秸稈綜合利用減排固碳貢獻(xiàn)與潛力研究

霍麗麗 姚宗路 趙立欣 羅 娟 張沛禎

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所， 北京 100081；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)農(nóng)村碳達(dá)峰碳中和研究中心， 北京 100081)

0 引言

中國(guó)農(nóng)作物秸稈資源量大面廣，據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部統(tǒng)計(jì)，2020年全國(guó)秸稈資源總量8.56×108t，可收集資源量7.22×108t，秸稈綜合利用率達(dá)到87.6%，但仍有約8.9×107t秸稈未被有效利用，露天禁燒防控壓力大[1-2]。推進(jìn)秸稈綜合利用，能夠顯著減少秸稈露天焚燒和隨意堆棄產(chǎn)生的溫室氣體(GHG)排放，是耕地質(zhì)量提升、農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理的重要內(nèi)容，有利于提升農(nóng)田土壤碳匯、替代化石能源，是促進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村減排固碳、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色低碳發(fā)展、建設(shè)生態(tài)宜居鄉(xiāng)村的重要舉措。

中國(guó)力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[3]，農(nóng)業(yè)農(nóng)村減排固碳既是碳達(dá)峰、碳中和的重要舉措，也是潛力所在。2014年中國(guó)農(nóng)業(yè)溫室氣體排放總量約為8.3×108tCO2e(CO2當(dāng)量，下同)，占全國(guó)的7%左右，如果加上農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用能和生活用能的排放，中國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村溫室氣體排放量占全國(guó)溫室氣體排放量的15%左右[4-6]。農(nóng)業(yè)農(nóng)村領(lǐng)域的非二氧化碳溫室氣體排放占比高，農(nóng)業(yè)活動(dòng)CH4排放約占全國(guó)的43%、N2O排放約占60%[4]。

秸稈綜合利用包括肥料、飼料、燃料、基料和原料等五料化利用，秸稈利用與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)村生活緊密聯(lián)結(jié)，可有效提升農(nóng)業(yè)農(nóng)村減排固碳的能力，能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)種植、畜牧養(yǎng)殖提供肥料與飼料，直接或間接還田可提高土壤固碳能力，增加土壤碳匯；能夠生產(chǎn)成型燃料、沼氣/生物天然氣等燃料化利用，為農(nóng)村生活取暖炊事提供燃料，替代生產(chǎn)生活使用的煤炭等化石能源，減少溫室氣體排放；還能夠?yàn)榫缴a(chǎn)提供基料，以及為造紙、板材等提供原料，從而減少林木砍伐，提高森林碳匯。因此，秸稈綜合利用對(duì)農(nóng)業(yè)農(nóng)村減排固碳貢獻(xiàn)潛力和空間較大，需要深入挖掘、充分利用。目前，秸稈綜合利用仍存在溫室氣體排放基數(shù)不明、底數(shù)不清等問(wèn)題，為科學(xué)評(píng)價(jià)秸稈綜合利用的減排固碳底數(shù)及未來(lái)潛力，本文研究基于IPCC指南(2006年)溫室氣體排放核算理論框架，構(gòu)建秸稈綜合利用減排固碳評(píng)價(jià)方法，明確邊界設(shè)定、核算不同技術(shù)的排放因子，研究秸稈綜合利用減排固碳貢獻(xiàn)，并根據(jù)秸稈利用潛力、設(shè)定不同情景，分析預(yù)測(cè)秸稈減排固碳潛力，為加強(qiáng)秸稈科學(xué)利用、促進(jìn)農(nóng)業(yè)減排固碳提供技術(shù)支撐。

1 評(píng)價(jià)方法

1.1 評(píng)價(jià)范圍

根據(jù)IPCC指南(2006年)，秸稈綜合利用過(guò)程其自身的CO2排放不計(jì)入溫室氣體排放核算中，認(rèn)為其利用釋放的CO2與作物生長(zhǎng)吸收的CO2形成循環(huán)[7]。秸稈綜合利用的溫室氣體排放源主要包括秸稈從農(nóng)作物收獲后還田，離田收儲(chǔ)運(yùn)、加工轉(zhuǎn)化與利用以及副產(chǎn)物還田等全過(guò)程的溫室氣體排放。采用全生命周期評(píng)價(jià)方法核算溫室氣體排放量[8]，忽略農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程各類能源及化學(xué)品投入的溫室氣體排放，研究主要考慮了農(nóng)作物收獲后，秸稈還田、離田利用全過(guò)程的煤炭、燃油、電力等化石燃料消耗的排放，未考慮土地利用變化、作物種植、還田和收儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程所用設(shè)備加工制造能耗、轉(zhuǎn)化及利用的廠房建設(shè)與設(shè)備加工制造能耗、秸稈利用設(shè)施加工及安裝能耗等[9-11]。秸稈綜合利用的溫室氣體減排源主要包括秸稈直接或間接還田農(nóng)田土壤碳匯、秸稈利用減少林木砍伐的森林碳匯，以及秸稈直接或間接能源利用抵扣化石能源的CO2減排。此外，研究還考慮了秸稈露天焚燒過(guò)程CH4、N2O、NOx和CO等直接和間接溫室氣體排放，以及秸稈露天堆放自然腐解的CH4和N2O溫室氣體排放。

