不同秸稈處置方式的能源消耗和溫室氣體排放比較研究
——基于江蘇省溧陽市田野調(diào)查的分析

趙冬悅，吳博群，劉蓓蓓

(1.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210023；2.南京大學(xué) 污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023)

近年來，秸稈處置和資源化利用問題引起了廣泛關(guān)注。不當(dāng)?shù)慕斩捥幹梅绞讲粌H會造成較大的環(huán)境影響，而且會影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和農(nóng)地的可持續(xù)利用。由于秸稈焚燒帶來的季節(jié)性大氣污染引發(fā)高度關(guān)注，2009年以來江蘇省秸稈處置的核心工作是對農(nóng)戶焚燒秸稈的管控，基于政策執(zhí)行的可行性考慮，江蘇省農(nóng)業(yè)廳將秸稈還田作為處置秸稈的主要方式進(jìn)行推廣。到2015年，機(jī)械化還田已成為江蘇省農(nóng)戶處置秸稈最主要的方式。秸稈還田雖然控制了秸稈焚燒引起的空氣污染，但也造成其他方面的環(huán)境問題，例如能耗增多、加劇全球變暖[1]。從生命周期全過程來看，相比其他處置方式，秸稈還田是否能改善環(huán)境有待確認(rèn)。因此，考察種植過程和秸稈處置過程中的能源消耗和溫室氣體排放對于秸稈處置方案選擇、節(jié)能減排、改善環(huán)境具有重要意義。江蘇省種植多以小麥-水稻輪作為主，水稻小麥秸稈產(chǎn)量占總秸稈產(chǎn)量的81.26%。本研究將研究主體定位于種植小麥-水稻兩季的行為模式上。

生命周期評價(Life Cycle Assessment，以下簡稱LCA)是國際上通行的評價一個產(chǎn)品系統(tǒng)生命周期所有部分對環(huán)境影響的工具，能夠分析和評價某產(chǎn)品或服務(wù)“從搖籃到墳?zāi)埂比^程所產(chǎn)生的環(huán)境問題[2-3]。目前LCA 已被納入ISO14000 環(huán)境管理體系，成為重要的環(huán)境影響分析、評價與管理的工具之一[4]。LCA方法在水稻小麥的種植方面的研究頗多[5～8]，在秸稈資源化利用中也有涉及，Gao[9]等人通過生命周期分析比較四種秸稈利用方式(生物乙醇、熱電聯(lián)產(chǎn)電廠、秸稈造紙、秸稈生產(chǎn)中密度纖維板)以及直接焚燒的環(huán)境影響。國內(nèi)也有學(xué)者通過生命周期分析比較不同還田量下能源消耗和溫室氣體排放潛力[10]。本研究從農(nóng)戶角度將秸稈處置情景分為秸稈還田、秸稈焚燒和秸稈移除；從農(nóng)戶種植作物并處置秸稈的全生命周期角度考慮秸稈處置的能源消耗和溫室氣體排放。

本研究采用LCA方法，通過對江蘇省溧陽市稻-麥種植過程的調(diào)研，比較不同秸稈處置情景造成的能源消耗和溫室氣體排放，為秸稈還田政策的制定提供決策依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)域溧陽為江蘇省常州市轄，位于北緯31°09′～31°41′，東經(jīng)119°08′～119°36′，土地總面積1 535.87km2。溧陽屬亞熱帶季風(fēng)氣候，干濕冷暖，四季分明，雨量充沛，無霜期長，全年平均溫度17.5℃，其中：1月3.2℃，7月31.1℃。年均降水量1 149.7mm。其中，1月42.2mm，7月154.1mm。大約日照時間，1月137.6h，7月229h。溧陽市總播種面積9.28萬hm2，糧食作物播種面積6.85萬hm2，其中水稻小麥播種面積6.40萬hm2[11]。

本研究對溧陽市水稻小麥的種植和秸稈處置過程進(jìn)行分析。種植過程中的物質(zhì)投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)來自對溧陽市70戶農(nóng)戶的統(tǒng)計調(diào)研。本次調(diào)研通過溧陽市各個鎮(zhèn)地區(qū)分布、糧食種植面積、人均收入確定3個調(diào)研鎮(zhèn)，每個鎮(zhèn)隨機(jī)選取2個調(diào)研村，每個村隨機(jī)選取10～12戶進(jìn)行一對一訪問，獲取2015年秋熟水稻生命周期相關(guān)問卷69份，其中還田63份，焚燒2份，移除4份；2016年夏熟小麥生命周期相關(guān)問卷68份，其中還田62份，焚燒3份，移除3份。調(diào)研內(nèi)容包括水稻和小麥不同種植階段，人力和柴油的投入量，化肥品種與用量?；疚锪贤度胍姳?1。柴油、人力和化肥生產(chǎn)的能耗與溫室氣體排放來自國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)[12～21]。

