運城市作物秸稈資源化利用潛力研究及空間分析

張 鑫，王 硯

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，山西太谷 030801；2.四川飛紅工程管理咨詢有限公司，四川 成都 610011）

自工業(yè)革命以來，人類向大氣中排入的二氧化 碳等吸熱性強的溫室氣體逐年增加，大氣的溫室效應(yīng)也隨之增強，其引發(fā)了一系列問題已引起了世界各國的關(guān)注[1-3]。在2021年全國兩會上，碳達峰、碳中和被首次寫入政府報告，碳減排已經(jīng)成為了我國能源安全和經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的內(nèi)在需求[4]。作物秸稈作為一種主要的農(nóng)業(yè)廢棄物，在焚燒過程中會排放大量的溫室氣體，每千克秸稈的焚燒會產(chǎn)生102 g的CO和1 350 g的CO2[5]，是一種不可忽視的溫室氣體排放源，對其進行資源化利用既能回收其潛在的能源又能減少溫室氣體的排放[6-8]，所以，進行作物秸稈資源化利用潛力研究意義重大。目前對于作物秸稈資源量的測算大部分都是采用草谷比系數(shù)法。崔蜜蜜等[9]采用此方法測算了2012年全國各地區(qū)作物秸稈的資源化利用潛力，并探討了其市場發(fā)展?jié)摿Γ欢牌G玲等[10]對山西省種養(yǎng)廢棄物資源量、利用現(xiàn)狀進行了調(diào)查、估算，并分析其在市域尺度上的分布特征、資源化利用潛力及綜合高效利用的途徑；趙勝男等[11]對福建省有機廢棄物資源化利用碳減排潛力進行了研究，并提出了相應(yīng)的利用措施；戴玉[12]對安徽省壽縣2014年農(nóng)作物秸稈和畜禽糞便資源化利用潛力進行了研究，并提出了未來對種養(yǎng)廢棄物資源化利用的針對性建議。

運城作為山西主要的糧食基地，每年產(chǎn)生的秸稈數(shù)量巨大，若直接進行燃燒，將會排放大量的溫室氣體。本研究以運城市的作物秸稈為研究對象，對其資源化利用的潛力和空間進行研究、分析、評價，旨在為運城市秸稈資源的合理利用、優(yōu)化秸稈利用產(chǎn)業(yè)體系、削減碳排放提供一定的理論數(shù)據(jù)支撐。

1 研究方法和數(shù)據(jù)來源

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究的數(shù)據(jù)來源主要根據(jù)《山西統(tǒng)計年鑒》[13]，即從運城市所管轄的各區(qū)域中，選取2006—2017年農(nóng)作物產(chǎn)量、農(nóng)作物總播種面積等數(shù)據(jù)，以及研究區(qū)相關(guān)部門公開的數(shù)據(jù)和統(tǒng)計資料。表1為農(nóng)作物秸稈資源化利用潛力計算參數(shù)，其中，可收集系數(shù)（ci）選取全國各區(qū)域作物秸稈的可收集系數(shù)的均值。

表1 農(nóng)作物秸稈資源化利用潛力計算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters of resource utilization potential of crop straw

1.2 作物秸稈資源量估算

作物秸稈資源總量是指農(nóng)作物收獲后除了可以食用部分外剩余的莖、葉農(nóng)作物副產(chǎn)品總量，不包括后期精加工、作物根的資源量，是理論資源總量，其與秸稈經(jīng)濟產(chǎn)量和草谷比這2個因子密不可分[18]。

式中，SR i,j為第j年第i類作物秸稈資源總量；QSi,j為第j年第i類作物經(jīng)濟產(chǎn)量；r i為第i類作物秸稈的草谷比系數(shù)。

1.3 作物秸稈資源化利用潛力估算

作物秸稈資源化利用潛力是指作物秸稈除了已利用數(shù)量之外，剩余可轉(zhuǎn)換為化學(xué)能、熱能、電能等能源方式的秸稈蘊含儲量[9]。

1.4 作物秸稈資源密度估算

秸稈資源密度是指秸稈某個資源量在一定區(qū)域內(nèi)單位土地面積上的密集程度[17]，其數(shù)值可以綜合反映秸稈資源的分布、產(chǎn)量、可收集程度和可利用的潛力密集程度。

式中，ρsp為秸稈資源密度，SRp為秸稈資源化利用潛力值，S為區(qū)域面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 運城市作物秸稈資源總量分析

2006—2017年運城市作物秸稈資源年總量為4.07×107t，年均值為3.39×106t，其中，糧食作物為3.21×106t，油 料 作 物 為4.25×105t，其 他 作 物 為1.39×105t。從圖1可以看出，運城市作物秸稈資源總量整體呈上升趨勢，在2015、2016年達到最大值，均為3.93×106t，2007年最小，為2.43×106t。3種作物秸稈占秸稈資源總量的比例不斷變化，但糧食作物秸稈一直占主要比例，年均占比94.64%，油料作物占比最小，年均占比僅1.25%，其他作物棉花秸稈量基本呈逐年降低的趨勢，其與棉花的播種面積逐年減少有關(guān)。

2.2 運城市作物秸稈資源化利用潛力分析

運城市2006—2017年秸稈資源化利用潛力總值為2.43×106t，年均值為2.03×105t。從表2、圖2可以看出，運城市作物秸稈資源化利用潛力變化趨勢與其資源總量變化趨勢基本一致，其中，糧食作物資源化利用潛力最大，在全市都有種植，占據(jù)主導(dǎo)地位，整體呈上升趨勢；油料作物的利用潛力最小，雖然全市均有種植，但年均僅有0.42×104t；其他作物在9個縣市均有種值，其利用潛力逐年降低，2017年僅有0.14×104t。