1.2 邊界設(shè)定

秸稈綜合利用的核算邊界包括肥料(含根茬還田)、飼料、燃料、基料和原料等五料化利用的秸稈，以及露天焚燒、堆放自然腐解等未被有效利用的秸稈。秸稈資源量與利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來(lái)源于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門(mén)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，秸稈種類主要包括早稻、中稻和一季晚稻、雙季晚稻、小麥、玉米、馬鈴薯、甘薯、花生、油菜籽、大豆、棉花、木薯、甘蔗等13種。秸稈五料化利用溫室氣體核算邊界如表1所示。

表1 秸稈五料化利用溫室氣體核算邊界Tab.1 Accounting boundary range of GHG emissions from straw utilization

秸稈肥料化利用溫室氣體核算包含秸稈還田過(guò)程的農(nóng)機(jī)燃料消耗溫室氣體排放，以及秸稈還田有機(jī)碳固碳的土壤碳匯，未核算秸稈還田腐解過(guò)程的N2O排放。

秸稈飼料化利用溫室氣體核算包括秸稈收儲(chǔ)運(yùn)與加工飼料過(guò)程、畜禽糞污堆肥與還田過(guò)程等消耗的化石燃料的排放，以及秸稈消化后間接還田的土壤碳匯。土壤碳匯參考秸稈直接還田測(cè)算方法，未核算畜禽糞污還田腐解過(guò)程的N2O排放。研究暫不考慮反芻動(dòng)物飼養(yǎng)過(guò)程腸道發(fā)酵產(chǎn)生的CH4排放以及糞便收儲(chǔ)運(yùn)管理過(guò)程中產(chǎn)生的CH4與N2O排放，根據(jù)IPCC指南(2006年)將其納入畜牧養(yǎng)殖和糞便管理的排放核算中。

秸稈燃料化利用溫室氣體核算的排放源從秸稈收儲(chǔ)、加工到能源產(chǎn)品終端應(yīng)用，以及副產(chǎn)物利用等全鏈條外部能源消耗產(chǎn)生的溫室氣體排放；抵扣化石能源減排主要是替代煤炭等化石能源的溫室氣體CO2當(dāng)量(包括CO2、CH4、N2O等)；副產(chǎn)物土壤碳匯主要包括秸稈炭氣聯(lián)產(chǎn)、秸稈沼氣等技術(shù)的副產(chǎn)物(如生物炭、沼渣沼液)還田的土壤固碳。未核算副產(chǎn)物還田腐解過(guò)程的N2O排放。

秸稈基料化利用溫室氣體核算的排放源主要包括秸稈收儲(chǔ)、加工與利用以及副產(chǎn)物利用(廢菌棒堆肥還田)全過(guò)程的外部能源消耗的溫室氣體排放；碳匯源包括通過(guò)生產(chǎn)食用菌基質(zhì)減少采伐林木增加森林碳匯，以及廢菌棒堆肥還田的土壤碳匯。未核算廢菌棒還田腐解過(guò)程的N2O排放。

秸稈原料化利用溫室氣體核算的排放源主要包括秸稈收儲(chǔ)、加工與利用以及廢舊人造板材和廢紙張回收利用全鏈條過(guò)程的外部能源消耗的溫室氣體排放；碳匯源包括通過(guò)秸稈生產(chǎn)板材和紙張減少采伐林木增加森林碳匯，以及廢舊人造板材和廢紙張能源利用抵扣的化石能源排放。

秸稈露天焚燒溫室氣體排放主要包括CH4、N2O等直接排放源和CO、NOx等間接排放源。IPCC指南(2006年)第7章前體物與間接排放中描述了CO、NOx排放最終會(huì)在大氣中被轉(zhuǎn)化成CO2或N2O，可將NO和NO2折合為N2O，將CO折合為CO2核算溫室氣體排放。秸稈自然堆放溫室氣體排放主要是秸稈在微生物作用下腐解過(guò)程釋放的CH4和N2O。

1.3 核算方法

秸稈綜合利用評(píng)價(jià)的溫室氣體主要包括CO2、CH4、N2O 3類，為統(tǒng)一衡量溫室氣體排放，采用全球增溫潛勢(shì)將溫室氣體換算成CO2當(dāng)量計(jì)算，參考《IPCC第五次評(píng)估報(bào)告》中溫室氣體的100年時(shí)間尺度下的全球增溫潛勢(shì)，CO2、CH4、N2O的全球增溫潛勢(shì)(GWP)分別為1、28和265[4]。

秸稈利用溫室氣體排放量計(jì)算公式為

EGHG,ft=∑(FC，ftEFGHG,ft)+SBGGHG,ef+STHGHG,ef

(1)

其中

EFGHG,ft=HFGHG,ft-CS,Farm-CS,Forest-AE,Fossil

(2)

HFGHG,ft=∑[HEiλj(WjCO2+GCH4WjCH4+GN2OWjN2O)]

(3)

CS，F(xiàn)arm=44Corg,k(1-λk)ηk/12

(4)

CS，F(xiàn)orest=44Corg,kY/12

(5)

