2008—2017年江蘇省秸稈沼氣化潛力及其碳足跡分析

姜?jiǎng)P陽　王麗霞　龐力豪　張羽飛　邵蕾

摘要：利用秸稈系數(shù)（RF）法分析江蘇省2008—2017年秸稈沼氣產(chǎn)生情況，并通過比較秸稈直接燃燒和秸稈沼氣化利用的碳排放，揭示秸稈沼氣化利用的節(jié)能以及碳減排效果，以期為江蘇省推進(jìn)農(nóng)作物秸稈沼氣化利用，減少燃煤消費(fèi)提供依據(jù)。研究結(jié)果表明，2008—2017年江蘇省年均秸稈資源總量為3 264.43萬t，沼氣潛力為113.46億m3;江蘇省目前用于直接燃燒的秸稈每年產(chǎn)生碳排放量為731.54萬t，若用于直接燃燒的秸稈全部沼氣化利用，其年均碳減排量為359.10萬t，平均每年可替代標(biāo)準(zhǔn)煤13.37億kg，機(jī)會(huì)碳足跡年均為718.15萬t，可以達(dá)到減少溫室氣體排放并替代燃煤消費(fèi)的目的。

關(guān)鍵詞：江蘇省;秸稈;沼氣化;碳足跡;碳排放量

中圖分類號(hào)： F323.22文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）07-0290-06

江蘇省作為我國的農(nóng)業(yè)大省，2017年水稻和小麥播種面積分別達(dá)到22.38萬、24.13萬hm2[1]。大面積的水稻、小麥等主要農(nóng)作物種植給江蘇省帶來大量的秸稈資源?！督K省人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)關(guān)于促進(jìn)農(nóng)作物秸稈綜合利用的決定》[2]第5條明確規(guī)定“鼓勵(lì)利用秸稈生物氣化（沼氣）、熱解氣化、固化成型及炭化等技術(shù)發(fā)展生物質(zhì)能，合理安排利用秸稈發(fā)電項(xiàng)目”。中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃（2018—2022年）》[3]，也提出“推進(jìn)農(nóng)林產(chǎn)品加工剩余物資源化利用，深入實(shí)施秸稈禁燒制度和綜合利用”的相關(guān)政策。陳利洪等對(duì)華東地區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄物資源潛力進(jìn)行評(píng)估，得出華東地區(qū)秸稈資源量占全國總量的18.6%，秸稈沼氣開發(fā)潛力為125.2億m3[4]。秸稈作為潔凈的生物質(zhì)能源，秸稈沼氣化亟待在農(nóng)村進(jìn)行進(jìn)一步推廣。任繼勤等利用集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EEMD）和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BPNN）預(yù)測(cè)我國秸稈產(chǎn)量并分析在秸稈綜合利用率達(dá)到80%時(shí)，可節(jié)約3 000萬t煤并減少6.15億t CO2排放[5]。

近年來，氣候變化及大氣污染問題廣受關(guān)注，隨著溫室氣體如甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、氧化亞氮（N2O）等的大量排放，溫室氣體減排成為眾多學(xué)者的研究對(duì)象。碳足跡作為定量評(píng)估溫室氣體排放量的標(biāo)準(zhǔn)，其相關(guān)研究受到許多學(xué)者的高度重視。張婷婷等對(duì)我國2011年秸稈沼氣碳足跡變化進(jìn)行分析，若將焚燒和棄置亂用的秸稈進(jìn)行沼氣發(fā)酵，將產(chǎn)生的沼氣直接燃燒，可減少3.5億t CO2排放[6];王藝鵬等對(duì)我國1995—2014年秸稈沼氣化碳足跡分析中得出，秸稈沼氣燃燒年均可減少2.08億t CO2排放[7]。因此農(nóng)作物秸稈沼氣化利用可以提高農(nóng)業(yè)廢棄物資源的利用率，有效減少溫室氣體的排放。

