四川省秸稈資源肥料化與能源化利用潛力及生態足跡分析

陳煬，王麗霞，楊毅，王軍英，孫魯翔，楊孝廣，邵蕾

（1.中國農業大學煙臺研究院，山東煙臺 264670；2.煙臺市牟平區畜牧獸醫站，山東煙臺 264100）

伴隨著現代農業規模化、集約化與產業化的發展，農業廢棄物的產生量呈現快速增長態勢［1］。2015年底，全國農作物秸稈可收集資源量達9億t［2］。但由于我國秸稈資源分布零散、體積龐大且運輸收集成本較高，導致秸稈出現過剩問題，農民在田間焚燒秸稈的現象屢禁不止［3］。2017年農業部制定了《開展果菜茶有機肥替代化肥行動方案》，提出要以果菜茶生產為重點，實施有機肥替代化肥，推進資源循環利用。我國農業部發布的《全國農村沼氣發展“十三五”規劃》中顯示，2015年我國農作物可供沼氣生產利用的秸稈資源量約1.8億t，沼氣生產潛力約為500億m3。據韋茂貴等的研究，四川省年均秸稈產量為3 517.41萬 t（2007—2009年），占全 國 的5.4%［4］。劉培川等［5］的研究指出，2015年全年四川省共發生14次秸稈大面積集中焚燒污染，共計48天，焚燒期間PM2.5平均濃度為77.5μg／m3，超過國家二級年平均標準濃度 （35μg／m3）1.2倍，秸稈焚燒對全省PM2.5貢獻比例為3.11%。因此，判斷四川省秸稈利用方式的合理性，促進秸稈的肥料化、能源化利用具有實際意義。本研究根據《四川統計年鑒2019》中農作物產量概算出各地級市秸稈資源量，并通過秸稈的養分含量系數和原料產氣率估算作物秸稈肥料化及能源化利用潛力，結合能值理論，分析生態足跡特征，為秸稈肥料化、能源化綜合利用及不同利用方式下秸稈生態足跡分析提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

《四川統計年鑒2019》顯示，2018年四川省稻谷、小麥、玉米、豆類、薯類的產量之和占糧食作物總產量的98.89%，花生、油菜籽的產量之和占油料作物總產量的99.27%。因此本文選取這7種主要農作物（稻谷、小麥、玉米、豆類、薯類、花生、油菜籽）作為研究對象。

1.2 參數確定

1.2.1 秸稈資源量的計算 秸稈的資源量由作物經濟產量乘以草谷比計算獲得。草谷比是指作物田間秸稈產量與經濟產量之比，即作物副產品與主產品產量之比。據王亞靜等［6］的研究，由于秸稈在收集、儲運等過程中會發生損耗，因此在計算秸稈可收集利用量時應引入可收集利用系數。秸稈可收集資源總量計算公式如下：

式中，Qn表示當年n種農作物田間秸稈可收集資源總量；Ai表示當年i作物的經濟產量；ki表示i作物相應的草谷比，取值根據文獻［7］、［8］；ci表示i作物相應的可收集系數，取值根據文獻［9］、［10］。各種作物的可收集系數和草谷比見表1。

表1 各種農作物秸稈可收集系數和草谷比

1.2.2 秸稈肥料化利用 秸稈養分含量系數（干基）參考《中國有機肥料養分志》［11］（表2）。由作物經濟產量乘以草谷比獲得的秸稈可收集利用量為鮮基質量，計算養分含量時需根據秸稈的干物質含量將秸稈鮮基質量折算為干基質量［12］。

表2 秸稈干物質含量及養分含量系數（烘干基） （%）

1.2.3 秸稈能源化利用 秸稈產沼氣潛力為秸稈干物質含量與原料產氣率的乘積，原料產氣率參考王藝鵬等［12］的研究結果（表3）。

表3 秸稈原料產氣率及熱值

1.2.4 秸稈生態足跡分析 基于能值理論，選取四川省秸稈量最大的3種農作物（稻谷、玉米、油菜籽）作為研究對象，將不同能量流通過能值轉換率換算成太陽能值，利用能值密度將不同利用形式的太陽能值折算成對應的生物生產性土地面積，計算出研究區域內的生態足跡和生態承載力［13］。

