低碳背景下四位一体循环农业模式研究—以新疆南疆棉花秸秆资源循环利用为例

戴清秀 王鹏程,2*

（1 塔里木大学经济与管理学院，新疆 阿拉尔 843300）

（2 塔里木大学南疆经济社会发展研究院，新疆 阿拉尔843300

低碳经济是建立在低能耗、低排放、低污染基础上的经济发展模式，倡导人们在生产、生活中尽量减少碳排放，其实质在于能源高效利用、清洁能源开发，核心在于减排技术创新与发展观念转变。“低碳经济”提出的大背景，是全球气候变暖对人类生存和发展的严峻挑战。2017 年《关于创新体制推进农业绿色发展的意见》中提到完善秸秆资源化利用制度，健全农业绿色循环低碳生产制度，实施农业绿色发展全民行动，推进秸秆综合利用。随着我国近年来多次明确提出到2020 年秸秆综合利用率要达到85%以上的目标，我国秸秆资源化利用进程不断推进，在应对全球气候变暖的形势下，以秸秆为原料发展清洁能源是一个新兴产业。新疆南疆地区农业技术水平相对较低，且棉秆循环利用相关政策不完善，外加农户循环利用观念淡薄，致使棉花秸秆利用方式较为粗放，资源浪费严重。站在环境保护和低碳农业的高度，从南疆棉区棉花秸秆利用现状入手，分析棉花秸秆不同利用方式的碳排放情况，设想出循环利用模式。截止2016 年年末新疆南疆棉花总产量约199.699万t，占新疆棉花总产量的47.55%，占全国棉花总产量的37.68%，丰富的棉花秸秆资源背后意味着其利用潜能很大，倘若得到合理的规划利用，对提升农业废弃物利用效率、帮助农民增产增收、推进“两型农业”的转型都具有重要实践意义。

当前学术界对农作物秸秆的碳排放研究多以固碳减排效应和碳足迹测度为主［1-4］，国外学者Bhattacharyya P.等[3]通过研究发现，水稻秸秆和无机肥配合使用时固碳土壤效果最好，能够提高粮食产量；Liu C C 等[4]认为，秸秆覆盖免耕是实现高产量、低碳排放的最佳措施，秸秆焚烧碳排放量高达一定浓度时会造成交通污染影响严重。国内学者主要从不同研究区域入手，对秸秆的固碳减排潜力进行了研究，唐廉、谢世友［5］的研究表明农业生态系统呈现碳生态盈余状态，其中秸秆焚烧碳排放总量占比最大；秸秆不同还田方式的碳排量差异性较明显，秸秆生物质炭的转化形式更有利于农田系统固碳减排［6］；秸秆机械化填埋、还田能够缓解碳排放量,减排效果好、储碳能力强［7］；杨乐、邓辉等人［8］的研究中也指出棉秆是农作物秸秆中碳排放量最大的污染源，将其转化为生物炭，具有良好的固碳减排潜力；王艺鹏、杨晓琳［9］等人基于碳足迹的研究结果指出秸秆沼气燃烧的碳减排效果最好，发展潜力极大。以上学者以我国不同区域为例，研究秸秆的固碳减排潜力，在时间上和空间上体现出较大的异质性。

农业废弃物资源的循环利用模式研究中，Liu Zhen 等［10］认为农业-沼气模式比农业-畜牧业模式更好，循环链越长，可持续性越强；利用生物炭、电换热、区换热等方法有利于降低秸秆还田的气候效应［11］；以菌业为核心的农业废弃物循环运作模式，利用潜力大，且经济、社会、生态效益更高,环境负载率更低［12-13］；以秸秆制作畜禽饲料、沼气发酵和有机肥还田为关键“接口”技术能够提高农业废弃物循环和运行效率，加强能量流动［14］；韩芹芹［15］对南疆阿瓦提县某发电厂做适宜模式的效益分析，指出通过棉杆生物质发电来鼓励农民种植棉花，能够增加农民收入，有利于改善人民生活水平，推进新农村建设的进程。

