北方農(nóng)村清潔供暖先行區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄物的生物質(zhì)能潛力及減排效應(yīng)評估

趙晴云，馬若婧，周璐蕓，朱鈺銘，堯可，李曉婕，張雪靚

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193）

二氧化碳濃度增加導(dǎo)致的氣候變化是當(dāng)今和未來人類面臨的最復(fù)雜的環(huán)境問題之一，而能源消耗是影響全球溫室氣體排放的主要因素[1]。在我國廣袤的農(nóng)村地區(qū)，以炊事與供暖為核心的農(nóng)村生活是最主要的排放源頭，約占農(nóng)業(yè)農(nóng)村溫室氣體排放總量的78%[2]。目前，我國北方農(nóng)村取暖仍以燃燒煤炭為主，特別是農(nóng)村地區(qū)普遍存在散燒煤（含低效小鍋爐用煤）的利用方式，其大氣污染物排放量通常是燃煤電廠的10倍以上[3]。相關(guān)研究表明，在冬季采暖期，北方大部分地區(qū)溫室氣體排放量急劇增加，空氣污染風(fēng)險(xiǎn)升高[4]。因此，通過清潔取暖方式全面替代散燒煤，對于降低碳排放、減排污染物具有積極作用，同時也是能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命、農(nóng)村生活方式革命的重要內(nèi)容。

生物質(zhì)能又被稱為“綠色能源”，指的是由生物質(zhì)產(chǎn)生的固體、液體以及氣體轉(zhuǎn)化而來的能源[5?6]。它是一種化學(xué)態(tài)的能源，其穩(wěn)定性和儲能性比風(fēng)能、太陽能等物理態(tài)的能量好[7?8]。值得注意的是，利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廢棄物作為生物質(zhì)能源，不僅不會因種植能源作物而導(dǎo)致耕地“非糧化”，還能將原本可能造成環(huán)境污染的物質(zhì)（秸稈焚燒、畜禽糞污面源污染等）“變廢為寶”，實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用[9]。我國北方農(nóng)村地區(qū)具有巨大的農(nóng)作物秸稈（玉米、小麥）可利用量和畜禽（生豬、肉牛、奶牛、雞）養(yǎng)殖規(guī)模，因此，將農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為農(nóng)村生活能源，是全面實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的必然要求，也是落實(shí)我國“雙碳”目標(biāo)的重要抓手[10?11]。

為解決農(nóng)村供暖高排放問題，國家發(fā)改委等十部委聯(lián)合印發(fā)了《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017—2021 年）》（后文簡稱《規(guī)劃》），旨在讓北京、天津及河北、河南、山西、山東的“26+2”城市及其農(nóng)村地區(qū)（后文簡稱“26+2”地區(qū)）使用電力和管道天然氣作為能源進(jìn)行取暖。《規(guī)劃》中指出：北方地區(qū)冬季大氣污染以京津冀及周邊地區(qū)最為嚴(yán)重，“26+2”重點(diǎn)城市作為京津冀大氣污染傳輸通道城市，且所在省份經(jīng)濟(jì)實(shí)力相對較強(qiáng)，有必要、有能力率先實(shí)現(xiàn)清潔取暖。Nie等[12]集成了作物生長模型、土地適宜性評估和地理信息系統(tǒng)，繪制了全國范圍內(nèi)11種可用生物質(zhì)燃料和3種技術(shù)生物能源潛力的分布圖，發(fā)現(xiàn)“26+2”城市所在的華北地區(qū)具有突出的旱地農(nóng)業(yè)殘留可用生物質(zhì)原料量，其中京津兩市還具有明顯的畜禽糞便可利用潛力。聚焦于生物質(zhì)資源能源化潛力的評估，已有研究針對全國不同區(qū)域，如福建[13]、新疆[14]、甘肅[15]、重慶[16]、北京[17]等，進(jìn)行了定量化研究。然而，上述研究中專門以農(nóng)業(yè)廢棄物為對象開展的針對性評估略顯不足，且未見將《規(guī)劃》劃定的“26+2”地區(qū)作為研究案例開展生物質(zhì)能潛力與碳減排、污染物減排效應(yīng)的系統(tǒng)研究。而這些定量化的估算結(jié)果可為政策制定者推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型與農(nóng)村綠色發(fā)展工作提供具有參考價值的宏觀數(shù)據(jù)。

