農(nóng)作物秸稈資源生態(tài)轉(zhuǎn)化方式分析

蘇世偉++朱文++聶影

摘要：分析了我國農(nóng)作物秸稈的資源稟賦，比較了秸稈資源生態(tài)轉(zhuǎn)化技術(shù)，探討了國內(nèi)外秸稈資源生態(tài)轉(zhuǎn)化的發(fā)展進(jìn)程與制約因素。結(jié)果表明，2012年我國主要農(nóng)作物秸稈資源總量約7.50億 t，折合標(biāo)準(zhǔn)煤3.88億 t；我國秸稈資源空間分布差異顯著，在經(jīng)濟(jì)富裕地區(qū)、地廣人稀的產(chǎn)糧地區(qū)和能源產(chǎn)區(qū)秸稈資源豐富，生態(tài)轉(zhuǎn)化潛力較大；秸稈資源的原料化和能源化利用是我國生態(tài)轉(zhuǎn)化的2種可行方式；農(nóng)作物秸稈密度較低的資源屬性、企業(yè)管理與技術(shù)創(chuàng)新水平較低、現(xiàn)有政策制度設(shè)計和監(jiān)督實施的缺陷，是秸稈規(guī)模化利用的主要制約因素。

關(guān)鍵詞：農(nóng)作物；秸稈；生態(tài)轉(zhuǎn)化；原料化；能源化

中圖分類號： F062.2；F303.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2015）11-0452-03

收稿日期：2014-11-27

基金項目：教育部人文社會科學(xué)研究規(guī)劃基金青年項目（編號：14YJCZH113）；江蘇省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題（編號：C-c/2013/01/039）。

作者簡介：蘇世偉（1974—），男，江蘇南京人，博士，副教授，研究方向為農(nóng)林技術(shù)經(jīng)濟(jì)及管理。E-mail：ssw5096@126.com。

通信作者：聶影，教授，研究方向為林產(chǎn)品貿(mào)易與市場。中國作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，是農(nóng)作物秸稈資源最豐富的國家之一，稻谷、小麥、玉米、棉花秸稈是最主要的農(nóng)作物秸稈[1]。全球化石燃料日益枯竭，生物質(zhì)能源是唯一具有固碳作用的再生能源，在世界范圍內(nèi)發(fā)展生物質(zhì)能源已成為調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、減少溫室氣體排放、實現(xiàn)低碳農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要措施[2]。農(nóng)作物秸稈作為重要的生物質(zhì)能源，須要從國家戰(zhàn)略高度實施綜合開發(fā)利用。實現(xiàn)農(nóng)作物秸稈的生態(tài)轉(zhuǎn)化不僅降低能源成本，還有利于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的合理發(fā)展，同時能減輕秸稈焚燒造成的環(huán)境污染。本研究分析了我國農(nóng)作物秸稈的資源稟賦，比較了秸稈資源生態(tài)轉(zhuǎn)化技術(shù)，探討了國內(nèi)外秸稈資源生態(tài)轉(zhuǎn)化的發(fā)展進(jìn)程與制約因素，以期為實現(xiàn)秸稈資源的規(guī)?；锰峁﹨⒖肌?/p>

1我國農(nóng)作物秸稈的資源稟賦

1.1農(nóng)作物秸稈資源總量估算

我國農(nóng)作物主要包括糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物，糧食作物秸稈有稻谷、小麥、玉米、高粱的秸稈；經(jīng)濟(jì)作物秸稈有棉花、油料、豆類、薯類、蘆葦、芝麻、葵花、麻等的秸稈，其中稻谷、小麥、玉米的秸稈是3 大主要作物秸稈，約占秸稈資源總量的89%[3]。由于秸稈資源分布相對分散，國內(nèi)學(xué)者對農(nóng)作物秸稈資源量的估算多數(shù)建立在統(tǒng)計資料的基礎(chǔ)上，分別使用質(zhì)量形態(tài)、能量形態(tài)、谷物當(dāng)量3種方式測算我國秸稈資源量[3-10]（表1）。

