位賀杰，張艷芳，栗新巧，朱 妮

近年來具有低能耗、低排放、低污染和環(huán)境友好特點的低碳經濟［1］成為中國及全球其他國家解決氣候變暖問題，走出經濟發(fā)展瓶頸的新路徑。低碳經濟的一個核心問題便是能源消費問題，傳統能源的短缺加之其高排放特征使尋求和開發(fā)清潔能源迫在眉睫。秸稈生物質能源因具有可再生，可持續(xù)發(fā)展，量大，含硫量低的特點，使其成為實現環(huán)保低碳、非糧替代、循環(huán)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產業(yè)，也是未來以綠色生物能源替代傳統化石能源的主導產業(yè)［2］，同時引發(fā)了學術界對秸稈資源的研究熱潮。從目前文獻［3－6］來看，學者們對中國秸稈資源總量相關指標的估算及其區(qū)域分布進行了大量研究，部分學者研究了河南［2］、黑龍江［7］、江蘇［8］等省份秸稈資源儲量及其分布。一個地區(qū)秸稈資源是否適宜開發(fā)利用以及如何開發(fā)利用終歸要落實到各區(qū)縣，因此從區(qū)縣角度研究秸稈資源量及其分布更具有實際意義，但是目前研究文獻鮮有涉及。由于秸稈生物質能具有分散性、不連續(xù)性和單位附加能值低的特點，因此秸稈生物質能的空間分布和年際穩(wěn)定性直接影響著生物質能工廠的優(yōu)化選址和后續(xù)原料供應［9］。重心模型在研究變量空間變化特征，定量分析變量空間變化機理方面具有優(yōu)勢，目前已廣泛用于人口重心［10］、經濟重心［11］、碳排放重心［12］、農田碳凈吸收重心［13］等方面的研究上，而將其用于農田秸稈生物質能方面的研究尚未見報道?；诖耍狙芯坷媒斩挷莨缺认禂担╮esidue to product ratio）、可收集系數、折標煤系數測算近30a渭南市秸稈資源量，研究其年際穩(wěn)定性情況，并利用重心模型定量分析渭南市秸稈生物能的重心分布及其變動范圍，以期為渭南市綜合開發(fā)利用秸稈資源提供決策依據，同時為渭南市秸稈生物質能工廠優(yōu)化選址提供參考。

1 研究區(qū)概況

渭南 市 地 處 108°50′—110°38′E 和 34°14′—35°52′N之間，位于陜西省關中渭河平原東部，東瀕黃河并與山西、河南省接壤，西與西安、咸陽市相接，南倚秦嶺與商洛市，北與延安、銅川市相鄰，是陜西省和西部地區(qū)進入中東部的“東大門”。渭南市轄2區(qū)、8縣、2縣級市，是全國重要商品農業(yè)基地，素以農業(yè)著稱，可耕地面積占總面積的96%，糧食、油料、棉花產量居陜西省前列，與此相悖的是嚴重的農田秸稈露天焚燒現象，不僅污染大氣，而且造成生物能資源的浪費，近年來采取的源頭控制焚燒等措施雖讓這一現象有所緩解，但是普遍存在的秸稈資源利用率低下的問題仍沒有得到解決，故該區(qū)秸稈資源開發(fā)潛力很大，極具研究價值。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

所用數據主要為經過搜集整理得到的渭南市各區(qū)縣1978—2011各類糧食作物的經濟產量，以及2008—2011年《渭南統計年鑒》中谷物類、豆類、薯類、油料、棉花產量，還有各區(qū)縣常用耕地面積。

2.2 研究方法

渭南市農作物秸稈用途多樣，主要有農民炊事取暖、直接還田、飼料化利用、工業(yè)造紙、食用菌基料等，還有部分被廢棄或直接焚燒，因此測度秸稈資源的指標有多種包括理論蘊藏量、可收集量、可能源化量以及可能源化的折標煤量。計算公式為［5，14］：