表1 水稻及小麥生命周期物料投入Tab.1 Material input during rice and wheat life cycle and straw disposal (kg)

1.2 研究方法

本研究運(yùn)用LCA 方法計算水稻和小麥生產(chǎn)能耗量與溫室氣體排放。ISO14040標(biāo)準(zhǔn)(ISO，2006)將LCA的實(shí)施步驟分為目的與范圍的確定、清單分析、影響評價和結(jié)果解釋四個階段。

1.2.1 目的與范圍的確定

本研究的目的識別為根據(jù)水稻、小麥系統(tǒng)的種植過程以及秸稈處置過程的能源消耗和溫室氣體排放，為秸稈處置管理提供決策依據(jù)。本研究選取的功能單位為1t水稻和1t小麥，即分析溧陽市不同秸稈處置情景下生產(chǎn)1t水稻及1t小麥的生命周期內(nèi)各環(huán)節(jié)所有能源或物質(zhì)的投入及溫室氣體排放。本研究的系統(tǒng)邊界包括水稻-小麥種植、秸稈處置兩個主要方面，具體如下圖所示。

圖 水稻-小麥種植與秸稈處置生命周期評價界定Fig. LCA system boundary of rice or wheat production and straw disposal system

1.2.2 清單分析

生命周期評價中的清單分析是對產(chǎn)品、工藝過程或活動等研究系統(tǒng)整個生命周期階段資源和能源的使用及向環(huán)境排放廢物進(jìn)行定量的技術(shù)過程。本研究中，作物種植部分主要考慮水稻-小麥輪作系統(tǒng)種植過程中所用的人力和機(jī)械的能耗和溫室氣體排放，包括還田整地、播種、打藥、施肥、種植管理、收割以及秸稈處置相關(guān)階段；農(nóng)用物資部分則考慮化肥投入，包括化肥的生產(chǎn)和運(yùn)輸階段造成的能耗以及溫室氣體排放。種植部分物料投入來自調(diào)查數(shù)據(jù)，原料、農(nóng)資生產(chǎn)的能耗和溫室氣體排放數(shù)據(jù)采用國內(nèi)外研究成果[12～21]。

1.2.3 影響評價

生命周期環(huán)境影響評價就是把清單分析結(jié)果(投入/產(chǎn)出)與對環(huán)境的影響聯(lián)系起來，說明不同投入/產(chǎn)出的相對重要性以及每個生產(chǎn)部分對環(huán)境影響的大小。本研究目的為比較不同處置情景的環(huán)境影響，因此僅采用特征化的方式進(jìn)行評價。特征化是指將清單結(jié)果匯總為不同環(huán)境影響類型的過程。溫室效應(yīng)以CO2為參照物轉(zhuǎn)換為全球變暖潛力(Global Warming Potential)GWP表征，以CO2當(dāng)量表示，主要溫室氣體GWP值為CH425、CO21、N2O 298(IPCC，2007)[22]。能源消耗以單位評價單元的能量消耗量表征。

2 結(jié)果與分析

為了方便后續(xù)比較分析不同秸稈處置情景下的能源消耗和溫室氣體排放，將溫室氣體排放和能源消耗分為作物種植和農(nóng)用物資兩部分。作物種植的能源消耗包括所有階段所需的能源和人力造成的能源消耗，作物種植的溫室氣體排放包括所有階段所需能源以及農(nóng)用地種植造成的溫室氣體排放。農(nóng)用物資的能源消耗及溫室氣體排放是指種植過程中投入化肥的生產(chǎn)和運(yùn)輸過程的能耗及排放。

2.1 水稻-小麥生產(chǎn)的資源消耗清單

本研究僅考慮一個完整的生命周期評價中全球變暖效應(yīng)與能源消耗的影響，因此此處的清單匯總為資源消耗清單。根據(jù)實(shí)地調(diào)查情況，得到水稻和小麥生命周期的資源消耗量。具體見表 2及表 3，表中數(shù)據(jù)均折合為1t水稻或1t小麥產(chǎn)量計。

2.2 能源消耗

本研究中柴油的熱值來自《綜合能耗計算通則》(GB/T 2589-2008)[12]35.82 MJ/L (柴油密度按 0.84 kg/L 計算)，氮磷鉀肥生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中的能源消耗數(shù)據(jù)來自于Kahrl和Yu的研究[13-14]，勞動力能量轉(zhuǎn)換系數(shù)來自于Fluck的研究[15]。水稻和小麥種植和處置秸稈能耗情況結(jié)果見表 4，表中數(shù)據(jù)均折合為1t水稻或1t小麥產(chǎn)量計。