尽管有大量试验研究数据表明，秸秆转化为生物质炭具有良好的固碳减排效果，有利于减少温室气体排放，且有少数学者对秸秆焚烧和还田利用的碳排放进行测度，但针对新疆南疆棉花秸秆不同利用方式的碳排放量评估及对比分析的研究较为少见，基于秸秆的碳排放量评估而设计的“四位一体”循环农业模式相关研究也较少。本文利用2007～2016 年南疆棉区棉花生产统计数据，在对南疆棉区棉花秸秆资源存量及不同利用方式碳排放估算的基础上，基于低碳农业和绿色农业的可持续发展理念，设计出“四位一体”的棉花秸秆循环利用模式，以期为实现新疆南疆地区“两型农业”的转型及推进农业废弃物循环利用提供理论依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

新疆南疆地区位于北纬35°40′～43°31′，东经73°40′～93°44′之间，主要包括巴音郭楞蒙古自治州、阿克苏、克孜勒苏柯尔克孜自治州、喀什、和田五个地州，兵团四个师56 个农牧团场。本文中棉花秸秆的存量估算与碳排放量的估算均采用时序数据，兵团四个师的棉花秸秆存量及碳排放量未在估算范围内，主要测算数据来源于：①研究区棉花播种面积、棉花产量、农业机械总动力、农业机械数量、农用柴油使用量等数据来源于2008～2017 年《新疆统计年鉴》；②棉花秸秆可收集资源量的数据来源于前人研究成果，并在此基础上更新数据至2016 年，其来源在文中均有注明具体出处；③相关碳排放系数均来源于《IPCC 国家温室气体清单指南》（2006）。

1.2 相关参数的确定

本文中棉花秸秆资源碳排放量核算涉及到秸秆焚烧、秸秆饲料加工、秸秆有机肥还田等，因此，采用的碳排放系数为：化肥使用（0. 895 6 kg C/kg），系数来自于ORNL（美国橡树岭国家实验室）；翻耕（312. 600 0 kg C/hm2），系数来自于IABCAU（中国农业大学农学与生物技术学院）；柴油燃烧（0.592 7 kg/kg）［16］。

1.3 新疆南疆棉花秸秆资源碳排放量估算指标

大气中温室气体的排放主要包含CO、CO2、CH4等，为方便估算和分析，本文将其统一转换成标准碳排放量，其他形式的碳排放不在计算范围内。

（1）棉花秸秆直接焚烧碳排放量Et1。Pc为棉花秸秆可收集资源量，我国目前农作物秸秆的燃烧利用率为60%，平均每焚烧1 t 秸秆就会产生1. 60 t CO2；约有12.9%的秸秆直接焚烧，则计算公式为［17］：

（2）棉花秸秆肥料化碳排放量Et3。本文中棉花秸秆肥料化的碳排放量计算只考虑秸秆粉碎还田和翻耕还田，平均每500 kg 秸秆粉碎还田，相当于标准肥料50 kg以上。由于难以搜集南疆棉区秸秆翻耕还田的实际土地面积，故以棉花播种面积为基础，大致估算秸秆翻耕时的碳排放量。其计算公式为：

式中，S为棉花播种面积（千hm2）；312. 600 0 kg C/hm2为翻耕的碳排放系数；M2为棉花秸秆还田的数量（万t），0.895 6 kg C/kg为化肥的碳排放系数。

（3）棉花秸秆薪柴燃烧碳排放量Et5，计算公式为：

式中M3为棉花秸秆用于薪柴燃料的数量（万t）；45%、87%分别为薪柴燃烧的碳排放系数、碳氧化率［18］。

（4）棉花秸秆沼气燃烧碳排放量Et2。假设将秸秆用作薪柴燃料、焚烧、其他利用方式的资源量均用于发酵沼气，则计算公式为：

式中，L棉花秸秆资源沼气潜力（万m3）；0. 209 TJ/万m3为沼气燃烧的热值；15. 3 t/TJ 为沼气燃烧的含碳量。前人研究已指出，沼气发酵池是以粪便与秸秆3∶2 的比例为主要原料，粪便和秸秆的产量贡献率分别为85%和15%，在一口8 m3的沼气池中需要400 kg 的秸秆［19］，即10 000 m3的沼气池需要5 000 t 秸秆，所以L=秸秆发酵沼气的需要量×15%÷5 000。

（5）棉花秸秆饲料化Et4。通过大量文献资料查找发现，当前与秸秆饲料化加工的碳排放量相关数据较难收集，故本文采用棉花秸秆饲料加工过程中，农业机械化设备使用柴油时产生的碳排放量替代秸秆饲料化碳排放量，其简化后的计算公式如下：

