基于土壤功能和糧食安全的后備耕地可能源化秸稈生態(tài)總量分析

朱開(kāi)偉，劉 貞，2，李佩瀅，賀良萍，林金釵

(1.重慶理工大學(xué)低碳能源研究中心，重慶 400054；2.美國(guó)勞倫斯國(guó)家能源實(shí)驗(yàn)室，美國(guó) 加州 94530；3.西南大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，重慶 400715)

基于土壤功能和糧食安全的后備耕地可能源化秸稈生態(tài)總量分析

朱開(kāi)偉1，劉 貞1，2，李佩瀅3，賀良萍1，林金釵1

(1.重慶理工大學(xué)低碳能源研究中心，重慶 400054；2.美國(guó)勞倫斯國(guó)家能源實(shí)驗(yàn)室，美國(guó) 加州 94530；3.西南大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，重慶 400715)

后備耕地土壤生態(tài)脆弱，秸稈還田具有維護(hù)土壤功能的作用。基于此，提出了土壤生態(tài)最小保留量的概念，并綜合考慮糧食安全、作物單產(chǎn)、種植結(jié)構(gòu)和草谷比，運(yùn)用情景分析法評(píng)價(jià)了后備耕地可能源化秸稈的生態(tài)總量。研究發(fā)現(xiàn)：①受耕地后備資源影響，秸稈理論量較小。在高、中、低單產(chǎn)情景下，2050年理論秸稈總量分別為2658.69、1772.46和886.23萬(wàn)噸；②考慮土壤功能和糧食安全，高發(fā)展情景下2050年可能源化秸稈生態(tài)總量能夠達(dá)到2066.40萬(wàn)噸，低情景僅10.70萬(wàn)噸；其中，新疆可能源化秸稈生態(tài)總量較大；③土壤生態(tài)最小保留量和區(qū)域作物單產(chǎn)，對(duì)可能源化秸稈生態(tài)總量影響較大；可構(gòu)建農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，進(jìn)一步提高后備耕地農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能生態(tài)潛力。

土壤生態(tài)最小保留量；糧食安全；秸稈能源化

1 引言

生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)利用不僅能夠緩解能源危機(jī)，而且能夠有效解決由化石能源消費(fèi)引起的環(huán)境問(wèn)題。目前，農(nóng)作物秸稈已經(jīng)成為發(fā)展生物燃料的主要原料之一，而中國(guó)農(nóng)作物秸稈資源豐富。因此，有效評(píng)估中國(guó)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能發(fā)展?jié)摿?，?duì)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)有著重要意義。

現(xiàn)有研究主要是對(duì)現(xiàn)有耕地農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能潛力進(jìn)行估算，如：刑紅等考慮農(nóng)作物播種面積、草谷比等影響因素，評(píng)估了南通市可能源化秸稈資源總量[1]；米鋒等以農(nóng)作物產(chǎn)量為媒介，利用草谷比計(jì)算了內(nèi)蒙古通遼地區(qū)秸稈資源理論總量[2]；劉志彬等以農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量為基礎(chǔ)，結(jié)合草谷比和可收集率，估算了農(nóng)作物秸稈的理論可收集量[3]。

同時(shí)，少部分學(xué)者研究了后備耕地種植能源作物的生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)潛力，如王滔等對(duì)后備性邊際土地進(jìn)行分析，評(píng)估了種植甜高粱、木薯等能源作物的生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)潛力[4]；劉婷婷等考慮邊際土地的開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性，分析了邊際土地開(kāi)發(fā)生物質(zhì)能源的可行性[5]。研究表明中國(guó)仍存在中長(zhǎng)期的糧食安全問(wèn)題[6]，而后備耕地是糧食安全的重要保障，但考慮糧食安全對(duì)后備耕地生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)的研究并不多見(jiàn)。另外，后備耕地生態(tài)脆弱，秸稈還田具有維護(hù)土壤生態(tài)功能。但國(guó)內(nèi)考慮土壤功能對(duì)可能源化秸稈生態(tài)潛力進(jìn)行研究的文獻(xiàn)還較少，國(guó)外已有一定相關(guān)研究。Sikkema等考慮生態(tài)要求評(píng)估了芬蘭森林生物質(zhì)開(kāi)發(fā)潛力[7]；Tan考慮土壤有機(jī)物水平，對(duì)美國(guó)秸稈可收集量進(jìn)行了預(yù)測(cè)[8]；Mauricio研究發(fā)現(xiàn)收集玉米芯對(duì)土壤有機(jī)物的影響較低[9]。