因此，本研究以《規(guī)劃》劃定的“26+2”地區(qū)為研究對象，利用地市級面板數(shù)據(jù)與經(jīng)典的計(jì)算方法框架[12]，在區(qū)域尺度上全面地評估農(nóng)業(yè)廢棄物的生物質(zhì)能潛力及其減排效應(yīng)。本研究具體包括以下三部分內(nèi)容：①核算農(nóng)作物秸稈與畜禽排泄物的生物質(zhì)資源能源化潛力；②折算上述兩種廢棄生物質(zhì)能發(fā)電可替代的傳統(tǒng)燃料資源量；③估算利用農(nóng)村廢棄生物質(zhì)能進(jìn)行清潔供暖帶來的污染物及二氧化碳減排量。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)包括河北省、山西省、山東省和河南省的26 個城市和北京市、天津市（圖1），總面積約27.5 萬km2，占我國國土總面積的2.87%。該區(qū)域?qū)儆谌A北地區(qū)，北部為燕山、西部為太行山，中部以平原區(qū)為主，非常適宜農(nóng)業(yè)發(fā)展[18]，是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)之一。平原區(qū)以冬小麥?夏玉米一年兩熟制為最主要的種植制度，山區(qū)多為春玉米一年一熟制，農(nóng)作物秸稈利用潛力巨大[19?23]。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，研究區(qū)農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值約占全國的1/4，且豬、牛、羊等家禽出欄總量約占全國的30%，無論是種植還是養(yǎng)殖規(guī)模均居全國前列[24]。

圖1 研究區(qū)地理位置及行政區(qū)劃圖Figure 1 Geographical location and administrative division map of the study area

研究區(qū)位于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，冬季寒冷，年均最低氣溫約為?12.41 ℃[25]，平均供暖時長約為4個月，占全年的1/3。截至2016年底，我國北方城鄉(xiāng)建設(shè)取暖面積206億m2，其中“26+2”城市所在區(qū)域的城鄉(xiāng)取暖面積高達(dá)50 億m2[26]。然而，當(dāng)前該區(qū)域仍以燃煤作為主要取暖能源。農(nóng)村地區(qū)具有豐富的農(nóng)作物秸稈與畜禽糞便等農(nóng)業(yè)廢棄物，應(yīng)充分利用這些潛在的生物質(zhì)能進(jìn)行清潔供暖，減少燃煤帶來的空氣污染和溫室氣體排放[27]。

1.2 研究方法與技術(shù)路線

本研究按照“種植與養(yǎng)殖業(yè)廢棄生物質(zhì)能潛力估算?清潔能源替代傳統(tǒng)燃料量折算?碳減排量與污染物減排量估算”的思路開展計(jì)算評估，具體技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 本研究技術(shù)路線圖Figure 2 Technical roadmap of the study

1.2.1 農(nóng)作物秸稈生物質(zhì)能潛力核算

由于統(tǒng)計(jì)及監(jiān)測資料中往往缺乏直接的秸稈廢棄物數(shù)據(jù)，故引入凈生物量的計(jì)算方式，使用農(nóng)作物產(chǎn)量估算秸稈凈生物量，繼而折算為秸稈可利用生物量，并最終計(jì)算其可轉(zhuǎn)換的相應(yīng)生物質(zhì)能。遵循上述步驟，首先對各類農(nóng)作物秸稈的凈生物量進(jìn)行估算：

式中：Ni為第i類農(nóng)作物的秸稈凈生物量，kg；Mi為第i類農(nóng)作物的總經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，kg；ri為第i類農(nóng)作物的草谷比。

受到土壤有機(jī)碳保護(hù)計(jì)劃、秸稈經(jīng)濟(jì)利用等條件的限制，通常并非所有的秸稈生物量都能作為生物質(zhì)能的供能物質(zhì)[12]。參閱已有研究[12]，本研究采用以下通用計(jì)算模型進(jìn)一步量化農(nóng)作物秸稈可利用的生物量及其能源化潛力：

式中：Bi為第i類農(nóng)作物秸稈可利用的生物量，kg；α為農(nóng)作物秸稈可利用生物質(zhì)量占總生物量的比例；β為農(nóng)作物的干生物質(zhì)碳含量。

式中：Pi為第i類農(nóng)作物秸稈可能源化的生物量，kg；c為農(nóng)作物秸稈為保持土壤碳庫而應(yīng)還田的生物量比例；e為農(nóng)作物秸稈用于動物飼料、工業(yè)材料和有機(jī)肥生產(chǎn)等經(jīng)濟(jì)活動的生物質(zhì)比例；l為農(nóng)作物秸稈在能源生產(chǎn)全過程中的損失系數(shù)。

