低碳背景下四位一體循環農業模式研究—以新疆南疆棉花秸稈資源循環利用為例

戴清秀 王鵬程,2*

（1 塔里木大學經濟與管理學院，新疆 阿拉爾 843300）

（2 塔里木大學南疆經濟社會發展研究院，新疆 阿拉爾843300

低碳經濟是建立在低能耗、低排放、低污染基礎上的經濟發展模式，倡導人們在生產、生活中盡量減少碳排放，其實質在于能源高效利用、清潔能源開發，核心在于減排技術創新與發展觀念轉變。“低碳經濟”提出的大背景，是全球氣候變暖對人類生存和發展的嚴峻挑戰。2017 年《關于創新體制推進農業綠色發展的意見》中提到完善秸稈資源化利用制度，健全農業綠色循環低碳生產制度，實施農業綠色發展全民行動，推進秸稈綜合利用。隨著我國近年來多次明確提出到2020 年秸稈綜合利用率要達到85%以上的目標，我國秸稈資源化利用進程不斷推進，在應對全球氣候變暖的形勢下，以秸稈為原料發展清潔能源是一個新興產業。新疆南疆地區農業技術水平相對較低，且棉稈循環利用相關政策不完善，外加農戶循環利用觀念淡薄，致使棉花秸稈利用方式較為粗放，資源浪費嚴重。站在環境保護和低碳農業的高度，從南疆棉區棉花秸稈利用現狀入手，分析棉花秸稈不同利用方式的碳排放情況，設想出循環利用模式。截止2016 年年末新疆南疆棉花總產量約199.699萬t，占新疆棉花總產量的47.55%，占全國棉花總產量的37.68%，豐富的棉花秸稈資源背后意味著其利用潛能很大，倘若得到合理的規劃利用，對提升農業廢棄物利用效率、幫助農民增產增收、推進“兩型農業”的轉型都具有重要實踐意義。

當前學術界對農作物秸稈的碳排放研究多以固碳減排效應和碳足跡測度為主［1-4］，國外學者Bhattacharyya P.等[3]通過研究發現，水稻秸稈和無機肥配合使用時固碳土壤效果最好，能夠提高糧食產量；Liu C C 等[4]認為，秸稈覆蓋免耕是實現高產量、低碳排放的最佳措施，秸稈焚燒碳排放量高達一定濃度時會造成交通污染影響嚴重。國內學者主要從不同研究區域入手，對秸稈的固碳減排潛力進行了研究，唐廉、謝世友［5］的研究表明農業生態系統呈現碳生態盈余狀態，其中秸稈焚燒碳排放總量占比最大；秸稈不同還田方式的碳排量差異性較明顯，秸稈生物質炭的轉化形式更有利于農田系統固碳減排［6］；秸稈機械化填埋、還田能夠緩解碳排放量,減排效果好、儲碳能力強［7］；楊樂、鄧輝等人［8］的研究中也指出棉稈是農作物秸稈中碳排放量最大的污染源，將其轉化為生物炭，具有良好的固碳減排潛力；王藝鵬、楊曉琳［9］等人基于碳足跡的研究結果指出秸稈沼氣燃燒的碳減排效果最好，發展潛力極大。以上學者以我國不同區域為例，研究秸稈的固碳減排潛力，在時間上和空間上體現出較大的異質性。

農業廢棄物資源的循環利用模式研究中，Liu Zhen 等［10］認為農業-沼氣模式比農業-畜牧業模式更好，循環鏈越長，可持續性越強；利用生物炭、電換熱、區換熱等方法有利于降低秸稈還田的氣候效應［11］；以菌業為核心的農業廢棄物循環運作模式，利用潛力大，且經濟、社會、生態效益更高,環境負載率更低［12-13］；以秸稈制作畜禽飼料、沼氣發酵和有機肥還田為關鍵“接口”技術能夠提高農業廢棄物循環和運行效率，加強能量流動［14］；韓芹芹［15］對南疆阿瓦提縣某發電廠做適宜模式的效益分析，指出通過棉桿生物質發電來鼓勵農民種植棉花，能夠增加農民收入，有利于改善人民生活水平，推進新農村建設的進程。

