姜 霞 謝 濤 張 喜
(貴州省林業(yè)科學(xué)研究院 貴陽 550005)
進入21世紀(jì)以來,隨著人口不斷增長以及工業(yè)化的發(fā)展,全球面臨著生態(tài)環(huán)境安全和能源安全的問題??稍偕Y源已成為世界各國關(guān)注的重點領(lǐng)域,其中生物質(zhì)原料是最大的可再生資源,占世界一次能源的10.4%,占可再生資源總量的77.4%[1]。根據(jù)世界氣象組織發(fā)布的年度《溫室氣體公報》,2016年全球CO2平均濃度達(dá)到了403.3mg/m3,為工業(yè)化前的145%。受全球氣候變化和化石能源儲量的影響,可再生能源已成為全世界能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分和發(fā)展方向??稍偕茉词亲匀唤缰锌梢圆粩嗬?、循環(huán)再生的一種能源,例如太陽能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、海洋能、潮汐能、地?zé)崮艿?,其中生物質(zhì)能源具有可再生性和可持續(xù)性的特點,可生產(chǎn)成型燃料、可發(fā)電供暖等。生物質(zhì)能源也稱綠色能源、清潔能源,能實現(xiàn)能源生產(chǎn)及其消費過程中的零排放。全球生物質(zhì)能源儲量巨大,但對生物質(zhì)能源的利用率卻不足1%[2],開發(fā)利用生物質(zhì)能源能有效緩解化石能源枯竭和全球氣候變暖。
林業(yè)生物質(zhì)能源是生物質(zhì)能源的重要組成部分,與其它生物質(zhì)能源比較,林業(yè)生物質(zhì)能源具有不與糧爭地、不與人爭糧、不與人爭油、一次種植多年受益、資源潛力巨大等優(yōu)勢[3],可以使農(nóng)民增產(chǎn)增收,保護環(huán)境[4];能解決我國的“三農(nóng)”問題,保證國家的能源安全[5]。截止2011年,我國石漠化土地面積約為1200.2萬hm2,西南地區(qū)喀斯特面積占全國裸露喀斯特面積的30%以上,其中貴州的分布面積占全國10%左右[6]。目前生物質(zhì)能源樹種在山區(qū)儲量巨大,是山區(qū)生物質(zhì)能源開發(fā)的主體原料,也是實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的一條重要途徑[7]。據(jù)統(tǒng)計,林業(yè)生物質(zhì)能源貯藏量占生物質(zhì)能源總量的2/3,但利用率不到3%[4]。發(fā)展林業(yè)生物質(zhì)能源,不僅是社會發(fā)展的需要,也是區(qū)域生態(tài)建設(shè)的需要。因此,本文系統(tǒng)分析以林業(yè)生物質(zhì)能源為主體的可再生能源的國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)、經(jīng)驗,既有助于林業(yè)生物質(zhì)能源的發(fā)展,也有助于喀斯特地區(qū)當(dāng)下實施的脫貧攻堅和“藍(lán)天白云”行動計劃。
在全球能源體系中,第一代生物質(zhì)能源已經(jīng)成為僅次于化石燃料之后的第二大能源供給產(chǎn)業(yè)。根據(jù)《BP(英國石油公司)2018年世界能源統(tǒng)計年鑒》,2017年全球一次能源消費量增長了2.2%,除煤炭和水電外的所有燃料增速均高于歷史平均水平。天然氣是能源消費中最大的增量來源(8.30×107t油當(dāng)量),其次是可再生能源(6.90×107t油當(dāng)量)和石油(6.50×107t油當(dāng)量)。在2017年以前全球能源消費所產(chǎn)生的碳排放已經(jīng)連續(xù)三年幾乎沒有增長。2017年世界可再生能源發(fā)電量(不包含水電)為4.87×108t油當(dāng)量,同比增長17.0%,高于16.2%的十年平均增長率??稍偕茉丛隽康囊话胍陨蟻碓从陲L(fēng)電,太陽能在可再生能源中占比21%。中國的可再生能源發(fā)電為1.07×108t油當(dāng)量,同比增長了2.50×107t油當(dāng)量。對一次能源消費的增量進行排序,中國的天然氣和可再生能源將分列第一和第二。