龐力豪，王麗霞，姜?jiǎng)P陽(yáng)，張羽飛，邵蕾

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院，山東煙臺(tái)264670）

　　摘要：農(nóng)作物秸稈不合理利用不僅會(huì)造成大量資源浪費(fèi)，而且直接焚燒產(chǎn)生的溫室氣體嚴(yán)重破壞大氣環(huán)境。本文對(duì)山東省2017年17個(gè)地級(jí)市農(nóng)作物種植情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，概算出山東省主要農(nóng)作物的秸稈資源總量。評(píng)估秸稈肥料化對(duì)于補(bǔ)充土壤N、P、K及有機(jī)質(zhì)含量的效果；構(gòu)建秸稈沼氣化利用及碳排放數(shù)學(xué)模型，計(jì)算秸稈沼氣化潛力，對(duì)其燃燒利用后的碳排放量進(jìn)行評(píng)估，為秸稈沼氣化碳減排工作提供參考依據(jù)。結(jié)果表明，山東省2017年秸稈資源總量為6433.66×10⁴t，肥料化還田的秸稈養(yǎng)分可替代64.77×10⁴t的尿素，34.16×10⁴t的過磷酸鈣和81.02×10⁴t硫酸鉀，可補(bǔ)充土壤有機(jī)質(zhì)835.50×10⁴t；秸稈沼氣化潛力為17288.25×10⁵m³，折合標(biāo)準(zhǔn)煤1.23×10⁶t，較秸稈直接焚燒減少240.43×10⁴t碳排放量。

　　農(nóng)作物秸稈作為一種生物質(zhì)資源可以進(jìn)行腐熟還田，也是產(chǎn)沼氣的優(yōu)質(zhì)原料。2015年我國(guó)主要農(nóng)作物秸稈資源量為7.19×10⁸t[1]，但由于處理方法不當(dāng)，田間焚燒和廢棄等未利用的秸稈卻達(dá)到2.15×10⁸～3.14×10⁸t，占秸稈總量的30%～44%[2]。秸稈焚燒不僅產(chǎn)生大量CO、NO_x、PAHs等對(duì)人體有害物質(zhì)，而且產(chǎn)生的CO₂和固體煙塵顆粒物嚴(yán)重污染大氣，造成巨大的環(huán)境負(fù)擔(dān)。

　　合理開發(fā)秸稈資源對(duì)于我國(guó)發(fā)展生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)及可再生能源事業(yè)具有重要意義。《山東省農(nóng)作物秸稈綜合利用試點(diǎn)工作方案》中指出：形成秸稈肥料化、飼料化、燃料化、基料化、原料化“五化并舉”的綜合利用格局。構(gòu)建秸稈綜合利用長(zhǎng)效機(jī)制，改善農(nóng)村環(huán)境，帶動(dòng)農(nóng)民增收，推進(jìn)資源節(jié)約、環(huán)境友好現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展[3]。本文通過山東省農(nóng)作物產(chǎn)量概算出主要農(nóng)作物秸稈資源總量；通過對(duì)秸稈肥料化及沼氣化研究，計(jì)算秸稈肥料化補(bǔ)充土壤N、P、K及有機(jī)質(zhì)的效果和沼氣化利用的潛力。對(duì)秸稈沼氣化利用后的碳排放量進(jìn)行量化，同秸稈直接焚燒產(chǎn)生的碳排放量進(jìn)行比較，計(jì)算秸稈沼氣化碳減排量，為山東省秸稈綜合利用提供參考依據(jù)。

　　1數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

　　1.1數(shù)據(jù)來(lái)源

　　本研究中山東省主要農(nóng)作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)源自山東省統(tǒng)計(jì)局公布的《2018年山東省統(tǒng)計(jì)年鑒》[4]。結(jié)合山東省農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，本文選取11種主要農(nóng)作物為對(duì)象進(jìn)行研究：糧食作物（小麥、稻谷、玉米、谷子、豆類、薯類），油料作物（花生、油菜、芝麻），經(jīng)濟(jì)作物（棉花、煙葉）。

　　1.2研究方法

　　1.2.1秸稈資源概算

　　利用2017年山東省各地市主要農(nóng)作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)P和農(nóng)作物草谷比系數(shù)k，得出山東省主要農(nóng)作物秸稈資源總量R。