農(nóng)作物秸稈有多種生態(tài)轉(zhuǎn)化方式，作為肥料、基料、工業(yè)原料一般以質(zhì)量形態(tài)反映其利用價值；而能源化和飼料化利用秸稈所儲存的能量價值，可以通過谷物當(dāng)量或能量形態(tài)反映其實際價值。因此，本研究綜合了質(zhì)量形態(tài)、谷物當(dāng)量、能量形態(tài)3種方式分析了中國當(dāng)前秸稈資源量。根據(jù)《2012年中國統(tǒng)計年鑒》[11]，選取王亞靜等研究中的谷草比[4]和蔡亞慶等研究中的折合標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)[5]，估算2012年我國稻谷、小麥、玉米、油料、棉花、豆類、薯類、甘蔗等8類主要農(nóng)作物秸稈資源總量共7.50億 t，折合標(biāo)準(zhǔn)煤3.88億 t?？梢钥闯?，我國秸稈資源量非常豐富，具有很大的開發(fā)潛力。

1.2農(nóng)作物秸稈資源的空間分布

我國地域?qū)拸V，不同地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候、種植制度、社會經(jīng)濟(jì)條件存在很大差異，各地區(qū)的農(nóng)作物秸稈種類和分布不同。本研究結(jié)合王曉玉等[12-13]對中國田間秸稈資源分布的相關(guān)研究，同時考慮秸稈資源分布區(qū)域的社會經(jīng)濟(jì)特征和資源利用狀況，將我國秸稈資源按空間分為6大地區(qū)（表2）。

在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)、地廣人稀的產(chǎn)糧地區(qū)和能源產(chǎn)區(qū)，秸稈資源豐富，秸稈作為生活能源進(jìn)行燃燒的方式逐漸被商品能源取代，秸稈資源利用成本過高，農(nóng)民容易獲得廉價的商品能源，在這些地區(qū)產(chǎn)生了大量的秸稈剩余，秸稈資源生態(tài)轉(zhuǎn)化潛力較大。在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)、經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)、政治經(jīng)濟(jì)中心，由于經(jīng)濟(jì)相對落后或受到嚴(yán)格的法律法規(guī)約束，秸稈資源利用狀況良好。整體而言，中國各地秸稈資源量和秸稈資源利用表現(xiàn)出明顯的空間分異格局，秸稈資源量主要呈現(xiàn)出南北和東西差異，東部和北部地區(qū)的秸稈資源量高于西部和南部地區(qū)。

2秸稈資源生態(tài)轉(zhuǎn)化的技術(shù)比較

我國農(nóng)作物秸稈作為食用菌栽培基料需求量較少；由于每年須要輪種多次和病蟲害等原因，秸稈作為肥料還田的比例較低；而秸稈的飼料化應(yīng)用主要集中于部分地區(qū)和少數(shù)秸稈品種。因此，秸稈資源的原料化以及生物質(zhì)能源化是秸稈生態(tài)轉(zhuǎn)化的重要途徑。

2.1農(nóng)作物秸稈原料化利用的可行性

我國實施天然林保護(hù)工程后，木材原料供應(yīng)更加缺乏，第表1不同形態(tài)的秸稈資源量計算公式

形態(tài)公式公式說明質(zhì)量形態(tài) Qi=Pi×C=Oi×Bi×C=Xi×Ai×Bi×CQi、Pi、Oi分別為作物i秸稈的理論資源量、可收集量、利用潛力；Ai、Bi、C分別為作物i秸稈的草谷比系數(shù)、可收集系數(shù)和利用率；Xi為作物i的年產(chǎn)量。谷物當(dāng)量M=∑n′i=1R′iE谷=∑n′i=1X′i×A′i×B′i×C′i×D′iE谷

N=MF畜M為秸稈飼料化利用價值；E谷為谷物的能量轉(zhuǎn)化率；N為秸稈養(yǎng)畜利用能力；F畜為畜產(chǎn)品的谷物當(dāng)量系數(shù)。能量形態(tài)R=∑ni=1Ri=∑ni=1Qi×Di=∑ni=1Xi×Ai×Bi×Ci×DiR為作物秸稈能量利用價值總量；Ri為作物i秸稈能量利用價值量；D為作物i秸稈的能量轉(zhuǎn)化率。

七次全國森林資源普查結(jié)果表明，我國現(xiàn)有森林資源的年合理供給量僅占需求量的40%[14]。人造板行業(yè)特別是非木質(zhì)原料人造板行業(yè)實現(xiàn)了快速發(fā)展，農(nóng)作物秸稈成為主要的替代原料。將農(nóng)作物秸稈作為人造板原料，既可以解決廢物利用問題，又可以解決秸稈焚燒帶來的環(huán)境污染問題。

