四川省秸稈資源肥料化與能源化利用潛力及生態(tài)足跡分析

陳煬，王麗霞，楊毅，王軍英，孫魯翔，楊孝廣，邵蕾

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院，山東煙臺(tái) 264670；2.煙臺(tái)市牟平區(qū)畜牧獸醫(yī)站，山東煙臺(tái) 264100）

伴隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)規(guī)模化、集約化與產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，農(nóng)業(yè)廢棄物的產(chǎn)生量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)［1］。2015年底，全國(guó)農(nóng)作物秸稈可收集資源量達(dá)9億t［2］。但由于我國(guó)秸稈資源分布零散、體積龐大且運(yùn)輸收集成本較高，導(dǎo)致秸稈出現(xiàn)過(guò)剩問(wèn)題，農(nóng)民在田間焚燒秸稈的現(xiàn)象屢禁不止［3］。2017年農(nóng)業(yè)部制定了《開(kāi)展果菜茶有機(jī)肥替代化肥行動(dòng)方案》，提出要以果菜茶生產(chǎn)為重點(diǎn)，實(shí)施有機(jī)肥替代化肥，推進(jìn)資源循環(huán)利用。我國(guó)農(nóng)業(yè)部發(fā)布的《全國(guó)農(nóng)村沼氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中顯示，2015年我國(guó)農(nóng)作物可供沼氣生產(chǎn)利用的秸稈資源量約1.8億t，沼氣生產(chǎn)潛力約為500億m3。據(jù)韋茂貴等的研究，四川省年均秸稈產(chǎn)量為3 517.41萬(wàn) t（2007—2009年），占全 國(guó) 的5.4%［4］。劉培川等［5］的研究指出，2015年全年四川省共發(fā)生14次秸稈大面積集中焚燒污染，共計(jì)48天，焚燒期間PM2.5平均濃度為77.5μg／m3，超過(guò)國(guó)家二級(jí)年平均標(biāo)準(zhǔn)濃度 （35μg／m3）1.2倍，秸稈焚燒對(duì)全省PM2.5貢獻(xiàn)比例為3.11%。因此，判斷四川省秸稈利用方式的合理性，促進(jìn)秸稈的肥料化、能源化利用具有實(shí)際意義。本研究根據(jù)《四川統(tǒng)計(jì)年鑒2019》中農(nóng)作物產(chǎn)量概算出各地級(jí)市秸稈資源量，并通過(guò)秸稈的養(yǎng)分含量系數(shù)和原料產(chǎn)氣率估算作物秸稈肥料化及能源化利用潛力，結(jié)合能值理論，分析生態(tài)足跡特征，為秸稈肥料化、能源化綜合利用及不同利用方式下秸稈生態(tài)足跡分析提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

《四川統(tǒng)計(jì)年鑒2019》顯示，2018年四川省稻谷、小麥、玉米、豆類(lèi)、薯類(lèi)的產(chǎn)量之和占糧食作物總產(chǎn)量的98.89%，花生、油菜籽的產(chǎn)量之和占油料作物總產(chǎn)量的99.27%。因此本文選取這7種主要農(nóng)作物（稻谷、小麥、玉米、豆類(lèi)、薯類(lèi)、花生、油菜籽）作為研究對(duì)象。

1.2 參數(shù)確定

1.2.1 秸稈資源量的計(jì)算 秸稈的資源量由作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量乘以草谷比計(jì)算獲得。草谷比是指作物田間秸稈產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量之比，即作物副產(chǎn)品與主產(chǎn)品產(chǎn)量之比。據(jù)王亞靜等［6］的研究，由于秸稈在收集、儲(chǔ)運(yùn)等過(guò)程中會(huì)發(fā)生損耗，因此在計(jì)算秸稈可收集利用量時(shí)應(yīng)引入可收集利用系數(shù)。秸稈可收集資源總量計(jì)算公式如下：

