江蘇省農(nóng)作物秸稈的生物天然氣潛力及其溫室氣體減排估算

郭瑞琦 張雅聰 桑明娟 萬濛 徐霞

摘要以適宜我國江蘇省生物天然氣生產(chǎn)的各類農(nóng)作物秸稈的資源量為基礎(chǔ)，以江蘇省生物天然氣的生產(chǎn)潛力為核心討論其溫室氣體減排潛力。通過篩選的草谷比系數(shù)對江蘇省秸稈資源進行全面系統(tǒng)的估算，并對江蘇省秸稈資源量的區(qū)域分布規(guī)律進行探討。研究結(jié)果顯示，2012年江蘇省理論秸稈資源量約4 840萬t，其中水稻秸稈占秸稈資源總量的49%，小麥秸稈約占26%；可獲得量約為3 934萬t；秸稈的能源資源量為2 359萬t。秸稈的生物天然氣潛力為638 641萬m3，其溫室氣體減排潛力為1 114.43萬t。江蘇省秸稈資源分布蘇北地區(qū)最高，蘇中地區(qū)其次，蘇南地區(qū)最低。該研究結(jié)果可為江蘇省秸稈資源利用提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞生物天然氣；農(nóng)作物秸稈；溫室氣體減排

中圖分類號S216.2文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）34-111-04

生物燃氣，也稱生物天然氣，是指從生物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來的燃氣，包括沼氣、合成氣和氫氣。目前只有沼氣具有成本優(yōu)勢，所以一般所說的生物燃氣主要是指沼氣[1]。生物質(zhì)氣化有著悠久的歷史，特別是其在第二次世界大戰(zhàn)期間在歐洲的應(yīng)用[2]。近幾年，其他西方發(fā)達國家如美國、英國、新西蘭等也發(fā)展了不少生物天然氣工程[3]。與其他形態(tài)的生物能源相比，生物天然氣擁有最高的單位面積能量產(chǎn)出[4]?？梢娫跍厥覛怏w減排方面，生物天然氣與常規(guī)化石燃料，以及其他生物能源相比，都有極顯著的優(yōu)越性。

在我國，生物天然氣最初僅被作為一種能源的補充。直至20世紀70年代，人們才嘗試將沼液應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)其不僅能提高作物產(chǎn)量，還能增強作物抗病性和耐凍性。隨后人們又逐漸發(fā)現(xiàn)沼液在喂豬和養(yǎng)魚，沼渣在提高土壤肥力等方面均有很好的效果。隨著生物天然氣發(fā)酵產(chǎn)物作用的陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，生物天然氣綜合利用也逐漸發(fā)展起來[5]。近年來我國天然氣的需求越來越大，缺口也在逐漸增加。據(jù)我國國家能源局預(yù)測，2020年我國天然氣在一次能源消費中的比重將提高到10%以上，而天然氣缺口也會隨著全國一次能源總消費量比例的提高而提高，這個缺口的大部分完全可以用生物天然氣來彌補。

由于生物天然氣具有清潔、環(huán)保的特點，我國在近年來開始逐步加大對其潛能的探索與資金的投入。而江蘇省作為沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，科學(xué)技術(shù)發(fā)達，具有將秸稈綜合利用的先天優(yōu)勢。農(nóng)作物固體廢棄物的能源化利用，尤其是農(nóng)作物秸稈的生物天然氣利用是江蘇省發(fā)展環(huán)保型農(nóng)業(yè)的重要手段[6]。因此，對江蘇省農(nóng)作物秸稈生物天然氣潛力及其溫室氣體減排的估算，不但有助于對秸稈這一農(nóng)作物所帶來的自然資源進行有效的資源配置及利用，更可以加大江蘇省對生物質(zhì)資源的重視，從而促進江蘇省乃至全國各個省市環(huán)保型農(nóng)業(yè)項目的發(fā)展。

1研究對象、方法

1.1研究對象

以江蘇省小麥、稻谷、玉米、豆類、薯類、油料、棉花等主要農(nóng)作物的秸稈作為研究對象，分析并計算各市農(nóng)作物秸稈資源潛力以及生物秸稈天然氣潛力，以秸稈所提供的生物天然氣計算溫室氣體減排潛力。

