秸稈綜合利用減排固碳貢獻與潛力研究

霍麗麗 姚宗路 趙立欣 羅 娟 張沛禎

(1.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所， 北京 100081；2.中國農業科學院農業農村碳達峰碳中和研究中心， 北京 100081)

0 引言

中國農作物秸稈資源量大面廣，據農業農村部統計，2020年全國秸稈資源總量8.56×108t，可收集資源量7.22×108t，秸稈綜合利用率達到87.6%，但仍有約8.9×107t秸稈未被有效利用，露天禁燒防控壓力大[1-2]。推進秸稈綜合利用，能夠顯著減少秸稈露天焚燒和隨意堆棄產生的溫室氣體(GHG)排放，是耕地質量提升、農業農村污染治理的重要內容，有利于提升農田土壤碳匯、替代化石能源，是促進農業農村減排固碳、實現農業綠色低碳發展、建設生態宜居鄉村的重要舉措。

中國力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和[3]，農業農村減排固碳既是碳達峰、碳中和的重要舉措，也是潛力所在。2014年中國農業溫室氣體排放總量約為8.3×108tCO2e(CO2當量，下同)，占全國的7%左右，如果加上農業生產用能和生活用能的排放，中國農業農村溫室氣體排放量占全國溫室氣體排放量的15%左右[4-6]。農業農村領域的非二氧化碳溫室氣體排放占比高，農業活動CH4排放約占全國的43%、N2O排放約占60%[4]。

秸稈綜合利用包括肥料、飼料、燃料、基料和原料等五料化利用，秸稈利用與農業生產、農村生活緊密聯結，可有效提升農業農村減排固碳的能力，能夠為農業種植、畜牧養殖提供肥料與飼料，直接或間接還田可提高土壤固碳能力，增加土壤碳匯；能夠生產成型燃料、沼氣/生物天然氣等燃料化利用，為農村生活取暖炊事提供燃料，替代生產生活使用的煤炭等化石能源，減少溫室氣體排放；還能夠為菌菇生產提供基料，以及為造紙、板材等提供原料，從而減少林木砍伐，提高森林碳匯。因此，秸稈綜合利用對農業農村減排固碳貢獻潛力和空間較大，需要深入挖掘、充分利用。目前，秸稈綜合利用仍存在溫室氣體排放基數不明、底數不清等問題，為科學評價秸稈綜合利用的減排固碳底數及未來潛力，本文研究基于IPCC指南(2006年)溫室氣體排放核算理論框架，構建秸稈綜合利用減排固碳評價方法，明確邊界設定、核算不同技術的排放因子，研究秸稈綜合利用減排固碳貢獻，并根據秸稈利用潛力、設定不同情景，分析預測秸稈減排固碳潛力，為加強秸稈科學利用、促進農業減排固碳提供技術支撐。

1 評價方法

1.1 評價范圍

根據IPCC指南(2006年)，秸稈綜合利用過程其自身的CO2排放不計入溫室氣體排放核算中，認為其利用釋放的CO2與作物生長吸收的CO2形成循環[7]。秸稈綜合利用的溫室氣體排放源主要包括秸稈從農作物收獲后還田，離田收儲運、加工轉化與利用以及副產物還田等全過程的溫室氣體排放。采用全生命周期評價方法核算溫室氣體排放量[8]，忽略農作物生長過程各類能源及化學品投入的溫室氣體排放，研究主要考慮了農作物收獲后，秸稈還田、離田利用全過程的煤炭、燃油、電力等化石燃料消耗的排放，未考慮土地利用變化、作物種植、還田和收儲運過程所用設備加工制造能耗、轉化及利用的廠房建設與設備加工制造能耗、秸稈利用設施加工及安裝能耗等[9-11]。秸稈綜合利用的溫室氣體減排源主要包括秸稈直接或間接還田農田土壤碳匯、秸稈利用減少林木砍伐的森林碳匯，以及秸稈直接或間接能源利用抵扣化石能源的CO2減排。此外，研究還考慮了秸稈露天焚燒過程CH4、N2O、NOx和CO等直接和間接溫室氣體排放，以及秸稈露天堆放自然腐解的CH4和N2O溫室氣體排放。