式中，F为南疆农用柴油使用量（t）；Z为南疆农业机械总动力（KW）；Qm为南疆饲料加工企业机械数量（台）；Qn为南疆农业机械总数量（台）；0. 592 7 kg/kg为柴油碳排放系数。

（6）棉花秸秆碳排放总量EW，碳排放强度Eqd［20］，计算公式如下：

2 新疆南疆棉花秸秆资源不同利用方式碳排放量估算

2. 1 棉花秸秆资源不同利用方式碳排放情况及变化趋势

基于王鹏程、刘茜等人［21］关于新疆南疆地区2005～2014 年棉花秸秆资源相关计算结果，运用草谷比法更新数据，确定本文中的草谷比值为r1=5.0；通过相关文献的梳理，综合考虑南疆棉区棉花种植的矮植技术与农业机械化程度，其可收集系数偏高，则本文可收集系数为r2=0.9；故可收集棉花秸秆资源量为Pc=Q×r1×r2，式中，Q 表示某一地区棉花年产量（万t），计算结果见表1。2016 年棉花播种面积达到1 140.00 千hm2，棉花播种面积和棉花产量约占新疆的1/2，占全国的1/3 以上，2016 年南疆棉花秸秆可收集资源量达898.646 万t，储量十分可观，其经济价值的体现亟待进一步提高。

表1 2007～2016年新疆南疆棉花秸秆资源量情况

前人学者已对农作物秸秆资源利用方式的比例进行了富有成效的研究［22-24］，但由于新疆地区农作物秸秆密度及人均秸秆资源占有量略低于全国平均水平，故本文中取其平均值，并结合新疆棉花秸秆的实际利用情况做适当调整，即新疆棉花秸秆资源不同利用方式占比分别为：秸秆直接焚烧占12.9%、秸秆粉碎还田占35%、秸秆饲料化占34.6%、秸秆作为薪柴燃料占14%，其他利用方式占3.5%。据此可估算出近10年新疆南疆棉花秸秆不同利用方式的资源消耗量（Pc×利用比例），即秸秆焚烧用量M1、秸秆还田用量M2、秸秆薪柴燃料用量M3、秸秆饲料化用量M4、其他利用方式用量M5（见表2）。

表2 2007～2016年新疆南疆棉花秸秆不同利用方式用量 单位：万t

根据表2 棉花秸秆不同利用方式用量，由公式（1）-（3）可分别核算出2007～2016 年新疆南疆棉花秸秆直接焚烧、秸秆肥料化、秸秆薪柴燃料的碳排放量（见表3）。

表3 2007～2016年新疆南疆棉花秸秆不同利用方式碳排放量情况 单位：万t

由表3结果可知，棉花秸秆作为薪柴燃料和直接焚烧的年平均碳排放总量为218. 649 万t，占总量的70.53%。其他利用方式主要包括秸秆基质化、沼气化、秸秆板材等，其利用方式繁多，难以确定新疆棉花秸秆用于基质化、发酵沼气的比例，故难以估算秸秆基质化与发酵沼气的实际碳排放量。因此，本文假设将棉花秸秆用作薪柴燃料、焚烧、其他用途的资源量均用于发酵沼气，即30. 4%的棉花秸秆充分利用于发酵沼气。根据公式（L=秸秆发酵沼气的需要量×15%÷5 000），可估算出棉花秸秆沼气潜力，进而求得秸秆沼气燃烧的碳排放量Et2（见表4）。

表4 2007～2016年新疆南疆棉花秸秆资源沼气潜力

由表3和表4可看出，在假设状态下，南疆棉花秸秆发酵沼气的潜力极大，2016年达81.957万m3，沼气燃烧的碳排放量最少，年约占总量的0.03%，碳排放量处于0.052～0.113万t之间，增长幅度很小，侧面说明棉花秸秆发酵沼气是最为低碳环保的利用方式。

由于获取南疆饲料加工企业的农业机械数量原始资料较为困难，此处为方便估算，按中等规模饲料加工企业的机械数量5～8 台，取中间值6. 5 台为基准进行大致估算。通过资料整理可知，截止2016 年年末，南疆饲料加工企业约为60 家，2016 年南疆地区农业机械总数为122. 494 4 万台，农用柴油量为30.744 1 万t，农业机械总动力为109.02 万KW（数据来源于《新疆统计年鉴2017》），由公式（5）可估算出2016年南疆棉花秸秆饲料化的碳排放量Et4（见表5）。

