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舒也，劉雅暄，劉苗苗，畢軍
（南京大學 環境學院 污染控制與資源化研究國家重點實驗室，江蘇 南京 210023）
摘要：農作物秸稈是一種重要而豐富的生物質資源，準確估算其生物能源潛力對促進可再生能源利用和環境可持續發展具有重要意義。基于小麥、水稻和玉米的縣域產量數據，結合分省的作物秸稈系數，估算2015年中國縣域尺度小麥、水稻和玉米的可收集秸稈產量、潛在生物能源潛力和生物乙醇生產潛力。結果表明，在充分考慮秸稈收割系數和運輸成本影響的情況下，2015年中國小麥、水稻和玉米的可收集農作物秸稈總量為5.01億噸；總生物能源潛力達到2.44億噸等量標準煤，約占2015年中國能源消耗總量的5.68%；生物乙醇生產潛力為0.81億噸。中國潛在生物質能源分布呈現強烈的空間異質性，分布密度呈現東高西低的趨勢，主要集中在黃淮海平原和東北平原這兩大糧食主產區。總結而言，中國小麥、水稻和玉米秸稈內含巨大的潛在生物質能源潛力，進一步提升秸稈能源利用有助于緩解中國日益嚴峻的能源危機，同時帶來顯著的環境收益。
在氣候變化和資源枯竭風險日益增大的背景下，有序發展可再生能源是全球未來不可或缺的能源戰略。生物質能作為一種潛在的低碳排放可再生能源，在資源可持續發展和應對氣候變化方面占據重要地位。到2050年，全球15%的一次能源供應將來自生物質能[1]。生物質能的碳來自大氣而不是地球深處，合理開發應用生物質資源對未來的全球碳平衡、能源安全和可持續發展具有正面效應[2]。在“3060”雙碳目標約束下，中國政府高度重視生物質能源的開發利用，致力于不斷提高生物質能利用率。《“十四五”現代能源體系規劃》也指出，要實施可再生能源替代行動，預計到2025年全國生物質發電總裝機容量將達到1500萬千瓦[3]。在政策的支持和引導下，2020年，中國生物質能發電裝機容量達到2952萬千瓦，發電量為1326億千瓦時[4]；據可再生燃料協會（RFA）數據，2019年中國生物乙醇產量居于世界第四位[5]。
農作物秸稈是中國生物質能的主要來源，常用于發電和區域供熱。在發展中國家，每年大量農作物秸稈被丟棄或直接焚燒。如果對這些農作物秸稈進行合理收集利用，能夠帶來顯著的能源和環境收益。據統計，過去十年中國農作物秸稈平均產量為6.3億噸，其中78%來自玉米、小麥和稻谷[2]。已有研究的評估結果顯示，2009年中國三種主要農作物秸稈的能源潛力相當于2.2億噸等量標準煤，約占全國能源消耗總量的8.3%[6]。但已有研究時間較為久遠，難以反映當前中國農業秸稈的生物質潛能。此外，已有研究空間分辨率大都為省級尺度、且不考慮省間秸稈系數的差異、無法詳細區分農作物類型，不足以為中國生物質能源開發和利用提供精細化的、具有參考價值的潛能地圖。因此，有必要利用最新的、更加科學的秸稈系數和具體分類的農作物分布圖進行精細化的農作物秸稈生物潛能分布研究，得出更為科學準確的結論。此外，中國目前對作物農作物秸稈的利用方式主要有兩種，回歸農田以平衡養分循環是中國農村最古老的利用作物農作物秸稈作為能源的方式[7]；直接燃燒傳統農作物殘渣和薪材也是中國農村的主要能源來源，但能量轉換效率很低并帶來顯著的環境負面影響[8]。將農作物秸稈轉換氣態、生物質顆粒、固體燃料和液體燃料是更為高效的能源使用方式，更有利于減少對煤炭和石油等不可再生能源的依賴[9]。在可轉換的燃料類型中，生物乙醇可能成為全球范圍內流行的汽車替代燃料。