式中，Qn表示當(dāng)年n種農(nóng)作物田間秸稈可收集資源總量；Ai表示當(dāng)年i作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量；ki表示i作物相應(yīng)的草谷比，取值根據(jù)文獻(xiàn)［7］、［8］；ci表示i作物相應(yīng)的可收集系數(shù)，取值根據(jù)文獻(xiàn)［9］、［10］。各種作物的可收集系數(shù)和草谷比見(jiàn)表1。

表1 各種農(nóng)作物秸稈可收集系數(shù)和草谷比

1.2.2 秸稈肥料化利用 秸稈養(yǎng)分含量系數(shù)（干基）參考《中國(guó)有機(jī)肥料養(yǎng)分志》［11］（表2）。由作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量乘以草谷比獲得的秸稈可收集利用量為鮮基質(zhì)量，計(jì)算養(yǎng)分含量時(shí)需根據(jù)秸稈的干物質(zhì)含量將秸稈鮮基質(zhì)量折算為干基質(zhì)量［12］。

表2 秸稈干物質(zhì)含量及養(yǎng)分含量系數(shù)（烘干基） （%）

1.2.3 秸稈能源化利用 秸稈產(chǎn)沼氣潛力為秸稈干物質(zhì)含量與原料產(chǎn)氣率的乘積，原料產(chǎn)氣率參考王藝鵬等［12］的研究結(jié)果（表3）。

表3 秸稈原料產(chǎn)氣率及熱值

1.2.4 秸稈生態(tài)足跡分析 基于能值理論，選取四川省秸稈量最大的3種農(nóng)作物（稻谷、玉米、油菜籽）作為研究對(duì)象，將不同能量流通過(guò)能值轉(zhuǎn)換率換算成太陽(yáng)能值，利用能值密度將不同利用形式的太陽(yáng)能值折算成對(duì)應(yīng)的生物生產(chǎn)性土地面積，計(jì)算出研究區(qū)域內(nèi)的生態(tài)足跡和生態(tài)承載力［13］。

秸稈能值依據(jù)其能量折算系數(shù)和太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)換率計(jì)算得出，其計(jì)算公式如下：

式中，E為作物秸稈的能值（sej）；S表示作物秸稈的可收集量（t）；Cv為秸稈能量折算系數(shù)，即熱值（J／t），本研究采用的不同作物秸稈熱值（表3）見(jiàn)參考文獻(xiàn)［8］；t為秸稈能值轉(zhuǎn)換率，據(jù)程曼等［13］的研究，其值取 3.46×104sej／J。

四川省某種作物的秸稈人均生態(tài)承載力由下式計(jì)算得出：

式中，Ec表示四川省某種作物秸稈的人均生態(tài)承載力（hm2）；Ea為四川省人均消耗該種秸稈的能值（sej），由該種作物秸稈的能值除以四川省農(nóng)業(yè)人口數(shù)量得出；ρ1表示全國(guó)該種作物秸稈的能值密度（sej／hm2）；Eb表示該種作物秸稈的能值（sej），s為全國(guó)該種作物的播種面積（hm2）。

四川省某種作物秸稈不同利用方式的人均生態(tài)足跡由下式計(jì)算得出：

式中，Ef為四川省某種作物秸稈不同利用方式的人均生態(tài)足跡（hm2）之和；i表示秸稈利用方式種類(lèi)；ei為四川省第i種利用方式的人均秸稈能值（sej），由四川省人均消耗該種作物秸稈的能值（sej）乘以第i種利用方式所占的比例得出；ρ2為四川省該種農(nóng)作物秸稈的能值密度（sej／hm2），由四川省該種農(nóng)作物秸稈的能值（sej）除以播種面積（hm2）而得。

