柵格尺度下可集約利用農田生物質能優勢帶研究*

王 芳，陳健飛，馮艷芬* ，夏麗華，周濤

(1.廣州大學地理科學學院，廣東廣州 510006;2.廣州發展研究院，廣東廣州 510006)

在2009年“哥本哈根世界氣候峰會”中，我國承諾到2020年單位GDP的CO2排放要比2005年下降40% ～45%，非化石能源占一次能源比重要達到15%左右［1］。為實現這個目標，提高生物質能在能源利用結構的比例勢在必行。農田生物質能具有分布廣泛、可再生，并且綠色環保等特點，其集約利用對于解決石油危機、三農問題，以及帶動新興能源產業的發展，促進低碳循環社會的建立具有極為重要的戰略意義。

雖然我國農田生物質能資源豐富，但是由于生物質能能源密度低，收集范圍大，決定了并不是區域所有的生物能源都可以集約利用為替代能源，所以能源工程原料分布優勢帶研究至關重要。從目前的研究方法來看，生物質能估算都是根據統計年鑒中的農作物播種面積來進行的［2-3］。估算結果是以行政單元為統計單元，難以和基于自然單元生物質利用規劃模型相匹配。遙感數據以柵格為單元記錄地物信息，使用規則格網的方式覆蓋了整個研究區域，使用遙感數據以規則格網作為最小的統計單元彌補了傳統資源調查方法存在的不足。此外，遙感技術的同步性、周期性和區域性以及基于遙感的植被凈初級生產力模型的日益成熟，為生物質能數量和時空格局準確、快速研究提供了可能［4-5］。

利用TM遙感數據對農田類型進行提取，然后利用遙感反演生物量模型數據估算農田生物量，實地考查了區域農田生物質的利用狀況，分析區域農田生物質可集約利用為能源的各類影響因素，建立農田生物質能的理論蘊藏量、可獲得量、可集約利用量的決策模型。利用生物質能有效收集半徑，鄰域分析法以及移動窗口法對區域生物質能優勢帶分布格局和二級收集區域進行分析。為區域生物質能集約利用提夠數據支撐。

1 研究區概況

廣東省位于東經 109°45＇～117°20＇，北緯 20°09＇～25°31＇，全省地處低緯度，北回歸線橫貫陸地中部。地跨熱帶和亞熱帶，屬東亞季風氣候區南部，南臨熱帶海洋，氣候具有熱帶、亞熱帶季風海洋性氣候特點。年平均溫度為21.6℃，全省大部分年平均日照時數在2 000小時以上，年平均降水量為1 300～2 500mm，廣東省是中國光、熱、水資源最為豐富的地區。所以能為發展生物質能產業提供了物質保障。廣東省耕地面積為312萬hm2，主要的農作物為:雙季稻、玉米、薯類等。廣東省是中國經濟發展最為活躍的地區，能源的對外依存度高達70.4%(廣東省統計年鑒，2006)，能源短缺已成為經濟發展的瓶頸。加快生物質能源產業化進程迫在眉睫。

2 數據資料與研究方法

2.1 農田的遙感分類和農田凈初級生產力NPP數據

農田的遙感分類選取了2006年下半年，云蓋量小于10%的各16景Landset TM/ETM影像，來源于中科院中國遙感衛星地面站。數據處理平臺為ENVI 4.2和ArcGIS 9.1，處理步驟主要包括:a)接邊、剪裁處理;b)利用控制點將TM圖像糾正到1∶5萬地形圖，采用三次多項式及最鄰近插值法對遙感圖像進行幾何校正，配準誤差控制在1個像元內。采用最大似然法監督分類和目視人工解譯法對水田和旱地進行提取;采集農田樣點數據約211個。利用GPS定位獲取各調查點的經緯度坐標，采取野外實地調查和人工目視判讀互補的方法，同時參照廣東省土地利用現狀圖，對分類結果進行了精度驗證和部分校正，遙感解譯Kappa系數分別為0.81，總精度為0.88。認為遙感解譯的農田提取精度是可以接受的。

農田植被凈初級生產力 (Net Primary Production，NPP)是農田植被碳固定能力的重要表征。通過農田NPP模型可以計算農田植被通過光合作用固定的太陽能，計算在單位面積、單位時間內所獲得生物量的凈增加量。從而可以對農田生物質能進行估算。NPP數據來自美國NASA的EOS/MODIS的2006年的MOD17A3數據 (https://lpdaac.usgs.gov/lpdaac/get_data/data_pool)，此數據產品是一個空間分辨率為1km，時間間隔為8天的接近實時的植被NPP遙感監測產品，使用的是BIOME-BGC生態系統過程模型，具體估算流程見《MOD17 User＇s Guide》［6］。該文使用的MOD17A3數據是其C5產品，比原來的C4產品估算精度更高，估算得到生物量應用已經被廣泛證明［7-8］。

