湖北省農作物秸稈焚燒釋放碳量的估算

龔世飛 郭元平 葉青松

摘要：為明確湖北省主要農作物秸稈露天燃燒碳排放強度，根據2009—2017年湖北省的主要農作物產量、草谷比，估算了主要農作物的秸稈產量，結合秸稈露天焚燒比例計算了湖北省2009—2017年主要農作物秸稈露天焚燒量，進一步依據相關排放因子得出CO和CO2的排放量及碳排放總量。結果表明，湖北省農作物年平均秸稈產量達到32.65×106 t;農作物秸稈露天焚燒量平均為7.01×106 t，約占作物秸稈總量的21.47%，其中水稻秸稈露天焚燒量占到農作物秸稈露天焚燒量的49.37%;農作物秸稈露天焚燒排放的CO和CO2總量平均每年分別為0.72×106 t和9.74×106 t;排放的總碳量平均每年為2.96×106 t，其中水稻、小麥、玉米和油菜秸稈露天焚燒釋放的總碳量分別為1.47×106、0.50×106、0.52×106和0.48×106 t。

關鍵詞：秸稈;農作物;露天焚燒;碳排放

中圖分類號：X511 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）06-0060-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.06.011 ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Estimation of carbon emission from burning of agricultural crop straw in Hubei province

GONG Shi-fei，GUO Yuan-ping，YE Qing-song，LAN Yu-mei，WANG Wei，XIAO Neng-wu

（Danjiangkou Reservoir of Shiyan Ecological Agriculture Institute/Shiyan Academy of Agricultural Sciences，Shiyan 442000，Hubei，China）

Abstract： In order to determine the carbon emission intensity from crop residue by open burning in field in Hubei province， based on date of crop yield from 2009 to 2017 in Hubei province， the major crop residues output were calculated according to the ratio of residue/grain. Combined with the proportion of straw open burning， the amount of straw open burning of main crops in Hubei province from 2009 to 2017 was calculated， and the total amount of CO and CO2 emissions and carbon emissions were further obtained according to relevant emission factors. The results showed that annually production of crop straw in Hubei province was about 32.65×106 t/a; The amount of openly burned straw in the field was about 7.01×106 t/a， which accounted 21.47% of the total production of crop straw， among them， the open burning amount of rice straw accounts for 49.37% of the open buring amount of crop straw. The total amount of CO and CO2 emitted by the open burning of crop straw was 0.72×106 t/a and 9.74×106 t/a， respectively; The total carbon emission was 2.96×106 t/a on average， and the total carbon emission from the open burning of rice， wheat， corn and rape straw was 1.47×106 t/a， 0.50×106 t/a，0.52×106 t/a，0.48×106 t/a， respectively.

Key words： straw; crops; open burning; carbon emission

生物質是全球最主要的可再生資源，每年植物經光合作用可固56 Gt CO2，產生170～200 Gt生物質[1，2]。農作物秸稈是十分常見的生物質類型，且數量巨大。作為世界第一秸稈大國，中國秸稈資源量約為9億t[3]，占世界總量的20%～30%[4]。合理利用秸稈資源，是保障中國農業和農村社會經濟實現可持續發展的必然要求[5]。然而，隨著農業現代化進程和農村能源結構改變，秸稈逐漸出現了區域性、季節性和結構性過剩，隨意廢棄和露天焚燒現象日益嚴重[6，7]。秸稈露天燃燒排放的大量CO、CO2、顆粒物和多環芳烴等有害氣體，不僅嚴重影響人體健康、導致區域性大氣污染[8，9]，而且會造成農業碳庫的剛性損失，對全球變暖產生直接作用。

湖北省地處華中，是中國重要的糧油生產區。隨著農作物產量的持續增加，秸稈產量同步提升，作物收獲季秸稈露天焚燒伴隨的一系列消極影響正引起社會越來越多的關注。前人關于湖北省農作物秸稈的研究主要集中在資源空間分布特征分析[10]、秸稈還田技術研究[11]、資源量化及定向利用潛力探討[12，13]等方面，針對農作物秸稈露天焚燒釋放碳量的研究鮮見報道。基于此，本研究根據全省主要農作物產量、草谷比、秸稈露天焚燒比例和碳排放因子，估算2009—2017年全省農作物秸稈資源量、露天焚燒量及釋放的CO、CO2量和碳釋放量，為明確年際間秸稈焚燒碳源變化規律提供數據支撐，為精準制定相關碳減排政策提供科學依據。