盡管有大量試驗研究數據表明，秸稈轉化為生物質炭具有良好的固碳減排效果，有利于減少溫室氣體排放，且有少數學者對秸稈焚燒和還田利用的碳排放進行測度，但針對新疆南疆棉花秸稈不同利用方式的碳排放量評估及對比分析的研究較為少見，基于秸稈的碳排放量評估而設計的“四位一體”循環農業模式相關研究也較少。本文利用2007～2016 年南疆棉區棉花生產統計數據，在對南疆棉區棉花秸稈資源存量及不同利用方式碳排放估算的基礎上，基于低碳農業和綠色農業的可持續發展理念，設計出“四位一體”的棉花秸稈循環利用模式，以期為實現新疆南疆地區“兩型農業”的轉型及推進農業廢棄物循環利用提供理論依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

新疆南疆地區位于北緯35°40′～43°31′，東經73°40′～93°44′之間，主要包括巴音郭楞蒙古自治州、阿克蘇、克孜勒蘇柯爾克孜自治州、喀什、和田五個地州，兵團四個師56 個農牧團場。本文中棉花秸稈的存量估算與碳排放量的估算均采用時序數據，兵團四個師的棉花秸稈存量及碳排放量未在估算范圍內，主要測算數據來源于：①研究區棉花播種面積、棉花產量、農業機械總動力、農業機械數量、農用柴油使用量等數據來源于2008～2017 年《新疆統計年鑒》；②棉花秸稈可收集資源量的數據來源于前人研究成果，并在此基礎上更新數據至2016 年，其來源在文中均有注明具體出處；③相關碳排放系數均來源于《IPCC 國家溫室氣體清單指南》（2006）。

1.2 相關參數的確定

本文中棉花秸稈資源碳排放量核算涉及到秸稈焚燒、秸稈飼料加工、秸稈有機肥還田等，因此，采用的碳排放系數為：化肥使用（0. 895 6 kg C/kg），系數來自于ORNL（美國橡樹嶺國家實驗室）；翻耕（312. 600 0 kg C/hm2），系數來自于IABCAU（中國農業大學農學與生物技術學院）；柴油燃燒（0.592 7 kg/kg）［16］。

1.3 新疆南疆棉花秸稈資源碳排放量估算指標

大氣中溫室氣體的排放主要包含CO、CO2、CH4等，為方便估算和分析，本文將其統一轉換成標準碳排放量，其他形式的碳排放不在計算范圍內。

（1）棉花秸稈直接焚燒碳排放量Et1。Pc為棉花秸稈可收集資源量，我國目前農作物秸稈的燃燒利用率為60%，平均每焚燒1 t 秸稈就會產生1. 60 t CO2；約有12.9%的秸稈直接焚燒，則計算公式為［17］：

（2）棉花秸稈肥料化碳排放量Et3。本文中棉花秸稈肥料化的碳排放量計算只考慮秸稈粉碎還田和翻耕還田，平均每500 kg 秸稈粉碎還田，相當于標準肥料50 kg以上。由于難以搜集南疆棉區秸稈翻耕還田的實際土地面積，故以棉花播種面積為基礎，大致估算秸稈翻耕時的碳排放量。其計算公式為：

式中，S為棉花播種面積（千hm2）；312. 600 0 kg C/hm2為翻耕的碳排放系數；M2為棉花秸稈還田的數量（萬t），0.895 6 kg C/kg為化肥的碳排放系數。