秸稈能值依據其能量折算系數和太陽能值轉換率計算得出，其計算公式如下：

式中，E為作物秸稈的能值（sej）；S表示作物秸稈的可收集量（t）；Cv為秸稈能量折算系數，即熱值（J／t），本研究采用的不同作物秸稈熱值（表3）見參考文獻［8］；t為秸稈能值轉換率，據程曼等［13］的研究，其值取 3.46×104sej／J。

四川省某種作物的秸稈人均生態承載力由下式計算得出：

式中，Ec表示四川省某種作物秸稈的人均生態承載力（hm2）；Ea為四川省人均消耗該種秸稈的能值（sej），由該種作物秸稈的能值除以四川省農業人口數量得出；ρ1表示全國該種作物秸稈的能值密度（sej／hm2）；Eb表示該種作物秸稈的能值（sej），s為全國該種作物的播種面積（hm2）。

四川省某種作物秸稈不同利用方式的人均生態足跡由下式計算得出：

式中，Ef為四川省某種作物秸稈不同利用方式的人均生態足跡（hm2）之和；i表示秸稈利用方式種類；ei為四川省第i種利用方式的人均秸稈能值（sej），由四川省人均消耗該種作物秸稈的能值（sej）乘以第i種利用方式所占的比例得出；ρ2為四川省該種農作物秸稈的能值密度（sej／hm2），由四川省該種農作物秸稈的能值（sej）除以播種面積（hm2）而得。

人均生態赤字／盈余由人均生態承載力減去人均生態足跡得出。

2 結果與分析

2.1 四川省各地級市（自治州）秸稈資源量以及肥料化和能源化利用潛力分析

2.1.1 秸稈資源量分析 2018年四川省7種主要農作物產生的秸稈總量為3 038.74萬t（表4），其中稻谷、小麥、玉米、豆類、薯類、花生、油菜籽秸稈資源量分別占四川省秸稈總量的29.99%、6.95%、32.67%、3.40%、6.37%、2.27%、18.34%。21地市（自治州）中秸稈資源量前3位為南充市、達州市、綿陽市，分別為 282.66萬、268.76萬、248.31萬 t，分別占四川省秸稈資源總量的9.30%、8.84%、8.17%；南充市小麥、玉米、花生秸稈資源量最大，分別為 20.91萬、98.28萬、11.45萬t，分別占全省小麥、玉米、花生秸稈資源量的 9.90%、9.90%、16.57%；綿陽市油菜籽秸稈資源量最大，為68.64萬t，占全省油菜籽秸稈資源量的12.32%。

表4 四川省各地市秸稈資源肥料化和能源化利用潛力

2.1.2 秸稈肥料化利用分析 為計算秸稈的肥料化利用經濟效益，將作物秸稈中的氮、磷、鉀折算成尿素（46-0-0）、過磷酸鈣（0-12-0）、硫酸鉀（0-0-50），按照尿素 1 600元／t、過磷酸鈣1 000元／t、硫酸鉀3 000元／t，計算秸稈還田可替代化肥的經濟效益；并根據《NY525—2012有機肥料》中規定的有機質含量≥45%、水分含量≤30%來計算秸稈折算成有機肥的量。通過計算秸稈肥料化所替代的化肥和有機肥的量分析秸稈肥料化潛力。

四川省秸稈總氮（N）量、總磷（P2O5）量和總鉀（K2O）量分別為25.83萬、3.67萬、41.28萬 t，折算成尿素、過磷酸鈣、硫酸鉀的量分別為56.16萬、30.57萬、82.56萬 t；有機質總量為 2 105.59萬t，折算成有機肥的量為6 684.41萬t；秸稈還田可減少化肥投入36.81億元。秸稈中有機質折算成有機肥的量占前3位的是南充市、達州市和綿陽市，分別為 624.45萬、586.81萬、549.63萬t，分別占四川省有機肥折算總量的 9.34%、8.78%、8.22%。達州市、南充市和綿陽市秸稈還田代替化肥的經濟折算分別為3.41億、3.37億、2.84億元，分別占四川省經濟折算總量的9.26%、9.16%、7.72%（表4）。

