2008—2017年江蘇省秸稈沼氣化潛力及其碳足跡分析

姜凱陽　王麗霞　龐力豪　張羽飛　邵蕾

摘要：利用秸稈系數（RF）法分析江蘇省2008—2017年秸稈沼氣產生情況，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能以及碳減排效果，以期為江蘇省推進農作物秸稈沼氣化利用，減少燃煤消費提供依據。研究結果表明，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，平均每年可替代標準煤13.37億kg，機會碳足跡年均為718.15萬t，可以達到減少溫室氣體排放并替代燃煤消費的目的。

關鍵詞：江蘇省;秸稈;沼氣化;碳足跡;碳排放量

中圖分類號： F323.22文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）07-0290-06

江蘇省作為我國的農業大省，2017年水稻和小麥播種面積分別達到22.38萬、24.13萬hm2[1]。大面積的水稻、小麥等主要農作物種植給江蘇省帶來大量的秸稈資源。《江蘇省人民代表大會常務委員會關于促進農作物秸稈綜合利用的決定》[2]第5條明確規定“鼓勵利用秸稈生物氣化（沼氣）、熱解氣化、固化成型及炭化等技術發展生物質能，合理安排利用秸稈發電項目”。中共中央、國務院印發的《鄉村振興戰略規劃（2018—2022年）》[3]，也提出“推進農林產品加工剩余物資源化利用，深入實施秸稈禁燒制度和綜合利用”的相關政策。陳利洪等對華東地區農業廢棄物資源潛力進行評估，得出華東地區秸稈資源量占全國總量的18.6%，秸稈沼氣開發潛力為125.2億m3[4]。秸稈作為潔凈的生物質能源，秸稈沼氣化亟待在農村進行進一步推廣。任繼勤等利用集成經驗模態分解（EEMD）和BP神經網絡（BPNN）預測我國秸稈產量并分析在秸稈綜合利用率達到80%時，可節約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者的研究對象。碳足跡作為定量評估溫室氣體排放量的標準，其相關研究受到許多學者的高度重視。張婷婷等對我國2011年秸稈沼氣碳足跡變化進行分析，若將焚燒和棄置亂用的秸稈進行沼氣發酵，將產生的沼氣直接燃燒，可減少3.5億t CO2排放[6];王藝鵬等對我國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]。因此農作物秸稈沼氣化利用可以提高農業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年主要農作物秸稈資源量及其沼氣化潛力，利用碳足跡計算的方法比較秸稈沼氣化利用和直接燃燒所產生的碳減排和節能效果，以期為江蘇省加強秸稈沼氣化利用，建設資源節約型、環境友好型社會提供依據。

1 數據來源與計算方法

1.1 數據來源

本研究根據江蘇省農作物種植結構選擇種植面積比例和產量占比具有優勢的9種作物（糧食作物：水稻、小麥、玉米、馬鈴薯、大豆;經濟作物：棉花、甘蔗、花生、油菜）作為秸稈資源量統計的研究對象。農作物種植數據來源于《江蘇省統計年鑒》中2009—2018年農作物種植面積和經濟產量的數據[1]。

1.2 江蘇省主要農作物秸稈資源量計算

1.4 碳足跡計算

碳足跡指某一產品或服務系統在其全生命周期內以CO2等價物來表示的碳排放總量[11]。碳足跡的核算具有多種標準，根據白偉榮等對碳足跡核算國際標準的整理[12]，采用聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）排放因子法進行碳足跡計算。本研究以秸稈直接燃燒和秸稈沼氣燃燒產生的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輸過程中產生的碳足跡組成，其中沼氣運輸過程中產生的碳足跡（Z）計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、氮氣、氫氣及硫化氫等氣體。根據張婷婷等的研究[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%進行計算，忽略其他氣體的影響。秸稈沼氣燃燒的公式如下：

2 結果與分析

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%。經濟作物中，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，江蘇省農作物秸稈資源總量中，糧食類作物的秸稈占主導地位，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，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種經濟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，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于0.714 kg 標準煤[14]，江蘇省10年秸稈沼氣化利用總共可折合標準煤8 101萬t;根據《江蘇省統計年鑒2018》計算2017年能源消費總量折合標準煤共31 430.41萬t，則2017年秸稈沼氣化利用理論上可節約全省2.66%的標準煤消費。

2.3 碳足跡分析

根據高利偉等的研究，江蘇省秸稈資源的主要利用方式為用作畜禽飼料、機械還田、用作燃料及其他用途[15]。根據江蘇省人民政府印發的《江蘇省農作物秸稈綜合利用規劃（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，本研究在分析碳足跡時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，計算其沼氣化潛力、可替代的標準煤和所替代標準煤的碳足跡;其中沼氣化利用可替代的標準煤為直接燃燒的秸稈沼氣化利用后所產沼氣的熱值折算的標準煤，所替代標準煤的碳足跡為標準煤燃燒的碳排放。

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;《江蘇省煤炭消費減量替代工作方案》[17]中提出鼓勵發展生物質能代替燃煤消費的政策。如果將直接燃燒的秸稈采用沼氣化利用，可替代13.37億kg/年標準煤，減少標準煤燃燒排放的二氧化碳達359.05萬t/年。

碳足跡是衡量碳排放的指標。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行沼氣燃燒碳足跡和沼氣運輸碳足跡之和。

由表9可知，江蘇省2008—2017年秸稈直接燃燒產生的碳足跡總量為7 315.39萬t;若這些直接燃燒的秸稈進行沼氣化利用，產生的總碳足跡為3 724.43萬t，其中，沼氣運輸過程中產生的碳足跡為47.12萬t，沼氣燃燒產生的碳足跡為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。

