低碳背景下四位一體循環(huán)農(nóng)業(yè)模式研究—以新疆南疆棉花秸稈資源循環(huán)利用為例

戴清秀 王鵬程,2*

（1 塔里木大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

（2 塔里木大學(xué)南疆經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展研究院，新疆 阿拉爾843300

低碳經(jīng)濟(jì)是建立在低能耗、低排放、低污染基礎(chǔ)上的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，倡導(dǎo)人們?cè)谏a(chǎn)、生活中盡量減少碳排放，其實(shí)質(zhì)在于能源高效利用、清潔能源開(kāi)發(fā)，核心在于減排技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展觀念轉(zhuǎn)變?！暗吞冀?jīng)濟(jì)”提出的大背景，是全球氣候變暖對(duì)人類生存和發(fā)展的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。2017 年《關(guān)于創(chuàng)新體制推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的意見(jiàn)》中提到完善秸稈資源化利用制度，健全農(nóng)業(yè)綠色循環(huán)低碳生產(chǎn)制度，實(shí)施農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展全民行動(dòng)，推進(jìn)秸稈綜合利用。隨著我國(guó)近年來(lái)多次明確提出到2020 年秸稈綜合利用率要達(dá)到85%以上的目標(biāo)，我國(guó)秸稈資源化利用進(jìn)程不斷推進(jìn)，在應(yīng)對(duì)全球氣候變暖的形勢(shì)下，以秸稈為原料發(fā)展清潔能源是一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)。新疆南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)水平相對(duì)較低，且棉稈循環(huán)利用相關(guān)政策不完善，外加農(nóng)戶循環(huán)利用觀念淡薄，致使棉花秸稈利用方式較為粗放，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。站在環(huán)境保護(hù)和低碳農(nóng)業(yè)的高度，從南疆棉區(qū)棉花秸稈利用現(xiàn)狀入手，分析棉花秸稈不同利用方式的碳排放情況，設(shè)想出循環(huán)利用模式。截止2016 年年末新疆南疆棉花總產(chǎn)量約199.699萬(wàn)t，占新疆棉花總產(chǎn)量的47.55%，占全國(guó)棉花總產(chǎn)量的37.68%，豐富的棉花秸稈資源背后意味著其利用潛能很大，倘若得到合理的規(guī)劃利用，對(duì)提升農(nóng)業(yè)廢棄物利用效率、幫助農(nóng)民增產(chǎn)增收、推進(jìn)“兩型農(nóng)業(yè)”的轉(zhuǎn)型都具有重要實(shí)踐意義。

當(dāng)前學(xué)術(shù)界對(duì)農(nóng)作物秸稈的碳排放研究多以固碳減排效應(yīng)和碳足跡測(cè)度為主［1-4］，國(guó)外學(xué)者Bhattacharyya P.等[3]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈和無(wú)機(jī)肥配合使用時(shí)固碳土壤效果最好，能夠提高糧食產(chǎn)量；Liu C C 等[4]認(rèn)為，秸稈覆蓋免耕是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量、低碳排放的最佳措施，秸稈焚燒碳排放量高達(dá)一定濃度時(shí)會(huì)造成交通污染影響嚴(yán)重。國(guó)內(nèi)學(xué)者主要從不同研究區(qū)域入手，對(duì)秸稈的固碳減排潛力進(jìn)行了研究，唐廉、謝世友［5］的研究表明農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)碳生態(tài)盈余狀態(tài)，其中秸稈焚燒碳排放總量占比最大；秸稈不同還田方式的碳排量差異性較明顯，秸稈生物質(zhì)炭的轉(zhuǎn)化形式更有利于農(nóng)田系統(tǒng)固碳減排［6］；秸稈機(jī)械化填埋、還田能夠緩解碳排放量,減排效果好、儲(chǔ)碳能力強(qiáng)［7］；楊樂(lè)、鄧輝等人［8］的研究中也指出棉稈是農(nóng)作物秸稈中碳排放量最大的污染源，將其轉(zhuǎn)化為生物炭，具有良好的固碳減排潛力；王藝鵬、楊曉琳［9］等人基于碳足跡的研究結(jié)果指出秸稈沼氣燃燒的碳減排效果最好，發(fā)展?jié)摿O大。以上學(xué)者以我國(guó)不同區(qū)域?yàn)槔?，研究秸稈的固碳減排潛力，在時(shí)間上和空間上體現(xiàn)出較大的異質(zhì)性。

農(nóng)業(yè)廢棄物資源的循環(huán)利用模式研究中，Liu Zhen 等［10］認(rèn)為農(nóng)業(yè)-沼氣模式比農(nóng)業(yè)-畜牧業(yè)模式更好，循環(huán)鏈越長(zhǎng)，可持續(xù)性越強(qiáng)；利用生物炭、電換熱、區(qū)換熱等方法有利于降低秸稈還田的氣候效應(yīng)［11］；以菌業(yè)為核心的農(nóng)業(yè)廢棄物循環(huán)運(yùn)作模式，利用潛力大，且經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)效益更高,環(huán)境負(fù)載率更低［12-13］；以秸稈制作畜禽飼料、沼氣發(fā)酵和有機(jī)肥還田為關(guān)鍵“接口”技術(shù)能夠提高農(nóng)業(yè)廢棄物循環(huán)和運(yùn)行效率，加強(qiáng)能量流動(dòng)［14］；韓芹芹［15］對(duì)南疆阿瓦提縣某發(fā)電廠做適宜模式的效益分析，指出通過(guò)棉桿生物質(zhì)發(fā)電來(lái)鼓勵(lì)農(nóng)民種植棉花，能夠增加農(nóng)民收入，有利于改善人民生活水平，推進(jìn)新農(nóng)村建設(shè)的進(jìn)程。