在技術(shù)上，我國已成功開發(fā)出麥秸刨花板、中密度稻草板、麥秸纖維板、草/木復(fù)合中密度纖維板、軟質(zhì)秸稈板、秸稈/塑料復(fù)合材料等多種秸稈人造板產(chǎn)品[15]。另外，農(nóng)作物秸稈還可以應(yīng)用在墻體材料領(lǐng)域，將農(nóng)作物秸稈與水泥基材料混合加工成建筑板，使得建筑墻體導(dǎo)熱系數(shù)和密度有較大程度下降。但目前國內(nèi)秸稈人造板尚未形成規(guī)?；a(chǎn)，主要原因是秸稈人造板技術(shù)還不成熟，加工的板材性能不穩(wěn)定，同時加工成本過高，與木質(zhì)人造板相比競爭優(yōu)勢不足。

2.2農(nóng)作物秸稈能源化利用的可行性

農(nóng)作物秸稈的主要成分是CO和碳?xì)浠衔铮? t秸稈約相當(dāng)于1 t標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值，而含硫量僅為煤炭的1/3。張海清等采用熱分析系統(tǒng)，對農(nóng)作物秸稈、石油、煤炭進(jìn)行了比較，結(jié)果表明農(nóng)作物秸稈具有揮發(fā)分含量大、灰分低、含碳量少、含硫量低的特點，特別是玉米秸稈中硫的含量為零，因而秸稈生物質(zhì)有良好的燃燒特性，農(nóng)作物秸稈作為生物質(zhì)能源對環(huán)境造成的污染遠(yuǎn)小于化石燃料[16]。農(nóng)作物秸稈的能源化利用在秸稈生態(tài)轉(zhuǎn)化方面具有優(yōu)勢，秸稈能源化利用主要包括秸稈氣化、秸稈固化、秸稈發(fā)電3種形式。

2.2.1秸稈氣化秸稈氣化分為2種，一是通過秸稈缺氧燃燒，產(chǎn)出以CO為主要成分的可燃?xì)怏w；二是通過秸稈搭配人畜糞在厭氧條件下發(fā)酵，產(chǎn)生甲烷為主要成分的可燃?xì)怏w[17]。我國推廣沼氣發(fā)酵技術(shù)已有40多年歷史，目前沼氣發(fā)酵技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)完善，秸稈沼氣集中供氣技術(shù)具有熱值高、效益高、無污染的特點，具有廣闊的應(yīng)用前景[18]。沼氣燃燒的熱效率比城市煤氣高出40%，且能源轉(zhuǎn)化效率高，因此從環(huán)境效益看，秸稈沼氣能源化利用在生產(chǎn)、輸送、使用中，能顯著減少溫室氣體和其他有害氣體的排放。

2.2.2秸稈固化秸稈固化是用專門的壓塊機(jī)通過特殊工藝，將秸稈壓制成塊狀、棒狀或粒狀固體燃料，其體積縮小，這不僅為秸稈能源化利用開辟了商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化途徑，也可以將固化秸稈用于發(fā)電[19]。秸稈固體成型燃料技術(shù)生產(chǎn)工藝和設(shè)備簡單，易于操作且成本較低，加工生產(chǎn)的固體成型燃料熱效率高、燃燒性能好、便于貯運、易于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和大規(guī)模使用，可滿足農(nóng)村居民炊事、取暖用能需求，可為城鎮(zhèn)社區(qū)區(qū)域供熱提供清潔燃料，還可用于溫室大棚和園林花卉暖房保溫取暖。

2.2.3秸稈發(fā)電秸稈發(fā)電分為秸稈氣化發(fā)電和秸稈燃燒發(fā)電，秸稈氣化發(fā)電工程復(fù)雜，難以大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化利用，秸稈直接燃燒發(fā)電是實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用的途徑。中國的生物質(zhì)資源豐富且儲量巨大，發(fā)展秸稈發(fā)電是一種實現(xiàn)環(huán)境優(yōu)化與資源約束的雙贏選擇。推廣秸稈發(fā)電是鼓勵農(nóng)民種糧、增加農(nóng)民收入的一項重要舉措。建立秸稈發(fā)電項目有助于增加地方政府財政收入，提高勞動就業(yè)率，帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益，同時利用秸稈燃燒發(fā)電供熱可以減少二氧化硫排放，具有較好的生態(tài)效益。