中國早在《生物質能發展“十三五”規劃》中就明確提出，到2020年生物燃料乙醇年利用量400萬噸的發展目標。但是，由于原料資源基礎薄弱、生產技術有待提升、經濟競爭力相對缺乏、定價機制有待完善等原因，“十三五”以來，中國生物燃料乙醇實際發展十分緩慢[10]。在此背景下，估算農作物秸稈的生物乙醇生產潛力對于科學規劃生物燃料乙醇發展具有迫切的現實意義。據已有研究估算，2016年中國生物乙醇生產潛力為12430萬噸，玉米、小麥和稻谷農作物秸稈占總量的77.8%[11]。然而，已有研究在省級尺度開展，空間分辨率較為粗糙。同時，已有研究雖然考慮了作物秸稈退耕還田的因素，但未考慮運輸成本的問題，對農作物秸稈的可利用量以及生物乙醇的估算存在明顯的高估。
本文基于中國小麥、水稻和玉米三種主要農作物的區縣級產量和播種面積數據，結合分省的農作物秸稈產生系數，計算三種農作物秸稈（下文農作物均特指小麥、水稻和玉米）的潛在生物能源潛力；在此基礎上，考慮作物的可收集和利用程度，進一步計算作物秸稈的生物乙醇生產潛力。與以往研究相比，本文的空間分辨率提升到區縣尺度，并且能夠區分三種主要農作物的生物潛能，同時修正了由于忽略作物秸稈系數和運輸成本的空間異質性導致的評估偏差。本文的精細化農作物秸稈能源潛力分布圖能夠滿足區域生物質能源利用規劃提供的要求，推動農作物秸稈的可持續利用。同時，精細尺度的研究結果也可為農作物秸稈利用企業選擇經濟效益更高的場地選擇提供參考。
一、研究方法和數據來源
（一）可收集農作物秸稈量估算
本文選擇小麥、玉米和水稻三種主要農作物作為研究對象。研究空間范圍覆蓋除中國港、澳、臺地區外的31個省市，時間為2015年，空間分辨率為區縣尺度。
為估算生物能源潛力和生物乙醇產量，首先需要計算可收集的農作物秸稈產生量。農作物秸稈產生量由田間秸稈量和加工過程秸稈量組成。田間秸稈是指作物收獲后留在農田中的物質，包括莖稈、殘茬（莖）和葉子。加工過程秸稈被定義為初級生產過程中產生的材料，包括稻殼、玉米芯、棉籽殼、花生殼、甘蔗渣和甜菜渣等[12]。根據研究的農作物類型，本文除納入田間秸稈量外，還主要考慮在加工過程秸稈中水稻和玉米生產產生的稻殼與玉米芯。農作物秸稈產生量計算方法如下所示
本文通過對各省及各縣統計年鑒獲取2015年全國區縣尺度三種農作物總產量。若省級統計年鑒中報告各縣級區域農作物產量，則使用省級年鑒數據。若省級統計年鑒未報告縣級區域農作物產量或者某縣農作物產量缺失，則使用縣級統計年鑒數據。數據顯示，2015年全年小麥、水稻和玉米的產量為1.36億噸、2.07億噸和2.32億噸。圖1展示了2015年全國各省的三種農作物產量。水稻生產主要集中在華北平原、東北地區和新疆西北部。小麥主要產地為華中地區和華南地區，主要分為黃淮海小麥區、長江中下游種植區、東北種植區、西南種植區、東南種植區。玉米的種植分布十分廣泛，主要分布在北方玉米區（以東北三省、內蒙古和寧夏為主）；黃淮海平原玉米區（以山東和河南為主）；西南山地玉米區（以四川、云南和貴州為主）；南方玉米區（以廣東、福建、臺灣、浙江和江西為主）；西北玉米區（新疆和甘肅部分地區）。農作物產量具有顯著的空間分布異質性，決定了中國可收集的農作物秸稈生物質能源分布也存在強烈的空間異質性。因此精細化的農作物秸稈潛在生物質能源分布研究對于農作物秸稈的能源利用具有重要意義。