1.2 邊界設定

秸稈綜合利用的核算邊界包括肥料(含根茬還田)、飼料、燃料、基料和原料等五料化利用的秸稈，以及露天焚燒、堆放自然腐解等未被有效利用的秸稈。秸稈資源量與利用現狀數據來源于農業農村部門相關統計數據，秸稈種類主要包括早稻、中稻和一季晚稻、雙季晚稻、小麥、玉米、馬鈴薯、甘薯、花生、油菜籽、大豆、棉花、木薯、甘蔗等13種。秸稈五料化利用溫室氣體核算邊界如表1所示。

表1 秸稈五料化利用溫室氣體核算邊界Tab.1 Accounting boundary range of GHG emissions from straw utilization

秸稈肥料化利用溫室氣體核算包含秸稈還田過程的農機燃料消耗溫室氣體排放，以及秸稈還田有機碳固碳的土壤碳匯，未核算秸稈還田腐解過程的N2O排放。

秸稈飼料化利用溫室氣體核算包括秸稈收儲運與加工飼料過程、畜禽糞污堆肥與還田過程等消耗的化石燃料的排放，以及秸稈消化后間接還田的土壤碳匯。土壤碳匯參考秸稈直接還田測算方法，未核算畜禽糞污還田腐解過程的N2O排放。研究暫不考慮反芻動物飼養過程腸道發酵產生的CH4排放以及糞便收儲運管理過程中產生的CH4與N2O排放，根據IPCC指南(2006年)將其納入畜牧養殖和糞便管理的排放核算中。

秸稈燃料化利用溫室氣體核算的排放源從秸稈收儲、加工到能源產品終端應用，以及副產物利用等全鏈條外部能源消耗產生的溫室氣體排放；抵扣化石能源減排主要是替代煤炭等化石能源的溫室氣體CO2當量(包括CO2、CH4、N2O等)；副產物土壤碳匯主要包括秸稈炭氣聯產、秸稈沼氣等技術的副產物(如生物炭、沼渣沼液)還田的土壤固碳。未核算副產物還田腐解過程的N2O排放。

秸稈基料化利用溫室氣體核算的排放源主要包括秸稈收儲、加工與利用以及副產物利用(廢菌棒堆肥還田)全過程的外部能源消耗的溫室氣體排放；碳匯源包括通過生產食用菌基質減少采伐林木增加森林碳匯，以及廢菌棒堆肥還田的土壤碳匯。未核算廢菌棒還田腐解過程的N2O排放。

秸稈原料化利用溫室氣體核算的排放源主要包括秸稈收儲、加工與利用以及廢舊人造板材和廢紙張回收利用全鏈條過程的外部能源消耗的溫室氣體排放；碳匯源包括通過秸稈生產板材和紙張減少采伐林木增加森林碳匯，以及廢舊人造板材和廢紙張能源利用抵扣的化石能源排放。

秸稈露天焚燒溫室氣體排放主要包括CH4、N2O等直接排放源和CO、NOx等間接排放源。IPCC指南(2006年)第7章前體物與間接排放中描述了CO、NOx排放最終會在大氣中被轉化成CO2或N2O，可將NO和NO2折合為N2O，將CO折合為CO2核算溫室氣體排放。秸稈自然堆放溫室氣體排放主要是秸稈在微生物作用下腐解過程釋放的CH4和N2O。

1.3 核算方法

秸稈綜合利用評價的溫室氣體主要包括CO2、CH4、N2O 3類，為統一衡量溫室氣體排放，采用全球增溫潛勢將溫室氣體換算成CO2當量計算，參考《IPCC第五次評估報告》中溫室氣體的100年時間尺度下的全球增溫潛勢，CO2、CH4、N2O的全球增溫潛勢(GWP)分別為1、28和265[4]。

秸稈利用溫室氣體排放量計算公式為

EGHG,ft=∑(FC，ftEFGHG,ft)+SBGGHG,ef+STHGHG,ef

(1)

其中

EFGHG,ft=HFGHG,ft-CS,Farm-CS,Forest-AE,Fossil

(2)

HFGHG,ft=∑[HEiλj(WjCO2+GCH4WjCH4+GN2OWjN2O)]

(3)

CS，Farm=44Corg,k(1-λk)ηk/12

(4)

CS，Forest=44Corg,kY/12

(5)

