典型喀斯特山區農業生物質能潛力估算
——以貴州省為例

盈 斌,王 琦,熊康寧,2,任 威,敖文秀

1 貴州師范大學喀斯特研究院, 貴陽 550001 2 國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心,貴陽 550001 3 貴州師范大學地理與環境科學學院,貴陽 550001

生物質能被認為是最具潛力的可再生能源[1- 2],到2050 年全球可利用生物質能資源潛力為10—262億t標準煤,平均60—119億t標準煤,約占生物質年產生量的10%—20%[3- 4],隨著因石化能利用帶來的全球氣候變化和生態環境問題日益加劇,生物質能利用越來越成為全世界關注的焦點。中國是一個傳統的農業大國,農村生物質能資源量巨大,根據劉剛[5],田宜水[6],Yang[7]和Yuan[8]等的研究表明,中國可利用生物質能資源儲量介于2.98億—8.87億t標準煤,相當于我國已經探獲煤炭資源量的1.47—4.93倍[9],空間分布呈現出生物質能蘊藏潛力與常規一次能源蘊藏潛力互補特征,使得在一次能源蘊藏量較低的地區開發利用生物質能具有巨大潛力[5];在區域層面上也有大量學者開展了相關研究,重點評估區域尺度內的生物質資源總量和空間分布[10-14]。已有研究發現,農村地區大量的農業生物質能資源未得到有效利用,尤其秸稈資源就地焚燒、畜禽糞便隨意排放造成了極大的環境污染和能源浪費[15-19]。

農村能源現代化是我國實施鄉村振興戰略的重要基礎,農村經濟增長將帶來鄉村能源需求的快速增加,中國農村人均能源消費量由1988年的60 kg標準煤,增加到2015年的351 kg標準煤,基本接近同期377 kg標準煤的城鎮人均生活用能消費水平,年增長率達17.96%[20],隨著全面建設小康社會和鄉村振興戰略的實施,無論從能源消費總量還是從人均水平看,農村生活能源消費仍具有較大增長空間,這也導致占中國人口近半的廣大農村地區將成為中國能源消費和碳排放的主要增長點[21]。當前,中國能源生態效率整體偏低[22],在我國廣大農村地區的生活能源消費結構中,商品能比重低,柴草占比高達44.2%[23],薪柴、秸稈等傳統生物質能仍然是農村家庭主要生活能源[24],與此同時,農村地區薪柴的粗放利用對生態環境也造成愈發強烈的脅迫效應。到2020年,中國非化石能源消費比重力爭提高到15%以上,煤炭消費比重降低到58%以下,而農村地區以沼氣為代表農業生物質能的清潔化利用率僅1.9%[25],在能源結構調整與鄉村振興戰略和生態文明建設背景下,如何統籌廣大農村地區能源-環境-經濟3E系統效率,成為亟待加強的迫切問題。生物質能源中,薪柴是森林生態系統提供的,秸稈是農業生態系統提供的,糞便是草場及農業生態系統輸出量,經過人或牲畜的轉化而獲得[26],因此,減少農村能源對薪柴的過度依賴,能加快農村能源對薪柴資源的替代進程,可有效增強森林系統的生態服務功能。開展農業生物質能儲藏量的科學評估,提高農業生物質能高效清潔化利用水平,是今后較長時期內解決農村能源消費與生態環境問題的重要途徑。