本研究通過分析江蘇省2008—2017年主要農(nóng)作物秸稈資源量及其沼氣化潛力，利用碳足跡計(jì)算的方法比較秸稈沼氣化利用和直接燃燒所產(chǎn)生的碳減排和節(jié)能效果，以期為江蘇省加強(qiáng)秸稈沼氣化利用，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與計(jì)算方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究根據(jù)江蘇省農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)選擇種植面積比例和產(chǎn)量占比具有優(yōu)勢(shì)的9種作物（糧食作物：水稻、小麥、玉米、馬鈴薯、大豆;經(jīng)濟(jì)作物：棉花、甘蔗、花生、油菜）作為秸稈資源量統(tǒng)計(jì)的研究對(duì)象。農(nóng)作物種植數(shù)據(jù)來源于《江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒》中2009—2018年農(nóng)作物種植面積和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的數(shù)據(jù)[1]。

1.2 江蘇省主要農(nóng)作物秸稈資源量計(jì)算

1.4 碳足跡計(jì)算

碳足跡指某一產(chǎn)品或服務(wù)系統(tǒng)在其全生命周期內(nèi)以CO2等價(jià)物來表示的碳排放總量[11]。碳足跡的核算具有多種標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)白偉榮等對(duì)碳足跡核算國際標(biāo)準(zhǔn)的整理[12]，采用聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）排放因子法進(jìn)行碳足跡計(jì)算。本研究以秸稈直接燃燒和秸稈沼氣燃燒產(chǎn)生的CO2

1.4.3 沼氣燃燒碳足跡

沼氣燃燒的碳足跡由沼氣直接燃燒的碳足跡和沼氣運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的碳足跡組成，其中沼氣運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的碳足跡（Z）計(jì)算方法參考張婷婷等的研究[6，13]，公式如下：

30%～40%;此外還含有少量的氧氣、氮?dú)?、氫氣及硫化氫等氣體。根據(jù)張婷婷等的研究[6]，筆者主要研究甲烷和二氧化碳2種溫室氣體，按照CH4含量為60%，CO2含量為40%進(jìn)行計(jì)算，忽略其他氣體的影響。秸稈沼氣燃燒的公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 2008—2017年江蘇省秸稈資源量

由表5可知，2008—2017年江蘇省秸稈資源量總量為32 644.31萬t，年均秸稈量為3 264.43萬t。糧食作物的秸稈資源量年均為2 987.59萬t，占年均秸稈資源總量的91.51%;秸稈資源量最高的3種作物為水稻、小麥和玉米;年均秸稈資源量分別為1 749.16萬、852.17萬、307.10萬t，分別占年均秸稈資源總量的53.58%、26.1%、9.41%。經(jīng)濟(jì)作物中，油菜秸稈資源量最高，為205.27萬t，占年均秸稈資源總量的6.29%;棉花秸稈資源量為35.59萬t，占年均秸稈資源總量的1.09%;甘蔗秸稈資源量最少，為3.82萬t，占年均秸稈資源總量的0.12%。因此，江蘇省農(nóng)作物秸稈資源總量中，糧食類作物的秸稈占主導(dǎo)地位，其中水稻由于種植面積廣，秸稈資源量最大。2008—2015年江蘇省秸稈資源量呈上升趨勢(shì)，2015年江蘇省秸稈資源總量為3 410.03萬t，2016年、2017年秸稈資源量與2015年相比有所下降。

2.2 江蘇省秸稈沼氣化潛力

本研究選取水稻、小麥、玉米、豆類、馬鈴薯等5種糧食作物及棉花、花生、油菜等3種經(jīng)濟(jì)作物分析秸稈沼氣化潛力。由表6可以看出，2008—2017年江蘇省的秸稈沼氣化潛力平均為113.46億m3，2008—2015年，江蘇省秸稈沼氣化潛力呈增加趨勢(shì)，其中2015年秸稈沼氣化潛力最大，為118.65億m3，2016年、2017年秸稈沼氣化潛力下降，但仍高于平均水平。