AE，Fossil=Emτ

(6)

式中EGHG,ft——秸稈利用全過程的溫室氣體(GHG)排放量，t

FC，ft——每種技術的秸稈利用量，t

EFGHG,ft——每種技術的秸稈利用GHG排放因子

SB——秸稈露天焚燒量，t

GGHG,ef——秸稈露天焚燒GHG排放因子

ST——秸稈自然堆放量，t

HGHG,ef——秸稈自然堆放GHG排放因子

HFGHG,ft——單位秸稈從作物收獲后還田，離田收儲運輸、加工轉化與利用以及副產物還田等全過程的GHG排放量，t

CS,Farm——單位秸稈直接或間接還田農田土壤碳匯量，t

CS,Forest——單位秸稈利用過程中減少林木砍伐的森林碳匯量，t

AE,Fossil——單位秸稈燃料利用抵扣化石能源的GHG減排量，t

HEi——第i類二次能源(含電力)或化學品生產所消耗的能源量

λj——二次能源(含電力)或化學品生產第j類能源消耗占總能源消耗的比例

WjCO2——第j類能源CO2排放系數

WjCH4——第j類能源CH4排放系數

WjN2O——第j類能源N2O排放系數

GCH4——CH4全球增溫潛勢

GN2O——N2O全球增溫潛勢

i——秸稈從作物收獲后還田，以及離田收儲運輸、加工轉化與利用、副產物還田等全過程能源或化學品的類型序號

j——各類物質消耗的能源類型序號

Corg,k——單位秸稈(干物質)總有機碳含量

λk——秸稈利用過程被分解或消化的秸稈所占的百分比

ηk——秸稈直接或間接還田有機碳固定在土壤中的比例

k——不同秸稈利用方式序號

Y——林木資源的碳轉換周期，即林木采伐周期30年與100年增溫尺度之比，本研究Y取值為0.3

Em——單位秸稈直接或間接能源利用所抵扣化石能源的量

τ——抵扣化石能源的GHG排放因子

秸稈露天焚燒GHG排放因子，參考IPCC指南(2006年)第4卷第4章農田中的源自生物質燃燒的非二氧化碳排放核算方法。秸稈自然腐解GHG排放因子，參考IPCC指南(2006年)第5卷第4章《固體廢棄物的生物處理》提供的廢棄物生物處理中的堆肥方式CH4和N2O排放進行測算。

2 秸稈綜合利用減排固碳貢獻現狀

2.1 不同秸稈利用技術的排放因子

2.1.1秸稈肥料化

秸稈肥料化利用方式主要包括根茬還田、粉碎覆蓋還田、深翻還田和旋耕還田等技術。相關研究表明，采用DNDC模型對農田土壤碳庫進行估算，發現中國農田土壤碳庫正以7.38×107t/a(C當量)的速度減退，說明中國農田土壤碳庫容量還遠達不到飽和，農田土壤碳庫增加潛力巨大，秸稈還田后，有8%～35.7%的有機碳以土壤有機碳的形式保存于土壤碳庫中[12-15]。有研究采用Meta法分析了秸稈持續還田對中國農田土壤有機碳的影響，與秸稈不還田相比，秸稈還田可以顯著提高土壤有機碳含量，平均可提高13.97%±1.38%[16-18]。

基于文獻[19-21]研究，假設秸稈還田有機碳固定于土壤中的比例按10%計，秸稈總有機碳含量按0.4計，核算出秸稈還田的土壤碳匯量為146.8 gCO2e/kg。根據調研數據測算，秸稈根茬還田、粉碎覆蓋還田、深翻還田、旋耕還田等還田過程農機燃料消耗產生的溫室氣體排放因子分別為4.38、10.52、28.05、21.4 gCO2e/kg。經測算秸稈根茬還田、粉碎覆蓋還田、深翻還田、旋耕還田排放因子分別為-142.3、-136.1、-118.6、-125.6 gCO2e/kg。