人均生態(tài)赤字／盈余由人均生態(tài)承載力減去人均生態(tài)足跡得出。

2 結(jié)果與分析

2.1 四川省各地級(jí)市（自治州）秸稈資源量以及肥料化和能源化利用潛力分析

2.1.1 秸稈資源量分析 2018年四川省7種主要農(nóng)作物產(chǎn)生的秸稈總量為3 038.74萬(wàn)t（表4），其中稻谷、小麥、玉米、豆類(lèi)、薯類(lèi)、花生、油菜籽秸稈資源量分別占四川省秸稈總量的29.99%、6.95%、32.67%、3.40%、6.37%、2.27%、18.34%。21地市（自治州）中秸稈資源量前3位為南充市、達(dá)州市、綿陽(yáng)市，分別為 282.66萬(wàn)、268.76萬(wàn)、248.31萬(wàn) t，分別占四川省秸稈資源總量的9.30%、8.84%、8.17%；南充市小麥、玉米、花生秸稈資源量最大，分別為 20.91萬(wàn)、98.28萬(wàn)、11.45萬(wàn)t，分別占全省小麥、玉米、花生秸稈資源量的 9.90%、9.90%、16.57%；綿陽(yáng)市油菜籽秸稈資源量最大，為68.64萬(wàn)t，占全省油菜籽秸稈資源量的12.32%。

表4 四川省各地市秸稈資源肥料化和能源化利用潛力

2.1.2 秸稈肥料化利用分析 為計(jì)算秸稈的肥料化利用經(jīng)濟(jì)效益，將作物秸稈中的氮、磷、鉀折算成尿素（46-0-0）、過(guò)磷酸鈣（0-12-0）、硫酸鉀（0-0-50），按照尿素 1 600元／t、過(guò)磷酸鈣1 000元／t、硫酸鉀3 000元／t，計(jì)算秸稈還田可替代化肥的經(jīng)濟(jì)效益；并根據(jù)《NY525—2012有機(jī)肥料》中規(guī)定的有機(jī)質(zhì)含量≥45%、水分含量≤30%來(lái)計(jì)算秸稈折算成有機(jī)肥的量。通過(guò)計(jì)算秸稈肥料化所替代的化肥和有機(jī)肥的量分析秸稈肥料化潛力。

四川省秸稈總氮（N）量、總磷（P2O5）量和總鉀（K2O）量分別為25.83萬(wàn)、3.67萬(wàn)、41.28萬(wàn) t，折算成尿素、過(guò)磷酸鈣、硫酸鉀的量分別為56.16萬(wàn)、30.57萬(wàn)、82.56萬(wàn) t；有機(jī)質(zhì)總量為 2 105.59萬(wàn)t，折算成有機(jī)肥的量為6 684.41萬(wàn)t；秸稈還田可減少化肥投入36.81億元。秸稈中有機(jī)質(zhì)折算成有機(jī)肥的量占前3位的是南充市、達(dá)州市和綿陽(yáng)市，分別為 624.45萬(wàn)、586.81萬(wàn)、549.63萬(wàn)t，分別占四川省有機(jī)肥折算總量的 9.34%、8.78%、8.22%。達(dá)州市、南充市和綿陽(yáng)市秸稈還田代替化肥的經(jīng)濟(jì)折算分別為3.41億、3.37億、2.84億元，分別占四川省經(jīng)濟(jì)折算總量的9.26%、9.16%、7.72%（表4）。

2.1.3 秸稈沼氣潛力分析 2018年四川全省沼氣潛力總計(jì)132.53×108m3（表4）。根據(jù)每立方米沼氣的燃燒值相當(dāng)于0.71 kg標(biāo)準(zhǔn)煤測(cè)算［14］，相當(dāng)于940.96萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤。21地市中沼氣潛力前3位為南充市、達(dá)州市、綿陽(yáng)市，分別為12.39×108、11.55×108、10.90×108m3，分別占四川省沼氣總潛力的 9.35%、8.72%、8.22%；阿壩藏族羌族自治州沼氣潛力最小（0.56×108m3），占四川省沼氣總潛力的0.42%。

2.2 秸稈人均生態(tài)足跡和生態(tài)承載力分析

據(jù)《四川省十三五秸稈綜合利用規(guī)劃（2016—2020年）》，2018年四川省秸稈資源主要用于秸稈還田、飼料化、能源化、基料化、原料化等幾個(gè)方面，分別占秸稈資源總量的44.00%、17.20%、14.77%、5.20%、4.10%。不同利用方式下，3種秸稈的生態(tài)足跡均表現(xiàn)為秸稈還田＞飼料化＞能源化＞其它＞基料化＞原料化（表5）。3種秸稈類(lèi)型中，稻谷秸稈的人均生態(tài)足跡和人均生態(tài)承載力均最大，分別為3.201×10-2、3.596×10-2hm2；稻谷、油菜籽秸稈產(chǎn)生生態(tài)盈余，分別為0.395×10-2、0.384×10-2hm2；玉米秸稈產(chǎn)生生態(tài)赤字，為-0.192×10-2hm2。