AE，F(xiàn)ossil=Emτ

(6)

式中EGHG,ft——秸稈利用全過(guò)程的溫室氣體(GHG)排放量，t

FC，ft——每種技術(shù)的秸稈利用量，t

EFGHG,ft——每種技術(shù)的秸稈利用GHG排放因子

SB——秸稈露天焚燒量，t

GGHG,ef——秸稈露天焚燒GHG排放因子

ST——秸稈自然堆放量，t

HGHG,ef——秸稈自然堆放GHG排放因子

HFGHG,ft——單位秸稈從作物收獲后還田，離田收儲(chǔ)運(yùn)輸、加工轉(zhuǎn)化與利用以及副產(chǎn)物還田等全過(guò)程的GHG排放量，t

CS,Farm——單位秸稈直接或間接還田農(nóng)田土壤碳匯量，t

CS,Forest——單位秸稈利用過(guò)程中減少林木砍伐的森林碳匯量，t

AE,Fossil——單位秸稈燃料利用抵扣化石能源的GHG減排量，t

HEi——第i類二次能源(含電力)或化學(xué)品生產(chǎn)所消耗的能源量

λj——二次能源(含電力)或化學(xué)品生產(chǎn)第j類能源消耗占總能源消耗的比例

WjCO2——第j類能源CO2排放系數(shù)

WjCH4——第j類能源CH4排放系數(shù)

WjN2O——第j類能源N2O排放系數(shù)

GCH4——CH4全球增溫潛勢(shì)

GN2O——N2O全球增溫潛勢(shì)

i——秸稈從作物收獲后還田，以及離田收儲(chǔ)運(yùn)輸、加工轉(zhuǎn)化與利用、副產(chǎn)物還田等全過(guò)程能源或化學(xué)品的類型序號(hào)

j——各類物質(zhì)消耗的能源類型序號(hào)

Corg,k——單位秸稈(干物質(zhì))總有機(jī)碳含量

λk——秸稈利用過(guò)程被分解或消化的秸稈所占的百分比

ηk——秸稈直接或間接還田有機(jī)碳固定在土壤中的比例

k——不同秸稈利用方式序號(hào)

Y——林木資源的碳轉(zhuǎn)換周期，即林木采伐周期30年與100年增溫尺度之比，本研究Y取值為0.3

Em——單位秸稈直接或間接能源利用所抵扣化石能源的量

τ——抵扣化石能源的GHG排放因子

秸稈露天焚燒GHG排放因子，參考IPCC指南(2006年)第4卷第4章農(nóng)田中的源自生物質(zhì)燃燒的非二氧化碳排放核算方法。秸稈自然腐解GHG排放因子，參考IPCC指南(2006年)第5卷第4章《固體廢棄物的生物處理》提供的廢棄物生物處理中的堆肥方式CH4和N2O排放進(jìn)行測(cè)算。

2 秸稈綜合利用減排固碳貢獻(xiàn)現(xiàn)狀

2.1 不同秸稈利用技術(shù)的排放因子

2.1.1秸稈肥料化

秸稈肥料化利用方式主要包括根茬還田、粉碎覆蓋還田、深翻還田和旋耕還田等技術(shù)。相關(guān)研究表明，采用DNDC模型對(duì)農(nóng)田土壤碳庫(kù)進(jìn)行估算，發(fā)現(xiàn)中國(guó)農(nóng)田土壤碳庫(kù)正以7.38×107t/a(C當(dāng)量)的速度減退，說(shuō)明中國(guó)農(nóng)田土壤碳庫(kù)容量還遠(yuǎn)達(dá)不到飽和，農(nóng)田土壤碳庫(kù)增加潛力巨大，秸稈還田后，有8%～35.7%的有機(jī)碳以土壤有機(jī)碳的形式保存于土壤碳庫(kù)中[12-15]。有研究采用Meta法分析了秸稈持續(xù)還田對(duì)中國(guó)農(nóng)田土壤有機(jī)碳的影響，與秸稈不還田相比，秸稈還田可以顯著提高土壤有機(jī)碳含量，平均可提高13.97%±1.38%[16-18]。

基于文獻(xiàn)[19-21]研究，假設(shè)秸稈還田有機(jī)碳固定于土壤中的比例按10%計(jì)，秸稈總有機(jī)碳含量按0.4計(jì)，核算出秸稈還田的土壤碳匯量為146.8 gCO2e/kg。根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)測(cè)算，秸稈根茬還田、粉碎覆蓋還田、深翻還田、旋耕還田等還田過(guò)程農(nóng)機(jī)燃料消耗產(chǎn)生的溫室氣體排放因子分別為4.38、10.52、28.05、21.4 gCO2e/kg。經(jīng)測(cè)算秸稈根茬還田、粉碎覆蓋還田、深翻還田、旋耕還田排放因子分別為-142.3、-136.1、-118.6、-125.6 gCO2e/kg。