基于此，擬梳理各省市后備耕地，即耕地后備資源；考慮糧食安全，根據(jù)各省市現(xiàn)有主要農(nóng)作物種植比例，設(shè)計(jì)后備耕地種植結(jié)構(gòu)；對(duì)不同農(nóng)作物的土壤生態(tài)最小保留量進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)研和設(shè)計(jì)；考慮現(xiàn)有農(nóng)作物單產(chǎn)，對(duì)后備耕地農(nóng)作物單產(chǎn)進(jìn)行情景設(shè)計(jì)；最終，對(duì)后備耕地可能源化秸稈的生態(tài)潛力及其空間分布和構(gòu)成進(jìn)行分析，并為中國(guó)后備耕地生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)利用提供參考建議。

2 可能源化秸稈生態(tài)潛力評(píng)估模型構(gòu)建

假設(shè)適合后備耕地種植的農(nóng)作物有m種，則第t年第i省份第j種農(nóng)作物的秸稈產(chǎn)量(Pt,i,j)如下：

Pt,i,j=Si·αt,i,j·βt,i,j·γj

(1)

式中：Si表示第i省份后備耕地總面積；αt,i,j、βt,i,j分別表示第t年第i省份第j種農(nóng)作物的種植比例和單產(chǎn)量；γj表示第j種農(nóng)作物的草谷比系數(shù)。

設(shè)不同農(nóng)作物的土壤生態(tài)最小保留量為δj；若δj大于單位面積秸稈理論產(chǎn)量，則可能源化秸稈為0。各省市和全國(guó)后備耕地可能源化秸稈生態(tài)量分別如式(2)和式(3)所示：

(2)

(3)

(4)

式中：πj表示第j種農(nóng)作物秸稈折標(biāo)煤系數(shù)。

3 耕地后備資源分析及情景設(shè)計(jì)

3.1 耕地后備資源分析

本文綜合《中國(guó)耕地后備資源調(diào)查評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)集》及相關(guān)研究[10-11]，對(duì)各省市后備耕地資源量進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體如圖1所示。同時(shí)，暫不考慮開(kāi)發(fā)濕地等對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，以及農(nóng)業(yè)設(shè)施、道路交通等對(duì)墾殖系數(shù)的影響，墾殖系數(shù)取100%。

3.2 土壤生態(tài)最小保留量設(shè)計(jì)

首先，對(duì)研究不同農(nóng)作物秸稈還田量對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、農(nóng)作物產(chǎn)量和水土流失關(guān)系的研究文獻(xiàn)進(jìn)行梳理，然后在此基礎(chǔ)上初步確定不同農(nóng)作物土壤生態(tài)保留量的初始值；在此基礎(chǔ)上，采用情景分析法設(shè)計(jì)了三種情景(低情景、中情景、高情景)，并對(duì)不同情景下土壤生態(tài)保留量進(jìn)行設(shè)計(jì)。油菜秸稈與小麥秸稈主要成分及比例相近[12]，因此油菜秸稈保留量也采用小麥保留量；對(duì)于薯類(lèi)、花生和甘蔗，由于相關(guān)還田量的研究文獻(xiàn)較少，故取稻谷、小麥、玉米、大豆、棉花和油菜各情景還田量均值，作為薯類(lèi)、花生和甘蔗不同情景下的最小還田量。此外，暫不考慮土壤類(lèi)型對(duì)土壤生態(tài)最小保留量的影響，則不同農(nóng)作物的土壤生態(tài)最小保留量如表1所示。

圖1 中國(guó)各省市后備耕地資源量

情景稻谷[13-14]小麥[15]玉米[16-17]大豆[18]薯類(lèi)棉花[19]花生油菜甘蔗低121100213050124161124100124中288200619160285243285200285高4553001098270458325458300458

