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庞力豪，王丽霞，姜凯阳，张羽飞，邵蕾
（中国农业大学烟台研究院，山东烟台264670）
摘要：农作物秸秆不合理利用不仅会造成大量资源浪费，而且直接焚烧产生的温室气体严重破坏大气环境。本文对山东省2017年17个地级市农作物种植情况进行统计，概算出山东省主要农作物的秸秆资源总量。评估秸秆肥料化对于补充土壤N、P、K及有机质含量的效果；构建秸秆沼气化利用及碳排放数学模型，计算秸秆沼气化潜力，对其燃烧利用后的碳排放量进行评估，为秸秆沼气化碳减排工作提供参考依据。结果表明，山东省2017年秸秆资源总量为6433.66×104t，肥料化还田的秸秆养分可替代64.77×104t的尿素，34.16×104t的过磷酸钙和81.02×104t硫酸钾，可补充土壤有机质835.50×104t；秸秆沼气化潜力为17288.25×105m3，折合标准煤1.23×106t，较秸秆直接焚烧减少240.43×104t碳排放量。
农作物秸秆作为一种生物质资源可以进行腐熟还田，也是产沼气的优质原料。2015年我国主要农作物秸秆资源量为7.19×108t[1]，但由于处理方法不当，田间焚烧和废弃等未利用的秸秆却达到2.15×108～3.14×108t，占秸秆总量的30%～44%[2]。秸秆焚烧不仅产生大量CO、NOx、PAHs等对人体有害物质，而且产生的CO2和固体烟尘颗粒物严重污染大气，造成巨大的环境负担。
合理开发秸秆资源对于我国发展生态循环农业及可再生能源事业具有重要意义。《山东省农作物秸秆综合利用试点工作方案》中指出：形成秸秆肥料化、饲料化、燃料化、基料化、原料化“五化并举”的综合利用格局。构建秸秆综合利用长效机制，改善农村环境，带动农民增收，推进资源节约、环境友好现代农业发展[3]。本文通过山东省农作物产量概算出主要农作物秸秆资源总量；通过对秸秆肥料化及沼气化研究，计算秸秆肥料化补充土壤N、P、K及有机质的效果和沼气化利用的潜力。对秸秆沼气化利用后的碳排放量进行量化，同秸秆直接焚烧产生的碳排放量进行比较，计算秸秆沼气化碳减排量，为山东省秸秆综合利用提供参考依据。
1数据来源与研究方法
1.1数据来源
本研究中山东省主要农作物产量数据源自山东省统计局公布的《2018年山东省统计年鉴》[4]。结合山东省农作物种植结构的实际情况，本文选取11种主要农作物为对象进行研究：粮食作物（小麦、稻谷、玉米、谷子、豆类、薯类），油料作物（花生、油菜、芝麻），经济作物（棉花、烟叶）。
1.2研究方法
1.2.1秸秆资源概算
利用2017年山东省各地市主要农作物产量数据P和农作物草谷比系数k，得出山东省主要农作物秸秆资源总量R。
草谷比是农作物单位面积秸秆产量与籽粒产量的比值[6]。我国幅员辽阔，不同地域环境作物的草谷比不同。通过对相关文献的比较分析，结合山东省地域特点，本文采用谢光辉等[7]和王晓玉等[8]统计的主要农作物草谷比的平均值作为草谷比系数（表1）。
1.2.2秸秆肥料化
利用草谷比系数计算农作物秸秆资源所得质量为秸秆鲜基重[9]，通过秸秆鲜基重、干物质率和各物质含量计算秸秆所提供的N、P、K及有机质的量。
本文整理了相关文献[11]及《中国有机肥料养分志》[12]中对主要农作物秸秆干物质率，有机质及N、P、K含量的测定结果（表2）。
根据杨艳华等[13]对还田秸秆有机碳在土壤中转化分配的研究，秸秆还田后42%～79%有机碳被微生物分解以CO2的形式通过土壤呼吸释放到大气中，不超过40%的还田秸秆碳会转化为土壤活性炭被作物利用。同时随着土壤团聚体直径增大，其转化比例呈负相关趋势。根据顾鑫等[14]利用δ13C法研究秸秆添加对土壤团聚体有机碳的影响表明，27.49%的秸秆碳会被土壤转化为有机碳利用，故本研究选取27.49%作为秸秆还田后秸秆有机碳在土壤中有效转化率。
通过秸秆还田提供的N、P、K量折算可替代的尿素（46-0-0）、过磷酸钙（0-12-0）和硫酸钾（0-0-50）量，评估秸秆还田减少的化肥投入量。
1.2.3秸秆沼气化
产沼系数指单位质量的秸秆经过生物发酵后可以产生的沼气量。利用不同作物秸秆的干物质率p以及产沼系数g，概算出山东省主要农作物秸秆的沼气产量G。
本文参照张婷婷等[16]对不同作物的产沼系数取值，具体见表3。
1.2.4碳排放
碳排放研究采用IPCC法对秸秆产沼直接燃烧进行评估[17]。将秸秆在其加工、发酵、燃烧过程中直接或间接排放的全部温室气体转换为CO2当量，作为本研究中的碳排放量C，计算公式如下：
