“雙碳”視角下基于LCA 的市域秸稈資源化利用探討

張鑫，朱宇恩，李磊，謝瑩，李華2，*

（1.山西農(nóng)業(yè)大學 城鄉(xiāng)建設(shè)學院，山西 晉中 030801；2.山西大學 資源與環(huán)境工程研究所，山西 太原 030006；3.山西大學 環(huán)境與資源學院，山西 太原 030006；4.太原恒瑞泰環(huán)保科技有限公司，山西 太原 030006；5.山西大地民基生態(tài)環(huán)境股份有限公司，山西 太原 030002）

實施“雙碳”戰(zhàn)略不僅是我國主動承擔應(yīng)對全球氣候變化的國際責任，同時也是我國踐行社會主義生態(tài)文明觀的重要體現(xiàn)。農(nóng)業(yè)作為實現(xiàn)“雙碳”目標的重要領(lǐng)域，如何發(fā)展綠色現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)、減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的溫室氣體排放、促進農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用就變得尤為重要。傳統(tǒng)的農(nóng)作物種植主要依賴于化肥的使用，因其施用總量大［1］、強度高［2］、生產(chǎn)力低［3］，現(xiàn)在已經(jīng)成為制約我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素；而化肥、農(nóng)藥的使用、化石燃料的直接消耗以及秸稈的燃燒［4］是我國農(nóng)業(yè)碳排放的主要來源。秸稈作為主要的農(nóng)業(yè)廢棄物，因其富含C、H、O、N、P、K 等元素以及纖維素、半纖維素等有機能源，可以對其進行肥料化、飼料化、能源化、基料化、原料化利用。因此，秸稈的資源化利用對于發(fā)展綠色現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、減少農(nóng)業(yè)碳排放具有重要的現(xiàn)實意義，同時有助于我國“雙碳”目標的實現(xiàn)。

對于各級政府而言，想要對所轄區(qū)域的秸稈進行資源化利用的同時促進當?shù)亍半p碳”目標的實現(xiàn)，就必須在全面評估秸稈資源化利用潛力的同時從全生命周期的角度評價各種資源化利用方式下的固碳減排量。前人對于作物秸稈資源化的研究主要集中于利用方式［5-6］以及全國和大流域水平上利用潛力的研究［7-9］；對于秸稈利用碳減排的研究則主要集中于某種利用方式［10-12］和全國尺度上［13］綜合利用對碳減排貢獻。目前還沒有學者在市域尺度上利用生命周期評價方法來評估秸稈資源化利用潛力及其固碳減排能力。晉中市位于山西省中部，屬于“十四五”規(guī)劃布局的國家級城市群之一，也是山西省的主要糧食產(chǎn)地之一。本文以晉中市為例，基于《山西省統(tǒng)計年鑒》［14］，在分析2020 年晉中市作物秸稈資源量、構(gòu)成、空間分布以及全量化利用潛力的基礎(chǔ)上，基于單位秸稈各利用方式全生命周期的固碳減排能力，重點分析了秸稈資源化利用的碳中和強度及其空間分布，以期為當?shù)靥岣呓斩捓寐?、發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)以及實現(xiàn)“雙碳”目標提供資料支持和決策參考，同時也能對其他城市群的建設(shè)起到一定的借鑒作用。

1 材料與方法

1.1 作物秸稈理論資源量估算

作物秸稈理論資源量是指農(nóng)作物收獲后除了可食用部分外剩余的莖、葉農(nóng)作物副產(chǎn)品總量，不包括后期精加工、作物根的資源量，與秸稈經(jīng)濟產(chǎn)量和草谷比兩因子密不可分［9］，則作物秸稈理論資源量的計算公式如下所示：

式中：SR為作物秸稈資源量，t；SEQ為作物經(jīng)濟產(chǎn)量，t；SG為作物草谷比系數(shù)，常見作物的SG如表1所示。

表1 作物秸稈資源化利用潛力估算參數(shù)Table.1 Calculation parameters of resource utilization potential of crop straw

1.2 作物秸稈可收集資源量估算

作物秸稈可收集資源量是指農(nóng)作物經(jīng)過機械和人工等收獲技術(shù)，可從田間收集起來，可供人類利用的秸稈資源最大數(shù)量，作物秸稈可收集資源量的計算公式如下：

