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趙晴云，馬若婧，周璐蕓，朱鈺銘，堯可，李曉婕，張雪靚
（中國農業大學土地科學與技術學院，北京100193）
摘要：農村供暖是北方地區碳排放的主要來源之一，本研究以《北方地區冬季清潔取暖規劃（2017—2021年）》劃定的“26+2”京津冀大氣污染傳輸通道城市群農村地區為研究區，對利用農業廢棄物進行生物質能清潔供暖的模式進行評估分析?；?ldquo;生物質能潛力核算-替代傳統燃料資源量折算-污染物及碳減排效應估算”的研究框架，分別量化研究區內農作物秸稈和畜禽排泄物的生物質能潛力及減排效應?；?019年統計面板數據，研究區農業廢棄物的生物質能潛力較大，若合理充分開發利用，可替代約666萬t標準煤或55億m³天然氣，實現減少污染物（SO2、NOx）排放量約21萬t、降低CO2排放量約1701萬t的減排效應。本研究給出了研究區內28個地級市（直轄市）各類農作物秸稈及畜禽糞污生物質能利用潛力的空間分布及各省的清潔供暖減排效果，結果表明小麥和玉米資源化利用潛力最高；養殖業的生物質能利用潛力高于種植業，且以家禽養殖業為最高。該研究結果可為推動農村地區綠色低碳轉型、探索從“農業廢棄物”轉為“農村供暖源”的發展路徑提供有益參考。
二氧化碳濃度增加導致的氣候變化是當今和未來人類面臨的最復雜的環境問題之一，而能源消耗是影響全球溫室氣體排放的主要因素[1]。在我國廣袤的農村地區，以炊事與供暖為核心的農村生活是最主要的排放源頭，約占農業農村溫室氣體排放總量的78%[2]。目前，我國北方農村取暖仍以燃燒煤炭為主，特別是農村地區普遍存在散燒煤（含低效小鍋爐用煤）的利用方式，其大氣污染物排放量通常是燃煤電廠的10倍以上[3]。相關研究表明，在冬季采暖期，北方大部分地區溫室氣體排放量急劇增加，空氣污染風險升高[4]。因此，通過清潔取暖方式全面替代散燒煤，對于降低碳排放、減排污染物具有積極作用，同時也是能源生產和消費革命、農村生活方式革命的重要內容。
生物質能又被稱為“綠色能源”，指的是由生物質產生的固體、液體以及氣體轉化而來的能源[5-6]。它是一種化學態的能源，其穩定性和儲能性比風能、太陽能等物理態的能量好[7-8]。值得注意的是，利用農業生產中的廢棄物作為生物質能源，不僅不會因種植能源作物而導致耕地“非糧化”，還能將原本可能造成環境污染的物質（秸稈焚燒、畜禽糞污面源污染等）“變廢為寶”，實現資源循環利用[9]。我國北方農村地區具有巨大的農作物秸稈（玉米、小麥）可利用量和畜禽（生豬、肉牛、奶牛、雞）養殖規模，因此，將農業廢棄生物質轉化為農村生活能源，是全面實現鄉村振興的必然要求，也是落實我國“雙碳”目標的重要抓手[10-11]。
為解決農村供暖高排放問題，國家發改委等十部委聯合印發了《北方地區冬季清潔取暖規劃（2017—2021年）》（后文簡稱《規劃》），旨在讓北京、天津及河北、河南、山西、山東的“26+2”城市及其農村地區（后文簡稱“26+2”地區）使用電力和管道天然氣作為能源進行取暖?！兑巹潯分兄赋觯罕狈降貐^冬季大氣污染以京津冀及周邊地區最為嚴重，“26+2”重點城市作為京津冀大氣污染傳輸通道城市，且所在省份經濟實力相對較強，有必要、有能力率先實現清潔取暖。Nie等[12]集成了作物生長模型、土地適宜性評估和地理信息系統，繪制了全國范圍內11種可用生物質燃料和3種技術生物能源潛力的分布圖，發現“26+2”城市所在的華北地區具有突出的旱地農業殘留可用生物質原料量，其中京津兩市還具有明顯的畜禽糞便可利用潛力。聚焦于生物質資源能源化潛力的評估，已有研究針對全國不同區域，如福建[13]、新疆[14]、甘肅[15]、重慶[16]、北京[17]等，進行了定量化研究。然而，上述研究中專門以農業廢棄物為對象開展的針對性評估略顯不足，且未見將《規劃》劃定的“26+2”地區作為研究案例開展生物質能潛力與碳減排、污染物減排效應的系統研究。而這些定量化的估算結果可為政策制定者推進能源轉型與農村綠色發展工作提供具有參考價值的宏觀數據。