2.1.2秸稈飼料化

秸稈飼料化利用主要方式為干秸稈粗飼料，研究暫不考慮玉米全株青貯飼料。有研究顯示，施用氮磷鉀+農(nóng)家肥的地塊總有機(jī)碳儲(chǔ)量比氮磷鉀和休耕地塊分別增加了25%和45%[22]。在黑龍江省肇州縣的研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥施用后土壤有機(jī)碳總量中來(lái)源于玉米殘茬的比例為14.36%，來(lái)源于有機(jī)肥的比例為25.92%，土壤原有有機(jī)碳比例為59.72%[23]。在江西紅壤長(zhǎng)期定位實(shí)驗(yàn)站的研究表明，紅壤施用有機(jī)肥后，玉米秸稈源的有機(jī)碳比例約為11.0%，有機(jī)肥源的有機(jī)碳比例約為21.0%[24]?？梢钥闯?，畜禽糞便還田的固碳效果優(yōu)于秸稈直接還田，其有機(jī)碳固碳率為20%～30%。

基于IPCC指南(2006年)，反芻動(dòng)物的消化率為55%；糞污有機(jī)碳的農(nóng)田固碳率按20%計(jì)，測(cè)算秸稈飼料化利用間接還田固碳量為132.0 gCO2e/kg。據(jù)前期調(diào)研秸稈飼料利用全過(guò)程能源消耗測(cè)算，秸稈收儲(chǔ)運(yùn)溫室氣體排放因子為27.53 gCO2e/kg，加工與利用過(guò)程中的溫室氣體排放因子為21.04 gCO2e/kg，畜禽糞污堆肥還田溫室氣體排放為25.65 gCO2e/kg。因此，干秸稈粗飼料溫室氣體排放因子為-57.8 gCO2e/kg。

2.1.3秸稈燃料化

秸稈燃料化利用主要包括成型燃料、打捆供暖、沼氣/生物天然氣、熱解炭氣聯(lián)產(chǎn)、熱電聯(lián)產(chǎn)、秸稈直燃發(fā)電、燃料乙醇等技術(shù)。替代化石能源采用抵扣煤炭(折合標(biāo)準(zhǔn)煤)的熱量計(jì)算，基于原煤的單位熱值含碳量為26.37 g/MJ，碳氧化率為0.94，基于《2006年IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南》，參考《中國(guó)發(fā)電企業(yè)溫室氣體排放測(cè)算方法與報(bào)告指南(試行)》中煤炭排放因子的相關(guān)測(cè)算方法，原煤的CO2排放因子為90.89 gCO2/MJ，CH4和N2O排放量較小，忽略不計(jì)；1 t標(biāo)準(zhǔn)煤(tce)單位熱量為29 307.6 MJ，折合1 t標(biāo)準(zhǔn)煤的溫室氣體排放因子為2.663 7 tCO2e。秸稈成型燃料、打捆供暖、熱電聯(lián)產(chǎn)、秸稈直燃發(fā)電、燃料乙醇、規(guī)模化沼氣/生物天然氣、熱解炭氣聯(lián)產(chǎn)技術(shù)替代煤炭的溫室氣體減排量分別為1 117.39、1 031.44、932.18、327.2、421.7、570.49、496.19 gCO2e/kg，如表2[9-11，25-30]所示。

表2 秸稈燃料化利用的GHG測(cè)算相關(guān)參數(shù)Tab.2 GHG calculation related parameters for straw fuel utilization

不同秸稈利用技術(shù)的GHG排放有一定差異，成型燃料、打捆供暖、直燃發(fā)電/熱電聯(lián)產(chǎn)、燃料乙醇、規(guī)?；託?生物天然氣、熱解炭氣聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的轉(zhuǎn)化與利用過(guò)程溫室氣體排放量分別為90.4、41.8、85.5、131.4、138.5、146.1 gCO2e/kg。規(guī)?；託?生物天然氣、熱解炭氣聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的副產(chǎn)物還田土壤碳匯量分別為513.4、803.5 gCO2e/kg。因此，秸稈成型燃料、打捆供暖、熱電聯(lián)產(chǎn)、直燃發(fā)電、燃料乙醇、規(guī)模化沼氣/生物天然氣、熱解炭氣聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的溫室氣體排放因子分別為-1 027.0、-990.8、-845.97、-241.4、-264.7、-945.4、-1 153.6 gCO2e/kg。

2.1.4秸稈基料化

秸稈基料化主要利用方式為食用菌栽培和廢菌渣堆肥還田。相關(guān)研究表明，用稻草、豆秸部分替代闊葉樹(shù)鋸末栽培黑木耳，秸稈替代比例為25%～35%時(shí)，菌絲、子實(shí)體生長(zhǎng)方面與闊葉樹(shù)鋸末栽培基本相同[31]，因此秸稈基料利用可替代部分林木資源。經(jīng)測(cè)算，秸稈基料化利用替代林木資源的森林碳匯量為462 gCO2e/kg。菌菇生產(chǎn)過(guò)程碳損失率為30%[32-33]，假設(shè)菌菇有機(jī)碳的農(nóng)田固碳率等于秸稈還田固碳率，按10%計(jì)，廢菌渣還田的土壤碳匯為136.1 gCO2e/kg。秸稈基料化的收儲(chǔ)運(yùn)、加工利用、廢菌棒堆肥還田的排放量分別為27.5、88.0、25.7 gCO2e/kg。因此，秸稈基料化利用溫室氣體排放因子為-457.0 gCO2e/kg。

