基于能值理論的江蘇省稻麥秸稈綜合利用生態足跡分析

王焱鏷，朱利群

(南京農業大學農村發展學院，江蘇南京210095)

農作物秸稈作為一種優質的生物質資源，其綜合利用問題一直受到社會各界的關注。現階段，江蘇省秸稈綜合利用已初步形成以秸稈還田為主、多種利用方式共同發展的良性格局，但在多項秸稈利用技術日趨成熟、秸稈焚燒現象得到有效制止的同時，產業鏈短、商業化規模低、效益差等問題也日益凸顯。除了秸稈收儲運環節薄弱、農民綜合利用積極性差、秸稈沼氣和氣化產氣的季節不平衡、秸稈發電轉化率低等方面外，秸稈綜合利用結構優化和產業規模化也較低。通過查閱大量資料與走訪典型秸稈利用示范點，發現在全面加快秸稈綜合利用進程中，存在著嚴重的資源“二次浪費”現象。大量的沼氣工程被閑置，部分示范縣的沼氣池實際利用率不足20%;秸稈集中供氣工程因四季產氣不均衡等問題，導致農戶使用比例驟減，且產氣過程中秸稈作為發酵原料的比例大大降低。因此，在思考秸稈利用技術的匱乏之余，更應該反思在推進秸稈綜合利用的進程中盲目擴大規模等問題。

目前，國內許多學者對秸稈利用各個方面的問題展開了大量研究。有學者通過收集資料，采用不同的估算方法估算秸稈資源利用量［1］以及各類利用方式的數量比例［2］;有從農戶角度探討影響其綜合利用的因素［3］以及農戶意愿與認知行為對秸稈綜合利用的影響［4］;還有通過試驗分析和調查統計，對不同秸稈利用技術的原理、方法及效果進行系統的分析與評價，分析其在生態、經濟、社會上的可行性。其中，對生態效益的評估多集中在秸稈還田，但也有部分學者對其他利用方式進行了評估。如張兵等從環境效益方面對秸稈發電進行了評價，認為秸稈發電的環境外部性主要體現為CO2等溫室氣體和SO2等污染物排放量的減少，從其他污染物的排放量看，秸稈發電在原料種植與獲取階段的排放很少，僅為煤炭開采階段的5%，爐渣和廢水的排放量僅為煤炭開采階段的9%和12%［5］。現階段，江蘇省對于生態足跡的研究仍較少，涉及領域較小，僅有少數學者對作物、耕地等進行了生態足跡差異分析［6-7］，未有人從生態承載力的角度出發分析秸稈綜合利用的合理性。因此，筆者根據《江蘇省農作物秸稈綜合利用規劃(2010-2015年)》(以下簡稱《規劃》)制定的綜合利用率目標比率，利用2012年江蘇省農作物基礎數據，估算出秸稈資源可收集利用總量，通過能值轉換率進行能值轉換，以得到對應的秸稈能值量并建立秸稈資源消耗賬戶，引入全國和區域的秸稈能值密度，將消耗的能值換算成相應的生物生產性面積，計算出江蘇省秸稈不同利用方式的生態足跡，并分析其生態赤字/盈余，從而評估江蘇省秸稈綜合利用推廣的合理性，以期為秸稈合理利用推進工作提供參考。

1 研究區概況及數據來源

1.1 江蘇省概況 江蘇省地處東部沿海地區，屬亞熱帶和暖溫帶過渡地帶，有明顯的季風氣候特征，四季分明。年日照時數2 000～2 600 h，年平均氣溫13～16℃，無霜期200～240 d，年均降雨量800～1 200 mm。江蘇省耕地面積約473.33萬hm2，包括太湖、沿江、丘陵、里下河、沿海和徐淮六大農區，種植農作物以水稻、小麥、油菜、玉米為主，是我國重要的農業產區，秸稈資源豐富，主要以稻麥秸稈為主。江蘇省作為農業大省和經濟大省，在秸稈利用方面進行了一些探索。2008年，全省秸稈資源總量達4 011萬t，利用量2 366萬t，綜合利用率59%，其中秸稈肥料化占比23%，能源化占比20%，工業原料化占比8%，飼料化占比5%，基料化占比3%［8］。