全球可再生能源在發(fā)電結(jié)構(gòu)中占比從7.4%提升至8.4%;歐洲更是從16.5%提高到了18.3%,再創(chuàng)歷史新高。2017年世界生物燃料產(chǎn)量為8.41×107t油當(dāng)量,同比增長了3.5%,遠(yuǎn)低于11.4%的十年平均增長率。美國生物燃料產(chǎn)量為3.69×107t油當(dāng)量,占世界的43.9%;巴西生物燃料產(chǎn)量為1.85×107t油當(dāng)量,占世界21.9%。從不同燃料來看,全球乙醇產(chǎn)量增長3.3%,生物柴油產(chǎn)量增長4%,主要來自于阿根廷、巴西和西班牙。
自20世紀(jì)70年代開始,為解決能源短缺,歐洲各國逐漸發(fā)展起生物質(zhì)能源利用技術(shù)及產(chǎn)業(yè)。到2012年,歐洲一次能源生產(chǎn)燃料中可再生能源超越煤、石油和天然氣,達(dá)到1.77×108t[8]。其中,意大利提出2018年和2022年的生物質(zhì)液體燃料份額至少為0.6%和1.0%[9],德國則制定了到2030年使全國16%的電力、10%的供暖和15%的汽車動力來自生物質(zhì)能的目標(biāo)[10]。美國政府將發(fā)展生物能源作為新能源開發(fā)利用的核心內(nèi)容之一,截止到2012年美國生物質(zhì)發(fā)電的裝機容量已經(jīng)了超過1萬兆瓦,并計劃到2050年生物質(zhì)發(fā)電比例提升到能源產(chǎn)出的50%。印度政府在2008年宣布了“國家生物燃料政策”,到2017年工廠生產(chǎn)的生物質(zhì)燃料滿足印度20%的柴油需求[11]。
進入21世紀(jì)以來,可再生能源已經(jīng)成為各國能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分以及能源轉(zhuǎn)型的重要發(fā)展方向。生物質(zhì)能源主要開發(fā)利用有生物質(zhì)發(fā)電、生物質(zhì)成型燃料、生物質(zhì)燃?xì)?、生物質(zhì)液體燃料等。中國生物質(zhì)燃料占世界總量的3%[12]。目前,我國農(nóng)作物秸稈的年產(chǎn)量約7×108t,其中可最終用作生物質(zhì)能源的約3×108t,折合為1.5×108t標(biāo)準(zhǔn)煤;薪炭林和林業(yè)加工廢棄物資源相當(dāng)于3×108t標(biāo)準(zhǔn)煤,和農(nóng)作物秸稈體量相當(dāng);城市垃圾發(fā)電每年可代替1.3×107t標(biāo)準(zhǔn)煤;工業(yè)有機廢水和畜禽養(yǎng)殖場廢水可生產(chǎn)沼氣8.0×1010m3,約等于5.7×109t標(biāo)準(zhǔn)煤[13],生物質(zhì)能源以農(nóng)作物秸稈廢棄物和林業(yè)加工廢棄物為主。截至2017年12月31日,全國已投產(chǎn)生物質(zhì)發(fā)電項目744個,較2016年增加79個;并網(wǎng)裝機容量1.47×107千瓦,較2016年增加2.51×106千瓦;年生物質(zhì)發(fā)電7.94×1010千瓦時,同比增長22.7%;生物質(zhì)發(fā)電新增裝機2.74×106千瓦,同比增長22.6%;生物質(zhì)發(fā)電裝機1.49×107千瓦[14]。農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電項目數(shù)量以及裝機容量、上網(wǎng)電量排在前位的省份有山東、黑龍江、安徽、江蘇等,垃圾焚燒發(fā)電項目數(shù)量以及裝機容量、上網(wǎng)電量排在前位的是浙江、江蘇、山東等省份,沼氣發(fā)電以江蘇、河南、廣東、山東等省份靠前,貴州省在三項生物質(zhì)能發(fā)電排名均靠后[14]。中國農(nóng)村用沼氣戶的大規(guī)模建設(shè)開始于20世紀(jì)50年代末期,2000年底,全國農(nóng)村用沼氣戶近850萬戶。2003~2015年,在中央投資帶動下,農(nóng)村沼氣發(fā)展進入了快速發(fā)展新階段;截至2015年底,全國用沼氣戶近4200萬戶,受益人口達(dá)2億[15]。燃料乙醇是用糧食作物或植物為原料,經(jīng)過發(fā)酵、蒸餾制得乙醇, 脫水后再添加變性劑,成為專門用于燃料的乙醇,糧食作物主要有玉米、小麥、薯類、高粱、甘蔗、甜菜等[16]。目前,以糖類作物發(fā)酵技術(shù)最成熟,95%的乙醇生產(chǎn)采用發(fā)酵法[17]。目前,乙醇汽油已占全國汽油消費總量的1/5,黑龍江、吉林、遼寧、河南、安徽、廣西、河北等11省已經(jīng)在推廣使用車用乙醇汽油[18]。
