近30年渭南市秸稈生物能及其分布重心變化

位賀杰，張艷芳，栗新巧，朱 妮

近年來具有低能耗、低排放、低污染和環(huán)境友好特點(diǎn)的低碳經(jīng)濟(jì)［1］成為中國(guó)及全球其他國(guó)家解決氣候變暖問題，走出經(jīng)濟(jì)發(fā)展瓶頸的新路徑。低碳經(jīng)濟(jì)的一個(gè)核心問題便是能源消費(fèi)問題，傳統(tǒng)能源的短缺加之其高排放特征使尋求和開發(fā)清潔能源迫在眉睫。秸稈生物質(zhì)能源因具有可再生，可持續(xù)發(fā)展，量大，含硫量低的特點(diǎn)，使其成為實(shí)現(xiàn)環(huán)保低碳、非糧替代、循環(huán)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，也是未來以綠色生物能源替代傳統(tǒng)化石能源的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)［2］，同時(shí)引發(fā)了學(xué)術(shù)界對(duì)秸稈資源的研究熱潮。從目前文獻(xiàn)［3－6］來看，學(xué)者們對(duì)中國(guó)秸稈資源總量相關(guān)指標(biāo)的估算及其區(qū)域分布進(jìn)行了大量研究，部分學(xué)者研究了河南［2］、黑龍江［7］、江蘇［8］等省份秸稈資源儲(chǔ)量及其分布。一個(gè)地區(qū)秸稈資源是否適宜開發(fā)利用以及如何開發(fā)利用終歸要落實(shí)到各區(qū)縣，因此從區(qū)縣角度研究秸稈資源量及其分布更具有實(shí)際意義，但是目前研究文獻(xiàn)鮮有涉及。由于秸稈生物質(zhì)能具有分散性、不連續(xù)性和單位附加能值低的特點(diǎn)，因此秸稈生物質(zhì)能的空間分布和年際穩(wěn)定性直接影響著生物質(zhì)能工廠的優(yōu)化選址和后續(xù)原料供應(yīng)［9］。重心模型在研究變量空間變化特征，定量分析變量空間變化機(jī)理方面具有優(yōu)勢(shì)，目前已廣泛用于人口重心［10］、經(jīng)濟(jì)重心［11］、碳排放重心［12］、農(nóng)田碳凈吸收重心［13］等方面的研究上，而將其用于農(nóng)田秸稈生物質(zhì)能方面的研究尚未見報(bào)道。基于此，本研究利用秸稈草谷比系數(shù)（residue to product ratio）、可收集系數(shù)、折標(biāo)煤系數(shù)測(cè)算近30a渭南市秸稈資源量，研究其年際穩(wěn)定性情況，并利用重心模型定量分析渭南市秸稈生物能的重心分布及其變動(dòng)范圍，以期為渭南市綜合開發(fā)利用秸稈資源提供決策依據(jù)，同時(shí)為渭南市秸稈生物質(zhì)能工廠優(yōu)化選址提供參考。

1 研究區(qū)概況

渭南 市 地 處 108°50′—110°38′E 和 34°14′—35°52′N之間，位于陜西省關(guān)中渭河平原東部，東瀕黃河并與山西、河南省接壤，西與西安、咸陽市相接，南倚秦嶺與商洛市，北與延安、銅川市相鄰，是陜西省和西部地區(qū)進(jìn)入中東部的“東大門”。渭南市轄2區(qū)、8縣、2縣級(jí)市，是全國(guó)重要商品農(nóng)業(yè)基地，素以農(nóng)業(yè)著稱，可耕地面積占總面積的96%，糧食、油料、棉花產(chǎn)量居陜西省前列，與此相悖的是嚴(yán)重的農(nóng)田秸稈露天焚燒現(xiàn)象，不僅污染大氣，而且造成生物能資源的浪費(fèi)，近年來采取的源頭控制焚燒等措施雖讓這一現(xiàn)象有所緩解，但是普遍存在的秸稈資源利用率低下的問題仍沒有得到解決，故該區(qū)秸稈資源開發(fā)潛力很大，極具研究?jī)r(jià)值。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

所用數(shù)據(jù)主要為經(jīng)過搜集整理得到的渭南市各區(qū)縣1978—2011各類糧食作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，以及2008—2011年《渭南統(tǒng)計(jì)年鑒》中谷物類、豆類、薯類、油料、棉花產(chǎn)量，還有各區(qū)縣常用耕地面積。