近年來，江蘇省高度重視秸稈綜合利用工作，在政策、技術、宣傳和執法方面采取了一系列措施，如緊抓秸稈焚燒、促進多形式利用等，并取得了一些積極成效。其中，秸稈肥料化利用以直接還田(機械化還田)為主，過腹還田、堆漚還田等間接還田為輔;隨著農村直接生活燃料利用比率的下降，秸稈能源化利用呈現出新格局;秸稈發電比例逐年上升;秸稈沼氣和企劃推廣加快，秸稈固化和炭化已步入實用階段;秸稈工業原料化利用主要應用于板材加工、造紙、編織等行業，并已初步形成產業化規模，秸稈新興建材、秸稈化工等新領域也為秸稈深度利用拓展了新空間;秸稈飼料化利用成為發展節糧型畜牧業的重要途徑，其規模隨著規模化養殖業的發展和飼料出口帶動日益擴大;秸稈基料化除用作食用菌基料外，還廣泛用作育苗基料、花木基料、草木基料等，并從起步階段逐漸向成熟階段過渡，形成“龍頭企業+基地”、“公司+農戶”等多樣化形式［8］。

1.2 數據來源 原始數據和資料主要包括3個部分，農業基本數據(包括農作物產量、作物播種面積等)來自《江蘇統計年鑒》、《江蘇省農村統計年鑒》、《中國農村統計年鑒》;農村人口數據來自《江蘇農村統計年鑒》;江蘇省秸稈利用概況數據(包括秸稈綜合利用率、不同利用方式利用比等)來自《規劃》。另外，其他農村能源數據(包括作物稻谷比、秸稈能值轉化率、太陽能轉化率等)來自其他文獻。

2 研究方法

2.1 基本原理 生態足跡是在可持續發展理念的基礎上提出的可作為定量衡量指標的重要評價工具。生態足跡方法是由Rees于1992年提出，并由Wackernagel進一步完善，通過建立比較人類的生態需求和生態承載力的一個綜合賬戶，來監測經濟發展進程中資源可持續利用程度的方法［9-10］。該模型僅強調了生態的可持續性發展問題，未考慮經濟、技術、人文、社會的可持續發展以及這些因素的進步對生態承載力帶來的積極影響。因此，生態足跡的封閉性、模型研究的靜態性、計算中采用全球生物產量的誤差性［11］等均顯露了其自身的缺陷。而改進的生態足跡模型則是在能值分析方法與生態足跡理論相結合的基礎上，把各種不同類型和等級的能量流通過能值轉換率，換算太陽能值以便直接進行加減，然后引入能值密度，將各消費項目的太陽能值換算成相對應的生物生產性土地面積［12］。能值理論改進的生態足跡模型，不僅考慮了生物圈生產的可再生資源，而且把風能、潮汐能、地熱能等這些可為人類所利用的新能源等［13］也納入了支撐人類消費的可再生資源的來源。

2.2 方法步驟

2.2.1 秸稈可收集利用量估算。農作物秸稈的可收集利用量一般可通過農作物產量計算獲得［14］，公式如下:

式中，S為稻草(麥稈)可收集利用量;Q為稻草(麥稈)產量;r1為秸稈折算系數(即草谷比)，其中水稻取值1.04，小麥取值 1.38［15］;r2為秸稈可收集利用系數，取值 0.83［16］。

2.2.2 秸稈能值估算。秸稈的能值量可依據稻秸(麥秸)能量折算系數及太陽能值轉換率計算得出，公式如下:

式中，E為稻秸(麥秸)能值;Q為稻秸(麥秸)可收集利用量;Cv為秸稈能量折算系數(熱值)，其中稻草熱值取值1.42×1010J/t，麥稈熱值取值1.37×1010J/t［17］;t為秸稈能值轉換率，取值 4.53 ×104sej/J［18］。