2.1.5秸稈原料化

秸稈原料化以人造板材和造紙利用為主，目前，廢舊秸稈人造板材或秸稈紙張最終處理途徑主要用于燃燒發(fā)電。人造板消耗原木材量為1.1 m3/m3，1 kg人造板消耗秸稈量為1.5 kg，人造板密度為650 kg/m3[34-35]，秸稈人造板原料化利用替代木材砍伐的森林碳匯量為308 gCO2e/kg。廢舊人造板能源利用，根據(jù)IPCC指南(2006年)其回收率為97.7%，秸稈人造板發(fā)熱量假設(shè)與秸稈發(fā)熱量相等，按14.6 MJ/kg計(jì)，減排量參照秸稈成型燃料抵扣化石能源碳減排量計(jì)算，廢舊人造板替代化石能源的溫室氣體減排量為574 gCO2e/kg。秸稈人造板的收儲(chǔ)運(yùn)、加工利用、廢舊板材能源利用的排放量分別為27.5、122.0、63.0 gCO2e/kg。因此，秸稈原料化人造板的溫室氣體排放因子為-669.6 gCO2e/kg。

秸稈造紙假設(shè)生產(chǎn)秸稈紙產(chǎn)品等效替代等量的木材紙產(chǎn)品，即生產(chǎn)1 t秸稈紙可以減少因生產(chǎn)1 t木材紙產(chǎn)品所需消耗的木材的采伐量，1 t秸稈可生產(chǎn)紙產(chǎn)品為0.628 t[36-37]。秸稈造紙?zhí)娲静目撤サ纳痔紖R量為290.1 gCO2e。假設(shè)廢舊秸稈紙張與秸稈的發(fā)熱量相當(dāng)，抵扣化石能源減排量參照秸稈成型燃料抵扣化石能源碳減排量計(jì)算，秸稈紙張量與秸稈造紙利用量(干物質(zhì))之比為22/35[38]，根據(jù)IPCC指南(2006年)給出紙制品丟棄率為34.2%，廢舊紙張回收率65.3%，廢舊秸稈紙張能源利用抵扣化石能源減排量為383.6 gCO2e/kg。秸稈造紙的收儲(chǔ)運(yùn)、加工利用、廢紙張能源利用的排放量分別為27.5、1 004.6、63.0 gCO2e/kg。因此，秸稈原料化造紙的溫室氣體排放因子為421.3 gCO2e/kg。

2.1.6秸稈露天焚燒與堆放自然腐解

根據(jù)IPCC指南(2006年)給出農(nóng)田殘余物露天焚燒的燃燒因子Cf，小麥秸稈為0.90、玉米秸稈為0.80、水稻秸稈為0.80。根據(jù)我國(guó)國(guó)情，2020年小麥秸稈機(jī)械化收獲率約97%[39]，機(jī)械化收獲時(shí)將秸稈直接粉碎還田，焚燒量極少，因此燃燒因子Cf取0.8。按IPCC指南(2006年)給出的缺省值計(jì)算，折合溫室氣體排放量為872.4 gCO2e/kg?；诂F(xiàn)有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[40-45]，采用箱線圖中位數(shù)計(jì)算，秸稈露天焚燒的CH4排放量為4.0 g/kg，N2O排放量為0.07 g/kg，NOx排放量為2.2 g/kg，CO排放量為69.25 g/kg，折合溫室氣體排放因子為802.0 gCO2e/kg。其中，直接排放源溫室氣體排放量為130.4 gCO2e/kg，間接排放量為671.6 gCO2e/kg。按照IPCC指南(2006年)推薦采用實(shí)測(cè)值，因此取排放因子為802.0 gCO2e/kg。秸稈自然腐解參考IPCC指南(2006年)第5卷第4章中固體廢棄物的生物處理，廢棄物堆肥產(chǎn)生的CH4排放量為0.08～20 g/kg，平均值為10 g/kg，N2O排放量為0.2～1.6 g/kg，平均值為0.6 g/kg，基于平均值計(jì)算，秸稈自然腐解折合溫室氣體排放因子為439.0 gCO2e/kg。

2.1.7不同技術(shù)對(duì)比分析

不同秸稈綜合利用技術(shù)的溫室氣體排放量差異較大，溫室氣體排放因子和組成如圖1、2所示。

圖1 各類技術(shù)溫室氣體排放因子Fig.1 GHG emission factors of different technologies

圖2 各類技術(shù)溫室氣體排放組成Fig.2 Composition of GHG emissions of different technologies

燃料化利用技術(shù)普遍優(yōu)于其他利用技術(shù)，主要是秸稈燃料化利用直接替代化石能源的減排貢獻(xiàn)，熱解炭氣聯(lián)產(chǎn)、成型燃料、打捆供暖、沼氣+沼渣沼液還田技術(shù)的溫室氣體減排優(yōu)勢(shì)明顯。生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)增加余熱利用可顯著提升能源利用效率，溫室氣體減排仍有較大增長(zhǎng)空間；燃料乙醇技術(shù)溫室氣體減排量較其他能源技術(shù)略低，仍待技術(shù)突破提升能源轉(zhuǎn)化率以及副產(chǎn)物低碳循環(huán)利用。木腐菌類食用菌栽培和人造板技術(shù)的溫室氣體減排量?jī)H次于秸稈燃料化利用技術(shù)，二者在減少木材砍伐的森林碳匯作用方面優(yōu)勢(shì)顯著，食用菌廢菌渣可還田固碳產(chǎn)生土壤碳匯，人造板廢棄后可燃料化利用替代化石能源。秸稈直接還田和秸稈飼料間接還田技術(shù)均具有一定的土壤碳匯作用。秸稈造紙利用技術(shù)表現(xiàn)為正向碳排放，其森林碳匯和能源替代的碳減排無(wú)法全部抵消利用過(guò)程的碳排放。