3.3 區(qū)域后備耕地農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到中國(guó)糧食安全問(wèn)題，暫不考慮種植能源作物。由于不同省份之間農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)存在差異，因此，依據(jù)《中國(guó)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》各省市、自治區(qū)主要農(nóng)作物的種植比例，設(shè)置了各省市、自治區(qū)后備耕地主要農(nóng)作物(稻谷、小麥、玉米、大豆、薯類(lèi)、棉花、花生、油菜、甘蔗)的種植比例，具體如圖2所示。

3.4 后備耕地農(nóng)作物單產(chǎn)設(shè)計(jì)

由于對(duì)后備耕地農(nóng)作物單產(chǎn)的研究較少，因此以現(xiàn)有耕地農(nóng)作物單產(chǎn)為基準(zhǔn)情景，設(shè)計(jì)了低、中、高三種單產(chǎn)情景，并分別取基準(zhǔn)情景的25%、50%、75%作為低、中、高單產(chǎn)情景的預(yù)測(cè)值。在現(xiàn)有主要農(nóng)作物單產(chǎn)預(yù)測(cè)方面，以2001―2012年各省市主要農(nóng)作物單產(chǎn)為樣本，采用線(xiàn)性回歸方法對(duì)未來(lái)農(nóng)作物的單產(chǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。而單一采用線(xiàn)性回歸方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，會(huì)出現(xiàn)假回歸。為保證預(yù)測(cè)值的有效性，同時(shí)采用專(zhuān)家預(yù)測(cè)法對(duì)未來(lái)各省市主要農(nóng)作物的單產(chǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。主要是請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜医Y(jié)合各省市主要農(nóng)作物單產(chǎn)的歷史數(shù)據(jù)，從各省市農(nóng)業(yè)技術(shù)管理水平、地力水平、氣候條件等角度，對(duì)各省市各主要農(nóng)作物2020年和2050年的單產(chǎn)進(jìn)行評(píng)估。若線(xiàn)性回歸預(yù)測(cè)值大于專(zhuān)家預(yù)測(cè)值，則取專(zhuān)家預(yù)測(cè)值作為預(yù)測(cè)結(jié)果，并采用加權(quán)平均法計(jì)算其他年份的單產(chǎn)。各省市現(xiàn)有耕地主要農(nóng)作物未來(lái)單產(chǎn)如圖3所示(薯類(lèi)單產(chǎn)為折糧單產(chǎn)，折合比5:1)。

圖2 后備耕地主要農(nóng)作物種植情景設(shè)置

圖3 現(xiàn)有耕地農(nóng)作物未來(lái)單產(chǎn)

3.5 草谷比設(shè)計(jì)

采用文獻(xiàn)調(diào)研的方法，對(duì)主要農(nóng)作物的草谷比進(jìn)行設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[20-24]分別給出了不同條件下，中國(guó)各主要農(nóng)作物的草谷比。從表2中數(shù)值可以看出，不同學(xué)者給出的草谷比波動(dòng)較大。為保證農(nóng)作物秸稈量預(yù)測(cè)的合理準(zhǔn)確性，在以上研究的基礎(chǔ)上，采用加權(quán)平均法對(duì)不同農(nóng)作物的草谷比進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體如表2所示。

表2 不同農(nóng)作物的草谷比設(shè)計(jì)

4 后備耕地可能源化秸稈生態(tài)潛力分析

4.1 可能源化秸稈生態(tài)總量

受后備耕地資源的制約，后備耕地農(nóng)作物秸稈理論量較少。在高單產(chǎn)情景、中單產(chǎn)情景和低單產(chǎn)情景下，2050年理論秸稈總量分別為2658.69萬(wàn)噸、1772.46萬(wàn)噸和886.23萬(wàn)噸；考慮土壤生態(tài)最小保留量后，不同單產(chǎn)情景和保留情景下，后備耕地可能源化秸稈生態(tài)總量如表3所示。