西南喀斯特山區作為全球三大巖喀斯特集中分布地區之一,是我國碳酸鹽巖分布最廣泛最集中的地區,這一特殊地貌類型上演化發育的喀斯特生態系統,表現出多樣性和脆弱性并存的典型特征[27],喀斯特山區的林、灌、草覆被對于喀斯特地區生態系統保護具有重要意義,但由于不合理的人類活動,疊加原本脆弱的喀斯特環境,導致該區域水土流失加劇,土地呈現石漠化現象,這已成為我國西南喀斯特地區最大的生態環境問題[28],長期以薪柴為主的能源消費結構加劇了喀斯特生態環境不斷退化,是促成我國西南石漠化的主要原因[29]。當前,我國農村家庭能源消費結構正處于由傳統生物質能源向商品能源和新能源轉變的過渡階段[30],但在生態脆弱的西南喀斯特山區,薪柴使用依然普遍,替代進程緩慢,家庭耗能總體呈現以薪柴為主導[31-32],尤其在石漠化地區的低收入家庭,薪柴消費量占人均能耗比例高達80%以上,貧困農戶對傳統生物質能源的依賴性極強[33]。喀斯特山區廣泛利用的傳統生物質能主要包括農業和林木生物質資源,對農業生物質能的高效利用,可有效提高對林業生物質能(薪柴)的替代作用,這對維持喀斯特山區森林生態服務功能和石漠化地區生態系統修復有重要作用。因此,減少喀斯特山區農村能源對薪柴的超載利用,增強喀斯特森林系統生態服務功能,利用喀斯特山區大量未加有效利用的農業生物質能資源替代薪柴的農村能源利用策略,可有效降低喀斯特山區農村生活用能對林、草資源的過度依賴,可成為喀斯特山區生態系統修復和石漠化治理的一種有效途徑。2008年以來,我國南方石漠化地區實施大規模的石漠化治理工程,實行了一系列的造林種草、治水保土等措施,但在石漠化防治過程中農業生物質能利用對薪柴的替代作用,以及農業生物質能結構特征與時序變化規律等研究仍顯不足,這成為加快喀斯特山區農村薪柴替代、農業生物質能清潔利用政策制定的主要瓶頸。

1 研究區選擇與能源供需現狀

貴州省地處云貴高原東部,103°36′—109°35′E、24°37′—29°13′N之間,位于長江和珠江分水嶺區域,全省國土總面積17.62萬km2,屬于亞熱帶季風氣候,雨水充沛,境內喀斯特發育典型,喀斯特面積占國土面積比例高達61.9%以上[34],同時也是我國西南石漠化面積分布最大,最為典型的地區[35- 39]。貴州省也是我國南方煤炭資源最豐富的地區,累計煤炭資源儲量504.3億t[40],占全國已探獲煤炭資源量的1.9%[9];2016年,貴州省一次能源生產總量達14181萬t標準煤,人均占有量為3988 kg標準煤,但近20年的統計數據表明,電、氣等清潔能源占一次能源生產比重不足13%,在廣大農村地區,農村薪柴消費量超過合理森林采伐限額7.21個百分點[41],成為導致貴州省石漠化的重要因素。2008 年以后,國家對貴州支持力度不斷加大,貴州經濟整體實力和城市化建設得到穩步提升,城鄉居民收入快速增長,2008—2016年間,貴州省GDP年均增長率為12.07%,推動了貴州省生活能源消費的快速增長,生活能源消費量年均增長速度為6.3%,高于同期全國增長率2.6個百分點,年均能源消費彈性系數為0.5,比同期全國高0.07(圖1)。根據貴州省十三五規劃,到2020年,預計貴州省GDP總量將達到2萬億,按照目前的能源平均增長速度和能源消費彈性系數,2020年,貴州省能源需求將達到1.18萬億t標準煤。隨著城市化進程的加快,城鄉居民人均生活用能源差距逐漸下降,貴州將同時面臨經濟發展、能源轉型與生態文明示范區建設的多重壓力,未來農村地區的能源需求將成為貴州省能源供給的最大危機。

圖1 貴州省2008—2016年間能源消費彈性系數與增長率時序特征Fig.1 Sequential characteristic of elasticity ratio and growth rate of energy consumption of Guizhou Province during 2008—2016

貴州特定復雜的自然地理條件,導致氣候和生態條件復雜多樣、立體環境特征明顯、地域性較強,全省糧食作物以水稻、玉米、小麥、薯類為主,經濟作物以烤煙、油菜籽為主,畜禽養殖主要以豬、牛、羊、雞為主,豐富的農業生物質資源作為一種綠色無污染的可更新能源必將成為未來貴州省“綠色能源”戰略的重要組成部分。但當前對于貴州省農業生物質能資源的研究主要集中在秸稈資源利用現狀[42-43]、生物質樹種資源調查[44]方面,缺乏對貴州整體農業生物質能的潛力估算與利用評估,論文選擇以喀斯特石漠化集中分布的貴州省作為研究對象,分析連續時間序列的區域生物質資源總量及其變化和結構特征,旨在以貴州省為例,為喀斯特地區制定農業生物質能開發利用規劃,喀斯特森林植被恢復與農村多能互補的能源利用模式提供參考。