因此，本研究以《規劃》劃定的“26+2”地區為研究對象，利用地市級面板數據與經典的計算方法框架[12]，在區域尺度上全面地評估農業廢棄物的生物質能潛力及其減排效應。本研究具體包括以下三部分內容：①核算農作物秸稈與畜禽排泄物的生物質資源能源化潛力；②折算上述兩種廢棄生物質能發電可替代的傳統燃料資源量；③估算利用農村廢棄生物質能進行清潔供暖帶來的污染物及二氧化碳減排量。
1材料與方法
1.1研究區概況
研究區包括河北省、山西省、山東省和河南省的26個城市和北京市、天津市（圖1），總面積約27.5萬k㎡，占我國國土總面積的2.87%。該區域屬于華北地區，北部為燕山、西部為太行山，中部以平原區為主，非常適宜農業發展[18]，是我國重要的糧食主產區之一。平原區以冬小麥−夏玉米一年兩熟制為最主要的種植制度，山區多為春玉米一年一熟制，農作物秸稈利用潛力巨大[19-23]。統計數據表明，研究區農業總產值約占全國的1/4，且豬、牛、羊等家禽出欄總量約占全國的30%，無論是種植還是養殖規模均居全國前列[24]。
研究區位于溫帶大陸性季風氣候區，四季分明，冬季寒冷，年均最低氣溫約為-12.41℃[25]，平均供暖時長約為4個月，占全年的1/3。截至2016年底，我國北方城鄉建設取暖面積206億㎡，其中“26+2”城市所在區域的城鄉取暖面積高達50億㎡[26]。然而，當前該區域仍以燃煤作為主要取暖能源。農村地區具有豐富的農作物秸稈與畜禽糞便等農業廢棄物，應充分利用這些潛在的生物質能進行清潔供暖，減少燃煤帶來的空氣污染和溫室氣體排放[27]。
1.2研究方法與技術路線
本研究按照“種植與養殖業廢棄生物質能潛力估算-清潔能源替代傳統燃料量折算-碳減排量與污染物減排量估算”的思路開展計算評估，具體技術路線如圖2所示。
1.2.1農作物秸稈生物質能潛力核算
由于統計及監測資料中往往缺乏直接的秸稈廢棄物數據，故引入凈生物量的計算方式，使用農作物產量估算秸稈凈生物量，繼而折算為秸稈可利用生物量，并最終計算其可轉換的相應生物質能。遵循上述步驟，首先對各類農作物秸稈的凈生物量進行估算：
1.2.2畜禽排泄物生物質能潛力核算
本研究納入核算的畜禽排泄物包括畜禽排出的糞便、尿及其與墊草的混合物。在作為生物質能進行供能時，一般處理方式是將畜禽的糞便轉化為沼氣進行使用，而沼氣也是農村清潔供暖可利用的方式之一。本研究所用畜禽排泄物可用生物質量及其能源化潛力核算模型如下：
1.2.3生物質能替代傳統燃料資源量折算
根據上述核算的農作物秸稈與畜禽排泄物生物質能源化潛力，折算可替代傳統燃料（標準煤或天然氣）的資源量，具體計算方式如下：
1.2.4生物質能源清潔供暖污染物及碳減排效應估算
利用農業廢棄物的生物質能進行清潔供暖可帶來的污染物及碳的減排效應按照其替代煤燃燒所減少的排放量來估算，即生物質能折合標準煤燃燒的排放量與生物質能利用過程中的排放量的差值[28-30]。本研究所用農村生物質能大氣污染物（包括SO2和NOx）及CO2減排效應計算模型如下：
1.3關鍵參數與數據來源
