農(nóng)林生物質(zhì)資源潛力評估研究與展望

張仁健，沈文星

（南京林業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟管理學(xué)院，南京 210037）

目前，能源短缺已經(jīng)成為世界的關(guān)鍵性問題，生物質(zhì)能源作為一種全球可利用的可再生和可回收能源，是解決能源問題重要的方案之一。與此同時，生物質(zhì)能源生物量還可以通過提供就業(yè)機會，使農(nóng)村地區(qū)的人口得以保留，促進農(nóng)業(yè)的平衡增長[1]。

根據(jù)《British petroleum（以下簡稱BP）世界能源統(tǒng)計年鑒》（BP，2018），我國的能源結(jié)構(gòu)正在發(fā)生變化，2017年石油和煤炭產(chǎn)量相比2011年分別減少了5.62%和5.64%。在化石能源產(chǎn)量減少的同時，可再生能源產(chǎn)量增長迅速，2017年可再生能源產(chǎn)量約為2011年可再生能源產(chǎn)量的3.63倍?？稍偕茉凑家淮文茉吹谋戎匾苍絹碓礁撸刂?017年可再生能源產(chǎn)量占一次能源總產(chǎn)量的3.41%。農(nóng)林生物質(zhì)資源作為生物質(zhì)資源主要組成部分，對其潛力評估進行梳理和分析，有利于分析生物質(zhì)資源到底如何或者是在何種程度上能夠?qū)δ茉炊倘边M行有效補充，特別是對國家生物質(zhì)能源戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)政策制定有一定的現(xiàn)實意義。

1 生物質(zhì)資源及應(yīng)用方式

生物質(zhì)是來自生物體的生物材料，通常指植物或植物衍生材料[2]。根據(jù)歐盟委員會對生物質(zhì)的定義，生物質(zhì)資源包括農(nóng)、林及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品、副產(chǎn)品和殘渣，以及非化石、可生物降解的工業(yè)部分和城市固體廢物。農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源和林業(yè)生物質(zhì)資源是其中兩種主要的潛在資源。農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源主要包括農(nóng)作物秸稈和農(nóng)產(chǎn)品加工廢棄物[3]。林木生物質(zhì)能源是指可用于能源或薪材的森林及其他木質(zhì)資源，主要來源于薪炭林、林業(yè)生產(chǎn)的“三剩物”、灌木林平茬復(fù)壯、經(jīng)濟林修剪和林業(yè)經(jīng)營撫育間伐過程產(chǎn)生的枝條和小徑木，還有造林苗木截干、城市綠化樹和綠籬修剪等[4]。

生物質(zhì)能是將太陽能以化學(xué)能的形式儲存在生物質(zhì)中[5]。而如何將生物質(zhì)資源高效的轉(zhuǎn)換為生物質(zhì)能是目前重點研究方向。

2 農(nóng)林生物質(zhì)資源潛力的分類和評估方法

2.1 農(nóng)林生物質(zhì)資源潛力的分類

現(xiàn)階段研究對生物質(zhì)資源潛力評估的結(jié)果差異較大，其重要原因之一是存在著不同的分類和定義。Smeets and Faaij[6]（2007）將生物質(zhì)潛力類型分為理論潛力、技術(shù)評估、市場（經(jīng)濟）評估，理論潛力＞技術(shù)潛力＞經(jīng)濟（市場）潛力。理論潛力是指基本生物物理極限內(nèi)可被認(rèn)為是生物能源生產(chǎn)的陸地生物量的最大量。技術(shù)潛力是在理論潛力的基礎(chǔ)上考慮到現(xiàn)有的技術(shù)以及其他限制因素。經(jīng)濟或市場潛力是受經(jīng)濟標(biāo)準(zhǔn)制約的技術(shù)潛力，如生產(chǎn)成本、物流成本、能源價格和利潤率[7]。國外學(xué)者對農(nóng)林生物質(zhì)資源各種類型潛力評估都有較為全面的研究。Smeet和Faaij[9]（2007）利用自下而上的關(guān)鍵因素分析，估計2050全球森林生物質(zhì)資源的生產(chǎn)潛力，計算發(fā)現(xiàn)理論潛力為71EJ，技術(shù)潛力64EJ，經(jīng)濟潛力15EJ，生態(tài)可持續(xù)潛力8EJ。而國內(nèi)學(xué)者對農(nóng)林生物質(zhì)潛力的研究主要停留在理論潛力階段。例如，蔡亞慶[8]（2011）等人通過草谷比系數(shù)估計2009年中國各省農(nóng)作物秸稈理論資源和可獲得資源量；左旭[9]通過玉米草谷比系數(shù)估計2013年中國玉米秸稈產(chǎn)量研究表明，玉米秸稈產(chǎn)量位居全國各類農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量之首；劉志彬等人[10]（2014）以9種農(nóng)作物的經(jīng)濟產(chǎn)量為基礎(chǔ)，結(jié)合草谷比和資源可收集利用率評估各類生物質(zhì)資源發(fā)電潛力，測得2011中國主要農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源的最大發(fā)電潛力以及凈剩余資源發(fā)電潛力；宓春秀和蘇世偉（2016）[11]利用灰色系統(tǒng)模型估計了江蘇省農(nóng)林農(nóng)作物秸稈和林木生物質(zhì)資源的理論潛力。