生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為電能的過程會受到生物質(zhì)能量勢和轉(zhuǎn)化系數(shù)這兩個關(guān)鍵因素的影響[12]。其中，低位發(fā)熱量（Lower heating value，LHV）是計(jì)算生物質(zhì)能源化潛力最常用的指標(biāo)之一?；谏鲜鰠?shù)，本研究所用農(nóng)作物秸稈生物質(zhì)能源化利用潛力的計(jì)算公式如下：

式中：E為農(nóng)作物秸稈可轉(zhuǎn)換的生物質(zhì)能，MJ；LHV為農(nóng)業(yè)廢棄物的低位發(fā)熱量，MJ·kg?1；C為生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換系數(shù)。

1.2.2 畜禽排泄物生物質(zhì)能潛力核算

本研究納入核算的畜禽排泄物包括畜禽排出的糞便、尿及其與墊草的混合物。在作為生物質(zhì)能進(jìn)行供能時，一般處理方式是將畜禽的糞便轉(zhuǎn)化為沼氣進(jìn)行使用，而沼氣也是農(nóng)村清潔供暖可利用的方式之一。本研究所用畜禽排泄物可用生物質(zhì)量及其能源化潛力核算模型如下：

式（5）中：Qi為第i類畜禽的排泄物理論資源量，kg；Ni為第i類畜禽的年養(yǎng)殖數(shù)量，頭；Ti為第i類畜禽的養(yǎng)殖周期，d；EPi為第i類畜禽的排泄系數(shù)，kg·頭?1·d?1。式（6）中：Gi為第i類畜禽的排泄物可利用生物質(zhì)總量，kg；Hij為第i類畜禽的第j種排泄物的收集系數(shù)；Wij為第i類畜禽的第j種排泄物的干物質(zhì)含量，%。式（7）中：Ai為第i類畜禽排泄物可用作沼氣的能源化潛力，m3；Pi為第i類畜禽排泄物的產(chǎn)氣因子，m3·kg?1。

1.2.3 生物質(zhì)能替代傳統(tǒng)燃料資源量折算

根據(jù)上述核算的農(nóng)作物秸稈與畜禽排泄物生物質(zhì)能源化潛力，折算可替代傳統(tǒng)燃料（標(biāo)準(zhǔn)煤或天然氣）的資源量，具體計(jì)算方式如下：

式中：SCNi為第i類農(nóng)作物秸稈生物質(zhì)能源化折合的標(biāo)準(zhǔn)煤資源量，kg；Ei為第i類農(nóng)作物秸稈可轉(zhuǎn)換的生物質(zhì)能，MJ；U為標(biāo)準(zhǔn)煤熱值系數(shù)，MJ·kg?1；SCFi為第i類畜禽排泄物沼氣能源化折合的標(biāo)準(zhǔn)煤資源量，kg；Ai為第i類畜禽排泄物可用作沼氣的能源化潛力，m3；Z為沼氣折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)，kg·m?3；TNi為第i類農(nóng)作物秸稈生物質(zhì)能源化折合的天然氣資源量，m3；Y為天然氣折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)，kg·m?3；TFi為第i類畜禽排泄物沼氣能源化折合的天然氣資源量，m3。

1.2.4 生物質(zhì)能源清潔供暖污染物及碳減排效應(yīng)估算

利用農(nóng)業(yè)廢棄物的生物質(zhì)能進(jìn)行清潔供暖可帶來的污染物及碳的減排效應(yīng)按照其替代煤燃燒所減少的排放量來估算，即生物質(zhì)能折合標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒的排放量與生物質(zhì)能利用過程中的排放量的差值[28?30]。本研究所用農(nóng)村生物質(zhì)能大氣污染物（包括SO2和NOx）及CO2減排效應(yīng)計(jì)算模型如下：

1.3 關(guān)鍵參數(shù)與數(shù)據(jù)來源

1.3.1 農(nóng)作物秸稈生物質(zhì)能源化潛力核算關(guān)鍵參數(shù)

本研究區(qū)內(nèi)最主要的農(nóng)作物為小麥和玉米，其他主要農(nóng)作物包括水稻、豆類、薯類、油料作物、棉花、蔬菜、糖類和麻類等。結(jié)合對研究區(qū)內(nèi)部分農(nóng)作物種植地區(qū)的實(shí)地調(diào)研與統(tǒng)計(jì)資料[31]，蔬菜類種植過程中幾乎不產(chǎn)生可回收利用的秸稈，而糖類作物和麻類作物種植面積極少，因此蔬菜、糖類和麻類作物未歸入計(jì)算范圍內(nèi)。參閱相關(guān)研究[31?32]，納入本研究核算范圍的8類農(nóng)作物及其草谷比如表1所示。