盡管有大量試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)表明，秸稈轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭具有良好的固碳減排效果，有利于減少溫室氣體排放，且有少數(shù)學(xué)者對(duì)秸稈焚燒和還田利用的碳排放進(jìn)行測(cè)度，但針對(duì)新疆南疆棉花秸稈不同利用方式的碳排放量評(píng)估及對(duì)比分析的研究較為少見(jiàn)，基于秸稈的碳排放量評(píng)估而設(shè)計(jì)的“四位一體”循環(huán)農(nóng)業(yè)模式相關(guān)研究也較少。本文利用2007～2016 年南疆棉區(qū)棉花生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在對(duì)南疆棉區(qū)棉花秸稈資源存量及不同利用方式碳排放估算的基礎(chǔ)上，基于低碳農(nóng)業(yè)和綠色農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展理念，設(shè)計(jì)出“四位一體”的棉花秸稈循環(huán)利用模式，以期為實(shí)現(xiàn)新疆南疆地區(qū)“兩型農(nóng)業(yè)”的轉(zhuǎn)型及推進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物循環(huán)利用提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

新疆南疆地區(qū)位于北緯35°40′～43°31′，東經(jīng)73°40′～93°44′之間，主要包括巴音郭楞蒙古自治州、阿克蘇、克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃?、喀什、和田五個(gè)地州，兵團(tuán)四個(gè)師56 個(gè)農(nóng)牧團(tuán)場(chǎng)。本文中棉花秸稈的存量估算與碳排放量的估算均采用時(shí)序數(shù)據(jù)，兵團(tuán)四個(gè)師的棉花秸稈存量及碳排放量未在估算范圍內(nèi)，主要測(cè)算數(shù)據(jù)來(lái)源于：①研究區(qū)棉花播種面積、棉花產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力、農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)量、農(nóng)用柴油使用量等數(shù)據(jù)來(lái)源于2008～2017 年《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》；②棉花秸稈可收集資源量的數(shù)據(jù)來(lái)源于前人研究成果，并在此基礎(chǔ)上更新數(shù)據(jù)至2016 年，其來(lái)源在文中均有注明具體出處；③相關(guān)碳排放系數(shù)均來(lái)源于《IPCC 國(guó)家溫室氣體清單指南》（2006）。

1.2 相關(guān)參數(shù)的確定

本文中棉花秸稈資源碳排放量核算涉及到秸稈焚燒、秸稈飼料加工、秸稈有機(jī)肥還田等，因此，采用的碳排放系數(shù)為：化肥使用（0. 895 6 kg C/kg），系數(shù)來(lái)自于ORNL（美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）；翻耕（312. 600 0 kg C/hm2），系數(shù)來(lái)自于IABCAU（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院）；柴油燃燒（0.592 7 kg/kg）［16］。

1.3 新疆南疆棉花秸稈資源碳排放量估算指標(biāo)

大氣中溫室氣體的排放主要包含CO、CO2、CH4等，為方便估算和分析，本文將其統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)碳排放量，其他形式的碳排放不在計(jì)算范圍內(nèi)。

（1）棉花秸稈直接焚燒碳排放量Et1。Pc為棉花秸稈可收集資源量，我國(guó)目前農(nóng)作物秸稈的燃燒利用率為60%，平均每焚燒1 t 秸稈就會(huì)產(chǎn)生1. 60 t CO2；約有12.9%的秸稈直接焚燒，則計(jì)算公式為［17］：

（2）棉花秸稈肥料化碳排放量Et3。本文中棉花秸稈肥料化的碳排放量計(jì)算只考慮秸稈粉碎還田和翻耕還田，平均每500 kg 秸稈粉碎還田，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)肥料50 kg以上。由于難以搜集南疆棉區(qū)秸稈翻耕還田的實(shí)際土地面積，故以棉花播種面積為基礎(chǔ)，大致估算秸稈翻耕時(shí)的碳排放量。其計(jì)算公式為：

式中，S為棉花播種面積（千hm2）；312. 600 0 kg C/hm2為翻耕的碳排放系數(shù)；M2為棉花秸稈還田的數(shù)量（萬(wàn)t），0.895 6 kg C/kg為化肥的碳排放系數(shù)。