2.2 農(nóng)林生物質(zhì)資源的潛力評估方法

Long和Li等人[12]（2013）認(rèn)為目前估算生物質(zhì)能源潛力的方法有兩種，一種是基于各生物質(zhì)資源類型的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。另一種就是RS和GIS技術(shù)相結(jié)合的方法。Hanninen等人[13]（2018）評估歐盟森林生物質(zhì)潛力時，將評估的方法分為三類，第一類主要是對森林的結(jié)構(gòu)和增長及其可以從森林中獲得的資源進行評估，這類方法主要是用來評估森林生物質(zhì)資源的理論和技術(shù)潛力。第二類是需求驅(qū)動的方法，這類方法主要用于評估森林生物質(zhì)潛力的經(jīng)濟潛力和實施潛力。需求驅(qū)動的方法考慮了其他生產(chǎn)要素價格的發(fā)展、能源價格和不同的社會政治制約因素以及激勵措施對森林生物質(zhì)資源的影響。第三類是綜合建模評估，該方法綜合了以自資源為中心和以需求驅(qū)動兩種方法，該方法用于從理論潛力到可持續(xù)實施潛力的各種潛力評估。

3 農(nóng)林生物質(zhì)資源潛力評估實踐

3.1 基于地理分布下的農(nóng)林生物質(zhì)資源潛力評估

生物質(zhì)能空間分布的信息對于指導(dǎo)資源的集約和高效利用以及生物質(zhì)能相關(guān)項目和產(chǎn)業(yè)的配置而言至關(guān)重要。研究生物質(zhì)資源空間分布通常是利用遙感系統(tǒng)（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）。遙感和地理信息系統(tǒng)的發(fā)展為空間生物量和生物能源潛力的估算提供了無限的可能性。這種方法應(yīng)用主要表現(xiàn)在兩個方面。一是利用遙感和地理信息系統(tǒng)對生物質(zhì)和凈初級生產(chǎn)力進行估算，對生物質(zhì)資源進行評價。二是獲取可用于生物質(zhì)種植的土地面積信息。

國外研究生物質(zhì)資源分布，大多是為了了解未來可以多大程度上獲得生物質(zhì)資源以及如何調(diào)動這些資源。Verkerk等人[14]（2019）研究歐洲林業(yè)生物質(zhì)資源分布，發(fā)現(xiàn)在北歐（包括波羅的海國家）、中歐、斯洛文尼亞、法國西南部和葡萄牙中部地區(qū)，每單位土地的林業(yè)生物質(zhì)資源潛力最大。Mansuy等人[15]（2017）研究加拿大火燒跡地生物質(zhì)資源分布，發(fā)現(xiàn)加拿大各地的生物量密度從西到東和從北到南都在下降，在加拿大不列顛哥倫比亞省的太平洋海洋、山地科迪萊拉、北部科迪萊拉和北部平原生態(tài)區(qū)的生物質(zhì)資源密度值均為最大。Burg等人[16]（2018）在評估瑞士能源轉(zhuǎn)型中生物質(zhì)潛力，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)潛在的空間分布是高度可變的。