表1 農(nóng)作物秸稈生物質(zhì)能核算過程所涉及農(nóng)作物及其草谷比Table 1 Crops and grass?grain ratio involved in estimation of biomass energy of crop straw

參閱相關(guān)研究[12，15]，由農(nóng)作物秸稈可利用的生物量轉(zhuǎn)化為可能源化的生物量計(jì)算過程中所用參數(shù)α取值為0.5，β為0.5，c為0.313，e為0.499，l為0.005。

由農(nóng)作物秸稈可能源化的生物量轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能量的計(jì)算過程中，所用參數(shù)LHV的值根據(jù)《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒》和相關(guān)文獻(xiàn)資料[33]綜合確定，取值為17.3 MJ·kg?1。轉(zhuǎn)化系數(shù)C通常受到多重因素的影響，考慮到目前全國沒有成熟的、固定的生物能源利用模式，實(shí)際的生物能源技術(shù)潛力會隨著轉(zhuǎn)換技術(shù)的不同而有所不同[29?30，34]。因此本研究中更偏重于生物質(zhì)能的可用性，而相對忽略轉(zhuǎn)化的技術(shù)問題，參考相關(guān)研究[12]，能量轉(zhuǎn)化系數(shù)C取值為0.21。

1.3.2 畜禽排泄物生物質(zhì)能潛力核算關(guān)鍵參數(shù)

本研究區(qū)涵蓋的區(qū)域劃分跨度較大，涉及華北、華東和中南三個畜禽養(yǎng)殖區(qū)。由于地理位置與農(nóng)業(yè)資源條件不同，畜禽類型、養(yǎng)殖周期[35?36]、排泄物比例系數(shù)、收集系數(shù)等參數(shù)值也會存在空間異質(zhì)性，參閱相關(guān)研究[29?30，37?38]并綜合對研究區(qū)部分畜禽養(yǎng)殖場及菜肉零售市場的實(shí)地調(diào)研情況，本研究中畜禽排泄物生物質(zhì)能潛力核算過程中所涉及關(guān)鍵參數(shù)取值如表2所示。

表2 研究區(qū)涉及的畜禽類型、養(yǎng)殖周期、排泄物比例系數(shù)、收集系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)取值Table 2 Values of key parameters such as livestock and poultry types，culture cycle，excretion specificity coefficient，and collection coefficient in the study area

表3 農(nóng)作物秸稈和畜禽排泄物生物質(zhì)折合標(biāo)煤燃燒及其能源化利用的排放系數(shù)Table 3 Emission coefficient of biomass of crop straw and livestock excreta converted to standard coal combustion and its energy utilization

1.3.3 生物質(zhì)能替代傳統(tǒng)燃料資源量折算過程相關(guān)參數(shù)

本研究將農(nóng)作物秸稈生物質(zhì)能源化潛力及畜禽排泄物轉(zhuǎn)化為沼氣能源的潛力，折算為可替代傳統(tǒng)燃料（標(biāo)準(zhǔn)煤、天然氣）的資源量。這一折算過程所涉及的關(guān)鍵參數(shù)中，標(biāo)準(zhǔn)煤熱值系數(shù)U參考國家標(biāo)準(zhǔn)《綜合能耗計(jì)算通則》（GB/T 2589—2020），取值為29.307 MJ·kg?1；沼氣折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)Z和天然氣折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)Y參考《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒2020》，取值分別為0.714 kg·m?3（以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)）和1.215 kg·m?3（以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)）。

1.3.4 生物質(zhì)能源清潔供暖污染物和碳減排量估算相關(guān)參數(shù)

本研究所用農(nóng)村生物質(zhì)能大氣污染物（包括SO2和NOx）及CO2減排量估算中排放系數(shù)的確定參閱相關(guān)研究[34]，具體取值情況如表3所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)業(yè)廢棄物的生物質(zhì)能潛力

2.1.1 農(nóng)作物秸稈的生物質(zhì)能潛力

“26+2”研究區(qū)內(nèi)8 種農(nóng)作物的生物質(zhì)能潛力空間分布如圖3 所示。從研究區(qū)整體來看，“26+2”城市群內(nèi)農(nóng)村地區(qū)納入計(jì)算的主要農(nóng)作物秸稈的生物質(zhì)能潛力總和為5.35×1016J，由此可見該區(qū)域內(nèi)廢棄生物質(zhì)的資源化利用是大有可為的。其中，小麥、玉米和油料作物秸稈及其加工剩余物是研究區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源的三大主要來源，分別占農(nóng)作物秸稈的生物質(zhì)能潛力總量的46.7%、42.5%和5.2%，累計(jì)占比高達(dá)94.4%。小麥和玉米是研究區(qū)內(nèi)最主要的糧食作物，播種面積較大，因此具有最高的生物質(zhì)能潛力；而油料作物的播種面積雖然較少，但其草谷比較高，因此表現(xiàn)出較棉花、水稻、豆類等更大的生物質(zhì)能潛力。此外，通過查閱統(tǒng)計(jì)資料發(fā)現(xiàn)，上述3 種作物，特別是小麥和玉米的播種面積和產(chǎn)量在年際間的波動都很小，這說明研究區(qū)內(nèi)農(nóng)作物秸稈的生物質(zhì)資源量具有一定的穩(wěn)定性。