表2 水稻生產(chǎn)與秸稈處置生命周期的資源消耗Tab.2 Inventory for life cycle resource consumption of rice production and straw disposal system

表3 小麥生產(chǎn)與秸稈處置生命周期的資源消耗Tab.3 Inventory for life cycle resource consumption of wheat production and straw disposal system

表4 水稻-小麥生產(chǎn)與秸稈處置生命周期能源消耗Tab.4 Inventory for life cycle energy consumption of rice and wheat production and straw disposal system (MJ/t)

續(xù)表4

生產(chǎn)投入具體階段水稻小麥還田焚燒移除還田焚燒移除收割915(251)1137(67)1262(426)2029(682)1961(639)2450(1649)總計16077(14097)6054(142)11725(3847)16212(10620)7637(2550)14601(8370)農(nóng)用物資氮肥20495(6908)22517(59)31924(11011)21242(11811)24965(5722)33495(13606)磷肥2079(1175)2599(66)3373(2520)3648(1731)2695(1171)3081(1153)鉀肥839(576)1213(66)1329(1308)1365(769)1163(533)1171(587)總計23412(7373)26329(13165)36626(14195)26255(12359)28823(7276)37747(13765)總能耗39489(15421)32383(4170)48351(13571)42467(16364)36460(9823)52348(21964)

在水稻生命周期中，從總體上來看，移除是能源消耗最多的處置方式4 835.1MJ/t，其次是還田，為3 948.9MJ/t，焚燒為3 238.3MJ/t。農(nóng)用物資的能耗大于作物種植，還田、焚燒、移除處置方式下農(nóng)用物資所需的能耗分別為2 341.2、2 632.9和3 662.6MJ/t，各占其生命周期總能耗的59.3%、81.3%和75.8%。在作物種植過程中，不同處置情景所需能耗的分布不同，秸稈還田所占能耗比重最大的階段為打藥投入(67.9%)，而移除和焚燒秸稈的農(nóng)地則更多的集中于秸稈處置階段。

在小麥生命周期中，與水稻相似，秸稈處理方式為移除的農(nóng)地總能耗最大，其次是還田和焚燒，具體為5 234.8、4 246.7和3 646.0MJ/t。農(nóng)用物資部分的能耗大于作物種植階段，源于氮肥的能耗最大，占小麥生命周期總能耗的50.0%～68.5%。小麥在不同秸稈處理方式下，作物種植部分所需的能耗分布也與水稻相似：還田情景下的打藥階段，焚燒與移除的秸稈處置階段為各自作物種植部分產(chǎn)生能耗最大的階段，三者分別占各自種植部分能耗的53.5%、42.2%和68.8%，

2.3 溫室氣體排放

作物種植部分溫室氣體排放包括稻田和麥田中的CH4、N2O的直接排放，以及農(nóng)機(jī)消耗柴油的溫室氣體排放，柴油溫室氣體排放來自于歐訓(xùn)民的研究[16]，稻田的CH4排放通過Chen等人[17]方法進(jìn)行計算，麥田的CH4排放采用Hu等人[18～20]對江蘇的小麥研究成果，使用氮肥造成的N2O排放通過Philibert等人[21]的NL-N-RR模型進(jìn)行計算，秸稈焚燒造成的CO2排放通過趙建寧等人[23]的研究結(jié)果進(jìn)行計算。農(nóng)資生產(chǎn)與運(yùn)輸過程造成的溫室氣體排放采用陳舜等人[24]的研究成果，水稻-小麥生產(chǎn)生命周期溫室氣體排放結(jié)果見表5。

在水稻生命周期中，秸稈處置方式為還田、焚燒和移除的農(nóng)地的溫室氣體排放總量分別為824.0、1 595.2和1 203.7kgCO2e/t。作物種植過程中產(chǎn)生的溫室氣體排放總量在全生命周期中占有較大比重：還田、焚燒和移除的作物種植的溫室氣體排放量各占總量的55.6%、74.4%和52.5%。作物種植過程中，秸稈焚燒情景下，主要溫室氣體排放源是秸稈焚燒過程中排放的CO2，其他情景則為水田種植過程中排放的CH4。農(nóng)用物資部分，氮肥生產(chǎn)與運(yùn)輸過程中造成的溫室氣體排放是該部分甚至是整個水稻生命周期占比最大的部分。

與水稻相似，小麥的溫室氣體排放量由小至大依次為還田、移除和焚燒，具體為915.1、1 218.9和2 487.2kgCO2e/t，其中作物種植過程產(chǎn)生的溫室氣體排放量較大。作物種植部分，N2O是還田和移除情景下最大的溫室氣體排放來源，而焚燒情景下依然是秸稈焚燒過程中排放的CO2。與水稻農(nóng)資部分溫室氣體排放量分布規(guī)律相似，氮肥生產(chǎn)與運(yùn)輸排放的溫室氣體大于磷肥和鉀肥，三種情景下，該部分占小麥生命周期溫室氣體排放量的38.1%、16.5%和45.1%。

