農作物秸稈資源生態轉化方式分析

蘇世偉++朱文++聶影

摘要：分析了我國農作物秸稈的資源稟賦，比較了秸稈資源生態轉化技術，探討了國內外秸稈資源生態轉化的發展進程與制約因素。結果表明，2012年我國主要農作物秸稈資源總量約7.50億 t，折合標準煤3.88億 t；我國秸稈資源空間分布差異顯著，在經濟富裕地區、地廣人稀的產糧地區和能源產區秸稈資源豐富，生態轉化潛力較大；秸稈資源的原料化和能源化利用是我國生態轉化的2種可行方式；農作物秸稈密度較低的資源屬性、企業管理與技術創新水平較低、現有政策制度設計和監督實施的缺陷，是秸稈規?；玫闹饕萍s因素。

關鍵詞：農作物；秸稈；生態轉化；原料化；能源化

中圖分類號： F062.2；F303.4文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）11-0452-03

收稿日期：2014-11-27

基金項目：教育部人文社會科學研究規劃基金青年項目（編號：14YJCZH113）；江蘇省教育科學“十二五”規劃課題（編號：C-c/2013/01/039）。

作者簡介：蘇世偉（1974—），男，江蘇南京人，博士，副教授，研究方向為農林技術經濟及管理。E-mail：ssw5096@126.com。

通信作者：聶影，教授，研究方向為林產品貿易與市場。中國作為農業生產大國，是農作物秸稈資源最豐富的國家之一，稻谷、小麥、玉米、棉花秸稈是最主要的農作物秸稈[1]。全球化石燃料日益枯竭，生物質能源是唯一具有固碳作用的再生能源，在世界范圍內發展生物質能源已成為調整能源結構、減少溫室氣體排放、實現低碳農業經濟可持續發展的重要措施[2]。農作物秸稈作為重要的生物質能源，須要從國家戰略高度實施綜合開發利用。實現農作物秸稈的生態轉化不僅降低能源成本，還有利于工業、農業和農村經濟的合理發展，同時能減輕秸稈焚燒造成的環境污染。本研究分析了我國農作物秸稈的資源稟賦，比較了秸稈資源生態轉化技術，探討了國內外秸稈資源生態轉化的發展進程與制約因素，以期為實現秸稈資源的規?；锰峁﹨⒖肌?/p>

1我國農作物秸稈的資源稟賦

1.1農作物秸稈資源總量估算

我國農作物主要包括糧食作物和經濟作物，糧食作物秸稈有稻谷、小麥、玉米、高粱的秸稈；經濟作物秸稈有棉花、油料、豆類、薯類、蘆葦、芝麻、葵花、麻等的秸稈，其中稻谷、小麥、玉米的秸稈是3 大主要作物秸稈，約占秸稈資源總量的89%[3]。由于秸稈資源分布相對分散，國內學者對農作物秸稈資源量的估算多數建立在統計資料的基礎上，分別使用質量形態、能量形態、谷物當量3種方式測算我國秸稈資源量[3-10]（表1）。

農作物秸稈有多種生態轉化方式，作為肥料、基料、工業原料一般以質量形態反映其利用價值；而能源化和飼料化利用秸稈所儲存的能量價值，可以通過谷物當量或能量形態反映其實際價值。因此，本研究綜合了質量形態、谷物當量、能量形態3種方式分析了中國當前秸稈資源量。根據《2012年中國統計年鑒》[11]，選取王亞靜等研究中的谷草比[4]和蔡亞慶等研究中的折合標準煤系數[5]，估算2012年我國稻谷、小麥、玉米、油料、棉花、豆類、薯類、甘蔗等8類主要農作物秸稈資源總量共7.50億 t，折合標準煤3.88億 t。可以看出，我國秸稈資源量非常豐富，具有很大的開發潛力。

1.2農作物秸稈資源的空間分布

我國地域寬廣，不同地區農業氣候、種植制度、社會經濟條件存在很大差異，各地區的農作物秸稈種類和分布不同。本研究結合王曉玉等[12-13]對中國田間秸稈資源分布的相關研究，同時考慮秸稈資源分布區域的社會經濟特征和資源利用狀況，將我國秸稈資源按空間分為6大地區（表2）。

