運(yùn)城市作物秸稈資源化利用潛力研究及空間分析

張 鑫，王 硯

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，山西太谷 030801；2.四川飛紅工程管理咨詢有限公司，四川 成都 610011）

自工業(yè)革命以來，人類向大氣中排入的二氧化 碳等吸熱性強(qiáng)的溫室氣體逐年增加，大氣的溫室效應(yīng)也隨之增強(qiáng)，其引發(fā)了一系列問題已引起了世界各國(guó)的關(guān)注[1-3]。在2021年全國(guó)兩會(huì)上，碳達(dá)峰、碳中和被首次寫入政府報(bào)告，碳減排已經(jīng)成為了我國(guó)能源安全和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的內(nèi)在需求[4]。作物秸稈作為一種主要的農(nóng)業(yè)廢棄物，在焚燒過程中會(huì)排放大量的溫室氣體，每千克秸稈的焚燒會(huì)產(chǎn)生102 g的CO和1 350 g的CO2[5]，是一種不可忽視的溫室氣體排放源，對(duì)其進(jìn)行資源化利用既能回收其潛在的能源又能減少溫室氣體的排放[6-8]，所以，進(jìn)行作物秸稈資源化利用潛力研究意義重大。目前對(duì)于作物秸稈資源量的測(cè)算大部分都是采用草谷比系數(shù)法。崔蜜蜜等[9]采用此方法測(cè)算了2012年全國(guó)各地區(qū)作物秸稈的資源化利用潛力，并探討了其市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿?；杜艷玲等[10]對(duì)山西省種養(yǎng)廢棄物資源量、利用現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查、估算，并分析其在市域尺度上的分布特征、資源化利用潛力及綜合高效利用的途徑；趙勝男等[11]對(duì)福建省有機(jī)廢棄物資源化利用碳減排潛力進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)的利用措施；戴玉[12]對(duì)安徽省壽縣2014年農(nóng)作物秸稈和畜禽糞便資源化利用潛力進(jìn)行了研究，并提出了未來對(duì)種養(yǎng)廢棄物資源化利用的針對(duì)性建議。

運(yùn)城作為山西主要的糧食基地，每年產(chǎn)生的秸稈數(shù)量巨大，若直接進(jìn)行燃燒，將會(huì)排放大量的溫室氣體。本研究以運(yùn)城市的作物秸稈為研究對(duì)象，對(duì)其資源化利用的潛力和空間進(jìn)行研究、分析、評(píng)價(jià)，旨在為運(yùn)城市秸稈資源的合理利用、優(yōu)化秸稈利用產(chǎn)業(yè)體系、削減碳排放提供一定的理論數(shù)據(jù)支撐。

1 研究方法和數(shù)據(jù)來源

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究的數(shù)據(jù)來源主要根據(jù)《山西統(tǒng)計(jì)年鑒》[13]，即從運(yùn)城市所管轄的各區(qū)域中，選取2006—2017年農(nóng)作物產(chǎn)量、農(nóng)作物總播種面積等數(shù)據(jù)，以及研究區(qū)相關(guān)部門公開的數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)資料。表1為農(nóng)作物秸稈資源化利用潛力計(jì)算參數(shù)，其中，可收集系數(shù)（ci）選取全國(guó)各區(qū)域作物秸稈的可收集系數(shù)的均值。

表1 農(nóng)作物秸稈資源化利用潛力計(jì)算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters of resource utilization potential of crop straw

1.2 作物秸稈資源量估算

作物秸稈資源總量是指農(nóng)作物收獲后除了可以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，是理論資源總量，其與秸稈經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和草谷比這2個(gè)因子密不可分[18]。

式中，SR i,j為第j年第i類作物秸稈資源總量；QSi,j為第j年第i類作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量；r i為第i類作物秸稈的草谷比系數(shù)。

1.3 作物秸稈資源化利用潛力估算

作物秸稈資源化利用潛力是指作物秸稈除了已利用數(shù)量之外，剩余可轉(zhuǎn)換為化學(xué)能、熱能、電能等能源方式的秸稈蘊(yùn)含儲(chǔ)量[9]。