式中：SP為作物秸稈可收集資源量，t；SC為作物秸稈可收集系數(shù)，常見作物的SC如表1 所示。

1.3 作物秸稈全量化利用潛力估算

（1）肥料化利用潛力：主要是指秸稈還田的數(shù)量，還田方式包括根茬還田、粉碎覆蓋還田、深翻還田、旋耕還田等。根據(jù)農(nóng)業(yè)部《區(qū)域農(nóng)作物秸稈全量處理利用技術(shù)導則》［18］華北農(nóng)區(qū)秸稈還田量推薦范圍為3~9 t·hm-2，按還田量3 t·hm-2計算。

（2）基料化利用潛力：主要是指用于生產(chǎn)食用菌培養(yǎng)基質(zhì)的秸稈數(shù)量。根據(jù)調(diào)查，晉中市食用菌種植主要為平菇、雙孢蘑菇。根據(jù)農(nóng)業(yè)部《區(qū)域農(nóng)作物秸稈全量處理利用技術(shù)導則》［18］，1 t 秸稈可轉(zhuǎn)化平菇1500 kg、雙孢蘑菇550~800 kg。2020 年晉中市食用菌的產(chǎn)量來源于晉中市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

（3）飼料化利用潛力：主要是指用于加工生產(chǎn)羊和牛、馬、驢等大型牲畜飼料所需的秸稈數(shù)量。飼料化利用量參考《晉中市秸稈資源綜合利用計劃》。

（4）原料化利用潛力：主要是指用于制造人造板材、清潔造紙等的秸稈數(shù)量。原料化利用量參考《晉中市秸稈資源綜合利用計劃》。

（5）能源化利用潛力：主要是指用于生產(chǎn)可替代能源的秸稈數(shù)量，能源化利用方式主要包括生產(chǎn)成型燃料、進行打捆供暖、制備燃料乙醇、進行沼氣發(fā)酵、熱解氣化等。可能源化利用的秸稈數(shù)量為扣除其它方式秸稈利用數(shù)量外剩余的秸稈資源量。

1.4 作物秸稈全量化利用碳減排量估算

作物秸稈全量化利用碳減排量是指作物秸稈進行資源化利用時所減少的CO2排放數(shù)量，包括代替露天焚燒引起的CO2排放量、秸稈替代物全生命周期的CO2排放量以及資源化利用過程引起的碳匯量及全生命周期的CO2排放量，秸稈露天焚燒引起的碳排放量為0.802 tCO2eq·t-1［13］，其余計算過程中所用到的各項參數(shù)如表2、表3 所示。

表2 秸稈全量化利用過程的碳匯系數(shù)及碳排放系數(shù)Table 2 Carbon sink and emission coefficient in the process of full quantitative utilization of straw單位：tCO2 eq·t-1

表3 秸稈替代物的替代系數(shù)及其全生命周期的碳排放系數(shù)Table 3 Substitution coefficient of straw substitute and its carbon emission coefficient in the whole life cycle

式中：CQ為作物秸稈全量化利用可減排的CO2量，tCO2eq；CQi為作物秸稈進行第i種方式利用時可減排的CO2量，tCO2eq；CEb為作物秸稈露天焚燒時的碳排放系數(shù)，tCO2eq·t-1；CSi為作物秸稈進行第i種方式利用時的碳匯系數(shù)，tCO2eq·t-1；CEi為作物秸稈進行第i種方式利用時全生命周期的碳排放系數(shù)，tCO2eq·t-1；CRi為作物秸稈進行第i種方式利用時所替代物的全生命周期的碳排放系數(shù)，tCO2eq·t-1；ri為秸稈替代系數(shù)；SUi為作物秸稈進行第i種方式的利用數(shù)量，t。

1.5 作物秸稈全量化利用碳中和強度估算

作物秸稈全量化利用碳中和強度是指作物秸稈進行肥料化、飼料化、基料化、原料化以及能源化利用時單位面積可中和的CO2的數(shù)量，其值越大，說明該地區(qū)碳中和的能力越強。具體計算公式如下：

式中：CNI為作物秸稈資源化利用潛力碳中和強度，tCO2eq·hm-2；A為區(qū)域面積，hm2。

1.6 數(shù)據(jù)來源

2020 年晉中市主要農(nóng)作物經(jīng)濟產(chǎn)量、播種面積、各縣（市、區(qū)）耕地面積等數(shù)據(jù)來源于2021 年山西省統(tǒng)計年鑒［14］。