2 研究方法和數據來源

按照傳統的分類方法,生物質能資源可分為五個大類[45],農村地區可利用生物質能資源包括農作物秸稈、農副產品加工剩余物、林木生物質能、畜禽糞便等,對農業生物質能資源的合理開發利用,有利于加大林木生物質利用替代,增強森林生態系統服務功能。喀斯特地區由于生態環境脆弱,生態區位敏感,林業生產比重較低,從喀斯特生態系統保護的角度出發,論文未估算林木部分生物質能部分,僅從基于生態保有量的農業可利用生物質能進行分析,估算農作物秸稈、農業加工副產品和畜禽糞便三類農業生物質能儲量水平,研究本底數據來源于2010—2016年的《貴州省統計年鑒》。

2.1 生物質資源量估算與參數選取

2.1.1 秸稈資源

秸稈是指農作物籽收獲后的植株,是農作物收獲后的重要副產品,我國作物秸稈尚處于松散的利用狀態,大量過剩秸稈資源被就地焚燒,造成嚴重的資源浪費和環境污染[46]。目前全省納入統計的農作物秸稈資源主要包括糧食作物、油料作物、棉花、麻類和糖料作物等五大類。秸稈資源除可用于還田造肥、造紙等工業原料和畜牧飼料外,剩余部分都可以作為燃料使用。可依據農作物的產量計算得到,計算公式如下:

(1)

式中,QS為秸稈資源總量,TSi為第i類作物的產量,CSi為第i類作物的谷草比系數。

秸稈資源量計算關鍵是確定其谷草比,草谷比取值不當會導致秸稈產量估算結果失實,畢于運選取經過訂正的秸稈草谷比,對中國秸稈資源進行了全面系統的估算[47],蔡亞慶等分析了不同秸稈類型谷草比的變異范圍[48],為了更符合貴州省的實際情況,論文在結合蔡亞慶等人的研究基礎上,參考了譚廷甫在畢節地區開展的大田試驗中所確定的谷草比系數[49]。

此外,農作物在收集過程中,需要對秸稈進行流茬,達到農作物秸稈直接還田,這對喀斯特地區維護土壤功能,水土流失防治具有重要意義。根據田野調查,貴州喀斯特地區對于玉米秸稈的流茬高度約在8—10 cm,對于水稻流茬高度約在10—15 cm,論文根據朱開偉等[50]提出的土壤生態保留量概念,在綜述已有研究基礎上,根據不同秸稈作物的播種面積和最低土壤生態保留量,計算了可資源化利用的秸稈資源量,其中煙草秸稈的土壤生態保留系數參考了施河麗等人的研究成果[51],土壤生態保留量可表示為:

βi=αi×Ai

(2)

式中,βi為第i類秸稈作物的土壤生態保留量,αi為第i類秸稈的土壤生態保留系數(表1),Ai為第i類秸稈播種面積。

在秸稈收集和運輸過程中,還會發生枝葉脫落。因此,除了計算上述的理論收集量外,通過現有收集方式實際可收集到的數量要小于理論可收集量,論文的秸稈資源收集系數引用王亞靜等人的研究成果[52],計算如下:

(3)

式中,Qsa秸稈的可收集量,TSi為第i類作物的產量,CSi為第i類作物的谷草比系數,βi為第i類秸稈作物的土壤生態保留量,ri為第i類秸稈收集系數。

表1 主要農作物秸稈草谷比、生態保留系數與可收集系數

2.1.2 農業加工副產品

農業加工副產物是指作物粗加工過程中產生的剩余物,如稻殼、玉米芯等,根據《貴州省統計年鑒》發布的大田作物種類,選取稻殼、玉米芯、花生殼、甘蔗渣四類農副加工產品作為估算對象。農業加工副產品量根據其經濟產量和加工副產物系數乘積確定,其中,不同作物的加工副產物系數不同,論文引用了郭利磊等人研究成果[53](表2)。計算公式如下:

(4)