2.2 研究方法

渭南市農(nóng)作物秸稈用途多樣，主要有農(nóng)民炊事取暖、直接還田、飼料化利用、工業(yè)造紙、食用菌基料等，還有部分被廢棄或直接焚燒，因此測(cè)度秸稈資源的指標(biāo)有多種包括理論蘊(yùn)藏量、可收集量、可能源化量以及可能源化的折標(biāo)煤量。計(jì)算公式為［5，14］：

式中：i——農(nóng)作物的編號(hào)；Cl——秸稈理論蘊(yùn)藏量；Uk——秸稈可收集量；En——秸稈可能源化量，即可用作能源的秸稈的質(zhì)量；Mz——秸稈可能源化的折標(biāo)煤量；Pi——第i類農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量；gi——第i類農(nóng)作物草谷比系數(shù)，其值詳見表1；si——第i類農(nóng)作物可收集利用系數(shù)，谷物類秸稈取0.83，豆類秸稈取0.88，薯類秸稈取0.80，油料秸稈取0.85，棉桿取0.90［3］；可收集秸稈中僅有部分作為能源進(jìn)行利用，fi——可收集秸稈中用于能源利用的系數(shù)，取0.5［4］；ei——第i類作物的折標(biāo)煤系數(shù)，其值詳見表1。

表1 各類農(nóng)作物草谷比系數(shù)及折標(biāo)煤系數(shù)［5，14］

本研究引入重心模型來分析渭南市秸稈生物能的空間變化規(guī)律，以期為渭南市生物質(zhì)能工廠優(yōu)化選址提供參考。重心概念源于物理學(xué)，是物體各部分所受重力作用的合力點(diǎn)，研究假設(shè)渭南市各區(qū)縣處于同一質(zhì)平面，每個(gè)區(qū)縣秸稈生物能集中在縣中心城市。各區(qū)縣中心城市都是平面上的一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，具有不同質(zhì)量，渭南市秸稈生物能的重心位置則是各質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量對(duì)比的均衡點(diǎn)，其位置變化則意味著各區(qū)域秸稈生物能的不同步變化，從而較好地反映渭南市秸稈生物能的區(qū)域差異，重心計(jì)算公式為［12－13］：

式中：Xt，Yt——表示第t年秸稈生物質(zhì)能重心的經(jīng)緯度坐標(biāo)；Mtk——第t年k區(qū)縣的秸稈生物能量（可能源化秸稈的折標(biāo)煤量）；xk，yk——k區(qū)縣中心城市所在地經(jīng)緯度坐標(biāo)。

3 結(jié)果與分析

3.1 渭南市秸稈資源的結(jié)構(gòu)及其地理分布

根據(jù)公式（1）求得2008—2011年渭南市各區(qū)縣（高新區(qū)數(shù)據(jù)過小并入臨渭區(qū)）的秸稈理論蘊(yùn)藏量（圖1）。由圖1可以看出，2008—2011年各區(qū)縣農(nóng)作物秸稈量變動(dòng)不大，比較穩(wěn)定，故求得糧食作物秸稈、油料作物秸稈、棉桿資源量的4a平均值，代表渭南市總體以及各區(qū)縣秸稈資源的結(jié)構(gòu)。

圖1 渭南市各區(qū)縣秸稈理論蘊(yùn)藏量的變動(dòng)性及其結(jié)構(gòu)

渭南市秸稈資源總量中，以糧食作物秸稈為主，約占90%，棉稈量約占6.5%，油料秸稈量?jī)H占3.5%；糧食作物秸稈中，小麥秸稈量占40%，玉米秸稈量占58%，剩余秸稈以豆類、薯類為主；油料秸稈中，油菜秸稈、花生秸稈量分別約占44%和49%，剩余秸稈以芝麻、向日葵為主。各區(qū)縣秸稈資源結(jié)構(gòu)與總體秸稈結(jié)構(gòu)相比，臨渭區(qū)、澄城縣、合陽縣、華陰市呈現(xiàn)類似特征，大荔縣糧食作物秸稈量比例偏低，偏低值為11.7%，富平縣、韓城市、華縣糧食作物秸稈量比例偏高，偏高值分別為8.4%，8.6%和5.8%，白水縣和蒲城縣棉花秸稈量比例分別呈現(xiàn)偏低和偏高的特征，偏差值分別為6.5%和5.3%，潼關(guān)縣油料作物秸稈量比例偏高，偏高值為7.9%；各區(qū)縣糧食作物秸稈結(jié)構(gòu)與總體糧食秸稈結(jié)構(gòu)相比，華縣、大荔縣、富平縣、韓城市、潼關(guān)縣呈現(xiàn)相似特征，臨渭區(qū)、蒲城縣小麥秸稈量比例偏高，偏高值為9.5%和11.9%，合陽縣、澄城縣、白水縣、華陰市玉米秸稈量比例偏高，偏高值分別為14.0%，13.0%，5.2%和9.1%。