表5 2016年新疆南疆地区棉花秸秆碳排放量情况 单位：万t

根据表3 结果及2007～2016 年南疆棉花播种面积，运用公式（6）、（7），核算出2007～2016 年棉花秸秆资源不同利用方式的碳排放强度Eqd及环比增长率（见表6）。

表6 2007～2016年新疆南疆棉花秸秆碳排放强度及增长率

近年来，新疆棉花始终保持全国优势地位，南疆棉区更是积极发展优质长绒棉专用品种，机械化采摘率不断提高，棉花产量更是逐年上升，致使棉花秸秆资源相当丰富，极具利用潜力。由表6 可看出，近10年，南疆棉秆资源不同利用方式碳排放总量整体呈逐年上升趋势，年均碳排放量为266.664 万t；碳排放强度波动幅度较大，年均碳排放强度为3.12 t/hm2；2014年呈现出9.83%的负增长率，随后两年内，棉花播种面积与产量虽有所下降，但棉花秸秆利用的碳排强度提高至3.12 t/hm2，严重的环境污染现象不容忽视。

2. 2 棉花秸秆资源不同利用方式碳排放量结果分析

2016 年新疆南疆棉区棉花秸秆资源碳排放总量达413. 806 万t，其中秸秆薪柴燃料碳排放贡献率高达43.64%，其次是秸秆焚烧达26.89%，秸秆发酵沼气的碳排放贡献率最小，仅为0.02%。

出于经济方便、节省人力、物力、财力等方面的考虑，南疆棉区棉花种植大户更倾向于机械化粉碎还田、沤肥，而棉田较少的农户，限于地块不集中、田间交通不便、机械化成本等因素，则更倾向于焚烧秸秆、粗放方式喂养牲畜或直接丢弃等处理方式。2007～2016 年，南疆地区棉花秸秆资源焚烧量占比较大，碳排放量约为总量的1/3 之多。目前秸秆还田主要以机械埋压技术、高茬收割技术、套种技术为主，南疆棉区秸秆肥料化的年均碳排放量为47. 944万t，占总量的17.98%，今后可进一步加强运用生态系统理论和方法对秸秆直接还田方面等问题进行深入研究，实现养地和用地相结合。此外，还有部分棉农以家庭取暖和做饭的方式处理棉秆，秸秆薪柴燃烧的年均碳排放量达135. 285 万t，占总量的50. 73%。2016 年秸秆饲料化的碳排放量为58. 016万t，占总量的4.46%。

假设将秸秆薪柴燃料、焚烧、其他利用方式的比例（30.4%）均用作发酵沼气，则秸秆沼气燃烧的年均碳排放量为0.072万t，2016年达0.096万t，虽有小幅度增长，但仅为碳排放总量的0.03%，表明棉花秸秆发酵沼气是一种低碳化和绿色化的处理方式，能有效降低秸秆薪柴燃料、秸秆焚烧的碳排放量，清洁能源的发展更有利于改善环境质量、提高棉秆资源综合利用效率。

2017 年中央1 文件提出，要推进农业清洁生产，鼓励各地加大农作物秸秆综合利用支持力度，推动大型沼气池的健康发展，进一步提高农业废弃物资源综合利用效率，到2020年，秸秆综合利用率要达到85%的目标，严格依法落实秸秆禁烧制度，推进秸秆全量化综合利用。南疆棉区棉花秸秆资源总量庞大，其循环利用的成效应与发展低碳农业、转变农业发展方式、提升农业废弃物利用效率密切联系起来。目前，南疆棉区棉花秸秆机械还田比例较高，但利用方式较为粗放，综合利用率有待提高，距离秸秆综合利用率85%以上这一目标还有极大的上升空间。综合考虑农业生产碳减排过程中面临的环境压力、农户技术水平、资金规模及收益效率等因素，“农作物秸秆—沼气—发酵残留物还田”的循环利用方式可以成为今后大力发展生物质能源的主要方向。