式中：i——農作物的編號；Cl——秸稈理論蘊藏量；Uk——秸稈可收集量；En——秸稈可能源化量，即可用作能源的秸稈的質量；Mz——秸稈可能源化的折標煤量；Pi——第i類農作物的經濟產量；gi——第i類農作物草谷比系數，其值詳見表1；si——第i類農作物可收集利用系數，谷物類秸稈取0.83，豆類秸稈取0.88，薯類秸稈取0.80，油料秸稈取0.85，棉桿取0.90［3］；可收集秸稈中僅有部分作為能源進行利用，fi——可收集秸稈中用于能源利用的系數，取0.5［4］；ei——第i類作物的折標煤系數，其值詳見表1。

表1 各類農作物草谷比系數及折標煤系數［5，14］

本研究引入重心模型來分析渭南市秸稈生物能的空間變化規(guī)律，以期為渭南市生物質能工廠優(yōu)化選址提供參考。重心概念源于物理學，是物體各部分所受重力作用的合力點，研究假設渭南市各區(qū)縣處于同一質平面，每個區(qū)縣秸稈生物能集中在縣中心城市。各區(qū)縣中心城市都是平面上的一個質點，具有不同質量，渭南市秸稈生物能的重心位置則是各質點質量對比的均衡點，其位置變化則意味著各區(qū)域秸稈生物能的不同步變化，從而較好地反映渭南市秸稈生物能的區(qū)域差異，重心計算公式為［12－13］：

式中：Xt，Yt——表示第t年秸稈生物質能重心的經緯度坐標；Mtk——第t年k區(qū)縣的秸稈生物能量（可能源化秸稈的折標煤量）；xk，yk——k區(qū)縣中心城市所在地經緯度坐標。

3 結果與分析

3.1 渭南市秸稈資源的結構及其地理分布

根據公式（1）求得2008—2011年渭南市各區(qū)縣（高新區(qū)數據過小并入臨渭區(qū)）的秸稈理論蘊藏量（圖1）。由圖1可以看出，2008—2011年各區(qū)縣農作物秸稈量變動不大，比較穩(wěn)定，故求得糧食作物秸稈、油料作物秸稈、棉桿資源量的4a平均值，代表渭南市總體以及各區(qū)縣秸稈資源的結構。

圖1 渭南市各區(qū)縣秸稈理論蘊藏量的變動性及其結構

渭南市秸稈資源總量中，以糧食作物秸稈為主，約占90%，棉稈量約占6.5%，油料秸稈量僅占3.5%；糧食作物秸稈中，小麥秸稈量占40%，玉米秸稈量占58%，剩余秸稈以豆類、薯類為主；油料秸稈中，油菜秸稈、花生秸稈量分別約占44%和49%，剩余秸稈以芝麻、向日葵為主。各區(qū)縣秸稈資源結構與總體秸稈結構相比，臨渭區(qū)、澄城縣、合陽縣、華陰市呈現類似特征，大荔縣糧食作物秸稈量比例偏低，偏低值為11.7%，富平縣、韓城市、華縣糧食作物秸稈量比例偏高，偏高值分別為8.4%，8.6%和5.8%，白水縣和蒲城縣棉花秸稈量比例分別呈現偏低和偏高的特征，偏差值分別為6.5%和5.3%，潼關縣油料作物秸稈量比例偏高，偏高值為7.9%；各區(qū)縣糧食作物秸稈結構與總體糧食秸稈結構相比，華縣、大荔縣、富平縣、韓城市、潼關縣呈現相似特征，臨渭區(qū)、蒲城縣小麥秸稈量比例偏高，偏高值為9.5%和11.9%，合陽縣、澄城縣、白水縣、華陰市玉米秸稈量比例偏高，偏高值分別為14.0%，13.0%，5.2%和9.1%。

