朱開偉，劉 貞,2，賀良萍，林金釵

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中國(guó)主要農(nóng)作物秸稈可新型能源化生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量分析

朱開偉1，劉 貞1,2，賀良萍1，林金釵1

（1重慶理工大學(xué)低碳能源中心，中國(guó)重慶 400054；2勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，美國(guó)加州 94530）

【目的】如何在保護(hù)生態(tài)環(huán)境和考慮秸稈資源開發(fā)成本的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)秸稈資源的合理開發(fā)，對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能發(fā)展規(guī)劃有著重要的意義。因此，從保護(hù)生態(tài)環(huán)境和開發(fā)成本角度，對(duì)可新型能源化利用秸稈資源的生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量進(jìn)行評(píng)估，為生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)布局、優(yōu)先發(fā)展區(qū)域、優(yōu)先發(fā)展技術(shù)以及政策制定提供參考。【方法】采用文獻(xiàn)調(diào)研法對(duì)研究秸稈還田量與水土流失、土壤有機(jī)質(zhì)和農(nóng)作物單產(chǎn)關(guān)系的文獻(xiàn)進(jìn)行梳理，在此基礎(chǔ)上提出土壤生態(tài)保留量的概念，并歸納出不同農(nóng)作物的基礎(chǔ)土壤生態(tài)保留量；根據(jù)基準(zhǔn)年農(nóng)作物單產(chǎn)、種植結(jié)構(gòu)和草谷比系數(shù)，考慮土壤生態(tài)保留量和秸稈用途，對(duì)區(qū)域秸稈生態(tài)總量和資源密度進(jìn)行計(jì)算；對(duì)政府政策和相關(guān)項(xiàng)目成本進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)發(fā)展情景和項(xiàng)目成本參數(shù)，并以項(xiàng)目投資回報(bào)率為變量，計(jì)算不同回報(bào)率下項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)收集半徑；根據(jù)秸稈資源密度和經(jīng)濟(jì)收集半徑，計(jì)算項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)收集量，并與項(xiàng)目理論需求量進(jìn)行比較，整理出不同項(xiàng)目可用秸稈生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量?！窘Y(jié)果】中國(guó)主要農(nóng)作物可新型能源化利用秸稈生態(tài)總量約8 661.31萬t，主要分布在廣西、四川、山東和河南，主要由薯類、甘蔗和油菜秸稈構(gòu)成。當(dāng)投資回報(bào)率（ROI）為0時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)水平和政策下，6 MW、25 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目，12 MW氣化發(fā)電項(xiàng)目，年產(chǎn)5 000 t和10 000 t燃料成型項(xiàng)目可用秸稈生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量分別為8 658.24×104、8 655.29×104、8 658.24×104、3 314.69×104和8 661.31×104t。當(dāng)ROI為5%時(shí)，6 MW、25 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目，12 MW氣化發(fā)電項(xiàng)目，年產(chǎn)5 000 t和10 000 t燃料成型項(xiàng)目可用秸稈生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量分別為7 943.15×104、8 347.38×104、8 347.38×104、260.45×104和8 661.31×104t。當(dāng)ROI為10%時(shí)，6 MW、25 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目，12 MW氣化發(fā)電項(xiàng)目，年產(chǎn)5 000 t和10 000 t燃料成型項(xiàng)目可用秸稈生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量分別為1 853.29×104、7 023.24×104、7 068.07×104、0和8 661.31×104t。在現(xiàn)有技術(shù)水平和政策下，不同ROI下纖維素乙醇項(xiàng)目的可用秸稈生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量均為0?！窘Y(jié)論】（1）現(xiàn)有政策對(duì)發(fā)電類項(xiàng)目有顯著的激勵(lì)作用，可適當(dāng)降低對(duì)年產(chǎn)10 000 t燃料成型項(xiàng)目的補(bǔ)貼力度，提高發(fā)電類項(xiàng)目的補(bǔ)貼力度；（2）在生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)布局方面，現(xiàn)階段可優(yōu)先發(fā)展年產(chǎn)10 000 t秸稈燃料成型項(xiàng)目，可優(yōu)先在廣西、湖北、廣東、安徽、河南等地規(guī)劃建設(shè)12 MW秸稈氣化發(fā)電項(xiàng)目，其次可考慮在廣西、湖北、廣東和安徽規(guī)劃建設(shè)25 MW秸稈直燃發(fā)電項(xiàng)目，最后可考慮在廣西規(guī)劃建設(shè)6 MW秸稈直燃發(fā)電項(xiàng)目。