1 m3沼氣完全燃燒后提供的熱量相當(dāng)于0.714 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤[14]，江蘇省10年秸稈沼氣化利用總共可折合標(biāo)準(zhǔn)煤8 101萬t;根據(jù)《江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒2018》計(jì)算2017年能源消費(fèi)總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤共31 430.41萬t，則2017年秸稈沼氣化利用理論上可節(jié)約全省2.66%的標(biāo)準(zhǔn)煤消費(fèi)。

2.3 碳足跡分析

根據(jù)高利偉等的研究，江蘇省秸稈資源的主要利用方式為用作畜禽飼料、機(jī)械還田、用作燃料及其他用途[15]。根據(jù)江蘇省人民政府印發(fā)的《江蘇省農(nóng)作物秸稈綜合利用規(guī)劃（2010—2015年）》[16]取江蘇省秸稈綜合利用比例的平均值（表7）。

由表7可知，江蘇省秸稈沼氣化利用比例僅占秸稈總量的3.5%，沼氣化利用潛力巨大。

為了研究沼氣化利用方式的碳減排效應(yīng)，本研究在分析碳足跡時(shí)將秸稈能源化利用中用來直接燃燒的秸稈采用沼氣化處理，計(jì)算其沼氣化潛力、可替代的標(biāo)準(zhǔn)煤和所替代標(biāo)準(zhǔn)煤的碳足跡;其中沼氣化利用可替代的標(biāo)準(zhǔn)煤為直接燃燒的秸稈沼氣化利用后所產(chǎn)沼氣的熱值折算的標(biāo)準(zhǔn)煤，所替代標(biāo)準(zhǔn)煤的碳足跡為標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒的碳排放。

由表8可知，江蘇省平均每年有538.63萬t秸稈直接燃燒，其中2015年直接燃燒秸稈量最大，為562.65萬t;《江蘇省煤炭消費(fèi)減量替代工作方案》[17]中提出鼓勵(lì)發(fā)展生物質(zhì)能代替燃煤消費(fèi)的政策。如果將直接燃燒的秸稈采用沼氣化利用，可替代13.37億kg/年標(biāo)準(zhǔn)煤，減少標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒排放的二氧化碳達(dá)359.05萬t/年。

碳足跡是衡量碳排放的指標(biāo)。秸稈直接燃燒碳足跡表示秸稈直接燃燒的碳排放;直接燃燒的秸稈沼氣利用總碳足跡為直接燃燒的秸稈進(jìn)行沼氣燃燒碳足跡和沼氣運(yùn)輸碳足跡之和。

由表9可知，江蘇省2008—2017年秸稈直接燃燒產(chǎn)生的碳足跡總量為7 315.39萬t;若這些直接燃燒的秸稈進(jìn)行沼氣化利用，產(chǎn)生的總碳足跡為3 724.43萬t，其中，沼氣運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的碳足跡為47.12萬t，沼氣燃燒產(chǎn)生的碳足跡為3 677.31萬t;2015年直接燃燒的秸稈沼氣燃燒碳足跡最高（384.56萬t）;與秸稈直接燃燒相比，秸稈沼氣利用可減少碳足跡49.09%。秸稈沼氣化利用的碳減排為秸稈沼氣化利用總碳足跡與秸稈直接燃燒碳足跡之差，10年的平均碳減排為359.10萬t。相對(duì)于秸稈直接燃燒，沼氣化利用可以有效減少碳排放。

王藝鵬等根據(jù)機(jī)會(huì)成本提出機(jī)會(huì)碳足跡的概念，即與秸稈直接燃燒相比秸稈沼氣燃燒可直接減少的碳排放和秸稈沼氣通過替代標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所減少的碳排放之和[7]，計(jì)算公式為