圖3 研究區(qū)內(nèi)8種農(nóng)作物的生物質(zhì)能潛力空間分布Figure 3 Spatial distribution of biomass energy potential of eight crops in the study area

從空間分布格局（圖3）來看，研究區(qū)內(nèi)農(nóng)作物生物質(zhì)能潛力在山區(qū)較低而在平原區(qū)較高，整體呈現(xiàn)從西北向東南逐漸增大的趨勢。除水稻生物質(zhì)能以外，其他農(nóng)作物的生物質(zhì)高能區(qū)主要分布在魯西北和冀東南地區(qū)（如德州、聊城、邯鄲等地）及山東菏澤、河北保定等典型區(qū)域，其生物質(zhì)能潛力值總和普遍大于30億MJ；而北京、山西兩地的農(nóng)作物的生物質(zhì)潛力相對較低，大部分城市生物質(zhì)能潛力值總和低于10 億MJ，這主要與北京市耕地面積較少而山西省涉及的城市主要分布于山區(qū)有關(guān)。按不同農(nóng)作物進(jìn)一步具體分析發(fā)現(xiàn)：①小麥和玉米的生物能勢空間分布呈現(xiàn)出較高的相似度，其中小麥生物能勢最高的三個城市分別為山東菏澤、德州和河南新鄉(xiāng)，數(shù)值在16 億～23億MJ 之間，玉米生物能勢最高的三個城市分別為山東菏澤、德州和河北保定，數(shù)值在15 億～20 億MJ 之間，這兩種作物生物能勢較高的其他城市也大多分布于河北省與山東省的交界處；②豆類、棉花、薯類和油料這4 種農(nóng)作物的生物能勢空間分布在整體上與小麥、玉米比較類似，但最高能勢所在城市略有不同，其中豆類在山東濟(jì)寧、棉花在河北邢臺、薯類在河北保定、油料作物在河南開封分別呈現(xiàn)出最高的生物能勢；③水稻的生物能勢空間分布集中于山東及河南省最南的城市和河北唐山地區(qū)，部分地區(qū)的水稻生物勢能超過2 億MJ，前者受氣候影響相對適宜種植水稻，后者因地理區(qū)位（靠近東北地區(qū)）和農(nóng)民歷史種植習(xí)慣而有種植水稻的傳統(tǒng)；④煙葉類作物僅分布于7 個城市，其中山東省濟(jì)寧市和濟(jì)南市具有較高的生物質(zhì)能勢，其數(shù)值達(dá)到51萬MJ。

2.1.2 畜禽排泄物的生物質(zhì)能潛力

本研究以豬、牛、家禽的糞便作為畜禽排泄物生物質(zhì)能潛力資源量核算的主要對象，計(jì)算獲得不同畜禽排泄物生物質(zhì)能，并通過沼氣潛力這一概念表現(xiàn)生物質(zhì)能潛力的資源量大小。研究區(qū)內(nèi)3 種畜禽排泄物的生物質(zhì)能潛力空間分布如圖4 所示。從研究區(qū)整體來看，“26+2”城市群農(nóng)村地區(qū)的主要畜禽排泄物沼氣潛力的理論可獲得量約為6.77×109m3。其中，家禽排泄物的沼氣潛力占總量的一半以上（52%），遠(yuǎn)超牛（34%）和豬（14%）的排泄物沼氣潛力占比，因此，以家禽養(yǎng)殖業(yè)為核心的沼氣潛力開發(fā)將是該區(qū)域農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用未來發(fā)展的重要方向。