我國森林資源豐富,陸地林業(yè)生物質(zhì)資源總量在1.80×1010t以上[19],主要以木本能源植物作為生物能源原料的主要來源[20]。林業(yè)生物質(zhì)能源開發(fā)利用終端產(chǎn)品主要有生物柴油、燃料乙醇、生物燃?xì)夂凸腆w燃料等,主要用于發(fā)電與供熱?,F(xiàn)階段,利用光皮樹[21、22]、文冠果[23、24]、小桐子[25]和黃連木[26]等種子轉(zhuǎn)換生物柴油取得一定的進展。生物燃料酒精開發(fā)方面,中國林科院等單位進行了林業(yè)質(zhì)能源催化熱解技術(shù)研究,并建立了一套為500kg/h的木屑熱解燃料酒精工業(yè)化生產(chǎn)裝置[19]。在固體燃料方面,林業(yè)廢棄物約為4.0×107t/a,這些林業(yè)廢棄物可加工成生物質(zhì)成型燃料。在生物質(zhì)發(fā)電方面,森林采伐利用除木材以外,林間清理和間伐物資源量占森林總資源量的80%~90%[27],國內(nèi)一些大型能源開發(fā)企業(yè)正通過投資原料林基地建設(shè)、設(shè)備研發(fā)和建設(shè)熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠等形式參與到林業(yè)生物質(zhì)能發(fā)電領(lǐng)域[28]。
在中國,生物質(zhì)能源起步較晚,但是其發(fā)展較快。在生物質(zhì)能源政策上,以2006年全國人大常委會頒布的《中華人民共和國可再生能源法》為基礎(chǔ)制定了一系列生物質(zhì)能源政策措施。2017年國家林業(yè)局印發(fā)《林業(yè)生物質(zhì)能源主要樹種目錄(第一批)》的通知,列出林業(yè)生物質(zhì)能源主要樹種目錄102種,為指導(dǎo)各地科學(xué)規(guī)范推進林業(yè)生物質(zhì)能源林培育、全面提升林業(yè)生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)質(zhì)量與效益提供技術(shù)支撐。
到2014年,我國林業(yè)生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)扶持共有政策文本23份,其中法規(guī)類政策1份、發(fā)展規(guī)劃類政策9份、經(jīng)濟扶持類政策13份[29],為林業(yè)生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供政策保障。據(jù)統(tǒng)計,到2017年止,國家制定的生物質(zhì)能源相關(guān)政策法規(guī)有82項,地方性政策法規(guī)55項,主要在廣西、浙江、安徽、江西、貴州等省份。
3.2.1 相關(guān)規(guī)劃
“十一五”以來,我國制定了一系列支持生物質(zhì)能源發(fā)展的規(guī)劃,推動了生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展?!笆濉睍r期,我國林業(yè)生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快。2007年,國家發(fā)改委出臺了《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》,提出力爭到2020年,使可再生能源耗量達(dá)到總量的15%左右。2016年,發(fā)改委發(fā)布《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》,提出加快生物質(zhì)能發(fā)展,穩(wěn)步發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電,穩(wěn)步發(fā)展城鎮(zhèn)生活垃圾焚燒發(fā)電。