2.2.3 秸稈人均生態足跡分析。參考基于能值理論修正的生態足跡模型研究［12-13，19-20］，首先利用秸稈不同利用方式的比率及公式(1)，計算江蘇省稻秸(麥秸)不同利用方式的秸稈利用量，再根據公式(2)計算不同利用方式的總能值。然后，計算江蘇省稻秸(麥秸)的人均生態承載力，公式如下:

式中，Ec為江蘇省稻秸(麥秸)人均生態承載力;Ea為江蘇省人均消耗稻秸(麥秸)理論能值，其中q為人均稻秸(麥秸)生產量，t為稻秸(麥秸)能值轉換率;ρ1為全國稻秸(麥秸)能值密度，其中E為全國稻秸(麥秸)總能值，S為全國水稻(小麥)播種面積。再計算江蘇省稻秸(麥秸)不同利用方式的人均生態足跡，公式如下:

式中，Ef為江蘇省稻秸(麥秸)不同處理方式的人均生態足跡;i為稻秸(麥秸)處理方式種類;efi為第i種稻秸(麥秸)處理方式的人均生態足跡;ei為第i種稻草(麥秸)處理方式的人均能值;ρ2為江蘇省稻秸(麥秸)能值密度，即江蘇省稻秸(麥秸)總能值與水稻(小麥)播種面積之比。根據上述結果計算出江蘇省稻秸(麥秸)的生態赤字或者盈余，進而對區域稻秸(麥秸)利用的合理性進行評價。

3 結果與分析

3.1 秸稈資源可收集利用量估算 與2011年相比，2012年江蘇省稻谷、小麥產量穩定增長，秸稈資源還是相當豐富。利用公式(1)及不同稻麥的草谷比，計算出秸稈資源可收集利用總量(表1)。

表1 2012年江蘇省稻麥生產情況統計

3.2 不同利用方式下秸稈能值估算 禁燒政策出臺后，秸稈田間焚燒現象得到較好的控制。自2008年江蘇省政府下發《規劃》通知后，各級政府均高度重視秸稈綜合利用工作，不斷擴大秸稈利用領域，提高全省綜合利用水平。《規劃》預計2012年，各種秸稈利用方式比率應達到以下水平:秸稈肥料化增至32%，能源化增至26%，工業原料化增至12%，飼料化增至6%，基料化增至5%，綜合利用率高達81%［8］。根據該利用比率，估算出不同利用方式所消耗的秸稈量(表2)，進而計算出不同利用方式下秸稈的能值構成(表3)。

表2 2012年江蘇省不同利用方式下秸稈利用量t

表3 2012年江蘇省不同利用方式下秸稈的能值構成sej

3.2.1 秸稈肥料化。秸稈肥料化利用一般包括機械化直接還田、覆蓋還田、快速腐熟還田、稻麥雙套還田等，但主要以秸稈還田為主。秸稈還田不僅能夠改變土壤中微生物的組成和數量，還能夠增加土壤的固碳能力，且其簡單易操作，被廣泛使用。目前，江蘇省主要采用機械旋耕還田方式。近年來，江蘇省大力提倡機械全量還田，因此農業機械化水平的高低直接影響著機械化還田進程。據調查，由于配套的小麥滅茬粉碎機具較為欠缺，且隨著農業機械化的發展，農機手在搶收季節為獲得更高的經濟效益，割茬高度留得很高，殘留的秸稈嚴重影響了下茬作物的播種，為后面的秸稈埋茬作業增加了難度。