從各類畜禽排泄物的生物質(zhì)能總潛力看，其空間分布表現(xiàn)為在山東省、河北省和天津市相對較高（大部分城市畜禽排泄物的沼氣潛力超過1 億m3），而在河南省、山西省及北京市相對較低（在2 000 萬～1 億m3之間）。從地級市的空間尺度分析，畜禽排泄物的生物質(zhì)能潛力分布與農(nóng)作物秸稈生物能勢分布格局具有一定的相似性，但也略有差別，如河北石家莊的農(nóng)作物秸稈生物能勢處于中等水平，但其畜禽排泄物的生物質(zhì)能潛力卻遠(yuǎn)高于其他城市。這主要是由于石家莊的牛養(yǎng)殖業(yè)具有相當(dāng)突出的生物質(zhì)能開發(fā)利用潛力，石家莊的牛排泄物生物質(zhì)能非常高，是排在第二的河北唐山的6 倍以上。按不同養(yǎng)殖類型進(jìn)一步分析得到：①豬養(yǎng)殖業(yè)的生物質(zhì)能潛力表現(xiàn)為在山東省相對最高，菏澤市、德州市和濟(jì)寧市排在研究區(qū)所有城市的前3 名，在8 000 萬～1 億m3之間；其次是河北省的唐山市、石家莊市和保定市，分別排在第4至第6 名，在5 000 萬～7 000 萬m3之間。②牛養(yǎng)殖業(yè)的生物質(zhì)能潛力高值多集中于河北省，除廊坊市外均處于相對較高水平，除此以外，與河北接壤的山東省濱州市和德州市也具有較高潛力。③家禽養(yǎng)殖業(yè)的生物質(zhì)能潛力高值明顯集中于山東地區(qū)，此外河北省石家莊市、邯鄲市以及天津市也略高于周圍區(qū)域。

2.2 生物質(zhì)能替代的傳統(tǒng)燃料資源量

研究區(qū)農(nóng)作物及畜禽排泄物生物質(zhì)能可替代的傳統(tǒng)資源量見表4?？傮w上看，研究區(qū)內(nèi)可用于能源化的農(nóng)作物秸稈生物質(zhì)資源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤約182.6萬t，折合天然氣量約15.0億m3；畜禽排泄物的生物質(zhì)資源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤約483.1萬t，折合天然氣量約39.8億m3。顯然，養(yǎng)殖業(yè)的廢棄物若作為生物質(zhì)能利用，可替代的傳統(tǒng)燃料資源量明顯高于種植業(yè)。種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)廢棄物循環(huán)利用后，可替代的傳統(tǒng)燃料資源總量相當(dāng)可觀，合計(jì)相當(dāng)于減少約666 萬t 標(biāo)準(zhǔn)煤或55億m3天然氣的燃燒排放。

表4 研究區(qū)農(nóng)作物和畜禽排泄物的生物質(zhì)能可替代的傳統(tǒng)燃料資源量Table 4 Comparison between bioenergy alternatives and traditional fuel resources for crops and livestock and poultry excreta in the study area

表5 研究區(qū)農(nóng)作物和畜禽排泄物的生物質(zhì)能清潔供暖可減少的污染物及CO2排放量（萬t）Table 5 Bioenergy clean heating for reduced pollutants and carbon dioxide emissions from crops and livestock excreta in the study area（104 t）

從種植業(yè)廢棄物（農(nóng)作物秸稈）的生物質(zhì)能替代效應(yīng)看，在省域尺度上整體分為3 個梯隊(duì)。以折合標(biāo)準(zhǔn)煤為參比量，河北、山東、河南三省為第一梯隊(duì)，替代標(biāo)準(zhǔn)煤資源量為40 萬～70 萬t；天津市和山西省為第二梯隊(duì)，替代標(biāo)準(zhǔn)煤資源量為3 萬～4 萬t；北京市為第三梯隊(duì)，替代標(biāo)準(zhǔn)煤資源量為0.5 萬t（圖5）。從養(yǎng)殖業(yè)廢棄物（畜禽排泄物）的生物質(zhì)能替代效應(yīng)看，在省域尺度上也可整體劃分為3 個梯隊(duì)，但分組結(jié)果與種植業(yè)略有不同。河北和山東兩省為第一梯隊(duì)，畜禽排泄物生物質(zhì)能可替代標(biāo)準(zhǔn)煤資源量為200 萬t 以上；河南省與天津市為第二梯隊(duì)，可替代的標(biāo)準(zhǔn)煤資源量為20 萬t 左右；山西省和北京市為第三梯隊(duì)，可替代標(biāo)準(zhǔn)煤資源量為2 萬t 左右，三個梯隊(duì)形成明顯的數(shù)量級差異（圖6）。

圖5 研究區(qū)農(nóng)作物生物質(zhì)能折算標(biāo)準(zhǔn)煤資源量Figure 5 Standard coal resource conversion from crop biomass energy in the study area

圖6 研究區(qū)畜禽排泄物生物質(zhì)能折算標(biāo)準(zhǔn)煤資源量Figure 6 Standard coal resources conversion from livestock excreta biomass energy in the study area