（3）棉花秸稈薪柴燃燒碳排放量Et5，計算公式為：

式中M3為棉花秸稈用于薪柴燃料的數量（萬t）；45%、87%分別為薪柴燃燒的碳排放系數、碳氧化率［18］。

（4）棉花秸稈沼氣燃燒碳排放量Et2。假設將秸稈用作薪柴燃料、焚燒、其他利用方式的資源量均用于發酵沼氣，則計算公式為：

式中，L棉花秸稈資源沼氣潛力（萬m3）；0. 209 TJ/萬m3為沼氣燃燒的熱值；15. 3 t/TJ 為沼氣燃燒的含碳量。前人研究已指出，沼氣發酵池是以糞便與秸稈3∶2 的比例為主要原料，糞便和秸稈的產量貢獻率分別為85%和15%，在一口8 m3的沼氣池中需要400 kg 的秸稈［19］，即10 000 m3的沼氣池需要5 000 t 秸稈，所以L=秸稈發酵沼氣的需要量×15%÷5 000。

（5）棉花秸稈飼料化Et4。通過大量文獻資料查找發現，當前與秸稈飼料化加工的碳排放量相關數據較難收集，故本文采用棉花秸稈飼料加工過程中，農業機械化設備使用柴油時產生的碳排放量替代秸稈飼料化碳排放量，其簡化后的計算公式如下：

式中，F為南疆農用柴油使用量（t）；Z為南疆農業機械總動力（KW）；Qm為南疆飼料加工企業機械數量（臺）；Qn為南疆農業機械總數量（臺）；0. 592 7 kg/kg為柴油碳排放系數。

（6）棉花秸稈碳排放總量EW，碳排放強度Eqd［20］，計算公式如下：

2 新疆南疆棉花秸稈資源不同利用方式碳排放量估算

2. 1 棉花秸稈資源不同利用方式碳排放情況及變化趨勢

基于王鵬程、劉茜等人［21］關于新疆南疆地區2005～2014 年棉花秸稈資源相關計算結果，運用草谷比法更新數據，確定本文中的草谷比值為r1=5.0；通過相關文獻的梳理，綜合考慮南疆棉區棉花種植的矮植技術與農業機械化程度，其可收集系數偏高，則本文可收集系數為r2=0.9；故可收集棉花秸稈資源量為Pc=Q×r1×r2，式中，Q 表示某一地區棉花年產量（萬t），計算結果見表1。2016 年棉花播種面積達到1 140.00 千hm2，棉花播種面積和棉花產量約占新疆的1/2，占全國的1/3 以上，2016 年南疆棉花秸稈可收集資源量達898.646 萬t，儲量十分可觀，其經濟價值的體現亟待進一步提高。

表1 2007～2016年新疆南疆棉花秸稈資源量情況

前人學者已對農作物秸稈資源利用方式的比例進行了富有成效的研究［22-24］，但由于新疆地區農作物秸稈密度及人均秸稈資源占有量略低于全國平均水平，故本文中取其平均值，并結合新疆棉花秸稈的實際利用情況做適當調整，即新疆棉花秸稈資源不同利用方式占比分別為：秸稈直接焚燒占12.9%、秸稈粉碎還田占35%、秸稈飼料化占34.6%、秸稈作為薪柴燃料占14%，其他利用方式占3.5%。據此可估算出近10年新疆南疆棉花秸稈不同利用方式的資源消耗量（Pc×利用比例），即秸稈焚燒用量M1、秸稈還田用量M2、秸稈薪柴燃料用量M3、秸稈飼料化用量M4、其他利用方式用量M5（見表2）。

表2 2007～2016年新疆南疆棉花秸稈不同利用方式用量 單位：萬t

根據表2 棉花秸稈不同利用方式用量，由公式（1）-（3）可分別核算出2007～2016 年新疆南疆棉花秸稈直接焚燒、秸稈肥料化、秸稈薪柴燃料的碳排放量（見表3）。

