农作物秸秆资源生态转化方式分析

2016-01-27苏世伟朱文聂影

江苏农业科学 2015年11期

苏世伟++朱文++聂影

摘要：分析了我国农作物秸秆的资源禀赋，比较了秸秆资源生态转化技术，探讨了国内外秸秆资源生态转化的发展进程与制约因素。结果表明，2012年我国主要农作物秸秆资源总量约7.50亿 t，折合标准煤3.88亿 t；我国秸秆资源空间分布差异显著，在经济富裕地区、地广人稀的产粮地区和能源产区秸秆资源丰富，生态转化潜力较大；秸秆资源的原料化和能源化利用是我国生态转化的2种可行方式；农作物秸秆密度较低的资源属性、企业管理与技术创新水平较低、现有政策制度设计和监督实施的缺陷，是秸秆规模化利用的主要制约因素。

关键词：农作物；秸秆；生态转化；原料化；能源化

中图分类号： F062.2；F303.4文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）11-0452-03

收稿日期：2014-11-27

基金项目：教育部人文社会科学研究规划基金青年项目（编号：14YJCZH113）；江苏省教育科学“十二五”规划课题（编号：C-c/2013/01/039）。

作者简介：苏世伟（1974—），男，江苏南京人，博士，副教授，研究方向为农林技术经济及管理。E-mail：ssw5096@126.com。

通信作者：聂影，教授，研究方向为林产品贸易与市场。中国作为农业生产大国，是农作物秸秆资源最丰富的国家之一，稻谷、小麦、玉米、棉花秸秆是最主要的农作物秸秆[1]。全球化石燃料日益枯竭，生物质能源是唯一具有固碳作用的再生能源，在世界范围内发展生物质能源已成为调整能源结构、减少温室气体排放、实现低碳农业经济可持续发展的重要措施[2]。农作物秸秆作为重要的生物质能源，须要从国家战略高度实施综合开发利用。实现农作物秸秆的生态转化不仅降低能源成本，还有利于工业、农业和农村经济的合理发展，同时能减轻秸秆焚烧造成的环境污染。本研究分析了我国农作物秸秆的资源禀赋，比较了秸秆资源生态转化技术，探讨了国内外秸秆资源生态转化的发展进程与制约因素，以期为实现秸秆资源的规模化利用提供参考。

1我国农作物秸秆的资源禀赋

1.1农作物秸秆资源总量估算

我国农作物主要包括粮食作物和经济作物，粮食作物秸秆有稻谷、小麦、玉米、高粱的秸秆；经济作物秸秆有棉花、油料、豆类、薯类、芦苇、芝麻、葵花、麻等的秸秆，其中稻谷、小麦、玉米的秸秆是3 大主要作物秸秆，约占秸秆资源总量的89%[3]。由于秸秆资源分布相对分散，国内学者对农作物秸秆资源量的估算多数建立在统计资料的基础上，分别使用质量形态、能量形态、谷物当量3种方式测算我国秸秆资源量[3-10]（表1）。

农作物秸秆有多种生态转化方式，作为肥料、基料、工业原料一般以质量形态反映其利用价值；而能源化和饲料化利用秸秆所储存的能量价值，可以通过谷物当量或能量形态反映其实际价值。因此，本研究综合了质量形态、谷物当量、能量形态3种方式分析了中国当前秸秆资源量。根据《2012年中国统计年鉴》[11]，选取王亚静等研究中的谷草比[4]和蔡亚庆等研究中的折合标准煤系数[5]，估算2012年我国稻谷、小麦、玉米、油料、棉花、豆类、薯类、甘蔗等8类主要农作物秸秆资源总量共7.50亿 t，折合标准煤3.88亿 t。可以看出，我国秸秆资源量非常丰富，具有很大的开发潜力。

1.2农作物秸秆资源的空间分布

我国地域宽广，不同地区农业气候、种植制度、社会经济条件存在很大差异，各地区的农作物秸秆种类和分布不同。本研究结合王晓玉等[12-13]对中国田间秸秆资源分布的相关研究，同时考虑秸秆资源分布区域的社会经济特征和资源利用状况，将我国秸秆资源按空间分为6大地区（表2）。