2.2 區域農田生物質能可利用部分決策模型

分析區域農田生物質可集約利用為替代能源的各類影響因素，建立農田生物質能的理論蘊藏量、可獲得量、可利用量的決策模型。

2.2.1 區域農田生物質能理論蘊藏量

理論蘊藏量是指理論上區域每年可能擁有的農田生物質能資源量。其數量等于農作物殘余量。農業殘余定義為收割后遺留在田地中不能直接食用的那部分作物。遙感估算得到的農田生物質生物量，給出農作物殘存估算公式:

式中，Q1為農田生物質能理論蘊藏量;BIOMASSi為第i種作物的總凈生物量，是通過遙感估算NPP得到的;RPRi是農作物谷草比系數。

2.2.2 區域農田生物質能可獲得量

區域農田生物質能可獲得量是指通過現有技術條件可以轉化為有用能的農田生物質能資源數量。可獲得量是一個與技術密切相關的實物量指標。直接燃燒秸稈對秸稈的性質并無要求，但顯然是低效率的粗放能源利用方式。最大可獲得量，可以表示為:

式中，Q2為區域農田生物質能可獲得量;ki為反映作物收割環節中由于技術條件生物量損失的系數，生物質資源的收集系數與收集半徑有關。

2.2.3 區域農田生物質能可集約利用量

區域農田生物質能可利用量是指實際可以用來進行能源生產的區域農田生物質能資源量。可利用量可以由可獲得量和可利用系數乘積得到，可利用系數是一系列對能源生產的非技術性約束的綜合表述。研究人員把它歸納為經濟制約因子、生態環境制約因子、社會人文制約因子等幾方面。其中，經濟制約因子是指農田廢棄物 (秸稈)的幾個主要流向:還田、飼料、工業原料等。生態環境制約因子指保持土壤肥力(歸田)，當地氣候影響、種植品種、復種指數、腐爛霉變可能等分布和運輸條件。

歸納起來建立簡化模型，農田生物質能可利用量可表達為:

式中，Q3是采樣區域農田生物質能可利用量;Q2為采樣區域農田生物質能可獲得量;n為該區植被總種類數;EMi為由于經濟原因無法使用的生物量 (工業原料、牲畜飼料、生活能源等)，f為受生態環境制約而不應該利用的生物量比例 (例如，秸稈歸田等)，t為反映各個環節 (例如，運輸等)中生物量損失的系數。

2.3 農田生物質能收集優勢帶分析

(1)在獲得柵格尺度下的區域可用農田生物質能值基礎上，利用ARCGIS的鄰域分析工具和窗口移動方法，對農田生物質能分布的收集優勢帶進行提取。

(2)利用公路網電子數據，利用提取道路交叉點，把它作為假想的生物能源一級收集點，然后作距離緩沖柵格圖，提取一定緩沖范圍作為初級收集范圍。

(3)利用柵格疊加方法把農田分布優勢帶和道路緩沖范圍柵格圖疊加，同時滿足以上兩種條件的區域為區域初級生物能源收集優勢帶。

(4)在初級生物能源收集優勢帶基礎上，根據區域收集的生物質能總量最大性原則，建立區域生物能源二級收集區。

3 區域農田生物質能分布優勢帶和收集區域

3.1 區域可集約利用的生物質能

首先對廣東省的農田生物質 (農作物秸稈)的利用現狀進行分析。然后進行實地調查，調查的主要內容包括農戶基本情況、農作物生產情況、秸稈利用情況、生活用能情況等，進一步對資料進行整理，并與相關研究文獻對比，取得了生物能可集約利用模型中的各項系數和比例。

在簡化模型中，估算的關鍵是農作物谷草比系數 (RPR)的確定，它是可以通過田間試驗和觀測得到的經驗常數，不同地區、不同品種的農作物大致相同，可能略有差異。該研究中，水田稻稈的谷草比系數參考先前中國農業部和美國能源部的一個聯合項目所測數值［2，9］，RPR為0.623。根據廣東省2007年統計年鑒，廣東省2006年播種的旱地作物主要是薯類、大豆和玉米等，谷草比使用幾種作物的谷草比的均值為 1.557。

表1 該文選取的主要作物的谷草比系數 (RPR)