表3 2007～2016年新疆南疆棉花秸稈不同利用方式碳排放量情況 單位：萬t

由表3結果可知，棉花秸稈作為薪柴燃料和直接焚燒的年平均碳排放總量為218. 649 萬t，占總量的70.53%。其他利用方式主要包括秸稈基質化、沼氣化、秸稈板材等，其利用方式繁多，難以確定新疆棉花秸稈用于基質化、發酵沼氣的比例，故難以估算秸稈基質化與發酵沼氣的實際碳排放量。因此，本文假設將棉花秸稈用作薪柴燃料、焚燒、其他用途的資源量均用于發酵沼氣，即30. 4%的棉花秸稈充分利用于發酵沼氣。根據公式（L=秸稈發酵沼氣的需要量×15%÷5 000），可估算出棉花秸稈沼氣潛力，進而求得秸稈沼氣燃燒的碳排放量Et2（見表4）。

表4 2007～2016年新疆南疆棉花秸稈資源沼氣潛力

由表3和表4可看出，在假設狀態下，南疆棉花秸稈發酵沼氣的潛力極大，2016年達81.957萬m3，沼氣燃燒的碳排放量最少，年約占總量的0.03%，碳排放量處于0.052～0.113萬t之間，增長幅度很小，側面說明棉花秸稈發酵沼氣是最為低碳環保的利用方式。

由于獲取南疆飼料加工企業的農業機械數量原始資料較為困難，此處為方便估算，按中等規模飼料加工企業的機械數量5～8 臺，取中間值6. 5 臺為基準進行大致估算。通過資料整理可知，截止2016 年年末，南疆飼料加工企業約為60 家，2016 年南疆地區農業機械總數為122. 494 4 萬臺，農用柴油量為30.744 1 萬t，農業機械總動力為109.02 萬KW（數據來源于《新疆統計年鑒2017》），由公式（5）可估算出2016年南疆棉花秸稈飼料化的碳排放量Et4（見表5）。

表5 2016年新疆南疆地區棉花秸稈碳排放量情況 單位：萬t

根據表3 結果及2007～2016 年南疆棉花播種面積，運用公式（6）、（7），核算出2007～2016 年棉花秸稈資源不同利用方式的碳排放強度Eqd及環比增長率（見表6）。

表6 2007～2016年新疆南疆棉花秸稈碳排放強度及增長率

近年來，新疆棉花始終保持全國優勢地位，南疆棉區更是積極發展優質長絨棉專用品種，機械化采摘率不斷提高，棉花產量更是逐年上升，致使棉花秸稈資源相當豐富，極具利用潛力。由表6 可看出，近10年，南疆棉稈資源不同利用方式碳排放總量整體呈逐年上升趨勢，年均碳排放量為266.664 萬t；碳排放強度波動幅度較大，年均碳排放強度為3.12 t/hm2；2014年呈現出9.83%的負增長率，隨后兩年內，棉花播種面積與產量雖有所下降，但棉花秸稈利用的碳排強度提高至3.12 t/hm2，嚴重的環境污染現象不容忽視。

2. 2 棉花秸稈資源不同利用方式碳排放量結果分析

2016 年新疆南疆棉區棉花秸稈資源碳排放總量達413. 806 萬t，其中秸稈薪柴燃料碳排放貢獻率高達43.64%，其次是秸稈焚燒達26.89%，秸稈發酵沼氣的碳排放貢獻率最小，僅為0.02%。

出于經濟方便、節省人力、物力、財力等方面的考慮，南疆棉區棉花種植大戶更傾向于機械化粉碎還田、漚肥，而棉田較少的農戶，限于地塊不集中、田間交通不便、機械化成本等因素，則更傾向于焚燒秸稈、粗放方式喂養牲畜或直接丟棄等處理方式。2007～2016 年，南疆地區棉花秸稈資源焚燒量占比較大，碳排放量約為總量的1/3 之多。目前秸稈還田主要以機械埋壓技術、高茬收割技術、套種技術為主，南疆棉區秸稈肥料化的年均碳排放量為47. 944萬t，占總量的17.98%，今后可進一步加強運用生態系統理論和方法對秸稈直接還田方面等問題進行深入研究，實現養地和用地相結合。此外，還有部分棉農以家庭取暖和做飯的方式處理棉稈，秸稈薪柴燃燒的年均碳排放量達135. 285 萬t，占總量的50. 73%。2016 年秸稈飼料化的碳排放量為58. 016萬t，占總量的4.46%。