2.2 秸稈綜合利用減排固碳貢獻(xiàn)

2020年全國(guó)秸稈產(chǎn)生量為8.56×108t，可收集量為7.22×108t，利用量為6.33×108t，秸稈綜合利用率達(dá)到87.6%。肥料化、飼料化、燃料化、基料化、原料化利用量占秸稈可收集資源量的比例分別為62.1%、15.4%、8.5%、0.7%和1.0%。據(jù)相關(guān)研究及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2015年秸稈露天焚燒量約為8.11×107t，約占秸稈可收集資源量9.0%[46-47]；據(jù)生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)，2019年全國(guó)秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)比2015年下降了42%[48]，若按此比例計(jì)算，2020年秸稈露天焚燒量約為4.7×107t，約占秸稈可收集資源量的6.5%。

2020年秸稈綜合利用溫室氣體凈減排貢獻(xiàn)為7.0×107tCO2e，其中，秸稈五料化利用的溫室氣體減排量為1.26×108tCO2e，露天焚燒和自然腐解的溫室氣體排放量為5.6×107tCO2e。

從五料化利用結(jié)構(gòu)分析，2020年，秸稈肥料化、飼料化、燃料化、基料化、原料化利用的溫室氣體減排量分別為7.9×107、5×106、3.8×107、4×105、3×106tCO2e，占比分別為62.7%、4.4%、30.0%、0.4%、2.6%。肥料化和燃料化利用的減排量最高，占總減排量的92.7%，溫室氣體減排貢獻(xiàn)較大。2020年秸稈露天焚燒溫室氣體排放量為3.8×107tCO2e，自然腐解溫室氣體排放量為1.8×107tCO2e，如圖3所示。

圖3 2020年秸稈綜合利用的溫室氣體排放量Fig.3 GHG emissions from utilization of straw in 2020

溫室氣體排放與減排結(jié)構(gòu)分析如圖4所示， 2020年秸稈綜合利用過(guò)程的溫室氣體排放總量為2.9×107tCO2e。秸稈利用溫室氣體減排源主要包括提高農(nóng)田固碳的土壤碳匯、減少木材砍伐森林碳匯、抵扣化石能源的CO2減排，減排總量為1.55×108tCO2e，其中土壤和森林碳匯占比為69.2%，抵扣化石能源占比為30.8%。

圖4 秸稈五料化利用的溫室氣體組成Fig.4 GHG composition of comprehensive utilization of straw

3 秸稈綜合利用減排固碳潛力預(yù)測(cè)

3.1 秸稈資源量與利用預(yù)測(cè)

“十四五”期間，我國(guó)耕地總面積基本穩(wěn)定在1.2×108hm2以上，糧食播種面積穩(wěn)定在1.1×108hm2以上，為保障糧食安全，糧食產(chǎn)量要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)中有增，年產(chǎn)量需穩(wěn)定在6.5×109t以上。目前棉花、油料、糖類等作物播種面積約1.78×107hm2，未來(lái)產(chǎn)量也將略有增加?；谥袊?guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與發(fā)展研究所與國(guó)際食物政策研究所(IFPRI)共同開(kāi)發(fā)的中國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)模型(China agriculture sector model，CASM)，預(yù)測(cè)到2060年，糧食產(chǎn)量增長(zhǎng)率約8.4%，棉花、油料及糖類作物產(chǎn)量增長(zhǎng)率約14.5%。根據(jù)糧食產(chǎn)量測(cè)算出到2030年我國(guó)秸稈年產(chǎn)生量9.0×108t左右，到2060年將達(dá)到1.0×109t左右。按秸稈可收集率為87%計(jì)，預(yù)測(cè)2030年、2060年的秸稈可收集資源量分別約為7.8×108t和8.8×108t。