我國生物質(zhì)能總體上分布不均，省際差異較大，西南、東北及河南、山東等地是我國生物質(zhì)能的主要分布區(qū)。我國農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源主要是農(nóng)作物秸稈，而農(nóng)作物秸稈中，玉米稻所占比重最大，我國玉米秸稈資源主要分布于東北地區(qū)與黃海地區(qū)[17]。近年來，我國學(xué)者重點開始以國內(nèi)省份為研究區(qū)域分析生物質(zhì)資源分布，周春江（2011）[18]研究發(fā)現(xiàn)重慶農(nóng)林生物質(zhì)資源分布不均勻。邢紅[19]（2015）估算江蘇省南通市農(nóng)村生物質(zhì)資源量，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)生物質(zhì)資源分布極不均勻，在經(jīng)濟比較薄弱地區(qū)，生物質(zhì)資源有著明顯的優(yōu)勢。郭永奇[20]（2013）通過計算河南省秸稈生物質(zhì)資源人均密度研究該地方生物質(zhì)資源地理分布，將河南省秸稈生物質(zhì)資源開發(fā)利用分為重點、適度以及不適宜開發(fā)三個區(qū)域。

無論是國外還是國內(nèi)，生物質(zhì)資源都存在分布不均勻，這必然會導(dǎo)致局部分布的不合理，因此采取一定的優(yōu)化措施是完善生物質(zhì)資源分布的重要手段。王武魁和蘇賢明等人[21]（2010）考慮經(jīng)濟性和可操作性等因素，在定量分析的基礎(chǔ)上，通過定位配給模型和服務(wù)區(qū)模型，對北京林業(yè)生物質(zhì)資源收集點和加工地點的選址進行了優(yōu)化。Hu hao等人[22]（2015）描述了CyberGIS-BioScope模型，它利用CyberGIS功能處理和分析空間數(shù)據(jù)，優(yōu)化了生物燃料供應(yīng)鏈的空間決策環(huán)境，增強優(yōu)化結(jié)果的可視化和共享。

3.2 基于各種情景模擬下的農(nóng)林生物質(zhì)能源潛力評估

對生物質(zhì)能源潛力的評估通常是面向未來，在面向未來的研究通常需要在不同的情境下進行分析。而針對不同的情景，采取不同的分析模型。Giada Venturini[23]（2019）結(jié)合多部門模型TIMESDK和地理優(yōu)勢模型Balmorel-OptiFlow，對丹麥最豐富生物質(zhì)資源秸稈進行研究，建模解釋了秸稈在未來脫碳能源系統(tǒng)中的價值增加，以及在碳限制的情況下，依靠目前國內(nèi)生物量資源無法實現(xiàn)能源自給自足的目標(biāo)。Moiseyev等人[24]（2013）在不同的煤炭、天然氣和碳排放價格和市場情況下，使用全球森林部門模型EFI-GTM對歐盟電力和熱力生產(chǎn)使用木材的影響。Buongiorno等人（2011）[25]利用全球森林產(chǎn)品模型（GFPM）在保持其他驅(qū)動力不變的情況下對全球森林部門進行預(yù)測，研究發(fā)現(xiàn)生物能源需求增長率相對于基本情景翻一番。LotzeCampen等人[26]（2010）將空間土地利用模式與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力相結(jié)合，將經(jīng)濟土地利用分配模型與基于過程的植被-水文模型相結(jié)合，以模擬不同技術(shù)水平、土地利用模式和全球權(quán)衡的各種情景下的生物能源潛力。

4 評述與展望

4.1 農(nóng)林生物質(zhì)潛力評估差異分析及缺陷

一般來說，生物質(zhì)能源潛力的評估結(jié)果差異較大。國外學(xué)者在對未來生物質(zhì)理論潛力進行預(yù)測時，最高將近1200EJ/Year，而有的預(yù)測只有500EJ/Year。生物質(zhì)潛力估算的差異是由很多因素造成。首先，生物質(zhì)資源的數(shù)據(jù)不夠完善，還存在大量的離散數(shù)據(jù)，另外在測量生物質(zhì)潛力時，因為轉(zhuǎn)換因子、收益率和一些參數(shù)存在差異，結(jié)果也會不同。其次，生物質(zhì)資源存在不同的分類（農(nóng)業(yè)生物質(zhì)、林業(yè)生物質(zhì)、城市廢水等等）和不同的潛力類型（理論、技術(shù)、經(jīng)濟、實施、可持續(xù)實施），因此在對其進行評估時，研究重點如果是不同的資源類型或是不同的潛力類型都會產(chǎn)生差異。第三，評估生物質(zhì)資源缺乏公認(rèn)的方法。