式中,Qp為所有農作物的農副產品量,TPi為第i類農副產品經濟產量,CPi為第i類農副產品的加工副產物系數。

表2 主要農業加工副產品系數取值

2.1.3 牲畜糞便

牲畜糞便是我國農村地區重要的有機肥資源,但畜禽糞便排放一旦超過耕地氮、磷負荷,將會對土壤和水體造成污染[18],牲畜糞便的生物質能利用是解決農村環境污染的有效途徑。畜禽糞尿產出量是根據不同畜禽的排糞尿量和飼養量進行估算,與動物種類、品種、性別、生長期等因素有關,直接影響估算結果的準確性。畜禽產糞尿總量是根據畜禽存量、日排放系數和飼養周期三者相乘,但該方法得出的是一個飼養周期的糞便量,相比全年的糞便產生量,結果偏小;但若用畜禽存欄和出欄之和作為總量來計算排放量,由于存欄量還未經歷完整的飼養周期,又會導致估算的結果偏大,論文在估算飼養量時結合兩個方法的優缺點,采用如下的估算方法:

(5)

式中,Qi表示畜禽糞便總量,Ni表示i類畜禽年飼養量,Ti表示第i類畜禽的飼養周期,Mij表示第i類畜禽的日排放系數,其中j=1,2分別表示i類畜禽的尿排放系數和糞便排放系數。

論文中,畜禽飼養量的計算根據畜禽的生長周期確定,生長周期小于1年的按當年出欄數作為飼養量;生長周期大于一年的,按年末存欄數作為飼養量。根據《貴州省主要畜禽監測調查數據質量控制辦法》,貴州省生豬飼養周期差異較大,散養可到240—300 d,而規模戶最少僅180 d,綜合取平均值240 d;肉羊飼養周期210 d;由于雞的養殖周期差異較大,一般散養土雞飼養周期可達120 d,而肉雞普遍60 d左右,按平均數計算畜禽飼養周期為90 d。畜禽排放系數受眾多因素影響,我國目前尚無統一標準,已有學者收集比較了國內1994—2004年公開發表的文章中對不同畜禽排泄系數的取值分析,但未能把畜禽的產糞系數和產尿系數分開[18],為了準確估算畜禽的產尿和產糞量,論文引用了彭里和王定勇[54]在重慶的研究結果作為參考系數進行估算(表3)。

表3 禽糞便日排放量系數

—表示忽略不計

2.2 生物質折標能源量

各類生物質能資源的可收集實物量,乘以相應的折標系數,就可以得到不同種類生物質能折合標準能源量。不同生物質能的折標能源量不同,可利用的秸稈資源折標能源量,就是加總不同類型農作物資源收集量基礎上乘以對應的秸稈折標系,計算如下

(6)

式中,EQsa代表秸稈資源的折標能源量,Qsa代表可收集秸稈資源量,ηi表示第i類秸稈資源折標系數。

農業加工副產品能源潛力量EQp,畜禽糞便資源能源潛力量EQi,計算方法與此相同。區域農業生物質能存量EQt可以表示為:

EQt=EQsa+EQp+EQi

(7)

式中,不同生物質能資源ηi取值,折標系數根據《中國能源統計年鑒》[20]發布數據作為參考(表4)。

表4 各類型農業生物質能折標系數

3 研究結果

3.1 主要農作物秸稈資源量

貴州省主要農作物秸稈資源有稻谷、小麥、玉米、大豆、薯類、油料、甘蔗和烤煙,根據公式(1)—(3),2009年以來,根據農作物可收集量折算各類秸稈資源生物質能如表5所示。

數據表明,2009年以來,貴州省可利用秸稈資源的生物質能儲量可觀,年均可利用的秸稈資源量折合成標準煤可達709.04×104t標準煤。已有研究表明,我國秸稈資源利用的主要方式有肥料還田、畜牧飼料、工業原料以及能源利用[48],其中,貴州省可作為能源利用的秸稈資源量約為60%[50]。由此可以推算,貴州省可能源化利用的秸稈資源儲量達到年均425.42×104t標準煤。其中,玉米、稻谷和油料作物秸稈是貴州省農作物秸稈資源中占比最大的三種作物,平均可利用生物質能儲量分別占全省秸稈總量的34.02%,24.49%和21.52%(表6),開展對玉米、稻谷和油料作物秸稈資源的有效收集是貴州省秸稈資源開發利用的重點。

表5 可收集秸稈資源的生物質能儲量/(萬t標準煤)