（3）棉花秸稈薪柴燃燒碳排放量Et5，計(jì)算公式為：

式中M3為棉花秸稈用于薪柴燃料的數(shù)量（萬(wàn)t）；45%、87%分別為薪柴燃燒的碳排放系數(shù)、碳氧化率［18］。

（4）棉花秸稈沼氣燃燒碳排放量Et2。假設(shè)將秸稈用作薪柴燃料、焚燒、其他利用方式的資源量均用于發(fā)酵沼氣，則計(jì)算公式為：

式中，L棉花秸稈資源沼氣潛力（萬(wàn)m3）；0. 209 TJ/萬(wàn)m3為沼氣燃燒的熱值；15. 3 t/TJ 為沼氣燃燒的含碳量。前人研究已指出，沼氣發(fā)酵池是以糞便與秸稈3∶2 的比例為主要原料，糞便和秸稈的產(chǎn)量貢獻(xiàn)率分別為85%和15%，在一口8 m3的沼氣池中需要400 kg 的秸稈［19］，即10 000 m3的沼氣池需要5 000 t 秸稈，所以L=秸稈發(fā)酵沼氣的需要量×15%÷5 000。

（5）棉花秸稈飼料化Et4。通過(guò)大量文獻(xiàn)資料查找發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前與秸稈飼料化加工的碳排放量相關(guān)數(shù)據(jù)較難收集，故本文采用棉花秸稈飼料加工過(guò)程中，農(nóng)業(yè)機(jī)械化設(shè)備使用柴油時(shí)產(chǎn)生的碳排放量替代秸稈飼料化碳排放量，其簡(jiǎn)化后的計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn)為南疆農(nóng)用柴油使用量（t）；Z為南疆農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力（KW）；Qm為南疆飼料加工企業(yè)機(jī)械數(shù)量（臺(tái)）；Qn為南疆農(nóng)業(yè)機(jī)械總數(shù)量（臺(tái)）；0. 592 7 kg/kg為柴油碳排放系數(shù)。

（6）棉花秸稈碳排放總量EW，碳排放強(qiáng)度Eqd［20］，計(jì)算公式如下：

2 新疆南疆棉花秸稈資源不同利用方式碳排放量估算

2. 1 棉花秸稈資源不同利用方式碳排放情況及變化趨勢(shì)

基于王鵬程、劉茜等人［21］關(guān)于新疆南疆地區(qū)2005～2014 年棉花秸稈資源相關(guān)計(jì)算結(jié)果，運(yùn)用草谷比法更新數(shù)據(jù)，確定本文中的草谷比值為r1=5.0；通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)的梳理，綜合考慮南疆棉區(qū)棉花種植的矮植技術(shù)與農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度，其可收集系數(shù)偏高，則本文可收集系數(shù)為r2=0.9；故可收集棉花秸稈資源量為Pc=Q×r1×r2，式中，Q 表示某一地區(qū)棉花年產(chǎn)量（萬(wàn)t），計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。2016 年棉花播種面積達(dá)到1 140.00 千hm2，棉花播種面積和棉花產(chǎn)量約占新疆的1/2，占全國(guó)的1/3 以上，2016 年南疆棉花秸稈可收集資源量達(dá)898.646 萬(wàn)t，儲(chǔ)量十分可觀，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值的體現(xiàn)亟待進(jìn)一步提高。

表1 2007～2016年新疆南疆棉花秸稈資源量情況

前人學(xué)者已對(duì)農(nóng)作物秸稈資源利用方式的比例進(jìn)行了富有成效的研究［22-24］，但由于新疆地區(qū)農(nóng)作物秸稈密度及人均秸稈資源占有量略低于全國(guó)平均水平，故本文中取其平均值，并結(jié)合新疆棉花秸稈的實(shí)際利用情況做適當(dāng)調(diào)整，即新疆棉花秸稈資源不同利用方式占比分別為：秸稈直接焚燒占12.9%、秸稈粉碎還田占35%、秸稈飼料化占34.6%、秸稈作為薪柴燃料占14%，其他利用方式占3.5%。據(jù)此可估算出近10年新疆南疆棉花秸稈不同利用方式的資源消耗量（Pc×利用比例），即秸稈焚燒用量M1、秸稈還田用量M2、秸稈薪柴燃料用量M3、秸稈飼料化用量M4、其他利用方式用量M5（見(jiàn)表2）。

表2 2007～2016年新疆南疆棉花秸稈不同利用方式用量 單位：萬(wàn)t

根據(jù)表2 棉花秸稈不同利用方式用量，由公式（1）-（3）可分別核算出2007～2016 年新疆南疆棉花秸稈直接焚燒、秸稈肥料化、秸稈薪柴燃料的碳排放量（見(jiàn)表3）。

表3 2007～2016年新疆南疆棉花秸稈不同利用方式碳排放量情況 單位：萬(wàn)t

由表3結(jié)果可知，棉花秸稈作為薪柴燃料和直接焚燒的年平均碳排放總量為218. 649 萬(wàn)t，占總量的70.53%。其他利用方式主要包括秸稈基質(zhì)化、沼氣化、秸稈板材等，其利用方式繁多，難以確定新疆棉花秸稈用于基質(zhì)化、發(fā)酵沼氣的比例，故難以估算秸稈基質(zhì)化與發(fā)酵沼氣的實(shí)際碳排放量。因此，本文假設(shè)將棉花秸稈用作薪柴燃料、焚燒、其他用途的資源量均用于發(fā)酵沼氣，即30. 4%的棉花秸稈充分利用于發(fā)酵沼氣。根據(jù)公式（L=秸稈發(fā)酵沼氣的需要量×15%÷5 000），可估算出棉花秸稈沼氣潛力，進(jìn)而求得秸稈沼氣燃燒的碳排放量Et2（見(jiàn)表4）。