2 結(jié)果與分析

2.1 晉中市主要農(nóng)作物秸稈資源量及構(gòu)成

如表4、圖1 所示，2020 年晉中市主要農(nóng)作物秸稈理論和可收集資源量分別為200.95 萬t、164.9 萬t，平均可收集系數(shù)為0.82；晉中市主要以玉米種植為主，其播種面積占全市總播種面積的74.47%，其次為蔬菜、谷子、大豆，占比分別為9.33%、4.87%、2.95%；玉米秸稈是晉中市的主要農(nóng)作物秸稈，其可收集資源量占全市的84.66%，其次為蔬菜、谷子、高粱，占比分別為6.67%、3.04%、1.99%，其余農(nóng)作物秸稈占比僅為3.64%。由此可見，雖然谷類作物、豆類作物、薯類作物、油料作物、蔬菜類在晉中市都有種植，但秸稈資源量差異相對較大，農(nóng)作物秸稈品類主要以玉米秸稈為主，蔬菜、谷子、高粱秸稈為輔。

圖1 2020年晉中市主要農(nóng)作物播種面積、產(chǎn)量及秸稈資源量占比Fig.1 Proportion of main crops in sowing area， yield， and straw resources in Jinzhong City in 2020

表4 2020 年晉中市主要農(nóng)作物播種面積、產(chǎn)量及秸稈資源量Table 4 The major crop sowing area， yield， and straw resource quantity in Jinzhong City in 2020

表5 晉中市各縣（市、區(qū)）耕地面積Table 5 Cultivated area of counties in Jinzhong City單位：萬hm2

表6 晉中市各縣（市、區(qū)）區(qū)域面積Table 6 Area of counties in Jinzhong City單位：萬hm2

2.2 晉中市主要農(nóng)作物秸稈可收集資源量的集中程度及空間分布

如圖2 所示，2020 年晉中市作物秸稈可收集資源量區(qū)域均值為15.0 萬t，其中，壽陽縣作物秸稈可收集資源量最大，為38.0 萬t，最小為靈石縣，為3.48 萬t，僅為平均水平的23.20%；在區(qū)域11 個縣（市、區(qū)）中，有5 個縣（市、區(qū)）的作物秸稈可收集資源量超過了區(qū)域平均值，分別為榆次區(qū)、太谷區(qū)、壽陽縣、祁縣、平遙縣，昔陽縣的作物秸稈可收集資源量基本與區(qū)域均值持平，有將近1/2 的縣（市、區(qū)）的作物秸稈可收集資源量還未達到區(qū)域平均水平。

圖2 2020 年晉中市各縣（市、區(qū)）秸稈可收集資源量及區(qū)域均值Fig.2 The collectable straw resources and regional average value of all counties in Jinzhong City in 2020

根據(jù)各縣（市、區(qū)）作物秸稈可收集資源量占總區(qū)域的比例來確定該地區(qū)作物秸稈可收集資源量的集中程度，比值乘以100 在18~24 以內(nèi)的為一級區(qū)，在12~18 以內(nèi)的為二級區(qū)，在6~12 以內(nèi)的為三級區(qū)，在0~6 以內(nèi)的為四級區(qū)。如圖3 作物秸稈可收集資源量空間分布圖所示，作物秸稈可收集資源量有一級區(qū)1 個，為壽陽縣，主要是因為雖然壽陽縣的單位面積經(jīng)濟產(chǎn)量為13.52 t·hm-2、但總作物種植面積占到全市的19.48%，而玉米種植面積則占到了全市總面積的22.13%，經(jīng)濟產(chǎn)量占全市24.60%；二級區(qū)2 個，為祁縣、平遙縣；主要是因為祁縣單位面積經(jīng)濟產(chǎn)量達到了17.03 t·hm-2，但種植面積卻僅占全市的9.79%，而平遙縣則是因為種植面積大，占全市的14.18%；三級區(qū)3 個，為榆次區(qū)、太谷區(qū)、昔陽縣，雖然榆次區(qū)、太谷區(qū)單位面積經(jīng)濟產(chǎn)量分別達到了17.84 t·hm-2、20.64 t·hm-2，但種植谷子、高粱等草谷比系數(shù)相對較高的作物面積卻相對較?。凰募墔^(qū)5 個，為榆社縣、左權(quán)縣、和順縣、靈石縣、介休市，主要是因為這5 個縣（市、區(qū)）單位面積經(jīng)濟產(chǎn)量低且種植面積小。

圖3 2020 年晉中市作物秸稈可收集資源量空間分布Fig.3 Spatial distribution of collectable crop straw resources in Jinzhong City in 2020