1.2研究方法

首先篩選草谷比系數(shù)、我國各類秸稈收集系數(shù)數(shù)據(jù)，以建立相對完善的統(tǒng)計計算體系，然后對江蘇省各市農(nóng)作物秸稈理論蘊含量、可獲得量、能源資源量以及生物秸稈天然氣潛力進行研究計算，最后通過替代能源減排的方法來估算沼氣的溫室氣體減排效果。

數(shù)據(jù)來源：2012年江蘇省各市統(tǒng)計年鑒。

2農(nóng)作物秸稈資源潛力

2.1理論蘊藏量

理論資源量是指某一區(qū)域秸稈的年總產(chǎn)量，表明理論上該地區(qū)每年最大可能生產(chǎn)的秸稈資源量。由于江蘇省農(nóng)作物秸稈資源分布比較分散，很難直接計算其資源量，一般通過草谷比系數(shù)進行估算。草谷比系數(shù)指植株秸稈與收獲糧食或產(chǎn)品之間的比值。根據(jù)農(nóng)作物的產(chǎn)量與草谷比系數(shù)的乘積計算農(nóng)作物秸稈的理論蘊含量。計算公式如下式所示：TRAstraw=ni=1Pi×λi

式中，TRAstraw（Theoretical Resources Amount）為秸稈資源的理論蘊藏量（t）；Pi為第i種農(nóng)作物的產(chǎn)量（t）；λi為第i類農(nóng)作物的草谷比系數(shù)。我國主要農(nóng)作物草谷比系數(shù)見表1。

在江蘇省，由于地理位置與氣候的原因，小麥和稻谷的產(chǎn)量較高。其中小麥總量為1 709萬t，占全省總量的39.69%，稻谷總量為1 431萬t，占全省總量的33.25%。可見在江蘇省各種秸稈資源中所占比重最大的是小麥和稻谷秸稈。研究主要農(nóng)作物秸稈的蘊含量，有利于開發(fā)農(nóng)作物秸稈高效利用，促進生物質(zhì)能源的規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[10]。因此，江蘇省各市應(yīng)加大對這兩種秸稈利用的重視程度。

經(jīng)計算匯總，全省秸稈的理論蘊含量為4 840萬t，其中排在前3名的分別是鹽城市、徐州市和南通市?？捎^的秸稈蘊含量體現(xiàn)了江蘇省豐富的秸稈資源，為江蘇省農(nóng)作物秸稈的綜合利用提供了堅實的基礎(chǔ)。

2.2可獲得量

可獲得量是指某一區(qū)域通過現(xiàn)有收集方式可供實際利用的最大秸稈數(shù)量，可通過理論資源量乘以收集系數(shù)來確定。由于并非所有的秸稈資源都能有效收集，在排除了收集損失后的秸稈資源量才是秸稈資源的可獲得量。計算公式如下式所示：

ARAstraw=ni=1TRAi×ηi。

式中，ARAstraw（Available Resources Amount）為秸稈資源的可獲得量（t）；TRAi為理論資源量（t）；ηi為收集系數(shù)。目前，主要的秸稈農(nóng)作物的收集系數(shù)如表2所示。根據(jù)所查資料，筆者以各類秸稈的收集平均系數(shù)作為該研究的計算系數(shù)。

根據(jù)經(jīng)濟發(fā)展狀況及地理位置等情況，江蘇可以劃分為蘇北（連云港、宿遷、徐州、鹽城和淮安）、蘇中（揚州、泰州和南通）和蘇南（鎮(zhèn)江、南京、無錫、蘇州和常州），其中蘇北秸稈資源可獲得量為2 168萬t，占全省55%；蘇中為1 096萬t，占全省的28%；蘇南為670萬t，占全省的17%（圖1）。通過圖1可知，江蘇省蘇南、蘇中、蘇北的秸稈資源可獲得量具有顯著差異，其中蘇中及蘇北的秸稈資源可獲得量占全省的83%，可見江蘇省秸稈資源應(yīng)側(cè)重蘇中以及蘇北的開發(fā)。

2.3能源資源量

除開必要的畜牧飼料和工業(yè)原料外，生活燃料、秸稈還田、廢棄及燒掉部分的秸稈是秸稈可能源化利用的主體。計算公式如下式所示：EURAstraw=ni=1ARAi×βi。