表4 2007～2016年新疆南疆棉花秸稈資源沼氣潛力

由表3和表4可看出，在假設(shè)狀態(tài)下，南疆棉花秸稈發(fā)酵沼氣的潛力極大，2016年達(dá)81.957萬(wàn)m3，沼氣燃燒的碳排放量最少，年約占總量的0.03%，碳排放量處于0.052～0.113萬(wàn)t之間，增長(zhǎng)幅度很小，側(cè)面說(shuō)明棉花秸稈發(fā)酵沼氣是最為低碳環(huán)保的利用方式。

由于獲取南疆飼料加工企業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)量原始資料較為困難，此處為方便估算，按中等規(guī)模飼料加工企業(yè)的機(jī)械數(shù)量5～8 臺(tái)，取中間值6. 5 臺(tái)為基準(zhǔn)進(jìn)行大致估算。通過(guò)資料整理可知，截止2016 年年末，南疆飼料加工企業(yè)約為60 家，2016 年南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械總數(shù)為122. 494 4 萬(wàn)臺(tái)，農(nóng)用柴油量為30.744 1 萬(wàn)t，農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力為109.02 萬(wàn)KW（數(shù)據(jù)來(lái)源于《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒2017》），由公式（5）可估算出2016年南疆棉花秸稈飼料化的碳排放量Et4（見(jiàn)表5）。

表5 2016年新疆南疆地區(qū)棉花秸稈碳排放量情況 單位：萬(wàn)t

根據(jù)表3 結(jié)果及2007～2016 年南疆棉花播種面積，運(yùn)用公式（6）、（7），核算出2007～2016 年棉花秸稈資源不同利用方式的碳排放強(qiáng)度Eqd及環(huán)比增長(zhǎng)率（見(jiàn)表6）。

表6 2007～2016年新疆南疆棉花秸稈碳排放強(qiáng)度及增長(zhǎng)率

近年來(lái)，新疆棉花始終保持全國(guó)優(yōu)勢(shì)地位，南疆棉區(qū)更是積極發(fā)展優(yōu)質(zhì)長(zhǎng)絨棉專用品種，機(jī)械化采摘率不斷提高，棉花產(chǎn)量更是逐年上升，致使棉花秸稈資源相當(dāng)豐富，極具利用潛力。由表6 可看出，近10年，南疆棉稈資源不同利用方式碳排放總量整體呈逐年上升趨勢(shì)，年均碳排放量為266.664 萬(wàn)t；碳排放強(qiáng)度波動(dòng)幅度較大，年均碳排放強(qiáng)度為3.12 t/hm2；2014年呈現(xiàn)出9.83%的負(fù)增長(zhǎng)率，隨后兩年內(nèi)，棉花播種面積與產(chǎn)量雖有所下降，但棉花秸稈利用的碳排強(qiáng)度提高至3.12 t/hm2，嚴(yán)重的環(huán)境污染現(xiàn)象不容忽視。

2. 2 棉花秸稈資源不同利用方式碳排放量結(jié)果分析

2016 年新疆南疆棉區(qū)棉花秸稈資源碳排放總量達(dá)413. 806 萬(wàn)t，其中秸稈薪柴燃料碳排放貢獻(xiàn)率高達(dá)43.64%，其次是秸稈焚燒達(dá)26.89%，秸稈發(fā)酵沼氣的碳排放貢獻(xiàn)率最小，僅為0.02%。

出于經(jīng)濟(jì)方便、節(jié)省人力、物力、財(cái)力等方面的考慮，南疆棉區(qū)棉花種植大戶更傾向于機(jī)械化粉碎還田、漚肥，而棉田較少的農(nóng)戶，限于地塊不集中、田間交通不便、機(jī)械化成本等因素，則更傾向于焚燒秸稈、粗放方式喂養(yǎng)牲畜或直接丟棄等處理方式。2007～2016 年，南疆地區(qū)棉花秸稈資源焚燒量占比較大，碳排放量約為總量的1/3 之多。目前秸稈還田主要以機(jī)械埋壓技術(shù)、高茬收割技術(shù)、套種技術(shù)為主，南疆棉區(qū)秸稈肥料化的年均碳排放量為47. 944萬(wàn)t，占總量的17.98%，今后可進(jìn)一步加強(qiáng)運(yùn)用生態(tài)系統(tǒng)理論和方法對(duì)秸稈直接還田方面等問(wèn)題進(jìn)行深入研究，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)地和用地相結(jié)合。此外，還有部分棉農(nóng)以家庭取暖和做飯的方式處理棉稈，秸稈薪柴燃燒的年均碳排放量達(dá)135. 285 萬(wàn)t，占總量的50. 73%。2016 年秸稈飼料化的碳排放量為58. 016萬(wàn)t，占總量的4.46%。