未來(lái)將持續(xù)推進(jìn)秸稈綜合利用，在保障農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量和養(yǎng)殖飼料需求的基礎(chǔ)上，促進(jìn)秸稈燃料化、基料化和原料化等多元化利用，預(yù)計(jì)秸稈綜合利用率將保持穩(wěn)定增加，直至達(dá)到全部資源化利用。為保證糧食穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，保障耕地土壤肥力，我國(guó)不同區(qū)域應(yīng)保證適宜數(shù)量的秸稈還田。根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果，在土壤有機(jī)質(zhì)含量為1%、年礦化率2%、腐殖化系數(shù)20%情況下，為維持和逐步提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，每年需給土壤補(bǔ)充16.7～33.3 kg/hm2干秸稈[49-53]。不同地區(qū)的秸稈還田比例占秸稈產(chǎn)生量的50%～70%較為適宜，不同作物、不同土壤類型的秸稈還田量有一定差異。根據(jù)不同區(qū)域還田需求進(jìn)行測(cè)算，各區(qū)域的秸稈適宜的還田量分別為：華北區(qū)33.3 kg/hm2、長(zhǎng)江中下游區(qū)29.1 kg/hm2、東北區(qū)27.3 kg/hm2、西北區(qū)26.7 kg/hm2、華南區(qū)21.0 kg/hm2、西南區(qū)15.3 kg/hm2。因此，測(cè)算出全國(guó)秸稈肥料化利用總量應(yīng)不低于4.9×108t。基于糧食、油料、棉花等作物的產(chǎn)量變化趨勢(shì)，預(yù)計(jì)到2030年肥料化利用量將達(dá)到4.69×108t，2060年將達(dá)到5.09×108t。

基于中國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)模型(CASM)畜禽農(nóng)產(chǎn)品增長(zhǎng)率，預(yù)測(cè)秸稈飼料化利用變化趨勢(shì)，預(yù)計(jì)到2030年和2060年秸稈飼料化利用量將分別達(dá)到1.27×108t和1.89×108t。秸稈基料化和原料化利用總體規(guī)模較小，2020年僅占秸稈可收集量的1.7%，未來(lái)將保持緩慢增加，預(yù)計(jì)到2030年、2060年分別達(dá)到1.5×107t和1.7×107t。在滿足肥料、飼料農(nóng)用需求基礎(chǔ)上，基于不同區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和用能習(xí)慣，及現(xiàn)有秸稈燃料化技術(shù)成熟度和應(yīng)用規(guī)模增長(zhǎng)情況預(yù)測(cè)，秸稈燃料化利用到2030年將達(dá)到1.24×108t、2060年將達(dá)到1.67×108t。

基于以上五料化利用情況預(yù)測(cè)，秸稈綜合利用率到2030年將達(dá)到94%，到2040年以后可基本實(shí)現(xiàn)全部利用。不同年度秸稈綜合利用預(yù)測(cè)如圖5所示。

圖5 秸稈綜合利用預(yù)測(cè)(2020—2060年)Fig.5 Prediction of straw utilization potential (2020—2060)

3.2 情景假設(shè)

以減排固碳為導(dǎo)向，在滿足土壤有機(jī)質(zhì)提升和飼料需求的基礎(chǔ)上，進(jìn)行秸稈綜合利用減排固碳預(yù)測(cè)。其中，秸稈五料化利用的秸稈收儲(chǔ)運(yùn)、加工與利用等過(guò)程的能源消耗，暫不考慮未來(lái)燃油、電力等能源的溫室氣體排放因子的變化。

情景1(基線情景)：基于秸稈綜合利用現(xiàn)狀及利用潛力進(jìn)行預(yù)測(cè)。假設(shè)各類利用技術(shù)結(jié)構(gòu)及能效不變，以及秸稈露天焚燒占未利用秸稈量的48.5%比例不變，考慮現(xiàn)有耕地面積、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、草食畜牧、農(nóng)村清潔能源等現(xiàn)狀。

情景2：基于情景1秸稈利用結(jié)構(gòu)不變，燃料化利用的技術(shù)水平提升情況下預(yù)測(cè)。秸稈綜合利用減排固碳貢獻(xiàn)最大的是肥料化和燃料化利用。其中，秸稈燃料化利用的技術(shù)水平仍有提升潛力，隨著生物質(zhì)能技術(shù)不斷發(fā)展，成型燃料/打捆供暖的能源轉(zhuǎn)化效率將進(jìn)一步提升，沼氣/生物天然氣將從低濃度厭氧發(fā)酵向高濃度或干法發(fā)酵轉(zhuǎn)變，生物質(zhì)發(fā)電將從直燃發(fā)電向熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)變，熱解炭氣聯(lián)產(chǎn)將從傳統(tǒng)低值氣化向高值燃?xì)饣蛱繗饴?lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)變，燃料乙醇將從淀粉糖類乙醇向纖維素乙醇轉(zhuǎn)變，且轉(zhuǎn)化效率也將進(jìn)一步提升[27,54-57]。研究假設(shè)在2020年的基礎(chǔ)上，從原料收儲(chǔ)、能源加工轉(zhuǎn)化與應(yīng)用全鏈條的凈能量轉(zhuǎn)化率2030年提升5%～10%，2060年提升10%～20%。秸稈燃料化利用技術(shù)凈能源轉(zhuǎn)化率增長(zhǎng)情況如表3所示。

表3 秸稈燃料化利用技術(shù)凈能源轉(zhuǎn)化率增量Tab.3 Increase in energy conversion rate of energy utilization