1.4 作物秸稈資源密度估算

秸稈資源密度是指秸稈某個(gè)資源量在一定區(qū)域內(nèi)單位土地面積上的密集程度[17]，其數(shù)值可以綜合反映秸稈資源的分布、產(chǎn)量、可收集程度和可利用的潛力密集程度。

式中，ρsp為秸稈資源密度，SRp為秸稈資源化利用潛力值，S為區(qū)域面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 運(yùn)城市作物秸稈資源總量分析

2006—2017年運(yùn)城市作物秸稈資源年總量為4.07×107t，年均值為3.39×106t，其中，糧食作物為3.21×106t，油 料 作 物 為4.25×105t，其 他 作 物 為1.39×105t。從圖1可以看出，運(yùn)城市作物秸稈資源總量整體呈上升趨勢(shì)，在2015、2016年達(dá)到最大值，均為3.93×106t，2007年最小，為2.43×106t。3種作物秸稈占秸稈資源總量的比例不斷變化，但糧食作物秸稈一直占主要比例，年均占比94.64%，油料作物占比最小，年均占比僅1.25%，其他作物棉花秸稈量基本呈逐年降低的趨勢(shì)，其與棉花的播種面積逐年減少有關(guān)。

2.2 運(yùn)城市作物秸稈資源化利用潛力分析

運(yùn)城市2006—2017年秸稈資源化利用潛力總值為2.43×106t，年均值為2.03×105t。從表2、圖2可以看出，運(yùn)城市作物秸稈資源化利用潛力變化趨勢(shì)與其資源總量變化趨勢(shì)基本一致，其中，糧食作物資源化利用潛力最大，在全市都有種植，占據(jù)主導(dǎo)地位，整體呈上升趨勢(shì)；油料作物的利用潛力最小，雖然全市均有種植，但年均僅有0.42×104t；其他作物在9個(gè)縣市均有種值，其利用潛力逐年降低，2017年僅有0.14×104t。

表2 運(yùn)城市農(nóng)作物秸稈資源化利用潛力區(qū)域分布Tab.2 Regional distribution of crop straw resource utilization potential in Yuncheng city

從表2、圖3可以看出，運(yùn)城市糧食作物秸稈資源中利用潛力最大的為玉米秸稈，平均每年為1.04×105t，占比為54.48%，其波動(dòng)比較大，在2013年達(dá)到峰值，為1.31×105t，主要是因?yàn)橛衩椎目墒占禂?shù)要高于小麥及其他糧食作物；小麥秸稈的利用潛力僅次于玉米秸稈，平均每年為8.13×104t，占比42.52%，整體呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢(shì)，2012、2016年其利用潛力最大，均為1.00×105t；其他糧食作物的利用潛力平均每年為0.36×104t，僅占比3.00%，主要是因?yàn)榉N植面積相對(duì)比較小。

2.3 運(yùn)城市秸稈資源密度分析

2.3.1 運(yùn)城市秸稈資源總密度分析 秸稈資源密度可以綜合反映一個(gè)地區(qū)可資源化利用的潛力密集程度。運(yùn)城市2011年以前平均資源密度為3.15 t/hm2，2011年以后平均資源密度為4.57 t/hm2，從整個(gè)市來看，秸稈資源密度明顯升高。由圖4、5可知，2011年以前，河津市、永濟(jì)市屬于秸稈資源利用密集區(qū)，萬榮縣、聞喜縣、垣曲縣屬于分散區(qū)；2011年之后，河津市、永濟(jì)市、臨猗縣屬于密集區(qū)，萬榮縣屬于分散區(qū)。河津市和臨猗縣的降水量、溫度、土壤質(zhì)地比較適合農(nóng)作物的生長(zhǎng)，永濟(jì)市的種植面積相對(duì)較大，而萬榮縣的小麥、玉米種植面積相比其他地市要小。鹽湖區(qū)雖然氣候適宜種植，農(nóng)業(yè)科技發(fā)達(dá)，但城市化發(fā)展使耕地面積減少，其秸稈資源密度不高，增長(zhǎng)量也較低。在2011年之后，垣曲縣和聞喜縣的秸稈資源密度都有了較高的提升，相較于2011年之前，垣曲縣的秸稈資源密度上升了29%，聞喜縣上升了40%。在2個(gè)縣的密度上升之后，整個(gè)運(yùn)城市的東部地區(qū)秸稈資源密度空間分布相對(duì)均衡。