表2 運城市農(nóng)作物秸稈資源化利用潛力區(qū)域分布Tab.2 Regional distribution of crop straw resource utilization potential in Yuncheng city

從表2、圖3可以看出，運城市糧食作物秸稈資源中利用潛力最大的為玉米秸稈，平均每年為1.04×105t，占比為54.48%，其波動比較大，在2013年達到峰值，為1.31×105t，主要是因為玉米的可收集系數(shù)要高于小麥及其他糧食作物；小麥秸稈的利用潛力僅次于玉米秸稈，平均每年為8.13×104t，占比42.52%，整體呈現(xiàn)波動上升的趨勢，2012、2016年其利用潛力最大，均為1.00×105t；其他糧食作物的利用潛力平均每年為0.36×104t，僅占比3.00%，主要是因為種植面積相對比較小。

2.3 運城市秸稈資源密度分析

2.3.1 運城市秸稈資源總密度分析 秸稈資源密度可以綜合反映一個地區(qū)可資源化利用的潛力密集程度。運城市2011年以前平均資源密度為3.15 t/hm2，2011年以后平均資源密度為4.57 t/hm2，從整個市來看，秸稈資源密度明顯升高。由圖4、5可知，2011年以前，河津市、永濟市屬于秸稈資源利用密集區(qū)，萬榮縣、聞喜縣、垣曲縣屬于分散區(qū)；2011年之后，河津市、永濟市、臨猗縣屬于密集區(qū)，萬榮縣屬于分散區(qū)。河津市和臨猗縣的降水量、溫度、土壤質(zhì)地比較適合農(nóng)作物的生長，永濟市的種植面積相對較大，而萬榮縣的小麥、玉米種植面積相比其他地市要小。鹽湖區(qū)雖然氣候適宜種植，農(nóng)業(yè)科技發(fā)達，但城市化發(fā)展使耕地面積減少，其秸稈資源密度不高，增長量也較低。在2011年之后，垣曲縣和聞喜縣的秸稈資源密度都有了較高的提升，相較于2011年之前，垣曲縣的秸稈資源密度上升了29%，聞喜縣上升了40%。在2個縣的密度上升之后，整個運城市的東部地區(qū)秸稈資源密度空間分布相對均衡。

2.3.2 運城市主要作物的秸稈資源密度分析 運城市作物種類繁多，從產(chǎn)生的秸稈資源量來看，糧食類作物占總量的比例將近95%，而玉米和小麥又為主要糧食作物，其資源化利用潛力占到了糧食作物的97%。從圖6、7可以看出，2011年以前，河津市、永濟市、臨猗縣、芮城縣、夏縣屬于小麥秸稈資源利用密集區(qū)，萬榮縣、平陸縣、垣曲縣屬于分散區(qū)；2011年之后，河津市、永濟市屬于密集區(qū)，萬榮縣、平陸縣、垣曲縣、聞喜縣、絳縣屬于分散區(qū)。主要是由于種植小麥的成本高、收益低，易受自然災(zāi)害影響，價格不穩(wěn)定等因素，小麥的種植面積有所減少。

由圖8、9可知，2011年以前，永濟市、臨猗縣、芮城縣屬于玉米秸稈資源利用密集區(qū)，萬榮縣、平陸縣、垣曲縣屬于分散區(qū)；2011年之后，河津市、永濟市、臨猗縣、絳縣屬于密集區(qū)，平陸縣、垣曲縣屬于分散區(qū)。其主要是由于近年來運城市玉米種植面積不斷擴大，占全市播種面積的40%左右，產(chǎn)量將近糧食總產(chǎn)量的45%。

3 結(jié)論與討論

本研究對運城市2006—2017年作物秸稈的資源量、利用潛力及資源密度進行了計算，并分別對其時空分布和空間分布進行了定性、定量分析，結(jié)果表明，2006—2017年運城市作物秸稈資源年總量為4.07×107t，年均值為3.39×106t，整體呈上升趨勢，在2015、2016年達到最大值，均為3.93×106t，2007年最小，為2.43×106t。其中，糧食作物秸稈一直占主要比例，年均占比94.64%。運城市2006—2017年秸稈資源化利用潛力總值為2.43×106t，平均每年為2.03×105t。玉米秸稈利用潛力最大，其次是小麥。運城市2011年前、后秸稈資源平均密度分布分別為3.15、4.57 t/hm2，從整市來看，秸稈資源密度明顯升高，其中，河津、永濟、臨猗為秸稈資源利用密集區(qū)。2011年后小麥秸稈資源利用密集區(qū)為河津、永濟，玉米秸稈資源利用密集區(qū)為河津、永濟、臨猗、絳縣。

本研究在對運城市作物秸稈資源化利用潛力進行估算時，選取的草谷比系數(shù)、可收集系數(shù)、已利用比例3個關(guān)鍵參數(shù)都是引用其他研究學(xué)者的成果，并沒有進行實測和調(diào)研，所以計算出的結(jié)果可能和實際情況有出入。本研究對運城市作物秸稈的資源量、利用潛力和資源密度進行了初步分析，對于合理調(diào)整運城市農(nóng)作物的種植結(jié)構(gòu)、面積，優(yōu)化秸稈利用方式，建立規(guī)模化的秸稈發(fā)電企業(yè)或燃料乙醇企業(yè)，促進當?shù)亟?jīng)濟社會的協(xié)調(diào)發(fā)展都有著重要的作用。

此外，將秸稈替代化肥[19]、化石燃料[20]都可有效減少由于化肥生產(chǎn)、燃煤產(chǎn)生的CO2量，對于各地市秸稈的肥料化、能源化利用潛力以及碳中和強度需要進一步研究，以期為當?shù)亍半p碳”目標的實現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支撐。