2.1.2秸稈飼料化

秸稈飼料化利用主要方式為干秸稈粗飼料，研究暫不考慮玉米全株青貯飼料。有研究顯示，施用氮磷鉀+農家肥的地塊總有機碳儲量比氮磷鉀和休耕地塊分別增加了25%和45%[22]。在黑龍江省肇州縣的研究發現，有機肥施用后土壤有機碳總量中來源于玉米殘茬的比例為14.36%，來源于有機肥的比例為25.92%，土壤原有有機碳比例為59.72%[23]。在江西紅壤長期定位實驗站的研究表明，紅壤施用有機肥后，玉米秸稈源的有機碳比例約為11.0%，有機肥源的有機碳比例約為21.0%[24]。可以看出，畜禽糞便還田的固碳效果優于秸稈直接還田，其有機碳固碳率為20%～30%。

基于IPCC指南(2006年)，反芻動物的消化率為55%；糞污有機碳的農田固碳率按20%計，測算秸稈飼料化利用間接還田固碳量為132.0 gCO2e/kg。據前期調研秸稈飼料利用全過程能源消耗測算，秸稈收儲運溫室氣體排放因子為27.53 gCO2e/kg，加工與利用過程中的溫室氣體排放因子為21.04 gCO2e/kg，畜禽糞污堆肥還田溫室氣體排放為25.65 gCO2e/kg。因此，干秸稈粗飼料溫室氣體排放因子為-57.8 gCO2e/kg。

2.1.3秸稈燃料化

秸稈燃料化利用主要包括成型燃料、打捆供暖、沼氣/生物天然氣、熱解炭氣聯產、熱電聯產、秸稈直燃發電、燃料乙醇等技術。替代化石能源采用抵扣煤炭(折合標準煤)的熱量計算，基于原煤的單位熱值含碳量為26.37 g/MJ，碳氧化率為0.94，基于《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》，參考《中國發電企業溫室氣體排放測算方法與報告指南(試行)》中煤炭排放因子的相關測算方法，原煤的CO2排放因子為90.89 gCO2/MJ，CH4和N2O排放量較小，忽略不計；1 t標準煤(tce)單位熱量為29 307.6 MJ，折合1 t標準煤的溫室氣體排放因子為2.663 7 tCO2e。秸稈成型燃料、打捆供暖、熱電聯產、秸稈直燃發電、燃料乙醇、規模化沼氣/生物天然氣、熱解炭氣聯產技術替代煤炭的溫室氣體減排量分別為1 117.39、1 031.44、932.18、327.2、421.7、570.49、496.19 gCO2e/kg，如表2[9-11，25-30]所示。

表2 秸稈燃料化利用的GHG測算相關參數Tab.2 GHG calculation related parameters for straw fuel utilization

不同秸稈利用技術的GHG排放有一定差異，成型燃料、打捆供暖、直燃發電/熱電聯產、燃料乙醇、規模化沼氣/生物天然氣、熱解炭氣聯產技術的轉化與利用過程溫室氣體排放量分別為90.4、41.8、85.5、131.4、138.5、146.1 gCO2e/kg。規模化沼氣/生物天然氣、熱解炭氣聯產技術的副產物還田土壤碳匯量分別為513.4、803.5 gCO2e/kg。因此，秸稈成型燃料、打捆供暖、熱電聯產、直燃發電、燃料乙醇、規模化沼氣/生物天然氣、熱解炭氣聯產技術的溫室氣體排放因子分別為-1 027.0、-990.8、-845.97、-241.4、-264.7、-945.4、-1 153.6 gCO2e/kg。

2.1.4秸稈基料化

秸稈基料化主要利用方式為食用菌栽培和廢菌渣堆肥還田。相關研究表明，用稻草、豆秸部分替代闊葉樹鋸末栽培黑木耳，秸稈替代比例為25%～35%時，菌絲、子實體生長方面與闊葉樹鋸末栽培基本相同[31]，因此秸稈基料利用可替代部分林木資源。經測算，秸稈基料化利用替代林木資源的森林碳匯量為462 gCO2e/kg。菌菇生產過程碳損失率為30%[32-33]，假設菌菇有機碳的農田固碳率等于秸稈還田固碳率，按10%計，廢菌渣還田的土壤碳匯為136.1 gCO2e/kg。秸稈基料化的收儲運、加工利用、廢菌棒堆肥還田的排放量分別為27.5、88.0、25.7 gCO2e/kg。因此，秸稈基料化利用溫室氣體排放因子為-457.0 gCO2e/kg。