2.3.2 運(yùn)城市主要作物的秸稈資源密度分析 運(yùn)城市作物種類繁多，從產(chǎn)生的秸稈資源量來看，糧食類作物占總量的比例將近95%，而玉米和小麥又為主要糧食作物，其資源化利用潛力占到了糧食作物的97%。從圖6、7可以看出，2011年以前，河津市、永濟(jì)市、臨猗縣、芮城縣、夏縣屬于小麥秸稈資源利用密集區(qū)，萬榮縣、平陸縣、垣曲縣屬于分散區(qū)；2011年之后，河津市、永濟(jì)市屬于密集區(qū)，萬榮縣、平陸縣、垣曲縣、聞喜縣、絳縣屬于分散區(qū)。主要是由于種植小麥的成本高、收益低，易受自然災(zāi)害影響，價(jià)格不穩(wěn)定等因素，小麥的種植面積有所減少。

由圖8、9可知，2011年以前，永濟(jì)市、臨猗縣、芮城縣屬于玉米秸稈資源利用密集區(qū)，萬榮縣、平陸縣、垣曲縣屬于分散區(qū)；2011年之后，河津市、永濟(jì)市、臨猗縣、絳縣屬于密集區(qū)，平陸縣、垣曲縣屬于分散區(qū)。其主要是由于近年來運(yùn)城市玉米種植面積不斷擴(kuò)大，占全市播種面積的40%左右，產(chǎn)量將近糧食總產(chǎn)量的45%。

3 結(jié)論與討論

本研究對(duì)運(yùn)城市2006—2017年作物秸稈的資源量、利用潛力及資源密度進(jìn)行了計(jì)算，并分別對(duì)其時(shí)空分布和空間分布進(jìn)行了定性、定量分析，結(jié)果表明，2006—2017年運(yùn)城市作物秸稈資源年總量為4.07×107t，年均值為3.39×106t，整體呈上升趨勢(shì)，在2015、2016年達(dá)到最大值，均為3.93×106t，2007年最小，為2.43×106t。其中，糧食作物秸稈一直占主要比例，年均占比94.64%。運(yùn)城市2006—2017年秸稈資源化利用潛力總值為2.43×106t，平均每年為2.03×105t。玉米秸稈利用潛力最大，其次是小麥。運(yùn)城市2011年前、后秸稈資源平均密度分布分別為3.15、4.57 t/hm2，從整市來看，秸稈資源密度明顯升高，其中，河津、永濟(jì)、臨猗為秸稈資源利用密集區(qū)。2011年后小麥秸稈資源利用密集區(qū)為河津、永濟(jì)，玉米秸稈資源利用密集區(qū)為河津、永濟(jì)、臨猗、絳縣。

本研究在對(duì)運(yùn)城市作物秸稈資源化利用潛力進(jìn)行估算時(shí)，選取的草谷比系數(shù)、可收集系數(shù)、已利用比例3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)都是引用其他研究學(xué)者的成果，并沒有進(jìn)行實(shí)測(cè)和調(diào)研，所以計(jì)算出的結(jié)果可能和實(shí)際情況有出入。本研究對(duì)運(yùn)城市作物秸稈的資源量、利用潛力和資源密度進(jìn)行了初步分析，對(duì)于合理調(diào)整運(yùn)城市農(nóng)作物的種植結(jié)構(gòu)、面積，優(yōu)化秸稈利用方式，建立規(guī)?；慕斩挵l(fā)電企業(yè)或燃料乙醇企業(yè)，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)的協(xié)調(diào)發(fā)展都有著重要的作用。

此外，將秸稈替代化肥[19]、化石燃料[20]都可有效減少由于化肥生產(chǎn)、燃煤產(chǎn)生的CO2量，對(duì)于各地市秸稈的肥料化、能源化利用潛力以及碳中和強(qiáng)度需要進(jìn)一步研究，以期為當(dāng)?shù)亍半p碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支撐。