在低單產(chǎn)中保留、低單產(chǎn)高保留和中單產(chǎn)高保留情景下，最終可能源化秸稈生態(tài)總量偏小，尤其是低單產(chǎn)高保留情景，不適宜進(jìn)行相應(yīng)的開(kāi)發(fā)利用；其他情景下生物質(zhì)能生態(tài)總量相對(duì)豐富，2050年在高單產(chǎn)低保留、高單產(chǎn)中保留、高單產(chǎn)高保留、中單產(chǎn)低保留、中單產(chǎn)中保留和低單產(chǎn)低保留情景下，分別能夠滿(mǎn)足約103、62、32、59、23和15座，年秸稈消耗量為20萬(wàn)噸的25MW秸稈直燃發(fā)電電廠，開(kāi)發(fā)利用價(jià)值較為可觀。

表3 不同情景下可能源化秸稈生態(tài)總量(萬(wàn)噸)

4.2 可能源化秸稈生態(tài)資源空間分布

不同情景下，各省市后備耕地可能源化秸稈占比如表4所示(表中數(shù)值為2020―2050年均值)。在高單產(chǎn)情景下，可能源化秸稈生態(tài)資源分布較為分散。受區(qū)域耕地后備資源和農(nóng)作物單產(chǎn)的影響，其主要分布在新疆、甘肅、四川和山東，在低還田、中還田和高還田情景下分別約占生態(tài)資源總量的24.05%、26.39%、26.68%，10.85%、10.41%、11.91%，7.16%、7.21%、8.59%和6.05%、6.59%、7.65%；而北京、天津、山西、陜西、上海、海南、貴州、西藏等地占比不足總量的1%。

中單產(chǎn)情景中，可能源化秸稈生態(tài)資源依舊集中在新疆、甘肅、四川和山東，在低、中、高還田情景下分別約占總量的24.32%、25.60%、15.02%，10.75%、11.78%、16.31%，7.17%、8.74%、10.36%和6.14%、7.30%、10.01%；情景6中，由于稻谷、玉米、大豆、棉花和花生可利用秸稈量較少，使得可能源化秸稈生態(tài)資源在空間上發(fā)生轉(zhuǎn)移，主要向山東、甘肅和廣西等地集聚，而新疆占比明顯下降。

在低單產(chǎn)情景中，由于還田量的增加，在低、中、高還田情景中，不斷出現(xiàn)可利用秸稈量為0，使得可能源化秸稈在空間上產(chǎn)生了較大的轉(zhuǎn)移。情景7中依舊主要分布在新疆、甘肅、四川和山東，分別約占總量的24.89%、10.08%、7.87%和7.01%；而在情景8中，則主要分布在甘肅、四川、青海和山東，分別約占總量的16.79%、12.96%、11.03%和8.20%；情景9中，則主要分布在山東、新疆和吉林，分別約占總量的30.06%、14.94%和11.97%。

表4 不同情景下不同區(qū)域可能源化秸稈資源占比(%)

續(xù)表4

注：情景1～9分別表示高單產(chǎn)—低還田、高單產(chǎn)—中還田、高單產(chǎn)—高還田、中單產(chǎn)—低還田、中單產(chǎn)—中還田、中單產(chǎn)—高還田、低單產(chǎn)—低還田、低單產(chǎn)—中還田和低單產(chǎn)—高還田，下同。

4.3 可能源化秸稈生態(tài)資源構(gòu)成

不同情景下，可能源化秸稈資源的構(gòu)成如表5所示(表中數(shù)值為2020—2050年的均值)?？傮w來(lái)看，不同單產(chǎn)情景和還田情景下，可能源化秸稈主要是由稻谷、小麥、玉米或薯類(lèi)秸稈構(gòu)成。其中，情景1、2、4、5和7由所有主要農(nóng)作物構(gòu)成；情景3由除玉米以外其他八種農(nóng)作物構(gòu)成，而情景6由小麥、薯類(lèi)、棉花、油菜和甘蔗秸稈構(gòu)成；情景8和9則僅由薯類(lèi)和甘蔗秸稈構(gòu)成。