假設將秸稈薪柴燃料、焚燒、其他利用方式的比例（30.4%）均用作發酵沼氣，則秸稈沼氣燃燒的年均碳排放量為0.072萬t，2016年達0.096萬t，雖有小幅度增長，但僅為碳排放總量的0.03%，表明棉花秸稈發酵沼氣是一種低碳化和綠色化的處理方式，能有效降低秸稈薪柴燃料、秸稈焚燒的碳排放量，清潔能源的發展更有利于改善環境質量、提高棉稈資源綜合利用效率。

2017 年中央1 文件提出，要推進農業清潔生產，鼓勵各地加大農作物秸稈綜合利用支持力度，推動大型沼氣池的健康發展，進一步提高農業廢棄物資源綜合利用效率，到2020年，秸稈綜合利用率要達到85%的目標，嚴格依法落實秸稈禁燒制度，推進秸稈全量化綜合利用。南疆棉區棉花秸稈資源總量龐大，其循環利用的成效應與發展低碳農業、轉變農業發展方式、提升農業廢棄物利用效率密切聯系起來。目前，南疆棉區棉花秸稈機械還田比例較高，但利用方式較為粗放，綜合利用率有待提高，距離秸稈綜合利用率85%以上這一目標還有極大的上升空間。綜合考慮農業生產碳減排過程中面臨的環境壓力、農戶技術水平、資金規模及收益效率等因素，“農作物秸稈—沼氣—發酵殘留物還田”的循環利用方式可以成為今后大力發展生物質能源的主要方向。

3 棉花秸稈資源“四位一體”循環農業模式設計與運行

3.1 “四位一體”循環農業模式設計的總體目標

棉花秸稈“四位一體”循環農業模式正是響應了發展低碳經濟的號召，在提高棉花秸稈綜合利用率的同時，從生產、生活的各個環節降低其碳排放量，轉變農業經濟增長方式，竭力推進資源節約、環境友好的低碳農業道路不斷向前。以“秸稈—沼氣—有機肥還田—低碳農業”為主要路徑的“四位一體”循環農業模式，主要以棉花秸稈為原料，畜禽糞便和其他作物秸稈作為輔料，以沼氣開發為核心，以提高棉花秸稈利用效率為根本目標，以低碳化、綠色化為原則，滿足農民和社會大眾的生產、生活需求，并帶動養殖業、林果業、溫室種植、園林綠化等相關產業發展，促進農業生態系統的良性循環。

3.2 “四位一體”循環農業模式設計思路

基于低碳經濟背景，通過對棉花秸稈不同利用方式的碳排放量進行核算，而后假設將秸稈薪柴燃料、秸稈焚燒、其他利用方式均用作發酵沼氣，并計算其碳排放量。由計算結果可知，棉花秸稈發酵沼氣后直接燃燒的碳排放量最少，環境污染程度最低，故本文設計“秸稈—沼氣—有機肥還田—低碳農業”的棉花秸稈“四位一體”循環農業模式（見圖1），該模式以棉花秸稈沼氣開發為中心，輔之以有機肥還田，幫助改善環境質量，實現棉稈資源、沼氣系統和有機肥還田之間的高效循環和低碳農業的健康發展，其運行思路如下：