土壤生態(tài)保留量；秸稈生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量；經(jīng)濟(jì)收集半徑；生物質(zhì)能

0 引言

【研究意義】與林業(yè)木質(zhì)剩余物、禽畜糞便等生物質(zhì)相比，農(nóng)作物秸稈在時(shí)空間上分布相對(duì)集中，具有易收集、成本低等特點(diǎn)，已成為發(fā)展生物質(zhì)能源的重要原料之一。同時(shí)，秸稈還田具有防止水土流失、維護(hù)土壤功能的作用[1]，能減小化肥需求及其帶來的環(huán)境污染。中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，秸稈資源豐富。因此，農(nóng)作物秸稈具有非?？捎^的能源效益和環(huán)境效益。秸稈新型能源化利用不僅與秸稈資源量有關(guān)，還與區(qū)域和開發(fā)成本相關(guān)。因此，從保護(hù)生態(tài)環(huán)境和開發(fā)成本角度，對(duì)不同區(qū)域不同秸稈能源化項(xiàng)目可用秸稈的生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量進(jìn)行評(píng)估，對(duì)保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境以及秸稈新型能源化產(chǎn)業(yè)布局、優(yōu)先發(fā)展區(qū)域、優(yōu)先發(fā)展技術(shù)和政策制定都有著重要的意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前，秸稈資源的評(píng)估可分為3類。第一類主要研究秸稈資源理論總量，LIU等[2]考慮農(nóng)作物產(chǎn)量和土地變更等因素，對(duì)加拿大秸稈資源潛力進(jìn)行了評(píng)估，認(rèn)為其潛力約為3 730×104t；ROBERTS等[3]考慮農(nóng)作物種類、種植面積和單產(chǎn)，測(cè)算出培列敦地區(qū)年秸稈資源量約為20.5×104t；HAASE等[4]考慮農(nóng)作物播種面積和草谷比系數(shù)，通過GIS系統(tǒng)對(duì)歐洲農(nóng)業(yè)可利用秸稈資源總量進(jìn)行了評(píng)估；第二類是考慮秸稈還田、收集率和用途，對(duì)可能源化秸稈資源潛力進(jìn)行評(píng)估，但在計(jì)算秸稈還田量時(shí)采用還田比進(jìn)行計(jì)算。田宜水等[5]考慮不同農(nóng)作物的燃料、肥料、飼料及工業(yè)用途，得出中國(guó)可能源化利用秸稈資源量約3.44×108t；CHANDRA等[6]考慮農(nóng)作物產(chǎn)量、秸稈收集率以及用途，采用能流圖的方法測(cè)算出斐濟(jì)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能潛力約為72.67 PJ；朱開偉等[7]考慮秸稈農(nóng)業(yè)、工業(yè)、燃燒等用途，采用情景分析法測(cè)算出中國(guó)主要農(nóng)作物可新型能源化秸稈資源為0.15×108—1.86×108t標(biāo)煤。第三類是研究開發(fā)成本、加工技術(shù)等因素對(duì)秸稈資源經(jīng)濟(jì)總量的影響。由于具體技術(shù)和評(píng)價(jià)內(nèi)容不同，經(jīng)濟(jì)總量的評(píng)價(jià)結(jié)果差異較大。如：STEPHEN等[8]采用IBSAL模型，考慮交易成本和運(yùn)輸成本，計(jì)算出亞伯達(dá)平河地區(qū)農(nóng)作物剩余可采集量介于5×104—50×104t；HOOGWIJK等[9]對(duì)不同區(qū)域生產(chǎn)力水平和勞動(dòng)力投入成本進(jìn)行設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)生產(chǎn)成本低于2 $/GJ時(shí)，全球荒地和可復(fù)耕耕地每年可提供130—270 EJ生物質(zhì)能；SUN等[10]考慮單位采購(gòu)成本、運(yùn)輸成本和收集成本，采用蒙特卡羅模擬法對(duì)農(nóng)作物剩余收集率進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)價(jià)格聯(lián)盟有利于提高農(nóng)作物剩余使用率?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】（1）提出土壤生態(tài)保留量的概念，并通過對(duì)相關(guān)研究的梳理確定不同農(nóng)作物的基礎(chǔ)還田量；（2）從項(xiàng)目層面構(gòu)建成本曲線，考慮技術(shù)進(jìn)步和激勵(lì)政策的影響，計(jì)算不同情景下不同區(qū)域、不同項(xiàng)目可用秸稈的生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量?！緮M解決的關(guān)鍵問題】考慮秸稈還田量對(duì)水土流失、土壤有機(jī)質(zhì)和農(nóng)作物長(zhǎng)期產(chǎn)量的影響，對(duì)不同農(nóng)作秸稈的基礎(chǔ)還田量進(jìn)行設(shè)計(jì)；對(duì)現(xiàn)有相關(guān)政策和文獻(xiàn)進(jìn)行梳理，設(shè)計(jì)合理的發(fā)展情景；以項(xiàng)目投資收益率為變量做靈敏度分析，尋找優(yōu)先發(fā)展項(xiàng)目和優(yōu)先發(fā)展區(qū)域。

