e（13）

（5）秸秆有机肥全生命周期的碳排放量计算

秸秆有机肥全生命周期碳排放量=有机肥加工装置用电的碳排放量+好氧发酵CH₄的碳排放量+好氧发酵N₂O的碳排放量+运输过程的碳排放量-有机肥的碳减排量=9 631+29 400+26 283.6+1 069.9-38 040.7=28 343.8 kgCO₂e=28.34 tCO₂e（14）

綜上得出，示范区内秸秆废弃物年产量420 t的规模下，秸秆有机肥全生命周期的碳排放量为28.34 tCO₂e，即每吨秸秆有机肥全生命周期的碳排放量为67.5 kgCO₂e。

2.3 示范区秸秆有机肥全生命周期碳排放分析

示范区秸秆有机肥全生命周期碳排放环节主要包括有机肥加工装置用电、好氧发酵产CH₄、好氧发酵产N₂O和运输过程4个部分，如图2所示。其中，好氧发酵产CH₄的碳排放量占比为44.29%，好氧发酵产N₂O的碳排放量占比为39.59%，是主要的碳排放环节；其次是有机肥加工装置用电，占碳排放总量的14.51%；由于示范区秸秆废弃物是就近加工和田间利用，运输过程碳排放量较少，仅占碳排放总量的1.61%。秸秆有机肥代替部分化肥产生的碳减排量占碳排放环节排放量的57.3%。

3 结论与建议

3.1 结论

（1）项目针对秸秆有机肥的产品特征，基于国际通用方法学，采用排放因子法，建立了秸秆有机肥全生命周期的碳排放核算方法。

（2）以天津市某农业园区作为示范区域，采用建立的秸秆有机肥全生命周期碳排放核算方法，核算了区域内秸秆有机肥的碳排放情况。结果表明，示范区内秸秆废弃物年产量420 t的规模下，秸秆有机肥全生命周期的碳排放量为28.34 tCO₂e，即每吨秸秆有机肥全生命周期的碳排放量为67.5 kgCO₂e。

（3）秸秆有机肥生产及资源化利用的全生命周期过程中，有机肥好氧发酵产生的CH₄和N₂O的碳排放量所占比重较大，应采取改进好氧发酵装备结构、优化运行参数、添加外源物等技术手段，优化好氧发酵过程，减少CH₄和N₂O的排放，从而有效降低秸秆有机肥生产过程中的碳排放量；优化有机肥生产线的设备选型和运行参数，提高成套装备的智能化水平，能够有效降低有机肥加工装置用电产生的碳排放量；秸秆废弃物就近加工利用并采用节能型运输车辆，能够显著降低运输过程的碳排放量。

（4）秸秆有机肥资源化利用是碳汇的过程，我国应秉承生产与生态兼顾、减量与增效协同、安全与有效并重的原则，推进化肥减量化，促进有机肥科学合理施用，探索不同区域、不同作物的有机无机配施技术模式，对实现我国农业减污降碳、碳汇提升具有重大的意义。

3.2 建议

（1）好氧发酵过程CH₄和N₂O的大量排放不仅会造成堆肥产品的养分含量降低，还会引发严重的环境问题，可采取改进好氧发酵装备结构、优化进气温度、通风速率等运行参数、添加外源物等技术手段，减少秸秆堆肥过程中的温室气体排放。

（2）综合考虑有机肥加工的生产规模、当地气候特点、原材料的特性、场地及环境要求等因素，优化粉碎机、搅拌机、发酵装置、造粒干燥设备等有机肥生产线的设备选型和运行参数，提高成套装备的智能化水平，使堆肥、配方工艺、设备三者有机结合，有效降低有机肥加工装置用电产生的碳排放量。

（3）提倡秸秆废弃物的就近加工利用，同时采用节能型运输车辆，利用运筹学方法，从距离、时间、成本等角度优化识别运输车辆行驶路线，建立较为完备的运输路径规划体系^[20-21]，显著降低运输过程的碳排放量。

（4）促进秸秆有机肥科学合理施用，探索不同区域、不同作物的有机无机配施技术模式，减少化肥施用量，在实现减肥、增产、固碳、降污多重效果的同时，增强秸秆有机肥的碳汇能力。

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收稿日期：2023-12-19

基金项目：科技智库青年人才计划“蔬菜秸秆有机肥在设施农业中固碳量及碳排放效应评价”（20220615ZZ07110231）；天津市科技支撑项目“蔬菜秸秆膜处理技术及装备研发”（20YFZCSN00740）

作者简介：石岩（1980—），女，河北唐山人，正高级工程师，博士，主要从事乡村环境治理与碳减排研究。

通讯作者简介：李妍（1979—），女，吉林四平人，副研究员，硕士，主要从事农业废弃物处理与资源化利用研究。