1 ?研究方法

1.1 ?農作物秸稈資源數量

目前，農作物秸稈資源量并未列入專項統計，其總量通常根據作物產量換算而來。根據2009—2017年《湖北省統計年鑒》獲得作物產量數據，然后利用草谷比計算得出秸稈總產量。由于水稻、小麥、玉米和油菜秸稈占湖北省秸稈總量的94%[10]，因此本研究以上述4種農作物為研究對象。草谷比則選用侯亞丹[13]的研究結果。

1.2 ?農作物秸稈露天焚燒量

影響作物秸稈露天焚燒的因素眾多，但最主要是農民的自發行為。本研究采用彭立群等[12]基于湖北省94個入戶調查的樣本結果，根據不同作物秸稈露天焚燒比例，確定湖北省農作物秸稈露天焚燒量。

1.3 ?碳釋放總量的確定

本研究秸稈焚燒中碳釋放只考慮CO和CO2氣體排放，不考慮其他形式的碳排放。CO和CO2氣體排放量通過秸稈焚燒CO、CO2排放因子（CO排放因子102.2 g/kg，CO2排放因子1 390.4 g/kg）[4，6]與秸稈焚燒量相乘獲得。碳釋放總量根據作物秸稈露天焚燒釋放CO和CO2的量進行計算，計算方法如下：

CE=0.27Eco+0.43Eco2

式中，CE為碳釋放總量（t）;Eco和Eco2分別表示秸稈焚燒釋放CO和CO2的量（t）;0.27和0.43分別為CO和CO2的含碳比例。

2 ?結果與分析

2.1 ?2009—2017年湖北省農作物秸稈產量

從表1可以看出，湖北省主要農作物秸稈總量隨著作物產量的變化基本保持上升趨勢，僅在2016年出現小幅回落。全省農作物秸稈資源總量從2009年的30.00×106 t增加到2017年的36.37×106 t，年平均產量約為32.65×106 t。水稻秸稈是湖北省農作物秸稈的最主要來源，其產量長期保持在全省農作物秸稈總產生量的55%左右。從作物秸稈產量變幅來看，玉米秸稈產量的增幅最為明顯，達到46.14%;其次是小麥，增幅為28.71%。水稻秸稈的產量在2009—2017年增加量最大，達到3 587.07 t，而油菜秸稈資源量在年際間的波動最為明顯，這反映了湖北省糧食作物產業的穩步提升。

2.2 ?2009—2017年湖北省農作物秸稈露天焚燒量

根據湖北省主要農作物秸稈產量和秸稈露天焚燒比例獲得2009—2017年全省農作物秸稈露天焚燒量（表2）。由表2可以看出，自2009年以來，湖北省農作物秸稈露天焚燒量增加了20.81%。每年秸稈露天焚燒量平均為7.01×106 t，約占農作物秸稈總量的21.47%，其中，水稻秸稈3.46×106 t、小麥秸稈1.18×106 t、玉米秸稈1.22×106 t、油菜秸稈1.14×106 t，分別約占農作物秸稈每年平均露天焚燒量的49.37%、16.83%、17.40%和16.26%。可以發現秸稈露天焚燒量與作物產量和秸稈產量變化趨勢一致，由于年際間作物產量、經濟發展水平、資源條件、氣候條件和農戶行為選擇的差異，導致秸稈露天焚燒的量各有不同。在4種主要農作物中，水稻秸稈的露天焚燒量與其他農作物秸稈露天焚燒總量相當，成為湖北省露天焚燒量最多的秸稈種類。

2.3 ?2009—2017年湖北省農作物秸稈露天焚燒排放CO、CO2量

根據2009—2017年湖北省農作物秸稈露天焚燒量，結合CO和CO2排放因子，估算出全省農作物秸稈露天焚燒釋放CO和CO2的排放總量（表3、表4）。2009—2017年湖北省農作物秸稈露天焚燒排放的CO和CO2總量平均每年分別為0.72×106 t和9.74×106 t，其中水稻秸稈露天焚燒排放的CO和CO2總量平均分別為0.35×106 t和4.82×106 t，分別約占總排放量的48.61%和49.49%;小麥秸稈露天焚燒排放的CO和CO2總量平均分別為0.12×106 t和1.64×106 t，分別約占總排放量的16.67%和16.84%;玉米秸稈露天焚燒排放的CO和CO2總量平均分別為0.13×106 t和1.70×106 t，分別約占總排放量的18.06%和17.45%;油菜秸稈露天焚燒排放的CO和CO2總量平均分別為0.12×106 t和1.58×106 t，分別約占總排放量的16.67%和16.22%。