3 棉花秸秆资源“四位一体”循环农业模式设计与运行

3.1 “四位一体”循环农业模式设计的总体目标

棉花秸秆“四位一体”循环农业模式正是响应了发展低碳经济的号召，在提高棉花秸秆综合利用率的同时，从生产、生活的各个环节降低其碳排放量，转变农业经济增长方式，竭力推进资源节约、环境友好的低碳农业道路不断向前。以“秸秆—沼气—有机肥还田—低碳农业”为主要路径的“四位一体”循环农业模式，主要以棉花秸秆为原料，畜禽粪便和其他作物秸秆作为辅料，以沼气开发为核心，以提高棉花秸秆利用效率为根本目标，以低碳化、绿色化为原则，满足农民和社会大众的生产、生活需求，并带动养殖业、林果业、温室种植、园林绿化等相关产业发展，促进农业生态系统的良性循环。

3.2 “四位一体”循环农业模式设计思路

基于低碳经济背景，通过对棉花秸秆不同利用方式的碳排放量进行核算，而后假设将秸秆薪柴燃料、秸秆焚烧、其他利用方式均用作发酵沼气，并计算其碳排放量。由计算结果可知，棉花秸秆发酵沼气后直接燃烧的碳排放量最少，环境污染程度最低，故本文设计“秸秆—沼气—有机肥还田—低碳农业”的棉花秸秆“四位一体”循环农业模式（见图1），该模式以棉花秸秆沼气开发为中心，辅之以有机肥还田，帮助改善环境质量，实现棉秆资源、沼气系统和有机肥还田之间的高效循环和低碳农业的健康发展，其运行思路如下：

图1 低碳背景下棉花秸秆“四位一体”循环农业模式图

其中

1：大型沼气池为城市园林绿化提供肥料

2：大型沼气池为食用菌培育供应原料

3：大型沼气池为棉田提供肥料

4：棉田（棉花秸秆）为沼气池提供发酵原料

5：家用沼气池为棉田提供肥料

6：家用沼气池为培育玉米、小麦、水稻等作物提供浸种液

7：大型沼气池为养殖基地、温室大棚基地、花卉种植基地提供肥料

8：养殖基地、温室大棚基地、花卉种植基地（废弃物）为大型沼气池提供发酵辅料

9：家用沼气池为林果业、菜园、家庭温室大棚、家庭养殖提供肥料

10：林果业、菜园、家庭温室大棚、家庭养殖（废弃物）为家用沼气池提供发酵辅料

11：养殖基地、温室大棚基地、花卉种植基地为社会大众及农户提供绿色农产品

12：林果业、菜园、家庭温室大棚、家庭养殖为社会大众及农户提供绿色农产品

13：大型沼气池用于发电，为社会大众及农户提供照明

14：大型沼气池为社会大众及农户提供生产、生活用能（烧锅炉）

15：大型沼气池为社会大众及农户供暖16：家用沼气池为社会大众及农户供暖17：家用沼气池为社会大众及农户提供照明、做饭等生活用能

3.3 “四位一体”循环农业模式的运行

该模式以发酵沼气为突破点，将棉花秸秆发酵沼气与农业生产活动紧密结合，清洁的沼气可降低对化石能源的依赖，其发酵残留物（沼渣、沼液）有助于缓解我国钾肥料资源不足的情况，减少化肥和农药的施用量，帮助农户节约种植成本，实现农产品提质增效，增加农户收入，解决了沼液、沼渣无法完全被充分利用，随河道排流或随处堆放等行为造成的二次污染现象，符合低碳农业和生态农业的发展要求。通过去碳技术，支持和引导企业、合作社、农民运用沼气技术，发挥沼气、沼渣、沼液的功能，使棉花秸秆循环利用与生态农业的集成发展紧密联系在一起，转变农户传统生产、生活方式，促进生态经济的良性循环，从而实现低碳背景下棉花秸秆高效利用和低碳农业健康发展。具体运行方式如下：

（1）实现“棉花秸秆—沼气池—沼气发电—提供农户生产生活用能”的循环路径

以棉花秸秆为主要原料，辅之以其他农业废弃物，投入沼气池，生产出清洁高效的可燃气体，可用于农户生产、生活用能，例如：做饭、取暖、家居及温室照明、提升大棚温度等方面。按照2016 年南疆棉区可收集棉花秸秆资源量898.646 万t 进行估算，当年南疆棉花秸秆发酵沼气潜力为81.957 万m3，按农业部制定的减排标准（每立方米沼气燃烧可减少4.17 kgCO2排放量）估算，可减排3 417.61 t CO2。秸秆沼气发电技术可减少碳排放量，降低碳排放是积极发展新型清洁能源与可再生能源的重要举措。1 m3沼气可发电1.8 kW·h 以上，假设将2016 年南疆棉花秸秆生产沼气的全量81. 957 万m3用于发电工程，沼气发电机组每天全负荷运转，则总发电量约为147.522 6 万kW·h，既能缓解了能源不足的矛盾，提供了充足的电能和热能，用于农业机电抽水灌溉及日常照明，又减少了煤炭、柴油等化石燃料的使用，帮助农户节约生产、生活的成本，提高农村居民的生活质量（详见图1中13-17）。