1 材料與方法

1.1 可新型能源化秸稈資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量評(píng)價(jià)模型

1.1.1 可新型能源化秸稈資源密度 可新型能源化秸稈資源密度是指可用于發(fā)展生物質(zhì)能源的秸稈資源生態(tài)總量與播種面積的比值，則不同區(qū)域可新型能源化秸稈的生態(tài)潛力可表示為：

式中，Q為區(qū)域可新型能源化秸稈生態(tài)總量；S,j、p,j和r,j分別為第區(qū)域第種農(nóng)作物的播種面積、單產(chǎn)和土壤生態(tài)還田量；π、α、β和δ分別為第種農(nóng)作物的草谷比系數(shù)、工業(yè)用比、飼料用比和燃燒用比；為農(nóng)作物種類。則區(qū)域可新型能源化秸稈資源密度ρ可表示為：

（2）

1.1.2 最大經(jīng)濟(jì)收集半徑 設(shè)項(xiàng)目收益主要來自能源化產(chǎn)品銷售和政府補(bǔ)貼，且產(chǎn)品均能售完；項(xiàng)目主要成本包括建設(shè)成本、工人工資、加工成本、秸稈原料成本、秸稈運(yùn)輸成本和維修成本。依據(jù)相關(guān)政策[11]，暫不考慮稅收，則項(xiàng)目周期內(nèi)的總收益和總成本分別如公式（3）和（4）所示：

（4）

式中，R、p、q、G、c、H、c′、S、L和ω分別為第種項(xiàng)目的總收入、產(chǎn)品單價(jià)、年產(chǎn)量、年政府補(bǔ)貼、單位建造成本、年工人工資、單位加工成本、項(xiàng)目規(guī)模、項(xiàng)目周期和年維修系數(shù)；C,m、4,i,m和5,i,m分別為區(qū)域第種項(xiàng)目總成本、秸稈原料成本和運(yùn)輸成本；(P/A,,L)為年金現(xiàn)值系數(shù)；為貼現(xiàn)率。

秸稈原料成本主要為秸稈田間售價(jià)、收集成本和其他成本。收集成本方面，每噸秸稈收、存、運(yùn)所需人數(shù)按2人測(cè)算，每天處理7 t秸稈，工資按各省農(nóng)村勞動(dòng)力成本進(jìn)行計(jì)算；其他成本按總成本的17%計(jì)算，包括合理利潤(rùn)、場(chǎng)地租賃費(fèi)和打捆機(jī)損耗費(fèi)[12]。則區(qū)域噸秸稈原料成本和總成本分別為：

（6）

式中，r為第種項(xiàng)目的秸稈收集半徑；*為單位秸稈運(yùn)輸成本。則在滿足一定年收益率的基礎(chǔ)上，區(qū)域第種項(xiàng)目的最大經(jīng)濟(jì)收集半徑R,m可表示為：

（8）

1.1.3 項(xiàng)目理論秸稈需求 為保障項(xiàng)目正常運(yùn)轉(zhuǎn)，項(xiàng)目安全庫(kù)存按理論總量的5%計(jì)算。對(duì)于秸稈發(fā)電類項(xiàng)目而言，其秸稈理論需求量可表示為：

式中，T,e、S,e和t,e分別表示當(dāng)?shù)诜N項(xiàng)目為發(fā)電類項(xiàng)目時(shí)秸稈理論需求量、項(xiàng)目規(guī)模、年發(fā)電時(shí)間；1和2分別為秸稈發(fā)熱量占比和發(fā)電效率；h為第種農(nóng)作物秸稈的單位熱值；3.6×106為千瓦時(shí)與焦耳的轉(zhuǎn)換系數(shù)。非發(fā)電類項(xiàng)目秸稈理論需求量如下所示：