3國內(nèi)外秸稈資源生態(tài)轉(zhuǎn)化的發(fā)展進(jìn)程與制約因素

3.1國內(nèi)外秸稈工業(yè)化、能源化利用的發(fā)展進(jìn)程

國外進(jìn)行農(nóng)作物秸稈資源的生態(tài)轉(zhuǎn)化已有較長歷史，技術(shù)較為成熟，很多國家已達(dá)到機(jī)械設(shè)備配套齊備的現(xiàn)代化水平。表3從農(nóng)作物秸稈資源的原料化和能源化利用2個方面，將我國和發(fā)達(dá)國家的秸稈資源生態(tài)轉(zhuǎn)化發(fā)展進(jìn)程進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)我國在秸稈生態(tài)轉(zhuǎn)化技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模程度方面，離大規(guī)模的商業(yè)化利用還有很大差距。

3.2農(nóng)作物秸稈資源生態(tài)轉(zhuǎn)化的制約因素

要實現(xiàn)秸稈規(guī)模化利用必須考慮秸稈資源密度，農(nóng)作物秸稈密度較低的資源屬性是其大規(guī)模能源化利用的主要制約表3國內(nèi)外秸稈生態(tài)轉(zhuǎn)化方式的發(fā)展進(jìn)程

利用方式發(fā)展進(jìn)程國內(nèi)國外原料化

利用秸稈

人造板20世紀(jì)70年代開始研究秸稈人造板技術(shù)，20世紀(jì)90年代開始水稻秸稈人造板的工業(yè)化生產(chǎn)。2003年上海市建成首個以小麥秸稈、玉米秸稈為原料的人造板生產(chǎn)線。目前我國已建有6條1.5萬 m3/年的秸稈板生產(chǎn)線，4條5萬 m3/年的秸稈板生產(chǎn)線，10余條秸稈建筑材料生產(chǎn)線，初步形成了農(nóng)作物秸稈材料產(chǎn)業(yè)。瑞典Daproma公司、美國Prime Board公司、加拿大Isobord公司建成較大規(guī)模麥稈刨花板生產(chǎn)線。20 世紀(jì) 90 年代后期，國外以異氰酸酯（MDI）作為膠粘劑生產(chǎn)秸稈板取得成功。1998年加拿大建成18萬 m3/年秸稈板生產(chǎn)線。能源化

利用秸稈氣化我國已有1 300萬個戶用沼氣池，建成多個大型沼氣發(fā)酵工程。集中供氣和戶用氣化爐產(chǎn)品已進(jìn)入實用化試驗及示范階段，可用于生產(chǎn)、生活用能、發(fā)電、干燥、供暖等領(lǐng)域。美國Battle 生物質(zhì)氣化發(fā)電示范項目達(dá)到世界先進(jìn)水平，可大規(guī)模發(fā)電。奧地利擁有裝機(jī)容量為1～2 MW的區(qū)域供熱站90座。德國已建成近7 000家沼氣電廠，技術(shù)世界領(lǐng)先。秸稈固化20 世紀(jì)90 年代后期，國內(nèi)開始借鑒發(fā)達(dá)國家農(nóng)作物秸稈固化成型的先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，研制適合中國國情的秸稈固化加工裝備。20 世紀(jì)70年代，法國、德國、意大利等國相繼建成一批生物質(zhì)顆粒成型燃料生產(chǎn)廠。丹麥成功建立第1座生物質(zhì)固化成型燃料發(fā)電廠。2010年德國與瑞典合作建成年產(chǎn)量75 萬 t的世界上最大生物質(zhì)顆粒燃料工廠。農(nóng)作物秸稈固化成型燃料的用途從生活燃料轉(zhuǎn)向了工業(yè)化應(yīng)用，在供暖、干燥、發(fā)電等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。秸稈發(fā)電2005年河北省晉州市建成首個秸稈生物燃料發(fā)電廠。生物質(zhì)發(fā)電廠被列入國家級示范項目，但核心技術(shù)領(lǐng)域缺少自主知識產(chǎn)權(quán)，產(chǎn)業(yè)化和 商業(yè)化轉(zhuǎn)化程度低，發(fā)電運營成本高。1989年丹麥建成世界上第1座全部燃用秸稈的Haslev熱電廠，丹麥約有60個供暖廠用秸稈作原料，能源使用率達(dá)到85%～90%。西班牙的圣硅沙秸稈電廠于2002年6月并網(wǎng)發(fā)電。歐洲秸稈發(fā)電技術(shù)和裝置已達(dá)商業(yè)化應(yīng)用程度，實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)業(yè)經(jīng)營。