表6 各類型秸稈生物質量占比/%

3.2 農業加工副產品資源量

貴州省農業加工副產品主要有稻殼、花生殼和玉米芯和甘蔗渣,根據公式(4),2009年以來,貴州省農業加工副產品折算生物質能資源量如表7所示。

表7 各類型農業加工副產品生物質能儲量/(萬t標準煤)

數據表明,2009—2015年,貴州省農業加工業副產品中年均資源量達到81.73×104t標準煤,如果加上藥材、蔬菜、瓜果藤蔓以及其他農作物副產品,農業加工副產品的生物質能儲量可觀。目前貴州省農村地區主要將其用來直接燃燒,因此,農副產品可全部進行能源化利用。各類型副產品中,貢獻值最大是玉米芯,其次是稻谷殼,兩者的累計年均貢獻值達到77.23%,是貴州省主要的農業加工副產品,與表6相比較,說明可利用能源利用的農副產品資源量與種植業結構有著密切聯系。

3.3 畜禽糞便資源量

貴州省納入統計的禽畜類型主要牛、豬、羊、家禽,其中家禽包括雞鴨鵝,由于在統計上無法將三類活禽分開,故論文統一以雞為單位計算其糞便產生的生物質能量。由公式(5)和(6),計算得到2009年以來畜禽糞便資源量(表8)。

表 8 各類型畜禽糞便生物質能儲量/(萬t標準煤)

數據表明,2009—2015年,貴州省年均畜禽糞便生物質能資源量高達4400.73×104t標準煤,畜禽糞便除可進行有機肥發酵還田外,有1/3的糞便可進行能源化利用[8],即貴州省可能源化利用的畜禽糞便達到年均1466.90×104t標準煤。大型牲口類型中,豬是養殖量最大的類型,2009—2015年的年均出欄和年末存欄量分別為1739×104頭和1589×104頭,遠大于牛的出欄和存欄數量,但從畜禽糞便所產生的生物質能貢獻值來說,牛糞的貢獻值最大,年均提供生物質能量達到3009.78×104t標準煤,年均貢獻值高達到68.39%,主要原因在于牛的存欄周期長,糞和尿的排放系數均遠高于其他畜禽類型,說明牛糞是貴州省最重要的可能源化畜禽糞便資源。目前,貴州省內牛的養殖方式主要是分戶散養,糞便資源難以有效收集,若能通過規模化養殖集中收集,開發利用潛力巨大。

3.4 可能源化貴州省生物質能存量時序特征

根據公式(6)和(7)可以計算得到貴州省農業生物質能資源總量(表9)。

表9 各類型農業生物質能儲量特征/(萬t標準煤)

數據分析表明,貴州省生物質能儲量可觀,2009—2015年均生物質資源總量達到5191.50×104t標準煤,地均和人均農業生物質能資源量分別達295 t標準煤/km2和1.48 t標準煤/人,可能源化利用的農業生物質能達1974.05×104t標準煤,貴州省同期能源消耗年均總量為9038×104t標準煤,可能源化利用的生物質能占能源消費比例達21.84%,利用潛力大;但各類型農業生物質能儲量的內部差異大,比例分布不均,秸稈資源、農副產品資源、禽畜糞便資源三者在總資源量中的比重大約為13∶2∶85,其中,畜禽糞便平均資源儲量高達4400.73×104t標準煤,是貴州省所有生物質能中最重要的一種類型。農業生物質資源儲量時序變化呈現出一定特征(圖2),呈現U形結構,儲量水平波動明顯,尤其在2011年,無論是生物質能總量還是各類型的儲量,均急劇下滑至最低值,農業生物質能總儲量從2010年的5411.75×104t標準煤急劇下降至2011年的4801.80×104t標準煤,下降了11個百分點;2011年以后呈現上升的趨勢,但上升趨勢緩慢,年均僅3.4個百分點,各類型生物質能資源儲量于2014年左右抵達均值線附近,這與當時2010年發生的西南大旱呈現時間耦合。由于喀斯特地區地質環境特點,地表水分儲量對降雨變化的響應高度敏感,云南和貴州受災最為嚴重,各類型農作物產量減產,其中,牛的存欄量急劇減少了74.69萬頭,這說明喀斯特地區的農業生物質能源儲量水平對自然災害的響應敏感度極高,增強農業穩產能力是該區域農業生物質能有效利用的重要舉措。