式中，EURAstraw（Resources Amount for Energy Use）為可用于能源的資源量（t）；ARAi為可獲得量（t），βi為能源使用率（%）。江蘇省能源資源量由高到低前5名分別是鹽城、徐州、南通、連云港和宿遷，其中4個為蘇北城市，可見在能源資源量方面蘇北明顯高于蘇中和蘇南。

通過對江蘇省各個市秸稈的理論蘊含量、可獲得量以及能源資源量進行分析后，不難發(fā)現(xiàn)江蘇省的秸稈資源不但儲量豐富且存在地區(qū)差異。為更清晰地表示各個市的農(nóng)作物秸稈資源潛力，筆者采用圖2對江蘇省各市農(nóng)作物秸稈資源潛力進行表示。從圖2可知，江蘇省秸稈資源潛力各市差異顯著，其中排在前3名的是鹽城、徐州、南通，而秸稈資源潛力最小的則是無錫、南京、鎮(zhèn)江。從江蘇省蘇南、蘇中、蘇北3個分區(qū)來看，蘇北地區(qū)的秸稈資源潛力依然是遙遙領(lǐng)先的，蘇中緊隨其后，蘇南最少。秸稈資源潛力的地區(qū)分布差異，對江蘇省的秸稈綜合利用有借鑒意義。

VCH4為秸稈的產(chǎn)氣率（%），取值0.30 m3/kg。經(jīng)計算可得，2012年全省農(nóng)作物秸稈的生物天然氣潛力為638 641萬m3。其中鹽城市的農(nóng)作物秸稈生物天然潛力最大，為96 549萬m3；無錫市生物天然氣潛力最少，為5 816萬m3，鹽城市的生物天然氣潛力是無錫市的16倍（圖3）?？梢?，江蘇省應(yīng)加大對鹽城等生物天然氣潛力較大城市的農(nóng)作物秸稈綜合利用的扶持力度，以保證秸稈資源的充分開發(fā)。

4生物天然氣的溫室氣體減排潛力

程序等[14]引用國外的研究結(jié)果顯示以生命周期分析法（Life Cycle Assessment，LCA）計算的溫室氣體減排量（每取得1 kW·h做功的能量所排放的CO2克數(shù)），生物天然氣為-414 g，硬煤為508～807 g，核能為89 g，即便是被稱為潔凈能源的石化天然氣也達398 g。換句話說，如果當(dāng)前天然氣用量的一半用生物天然氣替代，則其溫室氣體的總排放量將為零。生物天然氣溫室氣體減排是最近幾年生物天然氣研究的熱點之一。生物天然氣替代傳統(tǒng)能源可減少CO2排放，禽畜糞便和工業(yè)廢水厭氧消化可減少CH4排放[5]。程序等[14]指出生物天然氣是所有現(xiàn)代能源中獨一無二的溫室氣體負凈排放能源。因此，大力發(fā)展生物天然氣產(chǎn)業(yè)也是溫室氣體減排的訴求。

首先將生物燃氣的燃燒熱值換成1 kg標準煤，然后通過節(jié)約1 kg標準煤等于減排2.493 kg CO2進行減排計算[15]。1標準大氣壓下1 m3普通的生物燃氣的熱值約為0.7 kg標煤的熱值。1標準大氣壓下1 m3生物燃氣作為替代能源可以相對減少CO2的排放量=2.493×0.7=1.745 kg。

計算農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)化的生物燃氣代替化石燃料所產(chǎn)生的碳減排量，由此可得江蘇省生物天然氣溫室氣體減排潛力為1 114.43萬t（圖4）。秸稈溫室氣體減排潛力與可獲得量成正相關(guān)。

5江蘇省農(nóng)作物秸稈利用的問題及對策

5.1江蘇省農(nóng)作物秸稈利用的問題

江蘇省農(nóng)作物秸稈能源豐富，但由于地域環(huán)境與開發(fā)程度，各省市的農(nóng)作物秸稈資源潛力、可獲得量等不盡相同。從江蘇省各市秸稈資源的綜合潛力來看，蘇北農(nóng)作物秸稈理論蘊含量、可獲得量、能源資源量數(shù)目可觀，是江蘇省秸稈能源需重點開發(fā)的區(qū)域，蘇中也有著大量的秸稈資源有待開發(fā)，蘇南地區(qū)最少。目前，江蘇省秸稈利用主要存在的問題有：