（10）

式中，T,a和S,a分別表示當(dāng)?shù)诜N項(xiàng)目為非發(fā)電類項(xiàng)目時(shí)的秸稈理論需求量和項(xiàng)目規(guī)模；3表示非發(fā)電類項(xiàng)目轉(zhuǎn)化效率。

1.1.4 可新型能源化秸稈資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量 區(qū)域第種項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)秸稈收集量A,m為2i,m，項(xiàng)目理論秸稈需求量為T。若T＞A,m，則表示第區(qū)域不適合第種項(xiàng)目，反之則經(jīng)濟(jì)可行。因此，可新型能源化秸稈生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量可以表示為：

式中，表示可新型能源化秸稈經(jīng)濟(jì)生態(tài)總量；31表示大陸區(qū)域?。ㄊ?、自治區(qū)）數(shù)量。(A,m)為0-1函數(shù)，具體為。

1.2 情景及參數(shù)設(shè)計(jì)

1.2.1 土壤生態(tài)保留量、草谷比及秸稈用途設(shè)計(jì) 秸稈還田對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)起著積極的作用[14-16]。但保留過多又會(huì)引發(fā)病蟲害等；反之，又不能有效防止水土流失，維護(hù)土壤生態(tài)功能。因此，土壤生態(tài)保留量是指在一定農(nóng)業(yè)耕種環(huán)境下，能夠有效防止水土流失，增強(qiáng)和維護(hù)土壤功能的秸稈基礎(chǔ)還田量。在保留量取值設(shè)計(jì)方面，首先從防止水土流失、維護(hù)土壤有機(jī)質(zhì)和作物長(zhǎng)期產(chǎn)量的角度，對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行檢索，并總結(jié)出研究結(jié)論；然后，按作物種類對(duì)上述文獻(xiàn)進(jìn)行分類，并計(jì)算各農(nóng)作物所對(duì)應(yīng)研究結(jié)論的均值，將其視為土壤生態(tài)保留量。本文主要選取稻谷、小麥、玉米、大豆、薯類、棉花、花生、油菜和甘蔗作為研究對(duì)象；由于薯類、花生和甘蔗的相關(guān)研究較少，則取其他農(nóng)作物秸稈保留量的均值。不同研究給出的草谷比不盡相同，為確保草谷比設(shè)計(jì)的合理性，綜合文獻(xiàn)[17-18]對(duì)草谷比進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于難以獲取各區(qū)域各主要農(nóng)作物秸稈的用途比，因此采用全國(guó)性數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，主要參考文獻(xiàn)[19-21]進(jìn)行設(shè)計(jì)。不同農(nóng)作物的土壤生態(tài)保留量、草谷比和秸稈用途設(shè)計(jì)具體如表1所示。

表1 主要農(nóng)作物秸稈土壤生態(tài)保留量、草谷比和用途設(shè)計(jì)

1.2.2 項(xiàng)目參數(shù)設(shè)計(jì) 秸稈新型能源化利用項(xiàng)目主要有秸稈直燃發(fā)電、氣化發(fā)電、混燃發(fā)電、秸稈燃料成型和纖維素乙醇項(xiàng)目。常見秸稈直燃發(fā)電裝機(jī)容量有6 WM和25 MW，而秸稈氣化發(fā)電一般為12 MW以下[35-36]；混燃發(fā)電項(xiàng)目主要為秸稈與煤或與生活垃圾混燃發(fā)電，考慮到現(xiàn)有火力發(fā)電廠的選址，以及燃料成本難以核算，故不考慮混燃項(xiàng)目。對(duì)于秸稈燃料成型，國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)能力較低，平均生產(chǎn)能力約7 000 t·a-1[37]。纖維素乙醇方面，國(guó)內(nèi)尚處于產(chǎn)業(yè)化前期研究階段。在上述基礎(chǔ)上，采用文獻(xiàn)調(diào)研的方法對(duì)不同類型秸稈新型能源化利用項(xiàng)目進(jìn)行歸納設(shè)計(jì)，具體如表2所示。

表2 秸稈能源化項(xiàng)目設(shè)計(jì)

秸稈直燃發(fā)電簡(jiǎn)寫為SDFPG，秸稈氣化發(fā)電簡(jiǎn)寫為SGPG，纖維素乙醇簡(jiǎn)寫為CE，秸稈固體成型簡(jiǎn)寫為BMF。下同