1.3.1農作物秸稈生物質能源化潛力核算關鍵參數
本研究區內最主要的農作物為小麥和玉米，其他主要農作物包括水稻、豆類、薯類、油料作物、棉花、蔬菜、糖類和麻類等。結合對研究區內部分農作物種植地區的實地調研與統計資料[31]，蔬菜類種植過程中幾乎不產生可回收利用的秸稈，而糖類作物和麻類作物種植面積極少，因此蔬菜、糖類和麻類作物未歸入計算范圍內。參閱相關研究[31-32]，納入本研究核算范圍的8類農作物及其草谷比如表1所示。
參閱相關研究[12，15]，由農作物秸稈可利用的生物量轉化為可能源化的生物量計算過程中所用參數α取值為0.5，β為0.5，c為0.313，e為0.499，l為0.005。
由農作物秸稈可能源化的生物量轉化為生物質能量的計算過程中，所用參數LHV的值根據《中國能源統計年鑒》和相關文獻資料[33]綜合確定，取值為17.3MJ·kg-1。轉化系數C通常受到多重因素的影響，考慮到目前全國沒有成熟的、固定的生物能源利用模式，實際的生物能源技術潛力會隨著轉換技術的不同而有所不同[29-30，34]。因此本研究中更偏重于生物質能的可用性，而相對忽略轉化的技術問題，參考相關研究[12]，能量轉化系數C取值為0.21。
1.3.2畜禽排泄物生物質能潛力核算關鍵參數
本研究區涵蓋的區域劃分跨度較大，涉及華北、華東和中南三個畜禽養殖區。由于地理位置與農業資源條件不同，畜禽類型、養殖周期[35-36]、排泄物比例系數、收集系數等參數值也會存在空間異質性，參閱相關研究[29-30，37-38]并綜合對研究區部分畜禽養殖場及菜肉零售市場的實地調研情況，本研究中畜禽排泄物生物質能潛力核算過程中所涉及關鍵參數取值如表2所示。
1.3.3生物質能替代傳統燃料資源量折算過程相關參數
本研究將農作物秸稈生物質能源化潛力及畜禽排泄物轉化為沼氣能源的潛力，折算為可替代傳統燃料（標準煤、天然氣）的資源量。這一折算過程所涉及的關鍵參數中，標準煤熱值系數U參考國家標準《綜合能耗計算通則》（GB/T2589—2020），取值為29.307MJ·kg-1；沼氣折標準煤系數Z和天然氣折標準煤系數Y參考《中國能源統計年鑒2020》，取值分別為0.714kg·m-3（以標準煤計）和1.215kg·m-3（以標準煤計）。
1.3.4生物質能源清潔供暖污染物和碳減排量估算相關參數
本研究所用農村生物質能大氣污染物（包括SO2和NOx）及CO2減排量估算中排放系數的確定參閱相關研究[34]，具體取值情況如表3所示。
2結果與分析
2.1農業廢棄物的生物質能潛力
2.1.1農作物秸稈的生物質能潛力
“26+2”研究區內8種農作物的生物質能潛力空間分布如圖3所示。從研究區整體來看，“26+2”城市群內農村地區納入計算的主要農作物秸稈的生物質能潛力總和為5.35×1016J，由此可見該區域內廢棄生物質的資源化利用是大有可為的。其中，小麥、玉米和油料作物秸稈及其加工剩余物是研究區內農業生物質資源的三大主要來源，分別占農作物秸稈的生物質能潛力總量的46.7%、42.5%和5.2%，累計占比高達94.4%。小麥和玉米是研究區內最主要的糧食作物，播種面積較大，因此具有最高的生物質能潛力；而油料作物的播種面積雖然較少，但其草谷比較高，因此表現出較棉花、水稻、豆類等更大的生物質能潛力。此外，通過查閱統計資料發現，上述3種作物，特別是小麥和玉米的播種面積和產量在年際間的波動都很小，這說明研究區內農作物秸稈的生物質資源量具有一定的穩定性。