圖2 貴州省2009—2015年間各類型農業生物質能儲量時序特征Fig.2 Sequential characteristic of agricultural biomass reserves of Guizhou Province during 2009—2015

4 結論

論文以典型喀斯特石漠化山區省份為例,研究在脆弱生態系統背景下農業剩余物的潛在可利用生物質能總量及其結構特征,從省域層面較為全面地估算了包括秸稈、農業加工副產品、人畜糞便等農業生物質能資源總量,得出以下研究結論:

(1)貴州省可利用的農業生物質能資源儲量可觀,開發潛力大,年均可利用資源量達5191.50×104t標準煤,其中可能源化利用的達到1974.05×104t標準煤,占貴州能源消費的21.84%。隨著農業技術的不斷發展,農業生物質能經濟和技術可利用系數以及可收集系數逐漸增大,可能源化利用的資源量還有上升空間,這對改善農村能源消費結構,鞏固喀斯特山區生態保護成果具有重要意義。

(2)貴州省農業生物質能儲量構成比例分布不均,秸稈資源、農副產品資源、禽畜糞便資源三者在總資源量中的比重大約為13∶2∶85,畜禽糞便資源蘊藏量貢獻最大,平均資源儲量高達4400.73×104t標準煤;其中,牛糞產生的生物質達到3009.78×104t標準煤,年均貢獻值達68.39%,是貴州省最重要的畜禽糞便資源,若能通過規模化養殖集中收集,對貴州省生態建設和農村能源利用具有重要意義。

(3)貴州省2009—2015年間可利用農業生物質能儲量水平的時序變化呈現U形結構特征,農業生物質資源儲量波動明顯,2011年各類型生物質能儲量均下滑至最低值,這與2010年發生的西南大旱事件耦合,由于大旱影響,貴州省生物質能儲量一年內的下滑幅度高達11個百分點,2011年以后呈現緩慢上升趨勢,到2014年才恢復至均值線附近,說明喀斯特地區的農業生物質能源儲量水平對自然災害的響應敏感度極高,農業穩產對生物質能有效利用意義重大。

5 建議

喀斯特石漠化山區環境脆弱、經濟貧困、生活能源短缺,薪材過量消耗成為水土流失和土地石漠化的重要驅動因素,利用農業生物質能替代薪材消費,對于促進喀斯特森林植被恢復具有重要的現實意義。論文在優先考慮土壤生態保留的前提下,估算了貴州省農業生物質能儲量,研究數據表明,貴州省可利用的生物質能儲量可觀,利用潛力大,如何提高存量資源的有效利用水平是當務之急,對此,論文提出3個方面的建議。

(1)農業生物質能利用要實事求是,應根據現有的類型結構差異有的放矢,當前畜禽糞便的生物質能資源量巨大,對畜禽糞便的開發利用應作為貴州省生物質能產業開發的重點,政府需加大資金投入和政策扶持,推廣應用現有較為成熟技術體系,提高畜禽的規模化養殖水平,加強養殖場畜禽糞便的沼氣化建設。針對秸稈和農業副產品資源,應積極探索生物質固體成型燃料技術,合理布局秸稈電廠、秸稈固化等能源企業,并做好秸稈資源的收集、轉運與儲存工作,防止因收集工作不及時導致秸稈丟棄和焚燒。

(2)喀斯特山區的地質環境特點決定了地表水分儲量對降雨變化高度敏感,該類型區的農業生產對自然災害的響應度高,這同時表現在種植和養殖的結構和產出方面,政府在提高生物質能開發利用水平的同時,更應加強農業生產的防災減災工作,這是保證生物質能資源穩定供給與有效利用的重要舉措。

(3)針對喀斯特石漠化山區能源結構單一、薪材砍伐嚴重的能源利用現狀,推廣以石山沼氣池建設與沼渣沼液綜合利用、節柴灶與節能秸稈氣化爐高效利用相結合的能源利用結構,結合當地石漠化程度、地形特征、能源資源開發利用潛力、社會經濟基礎、群眾意愿等特征,開展社區種養與再生能源清潔循環利用,因地制宜推廣以沼氣利用為重點的薪材替代模式。