SDFPG is short for straw direct firing power generation. SGPG is short for straw gasification power generation; CE is short for cellulosic ethanol; BMF is short for biomass modeling fuel. The same as below

1.2.3 發(fā)展情景設(shè)計(jì) 從技術(shù)進(jìn)步和政策激勵(lì)角度共設(shè)計(jì)了4種情景，分別為情景I（現(xiàn)有技術(shù)水平，無政策激勵(lì)）、情景II（現(xiàn)有技術(shù)水平，政策激勵(lì)）、情景III（技術(shù)進(jìn)步，無政策激勵(lì)）和情景IV（技術(shù)進(jìn)步，政策激勵(lì)）。無政策激勵(lì)是指政府不對(duì)企業(yè)進(jìn)行除稅收外的激勵(lì)；政策激勵(lì)情景中，主要參照《關(guān)于完善農(nóng)林生物質(zhì)能發(fā)電價(jià)格政策的通知（2010）》、《可再生能源發(fā)電價(jià)格和費(fèi)用分?jǐn)偣芾碓囆修k法（2006）》和《秸稈能源化利用補(bǔ)助資金管理暫行辦法（2008）》，對(duì)政策激勵(lì)情景進(jìn)行設(shè)計(jì)。現(xiàn)有技術(shù)水平主要是依據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)秸稈新型能源化項(xiàng)目的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行設(shè)計(jì)，而技術(shù)進(jìn)步情景則主要是參照國(guó)外同類型項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外，由于秸稈燃料成型轉(zhuǎn)化效率高，從轉(zhuǎn)化效率角度進(jìn)行設(shè)計(jì)不能體現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步的影響，因此從成本角度進(jìn)行設(shè)計(jì)。則不同情景下，秸稈新型能源化項(xiàng)目的補(bǔ)貼強(qiáng)度和技術(shù)進(jìn)步情景如表3所示。

表3 政策激勵(lì)強(qiáng)度和技術(shù)進(jìn)步情景設(shè)計(jì)

1.2.4 秸稈原料成本設(shè)計(jì) 各區(qū)域生物質(zhì)發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)見表4。稻谷、小麥、玉米和棉花秸稈的田間收購(gòu)價(jià)分別約140、140、150、60 yuan/t[43]，而其他農(nóng)作物秸稈的相關(guān)資料較少。因此，以稻谷、小麥、玉米、棉花秸稈單價(jià)與其折標(biāo)系數(shù)比值的均值為基準(zhǔn)，分別乘以豆類、薯類、花生、油菜和甘蔗秸稈的折標(biāo)煤系數(shù)進(jìn)行定價(jià)；若稻谷、小麥、玉米、豆類、薯類、棉花、花生、油菜和甘蔗秸稈折標(biāo)系數(shù)分別取0.429、0.5、0.529、0.543、0.429、0.543、0.8、0.8和0.8，則豆類、薯類秸稈單價(jià)分別為135.75、107.25 yuan/t，花生、油菜和甘蔗秸稈單價(jià)均為200 yuan/t；農(nóng)民日工資從中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒獲取，根據(jù)公式（5），則各?。ㄊ校﹩挝唤斩捹Y源成本如表5所示。

表4 各區(qū)域生物質(zhì)發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)[12]

表5 各?。ㄊ校﹩挝唤斩捹Y源成本

2 結(jié)果

2.1 秸稈資源密度及構(gòu)成

以2012年為基準(zhǔn)年，考慮秸稈生態(tài)保留下可新型能源化秸稈總量約為8 661.31×104t，主要集中在廣西、四川、山東和河南，分別約占總量的13.80%、8.83%、8.10%和7.30%。其主要由薯類、甘蔗和油菜秸稈構(gòu)成，分別約占總量的45.70%、20.68%和15.06%。全國(guó)平均可新型能源化秸稈資源密度約73.78 t·km-2，其中廣西最高，約272.37 t·km-2；海南、廣東、重慶、福建、甘肅、青海和四川秸稈資源密度介于100—200 t·km-2，其余省份均小于100 t·km-2。不同區(qū)域可新型能源化秸稈資源密度及構(gòu)成如圖1所示。