從空間分布格局（圖3）來看，研究區內農作物生物質能潛力在山區較低而在平原區較高，整體呈現從西北向東南逐漸增大的趨勢。除水稻生物質能以外，其他農作物的生物質高能區主要分布在魯西北和冀東南地區（如德州、聊城、邯鄲等地）及山東菏澤、河北保定等典型區域，其生物質能潛力值總和普遍大于30億MJ；而北京、山西兩地的農作物的生物質潛力相對較低，大部分城市生物質能潛力值總和低于10億MJ，這主要與北京市耕地面積較少而山西省涉及的城市主要分布于山區有關。按不同農作物進一步具體分析發現：①小麥和玉米的生物能勢空間分布呈現出較高的相似度，其中小麥生物能勢最高的三個城市分別為山東菏澤、德州和河南新鄉，數值在16億~23億MJ之間，玉米生物能勢最高的三個城市分別為山東菏澤、德州和河北保定，數值在15億~20億MJ之間，這兩種作物生物能勢較高的其他城市也大多分布于河北省與山東省的交界處；②豆類、棉花、薯類和油料這4種農作物的生物能勢空間分布在整體上與小麥、玉米比較類似，但最高能勢所在城市略有不同，其中豆類在山東濟寧、棉花在河北邢臺、薯類在河北保定、油料作物在河南開封分別呈現出最高的生物能勢；③水稻的生物能勢空間分布集中于山東及河南省最南的城市和河北唐山地區，部分地區的水稻生物勢能超過2億MJ，前者受氣候影響相對適宜種植水稻，后者因地理區位（靠近東北地區）和農民歷史種植習慣而有種植水稻的傳統；④煙葉類作物僅分布于7個城市，其中山東省濟寧市和濟南市具有較高的生物質能勢，其數值達到51萬MJ。
2.1.2畜禽排泄物的生物質能潛力
本研究以豬、牛、家禽的糞便作為畜禽排泄物生物質能潛力資源量核算的主要對象，計算獲得不同畜禽排泄物生物質能，并通過沼氣潛力這一概念表現生物質能潛力的資源量大小。研究區內3種畜禽排泄物的生物質能潛力空間分布如圖4所示。從研究區整體來看，“26+2”城市群農村地區的主要畜禽排泄物沼氣潛力的理論可獲得量約為6.77×109m³。其中，家禽排泄物的沼氣潛力占總量的一半以上（52%），遠超牛（34%）和豬（14%）的排泄物沼氣潛力占比，因此，以家禽養殖業為核心的沼氣潛力開發將是該區域農業廢棄物資源化利用未來發展的重要方向。
從各類畜禽排泄物的生物質能總潛力看，其空間分布表現為在山東省、河北省和天津市相對較高（大部分城市畜禽排泄物的沼氣潛力超過1億m³），而在河南省、山西省及北京市相對較低（在2000萬~1億m³之間）。從地級市的空間尺度分析，畜禽排泄物的生物質能潛力分布與農作物秸稈生物能勢分布格局具有一定的相似性，但也略有差別，如河北石家莊的農作物秸稈生物能勢處于中等水平，但其畜禽排泄物的生物質能潛力卻遠高于其他城市。這主要是由于石家莊的牛養殖業具有相當突出的生物質能開發利用潛力，石家莊的牛排泄物生物質能非常高，是排在第二的河北唐山的6倍以上。按不同養殖類型進一步分析得到：①豬養殖業的生物質能潛力表現為在山東省相對最高，菏澤市、德州市和濟寧市排在研究區所有城市的前3名，在8000萬~1億m³之間；其次是河北省的唐山市、石家莊市和保定市，分別排在第4至第6名，在5000萬~7000萬m³之間。②牛養殖業的生物質能潛力高值多集中于河北省，除廊坊市外均處于相對較高水平，除此以外，與河北接壤的山東省濱州市和德州市也具有較高潛力。③家禽養殖業的生物質能潛力高值明顯集中于山東地區，此外河北省石家莊市、邯鄲市以及天津市也略高于周圍區域。
2.2生物質能替代的傳統燃料資源量
研究區農作物及畜禽排泄物生物質能可替代的傳統資源量見表4。總體上看，研究區內可用于能源化的農作物秸稈生物質資源量折合標準煤約182.6萬t，折合天然氣量約15.0億m³；畜禽排泄物的生物質資源量折合標準煤約483.1萬t，折合天然氣量約39.8億m³。顯然，養殖業的廢棄物若作為生物質能利用，可替代的傳統燃料資源量明顯高于種植業。種植業與養殖業廢棄物循環利用后，可替代的傳統燃料資源總量相當可觀，合計相當于減少約666萬t標準煤或55億m³天然氣的燃燒排放。
