运城市作物秸秆资源化利用潜力研究及空间分析

张 鑫，王 砚

（1.山西农业大学 城乡建设学院，山西太谷 030801；2.四川飞红工程管理咨询有限公司，四川 成都 610011）

自工业革命以来，人类向大气中排入的二氧化 碳等吸热性强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增强，其引发了一系列问题已引起了世界各国的关注[1-3]。在2021年全国两会上，碳达峰、碳中和被首次写入政府报告，碳减排已经成为了我国能源安全和经济转型的内在需求[4]。作物秸秆作为一种主要的农业废弃物，在焚烧过程中会排放大量的温室气体，每千克秸秆的焚烧会产生102 g的CO和1 350 g的CO2[5]，是一种不可忽视的温室气体排放源，对其进行资源化利用既能回收其潜在的能源又能减少温室气体的排放[6-8]，所以，进行作物秸秆资源化利用潜力研究意义重大。目前对于作物秸秆资源量的测算大部分都是采用草谷比系数法。崔蜜蜜等[9]采用此方法测算了2012年全国各地区作物秸秆的资源化利用潜力，并探讨了其市场发展潜力；杜艳玲等[10]对山西省种养废弃物资源量、利用现状进行了调查、估算，并分析其在市域尺度上的分布特征、资源化利用潜力及综合高效利用的途径；赵胜男等[11]对福建省有机废弃物资源化利用碳减排潜力进行了研究，并提出了相应的利用措施；戴玉[12]对安徽省寿县2014年农作物秸秆和畜禽粪便资源化利用潜力进行了研究，并提出了未来对种养废弃物资源化利用的针对性建议。

运城作为山西主要的粮食基地，每年产生的秸秆数量巨大，若直接进行燃烧，将会排放大量的温室气体。本研究以运城市的作物秸秆为研究对象，对其资源化利用的潜力和空间进行研究、分析、评价，旨在为运城市秸秆资源的合理利用、优化秸秆利用产业体系、削减碳排放提供一定的理论数据支撑。

1 研究方法和数据来源

1.1 数据来源

本研究的数据来源主要根据《山西统计年鉴》[13]，即从运城市所管辖的各区域中，选取2006—2017年农作物产量、农作物总播种面积等数据，以及研究区相关部门公开的数据和统计资料。表1为农作物秸秆资源化利用潜力计算参数，其中，可收集系数（ci）选取全国各区域作物秸秆的可收集系数的均值。

表1 农作物秸秆资源化利用潜力计算参数Tab.1 Calculation parameters of resource utilization potential of crop straw

1.2 作物秸秆资源量估算

作物秸秆资源总量是指农作物收获后除了可以食用部分外剩余的茎、叶农作物副产品总量，不包括后期精加工、作物根的资源量，是理论资源总量，其与秸秆经济产量和草谷比这2个因子密不可分[18]。

式中，SR i,j为第j年第i类作物秸秆资源总量；QSi,j为第j年第i类作物经济产量；r i为第i类作物秸秆的草谷比系数。

1.3 作物秸秆资源化利用潜力估算

作物秸秆资源化利用潜力是指作物秸秆除了已利用数量之外，剩余可转换为化学能、热能、电能等能源方式的秸秆蕴含储量[9]。

1.4 作物秸秆资源密度估算

秸秆资源密度是指秸秆某个资源量在一定区域内单位土地面积上的密集程度[17]，其数值可以综合反映秸秆资源的分布、产量、可收集程度和可利用的潜力密集程度。

式中，ρsp为秸秆资源密度，SRp为秸秆资源化利用潜力值，S为区域面积。

2 结果与分析

2.1 运城市作物秸秆资源总量分析

2006—2017年运城市作物秸秆资源年总量为4.07×107t，年均值为3.39×106t，其中，粮食作物为3.21×106t，油 料 作 物 为4.25×105t，其 他 作 物 为1.39×105t。从图1可以看出，运城市作物秸秆资源总量整体呈上升趋势，在2015、2016年达到最大值，均为3.93×106t，2007年最小，为2.43×106t。3种作物秸秆占秸秆资源总量的比例不断变化，但粮食作物秸秆一直占主要比例，年均占比94.64%，油料作物占比最小，年均占比仅1.25%，其他作物棉花秸秆量基本呈逐年降低的趋势，其与棉花的播种面积逐年减少有关。

2.2 运城市作物秸秆资源化利用潜力分析

运城市2006—2017年秸秆资源化利用潜力总值为2.43×106t，年均值为2.03×105t。从表2、图2可以看出，运城市作物秸秆资源化利用潜力变化趋势与其资源总量变化趋势基本一致，其中，粮食作物资源化利用潜力最大，在全市都有种植，占据主导地位，整体呈上升趋势；油料作物的利用潜力最小，虽然全市均有种植，但年均仅有0.42×104t；其他作物在9个县市均有种值，其利用潜力逐年降低，2017年仅有0.14×104t。