2.3 生物質(zhì)能清潔供暖的污染物和碳減排量

研究區(qū)農(nóng)作物和畜禽排泄物的生物質(zhì)能清潔供暖可減少的污染物及CO2排放量見表5。研究結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)總體可利用生物質(zhì)潛力折合標(biāo)準(zhǔn)煤資源量約666萬t，通過利用農(nóng)作物秸稈及畜禽排泄物進(jìn)行清潔供暖，相較于標(biāo)準(zhǔn)煤可減少污染物（SO2、NOx）排放量約21萬t，可降低CO2排放量約1 701 萬t。其中，將農(nóng)作物秸稈生物質(zhì)能用于清潔供暖，可減少污染物（SO2、NOx）排放量約3.5 萬t，可減少CO2排放量約466.7 萬t；將畜禽排泄物轉(zhuǎn)化為沼氣進(jìn)行清潔供暖，可減少污染物（SO2、NOx）排放量約為17.2 萬t，減少CO2排放量約1 234.2 萬t?？傮w上，“26+2”城市可利用生物質(zhì)潛力較大，特別是在山東省和河北省，若將生物質(zhì)能充分利用于清潔供暖，將達(dá)到相當(dāng)顯著的減排效果，不僅能有效降低空氣污染物排放，還能為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)作出貢獻(xiàn)。

綜上，北方農(nóng)村清潔供暖先行區(qū)（“26+2”城市）廢棄生物質(zhì)（農(nóng)作物秸稈和畜禽排泄物）能源化利用潛力巨大，加之該區(qū)域的種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模在年際間的變化趨于穩(wěn)定，理論上可資源化利用的生物質(zhì)能供應(yīng)潛力具有內(nèi)在穩(wěn)定性。同時，由于生物質(zhì)能清潔供暖對污染物（SO2、NOx）及CO2減排具有一定的積極作用，且有良好的生態(tài)效應(yīng)，建議將生物質(zhì)能廣泛利用到清潔供暖中，并不斷提高技術(shù)水平，降低發(fā)展成本，最大程度地減少利用過程中的環(huán)境污染和碳排放。

3 討論

3.1 農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)能潛力空間分布

研究區(qū)內(nèi)農(nóng)作物秸稈資源種類豐富，以小麥和玉米為主，生物質(zhì)能潛力的高值區(qū)集中于山東、河北和河南三省。張蓓蓓[39]對全國各省份主要農(nóng)作物秸稈能源潛力進(jìn)行評估的結(jié)果顯示，這三個省份在全國屬于排名前五的水平，且在生態(tài)區(qū)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，華北地區(qū)也是潛力最高的區(qū)域；張曉慶等[31]的研究也表明這三省是秸稈資源量的中高產(chǎn)區(qū)。這兩項(xiàng)研究都佐證了本研究得出的空間分布結(jié)果。對于畜禽排泄物的生物質(zhì)能潛力，朱建春等[40]在全國省域尺度的評估結(jié)果顯示，“26+2”地區(qū)所在的省份能源潛力較大，特別是山東??；張蓓蓓[39]評估的主要畜禽糞便的沼氣生產(chǎn)潛力結(jié)果顯示，排在全國前兩名的分別是山東和河北，這與本研究的結(jié)果也一致。上述比較說明本研究得出的農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)能源潛力空間分布在整體上符合已有研究揭示的特征，但本研究進(jìn)一步在更精細(xì)的空間尺度（地級市）給出了細(xì)化的評估結(jié)果和分布格局，且首次以“26+2”京津冀大氣污染傳輸通道的城市群農(nóng)村地區(qū)作為評估對象，可為該區(qū)域的農(nóng)業(yè)低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展提供針對性的定量參考。