2.1.5秸稈原料化

秸稈原料化以人造板材和造紙利用為主，目前，廢舊秸稈人造板材或秸稈紙張最終處理途徑主要用于燃燒發電。人造板消耗原木材量為1.1 m3/m3，1 kg人造板消耗秸稈量為1.5 kg，人造板密度為650 kg/m3[34-35]，秸稈人造板原料化利用替代木材砍伐的森林碳匯量為308 gCO2e/kg。廢舊人造板能源利用，根據IPCC指南(2006年)其回收率為97.7%，秸稈人造板發熱量假設與秸稈發熱量相等，按14.6 MJ/kg計，減排量參照秸稈成型燃料抵扣化石能源碳減排量計算，廢舊人造板替代化石能源的溫室氣體減排量為574 gCO2e/kg。秸稈人造板的收儲運、加工利用、廢舊板材能源利用的排放量分別為27.5、122.0、63.0 gCO2e/kg。因此，秸稈原料化人造板的溫室氣體排放因子為-669.6 gCO2e/kg。

秸稈造紙假設生產秸稈紙產品等效替代等量的木材紙產品，即生產1 t秸稈紙可以減少因生產1 t木材紙產品所需消耗的木材的采伐量，1 t秸稈可生產紙產品為0.628 t[36-37]。秸稈造紙替代木材砍伐的森林碳匯量為290.1 gCO2e。假設廢舊秸稈紙張與秸稈的發熱量相當，抵扣化石能源減排量參照秸稈成型燃料抵扣化石能源碳減排量計算，秸稈紙張量與秸稈造紙利用量(干物質)之比為22/35[38]，根據IPCC指南(2006年)給出紙制品丟棄率為34.2%，廢舊紙張回收率65.3%，廢舊秸稈紙張能源利用抵扣化石能源減排量為383.6 gCO2e/kg。秸稈造紙的收儲運、加工利用、廢紙張能源利用的排放量分別為27.5、1 004.6、63.0 gCO2e/kg。因此，秸稈原料化造紙的溫室氣體排放因子為421.3 gCO2e/kg。

2.1.6秸稈露天焚燒與堆放自然腐解

根據IPCC指南(2006年)給出農田殘余物露天焚燒的燃燒因子Cf，小麥秸稈為0.90、玉米秸稈為0.80、水稻秸稈為0.80。根據我國國情，2020年小麥秸稈機械化收獲率約97%[39]，機械化收獲時將秸稈直接粉碎還田，焚燒量極少，因此燃燒因子Cf取0.8。按IPCC指南(2006年)給出的缺省值計算，折合溫室氣體排放量為872.4 gCO2e/kg。基于現有文獻數據[40-45]，采用箱線圖中位數計算，秸稈露天焚燒的CH4排放量為4.0 g/kg，N2O排放量為0.07 g/kg，NOx排放量為2.2 g/kg，CO排放量為69.25 g/kg，折合溫室氣體排放因子為802.0 gCO2e/kg。其中，直接排放源溫室氣體排放量為130.4 gCO2e/kg，間接排放量為671.6 gCO2e/kg。按照IPCC指南(2006年)推薦采用實測值，因此取排放因子為802.0 gCO2e/kg。秸稈自然腐解參考IPCC指南(2006年)第5卷第4章中固體廢棄物的生物處理，廢棄物堆肥產生的CH4排放量為0.08～20 g/kg，平均值為10 g/kg，N2O排放量為0.2～1.6 g/kg，平均值為0.6 g/kg，基于平均值計算，秸稈自然腐解折合溫室氣體排放因子為439.0 gCO2e/kg。