預(yù)計到2020年,城鎮(zhèn)生活垃圾焚燒發(fā)電裝機達(dá)到7.50×106千瓦;有序發(fā)展農(nóng)林生物質(zhì)直燃發(fā)電和沼氣發(fā)電,到2020年,農(nóng)林生物質(zhì)直燃發(fā)電裝機達(dá)到7.00×106千瓦,沼氣發(fā)電達(dá)到5.0×105千瓦;到2020年,生物質(zhì)發(fā)電總裝機達(dá)到1.50×107千瓦,年發(fā)電量超過9.00×1010千瓦時。2016年,國家能源局印發(fā)《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》,提出大力推進生物質(zhì)天然氣、生物質(zhì)成型燃料供熱、生物質(zhì)發(fā)電、生物質(zhì)液體燃料等。2017年國家林業(yè)局印發(fā)《林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》,要求充分挖掘我國現(xiàn)有1.80×1010t林木生物質(zhì)資源開發(fā)潛力,開發(fā)生物質(zhì)柴油、生物質(zhì)酒精、生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)和固體成型燃料等能源產(chǎn)品,重點推動木質(zhì)纖維轉(zhuǎn)化液體生物燃料和以油棕(Elaeis guineensis Jacq.)、小桐子(Jatropha carcas L.)、無患子(Sapindus mukorossi Gaertn.)、黃連木(Pistacia chinensis Bunge)、文冠果(Xanthoceras sorbifolium Bunge)、光皮樹(Swida wilsoniana (Wanger.) Sojak)等樹種為主的能源樹種新品種培育和產(chǎn)業(yè)化,促進林油—體化、林熱—體化發(fā)展。
3.2.2 基地建設(shè)
近年來,隨著生物質(zhì)能源扶持政策、原料基地補助政策的出臺,政府各部門制定了較為完善的產(chǎn)業(yè)扶持政策,極大地促進了生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。為進一步提高林業(yè)生物質(zhì)能源原料基地建設(shè)水平,促進林業(yè)生物質(zhì)能源資源的可持續(xù)發(fā)展,2011年,國家林業(yè)局印發(fā)了《林業(yè)生物質(zhì)能源原料基地檢查驗收辦法》的通知。
為促進能源和林業(yè)可持續(xù)發(fā)展,2013年國家林業(yè)局制定的《全國林業(yè)生物質(zhì)能發(fā)展規(guī)劃(2011~2020年)》是“十二五”時期我國林業(yè)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本依據(jù),現(xiàn)階段,我國林業(yè)資源豐富,現(xiàn)有林地面積約3.0×108hm2,現(xiàn)有森林面積約2.0×108hm2,森林蓄積1.37×1010m3,人工林保存面積6.0×107hm2,蓄積量1.96×109m3,林木生物質(zhì)資源潛力約1.80×1010t。規(guī)劃到2020年,建成能源林1.678×107hm2,林業(yè)生物質(zhì)年利用量超過2.0×107t標(biāo)煤,其中,生物液體燃料貢獻(xiàn)率為30%,生物質(zhì)熱利用貢獻(xiàn)率為70%。到2020年,油料能源林規(guī)模達(dá)到4.22×106hm2,全部進入結(jié)實期后,全部利用折合約5.80×106t標(biāo)煤;木質(zhì)能源林基地規(guī)模達(dá)到9.43×106hm2,其中約7.50×106hm2可供利用,每年可提供4.50×107t生物質(zhì)原料,全部利用可替代2.20×107t標(biāo)煤;淀粉能源林規(guī)模達(dá)到3.13×106hm2,進入結(jié)實的約1.50×106hm2,全部利用折合3.0×105t標(biāo)煤,全部進入盛產(chǎn)期后,全部利用折合6.0×105t標(biāo)煤(表1)。