在经济发达地区、地广人稀的产粮地区和能源产区，秸秆资源丰富，秸秆作为生活能源进行燃烧的方式逐渐被商品能源取代，秸秆资源利用成本过高，农民容易获得廉价的商品能源，在这些地区产生了大量的秸秆剩余，秸秆资源生态转化潜力较大。在经济欠发达地区、经济落后地区、政治经济中心，由于经济相对落后或受到严格的法律法规约束，秸秆资源利用状况良好。整体而言，中国各地秸秆资源量和秸秆资源利用表现出明显的空间分异格局，秸秆资源量主要呈现出南北和东西差异，东部和北部地区的秸秆资源量高于西部和南部地区。

2秸秆资源生态转化的技术比较

我国农作物秸秆作为食用菌栽培基料需求量较少；由于每年须要轮种多次和病虫害等原因，秸秆作为肥料还田的比例较低；而秸秆的饲料化应用主要集中于部分地区和少数秸秆品种。因此，秸秆资源的原料化以及生物质能源化是秸秆生态转化的重要途径。

2.1农作物秸秆原料化利用的可行性

我国实施天然林保护工程后，木材原料供应更加缺乏，第表1不同形态的秸秆资源量计算公式

形态公式公式说明质量形态 Qi=Pi×C=Oi×Bi×C=Xi×Ai×Bi×CQi、Pi、Oi分别为作物i秸秆的理论资源量、可收集量、利用潜力；Ai、Bi、C分别为作物i秸秆的草谷比系数、可收集系数和利用率；Xi为作物i的年产量。谷物当量M=∑n′i=1R′iE谷=∑n′i=1X′i×A′i×B′i×C′i×D′iE谷

N=MF畜M为秸秆饲料化利用价值；E谷为谷物的能量转化率；N为秸秆养畜利用能力；F畜为畜产品的谷物当量系数。能量形态R=∑ni=1Ri=∑ni=1Qi×Di=∑ni=1Xi×Ai×Bi×Ci×DiR为作物秸秆能量利用价值总量；Ri为作物i秸秆能量利用价值量；D为作物i秸秆的能量转化率。

七次全国森林资源普查结果表明，我国现有森林资源的年合理供给量仅占需求量的40%[14]。人造板行业特别是非木质原料人造板行业实现了快速发展，农作物秸秆成为主要的替代原料。将农作物秸秆作为人造板原料，既可以解决废物利用问题，又可以解决秸秆焚烧带来的环境污染问题。

在技术上，我国已成功开发出麦秸刨花板、中密度稻草板、麦秸纤维板、草/木复合中密度纤维板、软质秸秆板、秸秆/塑料复合材料等多种秸秆人造板产品[15]。另外，农作物秸秆还可以应用在墙体材料领域，将农作物秸秆与水泥基材料混合加工成建筑板，使得建筑墙体导热系数和密度有较大程度下降。但目前国内秸秆人造板尚未形成规模化生产，主要原因是秸秆人造板技术还不成熟，加工的板材性能不稳定，同时加工成本过高，与木质人造板相比竞争优势不足。

2.2农作物秸秆能源化利用的可行性

农作物秸秆的主要成分是CO和碳氢化合物，2 t秸秆约相当于1 t标准煤的热值，而含硫量仅为煤炭的1/3。张海清等采用热分析系统，对农作物秸秆、石油、煤炭进行了比较，结果表明农作物秸秆具有挥发分含量大、灰分低、含碳量少、含硫量低的特点，特别是玉米秸秆中硫的含量为零，因而秸秆生物质有良好的燃烧特性，农作物秸秆作为生物质能源对环境造成的污染远小于化石燃料[16]。农作物秸秆的能源化利用在秸秆生态转化方面具有优势，秸秆能源化利用主要包括秸秆气化、秸秆固化、秸秆发电3种形式。

2.2.1秸秆气化秸秆气化分为2种，一是通过秸秆缺氧燃烧，产出以CO为主要成分的可燃气体；二是通过秸秆搭配人畜粪在厌氧条件下发酵，产生甲烷为主要成分的可燃气体[17]。我国推广沼气发酵技术已有40多年历史，目前沼气发酵技术已经相当完善，秸秆沼气集中供气技术具有热值高、效益高、无污染的特点，具有广阔的应用前景[18]。沼气燃烧的热效率比城市煤气高出40%，且能源转化效率高，因此从环境效益看，秸秆沼气能源化利用在生产、输送、使用中，能显著减少温室气体和其他有害气体的排放。