（2）实现“棉花秸秆—沼气池—沼渣、沼液—肥料化—有机肥还田—果蔬种植”的循环路径

将棉花秸秆资源通过大型沼气池发酵沼气，使秸秆沼气与农业生产活动紧密结合，其发酵残留物中的氮、磷、钾等营养成分较全面，通过加工处理后，沼渣、沼液能够为城市园林绿化、温室大棚基地、花卉种植基地、林果业、菜园提供充足的有机肥料，为绿色农产品生产提供条件。一个8 m3的沼气池每年可提供沼肥30 t，相当于钾肥200 kg、磷肥500 kg和尿素300 kg，可减少约25%农药和化肥使用量［25］；按当前化肥市场价格估算，可节约2 350 元开支；一般做基肥每亩用量1 000 kg 左右，粮食或蔬菜可增产15%以上。此外，可根据不同农作物的生长周期，利用水肥耦合技术将沼液用作大田作物的灌溉和施肥。有研究结果表明，沼液通过工厂化的深加工处理后可充当浸种液，培育玉米、小麦、水稻等各类种子，提升种子成秧率，保证秧苗质量，浸种小麦可增产5%～15%，水稻可增产10%～20%［26］，增产增收效果明显，其作物秸秆又可成为沼气池的下脚料（详见图1中6—12）。

（3）实现“棉花秸秆—沼气池—沼渣、沼液—饲料化—畜禽粪便—有机肥还田—棉花、果蔬种植”的循环路径

沼渣能为养殖基地提供营养丰富的饲料原料，促进了生猪出栏、家禽产蛋、奶牛的生产，形成良性循环的食物链，为绿色农产品生产提供了条件。根据生猪养殖各阶段生长期，按一定比例添加沼渣、沼液至饲料中，大约可节省1/4的饲料成本和育肥时间，节约部分防疫费用，使生猪提前出栏；添加至精饲料中，可使肉鸡增重，显著提高蛋鸡的产蛋率。畜禽养殖、温室大棚基地、花卉种植产生的粪便、秸秆可直接为沼气池提供下脚料，沼渣及畜禽粪便亦可杀菌发酵后作为棉田、果蔬种植的底肥。被长期发酵的沼渣正是栽培育食用菌的极佳原料，以棉籽壳、麦麸皮等混合料栽培平菇，在蘑菇房中以沼液兑水1∶4 的比例冲施于菌棒，冲施6 次采收6 茬，比清水冲施（对照组）增产47.04%，比单纯使用棉籽壳栽培平菇增产效果较显著［27］，帮助实现农民增收致富。培育完食用菌的蘑菇渣，既可以喂猪，又是一种高质量有机肥，间接实现沼渣第二个层面的利用；猪粪及园林秸秆又可投入沼气池发酵沼气，达到沼肥还田、农业废弃物循环利用的目的，进而节约各项生产成本，实现农民增收，改善农户生活品质，减少农业废弃物资源浪费现象，提升其经济效益和生态效益（详见图1中1-10）。

李雪等［28］通过试验指出，不同秸秆沼气潜力按产气量大小排序为青贮玉米秸秆＞水稻秸秆＞干黄玉米秸秆＞烟草秸秆；刘德江等［29］研究表明，水稻秸秆的产气率和甲烷含量高于小麦、玉米秸秆；攀婷婷、杨立［30-31］等研究发现，不同作物秸秆厌氧发酵产沼气时，棉花秸秆累积产气量和甲烷含量提升比例高于水稻秸秆和玉米秸秆。综合表明，棉花秸秆发酵沼气具备一定的可实施性，且厌氧发酵的各项指标效果较好。与其他秸秆资源发酵沼气相比，其主要优势在于，南疆作为我国棉花主产区之一，棉花秸秆资源总量庞大，就地取材方便；就目前的利用方式而言，其他利用方式的低碳化和绿色化程度还有待提高。朱利群、王舒娟等［32-33］从农户、政府、企业、市场、劳动力机会成本、机械成本、资金技术等多方面考虑，秸秆制沼气时的单位秸秆净收益高于秸秆还田、露天焚烧等。综合上文分析，表明棉花秸秆适合发酵沼气，该四位一体循环农业模式能够提升棉花秸秆循环利用的低碳化和绿色化程度。