表1 林業(yè)生物質(zhì)能源基地建設(shè)目標(biāo)
農(nóng)村家庭用能是指農(nóng)村家庭在炊事、取暖、照明、文化娛樂等方面消費的能源。農(nóng)村地區(qū)家庭能源供應(yīng)和消費對農(nóng)村社會、經(jīng)濟及生態(tài)環(huán)境的發(fā)展有很大的影響[30]。在中國,農(nóng)村能源消耗占全國能源總消耗的40%,其中生物質(zhì)能占70%[31]?,F(xiàn)有農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)中引入了電力等補充能源,但電力無法完全替代生物質(zhì)能源。經(jīng)濟水平與電力消費有較強的相關(guān)關(guān)系[32]。經(jīng)濟水平(貧困化程度)影響了當(dāng)?shù)厝嗽凇吧镔|(zhì)能源(薪材+沼氣)—電力”方向上的選擇??λ固氐貐^(qū)經(jīng)濟貧困、生態(tài)環(huán)境脆弱、復(fù)雜,生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟之間的矛盾使得生態(tài)環(huán)境被破壞后形成石漠化[33]??λ固厣絽^(qū)農(nóng)村家庭消費生物質(zhì)能薪柴、秸稈能源、煤炭和電力占人均能耗的比重分別為: 62.60%、6.16%、29.04%、2.02%[34]。
在喀斯特地區(qū)農(nóng)民收入等次是影響能源類型選擇的主要問題,而農(nóng)民收入直接影響農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展。在喀斯特特殊環(huán)境背景下,大量的生物質(zhì)能和煤的消耗導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境惡化和村寨空氣污染,加重了農(nóng)戶經(jīng)濟負(fù)擔(dān)[35]??λ固厥畢^(qū)生物質(zhì)能源的需求量具有較大的不確定性,當(dāng)需求量高于生產(chǎn)量時會出現(xiàn)新的水土流失和石漠化景象
喀斯特石漠區(qū)的林業(yè)生物質(zhì)能源既是重要的生產(chǎn)生活物質(zhì),也可成為重要的支柱產(chǎn)業(yè),對推動區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展有重要意義。林業(yè)生物質(zhì)能源在喀斯特山區(qū)儲量巨大,生物質(zhì)能源開發(fā)是脫貧致富、實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展的有效措施,是解決未來能源危機、改善生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的一條重要途徑[36]。1996年,林業(yè)部啟動“森林能源工程”,計劃用20年時間在我國建立1.2×107hm2森林能源基地,以徹底解決農(nóng)村燃料短缺狀況[37]。我國林業(yè)生物質(zhì)資源豐富,擁有種類繁多的能源樹種、尚未充分利用的能源林以及大量林業(yè)生產(chǎn)剩余物,并擁有大量的可用于發(fā)展林業(yè)生物質(zhì)能的荒山荒地。山區(qū)林業(yè)生物質(zhì)源能豐富,發(fā)展林業(yè)生物質(zhì)能源可成為當(dāng)?shù)刂匾闹еa(chǎn)業(yè),特別是喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,人地矛盾突出,在喀斯特石漠區(qū)發(fā)展林業(yè)生物質(zhì)能,利用宜林荒山荒地及邊際性土地,發(fā)展能源林,做到不與人爭地,提高農(nóng)民收入,促進喀斯特區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護與修復(fù)。