本文参照韦茂贵等[19]所确定的作物秸秆折煤系数取值（表4）以及国家发改委能源研究所公布的标准煤燃烧碳排放系数2.4567kg/kg（CO2）[20]。
2统计结果及数据分析
2.1山东省主要农作物秸秆资源分布
根据山东省2017年作物种植面积及草谷比系数取值（表1），计算山东省17个地市主要农作物秸秆资源总量（表5）。2017年山东省秸秆资源总量为6433.66×104t。山东省作为农业大省，秸秆资源充足，丰富的秸秆资源是推动山东省农业发展肥料化、能源化的一大优势。
2017年山东省小麦和玉米的种植面积分别为4.08×106hm2和4.00×106hm2[4]，秸秆资源量分别为3318.50×104t和2555.67×104t，共占全省秸秆资源总量的91.3%。菏泽市与德州市秸秆资源量位居全省前两位，分别为914.94×104t和854.80×104t，共占全省资源总量的27.5%。
2.2山东省主要农作物秸秆肥料化利用分析
为落实《山东省秸秆综合利用专项规划（2014-2020年）》[21]，根据山东省农业农村厅及山东省农业信息网[22]所公布的相关信息，2017年山东省作物秸秆综合利用继续按照“五化并举”的综合利用格局，具体分布比例如表6所示。其中肥料化利用包括机械化粉碎还田、生物腐熟还田、养畜消化还田等方式[23-24]，燃料化利用包括大型沼气、生物质发电和热解气化燃料化利用[25]。
根据表6以及本研究中所确定的山东省作物秸秆各营养成分比例（表2），通过公式（2）计算2017年山东省主要农作物秸秆肥料化效益（表7）。其中全省2017年秸秆肥料化后实际提升土壤有机质835.50×104t；补充土壤N、P、K29.79×104t、4.11×104t和40.50×104t，可替代64.77×104t尿素、34.16×104t过磷酸钙和81.02×104t硫酸钾。按尿素、过磷酸钙以及硫酸钾的价格每吨为2100元，780元和3000元计算，2017年山东省全省秸秆还田可减少38.7亿元化肥投入。
2.3山东省主要农作物秸秆沼气产量分析
根据主要农作物秸秆产沼系数（表3），计算2017年山东省主要农作物秸秆沼气化潜力（表8）。全省秸秆沼气化利用可产生17288.25×105m3沼气。根据中国统计局能源统计司公布的《中国能源统计年鉴》[20]，1m3的沼气燃烧产生的热值可替代0.714kg标准煤。2017年山东省主要农作物秸秆沼气产量可替代1.23×106t标准煤。
2.4秸秆沼气化利用碳排放量分析
根据主要农作物秸秆折煤系数（表4）以及标准煤燃烧碳排放系数计算碳排放量（表9）。2017年山东省秸秆燃料化利用比例为6.8%（表6），秸秆直接燃烧将向大气中排放580.33×104tCO2当量。经沼气化处理后碳排放量为339.90×104tCO2当量，减少了240.43×104t碳排放量，占直接燃烧CO2排放量的41.42%。
3结论与讨论
3.1 2017年山东省主要农作物秸秆资源总量为6433.66×104t。其中小麦、玉米秸秆量共占全省秸秆总量的91.3%。菏泽市、德州市以及聊城市秸秆资源量位居全省前三位，共占全省秸秆总量的37.5%。由于处理成本较高，农作物秸秆仍存在废弃或私自焚烧现象，禁烧工作压力较大。若要提高秸秆资源化利用率，政府应围绕秸秆肥料化及燃料化等领域，推广用量大、附加值高的秸秆综合利用技术，不断提升秸秆综合利用产业化发展水平。
3.2 2017年山东省秸秆肥料化利用后可补充土壤有机质835.50×104t，可减少64.77×104t尿素，34.16×104t过磷酸钙以及81.02×104t硫酸钾的化肥投入量。化肥施用过量不仅造成耕地质量下降，而且破坏生态环境。秸秆肥料化可有效减少化肥投入量，推进资源循环利用，减少土壤水体污染，响应国家有机肥替代化肥行动。
3.3 2017年山东省秸秆沼气潜力为17288.25×105m3，可替代1.23×106t标准煤，较直接燃烧可减少240.43×104tCO2排放量。秸秆沼气化是实现能源清洁低碳发展，推动能源结构优化的重要手段。对于秸秆资源丰富的地区建设生物质能源燃气基地不仅充分发挥了秸秆的能源效益，而且缓解了直接燃烧对大气环境的污染，有利于建设资源节约型及环境友好型社会。
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