表5 水稻-小麥生產(chǎn)生命周期溫室氣體排放Tab.5 Inventory for life cycle GHG emissions of rice and wheat production and straw disposal system (KgCO2e/t)

續(xù)表5

生產(chǎn)環(huán)節(jié)具體階段水稻小麥還田焚燒移除還田焚燒移除灌溉管理0(0)0(0)0(0)0(0)0(0)0(0)收割66(18)04(04)88(33)146(51)130(37)182(122)CH42536(1562)2914(1794)3340(1654)378(411)334(363)458(497)N2O974(444)1063(437)2249(233)3724(3968)3639(188)4940(519)焚燒CO20(0)7676(74)0(0)0(0)16046(323)0(0)總計4578(1135)11872(389)6316(945)5150(917)20382(313)6255(1129)農(nóng)用物資氮肥3366(1134)3698(458)5242(1808)3488(1940)4100(940)5501(2234)磷肥238(135)298(153)386(289)418(198)309(134)353(132)鉀肥58(40)84(43)92(91)95(53)81(37)81(41)總計3662(1173)4080(2040)5721(2121)4001(1999)4489(1096)5935(2258)總GHG8240(1919)15952(1173)12037(3063)9151(2160)24872(1153)12189(2782)

3 討 論

對于政府來說，秸稈還田政策成本低、易操作，一定程度上解決了秸稈焚燒引發(fā)的問題，有效地控制了作物收獲季節(jié)的空氣污染、PM2.5來源。但在調(diào)研中，我們發(fā)現(xiàn)秸稈的全量化還田造成作物病蟲害多發(fā)、頻發(fā)，導(dǎo)致水稻和小麥的種植過程中，還田處置下的打藥投入遠(yuǎn)高于焚燒和移除，能源消耗是其他處置方式的4.49～77.47倍。秸稈還田和焚燒都能增加土壤的肥力，造成了這兩種處置方式下的氮肥投入少于移除時的投入，水稻在移除處置下的氮肥投入是其他的1.42～1.56倍，小麥則為1.34～1.58倍。從能源消耗上來看，秸稈移除能耗量最高，是因?yàn)閷斩掃M(jìn)行打捆運(yùn)輸消耗能源較多，秸稈還田消耗量其次，其原因是秸稈還田處置下打藥投入較高。從溫室氣體排放上來看，焚燒情況下排放量最高，來自于焚燒階段排放的二氧化碳。其次是移除情景，其主要原因是高氮肥施用造成氧化亞氮排放增多。綜合考慮秸稈焚燒造成空氣污染等負(fù)面環(huán)境影響，秸稈還田是較好的秸稈處置方式。進(jìn)一步的秸稈還田推廣可以考慮非全量化還田，以減少病蟲害的發(fā)生，從而減少農(nóng)藥方面的投入。

此外，受到江蘇省秸稈還田政策嚴(yán)格推行的影響，省內(nèi)秸稈焚燒和移除行為大幅下降，最終獲得的樣本量較少。這些少量樣本是否代表了焚燒和移除行為的所有特征值得商榷，但不影響研究整體分析的結(jié)果。

4 結(jié) 論

4.1 水稻秸稈處置階段的能耗占全生命周期的4.4%～9.5%，小麥秸稈處置階段能源占全生命周期的7.5%～19.2%；水稻的秸稈處置階段的溫室氣體排放占全生命周期的1.1%～2.6%，小麥的秸稈處置階段的溫室氣體排放占全生命周期的0.9%～5.5%。

4.2 雖然秸稈處置階段的能耗和溫室氣體在全生命周期中占比不高，但是秸稈處置方式對種植過程的化肥、農(nóng)藥投入造成了重要影響。

4.3 秸稈還田造成病蟲害大幅上升，導(dǎo)致打藥階段的能耗是其他處置方式的4.5～77.4倍(水稻)和23.6～42.7倍(小麥)。

4.4 秸稈移除導(dǎo)致化肥投入量增高。氮肥的生產(chǎn)與運(yùn)輸消耗的能源是其他秸稈處置方式的1.3～1.6倍，相應(yīng)的溫室氣體排放是其他處置方式的1.3～1.7倍。

4.5 由于秸稈還田政策在江蘇的嚴(yán)格施行，秸稈焚燒與移除的實(shí)際占比遠(yuǎn)低于秸稈還田，樣本量較低，對于評估結(jié)果可能存在一定影響。

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