小流域尺度的石漠化綜合治理,應(yīng)兼顧生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)在內(nèi)的多業(yè)并舉,合理規(guī)劃,綜合發(fā)展。石漠化是西南巖溶地區(qū)的貧困之因,嚴(yán)重制約著石漠化地區(qū)的經(jīng)濟社會發(fā)展[37]。由于粗放型發(fā)展模式,我國西南巖溶區(qū)資源面臨嚴(yán)重危機[38]。由于人口增長,石漠化地區(qū)人地矛盾加大,林地過度樵采,植被遭受大破壞,降低了石漠化地區(qū)植被覆蓋率。在廣大石漠化地區(qū)正在實施的石漠化綜合治理生態(tài)修復(fù)工程,就是一種通過人為干預(yù)手段恢復(fù)植被,減少土壤侵蝕的過程[39]。小流域是石漠化治理評價研究的單元尺度之一,一般根據(jù)流域生境特征與社會經(jīng)濟發(fā)展情況,進行工程措施治理,主要模式有坡耕地林—草、林—糧、糧—草間作及輪作復(fù)合經(jīng)營等[40]。通過不同植被恢復(fù)措施,不但能提高石漠化區(qū)植被覆蓋率,同時能提高土壤養(yǎng)分,有利于植被生長[41]。在小流域尺度的石漠化綜合治理中兼顧生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè),在樹種的選擇上可選用林業(yè)生物質(zhì)能源樹種,合理規(guī)劃,綜合發(fā)展,一方面能提高當(dāng)時植被覆蓋率、減少石漠化,另一方面能提高農(nóng)民收入、促進農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展。
(1)生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)是新興產(chǎn)業(yè)、陽光產(chǎn)業(yè),上下游產(chǎn)業(yè)鏈節(jié)點多。林業(yè)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)是其中的重要組成部分。隨著中國城鎮(zhèn)化與工業(yè)化發(fā)展,中國對能源的需求量不斷攀升,生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)是一種與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的可再生能源,能緩解能源危機。在中國生物質(zhì)能源是僅次于煤炭、石油和天然氣的第四位能源[42]。生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)作為新興產(chǎn)業(yè),發(fā)展?jié)摿薮螅哂锌稍偕?、可儲存性、可替代性等?yōu)點。
(2)生物質(zhì)能源問題事關(guān)喀斯特石漠化綜合治理成敗,理應(yīng)重視。在喀斯特石漠化區(qū)對薪炭林等能源林的開發(fā)利用,不僅能解決農(nóng)村能源供應(yīng)問題,減少人為破壞,而且能調(diào)節(jié)供需關(guān)系,保護石漠化治理的成果。同時,在喀斯特石漠化地區(qū)優(yōu)先選擇生物能源樹種,發(fā)展成規(guī)模的生物能源林,是實現(xiàn)生物質(zhì)能發(fā)電和生物質(zhì)液體燃料的產(chǎn)業(yè)化的有效途徑之一。
(3)石漠化地區(qū)生物質(zhì)能源建設(shè)需重視的問題:結(jié)合樹種生物生態(tài)學(xué)特性及種植推廣情況,選擇生長快、產(chǎn)量高、熱值高、種植廣泛、適合石漠化區(qū)發(fā)展的優(yōu)良薪炭能源樹種,提高薪炭林培育技術(shù)也是需要解決的問題。 在喀斯特地區(qū)發(fā)展林業(yè)生物質(zhì)能源不僅能提高森林覆蓋率,減少石漠化,而且能促進農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展,提高農(nóng)民收入,對貴州生態(tài)文明建設(shè)、對全國的林業(yè)生物質(zhì)能源發(fā)展也會產(chǎn)生積極影響。