在經濟發達地區、地廣人稀的產糧地區和能源產區，秸稈資源豐富，秸稈作為生活能源進行燃燒的方式逐漸被商品能源取代，秸稈資源利用成本過高，農民容易獲得廉價的商品能源，在這些地區產生了大量的秸稈剩余，秸稈資源生態轉化潛力較大。在經濟欠發達地區、經濟落后地區、政治經濟中心，由于經濟相對落后或受到嚴格的法律法規約束，秸稈資源利用狀況良好。整體而言，中國各地秸稈資源量和秸稈資源利用表現出明顯的空間分異格局，秸稈資源量主要呈現出南北和東西差異，東部和北部地區的秸稈資源量高于西部和南部地區。

2秸稈資源生態轉化的技術比較

我國農作物秸稈作為食用菌栽培基料需求量較少；由于每年須要輪種多次和病蟲害等原因，秸稈作為肥料還田的比例較低；而秸稈的飼料化應用主要集中于部分地區和少數秸稈品種。因此，秸稈資源的原料化以及生物質能源化是秸稈生態轉化的重要途徑。

2.1農作物秸稈原料化利用的可行性

我國實施天然林保護工程后，木材原料供應更加缺乏，第表1不同形態的秸稈資源量計算公式

形態公式公式說明質量形態 Qi=Pi×C=Oi×Bi×C=Xi×Ai×Bi×CQi、Pi、Oi分別為作物i秸稈的理論資源量、可收集量、利用潛力；Ai、Bi、C分別為作物i秸稈的草谷比系數、可收集系數和利用率；Xi為作物i的年產量。谷物當量M=∑n′i=1R′iE谷=∑n′i=1X′i×A′i×B′i×C′i×D′iE谷

N=MF畜M為秸稈飼料化利用價值；E谷為谷物的能量轉化率；N為秸稈養畜利用能力；F畜為畜產品的谷物當量系數。能量形態R=∑ni=1Ri=∑ni=1Qi×Di=∑ni=1Xi×Ai×Bi×Ci×DiR為作物秸稈能量利用價值總量；Ri為作物i秸稈能量利用價值量；D為作物i秸稈的能量轉化率。

七次全國森林資源普查結果表明，我國現有森林資源的年合理供給量僅占需求量的40%[14]。人造板行業特別是非木質原料人造板行業實現了快速發展，農作物秸稈成為主要的替代原料。將農作物秸稈作為人造板原料，既可以解決廢物利用問題，又可以解決秸稈焚燒帶來的環境污染問題。

在技術上，我國已成功開發出麥秸刨花板、中密度稻草板、麥秸纖維板、草/木復合中密度纖維板、軟質秸稈板、秸稈/塑料復合材料等多種秸稈人造板產品[15]。另外，農作物秸稈還可以應用在墻體材料領域，將農作物秸稈與水泥基材料混合加工成建筑板，使得建筑墻體導熱系數和密度有較大程度下降。但目前國內秸稈人造板尚未形成規?；a，主要原因是秸稈人造板技術還不成熟，加工的板材性能不穩定，同時加工成本過高，與木質人造板相比競爭優勢不足。

2.2農作物秸稈能源化利用的可行性

農作物秸稈的主要成分是CO和碳氫化合物，2 t秸稈約相當于1 t標準煤的熱值，而含硫量僅為煤炭的1/3。張海清等采用熱分析系統，對農作物秸稈、石油、煤炭進行了比較，結果表明農作物秸稈具有揮發分含量大、灰分低、含碳量少、含硫量低的特點，特別是玉米秸稈中硫的含量為零，因而秸稈生物質有良好的燃燒特性，農作物秸稈作為生物質能源對環境造成的污染遠小于化石燃料[16]。農作物秸稈的能源化利用在秸稈生態轉化方面具有優勢，秸稈能源化利用主要包括秸稈氣化、秸稈固化、秸稈發電3種形式。