根據公式（2）和（4）求得渭南各區(qū)縣秸稈的可收集量和可能源化的折標煤量，并用其除以各區(qū)縣的常用耕地面積得到各區(qū)縣秸稈的可收集密度和能源密度，以4a數據的均值來表示各區(qū)縣秸稈生物能相關指標地理分布。從秸稈可收集總量和可能源化的折標煤總量的計算結果來看，較高地區(qū)為臨渭區(qū)、大荔縣、蒲城縣以及富平縣，其秸稈可收集量分別為5.10×105t，4.92×105t，4.94×105t，4.81×105t，均在5.00×105t左右，秸稈可能源化的折標煤量分別為1.42×105t，1.38×105t，1.38×105t，1.32×105t；總量一般的地區(qū)為合陽縣、澄城縣、白水縣、華縣，其秸稈可收集量在1.50×105t～3.50×105t之間，秸稈可能源化的折標煤量在4.00×104t～9.00×104t之間；總量較低的地區(qū)為華陰市、韓城市、潼關縣，其秸稈可收集量均在1.50×105t以下，秸稈可能源化的折標煤量均在4.00×104t以下。從秸稈可收集密度和能源密度看，較高地區(qū)為臨渭區(qū)、華縣、華陰市，單位秸稈可收集量均在7t以上，單位秸稈能源量均在2t以上；密度一般地區(qū)為潼關縣、大荔縣、富平縣、合陽縣、澄城縣以及白水縣，單位秸稈可收集量在5～7t之間，單位秸稈能源量在1.5～2.0t之間；密度較低地區(qū)為蒲城縣、韓城市，單位秸稈可收集量在5t以下，單位秸稈能源量在1.5t以下。

3.2 近30a渭南市秸稈生物能總量的變動

由于1978—2007年油料作物產量和棉花產量難以搜集，無法計算實際的總秸稈資源量，對近30a渭南市秸稈資源總量按以下方案進行估算，先求得1978—2011年渭南市糧食作物秸稈的理論蘊藏量、可收集量、可能源化量以及可能源化的折標煤量，再根據渭南市作物秸稈結構進行估算。由于渭南市糧食作物秸稈資源量占總量90%以上，故估算結果偏差應很小，可信度較大。

對1978—2011年渭南市秸稈可收集總量、可能源化的折標煤總量進行趨勢線擬合，擬合線斜率均為正值，且R2＝0.719，兩個方程在0.01的水平上顯著，顯示了近30a渭南市秸稈總量的上升趨勢（圖2）。由圖2可以看出，渭南市秸稈的理論蘊藏總量、可收集總量、可能源化總量以及可能源化的折標煤總量均在波動中呈現上升趨勢，且4個指標變動情況基本一致。由于秸稈可能源化的折標煤量統一將各類可能源化的秸稈折算為標準煤，因此用該指標分析渭南市的秸稈生物能量更具有實際意義：1978—1981年，指標緩慢下降，從4.51×105t降到3.74×105t；1982—1988年，指標變化平緩，中間偶有起伏，整體緩慢上升，從4.93×105t上升到5.55×105t；1989—1992，指標緩慢下降，從6.11×105t下降到5.17×105t；1993年為一個凸點年份，1994—1997年，指標緩慢上升，從5.06×105t上升到6.25×105t；1998—2001年，指標下降趨勢明顯，從7.76×105t降到5.10×105t，回到1982，1994等年份水平；2002—2010年，指標上升趨勢較明顯，從6.09×105t上升到9.89×105t；2011年，指標又降到2008年水平?？傮w來看，渭南市秸稈生物能量年際穩(wěn)定性較好，大部分年份與相鄰年份差值在1.00×105t的范圍內進行浮動，比較適合建設秸稈生物能工廠。

圖2 渭南市秸稈資源相關指標動態(tài)演進

3.3 近30a渭南市秸稈生物能的重心移動

上文已經指出利用秸稈可能源化的折標煤量指標分析秸稈生物能更具有實際意義，故求出渭南市11個區(qū)縣1978—2011年的秸稈可能源化的折標煤量，根據各區(qū)縣經緯度坐標，利用公式（5）—（6），得到渭南市近30a秸稈生物能重心的經緯度坐標，并對其進行趨勢線擬合（圖3）。