2.2.2秸秆固化秸秆固化是用专门的压块机通过特殊工艺，将秸秆压制成块状、棒状或粒状固体燃料，其体积缩小，这不仅为秸秆能源化利用开辟了商业化、产业化途径，也可以将固化秸秆用于发电[19]。秸秆固体成型燃料技术生产工艺和设备简单，易于操作且成本较低，加工生产的固体成型燃料热效率高、燃烧性能好、便于贮运、易于实现产业化生产和大规模使用，可满足农村居民炊事、取暖用能需求，可为城镇社区区域供热提供清洁燃料，还可用于温室大棚和园林花卉暖房保温取暖。

2.2.3秸秆发电秸秆发电分为秸秆气化发电和秸秆燃烧发电，秸秆气化发电工程复杂，难以大规模产业化利用，秸秆直接燃烧发电是实现规模化应用的途径。中国的生物质资源丰富且储量巨大，发展秸秆发电是一种实现环境优化与资源约束的双赢选择。推广秸秆发电是鼓励农民种粮、增加农民收入的一项重要举措。建立秸秆发电项目有助于增加地方政府财政收入，提高劳动就业率，带来很好的经济效益，同时利用秸秆燃烧发电供热可以减少二氧化硫排放，具有较好的生态效益。

3国内外秸秆资源生态转化的发展进程与制约因素

3.1国内外秸秆工业化、能源化利用的发展进程

国外进行农作物秸秆资源的生态转化已有较长历史，技术较为成熟，很多国家已达到机械设备配套齐备的现代化水平。表3从农作物秸秆资源的原料化和能源化利用2个方面，将我国和发达国家的秸秆资源生态转化发展进程进行对比，发现我国在秸秆生态转化技术水平和产业规模程度方面，离大规模的商业化利用还有很大差距。

3.2农作物秸秆资源生态转化的制约因素

要实现秸秆规模化利用必须考虑秸秆资源密度，农作物秸秆密度较低的资源属性是其大规模能源化利用的主要制约表3国内外秸秆生态转化方式的发展进程

利用方式发展进程国内国外原料化

利用秸秆

人造板20世纪70年代开始研究秸秆人造板技术，20世纪90年代开始水稻秸秆人造板的工业化生产。2003年上海市建成首个以小麦秸秆、玉米秸秆为原料的人造板生产线。目前我国已建有6条1.5万 m3/年的秸秆板生产线，4条5万 m3/年的秸秆板生产线，10余条秸秆建筑材料生产线，初步形成了农作物秸秆材料产业。瑞典Daproma公司、美国Prime Board公司、加拿大Isobord公司建成较大规模麦秆刨花板生产线。20 世纪 90 年代后期，国外以异氰酸酯（MDI）作为胶粘剂生产秸秆板取得成功。1998年加拿大建成18万 m3/年秸秆板生产线。能源化

利用秸秆气化我国已有1 300万个户用沼气池，建成多个大型沼气发酵工程。集中供气和户用气化炉产品已进入实用化试验及示范阶段，可用于生产、生活用能、发电、干燥、供暖等领域。美国Battle 生物质气化发电示范项目达到世界先进水平，可大规模发电。奥地利拥有装机容量为1～2 MW的区域供热站90座。德国已建成近7 000家沼气电厂，技术世界领先。秸秆固化20 世纪90 年代后期，国内开始借鉴发达国家农作物秸秆固化成型的先进技术和设备，研制适合中国国情的秸秆固化加工装备。20 世纪70年代，法国、德国、意大利等国相继建成一批生物质颗粒成型燃料生产厂。丹麦成功建立第1座生物质固化成型燃料发电厂。2010年德国与瑞典合作建成年产量75 万 t的世界上最大生物质颗粒燃料工厂。农作物秸秆固化成型燃料的用途从生活燃料转向了工业化应用，在供暖、干燥、发电等领域广泛应用。秸秆发电2005年河北省晋州市建成首个秸秆生物燃料发电厂。生物质发电厂被列入国家级示范项目，但核心技术领域缺少自主知识产权，产业化和商业化转化程度低，发电运营成本高。1989年丹麦建成世界上第1座全部燃用秸秆的Haslev热电厂，丹麦约有60个供暖厂用秸秆作原料，能源使用率达到85%～90%。西班牙的圣硅沙秸秆电厂于2002年6月并网发电。欧洲秸秆发电技术和装置已达商业化应用程度，实现规模化产业经营。

因素[5]。作为秸秆人造板工业原料，我国能够实现规模经济效应的地区包括河北省、山东省、河南省、江苏省、安徽省等，这些省份秸秆可收集量大于150万 t，且秸秆资源密度较高，是实现秸秆资源工业化利用的主要区域。东北地区、华南地区、长江中下游地区是秸秆能源化利用的可行区域，适宜建立年产量5万 t以上的秸秆固化企业和较大规模的秸秆发电企业，而西藏和黄土高原等地区的秸秆资源密度较低，不适宜秸秆资源的规模利用。