3.2.2 秸稈能源化。秸稈能源化主要包括秸稈固化成型燃料、秸稈發電、秸稈制沼氣、秸稈氣化、直接作生活燃料等。著重介紹秸稈制沼氣和秸稈發電兩方面。

3.2.2.1 秸稈制沼氣。目前，江蘇省已初步形成以戶用沼氣為主，集中供氣與戶用沼氣共同發展的格局。現階段，沼氣技術仍不成熟，戶用沼氣進出料難等問題制約了戶用沼氣的發展。集中供氣站因冬季氣溫較低等因素造成季節產氣不均衡問題。但從整體上來看，秸稈制沼氣不但改變了農村家庭能源消費結構，減少了能源消費量，還帶動了農村養殖業、種植業的發展。同時，沼渣沼液經處理后，可用作有機肥還田，不僅減少了化肥的使用量，更有利于農作物秸稈的還田。

3.2.2.2 秸稈發電。秸稈發電工程因其“三高一低”(即建設成本高、秸稈原料價格高、電廠維護成本高、原料供應量低)的特點以及發電技術的制約，造成秸稈發電廠的效益低。大多數因產能不足或發電越多虧損越嚴重，效益滯后，投資回報期較長。但綜合來看，現階段，秸稈發電工程仍是解決生物性資源浪費的有效途徑，具有良好的發展前景。一方面，秸稈是一種低碳燃料，其含硫量等遠低于煤炭，與傳統發電方式相比，使用秸稈作為基礎燃料進行發電可大大降低空氣污染，減少溫室氣體的排放量。據估算，每利用0.1億kg秸稈替代煤燃燒，將減少CO2排放0.14億kg、SO2排放4萬kg、煙塵排放10萬kg［21］。同時，秸稈燃燒后的草木灰富含鉀、鎂、鈣、磷等礦物質，可作為高效農作物肥料進行回收。目前，已有江蘇省華晟生物質發電廠等實現了將秸稈發電后產物草木灰裝袋銷售。另一方面，解決生物性資源浪費的根本途徑之一則是實現商品化，秸稈發電工程能夠在原料收集、副產物銷售等環節很好地實現這一途徑。

3.2.3 秸稈工業原料化。現階段，秸稈綜合利用的理念導向上越來越注重產業化發展，特別是在工業化利用等非農領域。目前，江蘇省秸稈工業原料化主要應用于板材加工、造紙、建材、編織、化工等，2008年全省年利用量已達320萬t，約占秸稈資源總量的8%。鼓勵秸稈工業原料化重點企業培育知名品牌，帶動新型秸稈工業化利用產業共同發展，共同促進秸稈產業化進程。

3.2.4 秸稈飼料化。秸稈飼料是由秸稈粉碎加工而成的纖維飼料，天然秸稈本是一種劣質飼料，具有粗纖維含量高、粗蛋白含量低、適口性差等特點，無法高效利用，但經過氨化、青貯、揉搓絲化等微處理技術，可大大增加秸稈飼料的營養價值，與牲畜食用的精飼料進行合理搭配，可提高秸稈轉化率。隨著集約畜牧業的大力發展，秸稈飼料化也成為發展節糧型畜牧業的重要途徑。此外，將秸稈青貯飼喂牛羊后，還可進行農作物秸稈的“過腹還田”，產生的畜禽糞便可直接作有機肥施于田間，也可用于戶用沼氣池生產沼氣，再將沼渣、沼液進行循環利用。

3.2.5 秸稈基料化。秸稈中豐富的碳源(纖維素和木質素)、氮源、維生素、礦物質等物質，均為食用菌培養所需的營養物質，因此85%以上的秸稈經處理后都可用于食用菌栽培。采用秸稈為原料并配合發酵技術進行食用菌栽培，技術簡單易操作，且經濟效益明顯，具有巨大的發展潛力。南京市高淳區高固食用菌科貿有限公司用秸稈作基料培育食用菌，每年消耗秸稈資源可達1.2萬t;六合區蕈王菌業有限公司年消耗秸稈量1.5萬t。據統計，南京市總秸稈基料化利用年消耗秸稈量約13.2萬t。因此，秸稈基料化也是解決秸稈利用問題的有效途徑之一。