可收集農作物秸稈量是指可以從田間取出并使用的最大秸稈量。由于運輸成本限制，并非所有的農作物秸稈都可收集。為充分考慮利用秸稈生物能源的現實情況，本文還估算了考慮運輸成本限制后的可收集農作物秸稈量。具體而言，基于國家道路數據層以及1千米分辨率的三種作物種植數據[18]，使用ARCGIS的緩沖區功能排除了距離主干道20千米以外的農作物生產區域生產出的作物秸稈，使用的主干道距離閾值參考Jiang等[7]的研究，以使結果更具可比性。其中使用的主干道路網數據來自OpenStreetMap開源地圖（https：//www.openstreetmap.org），包括高架及快速路、城市主干道、城市次干道、城市支路、內部道路、人行道路、自行車道、郊區鄉村道路等多種類型。需要特別說明的是，使用的1千米分辨率的種植數據仍然可能無法識別極少部分的農作物種植區域，通過產量除以1千米種植面積從而計算單位面積產量的方法可能會高估各省單位面積的農作物產量。為克服這一缺陷，通過計算每個省份緩沖區內的農作物秸稈占所有秸稈的比例，并將比例帶入各省份的農作物秸稈產生量進行計算，最終獲得排除運輸成本影響的農作物秸稈量。
此外，過度收割秸稈會對土壤、環境和后續的作物產量產生不利影響。因此，通常選擇合理的收割比率以保證部分的秸稈還田，滿足可持續種植的要求。根據以往的研究結果[11][17]，本文使用的秸稈可收集系數如表2所示。可收集農作物秸稈量等于考慮運輸成本限制后的作物秸稈產量乘以田間秸稈可收集系數。
（二）生物能源潛力及生物乙醇生產潛力計算
參照以往的研究結果[7][11]，研究采用等量標準煤和生物乙醇產量的形式來表征可收集農作物秸稈的生物能源潛力。目前，可以通過使用燃燒（直接和共燒）和非燃燒方法（熱化學和生化）等技術將農作物秸稈轉化為能源產品。轉換效率可從現有文獻中獲得[7][19]。根據小麥、水稻和玉米可收集秸稈產量與等量標準煤轉換系數（表3），可以估算2015年中國小麥、水稻和玉米的潛在生物質能源潛力。具體的計算方法如下
用于生產生物乙醇的農作物可收集秸稈量與用于計算能源潛力的農作物可收集秸稈量不同。農作物秸稈的主要利用方式包括留田、田間焚燒、廢棄、飼料、蒸煮取暖、紙漿、電力、其他生物能源使用等。由于其他利用類型的秸稈均得到充分使用，因此可額外用于生物乙醇生產的農作物秸稈主要考慮田間焚燒和廢棄的農作物秸稈數量。基于每種作物秸稈量不同用途的利用比例計算田間廢棄和焚燒的農作物秸稈量。利用比例估算來自2015—2016年對15個省份的農民總共1417份有效問卷[11]，如表3所示。參考他人的研究[11]，田間焚燒的秸稈部分因為本身存在于田間，未從田間移除，因此計算時不考慮可收集系數；而廢棄的部分來自用田間收集后的秸稈，因此需要考慮可收集系數。
最終基于不同農作物秸稈的纖維素和半纖維素含量的理論生物乙醇轉化率的計算方法，估算農作物的生物乙醇生產潛力。生物乙醇生產潛力等于可收集農作物秸稈量乘以生物乙醇轉化率[20-22]（表3），計算公式如下
二、結果與分析
（一）2015年可收集農作物秸稈產量分布
中國可收集秸稈數量大、種類多、分布廣。從總量看，2015年中國三種作物可收集農作物秸稈總量分別為1.22億噸、1.69億噸和2.09億噸。玉米貢獻了最多的可收集秸稈量，其次是水稻和小麥。從空間分布看，華北平原和東北、華東地區是可收集秸稈的主要產區（圖2）。31省市農作物秸稈產量異質性強烈，從12萬噸（西藏）到5501萬噸（山東）不等。農作物秸稈產量位列前五的省份依次為山東、河南、黑龍江、河北和江蘇，產量均超過了3000萬噸。華中地區的湖北和湖南的秸稈產量也位居前列。位于沿海區域的福建和浙江，以及西南的重慶、貴州，西北的甘肅、寧夏，及南部的海南由于農作物產量較低，秸稈產量也較低。各省內部可收集農作物秸稈產量分布的異質性同樣強烈。如四川的可收集農作物秸稈量主要分布在其東部，西部秸稈產量較低。新疆可收集秸稈量主要分布在其西北方。