對生物質(zhì)潛力評估的研究中，通常是分別對生物質(zhì)資源供給和需求的研究，而幾乎不考慮市場機制的影響。考慮到市場機制下的價格變動，研究的結(jié)果可能差異較大。另外，雖然目前在理論、技術(shù)、經(jīng)濟、以及可持續(xù)性上都有不同程度上的研究，但是像Smeet和Faaij一樣從理論潛力到可持續(xù)潛力四階段的研究較少，與此同時，在這些研究的基礎(chǔ)上進一步對政策以及投資規(guī)劃方面的研究也應(yīng)該值得去關(guān)注。

4.2 農(nóng)林生物質(zhì)能源技術(shù)

生物質(zhì)能源技術(shù)主要包括直接燃燒、熱解、氣化、液態(tài)氣化、液化、厭氧消化、酒精發(fā)酵和酯交換等，將生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化為固體、液體以及氣體三種形式[27]。再通過一系列技術(shù)轉(zhuǎn)化，將其轉(zhuǎn)化為生物乙醇、生物柴油、沼氣等。其中沼氣是世界上廣泛使用的最重要的氣體生物質(zhì)燃料，主要應(yīng)用于小型家庭以及工業(yè)的生產(chǎn)和使用[28]。另外生物質(zhì)共燃技術(shù)一種具有低風(fēng)險、低投資、建設(shè)周期短等特點生物質(zhì)能源技術(shù)[29]。它是在使用燃煤電廠的基礎(chǔ)上，將生物質(zhì)資源與煤混合燃燒。生物質(zhì)共燃技術(shù)在歐洲很多國家已經(jīng)開始廣泛使用，但對于世界上大多數(shù)國家來說，生物質(zhì)共燃還是個新的概念[30]，我國生物質(zhì)資源共燃是新的增長點。

4.3 農(nóng)林生物質(zhì)能源補貼政策

為了實現(xiàn)生物質(zhì)能的快速發(fā)展，各個國家都采取了一系列的生物質(zhì)能源政策。在國外，發(fā)達國家主要通過實施稅收、財政補貼、農(nóng)業(yè)、能源、激勵政策等來支持生物質(zhì)能源的發(fā)展[31]。英國在2001年制定了能源作物計劃，為農(nóng)民種植能源作物提供資金，如種植短輪伐期的矮林和芒刺。荷蘭為實行生物質(zhì)共燃技術(shù)的熱電聯(lián)產(chǎn)廠進行補貼，這種補貼是在批發(fā)電價的基礎(chǔ)上提供固定溢價。在希臘，政府對投資生物質(zhì)能源技術(shù)的企業(yè)免稅，并給予占投資份額40%的補貼[32]。我國在2017年組織建設(shè)生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)示范項目，建成后優(yōu)先獲得國家生物質(zhì)能源發(fā)電補貼。2018年要求地方針對括燃煤與農(nóng)林生物質(zhì)、生活垃圾等混燃發(fā)電在內(nèi)的其他生物質(zhì)發(fā)電項目，解決資金補貼問題。

現(xiàn)階段，我國生物質(zhì)能源相關(guān)政策沒有形成體系。在生物質(zhì)規(guī)劃方面，沒有強制實行的效果，也沒有具體實施的細則[33]。在生物質(zhì)補貼方面，我國主要是對生物質(zhì)原料以及生物質(zhì)發(fā)電進行補貼，而對生物質(zhì)系能源企業(yè)缺乏關(guān)注[34]。目前國內(nèi)外大量對于生物質(zhì)資源潛力的研究，有助于制定適合特定區(qū)域的生物質(zhì)能源技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略，另外可以對實施政策的成本和效益進行更細致化的評估，特別是財稅和補貼政策，并對未來發(fā)生的不確定情況及時做出政策上的調(diào)整[35-36]。