2.1.3 秸稈沼氣潛力分析 2018年四川全省沼氣潛力總計132.53×108m3（表4）。根據每立方米沼氣的燃燒值相當于0.71 kg標準煤測算［14］，相當于940.96萬t標準煤。21地市中沼氣潛力前3位為南充市、達州市、綿陽市，分別為12.39×108、11.55×108、10.90×108m3，分別占四川省沼氣總潛力的 9.35%、8.72%、8.22%；阿壩藏族羌族自治州沼氣潛力最小（0.56×108m3），占四川省沼氣總潛力的0.42%。

2.2 秸稈人均生態足跡和生態承載力分析

據《四川省十三五秸稈綜合利用規劃（2016—2020年）》，2018年四川省秸稈資源主要用于秸稈還田、飼料化、能源化、基料化、原料化等幾個方面，分別占秸稈資源總量的44.00%、17.20%、14.77%、5.20%、4.10%。不同利用方式下，3種秸稈的生態足跡均表現為秸稈還田＞飼料化＞能源化＞其它＞基料化＞原料化（表5）。3種秸稈類型中，稻谷秸稈的人均生態足跡和人均生態承載力均最大，分別為3.201×10-2、3.596×10-2hm2；稻谷、油菜籽秸稈產生生態盈余，分別為0.395×10-2、0.384×10-2hm2；玉米秸稈產生生態赤字，為-0.192×10-2hm2。

表5 四川省秸稈不同利用方式的生態足跡 （×10-2 hm2）

3 討論與結論

3.1 秸稈肥料化利用潛力分析

2018 年四川省主要農作物秸稈可收集利用量總計 3 038.74萬 t，折算成有機肥的量為6 684.41萬 t，秸稈還田可減少化肥投入 36.81億元。南充市、達州市和綿陽市秸稈折算有機肥的量和替代化肥的經濟折算量均處于全省前3位。秸稈還田不僅可以減少化肥投入、提高土壤有機質含量，還可減少溫室氣體排放、降低環境污染［17］。四川省秸稈資源豐富，可通過規范秸稈機械化粉碎還田技術、加大對秸稈還田的補貼、完善農機配套、推進秸稈肥料商品化等措施來促進秸稈還田，實現秸稈資源的循環利用［18］。

3.2 秸稈能源化利用潛力分析

四川省2018年全年沼氣潛力為132.53×108m3，相當于940.96萬t標準煤。四川省農業人口為5 850.30萬人，每人可獲得沼氣資源226.54 m3，相當于160.84 kg標準煤。四川省秸稈沼氣潛力前3位分別為南充市、達州市、綿陽市。四川省可充分利用秸稈資源，以農村沼氣轉型升級為契機，科學開展規模化生物天然氣工程建設［19］；應因地制宜，針對秸稈資源集中區域，可重點采用秸稈沼氣集中供氣工程的發展模式；對于秸稈分散的區域，可考慮重點發展秸稈基料化與氣化相結合技術模式或者秸稈-沼氣-農業基地等循環農業模式［20］。

3.3 生態足跡分析

四川省3種主要作物秸稈利用呈現生態盈余，人均總生態足跡為8.458×10-2hm2，人均總生態承載力為9.044×10-2hm2，人均總生態盈余為0.587×10-2hm2。這說明四川省主要作物秸稈的整體利用方式比較合理。3種作物秸稈類型中，玉米秸稈利用產生生態赤字，稻谷、油茶籽秸稈則均產生生態盈余。這說明四川省稻谷、油菜籽秸稈利用處于其生態系統的承載能力之內，存在一定程度的秸稈消納空間；而玉米秸稈利用的生態足跡偏大，超出了其生態系統的生態承載力，說明玉米秸稈的利用方式存在一定程度上的不合理。當地應該整體加大玉米秸稈還田的比例，促進玉米秸稈肥料化、能源化利用，同時減少玉米秸稈的焚燒比例，從而使玉米秸稈利用產生生態盈余。各地級市需因地制宜，根據實際情況，合理安排“五料化”利用的優先時序，從而真正實現秸稈資源的高效循環利用［21］。