2.1.7不同技術對比分析

不同秸稈綜合利用技術的溫室氣體排放量差異較大，溫室氣體排放因子和組成如圖1、2所示。

圖1 各類技術溫室氣體排放因子Fig.1 GHG emission factors of different technologies

圖2 各類技術溫室氣體排放組成Fig.2 Composition of GHG emissions of different technologies

燃料化利用技術普遍優于其他利用技術，主要是秸稈燃料化利用直接替代化石能源的減排貢獻，熱解炭氣聯產、成型燃料、打捆供暖、沼氣+沼渣沼液還田技術的溫室氣體減排優勢明顯。生物質發電技術增加余熱利用可顯著提升能源利用效率，溫室氣體減排仍有較大增長空間；燃料乙醇技術溫室氣體減排量較其他能源技術略低，仍待技術突破提升能源轉化率以及副產物低碳循環利用。木腐菌類食用菌栽培和人造板技術的溫室氣體減排量僅次于秸稈燃料化利用技術，二者在減少木材砍伐的森林碳匯作用方面優勢顯著，食用菌廢菌渣可還田固碳產生土壤碳匯，人造板廢棄后可燃料化利用替代化石能源。秸稈直接還田和秸稈飼料間接還田技術均具有一定的土壤碳匯作用。秸稈造紙利用技術表現為正向碳排放，其森林碳匯和能源替代的碳減排無法全部抵消利用過程的碳排放。

2.2 秸稈綜合利用減排固碳貢獻

2020年全國秸稈產生量為8.56×108t，可收集量為7.22×108t，利用量為6.33×108t，秸稈綜合利用率達到87.6%。肥料化、飼料化、燃料化、基料化、原料化利用量占秸稈可收集資源量的比例分別為62.1%、15.4%、8.5%、0.7%和1.0%。據相關研究及統計數據顯示，2015年秸稈露天焚燒量約為8.11×107t，約占秸稈可收集資源量9.0%[46-47]；據生態環境部衛星遙感監測，2019年全國秸稈焚燒火點數比2015年下降了42%[48]，若按此比例計算，2020年秸稈露天焚燒量約為4.7×107t，約占秸稈可收集資源量的6.5%。

2020年秸稈綜合利用溫室氣體凈減排貢獻為7.0×107tCO2e，其中，秸稈五料化利用的溫室氣體減排量為1.26×108tCO2e，露天焚燒和自然腐解的溫室氣體排放量為5.6×107tCO2e。

從五料化利用結構分析，2020年，秸稈肥料化、飼料化、燃料化、基料化、原料化利用的溫室氣體減排量分別為7.9×107、5×106、3.8×107、4×105、3×106tCO2e，占比分別為62.7%、4.4%、30.0%、0.4%、2.6%。肥料化和燃料化利用的減排量最高，占總減排量的92.7%，溫室氣體減排貢獻較大。2020年秸稈露天焚燒溫室氣體排放量為3.8×107tCO2e，自然腐解溫室氣體排放量為1.8×107tCO2e，如圖3所示。

圖3 2020年秸稈綜合利用的溫室氣體排放量Fig.3 GHG emissions from utilization of straw in 2020

溫室氣體排放與減排結構分析如圖4所示， 2020年秸稈綜合利用過程的溫室氣體排放總量為2.9×107tCO2e。秸稈利用溫室氣體減排源主要包括提高農田固碳的土壤碳匯、減少木材砍伐森林碳匯、抵扣化石能源的CO2減排，減排總量為1.55×108tCO2e，其中土壤和森林碳匯占比為69.2%，抵扣化石能源占比為30.8%。

圖4 秸稈五料化利用的溫室氣體組成Fig.4 GHG composition of comprehensive utilization of straw

3 秸稈綜合利用減排固碳潛力預測

3.1 秸稈資源量與利用預測

“十四五”期間，我國耕地總面積基本穩定在1.2×108hm2以上，糧食播種面積穩定在1.1×108hm2以上，為保障糧食安全，糧食產量要實現穩中有增，年產量需穩定在6.5×109t以上。目前棉花、油料、糖類等作物播種面積約1.78×107hm2，未來產量也將略有增加。基于中國農業科學院農業經濟與發展研究所與國際食物政策研究所(IFPRI)共同開發的中國農業產業模型(China agriculture sector model，CASM)，預測到2060年，糧食產量增長率約8.4%，棉花、油料及糖類作物產量增長率約14.5%。根據糧食產量測算出到2030年我國秸稈年產生量9.0×108t左右，到2060年將達到1.0×109t左右。按秸稈可收集率為87%計，預測2030年、2060年的秸稈可收集資源量分別約為7.8×108t和8.8×108t。