5.1.1農(nóng)作物秸稈資源區(qū)域差異過大。

江蘇省在農(nóng)作物秸稈資源方面地區(qū)差異過大，不同區(qū)域的農(nóng)作物秸稈資源潛力也有所不同，各個市應(yīng)該根據(jù)該市的農(nóng)作物秸稈資源量以及資源潛力來確定適合該市的農(nóng)作物秸稈利用方式，而今江蘇省的農(nóng)作物秸稈利用政策并沒有針對各個地區(qū)的具體情況分別對待?；\統(tǒng)的政策將會成為各地區(qū)秸稈能源發(fā)展的阻礙，使得各市農(nóng)作物秸稈的綜合利用面臨著利用方式不合理、江蘇省對各市資金分配不均等情況。

5.1.2農(nóng)作物秸稈資源利用不合理。

在江蘇省秸稈資源豐富的地區(qū)，豐富的秸稈資源潛力同樣也伴隨著秸稈的不合理利用，其潛力越大，秸稈的利用問題越有待解決，若缺少合理制度約束以及補貼政策，則會發(fā)生大量秸稈的不合理利用現(xiàn)象。目前，江蘇省主要以獎罰并行的方式以治理秸稈的焚燒現(xiàn)象。在《江蘇省秸稈禁燒工作考核及獎勵辦法》中規(guī)定，將對各省轄市和縣（市、區(qū)）進行“百分制”秸稈禁燒考核，對于焚燒秸稈的鎮(zhèn)（區(qū)）進行處罰，并對優(yōu)秀的鎮(zhèn)（區(qū)）及領(lǐng)導(dǎo)實施獎勵。但由于補貼尚未落實到個人，農(nóng)民還面臨著相關(guān)的補貼不到位、秸稈收集機械不足等問題，以至于個別地區(qū)秸稈焚燒現(xiàn)象屢禁不止。

5.1.3相關(guān)市場管理機制尚未成熟。

在江蘇地區(qū)，同樣存在秸稈能源生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)營不善或倒閉的現(xiàn)象。除了運作機制的因素外，根本原因還是秸稈的收、貯、運技術(shù)和裝備落后，必須創(chuàng)新、提升[16]。可見，省政府對秸稈的收集、貯存、運輸指導(dǎo)體系有待完善，對企業(yè)的相關(guān)資金、技術(shù)的支援還需加強。從生物質(zhì)能源市場方面來看，缺乏有效措施以推動秸稈能源發(fā)展。同時，政府在秸稈利用方面多為秸稈焚燒問題的禁止，對待秸稈能源多方面利用及發(fā)展的積極性有待提高。

5.2江蘇省農(nóng)作物秸稈利用的對策

5.2.1根據(jù)各市具體情況選擇秸稈利用方式。

應(yīng)針對江蘇省各市的農(nóng)作物秸稈利用情況制定符合當(dāng)?shù)啬茉窗l(fā)展的相關(guān)政策。關(guān)于江蘇省蘇南、蘇北、蘇中應(yīng)制定不同的秸稈利用策略。如2009 年8 月國家發(fā)改委正式公布的《江蘇沿海地區(qū)發(fā)展規(guī)劃》中將“鼓勵發(fā)展可再生能源與清潔能源”作為加快江蘇沿海地區(qū)發(fā)展五大領(lǐng)域重點任務(wù)內(nèi)容之一[17]。江蘇省也可將在秸稈能源方面有巨大優(yōu)勢的蘇中、蘇北地區(qū)作為省秸稈綜合利用的重點發(fā)展對象，加大對該地區(qū)的秸稈能源開發(fā)的資金投入與技術(shù)支援。并在該地區(qū)重點扶持秸稈用量大的秸桿利用企業(yè)，以實現(xiàn)大量秸稈資源的集中、高效利用。以秸稈工業(yè)原料化為例，秸稈在建筑材料領(lǐng)域內(nèi)目前的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛，秸稈消耗量大、產(chǎn)品附加值高，又能節(jié)約木材，很有發(fā)展前景[18]。此外還有大型秸稈氣化企業(yè)以及秸稈發(fā)電廠等，都適合在秸稈資源豐富的地區(qū)發(fā)展。將蘇北、蘇中豐富的秸稈資源能源化，不僅能夠解決蘇南地區(qū)能源缺口問題，還能帶動蘇北、蘇中地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，是個協(xié)調(diào)江蘇省區(qū)域經(jīng)濟平衡發(fā)展的好方法[1]。