圖1 低碳背景下棉花秸稈“四位一體”循環農業模式圖

其中

1：大型沼氣池為城市園林綠化提供肥料

2：大型沼氣池為食用菌培育供應原料

3：大型沼氣池為棉田提供肥料

4：棉田（棉花秸稈）為沼氣池提供發酵原料

5：家用沼氣池為棉田提供肥料

6：家用沼氣池為培育玉米、小麥、水稻等作物提供浸種液

7：大型沼氣池為養殖基地、溫室大棚基地、花卉種植基地提供肥料

8：養殖基地、溫室大棚基地、花卉種植基地（廢棄物）為大型沼氣池提供發酵輔料

9：家用沼氣池為林果業、菜園、家庭溫室大棚、家庭養殖提供肥料

10：林果業、菜園、家庭溫室大棚、家庭養殖（廢棄物）為家用沼氣池提供發酵輔料

11：養殖基地、溫室大棚基地、花卉種植基地為社會大眾及農戶提供綠色農產品

12：林果業、菜園、家庭溫室大棚、家庭養殖為社會大眾及農戶提供綠色農產品

13：大型沼氣池用于發電，為社會大眾及農戶提供照明

14：大型沼氣池為社會大眾及農戶提供生產、生活用能（燒鍋爐）

15：大型沼氣池為社會大眾及農戶供暖16：家用沼氣池為社會大眾及農戶供暖17：家用沼氣池為社會大眾及農戶提供照明、做飯等生活用能

3.3 “四位一體”循環農業模式的運行

該模式以發酵沼氣為突破點，將棉花秸稈發酵沼氣與農業生產活動緊密結合，清潔的沼氣可降低對化石能源的依賴，其發酵殘留物（沼渣、沼液）有助于緩解我國鉀肥料資源不足的情況，減少化肥和農藥的施用量，幫助農戶節約種植成本，實現農產品提質增效，增加農戶收入，解決了沼液、沼渣無法完全被充分利用，隨河道排流或隨處堆放等行為造成的二次污染現象，符合低碳農業和生態農業的發展要求。通過去碳技術，支持和引導企業、合作社、農民運用沼氣技術，發揮沼氣、沼渣、沼液的功能，使棉花秸稈循環利用與生態農業的集成發展緊密聯系在一起，轉變農戶傳統生產、生活方式，促進生態經濟的良性循環，從而實現低碳背景下棉花秸稈高效利用和低碳農業健康發展。具體運行方式如下：

（1）實現“棉花秸稈—沼氣池—沼氣發電—提供農戶生產生活用能”的循環路徑

以棉花秸稈為主要原料，輔之以其他農業廢棄物，投入沼氣池，生產出清潔高效的可燃氣體，可用于農戶生產、生活用能，例如：做飯、取暖、家居及溫室照明、提升大棚溫度等方面。按照2016 年南疆棉區可收集棉花秸稈資源量898.646 萬t 進行估算，當年南疆棉花秸稈發酵沼氣潛力為81.957 萬m3，按農業部制定的減排標準（每立方米沼氣燃燒可減少4.17 kgCO2排放量）估算，可減排3 417.61 t CO2。秸稈沼氣發電技術可減少碳排放量，降低碳排放是積極發展新型清潔能源與可再生能源的重要舉措。1 m3沼氣可發電1.8 kW·h 以上，假設將2016 年南疆棉花秸稈生產沼氣的全量81. 957 萬m3用于發電工程，沼氣發電機組每天全負荷運轉，則總發電量約為147.522 6 萬kW·h，既能緩解了能源不足的矛盾，提供了充足的電能和熱能，用于農業機電抽水灌溉及日常照明，又減少了煤炭、柴油等化石燃料的使用，幫助農戶節約生產、生活的成本，提高農村居民的生活質量（詳見圖1中13-17）。