假設(shè)將秸稈薪柴燃料、焚燒、其他利用方式的比例（30.4%）均用作發(fā)酵沼氣，則秸稈沼氣燃燒的年均碳排放量為0.072萬(wàn)t，2016年達(dá)0.096萬(wàn)t，雖有小幅度增長(zhǎng)，但僅為碳排放總量的0.03%，表明棉花秸稈發(fā)酵沼氣是一種低碳化和綠色化的處理方式，能有效降低秸稈薪柴燃料、秸稈焚燒的碳排放量，清潔能源的發(fā)展更有利于改善環(huán)境質(zhì)量、提高棉稈資源綜合利用效率。

2017 年中央1 文件提出，要推進(jìn)農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)，鼓勵(lì)各地加大農(nóng)作物秸稈綜合利用支持力度，推動(dòng)大型沼氣池的健康發(fā)展，進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)廢棄物資源綜合利用效率，到2020年，秸稈綜合利用率要達(dá)到85%的目標(biāo)，嚴(yán)格依法落實(shí)秸稈禁燒制度，推進(jìn)秸稈全量化綜合利用。南疆棉區(qū)棉花秸稈資源總量龐大，其循環(huán)利用的成效應(yīng)與發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)、轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式、提升農(nóng)業(yè)廢棄物利用效率密切聯(lián)系起來(lái)。目前，南疆棉區(qū)棉花秸稈機(jī)械還田比例較高，但利用方式較為粗放，綜合利用率有待提高，距離秸稈綜合利用率85%以上這一目標(biāo)還有極大的上升空間。綜合考慮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳減排過(guò)程中面臨的環(huán)境壓力、農(nóng)戶技術(shù)水平、資金規(guī)模及收益效率等因素，“農(nóng)作物秸稈—沼氣—發(fā)酵殘留物還田”的循環(huán)利用方式可以成為今后大力發(fā)展生物質(zhì)能源的主要方向。

3 棉花秸稈資源“四位一體”循環(huán)農(nóng)業(yè)模式設(shè)計(jì)與運(yùn)行

3.1 “四位一體”循環(huán)農(nóng)業(yè)模式設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)

棉花秸稈“四位一體”循環(huán)農(nóng)業(yè)模式正是響應(yīng)了發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的號(hào)召，在提高棉花秸稈綜合利用率的同時(shí)，從生產(chǎn)、生活的各個(gè)環(huán)節(jié)降低其碳排放量，轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式，竭力推進(jìn)資源節(jié)約、環(huán)境友好的低碳農(nóng)業(yè)道路不斷向前。以“秸稈—沼氣—有機(jī)肥還田—低碳農(nóng)業(yè)”為主要路徑的“四位一體”循環(huán)農(nóng)業(yè)模式，主要以棉花秸稈為原料，畜禽糞便和其他作物秸稈作為輔料，以沼氣開(kāi)發(fā)為核心，以提高棉花秸稈利用效率為根本目標(biāo)，以低碳化、綠色化為原則，滿足農(nóng)民和社會(huì)大眾的生產(chǎn)、生活需求，并帶動(dòng)養(yǎng)殖業(yè)、林果業(yè)、溫室種植、園林綠化等相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。

3.2 “四位一體”循環(huán)農(nóng)業(yè)模式設(shè)計(jì)思路

基于低碳經(jīng)濟(jì)背景，通過(guò)對(duì)棉花秸稈不同利用方式的碳排放量進(jìn)行核算，而后假設(shè)將秸稈薪柴燃料、秸稈焚燒、其他利用方式均用作發(fā)酵沼氣，并計(jì)算其碳排放量。由計(jì)算結(jié)果可知，棉花秸稈發(fā)酵沼氣后直接燃燒的碳排放量最少，環(huán)境污染程度最低，故本文設(shè)計(jì)“秸稈—沼氣—有機(jī)肥還田—低碳農(nóng)業(yè)”的棉花秸稈“四位一體”循環(huán)農(nóng)業(yè)模式（見(jiàn)圖1），該模式以棉花秸稈沼氣開(kāi)發(fā)為中心，輔之以有機(jī)肥還田，幫助改善環(huán)境質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)棉稈資源、沼氣系統(tǒng)和有機(jī)肥還田之間的高效循環(huán)和低碳農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展，其運(yùn)行思路如下：