4 结论与讨论

4.1 结论

近10年来，新疆南疆棉区棉花种植面积和产量逐年增加，相较2007 年环比增长了92.72%和86.36%。2016年我国棉花总产量529.945 2万t，其中南疆棉花产量达到199.699万t，占全国总产量的37.68%，占新疆棉花总产量的47.55%。2016年南疆可收集棉花秸秆资源量为898.646 万t，年均可收集量达670 万t 以上，表明南疆棉花秸秆资源的利用潜力很大。

2007～2016 年南疆棉区棉秆不同处理方式的年平均碳排放总量为266. 664 万t；碳排放强度波动幅度较大，年平均碳排放强度为3. 12 t/hm2；2016 年南疆棉区秸秆碳排放总量达413. 806 万t，按碳排放量由大到小排序为：秸秆薪柴燃料＞秸秆焚烧＞秸秆肥料化＞秸秆饲料化＞秸秆发酵沼气，由此可说明，秸秆发酵沼气是最为清洁的利用方式，有利于保护环境，减少秸秆资源浪费。

以棉花秸秆发酵沼气为中心“四位一体”循环利用模式，即“秸秆—沼气—有机肥还田—低碳农业”，其循环路径为“棉花秸秆—沼气池—沼气发电—提供农户生产生活用能”，“棉花秸秆—沼气池—沼渣、沼液—肥料化—有机肥还田—果蔬种植”，“棉花秸秆—沼气池—沼渣、沼液—饲料化—畜禽粪便—有机肥还田—棉花、果蔬种植”。该循环路径整体上能够实现提高棉花秸秆利用率，降低碳排放量，为绿色农产品的生产提供条件，满足农民和社会大众的生产、生活需求，带动相关产业发展的总体目标，促进棉秆资源的合理、高效、循环利用，推进低碳农业发展及农业生态系统的良性循环。

4.2 讨论

本文计算棉花秸秆不同利用方式碳排放量时，由于秸秆饲料化碳排放系数及相关数据收集较困难，所以大致估算了秸秆饲料加工过程中，农业机械消耗柴油的碳排放量，用以代替秸秆饲料化碳排放量；而农业机械的数量则以中等规模饲料加工企业的农业机械平均值6.5台进行估算，不完全代表秸秆饲料化碳排放量的全部指标。此外，限于新疆地域广阔及统计数据的缺失，难以找到2016年以前南疆饲料加工企业的完整数据，所以只采用了截止2016年年末饲料加工企业数量，来估算秸秆饲料化碳排放量，估算结果可能与实际结果之间存在一定误差。此外，现实中棉花秸秆实际用于发酵沼气的比例难以确定，故本文通过建立假设情境，假设将棉花秸秆用作薪柴燃料、焚烧、其他用途的资源量（30.4%）充分利用于发酵沼气，计算其碳排放量，并与其他几种利用方式碳排放量进行对比。文中只粗略估算沼气燃烧时的碳排放量，暂不考虑沼气输送的碳排放情况，其秸秆沼气潜力大、碳排放量低，与张婷婷等［34］和王艺鹏等［9］的研究结果基本一致，以棉花秸秆发酵沼气为核心的“四位一体”循环农业模式更有利于提高秸秆资源综合利用效率，且低碳化、绿色化效果更好。

就总体而言，以低碳农业理论为指导，通过估算棉花秸秆不同利用方式的碳排放量，以碳排量最少的利用方式，即以棉花秸秆发酵沼气为核心的“四位一体”循环农业模式，其研究结果基本能够为棉花秸秆资源的循环利用提供一种高效路径，为南疆棉区棉花秸秆资源的高效循环利用、推进低碳农业的发展和政府决策部门制定相关政策提供较为可靠的参考依据。但在今后研究中，应充分考虑该模式中秸秆发酵沼气的物流运输、储存问题，协调好农户资金成本能力与劳动力的博弈问题，以及后续沼气池的维修服务和保障措施等，使该模式的预期效果更佳、运行体系更健全，增强该模式的适应性。