而對于農(nóng)作物秸稈資源相對較少的蘇南地區(qū)，則應(yīng)側(cè)重對中、小型秸稈利用企業(yè)的扶持以及農(nóng)作物秸稈自用工程的資金、技術(shù)支持。特別是生物質(zhì)氣化直接供氣技術(shù)和中小型生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)，由于投資小，比較適合農(nóng)村地區(qū)分散利用，具有較好的經(jīng)濟性、社會效益和發(fā)展前景[19]。只有掌握情況、分區(qū)對待才能合理地解決江蘇省秸稈利用問題。

5.2.2加大對農(nóng)民的扶持力度。

在整個秸稈利用活動中，農(nóng)民作為秸稈能源經(jīng)濟循環(huán)中的基本主體，其對秸稈能源的高效利用有著不可忽略的地位。為此，提高農(nóng)民對秸稈利用的積極性至關(guān)重要。政府對此需采取各種激勵措施，如對機械化還田的補貼，在經(jīng)過充分調(diào)查和研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際情況制訂出各地秸稈機械化還田及補貼標準，補貼金額不得少于還田成本，并按還田標準監(jiān)督實施工作等[20]，在減少焚燒秸稈所帶來環(huán)境污染的同時保障農(nóng)民利益。也可出臺相關(guān)的焚燒補貼以減少農(nóng)民的損失，由于禁燒補貼對描述約束和禁令約束都具有積極影響，可以顯著提高農(nóng)戶親環(huán)境行為，并且禁燒補貼通過對親環(huán)境行為者的褒獎產(chǎn)生了顯著的示范效應(yīng)[21]，這對秸稈的焚燒問題有一定的借鑒作用。

5.2.3完善市場機制，提高政府積極性。

在秸稈利用的前期，地方政府應(yīng)加大對秸稈收集、貯運和利用服務(wù)體系的建設(shè)，早日完善相關(guān)資金補貼制度，以解決秸稈生產(chǎn)企業(yè)在秸稈利用過程中的收集、儲存問題。在秸稈的企業(yè)利用中，則應(yīng)繼續(xù)加強對各市農(nóng)作物秸稈項目資金、技術(shù)的支持。其中可重點扶持規(guī)?；庸そ斩掞暳?、燃料和原料的示范基地建設(shè)，利用政府信貸、稅收政策給予鼓勵[22]，以帶動地方農(nóng)作物秸稈市場發(fā)展。由于秸稈能源市場還需要一定的外部動力來推動秸稈能源經(jīng)濟鏈的內(nèi)在循環(huán)，因此可加大秸稈生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的外部性影響，如盡快出臺與碳排放相關(guān)的管理辦法，鼓勵和支持有條件的地區(qū)探索碳排放交易，結(jié)合低碳試點工作，開展碳排放試點，逐步建立碳交易制度和監(jiān)管體系[23]，采取一系列措施推動秸稈能源發(fā)展。

同時，國家對地方政府激勵還需加大。如在生物質(zhì)秸稈利用方面，可按照地方政府在環(huán)境保護專項考核中所得的分數(shù)劃分為幾個等級，分別按不同比例返還稅收[24]，使地方政府能積極扶持農(nóng)作物秸稈能源生產(chǎn)企業(yè)，主動參與到生物質(zhì)能源的發(fā)展中。

6結(jié)論和展望

基于對江蘇省各市的農(nóng)作物秸稈的資源潛力以及溫室氣體減排潛力的正確估算，可知江蘇省農(nóng)作物秸稈資源存在資源潛力大、區(qū)域分布差異明顯等特點。因此，在江蘇省農(nóng)作物秸稈的綜合利用中更需要針對不同地區(qū)分別對待，才可以實現(xiàn)生物質(zhì)秸稈資源的高度利用，促進江蘇省乃至全國各省的環(huán)保型農(nóng)業(yè)的發(fā)展。同時，在農(nóng)作物秸稈利用中，更需要政府細化扶持對象，加大對農(nóng)民、企業(yè)的資金、技術(shù)的支持，并出臺詳細的農(nóng)作物秸稈能源市場管理辦法，以解決農(nóng)作物秸稈不合理利用帶來的環(huán)境問題，使江蘇省農(nóng)作物秸稈發(fā)揮其最大的生物天然氣減排潛力。

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