圖3 近30a渭南市秸稈生物能重心

1978—2011年渭南市秸稈生物能重心經度、緯度逐年波動趨勢特征不明顯，但根據緯度、經度的兩條擬合趨勢線可以判斷，重心的緯度和經度在逐漸偏小，即逐漸向西南方向移動，但近幾年有回移趨勢（圖3）。根據渭南市秸稈生物能的重心移動趨勢及其重心分布范圍，將渭南劃分為西南區(qū)和東北區(qū)，其中西南區(qū)為富平縣、蒲城縣、臨渭區(qū)、華縣以及白水縣，東北區(qū)為華陰市、澄城縣、合陽縣、韓城市、大荔縣以及潼關縣，利用兩地區(qū)秸稈生物能的比值來研究渭南市秸稈生物能的空間變化。為了消除某一年份秸稈生物能量的奇異值引起的比值突變，首先以5a為一個時間尺度，求取5a內西南區(qū)、東北區(qū)秸稈生物能比值之和，同時補充1977年秸稈生物能數據（看作與1978年相同），以使總年份達到35a（能被5整除），以此可得到7個比值之和數據，依次為6.6，7.6，7.2，7.9，7.6，8.3以及7.3，再以11a為一個時間尺度，并從1979年開始求取比值之和，可得到3個數據，依次為15.8，16.8，17.4?？梢钥闯鲆?a為時間尺度時，渭南市西南和東北區(qū)秸稈生物能比值仍有波動，以11a為時間尺度時，比值逐漸變大，變大趨勢有所減緩。通過以上分析得出近30a渭南市西南區(qū)秸稈生物能所占比重逐漸變大，這與渭南市秸稈生物能重心整體變化方向及其經緯度的擬合線變化趨勢基本一致。

4 結果討論

目前諸多文獻中對同一地區(qū)秸稈資源量的估計結果存在巨大差異，究其原因是計算過程中所用草谷比系數、折標煤系數等關鍵系數不同導致，本研究采用的草谷比系數為蔡亞慶等［5］取自科技部星火計劃、可再生能源戰(zhàn)略研究組、中國農村能源行業(yè)協會等研究機構以及多個研究者研究成果的平均值，折標煤系數為韋茂貴等［14］根據各類農作物秸稈的低位發(fā)熱值進行換算得到的系數，總體來說，兩系數可靠性較強。但是由于中國地域范圍較廣，不同地區(qū)農田農作物秸稈的材質有所區(qū)別，渭南地區(qū)屬于半干旱半濕潤區(qū)，水分不足，作物秸稈的水分含量與全國有較大的差別，因此草谷比系數、折標煤系數等也會不同，因此本研究結果會存在一定誤差，界定渭南地區(qū)農作物秸稈的各類關鍵系數是下一步研究的關鍵。

根據渭南市各區(qū)縣秸稈可能源化的折標煤量及能源密度的數據，咨詢相關專家意見，將兩指標進行歸一化并按各占0.5的權重進行分配，計算各區(qū)縣兩指標綜合得分，依據得分高低將渭南市秸稈能源化利用劃分成3個區(qū)域：一為重點開發(fā)利用區(qū)，包括臨渭區(qū)、大荔縣、富平縣，這3個區(qū)縣得分均大于0.9，臨渭區(qū)秸稈資源豐富，集中度高，又是渭南市中心城區(qū)，有技術支撐，較為適合集中開發(fā)，大荔縣和富平縣秸稈資源豐富，但集中度一般，適宜分散開發(fā)利用；二為適度開發(fā)利用區(qū)，包括蒲城縣、合陽縣、澄城縣、華縣以及華陰市，這些區(qū)縣得分處于0.6～0.9之間，蒲城縣秸稈資源豐富，但集中度較低，合陽縣、澄城縣秸稈資源與集中度均一般，華縣、華陰市秸稈集中度較高，但是秸稈資源不夠豐富，這些地區(qū)應當適度開發(fā)，可推廣秸稈固體成型，生物氣化等技術進行開發(fā)；三為不宜開發(fā)利用區(qū)，包括韓城市、潼關縣、白水縣，這些地區(qū)綜合得分在0.6以下，秸稈資源與秸稈集中度均不是很突出，開發(fā)價值較低。

研究近30a渭南市秸稈生物能量動態(tài)變化時，由圖2中可以找到秸稈可能源化的折標煤量的3個凸點年份，1993，1998和2010年，1993年凸點周邊點特征不符合極大值點標準，2010年凸點右邊點個數過少，因此符合典型極大值點的年份只有1998年，1998年之前的該指標波動視為正常波動，1998年以后該指標出現連續(xù)3a大幅度降低，2002年以后才逐漸恢復，降低的原因可能是1998年中國開始全面實施的農業(yè)結構戰(zhàn)略性調整所致［15］。