王藝鵬等根據機會成本提出機會碳足跡的概念，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準煤燃燒所減少的碳排放之和[7]，計算公式為

G=（E+C）-S。

式中：G為秸稈沼氣化利用的機會碳足跡，t;E為秸稈直接燃燒產生的碳足跡，t;C為秸稈沼氣燃燒所代替的標準煤的碳足跡，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年的機會碳足跡呈上升趨勢，2015年機會碳足跡最高，碳減排量為749.57萬t。

3 討論

本研究對江蘇省2008—2017年的秸稈資源總量和秸稈沼氣化潛力進行了估算，為江蘇省秸稈利用方式的轉變和優化提供參考依據。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%。根據劉昊一等的研究，江蘇省無錫市、常州市、淮安市、揚州市等地區水稻種植綜合比較優勢較大，水稻秸稈的產生量大，因此上述地區除加強燃料化利用外，還應重視對水稻秸稈資源以其他形式進行利用，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。

許多學者已經開始利用碳足跡分析的方法對生態補償機制的完善加以指導，而在秸稈綜合利用方面，進行碳足跡分析可以對秸稈沼氣化利用產生的環境效益進行評價，為推進沼氣建設提供依據。本研究通過對用于直接燃燒的秸稈沼氣化所產生的碳足跡進行分析，并計算直接燃燒的秸稈沼氣化利用后可產生的碳減排。相對于直接燃燒，秸稈沼氣化利用更有利于保護生態環境并節約能源。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標準煤，并減少標準煤燃燒產生的3 590.55萬t碳排放。

4 結論

2008—2015年江蘇省秸稈資源總量呈上升趨勢，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的標準煤燃燒。

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標準煤，[JP3]減少標準煤燃燒的碳排放達359.05萬t;機會碳足跡年均為718.15萬t，理論上10年總共可減少碳排放7 181.56萬t。

參考文獻：

[1]江蘇省統計局. 江蘇省統計年鑒[EB/OL]. [2019-01-10]. http：//tj.jiangsu.gov.cn/col/col64418/index.html.

[2]江蘇省人民代表大會常務委員會. 江蘇省人民代表大會常務委員會關于促進農作物秸稈綜合利用的決定[J]. 江蘇農機化，2009（3）：4-5.

[3]新華社. 中共中央、國務院印發《鄉村振興戰略規劃（2018—2022年）》[J]. 農村工作通訊，2018（18）：8-35.

[4]陳利洪，舒幫榮，李 鑫. 華東地區農業廢棄物資源量估算及其綜合利用評價[J]. 江蘇農業科學，2018，46（13）：251-255.

[5]任繼勤，于佩顯. 秸稈綜合利用對節能減排的貢獻效應研究[J]. 科技管理研究，2017，37（18）：235-240.

[6]張婷婷，馮永忠，李昌珍，等. 2011年我國秸稈沼氣化的碳足跡分析[J]. 西北農林科技大學學報（自然科學版），2014，42（3）：124-130.

[7]王藝鵬，楊曉琳，謝光輝，等. 1995—2014年中國農作物秸稈沼氣化碳足跡分析[J]. 中國農業大學學報，2017，22（5）：1-14.

[8]王雨辰，陳 浮，朱 偉，等. 江蘇省秸稈資源量估算及其區域分布研究[J]. 江蘇農業科學，2013，41（6）：305-310.

[9]馮 蕾. 江蘇省秸稈資源評價與規模化能源利用發展研究[D]. 南京：南京農業大學，2010.

[10]李 雪，張 欣，葛長明，等. 不同秸稈厭氧發酵產沼氣潛力研究[J]. 江蘇農業科學，2016，44（6）：496-499.

[11]王 微，林劍藝，崔勝輝，等. 碳足跡分析方法研究綜述[J]. 環境科學與技術，2010，33（7）：71-78.

[12]白偉榮，王 震，呂 佳. 碳足跡核算的國際標準概述與解析[J]. 生態學報，2014，34（24）：7486-7493.

[13]閆 豐，王 洋，杜 哲，等. 基于IPCC排放因子法估算碳足跡的京津冀生態補償量化[J]. 農業工程學報，2018，34（4）：15-20.

[14]中國統計局能源統計司. 中國能源統計年鑒2013[M]. 北京：中國統計出版社，2014.

[15]高利偉，馬 林，張衛峰，等. 中國作物秸稈養分資源數量估算及其利用狀況[J]. 農業工程學報，2009，25（7）：173-179.

[16]江蘇省人民政府. 省政府辦公廳關于印發江蘇省農作物秸稈綜合利用規劃（2010—2015年）的通知[EB/OL]. （2010-01-21）[2019-01-10]. http：//www.jiangsu.gov.cn/art/2010/1/21/art_46863_2681181.html.

[17]江蘇省人民政府. 關于印發江蘇省煤炭消費減量替代工作方案和江蘇省燃煤發電項目煤炭替代管理暫行辦法的通知[EB/OL]. （2016-01-18）[2019-01-10]. http：//fzggw.jiangsu.gov.cn/webpic/P020161230613425060987.pdf.

[18]朱 晶，李天祥，朱 玨. 江蘇省糧食增產的貢獻因素分解與測算（2004—2013年）——基于糧食內部種植結構調整的視角[J]. 華東經濟管理，2015，29（3）：11-16.

[19]劉昊一，凌小燕，馬 聰，等. 江蘇省主要農作物種類分布研究[J]. 中國農機化學報，2017，38（12）：108-117.