從種植業廢棄物（農作物秸稈）的生物質能替代效應看，在省域尺度上整體分為3個梯隊。以折合標準煤為參比量，河北、山東、河南三省為第一梯隊，替代標準煤資源量為40萬~70萬t；天津市和山西省為第二梯隊，替代標準煤資源量為3萬~4萬t；北京市為第三梯隊，替代標準煤資源量為0.5萬t（圖5）。從養殖業廢棄物（畜禽排泄物）的生物質能替代效應看，在省域尺度上也可整體劃分為3個梯隊，但分組結果與種植業略有不同。河北和山東兩省為第一梯隊，畜禽排泄物生物質能可替代標準煤資源量為200萬t以上；河南省與天津市為第二梯隊，可替代的標準煤資源量為20萬t左右；山西省和北京市為第三梯隊，可替代標準煤資源量為2萬t左右，三個梯隊形成明顯的數量級差異（圖6）。
2.3生物質能清潔供暖的污染物和碳減排量
研究區農作物和畜禽排泄物的生物質能清潔供暖可減少的污染物及CO2排放量見表5。研究結果表明，研究區內總體可利用生物質潛力折合標準煤資源量約666萬t，通過利用農作物秸稈及畜禽排泄物進行清潔供暖，相較于標準煤可減少污染物（SO2、NOx）排放量約21萬t，可降低CO2排放量約1701萬t。其中，將農作物秸稈生物質能用于清潔供暖，可減少污染物（SO2、NOx）排放量約3.5萬t，可減少CO2排放量約466.7萬t；將畜禽排泄物轉化為沼氣進行清潔供暖，可減少污染物（SO2、NOx）排放量約為17.2萬t，減少CO2排放量約1234.2萬t?？傮w上，“26+2”城市可利用生物質潛力較大，特別是在山東省和河北省，若將生物質能充分利用于清潔供暖，將達到相當顯著的減排效果，不僅能有效降低空氣污染物排放，還能為實現“雙碳”目標作出貢獻。
綜上，北方農村清潔供暖先行區（“26+2”城市）廢棄生物質（農作物秸稈和畜禽排泄物）能源化利用潛力巨大，加之該區域的種植業與養殖業規模在年際間的變化趨于穩定，理論上可資源化利用的生物質能供應潛力具有內在穩定性。同時，由于生物質能清潔供暖對污染物（SO2、NOx）及CO2減排具有一定的積極作用，且有良好的生態效應，建議將生物質能廣泛利用到清潔供暖中，并不斷提高技術水平，降低發展成本，最大程度地減少利用過程中的環境污染和碳排放。
3討論
3.1農業廢棄物生物質能潛力空間分布
研究區內農作物秸稈資源種類豐富，以小麥和玉米為主，生物質能潛力的高值區集中于山東、河北和河南三省。張蓓蓓[39]對全國各省份主要農作物秸稈能源潛力進行評估的結果顯示，這三個省份在全國屬于排名前五的水平，且在生態區的統計結果中，華北地區也是潛力最高的區域；張曉慶等[31]的研究也表明這三省是秸稈資源量的中高產區。這兩項研究都佐證了本研究得出的空間分布結果。對于畜禽排泄物的生物質能潛力，朱建春等[40]在全國省域尺度的評估結果顯示，“26+2”地區所在的省份能源潛力較大，特別是山東??；張蓓蓓[39]評估的主要畜禽糞便的沼氣生產潛力結果顯示，排在全國前兩名的分別是山東和河北，這與本研究的結果也一致。上述比較說明本研究得出的農業廢棄物生物質能源潛力空間分布在整體上符合已有研究揭示的特征，但本研究進一步在更精細的空間尺度（地級市）給出了細化的評估結果和分布格局，且首次以“26+2”京津冀大氣污染傳輸通道的城市群農村地區作為評估對象，可為該區域的農業低碳轉型發展提供針對性的定量參考。
3.2評估結果的不確定性