根據渭南市秸稈重心的分布范圍，理論上渭南市秸稈生物能工廠應初步選在大荔縣與蒲城縣交界處，且較為靠近臨渭區(qū)的地段，但考慮到重心選址的局限性，具體選址位置尚待研究。選址問題涉及學科較為廣泛，關聯到經濟、地理、政治、人文、工程地質、心理以及管理等多門學科，因此僅從地理和幾何角度考慮渭南市秸稈生物能工廠選址，有不確定性和局限性，綜合多學科理論成果，進一步探討選址的具體位置是下一步研究的工作重點。

5 結論

（1）渭南市秸稈資源總量中，以糧食作物秸稈為主，約占90%，糧食作物秸稈中以小麥和玉米為主，約占98%。

（2）渭南市秸稈資源能源化利用重點開發(fā)區(qū)為臨渭區(qū)、大荔縣、富平縣，適度開發(fā)區(qū)為蒲城縣、合陽縣、澄城縣、華縣以及華陰市，不宜開發(fā)區(qū)為韓城市、潼關縣、白水縣。

（3）1978—2011年渭南市秸稈生物能量總體呈波動上升趨勢，其整體分布重心波動中逐漸向西南方向移動，但移動幅度逐漸變緩。

（4）渭南市秸稈生物能工廠初步選址可定在大荔縣與蒲城縣交界處且較為靠近臨渭區(qū)的地段，具體位置尚待進一步探討。

［1］ 付加峰，莊貴陽，高慶先.低碳經濟的概念辨識及評價指標體系構建［J］.中國人口·資源與環(huán)境，2010，20（8）：38－43.

［2］ 郭永奇.河南省主要農作物秸稈生物質資源定量評價及其地理分布［J］.農業(yè)現代化研究，2013，34（1）：114－117.

［3］ 王亞靜，畢于運，高春雨.中國秸稈資源可收集利用量及其適宜性評價［J］.中國農業(yè)科學，2010，43（9）：1852－1859.

［4］ 劉剛，沈鐳.中國生物質能源的定量評價及其地理分布［J］.自然資源學報，2007，22（1）：9－19.

［5］ 蔡亞慶，仇煥廣，徐志剛.中國各區(qū)域秸稈資源可能源化利用的潛力分析［J］.自然資源學報，2011，26（10）：1637－1646.

［6］ 崔明，趙立欣，田宜水，等.中國主要農作物秸稈資源能源化利用分析評價［J］.農業(yè)工程學報，2008，24（12）：291－296.

［7］ 王海東，李翠霞.黑龍江省秸稈類生物質能源儲量測度［J］.生態(tài)經濟，2009（11）：128－131.

［8］ 張兵，張寧，李丹.江蘇省秸稈類農業(yè)生物質能源分布及其利用的效益［J］.長江流域資源與環(huán)境，2012，21（2）：181－186.

［9］ 王芳，卓莉，陳健飛，等.2000—2006年廣東省農田生物質能時空變化遙感分析［J］.地理研究，2010，29（12）：2223－2232.

［10］ 段學軍，王書國，陳雯.長江三角洲地區(qū)人口分布演化與偏移增長［J］.地理科學，2008，28（2）：139－144.

［11］ 馮宗憲，黃建山.1978—2003年中國經濟重心與產業(yè)重心的動態(tài)軌跡及其對比研究［J］.經濟地理，2006，26（2）：249－254.

［12］ 王倩倩，黃賢金，陳志剛，等.我國一次能源消費的人均碳排放重心移動及原因分析［J］.自然資源學報，2009，24（5）：833－841.

［13］ 盧娜，曲福田，馮淑怡.中國農田生態(tài)系統碳凈吸收重心移動及其原因［J］.中國人口·資源與環(huán)境，2011，21（5）：119－125.

［14］ 韋茂貴，王曉玉，謝光輝.中國各省大田作物田間秸稈資源量及其時間分布［J］.中國農業(yè)大學學報，2012，17（6）：32－44.

［15］ 朱建春，李榮華，楊香云，等.近30年來中國農作物秸稈資源量的時空分布［J］.西北農林科技大學學報：自然科學版，2012，40（4）：139－145.