未來將持續推進秸稈綜合利用，在保障農田土壤有機質含量和養殖飼料需求的基礎上，促進秸稈燃料化、基料化和原料化等多元化利用，預計秸稈綜合利用率將保持穩定增加，直至達到全部資源化利用。為保證糧食穩產增產，保障耕地土壤肥力，我國不同區域應保證適宜數量的秸稈還田。根據現有研究結果，在土壤有機質含量為1%、年礦化率2%、腐殖化系數20%情況下，為維持和逐步提高土壤有機質含量，每年需給土壤補充16.7～33.3 kg/hm2干秸稈[49-53]。不同地區的秸稈還田比例占秸稈產生量的50%～70%較為適宜，不同作物、不同土壤類型的秸稈還田量有一定差異。根據不同區域還田需求進行測算，各區域的秸稈適宜的還田量分別為：華北區33.3 kg/hm2、長江中下游區29.1 kg/hm2、東北區27.3 kg/hm2、西北區26.7 kg/hm2、華南區21.0 kg/hm2、西南區15.3 kg/hm2。因此，測算出全國秸稈肥料化利用總量應不低于4.9×108t。基于糧食、油料、棉花等作物的產量變化趨勢，預計到2030年肥料化利用量將達到4.69×108t，2060年將達到5.09×108t。

基于中國農業產業模型(CASM)畜禽農產品增長率，預測秸稈飼料化利用變化趨勢，預計到2030年和2060年秸稈飼料化利用量將分別達到1.27×108t和1.89×108t。秸稈基料化和原料化利用總體規模較小，2020年僅占秸稈可收集量的1.7%，未來將保持緩慢增加，預計到2030年、2060年分別達到1.5×107t和1.7×107t。在滿足肥料、飼料農用需求基礎上，基于不同區域的經濟發展水平和用能習慣，及現有秸稈燃料化技術成熟度和應用規模增長情況預測，秸稈燃料化利用到2030年將達到1.24×108t、2060年將達到1.67×108t。

基于以上五料化利用情況預測，秸稈綜合利用率到2030年將達到94%，到2040年以后可基本實現全部利用。不同年度秸稈綜合利用預測如圖5所示。

圖5 秸稈綜合利用預測(2020—2060年)Fig.5 Prediction of straw utilization potential (2020—2060)

3.2 情景假設

以減排固碳為導向，在滿足土壤有機質提升和飼料需求的基礎上，進行秸稈綜合利用減排固碳預測。其中，秸稈五料化利用的秸稈收儲運、加工與利用等過程的能源消耗，暫不考慮未來燃油、電力等能源的溫室氣體排放因子的變化。

情景1(基線情景)：基于秸稈綜合利用現狀及利用潛力進行預測。假設各類利用技術結構及能效不變，以及秸稈露天焚燒占未利用秸稈量的48.5%比例不變，考慮現有耕地面積、農業生產、草食畜牧、農村清潔能源等現狀。

情景2：基于情景1秸稈利用結構不變，燃料化利用的技術水平提升情況下預測。秸稈綜合利用減排固碳貢獻最大的是肥料化和燃料化利用。其中，秸稈燃料化利用的技術水平仍有提升潛力，隨著生物質能技術不斷發展，成型燃料/打捆供暖的能源轉化效率將進一步提升，沼氣/生物天然氣將從低濃度厭氧發酵向高濃度或干法發酵轉變，生物質發電將從直燃發電向熱電聯產轉變，熱解炭氣聯產將從傳統低值氣化向高值燃氣或炭氣聯產轉變，燃料乙醇將從淀粉糖類乙醇向纖維素乙醇轉變，且轉化效率也將進一步提升[27,54-57]。研究假設在2020年的基礎上，從原料收儲、能源加工轉化與應用全鏈條的凈能量轉化率2030年提升5%～10%，2060年提升10%～20%。秸稈燃料化利用技術凈能源轉化率增長情況如表3所示。

表3 秸稈燃料化利用技術凈能源轉化率增量Tab.3 Increase in energy conversion rate of energy utilization

情景3：基于情景2燃料化利用的技術水平提升，燃料化利用結構變化情況下進行預測。在秸稈燃料化技術水平提升，同時基于不同燃料化技術成熟度，考慮了在碳達峰碳中和目標下未來能源結構的需求，秸稈燃料化技術仍為多元化結構，但在非電領域應用將進一步增強，將逐步從傳統的固體燃料向清潔燃氣和液體燃料轉變，按照目前的政策，由于秸稈直燃發電效率低，將向熱電聯產轉變。燃料化利用結構變化后的秸稈原料量如表4所示。