圖1 低碳背景下棉花秸稈“四位一體”循環(huán)農(nóng)業(yè)模式圖

其中

1：大型沼氣池為城市園林綠化提供肥料

2：大型沼氣池為食用菌培育供應(yīng)原料

3：大型沼氣池為棉田提供肥料

4：棉田（棉花秸稈）為沼氣池提供發(fā)酵原料

5：家用沼氣池為棉田提供肥料

6：家用沼氣池為培育玉米、小麥、水稻等作物提供浸種液

7：大型沼氣池為養(yǎng)殖基地、溫室大棚基地、花卉種植基地提供肥料

8：養(yǎng)殖基地、溫室大棚基地、花卉種植基地（廢棄物）為大型沼氣池提供發(fā)酵輔料

9：家用沼氣池為林果業(yè)、菜園、家庭溫室大棚、家庭養(yǎng)殖提供肥料

10：林果業(yè)、菜園、家庭溫室大棚、家庭養(yǎng)殖（廢棄物）為家用沼氣池提供發(fā)酵輔料

11：養(yǎng)殖基地、溫室大棚基地、花卉種植基地為社會(huì)大眾及農(nóng)戶提供綠色農(nóng)產(chǎn)品

12：林果業(yè)、菜園、家庭溫室大棚、家庭養(yǎng)殖為社會(huì)大眾及農(nóng)戶提供綠色農(nóng)產(chǎn)品

13：大型沼氣池用于發(fā)電，為社會(huì)大眾及農(nóng)戶提供照明

14：大型沼氣池為社會(huì)大眾及農(nóng)戶提供生產(chǎn)、生活用能（燒鍋爐）

15：大型沼氣池為社會(huì)大眾及農(nóng)戶供暖16：家用沼氣池為社會(huì)大眾及農(nóng)戶供暖17：家用沼氣池為社會(huì)大眾及農(nóng)戶提供照明、做飯等生活用能

3.3 “四位一體”循環(huán)農(nóng)業(yè)模式的運(yùn)行

該模式以發(fā)酵沼氣為突破點(diǎn)，將棉花秸稈發(fā)酵沼氣與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)緊密結(jié)合，清潔的沼氣可降低對(duì)化石能源的依賴，其發(fā)酵殘留物（沼渣、沼液）有助于緩解我國(guó)鉀肥料資源不足的情況，減少化肥和農(nóng)藥的施用量，幫助農(nóng)戶節(jié)約種植成本，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品提質(zhì)增效，增加農(nóng)戶收入，解決了沼液、沼渣無(wú)法完全被充分利用，隨河道排流或隨處堆放等行為造成的二次污染現(xiàn)象，符合低碳農(nóng)業(yè)和生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求。通過(guò)去碳技術(shù)，支持和引導(dǎo)企業(yè)、合作社、農(nóng)民運(yùn)用沼氣技術(shù)，發(fā)揮沼氣、沼渣、沼液的功能，使棉花秸稈循環(huán)利用與生態(tài)農(nóng)業(yè)的集成發(fā)展緊密聯(lián)系在一起，轉(zhuǎn)變農(nóng)戶傳統(tǒng)生產(chǎn)、生活方式，促進(jìn)生態(tài)經(jīng)濟(jì)的良性循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)低碳背景下棉花秸稈高效利用和低碳農(nóng)業(yè)健康發(fā)展。具體運(yùn)行方式如下：

（1）實(shí)現(xiàn)“棉花秸稈—沼氣池—沼氣發(fā)電—提供農(nóng)戶生產(chǎn)生活用能”的循環(huán)路徑

以棉花秸稈為主要原料，輔之以其他農(nóng)業(yè)廢棄物，投入沼氣池，生產(chǎn)出清潔高效的可燃?xì)怏w，可用于農(nóng)戶生產(chǎn)、生活用能，例如：做飯、取暖、家居及溫室照明、提升大棚溫度等方面。按照2016 年南疆棉區(qū)可收集棉花秸稈資源量898.646 萬(wàn)t 進(jìn)行估算，當(dāng)年南疆棉花秸稈發(fā)酵沼氣潛力為81.957 萬(wàn)m3，按農(nóng)業(yè)部制定的減排標(biāo)準(zhǔn)（每立方米沼氣燃燒可減少4.17 kgCO2排放量）估算，可減排3 417.61 t CO2。秸稈沼氣發(fā)電技術(shù)可減少碳排放量，降低碳排放是積極發(fā)展新型清潔能源與可再生能源的重要舉措。1 m3沼氣可發(fā)電1.8 kW·h 以上，假設(shè)將2016 年南疆棉花秸稈生產(chǎn)沼氣的全量81. 957 萬(wàn)m3用于發(fā)電工程，沼氣發(fā)電機(jī)組每天全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，則總發(fā)電量約為147.522 6 萬(wàn)kW·h，既能緩解了能源不足的矛盾，提供了充足的電能和熱能，用于農(nóng)業(yè)機(jī)電抽水灌溉及日常照明，又減少了煤炭、柴油等化石燃料的使用，幫助農(nóng)戶節(jié)約生產(chǎn)、生活的成本，提高農(nóng)村居民的生活質(zhì)量（詳見(jiàn)圖1中13-17）。