企业管理与技术创新也是制约秸秆资源生态转化的重要因素。在秸秆禁烧、秸秆收集-存贮-运输困难的约束下，企业须要解决秸秆贮运成本过高、技术水平较低、产品竞争力低下的问题。同时，企业要利用好政府的优惠政策，提高企业核心技术水平，综合考虑秸秆资源生态转化的经济效益、社会效益、生态效益，实现秸秆资源的工业化、能源化利用。

最后，农作物秸秆生态转化的现有政策制度设计和监督实施缺陷须要改进。近几年国务院制订了《关于加快推进农作物秸秆综合利用的意见》《关于“十二五”农作物秸秆综合利用实施方案》《关于加强农作物秸秆综合利用和禁烧工作的通知》等政策法规，然而现有政策在实践中并未得到有效实施。应针对政策制订者、执行者和接受者的策略行为进行分析，探讨政策失效的内部、外部原因，理顺政府生态公益性诉求、企业利润最大化诉求与农户短期利益诉求三者的关系，结合我国现行的制度安排和政策设计的“属地”特征缺陷，为政策制订的预期效果和社会效应提供预警与监管的科学指导。

4结论与展望

农作物秸秆资源作为一种可再生的清洁能源，是生物质能源的重要组成部分，众多学者对秸秆资源量估算方法和具体测算进行了研究。本研究估算出2012年我国主要农作物秸秆资源总量共7.50亿 t，折合标准煤3.88亿 t。中国各地秸秆资源量和秸秆资源利用表现出明显的空间分异格局，东部和北部地区的秸秆资源量高于西部和南部地区，该地区生态转化潜力较大。

秸秆资源的环境友好性是受到关注的重要原因，减少资源浪费和降低雾霾污染是重大国策，秸秆资源的生态转化已经受到世界各国的高度重视。农作物秸秆资源原料化利用能够减少森林资源消耗，缓解木材供需矛盾；农作物秸秆能源化利用可以补充化石燃料的不足，具有很大的社会效益和经济效益。因此，秸秆资源的原料化利用和能源化利用尚须考虑以下2个问题：首先，我国各地秸秆资源在空间上呈现出显著的区域属性，主要集聚在东北、华北、长江中游平原，各区域社会经济发展存在差异，应选择适合区域经济发展特征的生态转化方式；其次，秸秆资源生态转化方式选择上要结合我国国情，北美、北欧等地区农业规模化经营程度较高，森林资源丰富，而我国林业资源匮乏且原料收集成本过高，因此须要进一步研究我国农作物秸秆生态转化的困境，实现从秸秆资源-空间分散到工业化集中利用的生态转化目标。

参考文献：

[1]李太平，徐超. 江苏省农作物秸秆资源能源化潜力与区域分布研究[J]. 江苏社会科学，2011（5）：234-237.

[2]Parikka M. Global biomass fuel resources[J]. Biomass and Bioenergy，2004，27（6）：613-620.

[3]崔明，赵立欣，田宜水，等. 中国主要农作物秸秆资源能源化利用分析评价[J]. 农业工程学报，2008，24（12）：291-296.

[4]王亚静，毕于运，高春雨. 中国秸秆资源可收集利用量及其适宜性评价[J]. 中国农业科学，2010，43（9）：1852-1859.

[5]蔡亚庆，仇焕广，徐志刚. 中国各区域秸秆资源可能源化利用的潜力分析[J]. 自然资源学报，2011，26（10）：1637-1646.

[6]钟华平，岳燕珍，樊江文. 中国作物秸秆资源及其利用[J]. 资源科学，2003（4）：62-67.

[7]丁文斌，王雅彭，徐勇. 生物质能源材料——主要农作物产量潜力分析[J].中国人口·资源与环境，2007（5）：84-89.

[8]刘刚，沈镭. 中国生物质能源的定量评价及其地理分布[J]. 自然资源学报，2007（1）：9-20.

[9]毕于运，高春雨，王亚静，等. 中国秸秆资源数量估算[J]. 农业工程学报，2009（2）：211-217.

[10]李太平，徐超. 江苏省农作物秸秆资源能源化潜力与区域分布研究[J]. 江苏社会科学，2011（5）：234-237

[11]国家统计局.中国统计年鉴[M]. 北京：中国统计出版社，2013.