（二）農作物秸稈潛在生物能源潛力
表4展示了各省能源潛力中占主要貢獻的農作物類型。小麥、水稻和玉米的主要貢獻分布在中國呈現明顯的地理分布差異。水稻作為主要貢獻的地區主要集中在中國的南部和東部。其中，江西97%的縣級區域生物質能源潛力均由水稻貢獻，福建該比例為93%，廣東為86%，江蘇為75%。玉米作為主要貢獻的地區則主要分布在中國北方、西南部、新疆部分地區。其中，吉林（100.00%）、黑龍江（90.08%）、遼寧（71.00%）、山西（82.05%）、內蒙古（79.61%）以及云南和四川許多縣級區域的生物質能源潛力均由玉米貢獻。小麥貢獻占主導的地區在地理位置上相對分散，主要包括位于黃淮海平原的山東（75.91%）、河南（86.08%）以及西北地區的新疆（52.83%）、青海（91.11%）和西藏（71.62%）。
圖3展示了中國各省的農作物秸稈生物質能潛力。生物質潛能分布密度呈現出西低東高的態勢，在省際間存在強烈空間異質性。57.39%的農作物秸稈生物質能潛力集中分布在黃淮海平原、東北平原兩個主要糧食產區以及內蒙古。在黃淮海平原區域內，山東地區的42個縣級區域（共137個縣級區域）生物能源潛力占比達到60%，而河南36個縣級區域（共159個縣級區域）生物能源潛力占比達到50%，省內的能源潛力集中效應明顯。東北平原區域內農作物秸稈生物質能潛力密度較高的區域則集中分布在黑龍江西部、吉林西部以及遼寧北部，其主要農作物秸稈為玉米和水稻秸稈。內蒙古的農作物秸稈生物質能潛力則主要分布于內蒙古東部。
（三）農作物秸稈生物乙醇生產潛力
2015年，中國可用農作物秸稈生物乙醇生產潛力為8081.29萬噸，其中44.37%由玉米秸稈貢獻，40.88%來自水稻秸稈，其他來自小麥秸稈。可用作物秸稈生物乙醇生產潛力分布與能源潛力分布基本一致，呈現農業大省集中分布的趨勢和強烈的空間異質性（圖4）。位列前五的省份生產潛力占全國總量約40%，依次為黑龍江（745.27萬噸）、山東（736.45萬噸）、河南（698.49萬噸）、吉林（522.58萬噸）和江蘇（501.52萬噸）。生物乙醇生產潛力主要分布在東北平原和黃淮海平原區域，與玉米秸稈生物乙醇生產潛力大的區域重合度較高。小麥秸稈生物乙醇生產潛力空間分布與小麥秸稈空間分布一致，產量前三的省份河南（315.07萬噸）、山東（284.99萬噸）和河北（142.30萬噸）均位于華北地區，其次為華東地區的江蘇（111.33萬噸）和安徽（90.37萬噸）。水稻秸稈生物乙醇生產潛力位列前五的省份依次為湖南（432.36萬噸）、江西（359.37萬噸）、江蘇（353.75萬噸）、湖北（279.88萬噸）和安徽（266.06萬噸），主要分布在水稻主要產地的華中地區和華東地區。生物乙醇生產潛力在省內分布的異質性同樣強烈。以黑龍江為例，生物乙醇生產潛力最高的縣級區域是產量最低縣級區域的22591倍。這在一定程度上也顯示出將本文細化到縣級尺度的重要性。
三、結論與建議
（一）與以往研究的比較