2.3 晉中市作物秸稈全量化利用分析

2.3.1 秸稈肥料化利用

根據(jù)2021 年《山西省統(tǒng)計年鑒》，2020 年末晉中市實有耕地面積為35.82 萬hm2，按照農(nóng)業(yè)部發(fā)布的《區(qū)域農(nóng)作物秸稈全量處理利用技術(shù)導則》中華北農(nóng)區(qū)秸稈還田量推薦范圍為3~9 t·hm-2，按最低還田量3 t·hm-2計算，則所需秸稈量為107.46 萬t，扣除留茬量36.05 萬t，還需71.41 萬t 秸稈進行肥料化利用，占秸稈可收集資源量的43.31%。根據(jù)各縣（市、區(qū)）的耕地面積，估算了晉中市秸稈肥料化需求量的空間分布特征，如圖4（a）所示，壽陽縣秸稈肥料化需求最大，榆次區(qū)、平遙縣次之，主要和其耕地面積相對較大有關(guān)；雖然左權(quán)縣、榆社縣、和順縣、靈石縣、介休市的耕地面積較祁縣、太谷縣小，但其肥料化需求卻在祁縣、太谷縣之上，主要是因為秸稈留茬量小。

圖4 晉中市肥料化、飼料化需求量空間分布Fig.4 Spatial distribution of fertilizer and feed demand in Jinzhong City

2.3.2 秸稈飼料化利用

根據(jù)晉中市秸稈資源綜合利用計劃，預(yù)計推進秸稈飼料化利用39 萬t，占秸稈可收集資源量的23.65%，可喂養(yǎng)羊55.71 萬只羊或牛、馬、驢等大型牲畜11.14 萬頭；根據(jù)2021 年山西統(tǒng)計年鑒，2020 年末晉中市羊存欄量為99.81 萬只，大型牲畜存欄量為14.42 萬只，由此可見，若全部滿足羊、牛、馬、驢的飼料需求，需要秸稈120.34 萬t，預(yù)計推進的秸稈飼料化利用量僅占到需求量的32.41%。根據(jù)各縣（市、區(qū)）的食草性牲畜的年末存欄數(shù)量，估算了晉中市秸稈飼料化需求量的空間分布特征，如圖4（b）所示，晉中市秸稈飼料化需求量較多的區(qū)域主要集中于晉中市中部地區(qū)，其中祁縣秸稈飼料化需求最大，要遠遠大于其他縣（市、區(qū)），在27 萬t 以上，即便把全縣可收集秸稈用于制備飼料，也還有4.88 萬t 的缺口，主要是因為其大型牲畜的年末存欄量就占到了全市的38.29%，同時羊的年末存欄量也高于平均水平。

2.3.3 秸稈基料化和原料化利用

根據(jù)調(diào)查，晉中市食用菌種植主要為平菇、雙孢蘑菇。2020 年食用菌總量0.52 萬t，所需秸稈量為3.77 萬t，占可收集資源量的2.29%；此外，根據(jù)晉中市秸稈資源綜合利用計劃，預(yù)計推進秸稈原料化利用1 萬t，占可收集資源量的0.61%。

2.3.4 秸稈能源化利用

除去以上肥料化、飼料化、基料化、原料化利用的秸稈量，剩余可利用的秸稈數(shù)量為49.72 萬t，占可收集資源量的30.15%，可以進行熱解氣化、沼氣化、炭化、生產(chǎn)固化成型燃料等能源化利用。

2.4 作物秸稈全量化利用碳中和強度及空間分布

如圖5 所示，各縣（市、區(qū)）作物秸稈能源化利用的碳中和強度最高，在0.2~0.7 tCO2eq·hm-2之間，其次為肥料化利用、飼料化利用，其碳中和強度分別在0.02~0.12、0~0.125 tCO2eq·hm-2，基料化利用和原料化利用的碳中和強度最低，分別在0.005~0.030、0.005~0.025 tCO2eq·hm-2。介休市除了飼料化利用外，其余4 種資源化利用方式的碳中和強度都比其他縣（市、區(qū)）要高，主要是因為其區(qū)域面積同比最小；祁縣除了肥料化利用外，其余4 種資源化利用方式的碳中和強度也都相對較高，尤其是飼料化利用的碳中和強度，要明顯高于其他縣（市、區(qū)），主要是因為其羊、牛、馬、驢等牲畜的養(yǎng)殖數(shù)量多，飼料化利用潛力最大，同時區(qū)域面積也相對較??；東部地區(qū)的昔陽縣、和順縣、左權(quán)縣、榆社縣的各種資源化利用方式的碳中和強度都相對較小，主要是因為東部地區(qū)雖然區(qū)域面積較大，但山地面積占比較大，可耕地面積較??；壽陽縣除肥料化利用碳中和強度相對較大之外，其余利用方式的碳中和強度都相對較小，主要是因為壽陽縣的耕地面積最大，肥料化需求最高。整體來看，各縣（市、區(qū)）作物秸稈資源化利用的碳中和強度在0.5~2.5 tCO2eq·hm-2之間，西南部地區(qū)的祁縣、平遙縣、介休市的碳中和強度最高，其次為榆次區(qū)、太谷區(qū)、靈石縣，主要是因為這些地區(qū)的區(qū)域面積相對較小，但地勢相對平坦、水資源相對充足，適宜農(nóng)作物的種植。