因素[5]。作為秸稈人造板工業(yè)原料，我國能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的地區(qū)包括河北省、山東省、河南省、江蘇省、安徽省等，這些省份秸稈可收集量大于150萬 t，且秸稈資源密度較高，是實現(xiàn)秸稈資源工業(yè)化利用的主要區(qū)域。東北地區(qū)、華南地區(qū)、長江中下游地區(qū)是秸稈能源化利用的可行區(qū)域，適宜建立年產(chǎn)量5萬 t以上的秸稈固化企業(yè)和較大規(guī)模的秸稈發(fā)電企業(yè)，而西藏和黃土高原等地區(qū)的秸稈資源密度較低，不適宜秸稈資源的規(guī)模利用。

企業(yè)管理與技術(shù)創(chuàng)新也是制約秸稈資源生態(tài)轉(zhuǎn)化的重要因素。在秸稈禁燒、秸稈收集-存貯-運輸困難的約束下，企業(yè)須要解決秸稈貯運成本過高、技術(shù)水平較低、產(chǎn)品競爭力低下的問題。同時，企業(yè)要利用好政府的優(yōu)惠政策，提高企業(yè)核心技術(shù)水平，綜合考慮秸稈資源生態(tài)轉(zhuǎn)化的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、生態(tài)效益，實現(xiàn)秸稈資源的工業(yè)化、能源化利用。

最后，農(nóng)作物秸稈生態(tài)轉(zhuǎn)化的現(xiàn)有政策制度設(shè)計和監(jiān)督實施缺陷須要改進(jìn)。近幾年國務(wù)院制訂了《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)作物秸稈綜合利用的意見》《關(guān)于“十二五”農(nóng)作物秸稈綜合利用實施方案》《關(guān)于加強(qiáng)農(nóng)作物秸稈綜合利用和禁燒工作的通知》等政策法規(guī)，然而現(xiàn)有政策在實踐中并未得到有效實施。應(yīng)針對政策制訂者、執(zhí)行者和接受者的策略行為進(jìn)行分析，探討政策失效的內(nèi)部、外部原因，理順政府生態(tài)公益性訴求、企業(yè)利潤最大化訴求與農(nóng)戶短期利益訴求三者的關(guān)系，結(jié)合我國現(xiàn)行的制度安排和政策設(shè)計的“屬地”特征缺陷，為政策制訂的預(yù)期效果和社會效應(yīng)提供預(yù)警與監(jiān)管的科學(xué)指導(dǎo)。

4結(jié)論與展望

農(nóng)作物秸稈資源作為一種可再生的清潔能源，是生物質(zhì)能源的重要組成部分，眾多學(xué)者對秸稈資源量估算方法和具體測算進(jìn)行了研究。本研究估算出2012年我國主要農(nóng)作物秸稈資源總量共7.50億 t，折合標(biāo)準(zhǔn)煤3.88億 t。中國各地秸稈資源量和秸稈資源利用表現(xiàn)出明顯的空間分異格局，東部和北部地區(qū)的秸稈資源量高于西部和南部地區(qū)，該地區(qū)生態(tài)轉(zhuǎn)化潛力較大。

秸稈資源的環(huán)境友好性是受到關(guān)注的重要原因，減少資源浪費和降低霧霾污染是重大國策，秸稈資源的生態(tài)轉(zhuǎn)化已經(jīng)受到世界各國的高度重視。農(nóng)作物秸稈資源原料化利用能夠減少森林資源消耗，緩解木材供需矛盾；農(nóng)作物秸稈能源化利用可以補充化石燃料的不足，具有很大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。因此，秸稈資源的原料化利用和能源化利用尚須考慮以下2個問題：首先，我國各地秸稈資源在空間上呈現(xiàn)出顯著的區(qū)域?qū)傩裕饕墼跂|北、華北、長江中游平原，各區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展存在差異，應(yīng)選擇適合區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展特征的生態(tài)轉(zhuǎn)化方式；其次，秸稈資源生態(tài)轉(zhuǎn)化方式選擇上要結(jié)合我國國情，北美、北歐等地區(qū)農(nóng)業(yè)規(guī)?；?jīng)營程度較高，森林資源豐富，而我國林業(yè)資源匱乏且原料收集成本過高，因此須要進(jìn)一步研究我國農(nóng)作物秸稈生態(tài)轉(zhuǎn)化的困境，實現(xiàn)從秸稈資源-空間分散到工業(yè)化集中利用的生態(tài)轉(zhuǎn)化目標(biāo)。

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