（2）實現“棉花秸稈—沼氣池—沼渣、沼液—肥料化—有機肥還田—果蔬種植”的循環路徑

將棉花秸稈資源通過大型沼氣池發酵沼氣，使秸稈沼氣與農業生產活動緊密結合，其發酵殘留物中的氮、磷、鉀等營養成分較全面，通過加工處理后，沼渣、沼液能夠為城市園林綠化、溫室大棚基地、花卉種植基地、林果業、菜園提供充足的有機肥料，為綠色農產品生產提供條件。一個8 m3的沼氣池每年可提供沼肥30 t，相當于鉀肥200 kg、磷肥500 kg和尿素300 kg，可減少約25%農藥和化肥使用量［25］；按當前化肥市場價格估算，可節約2 350 元開支；一般做基肥每畝用量1 000 kg 左右，糧食或蔬菜可增產15%以上。此外，可根據不同農作物的生長周期，利用水肥耦合技術將沼液用作大田作物的灌溉和施肥。有研究結果表明，沼液通過工廠化的深加工處理后可充當浸種液，培育玉米、小麥、水稻等各類種子，提升種子成秧率，保證秧苗質量，浸種小麥可增產5%～15%，水稻可增產10%～20%［26］，增產增收效果明顯，其作物秸稈又可成為沼氣池的下腳料（詳見圖1中6—12）。

（3）實現“棉花秸稈—沼氣池—沼渣、沼液—飼料化—畜禽糞便—有機肥還田—棉花、果蔬種植”的循環路徑

沼渣能為養殖基地提供營養豐富的飼料原料，促進了生豬出欄、家禽產蛋、奶牛的生產，形成良性循環的食物鏈，為綠色農產品生產提供了條件。根據生豬養殖各階段生長期，按一定比例添加沼渣、沼液至飼料中，大約可節省1/4的飼料成本和育肥時間，節約部分防疫費用，使生豬提前出欄；添加至精飼料中，可使肉雞增重，顯著提高蛋雞的產蛋率。畜禽養殖、溫室大棚基地、花卉種植產生的糞便、秸稈可直接為沼氣池提供下腳料，沼渣及畜禽糞便亦可殺菌發酵后作為棉田、果蔬種植的底肥。被長期發酵的沼渣正是栽培育食用菌的極佳原料，以棉籽殼、麥麩皮等混合料栽培平菇，在蘑菇房中以沼液兌水1∶4 的比例沖施于菌棒，沖施6 次采收6 茬，比清水沖施（對照組）增產47.04%，比單純使用棉籽殼栽培平菇增產效果較顯著［27］，幫助實現農民增收致富。培育完食用菌的蘑菇渣，既可以喂豬，又是一種高質量有機肥，間接實現沼渣第二個層面的利用；豬糞及園林秸稈又可投入沼氣池發酵沼氣，達到沼肥還田、農業廢棄物循環利用的目的，進而節約各項生產成本，實現農民增收，改善農戶生活品質，減少農業廢棄物資源浪費現象，提升其經濟效益和生態效益（詳見圖1中1-10）。

李雪等［28］通過試驗指出，不同秸稈沼氣潛力按產氣量大小排序為青貯玉米秸稈＞水稻秸稈＞干黃玉米秸稈＞煙草秸稈；劉德江等［29］研究表明，水稻秸稈的產氣率和甲烷含量高于小麥、玉米秸稈；攀婷婷、楊立［30-31］等研究發現，不同作物秸稈厭氧發酵產沼氣時，棉花秸稈累積產氣量和甲烷含量提升比例高于水稻秸稈和玉米秸稈。綜合表明，棉花秸稈發酵沼氣具備一定的可實施性，且厭氧發酵的各項指標效果較好。與其他秸稈資源發酵沼氣相比，其主要優勢在于，南疆作為我國棉花主產區之一，棉花秸稈資源總量龐大，就地取材方便；就目前的利用方式而言，其他利用方式的低碳化和綠色化程度還有待提高。朱利群、王舒娟等［32-33］從農戶、政府、企業、市場、勞動力機會成本、機械成本、資金技術等多方面考慮，秸稈制沼氣時的單位秸稈凈收益高于秸稈還田、露天焚燒等。綜合上文分析，表明棉花秸稈適合發酵沼氣，該四位一體循環農業模式能夠提升棉花秸稈循環利用的低碳化和綠色化程度。