情景3：基于情景2燃料化利用的技術(shù)水平提升，燃料化利用結(jié)構(gòu)變化情況下進(jìn)行預(yù)測(cè)。在秸稈燃料化技術(shù)水平提升，同時(shí)基于不同燃料化技術(shù)成熟度，考慮了在碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)下未來(lái)能源結(jié)構(gòu)的需求，秸稈燃料化技術(shù)仍為多元化結(jié)構(gòu)，但在非電領(lǐng)域應(yīng)用將進(jìn)一步增強(qiáng)，將逐步從傳統(tǒng)的固體燃料向清潔燃?xì)夂鸵后w燃料轉(zhuǎn)變，按照目前的政策，由于秸稈直燃發(fā)電效率低，將向熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)變。燃料化利用結(jié)構(gòu)變化后的秸稈原料量如表4所示。

表4 秸稈燃料化利用變化量Tab.4 Changes in straw energy utilization t

3.3 秸稈綜合利用減排固碳潛力

3種情景下，秸稈綜合利用溫室氣體減排固碳潛力預(yù)測(cè)如圖6所示，到2030年秸稈綜合利用減排固碳潛力將達(dá)到1.52×108～1.72×108tCO2e，到2060年秸稈綜合利用減排固碳潛力將達(dá)到2.20×108～2.73×108tCO2e。

圖6 秸稈綜合利用溫室氣體凈減排量預(yù)測(cè)Fig.6 Prediction of greenhouse gas emission reduction potential of comprehensive utilization of straw

到2030年秸稈焚燒或自然腐解溫室氣體排放量為2.9×107tCO2e，秸稈綜合利用的溫室氣體排放總量為3.4×107tCO2e，秸稈綜合利用的農(nóng)田/森林碳匯減排量為1.22×108tCO2e，3種不同情景下，秸稈綜合利用抵扣化石能源減排量分別為9.3×107、9.7×107、1.10×108tCO2e。到2060年，秸稈綜合利用的溫室氣體排放總量為4.4×107～4.6×107tCO2e，秸稈綜合利用的農(nóng)田/森林碳匯減排量為1.40×108～1.72×108tCO2e，秸稈綜合利用替代化石減排貢獻(xiàn)為1.24×108～1.48×108tCO2e。

秸稈五料化利用分析，肥料化和燃料化利用在秸稈綜合利用減排固碳中仍發(fā)揮主要作用，到2030年肥料化利用減排固碳貢獻(xiàn)占比為40.7%、燃料化利用減排固碳貢獻(xiàn)占比為55.2%；到2060 年，肥料化利用減排固碳貢獻(xiàn)占比為31.9%、燃料化利用減排固碳貢獻(xiàn)占比為62.8%。相關(guān)研究認(rèn)為秸稈厭氧發(fā)酵和秸稈熱解聯(lián)產(chǎn)等能源化利用均具有較好的減排固碳貢獻(xiàn)，通過(guò)秸稈制取生物天然氣技術(shù)，替代天然氣的溫室氣體最大減排量為1.97×108tCO2e[26]；通過(guò)中速熱解多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)(Biomass intermediate pyrolysis poly-generation，BIPP)生產(chǎn)生物炭聯(lián)產(chǎn)可燃?xì)夂碗娏?，替代化石燃料及生物炭固碳的溫室氣體減排總量最高可達(dá)136.45 gCO2e/MJ，在全國(guó)范圍內(nèi)的應(yīng)用可以使2030年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的碳排放量比2005年減少2%～61%[27]?；谇榫?預(yù)測(cè)，到2060年秸稈燃料化利用量占比僅18.9%，溫室氣體減排貢獻(xiàn)潛力占比可達(dá)62.8%。秸稈燃料化利用的減排貢獻(xiàn)中仍具有較高的還田固碳貢獻(xiàn)，其中替代化石燃料減排貢獻(xiàn)約占72.2%、間接還田固碳貢獻(xiàn)約占27.8%。因此，秸稈綜合利用應(yīng)重視化石能源替代和土壤碳匯的雙重減碳作用，在推廣應(yīng)用中應(yīng)選擇溫室氣體減排貢獻(xiàn)潛力大的技術(shù)。

4 結(jié)論

(1)2020年秸稈綜合利用溫室氣體凈減排量為7.0×107tCO2e，其中，秸稈五料化利用的溫室氣體減排量為1.26×108tCO2e，露天焚燒和自然腐解的溫室氣體排放量為5.6×107tCO2e。

(2)秸稈綜合利用溫室氣體減排固碳貢獻(xiàn)潛力較大，到2030年為1.52×108～1.72×108tCO2e，2060年為2.20×108～2.73×108tCO2e。秸稈肥料化在五料化利用中的減排貢獻(xiàn)最大，到2030年和2060年秸稈肥料化利用的減排固碳貢獻(xiàn)分別達(dá)到8.2×108tCO2e和8.7×107tCO2e，在秸稈綜合利用貢獻(xiàn)中的占比分別為40.7%和31.9%。秸稈燃料化在五料化利用中的減排增加潛力最大，到2030年和2060年秸稈燃料化利用減排貢獻(xiàn)占比分別為55.2%和62.8%。

(3)建議加快秸稈綜合利用，聚焦秸稈肥料化和燃料化，重點(diǎn)支持溫室氣體減排效果顯著的秸稈利用技術(shù)，提高減排固碳貢獻(xiàn)。積極推進(jìn)秸稈全量利用，減少秸稈露天焚燒和自然腐解產(chǎn)生的大量溫室氣體排放，助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)。