通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn)，在相同單產(chǎn)情景下，由于不同省市之間農(nóng)作物單產(chǎn)存在較大的差異，使得部分農(nóng)作物秸稈的理論產(chǎn)量小于最小生態(tài)還田量，使得部分農(nóng)作物秸稈可利用量為0，造成不同情景間資源構(gòu)成的差異。因此，為了提高不同情景下中國(guó)后備耕地可能源化秸稈生態(tài)潛力，不僅需要建立全國(guó)性的生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，而且要細(xì)分到省級(jí)層面。

表5 不同情景下可能源化秸稈資源構(gòu)成(%)

5 結(jié)論

秸稈還田具有維護(hù)增強(qiáng)土壤功能，防止水土流失的作用，合理開(kāi)發(fā)利用農(nóng)作物秸稈對(duì)中國(guó)生物質(zhì)能的可持續(xù)開(kāi)發(fā)有著重要意義?；诖?，本文提出了土壤生態(tài)最小保留量的概念，在此基礎(chǔ)上結(jié)合相關(guān)政策，考慮糧食安全、單產(chǎn)、種植結(jié)構(gòu)、草谷比等影響因素，運(yùn)用情景分析法，對(duì)后備耕地可能源化秸稈生態(tài)潛力進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。研究發(fā)現(xiàn)：①受耕地后備資源的約束，秸稈理論獲得量較少。在高、中、低單產(chǎn)情景下，2050年后備耕地理論秸稈總量分別為2658.69、1772.46和886.23萬(wàn)噸；②考慮土壤生態(tài)要求和糧食安全，在高發(fā)展情景下，2050年可能源化秸稈生態(tài)總量能夠達(dá)到2066.40萬(wàn)噸，低發(fā)展情景下則僅有10.70萬(wàn)噸；相比其他省份，新疆可能源化秸稈生態(tài)潛力較大，可優(yōu)先開(kāi)發(fā)利用；③土壤生態(tài)最小保留量和農(nóng)作物單產(chǎn)，對(duì)可能源化秸稈生態(tài)資源的空間分布、資源結(jié)構(gòu)構(gòu)成，及生態(tài)資源總量有著較大的影響，可通過(guò)構(gòu)建省級(jí)層面的后備耕地生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，進(jìn)一步提高中國(guó)后備耕地農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能生態(tài)潛力。

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(責(zé)任編輯 劉傳忠)

Aggregation Evaluation on the Straw Resource for Energy Source in ReserveCultivated Land by Considering Soil Function and Food Security

Zhu Kaiwei1，Liu Zhen1,2，Li Peiying3，He Liangping1，Lin Jinchai1

(1.Low Carbon Energy Research Center，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China;2.Lawrence Berkeley National Laboratory，California 94530，US;3.School of Economics and Management，Southwest University，Chongqing 400715，China)

It has positive effect of straw incorporation on preventing the land from soil erosion.Therefore，the concept of Minimum Ecological Straw Returns Amount(MESRA)was put forward，and scenario analysis method was applied to design the MESRA.Then，a bottom up dynamic model was built，which considering per unit area yield，planting structure，straw-grain ratio and MESRA，and the model was used to evaluate the total amount of the straw that can be energy utilized.It finds that：①Bounded by reserve cultivated land resources，the theoretical straw amount is small，respectively is 26.5869 million ton，17.7246 million ton and 8.8623 million ton in high，middle and low per unit area yield scenario in 2050.②When considering the MESRA and food security，the energy utilized straw amount will be 20.664 million ton in high developing scenario，and 107 thousand ton in low developing scenario.Affected by the reserve cultivated land resources，Xinjiang has the most straw resource in China mainland.③The MESRA and per unit area yield have obvious effect on the amount of energy utilized straw.But the total amount can be further improved by building up the provincial reserve cultivated land bio-energy development ecological compensation mechanism.

MESRA；Food security；Energy utilization of straw

2016-08-02

朱開(kāi)偉(1991-)，江蘇揚(yáng)州人，重慶理工大學(xué)技術(shù)經(jīng)濟(jì)及管理碩士研究生；研究方向：可再生能源戰(zhàn)略及規(guī)劃。

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