圖5 作物秸稈全量化利用碳中和強度空間分布Fig.5 Spatial distribution of carbon neutralization intensity of the full quantitative utilization of crop straw

3 討論

明確市域秸稈資源總量、類型、全量化利用潛力及其空間分布特征是對秸稈進行資源化利用并進行科學規(guī)劃的基礎(chǔ)，同時從全生命周期的角度評估各種資源化利用方式下的固碳減排量對于促進當?shù)亍半p碳”目標的實現(xiàn)以及經(jīng)濟社會的協(xié)調(diào)發(fā)展有著重要的作用。本文在計算秸稈資源化利用潛力時所用到的草谷比系數(shù)和可收集系數(shù)這2 個關(guān)鍵參數(shù)，都是引用的其他學者的相關(guān)研究成果，并沒有進行實測和現(xiàn)場調(diào)研，因此計算出的結(jié)果可能與實際情況有出入。計算表明，晉中市2020年主要農(nóng)作物秸稈可收集資源量為164.90 萬t，主要以玉米秸稈為主，這與杜艷玲等［38］的研究結(jié)果一致，玉米秸稈占比高達84.66%，主要集中于中部和東北部地區(qū)。壽陽縣的作物秸稈可收集資源量最大，肥料化需求也最大，應(yīng)該重點推進秸稈還田，聚焦秸稈的肥料化利用，同時碳中和強度可達到0.04~0.06 tCO2eq·hm-2；祁縣的作物秸稈可收集資源量僅次于壽陽縣，飼料化需求最大，應(yīng)該重點聚焦秸稈的飼料化利用方式，改進飼料生產(chǎn)工藝，提高飼料化利用效率，同時碳中和強度可達到0.100~0.125 CO2eq·hm-2。單位秸稈原料化利用的固碳減排能力最高，為1.83 tCO2eq·t-1，與霍麗麗等［13］的研究結(jié)果存在一定差異，主要是因為核算邊界以及測算相關(guān)參數(shù)不是完全一致。雖然單位秸稈原料化利用的固碳減排能力最高，但目前進行原料化利用的數(shù)量卻最少，各級政府應(yīng)該出臺相應(yīng)政策，鼓勵并支持建設(shè)一批利用作物秸稈生產(chǎn)人造板和紙張的廠家，增加秸稈的原料化利用率。市域作物秸稈能源化利用碳中和強度最高，在0.2~0.7 tCO2eq·hm-2，在5 種常見的能源化利用方式中，制備成型燃料和進行打捆供暖的固碳減排能力也相對較高，可以優(yōu)先考慮這2 種能源化利用方式，但生產(chǎn)燃料乙醇所帶來的經(jīng)濟效益要明顯高于其他方式，所以各級政府也應(yīng)該鼓勵建設(shè)一批生物質(zhì)燃料乙醇企業(yè)。東部地區(qū)由于其山地面積占比較大，不適宜作物種植，除了必要的秸稈還田外，當?shù)卣畱?yīng)該重點推進秸稈的能源化、原料化利用。

4 結(jié)論

本文對2020 年晉中市作物秸稈的構(gòu)成、全量化利用潛力以及各利用方式下的碳中和強度及其空間分布特征進行初步分析，并估算了作物秸稈全量化利用碳減排經(jīng)濟效益。結(jié)果表明，單位秸稈原料化利用的固碳減排能力最高，市域作物秸稈能源化利用碳中和強度最高。壽陽縣的作物秸稈可收集資源量最大，肥料化需求最大，應(yīng)該重點推進秸稈科學還田，提高秸稈肥料化利用效率；祁縣的牲畜飼養(yǎng)量大且飼料化碳中和強度最高，應(yīng)該重點聚焦秸稈的飼料化利用方式，提高飼料化利用效率；東部地區(qū)由于其山地面積占比較大，不適宜作物種植，除了必要的秸稈還田外，應(yīng)該重點推進秸稈的能源化、原料化利用。各級政府應(yīng)當基于當?shù)氐摹半p碳”目標，結(jié)合秸稈綜合利用現(xiàn)狀，因地制宜的制定促進秸稈綜合利用的各項政策，進一步提高秸稈綜合利用率，同時也能實現(xiàn)環(huán)境效益和經(jīng)濟效益的雙贏。