表2 运城市农作物秸秆资源化利用潜力区域分布Tab.2 Regional distribution of crop straw resource utilization potential in Yuncheng city

从表2、图3可以看出，运城市粮食作物秸秆资源中利用潜力最大的为玉米秸秆，平均每年为1.04×105t，占比为54.48%，其波动比较大，在2013年达到峰值，为1.31×105t，主要是因为玉米的可收集系数要高于小麦及其他粮食作物；小麦秸秆的利用潜力仅次于玉米秸秆，平均每年为8.13×104t，占比42.52%，整体呈现波动上升的趋势，2012、2016年其利用潜力最大，均为1.00×105t；其他粮食作物的利用潜力平均每年为0.36×104t，仅占比3.00%，主要是因为种植面积相对比较小。

2.3 运城市秸秆资源密度分析

2.3.1 运城市秸秆资源总密度分析 秸秆资源密度可以综合反映一个地区可资源化利用的潜力密集程度。运城市2011年以前平均资源密度为3.15 t/hm2，2011年以后平均资源密度为4.57 t/hm2，从整个市来看，秸秆资源密度明显升高。由图4、5可知，2011年以前，河津市、永济市属于秸秆资源利用密集区，万荣县、闻喜县、垣曲县属于分散区；2011年之后，河津市、永济市、临猗县属于密集区，万荣县属于分散区。河津市和临猗县的降水量、温度、土壤质地比较适合农作物的生长，永济市的种植面积相对较大，而万荣县的小麦、玉米种植面积相比其他地市要小。盐湖区虽然气候适宜种植，农业科技发达，但城市化发展使耕地面积减少，其秸秆资源密度不高，增长量也较低。在2011年之后，垣曲县和闻喜县的秸秆资源密度都有了较高的提升，相较于2011年之前，垣曲县的秸秆资源密度上升了29%，闻喜县上升了40%。在2个县的密度上升之后，整个运城市的东部地区秸秆资源密度空间分布相对均衡。

2.3.2 运城市主要作物的秸秆资源密度分析 运城市作物种类繁多，从产生的秸秆资源量来看，粮食类作物占总量的比例将近95%，而玉米和小麦又为主要粮食作物，其资源化利用潜力占到了粮食作物的97%。从图6、7可以看出，2011年以前，河津市、永济市、临猗县、芮城县、夏县属于小麦秸秆资源利用密集区，万荣县、平陆县、垣曲县属于分散区；2011年之后，河津市、永济市属于密集区，万荣县、平陆县、垣曲县、闻喜县、绛县属于分散区。主要是由于种植小麦的成本高、收益低，易受自然灾害影响，价格不稳定等因素，小麦的种植面积有所减少。

由图8、9可知，2011年以前，永济市、临猗县、芮城县属于玉米秸秆资源利用密集区，万荣县、平陆县、垣曲县属于分散区；2011年之后，河津市、永济市、临猗县、绛县属于密集区，平陆县、垣曲县属于分散区。其主要是由于近年来运城市玉米种植面积不断扩大，占全市播种面积的40%左右，产量将近粮食总产量的45%。

3 结论与讨论

本研究对运城市2006—2017年作物秸秆的资源量、利用潜力及资源密度进行了计算，并分别对其时空分布和空间分布进行了定性、定量分析，结果表明，2006—2017年运城市作物秸秆资源年总量为4.07×107t，年均值为3.39×106t，整体呈上升趋势，在2015、2016年达到最大值，均为3.93×106t，2007年最小，为2.43×106t。其中，粮食作物秸秆一直占主要比例，年均占比94.64%。运城市2006—2017年秸秆资源化利用潜力总值为2.43×106t，平均每年为2.03×105t。玉米秸秆利用潜力最大，其次是小麦。运城市2011年前、后秸秆资源平均密度分布分别为3.15、4.57 t/hm2，从整市来看，秸秆资源密度明显升高，其中，河津、永济、临猗为秸秆资源利用密集区。2011年后小麦秸秆资源利用密集区为河津、永济，玉米秸秆资源利用密集区为河津、永济、临猗、绛县。

本研究在对运城市作物秸秆资源化利用潜力进行估算时，选取的草谷比系数、可收集系数、已利用比例3个关键参数都是引用其他研究学者的成果，并没有进行实测和调研，所以计算出的结果可能和实际情况有出入。本研究对运城市作物秸秆的资源量、利用潜力和资源密度进行了初步分析，对于合理调整运城市农作物的种植结构、面积，优化秸秆利用方式，建立规模化的秸秆发电企业或燃料乙醇企业，促进当地经济社会的协调发展都有着重要的作用。

此外，将秸秆替代化肥[19]、化石燃料[20]都可有效减少由于化肥生产、燃煤产生的CO2量，对于各地市秸秆的肥料化、能源化利用潜力以及碳中和强度需要进一步研究，以期为当地“双碳”目标的实现提供数据支撑。