4 結論與討論

4.1 結論

近10年來，新疆南疆棉區棉花種植面積和產量逐年增加，相較2007 年環比增長了92.72%和86.36%。2016年我國棉花總產量529.945 2萬t，其中南疆棉花產量達到199.699萬t，占全國總產量的37.68%，占新疆棉花總產量的47.55%。2016年南疆可收集棉花秸稈資源量為898.646 萬t，年均可收集量達670 萬t 以上，表明南疆棉花秸稈資源的利用潛力很大。

2007～2016 年南疆棉區棉稈不同處理方式的年平均碳排放總量為266. 664 萬t；碳排放強度波動幅度較大，年平均碳排放強度為3. 12 t/hm2；2016 年南疆棉區秸稈碳排放總量達413. 806 萬t，按碳排放量由大到小排序為：秸稈薪柴燃料＞秸稈焚燒＞秸稈肥料化＞秸稈飼料化＞秸稈發酵沼氣，由此可說明，秸稈發酵沼氣是最為清潔的利用方式，有利于保護環境，減少秸稈資源浪費。

以棉花秸稈發酵沼氣為中心“四位一體”循環利用模式，即“秸稈—沼氣—有機肥還田—低碳農業”，其循環路徑為“棉花秸稈—沼氣池—沼氣發電—提供農戶生產生活用能”，“棉花秸稈—沼氣池—沼渣、沼液—肥料化—有機肥還田—果蔬種植”，“棉花秸稈—沼氣池—沼渣、沼液—飼料化—畜禽糞便—有機肥還田—棉花、果蔬種植”。該循環路徑整體上能夠實現提高棉花秸稈利用率，降低碳排放量，為綠色農產品的生產提供條件，滿足農民和社會大眾的生產、生活需求，帶動相關產業發展的總體目標，促進棉稈資源的合理、高效、循環利用，推進低碳農業發展及農業生態系統的良性循環。

4.2 討論

本文計算棉花秸稈不同利用方式碳排放量時，由于秸稈飼料化碳排放系數及相關數據收集較困難，所以大致估算了秸稈飼料加工過程中，農業機械消耗柴油的碳排放量，用以代替秸稈飼料化碳排放量；而農業機械的數量則以中等規模飼料加工企業的農業機械平均值6.5臺進行估算，不完全代表秸稈飼料化碳排放量的全部指標。此外，限于新疆地域廣闊及統計數據的缺失，難以找到2016年以前南疆飼料加工企業的完整數據，所以只采用了截止2016年年末飼料加工企業數量，來估算秸稈飼料化碳排放量，估算結果可能與實際結果之間存在一定誤差。此外，現實中棉花秸稈實際用于發酵沼氣的比例難以確定，故本文通過建立假設情境，假設將棉花秸稈用作薪柴燃料、焚燒、其他用途的資源量（30.4%）充分利用于發酵沼氣，計算其碳排放量，并與其他幾種利用方式碳排放量進行對比。文中只粗略估算沼氣燃燒時的碳排放量，暫不考慮沼氣輸送的碳排放情況，其秸稈沼氣潛力大、碳排放量低，與張婷婷等［34］和王藝鵬等［9］的研究結果基本一致，以棉花秸稈發酵沼氣為核心的“四位一體”循環農業模式更有利于提高秸稈資源綜合利用效率，且低碳化、綠色化效果更好。

就總體而言，以低碳農業理論為指導，通過估算棉花秸稈不同利用方式的碳排放量，以碳排量最少的利用方式，即以棉花秸稈發酵沼氣為核心的“四位一體”循環農業模式，其研究結果基本能夠為棉花秸稈資源的循環利用提供一種高效路徑，為南疆棉區棉花秸稈資源的高效循環利用、推進低碳農業的發展和政府決策部門制定相關政策提供較為可靠的參考依據。但在今后研究中，應充分考慮該模式中秸稈發酵沼氣的物流運輸、儲存問題，協調好農戶資金成本能力與勞動力的博弈問題，以及后續沼氣池的維修服務和保障措施等，使該模式的預期效果更佳、運行體系更健全，增強該模式的適應性。