2.2.1秸稈氣化秸稈氣化分為2種，一是通過秸稈缺氧燃燒，產出以CO為主要成分的可燃氣體；二是通過秸稈搭配人畜糞在厭氧條件下發酵，產生甲烷為主要成分的可燃氣體[17]。我國推廣沼氣發酵技術已有40多年歷史，目前沼氣發酵技術已經相當完善，秸稈沼氣集中供氣技術具有熱值高、效益高、無污染的特點，具有廣闊的應用前景[18]。沼氣燃燒的熱效率比城市煤氣高出40%，且能源轉化效率高，因此從環境效益看，秸稈沼氣能源化利用在生產、輸送、使用中，能顯著減少溫室氣體和其他有害氣體的排放。

2.2.2秸稈固化秸稈固化是用專門的壓塊機通過特殊工藝，將秸稈壓制成塊狀、棒狀或粒狀固體燃料，其體積縮小，這不僅為秸稈能源化利用開辟了商業化、產業化途徑，也可以將固化秸稈用于發電[19]。秸稈固體成型燃料技術生產工藝和設備簡單，易于操作且成本較低，加工生產的固體成型燃料熱效率高、燃燒性能好、便于貯運、易于實現產業化生產和大規模使用，可滿足農村居民炊事、取暖用能需求，可為城鎮社區區域供熱提供清潔燃料，還可用于溫室大棚和園林花卉暖房保溫取暖。

2.2.3秸稈發電秸稈發電分為秸稈氣化發電和秸稈燃燒發電，秸稈氣化發電工程復雜，難以大規模產業化利用，秸稈直接燃燒發電是實現規模化應用的途徑。中國的生物質資源豐富且儲量巨大，發展秸稈發電是一種實現環境優化與資源約束的雙贏選擇。推廣秸稈發電是鼓勵農民種糧、增加農民收入的一項重要舉措。建立秸稈發電項目有助于增加地方政府財政收入，提高勞動就業率，帶來很好的經濟效益，同時利用秸稈燃燒發電供熱可以減少二氧化硫排放，具有較好的生態效益。

3國內外秸稈資源生態轉化的發展進程與制約因素

3.1國內外秸稈工業化、能源化利用的發展進程

國外進行農作物秸稈資源的生態轉化已有較長歷史，技術較為成熟，很多國家已達到機械設備配套齊備的現代化水平。表3從農作物秸稈資源的原料化和能源化利用2個方面，將我國和發達國家的秸稈資源生態轉化發展進程進行對比，發現我國在秸稈生態轉化技術水平和產業規模程度方面，離大規模的商業化利用還有很大差距。

3.2農作物秸稈資源生態轉化的制約因素

要實現秸稈規?；帽仨毧紤]秸稈資源密度，農作物秸稈密度較低的資源屬性是其大規模能源化利用的主要制約表3國內外秸稈生態轉化方式的發展進程

利用方式發展進程國內國外原料化

利用秸稈

人造板20世紀70年代開始研究秸稈人造板技術，20世紀90年代開始水稻秸稈人造板的工業化生產。2003年上海市建成首個以小麥秸稈、玉米秸稈為原料的人造板生產線。目前我國已建有6條1.5萬 m3/年的秸稈板生產線，4條5萬 m3/年的秸稈板生產線，10余條秸稈建筑材料生產線，初步形成了農作物秸稈材料產業。瑞典Daproma公司、美國Prime Board公司、加拿大Isobord公司建成較大規模麥稈刨花板生產線。20 世紀 90 年代后期，國外以異氰酸酯（MDI）作為膠粘劑生產秸稈板取得成功。1998年加拿大建成18萬 m3/年秸稈板生產線。能源化