圖1 各省（市）秸稈資源密度及構(gòu)成

2.2 項(xiàng)目理論秸稈需求

整體來看，現(xiàn)有技術(shù)水平下6 MW和25 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目平均秸稈理論需求量分別約4.93×104和20.54×104t，12 MW氣化發(fā)電項(xiàng)目約9.86×104t；年產(chǎn)5×104t和10×104t的纖維素乙醇項(xiàng)目分別約需35.09×104和70.18×104t秸稈；年產(chǎn)5 000 t和10 000 t的燃料成型項(xiàng)目分別約需0.53×104和1.05×104t秸稈。技術(shù)進(jìn)步情景下，6 MW和25 MW秸稈直燃發(fā)電項(xiàng)目平均理論需求量分別約3.29×104和13.70×104t，12 MW氣化發(fā)電項(xiàng)目約6.60×104t；年產(chǎn)5×104t和10×104t的纖維素乙醇項(xiàng)目分別需約26.32×104和52.63×104t。現(xiàn)有技術(shù)水平和技術(shù)進(jìn)步下，不同項(xiàng)目的秸稈理論需求量分別如圖2-a和2-b所示。

圖2 不同情景下不同秸稈能源化項(xiàng)目秸稈理論需求量

2.3 最大經(jīng)濟(jì)收集半徑

2.3.1 投資回報(bào)率為0 若貼現(xiàn)率取0.1，單位運(yùn)價(jià)取1.5 yuan/(t·km)，發(fā)電類項(xiàng)目廠內(nèi)用電率取0.11[39]，成型燃料單價(jià)取700 yuan/(t·km)，燃料乙醇單價(jià)取6 600 yuan/(t·km)。4種情景中纖維素乙醇項(xiàng)目的總運(yùn)營(yíng)成本均大于總收益，故其最大經(jīng)濟(jì)收集半徑均為0。情景I中，除北京、天津、遼寧、西藏、甘肅、青海和寧夏最大經(jīng)濟(jì)收集半徑為0外，絕大部分地區(qū)25 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目的收集半徑介于13.41—44.83 km，而6 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目?jī)H江蘇、浙江、安徽、安徽、江西、山東、河南、湖北、湖南、廣東、廣西、海南和新疆具有經(jīng)濟(jì)性；12 MW氣化發(fā)電項(xiàng)目的最大經(jīng)濟(jì)收集半徑主要介于5.42—33.87 km；年產(chǎn)5 000 t和10 000 t燃料成型項(xiàng)目平均最大經(jīng)濟(jì)收集半徑分別約4.01和11.98 km。情景II中年產(chǎn)5 000 t秸稈燃料成型項(xiàng)目的收集半徑不變，其余項(xiàng)目收集半徑有所增加。其中6 MW和25 MW秸稈直燃發(fā)電項(xiàng)目平均經(jīng)濟(jì)收集半徑分別約30.37和57.41 km，12 MW氣化發(fā)電和年產(chǎn)10 000 t燃料成型項(xiàng)目的平均經(jīng)濟(jì)收集半徑分別約為43.62和24.52 km。在情景III和IV中，年產(chǎn)5 000 t的秸稈燃料成型項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)收集半徑有著顯著的變化，其余項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)收集半徑均有所提高。除纖維素乙醇項(xiàng)目外，其余項(xiàng)目在不同地區(qū)不同情景下的最大經(jīng)濟(jì)收集半徑分別如圖3所示。