表5 四川省秸稈不同利用方式的生態(tài)足跡 （×10-2 hm2）

3 討論與結(jié)論

3.1 秸稈肥料化利用潛力分析

2018 年四川省主要農(nóng)作物秸稈可收集利用量總計(jì) 3 038.74萬(wàn) t，折算成有機(jī)肥的量為6 684.41萬(wàn) t，秸稈還田可減少化肥投入 36.81億元。南充市、達(dá)州市和綿陽(yáng)市秸稈折算有機(jī)肥的量和替代化肥的經(jīng)濟(jì)折算量均處于全省前3位。秸稈還田不僅可以減少化肥投入、提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，還可減少溫室氣體排放、降低環(huán)境污染［17］。四川省秸稈資源豐富，可通過(guò)規(guī)范秸稈機(jī)械化粉碎還田技術(shù)、加大對(duì)秸稈還田的補(bǔ)貼、完善農(nóng)機(jī)配套、推進(jìn)秸稈肥料商品化等措施來(lái)促進(jìn)秸稈還田，實(shí)現(xiàn)秸稈資源的循環(huán)利用［18］。

3.2 秸稈能源化利用潛力分析

四川省2018年全年沼氣潛力為132.53×108m3，相當(dāng)于940.96萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤。四川省農(nóng)業(yè)人口為5 850.30萬(wàn)人，每人可獲得沼氣資源226.54 m3，相當(dāng)于160.84 kg標(biāo)準(zhǔn)煤。四川省秸稈沼氣潛力前3位分別為南充市、達(dá)州市、綿陽(yáng)市。四川省可充分利用秸稈資源，以農(nóng)村沼氣轉(zhuǎn)型升級(jí)為契機(jī)，科學(xué)開(kāi)展規(guī)模化生物天然氣工程建設(shè)［19］；應(yīng)因地制宜，針對(duì)秸稈資源集中區(qū)域，可重點(diǎn)采用秸稈沼氣集中供氣工程的發(fā)展模式；對(duì)于秸稈分散的區(qū)域，可考慮重點(diǎn)發(fā)展秸稈基料化與氣化相結(jié)合技術(shù)模式或者秸稈-沼氣-農(nóng)業(yè)基地等循環(huán)農(nóng)業(yè)模式［20］。

3.3 生態(tài)足跡分析

四川省3種主要作物秸稈利用呈現(xiàn)生態(tài)盈余，人均總生態(tài)足跡為8.458×10-2hm2，人均總生態(tài)承載力為9.044×10-2hm2，人均總生態(tài)盈余為0.587×10-2hm2。這說(shuō)明四川省主要作物秸稈的整體利用方式比較合理。3種作物秸稈類(lèi)型中，玉米秸稈利用產(chǎn)生生態(tài)赤字，稻谷、油茶籽秸稈則均產(chǎn)生生態(tài)盈余。這說(shuō)明四川省稻谷、油菜籽秸稈利用處于其生態(tài)系統(tǒng)的承載能力之內(nèi)，存在一定程度的秸稈消納空間；而玉米秸稈利用的生態(tài)足跡偏大，超出了其生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)承載力，說(shuō)明玉米秸稈的利用方式存在一定程度上的不合理。當(dāng)?shù)貞?yīng)該整體加大玉米秸稈還田的比例，促進(jìn)玉米秸稈肥料化、能源化利用，同時(shí)減少玉米秸稈的焚燒比例，從而使玉米秸稈利用產(chǎn)生生態(tài)盈余。各地級(jí)市需因地制宜，根據(jù)實(shí)際情況，合理安排“五料化”利用的優(yōu)先時(shí)序，從而真正實(shí)現(xiàn)秸稈資源的高效循環(huán)利用［21］。