　　草谷比是農(nóng)作物單位面積秸稈產(chǎn)量與籽粒產(chǎn)量的比值[6]。我國(guó)幅員遼闊，不同地域環(huán)境作物的草谷比不同。通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的比較分析，結(jié)合山東省地域特點(diǎn)，本文采用謝光輝等[7]和王曉玉等[8]統(tǒng)計(jì)的主要農(nóng)作物草谷比的平均值作為草谷比系數(shù)（表1）。

　　1.2.2秸稈肥料化

　　利用草谷比系數(shù)計(jì)算農(nóng)作物秸稈資源所得質(zhì)量為秸稈鮮基重[9]，通過秸稈鮮基重、干物質(zhì)率和各物質(zhì)含量計(jì)算秸稈所提供的N、P、K及有機(jī)質(zhì)的量。

　　本文整理了相關(guān)文獻(xiàn)[11]及《中國(guó)有機(jī)肥料養(yǎng)分志》[12]中對(duì)主要農(nóng)作物秸稈干物質(zhì)率，有機(jī)質(zhì)及N、P、K含量的測(cè)定結(jié)果（表2）。

　　根據(jù)楊艷華等[13]對(duì)還田秸稈有機(jī)碳在土壤中轉(zhuǎn)化分配的研究，秸稈還田后42%～79%有機(jī)碳被微生物分解以CO₂的形式通過土壤呼吸釋放到大氣中，不超過40%的還田秸稈碳會(huì)轉(zhuǎn)化為土壤活性炭被作物利用。同時(shí)隨著土壤團(tuán)聚體直徑增大，其轉(zhuǎn)化比例呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)。根據(jù)顧鑫等[14]利用δ¹³C法研究秸稈添加對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響表明，27.49%的秸稈碳會(huì)被土壤轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳利用，故本研究選取27.49%作為秸稈還田后秸稈有機(jī)碳在土壤中有效轉(zhuǎn)化率。

　　通過秸稈還田提供的N、P、K量折算可替代的尿素（46-0-0）、過磷酸鈣（0-12-0）和硫酸鉀（0-0-50）量，評(píng)估秸稈還田減少的化肥投入量。

　　1.2.3秸稈沼氣化

　　產(chǎn)沼系數(shù)指單位質(zhì)量的秸稈經(jīng)過生物發(fā)酵后可以產(chǎn)生的沼氣量。利用不同作物秸稈的干物質(zhì)率p以及產(chǎn)沼系數(shù)g，概算出山東省主要農(nóng)作物秸稈的沼氣產(chǎn)量G。

　　本文參照張婷婷等[16]對(duì)不同作物的產(chǎn)沼系數(shù)取值，具體見表3。

　　1.2.4碳排放

　　碳排放研究采用IPCC法對(duì)秸稈產(chǎn)沼直接燃燒進(jìn)行評(píng)估[17]。將秸稈在其加工、發(fā)酵、燃燒過程中直接或間接排放的全部溫室氣體轉(zhuǎn)換為CO₂當(dāng)量，作為本研究中的碳排放量C，計(jì)算公式如下：

　　本文參照韋茂貴等[19]所確定的作物秸稈折煤系數(shù)取值（表4）以及國(guó)家發(fā)改委能源研究所公布的標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒碳排放系數(shù)2.4567kg/kg（CO₂）[20]。

　　2統(tǒng)計(jì)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

　　2.1山東省主要農(nóng)作物秸稈資源分布

　　根據(jù)山東省2017年作物種植面積及草谷比系數(shù)取值（表1），計(jì)算山東省17個(gè)地市主要農(nóng)作物秸稈資源總量（表5）。2017年山東省秸稈資源總量為6433.66×10⁴t。山東省作為農(nóng)業(yè)大省，秸稈資源充足，豐富的秸稈資源是推動(dòng)山東省農(nóng)業(yè)發(fā)展肥料化、能源化的一大優(yōu)勢(shì)。

　　2017年山東省小麥和玉米的種植面積分別為4.08×10⁶hm²和4.00×10⁶hm²[4]，秸稈資源量分別為3318.50×10⁴t和2555.67×10⁴t，共占全省秸稈資源總量的91.3%。菏澤市與德州市秸稈資源量位居全省前兩位，分別為914.94×10⁴t和854.80×10⁴t，共占全省資源總量的27.5%。

　　2.2山東省主要農(nóng)作物秸稈肥料化利用分析

　　為落實(shí)《山東省秸稈綜合利用專項(xiàng)規(guī)劃（2014-2020年）》[21]，根據(jù)山東省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳及山東省農(nóng)業(yè)信息網(wǎng)[22]所公布的相關(guān)信息，2017年山東省作物秸稈綜合利用繼續(xù)按照“五化并舉”的綜合利用格局，具體分布比例如表6所示。其中肥料化利用包括機(jī)械化粉碎還田、生物腐熟還田、養(yǎng)畜消化還田等方式[23-24]，燃料化利用包括大型沼氣、生物質(zhì)發(fā)電和熱解氣化燃料化利用[25]。