2.4 ?2009—2017年湖北省農作物秸稈露天焚燒釋放的碳量

根據農作物秸稈露天焚燒釋放CO、CO2的量估算其碳釋放量（表5）。由表5可以看出，2009—2017年湖北省農作物秸稈露天焚燒釋放的總碳量平均每年為2.96×106 t，其中，水稻秸稈露天焚燒釋放的總碳量平均為1.47×106 t，約占總排放量的49.66%;小麥秸稈露天焚燒釋放的總碳量平均為0.50×106 t，約占總排放量的16.89%;玉米秸稈露天焚燒釋放的總碳量平均為0.52×106 t，約占總排放量的17.57%;油菜秸稈露天焚燒釋放的總碳量平均為0.48×106 t，約占總排放量的16.22%。

3 ?小結與討論

研究結果顯示，湖北省農作物秸稈資源量隨著農作物產量變化同步波動，至2017年，全省農作物秸稈資源總量約為3 637萬t。李繼福等[10]采用秸稈系數法得出湖北省2014年秸稈量為3 400萬t，侯亞丹[13]采用草谷比法得出湖北省2015年秸稈資源量為3 616萬t;本研究結果較其他學者略低，主要是因為本研究僅考慮了湖北省最主要的4種農作物秸稈資源，而忽略了其他作物生產伴隨的少量副產品。研究證實，水稻秸稈是湖北省最主要的農業生物質來源，占全省作物秸稈資源總量的49.37%，而小麥、玉米和油菜秸稈量則較為接近，與前人關于湖北省農作物秸稈產量的研究結果[10，13]基本吻合。

隨著農作物產量的逐步提升和勞動力的外出轉移，大量農作物秸稈被簡單處理和露天焚燒，造成巨大資源浪費和生態問題。本研究對湖北省農作物秸稈露天焚燒量以及其伴隨的碳排放量進行了估算，結果發現全省農作物秸稈每年露天焚燒量為7.01×106 t，約占作物秸稈總量的21.47%。石祖梁等[6]認為湖北省作物秸稈燃料化比例為16.39%，李飛躍等[14]研究表明湖北省農作物秸稈焚燒比例為20%左右，李繼福等[10]發現湖北省采取秸稈田間焚燒的農戶比例為22.3%，這些研究中關于湖北省農作物秸稈焚燒比例的論述與本研究結果相近。湖北省農作物秸稈露天焚燒年均CO、CO2的排放量分別為0.72×106 t和9.74×106 t，根據秸稈焚燒排放因子得出湖北省年均總碳排放量約為2.96×106 t，結合每噸標煤CO2排放因子，相當于3.91×106 t標煤釋放碳量。

此外，研究結果發現，在4種主要農作物秸稈中，水稻秸稈露天焚燒量、露天焚燒釋放的CO和CO2量以及碳釋放總量均接近全省的1/2;而小麥、玉米和油菜秸稈在露天焚燒量和碳釋放強度方面的表現均較為接近。這說明控制湖北省農作物秸稈露天焚燒的重點是水稻，由于湖北省內水稻種植區主要分布在荊州、襄陽、荊門、孝感和黃岡等地，因此，在上述地區進一步加大作物秸稈資源的合理轉化，對有效減少全省農業秸稈焚燒源碳排放具有重要意義。

本研究根據2009—2017年的統計數據和草谷比估算了湖北省作物秸稈量，再結合秸稈露天焚燒比例和秸稈燃燒排放因子估算了湖北省主要農作物秸稈排放的CO、CO2和總碳量，得出結論如下。

1）湖北省每年農作物秸稈產生量高達32.65×106 t，其中水稻秸稈產量最高，占全省農作物秸稈資源量的49.37%。

2）湖北省每年有約7.01×106 t農作物秸稈被露天焚燒，約占糧食作物秸稈總量的21.47%，這些作物秸稈露天焚燒排放到大氣中的CO、CO2的量每年分別達到0.72×106 t和9.74×106 t。

3）每年釋放的總碳量平均為2.96×106 t，水稻秸稈露天焚燒釋放的碳量平均為1.47×106 t，小麥為0.50×106 t，玉米為0.52×106 t，油菜為0.48×106 t。

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