本研究對農業廢棄物的生物質能潛力及其減排效應的估算過程中，涉及到草谷比、低位發熱量、標準煤熱值系數、標準煤燃燒的大氣污染物排放系數等參數，筆者有針對性地收集了已發表的有關文獻和統計資料，并進行了比較與整理，力求對每個參數都賦予合理的取值，盡可能地提高估算結果的精度。在這些經驗參數的取值過程中，本研究考慮了多源信息的對比驗證和地理空間的異質性（如畜禽排泄系數），但囿于目前生物質能有關技術仍在發展階段，全國尚未形成統一且成熟的開發利用模式，也未出臺相關系數的標準文件，本研究采用這種整合已有研究和多源資料的方式確定關鍵參數，可能使得估算結果存在偏差。例如，山西省主產玉米品種主要為“太玉339”，其玉米株高較高，玉米整體的谷草比略高于文中取值1.04，因此對山西省玉米而言，其計算值略低于實際值；而河南省小麥種植面積較廣，其優勢品種主要為“濟麥22”，秸稈矮，草谷比略低于文中取值1.17，則其計算值將高于實際值；河北的家禽排泄系數平均值為0.125[41]，略低于本研究取值0.145，則其計算值將高于實際值。當然，這種偏差帶來的評估結果之不確定性也普遍存在于類似研究中[40]，未來若能收集到各地區更詳細的參數值，將進一步提高本研究估算結果的準確性。
3.3農村地區生物質能清潔供暖模式的推廣
基于“生物質能潛力核算-替代傳統燃料資源量折算-污染物及碳減排效應估算”的研究框架，本研究以農村供暖高排放和低碳轉型發展的重點區域“26+2”地區為研究對象，利用農作物秸稈和畜禽排泄物這兩種農業廢棄物進行能源結構轉型的路徑探討?？臻g分析結果表明，受播種面積與種植結構、養殖規模與畜禽種類、地形、城鎮化發展等多重因素影響，農村生物質能潛力及其減排效果在不同地區之間存在差異。要增強農業廢棄物生物質能的可持續發展能力，應充分發揮各地區的農業資源優勢，結合不同省市內部的資源稟賦與實際發展條件，科學合理地布局農業廢棄生物質能源化利用產業。如北京市受耕地數量和經濟發展的影響，無論是種植業還是養殖業都欠發達，但其毗鄰的保定市可為北京南部地區（如房山、大興等）提供一定的生物質能支持，天津市和唐山市可以為北京北部地區（如平谷、密云）提供支持。與之類似，山西省陽泉市與太原市可考慮與之毗鄰的河北省石家莊市的清潔能源補給，山西省長治市和晉城市可考慮與之毗鄰的河北省邯鄲市的清潔能源補給。河南省雖然在養殖業廢棄物生物質能利用方面的潛力不高，但可充分挖掘農作物秸稈的利用潛力，為農村地區提供清潔能源。
4結論
?。?）“26+2”京津冀大氣污染傳輸通道城市群農村地區8種主要農作物秸稈的生物質能潛力總和為5.35×1016J，其中小麥和玉米秸稈資源化利用潛力最高，特別是在河北、山東和河南等產糧大省，可有效替代大量煤炭或天然氣的使用。
?。?）“26+2”京津冀大氣污染傳輸通道城市群農村地區的畜禽排泄物轉化為沼氣的潛力資源量為6.77×109m³，其生物質能利用潛力明顯高于種植業，且家禽養殖業占比最高?？臻g格局整體呈現為三個梯隊：山東和河北最高，其次為河南和天津，山西和北京最低。
?。?）種植業和養殖業廢棄物的農村生物質能若用于清潔供暖，相較于標準煤可減少污染物（SO2、NOx）排放量約21萬t，降低CO2排放量約1701萬t。
（4）從區域協同發展和減排同責的角度看，應統籌考慮生物質資源空間分布特征，明確生物質能在清潔取暖用能中的地位，推動農村地區散煤替代，實現從“農業廢棄物”到“農村供暖源”的綠色低碳轉型發展。
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