　　根據(jù)表6以及本研究中所確定的山東省作物秸稈各營(yíng)養(yǎng)成分比例（表2），通過公式（2）計(jì)算2017年山東省主要農(nóng)作物秸稈肥料化效益（表7）。其中全省2017年秸稈肥料化后實(shí)際提升土壤有機(jī)質(zhì)835.50×10⁴t；補(bǔ)充土壤N、P、K29.79×10⁴t、4.11×10⁴t和40.50×10⁴t，可替代64.77×10⁴t尿素、34.16×10⁴t過磷酸鈣和81.02×10⁴t硫酸鉀。按尿素、過磷酸鈣以及硫酸鉀的價(jià)格每噸為2100元，780元和3000元計(jì)算，2017年山東省全省秸稈還田可減少38.7億元化肥投入。

　　2.3山東省主要農(nóng)作物秸稈沼氣產(chǎn)量分析

　　根據(jù)主要農(nóng)作物秸稈產(chǎn)沼系數(shù)（表3），計(jì)算2017年山東省主要農(nóng)作物秸稈沼氣化潛力（表8）。全省秸稈沼氣化利用可產(chǎn)生17288.25×10⁵m³沼氣。根據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)局能源統(tǒng)計(jì)司公布的《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》[20]，1m³的沼氣燃燒產(chǎn)生的熱值可替代0.714kg標(biāo)準(zhǔn)煤。2017年山東省主要農(nóng)作物秸稈沼氣產(chǎn)量可替代1.23×10⁶t標(biāo)準(zhǔn)煤。

　　2.4秸稈沼氣化利用碳排放量分析

　　根據(jù)主要農(nóng)作物秸稈折煤系數(shù)（表4）以及標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒碳排放系數(shù)計(jì)算碳排放量（表9）。2017年山東省秸稈燃料化利用比例為6.8%（表6），秸稈直接燃燒將向大氣中排放580.33×10⁴tCO₂當(dāng)量。經(jīng)沼氣化處理后碳排放量為339.90×10⁴tCO₂當(dāng)量，減少了240.43×10⁴t碳排放量，占直接燃燒CO₂排放量的41.42%。

　　3結(jié)論與討論

　　3.1 2017年山東省主要農(nóng)作物秸稈資源總量為6433.66×10⁴t。其中小麥、玉米秸稈量共占全省秸稈總量的91.3%。菏澤市、德州市以及聊城市秸稈資源量位居全省前三位，共占全省秸稈總量的37.5%。由于處理成本較高，農(nóng)作物秸稈仍存在廢棄或私自焚燒現(xiàn)象，禁燒工作壓力較大。若要提高秸稈資源化利用率，政府應(yīng)圍繞秸稈肥料化及燃料化等領(lǐng)域，推廣用量大、附加值高的秸稈綜合利用技術(shù)，不斷提升秸稈綜合利用產(chǎn)業(yè)化發(fā)展水平。

　　3.2 2017年山東省秸稈肥料化利用后可補(bǔ)充土壤有機(jī)質(zhì)835.50×10⁴t，可減少64.77×10⁴t尿素，34.16×10⁴t過磷酸鈣以及81.02×10⁴t硫酸鉀的化肥投入量。化肥施用過量不僅造成耕地質(zhì)量下降，而且破壞生態(tài)環(huán)境。秸稈肥料化可有效減少化肥投入量，推進(jìn)資源循環(huán)利用，減少土壤水體污染，響應(yīng)國(guó)家有機(jī)肥替代化肥行動(dòng)。

　　3.3 2017年山東省秸稈沼氣潛力為17288.25×10⁵m³，可替代1.23×10⁶t標(biāo)準(zhǔn)煤，較直接燃燒可減少240.43×10⁴tCO₂排放量。秸稈沼氣化是實(shí)現(xiàn)能源清潔低碳發(fā)展，推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要手段。對(duì)于秸稈資源豐富的地區(qū)建設(shè)生物質(zhì)能源燃?xì)饣夭粌H充分發(fā)揮了秸稈的能源效益，而且緩解了直接燃燒對(duì)大氣環(huán)境的污染，有利于建設(shè)資源節(jié)約型及環(huán)境友好型社會(huì)。