（2）實(shí)現(xiàn)“棉花秸稈—沼氣池—沼渣、沼液—肥料化—有機(jī)肥還田—果蔬種植”的循環(huán)路徑

將棉花秸稈資源通過(guò)大型沼氣池發(fā)酵沼氣，使秸稈沼氣與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)緊密結(jié)合，其發(fā)酵殘留物中的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)成分較全面，通過(guò)加工處理后，沼渣、沼液能夠?yàn)槌鞘袌@林綠化、溫室大棚基地、花卉種植基地、林果業(yè)、菜園提供充足的有機(jī)肥料，為綠色農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)提供條件。一個(gè)8 m3的沼氣池每年可提供沼肥30 t，相當(dāng)于鉀肥200 kg、磷肥500 kg和尿素300 kg，可減少約25%農(nóng)藥和化肥使用量［25］；按當(dāng)前化肥市場(chǎng)價(jià)格估算，可節(jié)約2 350 元開(kāi)支；一般做基肥每畝用量1 000 kg 左右，糧食或蔬菜可增產(chǎn)15%以上。此外，可根據(jù)不同農(nóng)作物的生長(zhǎng)周期，利用水肥耦合技術(shù)將沼液用作大田作物的灌溉和施肥。有研究結(jié)果表明，沼液通過(guò)工廠化的深加工處理后可充當(dāng)浸種液，培育玉米、小麥、水稻等各類種子，提升種子成秧率，保證秧苗質(zhì)量，浸種小麥可增產(chǎn)5%～15%，水稻可增產(chǎn)10%～20%［26］，增產(chǎn)增收效果明顯，其作物秸稈又可成為沼氣池的下腳料（詳見(jiàn)圖1中6—12）。

（3）實(shí)現(xiàn)“棉花秸稈—沼氣池—沼渣、沼液—飼料化—畜禽糞便—有機(jī)肥還田—棉花、果蔬種植”的循環(huán)路徑

沼渣能為養(yǎng)殖基地提供營(yíng)養(yǎng)豐富的飼料原料，促進(jìn)了生豬出欄、家禽產(chǎn)蛋、奶牛的生產(chǎn)，形成良性循環(huán)的食物鏈，為綠色農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)提供了條件。根據(jù)生豬養(yǎng)殖各階段生長(zhǎng)期，按一定比例添加沼渣、沼液至飼料中，大約可節(jié)省1/4的飼料成本和育肥時(shí)間，節(jié)約部分防疫費(fèi)用，使生豬提前出欄；添加至精飼料中，可使肉雞增重，顯著提高蛋雞的產(chǎn)蛋率。畜禽養(yǎng)殖、溫室大棚基地、花卉種植產(chǎn)生的糞便、秸稈可直接為沼氣池提供下腳料，沼渣及畜禽糞便亦可殺菌發(fā)酵后作為棉田、果蔬種植的底肥。被長(zhǎng)期發(fā)酵的沼渣正是栽培育食用菌的極佳原料，以棉籽殼、麥麩皮等混合料栽培平菇，在蘑菇房中以沼液兌水1∶4 的比例沖施于菌棒，沖施6 次采收6 茬，比清水沖施（對(duì)照組）增產(chǎn)47.04%，比單純使用棉籽殼栽培平菇增產(chǎn)效果較顯著［27］，幫助實(shí)現(xiàn)農(nóng)民增收致富。培育完食用菌的蘑菇渣，既可以喂豬，又是一種高質(zhì)量有機(jī)肥，間接實(shí)現(xiàn)沼渣第二個(gè)層面的利用；豬糞及園林秸稈又可投入沼氣池發(fā)酵沼氣，達(dá)到沼肥還田、農(nóng)業(yè)廢棄物循環(huán)利用的目的，進(jìn)而節(jié)約各項(xiàng)生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)農(nóng)民增收，改善農(nóng)戶生活品質(zhì)，減少農(nóng)業(yè)廢棄物資源浪費(fèi)現(xiàn)象，提升其經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益（詳見(jiàn)圖1中1-10）。

李雪等［28］通過(guò)試驗(yàn)指出，不同秸稈沼氣潛力按產(chǎn)氣量大小排序?yàn)榍噘A玉米秸稈＞水稻秸稈＞干黃玉米秸稈＞煙草秸稈；劉德江等［29］研究表明，水稻秸稈的產(chǎn)氣率和甲烷含量高于小麥、玉米秸稈；攀婷婷、楊立［30-31］等研究發(fā)現(xiàn)，不同作物秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣時(shí)，棉花秸稈累積產(chǎn)氣量和甲烷含量提升比例高于水稻秸稈和玉米秸稈。綜合表明，棉花秸稈發(fā)酵沼氣具備一定的可實(shí)施性，且厭氧發(fā)酵的各項(xiàng)指標(biāo)效果較好。與其他秸稈資源發(fā)酵沼氣相比，其主要優(yōu)勢(shì)在于，南疆作為我國(guó)棉花主產(chǎn)區(qū)之一，棉花秸稈資源總量龐大，就地取材方便；就目前的利用方式而言，其他利用方式的低碳化和綠色化程度還有待提高。朱利群、王舒娟等［32-33］從農(nóng)戶、政府、企業(yè)、市場(chǎng)、勞動(dòng)力機(jī)會(huì)成本、機(jī)械成本、資金技術(shù)等多方面考慮，秸稈制沼氣時(shí)的單位秸稈凈收益高于秸稈還田、露天焚燒等。綜合上文分析，表明棉花秸稈適合發(fā)酵沼氣，該四位一體循環(huán)農(nóng)業(yè)模式能夠提升棉花秸稈循環(huán)利用的低碳化和綠色化程度。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