圖3 不同情景下不同項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)收集半徑（ROI=0）

2.3.2 投資回報(bào)率為5% 4種情景中纖維素乙醇項(xiàng)目的最大經(jīng)濟(jì)收集半徑仍為0。情景I中，6 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目?jī)H在廣東具有6.48 km的經(jīng)濟(jì)收集半徑，其余省份均為0；而25 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目?jī)H在江蘇、浙江、安徽、江西、山東、河南、湖北、湖南、廣東、廣西、海南和新疆具有經(jīng)濟(jì)性，平均最大經(jīng)濟(jì)收集半徑約22.26 km；12 MW秸稈氣化發(fā)電項(xiàng)目則僅在浙江、安徽、江西、湖北、湖南、廣東、廣西和海南具有經(jīng)濟(jì)性，平均經(jīng)濟(jì)收集半徑約18.21 km；年產(chǎn)5 000 t燃料成型項(xiàng)目?jī)H在山西、青海和新疆具有經(jīng)濟(jì)性，而年產(chǎn)10 000 t燃料成型項(xiàng)目的平均經(jīng)濟(jì)收集半徑約12.67 km。情景II中各區(qū)域年產(chǎn)5 000 t燃料成型項(xiàng)目的最大經(jīng)濟(jì)收集半徑與情景I相同；25 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目、12 MW氣化發(fā)電項(xiàng)目和年產(chǎn)10 000 t燃料成型項(xiàng)目在所有省市都具有經(jīng)濟(jì)性，平均經(jīng)濟(jì)收集半徑分別為48.67、36.57和23.51 km；而6 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目?jī)H在北京、天津不具有經(jīng)濟(jì)性，其平均收集半徑約22.17 km。情景III中，25 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目和12 MW氣化發(fā)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)適應(yīng)區(qū)相同，6 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目、年產(chǎn)5 000 t和10 000 t燃料成型項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)收集半徑分別為14.20、10.12和15.08 km。情景IV中，6 MW和25 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目的平均經(jīng)濟(jì)收集半徑分別為31.79和58.91 km，12 MW氣化發(fā)電項(xiàng)目平均約為45.18 km，年產(chǎn)10 000 t燃料成型項(xiàng)目平均約為23.09 km。不同情景中，具有經(jīng)濟(jì)性的秸稈能源化項(xiàng)目在不同地區(qū)的經(jīng)濟(jì)收集半徑分別如圖4所示。

圖4 不同情景下不同項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)收集半徑（ROI=5%）

2.3.3 投資回報(bào)率為10% 情景I中，6 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目、12 MW 氣化發(fā)電項(xiàng)目和年產(chǎn)5 000 t燃料成型項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)收集半徑均為0，25 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目?jī)H在廣東具有經(jīng)濟(jì)性，收集半徑為9.41 km，年產(chǎn)10 000 t燃料成型項(xiàng)目?jī)H在河北、山西、內(nèi)蒙古、黑龍江、山東、重慶、貴州、甘肅、青海、寧夏和新疆具有經(jīng)濟(jì)性，平均收集半徑約11.21 km。情景II中，25 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目和12 MW氣化發(fā)電項(xiàng)目均在除北京、天津、上海以外的地區(qū)具有經(jīng)濟(jì)性，平均經(jīng)濟(jì)收集半徑分別為36.68和27.15 km；6 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目?jī)H在山西、安徽、湖北、廣西、貴州、云南、陜西、甘肅和新疆具有經(jīng)濟(jì)性，而年產(chǎn)10 000 t燃料成型項(xiàng)目在所有省份均具有經(jīng)濟(jì)性。情景III中，25 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目、12 MW氣化發(fā)電項(xiàng)目和年產(chǎn)10 000 t燃料成型項(xiàng)目的平均經(jīng)濟(jì)收集半徑分別為22.07、17.46和14.16 km，6 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目?jī)H在廣東具有經(jīng)濟(jì)性，而年產(chǎn)5 000 t燃料成型項(xiàng)目?jī)H在河北、山西、內(nèi)蒙古、黑龍江、山東、重慶、貴州、甘肅、青海、寧夏和新疆具有經(jīng)濟(jì)性。情景IV中，6 MW和25 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目的平均經(jīng)濟(jì)收集半徑分別為24.14和50.99 km，12 MW氣化發(fā)電項(xiàng)目平均約為39.03 km，年產(chǎn)10 000 t燃料成型項(xiàng)目平均約為21.93 km。不同情景中，具有經(jīng)濟(jì)性的秸稈能源化項(xiàng)目在不同地區(qū)的經(jīng)濟(jì)收集半徑分別如圖5所示。