利用秸稈氣化我國已有1 300萬個戶用沼氣池，建成多個大型沼氣發酵工程。集中供氣和戶用氣化爐產品已進入實用化試驗及示范階段，可用于生產、生活用能、發電、干燥、供暖等領域。美國Battle 生物質氣化發電示范項目達到世界先進水平，可大規模發電。奧地利擁有裝機容量為1～2 MW的區域供熱站90座。德國已建成近7 000家沼氣電廠，技術世界領先。秸稈固化20 世紀90 年代后期，國內開始借鑒發達國家農作物秸稈固化成型的先進技術和設備，研制適合中國國情的秸稈固化加工裝備。20 世紀70年代，法國、德國、意大利等國相繼建成一批生物質顆粒成型燃料生產廠。丹麥成功建立第1座生物質固化成型燃料發電廠。2010年德國與瑞典合作建成年產量75 萬 t的世界上最大生物質顆粒燃料工廠。農作物秸稈固化成型燃料的用途從生活燃料轉向了工業化應用，在供暖、干燥、發電等領域廣泛應用。秸稈發電2005年河北省晉州市建成首個秸稈生物燃料發電廠。生物質發電廠被列入國家級示范項目，但核心技術領域缺少自主知識產權，產業化和 商業化轉化程度低，發電運營成本高。1989年丹麥建成世界上第1座全部燃用秸稈的Haslev熱電廠，丹麥約有60個供暖廠用秸稈作原料，能源使用率達到85%～90%。西班牙的圣硅沙秸稈電廠于2002年6月并網發電。歐洲秸稈發電技術和裝置已達商業化應用程度，實現規?；a業經營。

因素[5]。作為秸稈人造板工業原料，我國能夠實現規模經濟效應的地區包括河北省、山東省、河南省、江蘇省、安徽省等，這些省份秸稈可收集量大于150萬 t，且秸稈資源密度較高，是實現秸稈資源工業化利用的主要區域。東北地區、華南地區、長江中下游地區是秸稈能源化利用的可行區域，適宜建立年產量5萬 t以上的秸稈固化企業和較大規模的秸稈發電企業，而西藏和黃土高原等地區的秸稈資源密度較低，不適宜秸稈資源的規模利用。

企業管理與技術創新也是制約秸稈資源生態轉化的重要因素。在秸稈禁燒、秸稈收集-存貯-運輸困難的約束下，企業須要解決秸稈貯運成本過高、技術水平較低、產品競爭力低下的問題。同時，企業要利用好政府的優惠政策，提高企業核心技術水平，綜合考慮秸稈資源生態轉化的經濟效益、社會效益、生態效益，實現秸稈資源的工業化、能源化利用。

最后，農作物秸稈生態轉化的現有政策制度設計和監督實施缺陷須要改進。近幾年國務院制訂了《關于加快推進農作物秸稈綜合利用的意見》《關于“十二五”農作物秸稈綜合利用實施方案》《關于加強農作物秸稈綜合利用和禁燒工作的通知》等政策法規，然而現有政策在實踐中并未得到有效實施。應針對政策制訂者、執行者和接受者的策略行為進行分析，探討政策失效的內部、外部原因，理順政府生態公益性訴求、企業利潤最大化訴求與農戶短期利益訴求三者的關系，結合我國現行的制度安排和政策設計的“屬地”特征缺陷，為政策制訂的預期效果和社會效應提供預警與監管的科學指導。

4結論與展望

農作物秸稈資源作為一種可再生的清潔能源，是生物質能源的重要組成部分，眾多學者對秸稈資源量估算方法和具體測算進行了研究。本研究估算出2012年我國主要農作物秸稈資源總量共7.50億 t，折合標準煤3.88億 t。中國各地秸稈資源量和秸稈資源利用表現出明顯的空間分異格局，東部和北部地區的秸稈資源量高于西部和南部地區，該地區生態轉化潛力較大。

秸稈資源的環境友好性是受到關注的重要原因，減少資源浪費和降低霧霾污染是重大國策，秸稈資源的生態轉化已經受到世界各國的高度重視。農作物秸稈資源原料化利用能夠減少森林資源消耗，緩解木材供需矛盾；農作物秸稈能源化利用可以補充化石燃料的不足，具有很大的社會效益和經濟效益。因此，秸稈資源的原料化利用和能源化利用尚須考慮以下2個問題：首先，我國各地秸稈資源在空間上呈現出顯著的區域屬性，主要集聚在東北、華北、長江中游平原，各區域社會經濟發展存在差異，應選擇適合區域經濟發展特征的生態轉化方式；其次，秸稈資源生態轉化方式選擇上要結合我國國情，北美、北歐等地區農業規?；洜I程度較高，森林資源豐富，而我國林業資源匱乏且原料收集成本過高，因此須要進一步研究我國農作物秸稈生態轉化的困境，實現從秸稈資源-空間分散到工業化集中利用的生態轉化目標。

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