近10年來(lái)，新疆南疆棉區(qū)棉花種植面積和產(chǎn)量逐年增加，相較2007 年環(huán)比增長(zhǎng)了92.72%和86.36%。2016年我國(guó)棉花總產(chǎn)量529.945 2萬(wàn)t，其中南疆棉花產(chǎn)量達(dá)到199.699萬(wàn)t，占全國(guó)總產(chǎn)量的37.68%，占新疆棉花總產(chǎn)量的47.55%。2016年南疆可收集棉花秸稈資源量為898.646 萬(wàn)t，年均可收集量達(dá)670 萬(wàn)t 以上，表明南疆棉花秸稈資源的利用潛力很大。

2007～2016 年南疆棉區(qū)棉稈不同處理方式的年平均碳排放總量為266. 664 萬(wàn)t；碳排放強(qiáng)度波動(dòng)幅度較大，年平均碳排放強(qiáng)度為3. 12 t/hm2；2016 年南疆棉區(qū)秸稈碳排放總量達(dá)413. 806 萬(wàn)t，按碳排放量由大到小排序?yàn)椋航斩捫讲袢剂希窘斩挿贌窘斩挿柿匣窘斩掞暳匣窘斩挵l(fā)酵沼氣，由此可說(shuō)明，秸稈發(fā)酵沼氣是最為清潔的利用方式，有利于保護(hù)環(huán)境，減少秸稈資源浪費(fèi)。

以棉花秸稈發(fā)酵沼氣為中心“四位一體”循環(huán)利用模式，即“秸稈—沼氣—有機(jī)肥還田—低碳農(nóng)業(yè)”，其循環(huán)路徑為“棉花秸稈—沼氣池—沼氣發(fā)電—提供農(nóng)戶生產(chǎn)生活用能”，“棉花秸稈—沼氣池—沼渣、沼液—肥料化—有機(jī)肥還田—果蔬種植”，“棉花秸稈—沼氣池—沼渣、沼液—飼料化—畜禽糞便—有機(jī)肥還田—棉花、果蔬種植”。該循環(huán)路徑整體上能夠?qū)崿F(xiàn)提高棉花秸稈利用率，降低碳排放量，為綠色農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)提供條件，滿足農(nóng)民和社會(huì)大眾的生產(chǎn)、生活需求，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的總體目標(biāo)，促進(jìn)棉稈資源的合理、高效、循環(huán)利用，推進(jìn)低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展及農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。

4.2 討論

本文計(jì)算棉花秸稈不同利用方式碳排放量時(shí)，由于秸稈飼料化碳排放系數(shù)及相關(guān)數(shù)據(jù)收集較困難，所以大致估算了秸稈飼料加工過(guò)程中，農(nóng)業(yè)機(jī)械消耗柴油的碳排放量，用以代替秸稈飼料化碳排放量；而農(nóng)業(yè)機(jī)械的數(shù)量則以中等規(guī)模飼料加工企業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)械平均值6.5臺(tái)進(jìn)行估算，不完全代表秸稈飼料化碳排放量的全部指標(biāo)。此外，限于新疆地域廣闊及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的缺失，難以找到2016年以前南疆飼料加工企業(yè)的完整數(shù)據(jù)，所以只采用了截止2016年年末飼料加工企業(yè)數(shù)量，來(lái)估算秸稈飼料化碳排放量，估算結(jié)果可能與實(shí)際結(jié)果之間存在一定誤差。此外，現(xiàn)實(shí)中棉花秸稈實(shí)際用于發(fā)酵沼氣的比例難以確定，故本文通過(guò)建立假設(shè)情境，假設(shè)將棉花秸稈用作薪柴燃料、焚燒、其他用途的資源量（30.4%）充分利用于發(fā)酵沼氣，計(jì)算其碳排放量，并與其他幾種利用方式碳排放量進(jìn)行對(duì)比。文中只粗略估算沼氣燃燒時(shí)的碳排放量，暫不考慮沼氣輸送的碳排放情況，其秸稈沼氣潛力大、碳排放量低，與張婷婷等［34］和王藝鵬等［9］的研究結(jié)果基本一致，以棉花秸稈發(fā)酵沼氣為核心的“四位一體”循環(huán)農(nóng)業(yè)模式更有利于提高秸稈資源綜合利用效率，且低碳化、綠色化效果更好。

就總體而言，以低碳農(nóng)業(yè)理論為指導(dǎo)，通過(guò)估算棉花秸稈不同利用方式的碳排放量，以碳排量最少的利用方式，即以棉花秸稈發(fā)酵沼氣為核心的“四位一體”循環(huán)農(nóng)業(yè)模式，其研究結(jié)果基本能夠?yàn)槊藁ń斩捹Y源的循環(huán)利用提供一種高效路徑，為南疆棉區(qū)棉花秸稈資源的高效循環(huán)利用、推進(jìn)低碳農(nóng)業(yè)的發(fā)展和政府決策部門制定相關(guān)政策提供較為可靠的參考依據(jù)。但在今后研究中，應(yīng)充分考慮該模式中秸稈發(fā)酵沼氣的物流運(yùn)輸、儲(chǔ)存問(wèn)題，協(xié)調(diào)好農(nóng)戶資金成本能力與勞動(dòng)力的博弈問(wèn)題，以及后續(xù)沼氣池的維修服務(wù)和保障措施等，使該模式的預(yù)期效果更佳、運(yùn)行體系更健全，增強(qiáng)該模式的適應(yīng)性。