表4 秸稈燃料化利用變化量Tab.4 Changes in straw energy utilization t

3.3 秸稈綜合利用減排固碳潛力

3種情景下，秸稈綜合利用溫室氣體減排固碳潛力預測如圖6所示，到2030年秸稈綜合利用減排固碳潛力將達到1.52×108～1.72×108tCO2e，到2060年秸稈綜合利用減排固碳潛力將達到2.20×108～2.73×108tCO2e。

圖6 秸稈綜合利用溫室氣體凈減排量預測Fig.6 Prediction of greenhouse gas emission reduction potential of comprehensive utilization of straw

到2030年秸稈焚燒或自然腐解溫室氣體排放量為2.9×107tCO2e，秸稈綜合利用的溫室氣體排放總量為3.4×107tCO2e，秸稈綜合利用的農田/森林碳匯減排量為1.22×108tCO2e，3種不同情景下，秸稈綜合利用抵扣化石能源減排量分別為9.3×107、9.7×107、1.10×108tCO2e。到2060年，秸稈綜合利用的溫室氣體排放總量為4.4×107～4.6×107tCO2e，秸稈綜合利用的農田/森林碳匯減排量為1.40×108～1.72×108tCO2e，秸稈綜合利用替代化石減排貢獻為1.24×108～1.48×108tCO2e。

秸稈五料化利用分析，肥料化和燃料化利用在秸稈綜合利用減排固碳中仍發揮主要作用，到2030年肥料化利用減排固碳貢獻占比為40.7%、燃料化利用減排固碳貢獻占比為55.2%；到2060 年，肥料化利用減排固碳貢獻占比為31.9%、燃料化利用減排固碳貢獻占比為62.8%。相關研究認為秸稈厭氧發酵和秸稈熱解聯產等能源化利用均具有較好的減排固碳貢獻，通過秸稈制取生物天然氣技術，替代天然氣的溫室氣體最大減排量為1.97×108tCO2e[26]；通過中速熱解多聯產技術(Biomass intermediate pyrolysis poly-generation，BIPP)生產生物炭聯產可燃氣和電力，替代化石燃料及生物炭固碳的溫室氣體減排總量最高可達136.45 gCO2e/MJ，在全國范圍內的應用可以使2030年單位國內生產總值的碳排放量比2005年減少2%～61%[27]。基于情景3預測，到2060年秸稈燃料化利用量占比僅18.9%，溫室氣體減排貢獻潛力占比可達62.8%。秸稈燃料化利用的減排貢獻中仍具有較高的還田固碳貢獻，其中替代化石燃料減排貢獻約占72.2%、間接還田固碳貢獻約占27.8%。因此，秸稈綜合利用應重視化石能源替代和土壤碳匯的雙重減碳作用，在推廣應用中應選擇溫室氣體減排貢獻潛力大的技術。

4 結論

(1)2020年秸稈綜合利用溫室氣體凈減排量為7.0×107tCO2e，其中，秸稈五料化利用的溫室氣體減排量為1.26×108tCO2e，露天焚燒和自然腐解的溫室氣體排放量為5.6×107tCO2e。

(2)秸稈綜合利用溫室氣體減排固碳貢獻潛力較大，到2030年為1.52×108～1.72×108tCO2e，2060年為2.20×108～2.73×108tCO2e。秸稈肥料化在五料化利用中的減排貢獻最大，到2030年和2060年秸稈肥料化利用的減排固碳貢獻分別達到8.2×108tCO2e和8.7×107tCO2e，在秸稈綜合利用貢獻中的占比分別為40.7%和31.9%。秸稈燃料化在五料化利用中的減排增加潛力最大，到2030年和2060年秸稈燃料化利用減排貢獻占比分別為55.2%和62.8%。

(3)建議加快秸稈綜合利用，聚焦秸稈肥料化和燃料化，重點支持溫室氣體減排效果顯著的秸稈利用技術，提高減排固碳貢獻。積極推進秸稈全量利用，減少秸稈露天焚燒和自然腐解產生的大量溫室氣體排放，助力實現碳達峰碳中和目標。