根據(jù)公式（2）和（4）求得渭南各區(qū)縣秸稈的可收集量和可能源化的折標(biāo)煤量，并用其除以各區(qū)縣的常用耕地面積得到各區(qū)縣秸稈的可收集密度和能源密度，以4a數(shù)據(jù)的均值來表示各區(qū)縣秸稈生物能相關(guān)指標(biāo)地理分布。從秸稈可收集總量和可能源化的折標(biāo)煤總量的計(jì)算結(jié)果來看，較高地區(qū)為臨渭區(qū)、大荔縣、蒲城縣以及富平縣，其秸稈可收集量分別為5.10×105t，4.92×105t，4.94×105t，4.81×105t，均在5.00×105t左右，秸稈可能源化的折標(biāo)煤量分別為1.42×105t，1.38×105t，1.38×105t，1.32×105t；總量一般的地區(qū)為合陽縣、澄城縣、白水縣、華縣，其秸稈可收集量在1.50×105t～3.50×105t之間，秸稈可能源化的折標(biāo)煤量在4.00×104t～9.00×104t之間；總量較低的地區(qū)為華陰市、韓城市、潼關(guān)縣，其秸稈可收集量均在1.50×105t以下，秸稈可能源化的折標(biāo)煤量均在4.00×104t以下。從秸稈可收集密度和能源密度看，較高地區(qū)為臨渭區(qū)、華縣、華陰市，單位秸稈可收集量均在7t以上，單位秸稈能源量均在2t以上；密度一般地區(qū)為潼關(guān)縣、大荔縣、富平縣、合陽縣、澄城縣以及白水縣，單位秸稈可收集量在5～7t之間，單位秸稈能源量在1.5～2.0t之間；密度較低地區(qū)為蒲城縣、韓城市，單位秸稈可收集量在5t以下，單位秸稈能源量在1.5t以下。

3.2 近30a渭南市秸稈生物能總量的變動(dòng)

由于1978—2007年油料作物產(chǎn)量和棉花產(chǎn)量難以搜集，無法計(jì)算實(shí)際的總秸稈資源量，對(duì)近30a渭南市秸稈資源總量按以下方案進(jìn)行估算，先求得1978—2011年渭南市糧食作物秸稈的理論蘊(yùn)藏量、可收集量、可能源化量以及可能源化的折標(biāo)煤量，再根據(jù)渭南市作物秸稈結(jié)構(gòu)進(jìn)行估算。由于渭南市糧食作物秸稈資源量占總量90%以上，故估算結(jié)果偏差應(yīng)很小，可信度較大。

對(duì)1978—2011年渭南市秸稈可收集總量、可能源化的折標(biāo)煤總量進(jìn)行趨勢(shì)線擬合，擬合線斜率均為正值，且R2＝0.719，兩個(gè)方程在0.01的水平上顯著，顯示了近30a渭南市秸稈總量的上升趨勢(shì)（圖2）。由圖2可以看出，渭南市秸稈的理論蘊(yùn)藏總量、可收集總量、可能源化總量以及可能源化的折標(biāo)煤總量均在波動(dòng)中呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且4個(gè)指標(biāo)變動(dòng)情況基本一致。由于秸稈可能源化的折標(biāo)煤量統(tǒng)一將各類可能源化的秸稈折算為標(biāo)準(zhǔn)煤，因此用該指標(biāo)分析渭南市的秸稈生物能量更具有實(shí)際意義：1978—1981年，指標(biāo)緩慢下降，從4.51×105t降到3.74×105t；1982—1988年，指標(biāo)變化平緩，中間偶有起伏，整體緩慢上升，從4.93×105t上升到5.55×105t；1989—1992，指標(biāo)緩慢下降，從6.11×105t下降到5.17×105t；1993年為一個(gè)凸點(diǎn)年份，1994—1997年，指標(biāo)緩慢上升，從5.06×105t上升到6.25×105t；1998—2001年，指標(biāo)下降趨勢(shì)明顯，從7.76×105t降到5.10×105t，回到1982，1994等年份水平；2002—2010年，指標(biāo)上升趨勢(shì)較明顯，從6.09×105t上升到9.89×105t；2011年，指標(biāo)又降到2008年水平。總體來看，渭南市秸稈生物能量年際穩(wěn)定性較好，大部分年份與相鄰年份差值在1.00×105t的范圍內(nèi)進(jìn)行浮動(dòng)，比較適合建設(shè)秸稈生物能工廠。