在模型2-3中，EMi是由于經濟原因無法使用的生物量 (牲畜飼料、工業原料等)，根據調研廣東省作為牲畜飼料損失部分比例比較小，該研究將這一部分忽略，工業原料部分損失大約占5%。另外，為受生態環境制約而不應該利用的生物量 (秸稈歸田比例);有15%的秸稈為了保持土壤肥力需要歸田［3］。為反映各個環節 (例如收割等)中生物量損失的系數，這里選用了收割損失系數為15%［3］。另外1g稻秸干物質相當于0.45g有機碳，1g旱作秸稈干物質相當于0.4408g有機碳，每克稻秸干物質干物質含13.97KJ能量，每克旱作秸稈干物質含18.5KJ的能量。根據上述模型及其參數對水田和旱地可用生物質能能值進行估算，進而得到廣東省可利用農田總生物質能。

3.2 區域生物質能分布優勢帶及二級收集區域

雖然廣東省農田生物質能總量有9.13E+13KJ，但分布非常分散?？紤]到生物質能產業的原料收集要求和運輸成本等問題，要求原料供應相對集中，研究人員對研究區域生物質能二個級別的收集區進行研究。首先在獲得2006年廣東省農田生物質能空間分布基礎上，利用ARCGIS的鄰域分析工具和窗口移動方法，對廣東省生物質能空間分布的優勢帶進行提取，其中移動窗口選擇為圓形，鄰域范圍設定為10km(5～10km是農作物秸稈收集成本研究中初級收集適合半徑)［10］，生物質能收集量大的多個柵格的集聚區域就是生物質能分布的優勢帶，結果如圖1。

圖1中可以看出廣東省生物質能分布的優勢帶主要分布在:湛江市北部、茂名南部、江門西部、陽江中部、梅州西部、揭陽東南部、潮州南部以及河源的東北部、韶關的東北角和肇慶的東部等?？傮w而言，以雷州半島地區、粵西南丘陵地區、潮汕平原區、粵東沿海丘陵臺地區為主要分布區。

然后利用ARCGIS的NODEPOINT工具提取廣東省三級道路的道路交叉點，假設為初級收集點，做道路交叉點的距離緩沖柵格圖，提取10KM內的緩沖范圍作為初級收集范圍。利用柵格疊加方法把10KM的農田分布優勢帶和10KM的道路緩沖范圍柵格圖疊加，得到區域初級生物能源收集優勢帶。根據區域收集的生物質能總量最大性原則，建立50km和80km的二級收集區。結果如圖2。

從圖2中可以看出，一級收集區主要分布在徐聞縣東部，雷州市北部、廉江市大部、湛江市大部、吳川市中部北部、電白縣大部、化州市南部、羅定市中部、恩平市東部、惠來縣大部、陸豐市東部、五華縣東部及北部、南雄市中部、普寧市北部、饒平縣南部、揭東縣南部。二級收集區中生物質收集量的最大的是粵西南丘陵地區，此收集區收集總量為2.80E+12KJ，根據每kg標準煤的發熱量為29 270KJ來計算，相當于9.84萬t標煤。目前，我國在建的生物質發電示范項目規模一般為2×12MW，采用直接燃燒供熱發電技術，在運行中對生物質需求量相當大，年需耗用生物質20萬～30萬t，折合標煤為10萬～15萬t。這樣看來廣東省如果發展直接燃燒供熱發電項目，原料供應可能存在一定風險。可以采用固化燃料;或氣化或醇化成燃料乙醇等方式發展生物質能項目。

圖1 10km農田生物質能分布優勢帶

圖2 二級農田生物質能收集區

4 討論與結束語

(1)利用NPP數據結合農田TM遙感分類數據，獲取了區域農田可利用生物質能的數量特征及其原料收集的優勢帶分布，結果表明:廣東省的農田生物質能收集的優勢帶集中在雷州半島地區、粵西南丘陵地區、潮汕平原區、粵東沿海丘陵臺等地區。廣東省比較適合發展固化燃料、氣化或醇化成燃料乙醇等生物質能項目。使用遙感方法可以解決了常規統計方法不能獲取空間細節的弊端問題，從而為生物質能集約利用產業提夠數據支撐和快速決策支持。

(2)研究區域農田生物質資源的理論蘊藏量、可獲得量和可利用量，尤其是可利用量，為農田廢棄物-農田秸稈生物質能的集約利用提供了數據支撐。但由于可用生物質能決策模型中的系數較多，涉及了很多個研究領域，有些是技術和工程的因素的系數，該文有些加以省略，將在今后的研究中進一步深入，使模型更加完善。

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