準確估計中國農作物秸稈的潛在生物能源潛力和生物乙醇生產潛力對生物質供應的可持續發展至關重要。本文結果表明，2015年中國小麥、水稻和玉米的可收集農作物秸稈總量為5.01億噸，生物能源潛力達2.44億噸等量標準煤，明顯高于以往對于2009年的研究結果[7]。差異原因主要包括三個方面：首先，相較于2009年，2015年農作物小麥、水稻和玉米產量增長約18.84%，因此其可用于生物能源生產的秸稈量大。其次，本文將初次生產過程產生的加工過程秸稈部分也納入研究，是本文結果高于以往研究的另一重要原因。此外，相較于以往研究，本文使用更具異質性的分省秸稈系數和分作物類型的作物種植分布數據，估算結果更為精細。此外，Kang等[23]估算2015年中國生物乙醇生產潛力為9811萬噸。相較而言，本文在充分考慮農作物秸稈運輸成本的約束后，估算的生物乙醇生產潛力下降17.63%，校正了已有研究中存在的高估問題。此外，本文將空間分辨率提升至縣級尺度，能夠更好地滿足生物乙醇產業規劃發展的精度要求。
（二）生物質能源的發展對策
生物質能源是一種可代替煤炭提供穩定電力的可再生能源[24]。利用秸稈進行發電主要有兩種方式：一種是將秸稈處理后直接投入鍋爐燃燒產生熱能發電；另一種是將秸稈氣化后，利用其產生的可燃氣體，經由不同的發電設備發電[25]。推進生物質發電技術的發展對煤炭替代、減污降碳、實現生態環境可持續發展具有重要意義。然而，中國國家統計局數據顯示，2018年中國總發電量為6.8萬億千瓦時，其中火力發電占比超過70%，生物質發電量占比仍然很小，僅為1.33%。為此，本文建議在生物能源潛力分布密度較大的黃淮海平原、東北平原和內蒙古高原等區域，應當著力推進秸稈燃燒或氣化發電技術設備創新，提高轉化效率，充分利用農作物秸稈的生物質能潛力，大力發展生物質能發電，逐步代替煤炭發電以實現能源與環境的可持續發展。
（三）生物乙醇生產潛力的應用與推廣
此外，本文結合已有的三種作物高分辨率種植分布圖進一步考慮經濟可行的作物運輸距離，計算得出2015年中國可用作物秸稈生物乙醇生產潛力為0.81億噸。一方面，糾正了前人研究忽略運輸限制導致的高估偏差；另一方面，繪制了更高精度的生物乙醇生產潛力分布地圖，為科學規劃生物乙醇行業的發展提供了數據支撐。結果顯示，中國生物乙醇生產潛力的區域差異巨大。針對生物乙醇生產潛力大的區域，在產量穩步提升的基礎上，更應逐步加強對生物乙醇的應用。生物乙醇的應用方式之一為單獨或與汽油混配制成乙醇汽油作為汽車燃料。生物乙醇汽油的優勢是能夠使汽油充分燃燒，減少汽車尾氣中CO、SO2的排放。中國于2017年和2018年先后發布《關于擴大生物燃料乙醇生產和推廣使用車用乙醇汽油的實施方案》和《全國生物燃料乙醇產業總體布局方案》[26]。但方案實施至今，生物乙醇汽油推廣進展嚴重滯后。同時，受新冠肺炎疫情影響，2020年以來，消毒酒精需求爆發式增長，導致生物燃料乙醇價格暴漲，給乙醇汽油的應用與推廣帶來巨大挑戰[27]。面對生物乙醇發展受阻，建議從以下兩個方面開展工作：一是調節生物乙醇的市場供需平衡。為保證生物乙醇汽油的生產原料供應，進一步提升基于秸稈原料的生物乙醇技術研發，加強以農作物秸稈為主要原料的生物乙醇產業發展。同時提高玉米和水稻高產地區（如東北平原和長江中下游平原等區域）的秸稈轉化率，充分挖掘農作物秸稈的生物乙醇潛力。二是完善制定適合中國國情的生物燃料乙醇標準，完善生物燃料乙醇實施推廣方案，建立相關補貼機制，加大產業精準調控的力度，統領產業協調發展，為實現“碳達峰、碳中和”提供有力保障。
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