圖2 渭南市秸稈資源相關(guān)指標(biāo)動(dòng)態(tài)演進(jìn)

3.3 近30a渭南市秸稈生物能的重心移動(dòng)

上文已經(jīng)指出利用秸稈可能源化的折標(biāo)煤量指標(biāo)分析秸稈生物能更具有實(shí)際意義，故求出渭南市11個(gè)區(qū)縣1978—2011年的秸稈可能源化的折標(biāo)煤量，根據(jù)各區(qū)縣經(jīng)緯度坐標(biāo)，利用公式（5）—（6），得到渭南市近30a秸稈生物能重心的經(jīng)緯度坐標(biāo)，并對(duì)其進(jìn)行趨勢(shì)線擬合（圖3）。

圖3 近30a渭南市秸稈生物能重心

1978—2011年渭南市秸稈生物能重心經(jīng)度、緯度逐年波動(dòng)趨勢(shì)特征不明顯，但根據(jù)緯度、經(jīng)度的兩條擬合趨勢(shì)線可以判斷，重心的緯度和經(jīng)度在逐漸偏小，即逐漸向西南方向移動(dòng)，但近幾年有回移趨勢(shì)（圖3）。根據(jù)渭南市秸稈生物能的重心移動(dòng)趨勢(shì)及其重心分布范圍，將渭南劃分為西南區(qū)和東北區(qū)，其中西南區(qū)為富平縣、蒲城縣、臨渭區(qū)、華縣以及白水縣，東北區(qū)為華陰市、澄城縣、合陽縣、韓城市、大荔縣以及潼關(guān)縣，利用兩地區(qū)秸稈生物能的比值來研究渭南市秸稈生物能的空間變化。為了消除某一年份秸稈生物能量的奇異值引起的比值突變，首先以5a為一個(gè)時(shí)間尺度，求取5a內(nèi)西南區(qū)、東北區(qū)秸稈生物能比值之和，同時(shí)補(bǔ)充1977年秸稈生物能數(shù)據(jù)（看作與1978年相同），以使總年份達(dá)到35a（能被5整除），以此可得到7個(gè)比值之和數(shù)據(jù)，依次為6.6，7.6，7.2，7.9，7.6，8.3以及7.3，再以11a為一個(gè)時(shí)間尺度，并從1979年開始求取比值之和，可得到3個(gè)數(shù)據(jù)，依次為15.8，16.8，17.4。可以看出以5a為時(shí)間尺度時(shí)，渭南市西南和東北區(qū)秸稈生物能比值仍有波動(dòng)，以11a為時(shí)間尺度時(shí)，比值逐漸變大，變大趨勢(shì)有所減緩。通過以上分析得出近30a渭南市西南區(qū)秸稈生物能所占比重逐漸變大，這與渭南市秸稈生物能重心整體變化方向及其經(jīng)緯度的擬合線變化趨勢(shì)基本一致。

4 結(jié)果討論

目前諸多文獻(xiàn)中對(duì)同一地區(qū)秸稈資源量的估計(jì)結(jié)果存在巨大差異，究其原因是計(jì)算過程中所用草谷比系數(shù)、折標(biāo)煤系數(shù)等關(guān)鍵系數(shù)不同導(dǎo)致，本研究采用的草谷比系數(shù)為蔡亞慶等［5］取自科技部星火計(jì)劃、可再生能源戰(zhàn)略研究組、中國(guó)農(nóng)村能源行業(yè)協(xié)會(huì)等研究機(jī)構(gòu)以及多個(gè)研究者研究成果的平均值，折標(biāo)煤系數(shù)為韋茂貴等［14］根據(jù)各類農(nóng)作物秸稈的低位發(fā)熱值進(jìn)行換算得到的系數(shù)，總體來說，兩系數(shù)可靠性較強(qiáng)。但是由于中國(guó)地域范圍較廣，不同地區(qū)農(nóng)田農(nóng)作物秸稈的材質(zhì)有所區(qū)別，渭南地區(qū)屬于半干旱半濕潤(rùn)區(qū)，水分不足，作物秸稈的水分含量與全國(guó)有較大的差別，因此草谷比系數(shù)、折標(biāo)煤系數(shù)等也會(huì)不同，因此本研究結(jié)果會(huì)存在一定誤差，界定渭南地區(qū)農(nóng)作物秸稈的各類關(guān)鍵系數(shù)是下一步研究的關(guān)鍵。