3.2.6 其他。除上述幾種處理方式外，江蘇省秸稈處理方式還包括棄置亂堆以及一些未利用的方式。這說明江蘇省秸稈綜合利用過程中還存在盲區，這部分秸稈資源不僅造成了巨大的浪費，而且容易助長焚燒行為的發生。因此，亟待有關部門采取有效措施，落實秸稈多樣化利用，促進江蘇省秸稈資源的全面、高效利用。

3.3 秸稈人均生態足跡分析 由于在計算2012年江蘇省秸稈不同利用方式消耗的秸稈量時，未對稻草和麥稈使用比例進行嚴格的區分，只是按照《規劃》中秸稈不同利用方式的利用比率進行了模糊量化。因此，不同利用方式下稻草和麥稈的人均生態足跡均表現為肥料化＞能源化＞其他＞工業原料化＞飼料化＞基料化(表4)，可見，肥料化和原料化在區域秸稈資源的人均生態足跡上占主導地位。這一現象的形成與省政府實施《規劃》中指定的秸稈利用方案及該省現已形成的農業產業結構息息相關。雖然秸稈不同利用方式上未呈現出差異，但是在稻草和麥稈各自的生態盈余和赤字上卻表現出極大的不同。由表4可知，2012年江蘇省稻秸和麥秸利用的人均生態足跡分別為0.076 9和0.072 7 hm2，人均生態承載力分別為0.095 5和0.054 4 hm2，而人均生態盈余/赤字卻表現出較大的差異，稻秸人均生態盈余為0.018 6 hm2，麥秸人均生態赤字為0.018 3 hm2。這表明稻秸資源的利用尚處于區域生態經濟系統的承載能力之內，還存在一定程度的秸稈消納空間，而麥秸資源的利用不盡合理，甚至存在過度利用現象，已超出區域生態經濟系統的承載能力。

表4 2012年江蘇省不同利用方式下秸稈的生態足跡 hm2

4 討論與結論

在能值理論分析的基礎上，對2012年江蘇省稻麥秸稈利用進行生態足跡評估發現，稻秸資源仍有較大的利用空間，而麥秸人均生態足跡已超出其生態承載力范圍。一方面，麥秸生態赤字與秸稈利用過程中諸多“負效應”有關。比如，秸稈機械還田時，若留茬高度不當會影響下季作物播種;秸稈熱解氣化時對溫度要求較苛刻，若處理不當則會造成大量原料浪費等。另一方面，稻秸生態盈余則反映出江蘇省秸稈資源利用過程中存在諸多問題。如在走訪與調研過程中，發現許多秸稈綜合利用示范點的秸稈資源未得到合理利用，而是從其他途徑獲取秸稈原料，秸稈資源的不合理配置導致了秸稈資源利用效率低。這種低效率的形成主要有以下幾個原因:①部分地區的農田多承包給種植大戶，分散種植戶平均擁有農田0.066 7～0.200 0 hm2不等(存在地區差異)，且農田塊數多而分散，加之缺乏小塊地的機械還田設備及秸稈打捆機器，大部分農戶為了節省人力則直接將秸稈棄置于田邊;②現階段秸稈出售價格低廉，秸稈采拔的勞動力成本及秸稈運輸成本遠大于秸稈出售所獲利益，導致了部分農戶出售秸稈的積極性不高;③部分地區收儲運體系不夠完善，且秸稈產出受季節性影響，很難進行集中收集。此外，秸稈收購點較少且距村鎮較遠，在未有專業收購人員上門收購的情況下，大部分農戶不會將秸稈運至收購點;④由于部分村鎮戶用沼氣管理站運行模式低效，沼氣池進出料難的問題未得到有效解決，可替代能源購置費用較低等原因，農戶沒有自行使用沼氣池作為生活能源的積極性，從而導致已建好的部分沼氣池被閑置，不僅導致大量閑置的秸稈未被利用，而且造成了二次浪費。因此，江蘇省秸稈綜合利用過程中仍有許多不合理之處，在加快秸稈綜合利用進程的同時，政府應加強監督和管理力度，促進秸稈高效、合理利用，及時對秸稈利用進行生態足跡盈虧分析，以確保區域生態系統的可持續發展。

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