G=（E+C）-S。

式中：G為秸稈沼氣化利用的機(jī)會(huì)碳足跡，t;E為秸稈直接燃燒產(chǎn)生的碳足跡，t;C為秸稈沼氣燃燒所代替的標(biāo)準(zhǔn)煤的碳足跡，t;S為直接燃燒的秸稈沼氣利用的總碳足跡，t。

由表10可知，江蘇省2008—2017年秸稈沼氣化利用理論上平均每年可減少碳排放718.15萬t，10年總共可減少7 181.56萬t碳排放，其中2008—2015年的機(jī)會(huì)碳足跡呈上升趨勢(shì)，2015年機(jī)會(huì)碳足跡最高，碳減排量為749.57萬t。

3 討論

本研究對(duì)江蘇省2008—2017年的秸稈資源總量和秸稈沼氣化潛力進(jìn)行了估算，為江蘇省秸稈利用方式的轉(zhuǎn)變和優(yōu)化提供參考依據(jù)。10年來江蘇省秸稈資源總量年均為3 264.43萬t，其中水稻秸稈年均資源量所占比例一直保持在50%以上，這與王雨辰等的研究結(jié)果[8，18]一致;秸稈沼氣化潛力年均為113.46億m3，其中水稻秸稈沼氣化潛力占總量的55.97%。根據(jù)劉昊一等的研究，江蘇省無錫市、常州市、淮安市、揚(yáng)州市等地區(qū)水稻種植綜合比較優(yōu)勢(shì)較大，水稻秸稈的產(chǎn)生量大，因此上述地區(qū)除加強(qiáng)燃料化利用外，還應(yīng)重視對(duì)水稻秸稈資源以其他形式進(jìn)行利用，如肥料化、飼料化、基料化、原料化利用等[19]。目前，江蘇省秸稈肥料化利用率最高且利用比例仍在不斷增加，因此上述各市可通過發(fā)展快速腐熟還田、稻麥雙套還田、堆漚還田等方式增加水稻秸稈的肥料化利用率[16]，以消納大量的水稻秸稈資源。

許多學(xué)者已經(jīng)開始利用碳足跡分析的方法對(duì)生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制的完善加以指導(dǎo)，而在秸稈綜合利用方面，進(jìn)行碳足跡分析可以對(duì)秸稈沼氣化利用產(chǎn)生的環(huán)境效益進(jìn)行評(píng)價(jià)，為推進(jìn)沼氣建設(shè)提供依據(jù)。本研究通過對(duì)用于直接燃燒的秸稈沼氣化所產(chǎn)生的碳足跡進(jìn)行分析，并計(jì)算直接燃燒的秸稈沼氣化利用后可產(chǎn)生的碳減排。相對(duì)于直接燃燒，秸稈沼氣化利用更有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境并節(jié)約能源。2008—2017年江蘇省用于直接燃燒的5 386.3萬t秸稈，若沼氣化利用總共可減少碳排放3 590.96萬t，可替代133.7億kg標(biāo)準(zhǔn)煤，并減少標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒產(chǎn)生的3 590.55萬t碳排放。

4 結(jié)論

2008—2015年江蘇省秸稈資源總量呈上升趨勢(shì)，2016年、2017年秸稈資源總量有所下降，10年秸稈資源總量為32 644.31萬t;糧食作物的秸稈資源量占總資源量的91.51%，其中水稻的秸稈資源量占比最高，占總資源量的53.58%。

2008—2017年江蘇省秸稈可產(chǎn)生沼氣總量為1 134.59億m3，2015年秸稈沼氣化潛力最大，為118.65億m3，沼氣化潛力年均值為113.46億m3，提供的熱值平均每年可代替81.01億kg的標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒。

2008—2017年江蘇省秸稈沼氣化利用年均碳減排為359.10萬t，將直接燃燒的秸稈沼氣化利用平均每年可替代13.37億kg標(biāo)準(zhǔn)煤，[JP3]減少標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒的碳排放達(dá)359.05萬t;機(jī)會(huì)碳足跡年均為718.15萬t，理論上10年總共可減少碳排放7 181.56萬t。

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