根據(jù)渭南市各區(qū)縣秸稈可能源化的折標(biāo)煤量及能源密度的數(shù)據(jù)，咨詢相關(guān)專家意見，將兩指標(biāo)進(jìn)行歸一化并按各占0.5的權(quán)重進(jìn)行分配，計(jì)算各區(qū)縣兩指標(biāo)綜合得分，依據(jù)得分高低將渭南市秸稈能源化利用劃分成3個(gè)區(qū)域：一為重點(diǎn)開發(fā)利用區(qū)，包括臨渭區(qū)、大荔縣、富平縣，這3個(gè)區(qū)縣得分均大于0.9，臨渭區(qū)秸稈資源豐富，集中度高，又是渭南市中心城區(qū)，有技術(shù)支撐，較為適合集中開發(fā)，大荔縣和富平縣秸稈資源豐富，但集中度一般，適宜分散開發(fā)利用；二為適度開發(fā)利用區(qū)，包括蒲城縣、合陽縣、澄城縣、華縣以及華陰市，這些區(qū)縣得分處于0.6～0.9之間，蒲城縣秸稈資源豐富，但集中度較低，合陽縣、澄城縣秸稈資源與集中度均一般，華縣、華陰市秸稈集中度較高，但是秸稈資源不夠豐富，這些地區(qū)應(yīng)當(dāng)適度開發(fā)，可推廣秸稈固體成型，生物氣化等技術(shù)進(jìn)行開發(fā)；三為不宜開發(fā)利用區(qū)，包括韓城市、潼關(guān)縣、白水縣，這些地區(qū)綜合得分在0.6以下，秸稈資源與秸稈集中度均不是很突出，開發(fā)價(jià)值較低。

研究近30a渭南市秸稈生物能量動(dòng)態(tài)變化時(shí)，由圖2中可以找到秸稈可能源化的折標(biāo)煤量的3個(gè)凸點(diǎn)年份，1993，1998和2010年，1993年凸點(diǎn)周邊點(diǎn)特征不符合極大值點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)，2010年凸點(diǎn)右邊點(diǎn)個(gè)數(shù)過少，因此符合典型極大值點(diǎn)的年份只有1998年，1998年之前的該指標(biāo)波動(dòng)視為正常波動(dòng)，1998年以后該指標(biāo)出現(xiàn)連續(xù)3a大幅度降低，2002年以后才逐漸恢復(fù)，降低的原因可能是1998年中國(guó)開始全面實(shí)施的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性調(diào)整所致［15］。

根據(jù)渭南市秸稈重心的分布范圍，理論上渭南市秸稈生物能工廠應(yīng)初步選在大荔縣與蒲城縣交界處，且較為靠近臨渭區(qū)的地段，但考慮到重心選址的局限性，具體選址位置尚待研究。選址問題涉及學(xué)科較為廣泛，關(guān)聯(lián)到經(jīng)濟(jì)、地理、政治、人文、工程地質(zhì)、心理以及管理等多門學(xué)科，因此僅從地理和幾何角度考慮渭南市秸稈生物能工廠選址，有不確定性和局限性，綜合多學(xué)科理論成果，進(jìn)一步探討選址的具體位置是下一步研究的工作重點(diǎn)。

5 結(jié)論

（1）渭南市秸稈資源總量中，以糧食作物秸稈為主，約占90%，糧食作物秸稈中以小麥和玉米為主，約占98%。

（2）渭南市秸稈資源能源化利用重點(diǎn)開發(fā)區(qū)為臨渭區(qū)、大荔縣、富平縣，適度開發(fā)區(qū)為蒲城縣、合陽縣、澄城縣、華縣以及華陰市，不宜開發(fā)區(qū)為韓城市、潼關(guān)縣、白水縣。

（3）1978—2011年渭南市秸稈生物能量總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，其整體分布重心波動(dòng)中逐漸向西南方向移動(dòng)，但移動(dòng)幅度逐漸變緩。

（4）渭南市秸稈生物能工廠初步選址可定在大荔縣與蒲城縣交界處且較為靠近臨渭區(qū)的地段，具體位置尚待進(jìn)一步探討。

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