3.2 評估結(jié)果的不確定性

本研究對農(nóng)業(yè)廢棄物的生物質(zhì)能潛力及其減排效應(yīng)的估算過程中，涉及到草谷比、低位發(fā)熱量、標(biāo)準(zhǔn)煤熱值系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒的大氣污染物排放系數(shù)等參數(shù)，筆者有針對性地收集了已發(fā)表的有關(guān)文獻(xiàn)和統(tǒng)計(jì)資料，并進(jìn)行了比較與整理，力求對每個參數(shù)都賦予合理的取值，盡可能地提高估算結(jié)果的精度。在這些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的取值過程中，本研究考慮了多源信息的對比驗(yàn)證和地理空間的異質(zhì)性（如畜禽排泄系數(shù)），但囿于目前生物質(zhì)能有關(guān)技術(shù)仍在發(fā)展階段，全國尚未形成統(tǒng)一且成熟的開發(fā)利用模式，也未出臺相關(guān)系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)文件，本研究采用這種整合已有研究和多源資料的方式確定關(guān)鍵參數(shù)，可能使得估算結(jié)果存在偏差。例如，山西省主產(chǎn)玉米品種主要為“太玉339”，其玉米株高較高，玉米整體的谷草比略高于文中取值1.04，因此對山西省玉米而言，其計(jì)算值略低于實(shí)際值；而河南省小麥種植面積較廣，其優(yōu)勢品種主要為“濟(jì)麥22”，秸稈矮，草谷比略低于文中取值1.17，則其計(jì)算值將高于實(shí)際值；河北的家禽排泄系數(shù)平均值為0.125[41]，略低于本研究取值0.145，則其計(jì)算值將高于實(shí)際值。當(dāng)然，這種偏差帶來的評估結(jié)果之不確定性也普遍存在于類似研究中[40]，未來若能收集到各地區(qū)更詳細(xì)的參數(shù)值，將進(jìn)一步提高本研究估算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3 農(nóng)村地區(qū)生物質(zhì)能清潔供暖模式的推廣

基于“生物質(zhì)能潛力核算?替代傳統(tǒng)燃料資源量折算?污染物及碳減排效應(yīng)估算”的研究框架，本研究以農(nóng)村供暖高排放和低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)域“26+2”地區(qū)為研究對象，利用農(nóng)作物秸稈和畜禽排泄物這兩種農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的路徑探討?？臻g分析結(jié)果表明，受播種面積與種植結(jié)構(gòu)、養(yǎng)殖規(guī)模與畜禽種類、地形、城鎮(zhèn)化發(fā)展等多重因素影響，農(nóng)村生物質(zhì)能潛力及其減排效果在不同地區(qū)之間存在差異。要增強(qiáng)農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)能的可持續(xù)發(fā)展能力，應(yīng)充分發(fā)揮各地區(qū)的農(nóng)業(yè)資源優(yōu)勢，結(jié)合不同省市內(nèi)部的資源稟賦與實(shí)際發(fā)展條件，科學(xué)合理地布局農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)能源化利用產(chǎn)業(yè)。如北京市受耕地?cái)?shù)量和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響，無論是種植業(yè)還是養(yǎng)殖業(yè)都欠發(fā)達(dá)，但其毗鄰的保定市可為北京南部地區(qū)（如房山、大興等）提供一定的生物質(zhì)能支持，天津市和唐山市可以為北京北部地區(qū)（如平谷、密云）提供支持。與之類似，山西省陽泉市與太原市可考慮與之毗鄰的河北省石家莊市的清潔能源補(bǔ)給，山西省長治市和晉城市可考慮與之毗鄰的河北省邯鄲市的清潔能源補(bǔ)給。河南省雖然在養(yǎng)殖業(yè)廢棄物生物質(zhì)能利用方面的潛力不高，但可充分挖掘農(nóng)作物秸稈的利用潛力，為農(nóng)村地區(qū)提供清潔能源。

4 結(jié)論

（1）“26+2”京津冀大氣污染傳輸通道城市群農(nóng)村地區(qū)8 種主要農(nóng)作物秸稈的生物質(zhì)能潛力總和為5.35×1016J，其中小麥和玉米秸稈資源化利用潛力最高，特別是在河北、山東和河南等產(chǎn)糧大省，可有效替代大量煤炭或天然氣的使用。

（2）“26+2”京津冀大氣污染傳輸通道城市群農(nóng)村地區(qū)的畜禽排泄物轉(zhuǎn)化為沼氣的潛力資源量為6.77×109m3，其生物質(zhì)能利用潛力明顯高于種植業(yè)，且家禽養(yǎng)殖業(yè)占比最高。空間格局整體呈現(xiàn)為三個梯隊(duì)：山東和河北最高，其次為河南和天津，山西和北京最低。

（3）種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)廢棄物的農(nóng)村生物質(zhì)能若用于清潔供暖，相較于標(biāo)準(zhǔn)煤可減少污染物（SO2、NOx）排放量約21萬t，降低CO2排放量約1 701萬t。

（4）從區(qū)域協(xié)同發(fā)展和減排同責(zé)的角度看，應(yīng)統(tǒng)籌考慮生物質(zhì)資源空間分布特征，明確生物質(zhì)能在清潔取暖用能中的地位，推動農(nóng)村地區(qū)散煤替代，實(shí)現(xiàn)從“農(nóng)業(yè)廢棄物”到“農(nóng)村供暖源”的綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展。