圖5 不同情景下不同項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)收集半徑（ROI=10%）

2.4 可新型能源化秸稈資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量

2.4.1 投資回報(bào)率為0 由上述分析可知纖維素乙醇項(xiàng)目可利用秸稈資源的生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量均為0。情景I中，6 MW和25 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目可利用秸稈資源的生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量分別為3 300.52×104和6 609.18×104t，12 MW氣化發(fā)電項(xiàng)目為6 225.08×104t，年產(chǎn)5 000 t和10 000 t燃料成型項(xiàng)目分別為3 314.67×104和 5 788.92×104t。其中，6 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目秸稈資源主要來自廣西、湖北、廣東和安徽；25 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目和12 MW氣化發(fā)電項(xiàng)目秸稈資源均主要來自廣西、四川、山東和河南；年產(chǎn)5 000 t燃料成型項(xiàng)目則主要來自四川、山東、重慶和甘肅；年產(chǎn)10 000 t燃料成型主要來四川、山東、河南和湖北。情景II中，6 MW、25 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目和12 MW氣化發(fā)電項(xiàng)目可利用秸稈資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量分別為8 658.24×104、8 655.29×104和8 658.24×104t，而年產(chǎn)10 000 t燃料成型項(xiàng)目為8 661.31×104t，年產(chǎn)5 000 t燃料成型項(xiàng)目仍為3 314.69×104t。情景III中，6 MW、25 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目可利用秸稈生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量分別為7 945.04×104和8 634.98×104t，12 MW氣化發(fā)電項(xiàng)目為8 634.98×104t，年產(chǎn)5 000 t 和10 000 t燃料成型項(xiàng)目分別為5 914.02×104和8 661.31×104t。情景IV中，發(fā)電類項(xiàng)目和年產(chǎn)10 000 t燃料成型項(xiàng)目可用秸稈生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量均為8 661.31×104t，而年產(chǎn)5 000 t燃料成型項(xiàng)目仍為5 914.02×104t。不同情景下不同項(xiàng)目可新型能源化利用秸稈生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量如圖6所示。

圖6 不同情景下可能源化秸稈資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量（ROI=0）

2.4.2 投資回報(bào)率為5% 情景I中，6 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目的最大經(jīng)濟(jì)收集半徑為0，故其可用秸稈生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量為0，而25 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目、12 MW氣化發(fā)電項(xiàng)目和10 000 t燃料成型項(xiàng)目分別為2 675.81×104、2 999.70×104和3 867.78×104t，其中發(fā)電類項(xiàng)目秸稈資源主要來自廣西、湖北、廣東和安徽，燃料成型項(xiàng)目主要來自四川、山東、重慶、甘肅和新疆；另外，年產(chǎn)5 000 t燃料成型項(xiàng)目可用秸稈生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量為260.45×104t，僅來自新疆。情景II中，6 MW、25 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目和12 MW氣化發(fā)電項(xiàng)目可用秸稈生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量分別為7 943.15×104、8 347.38×104和8 347.38×104t，均主要來自廣西、四川、山東、河南和湖北；而年產(chǎn)5 000 t和10 000 t燃料成型項(xiàng)目分別為260.45×104和8 661.31×104t。情景III中，6 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目秸稈可利用生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量約為476.49×104t，來自廣東；25 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目和氣化發(fā)電項(xiàng)目可利用秸稈資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量均為2 210.94×104t，均來自于浙江、湖南、廣東、廣西和海南；年產(chǎn)5 000 t和10 000 t燃料成型項(xiàng)目可利用秸稈生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量分別為1 132.11×104和4 290.42×104t。情景IV中，6 MW、25 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目、12 MW氣化項(xiàng)目和年產(chǎn)10 000 t燃料成型項(xiàng)目可利用秸稈資源的生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量分別為8 660.23×104、8 660.23×104、8 661.31×104和8 661.31×104t，年產(chǎn)5 000 t燃料成型項(xiàng)目可利用秸桿資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量與情景III相同。此外，由于纖維素乙醇項(xiàng)目在所有情景中均不經(jīng)濟(jì)，其可利用秸稈資源量均為0。不同情景下不同項(xiàng)目可用秸稈生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量如圖7所示。

圖7 不同情景下可能源化秸稈資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量（ROI=5%）

2.4.3 投資回報(bào)率為10% 情景I中，年產(chǎn)10 000 t燃料成型項(xiàng)目可用秸稈生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量約1 936.20×104t，主要來自山東、重慶、甘肅和新疆，而其余項(xiàng)目可用秸稈生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量均為0。情景II中，25 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目和12 MW氣化發(fā)電項(xiàng)目可用秸稈生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量分別為7 023.24×104和7 068.07×104t，均主要來自廣西、四川、山東、河南、湖北和廣東；6 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目為1 853.29×104t，可用秸稈僅來自廣西、安徽和新疆；而年產(chǎn)5 000 t燃料成型項(xiàng)目可用秸稈仍為0。情景III中，25 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目和12 MW氣化發(fā)電項(xiàng)目可用秸稈生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量均為3 694.81×104t，均主要來自廣西、湖北、廣東、安徽和江蘇；6 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目為476.49×104t，僅來自廣東；年產(chǎn)5 000 t和10 000 t燃料成型項(xiàng)目可用秸稈分別為1 936.20×104和4 504.25×104t，分別主要來自山東、重慶、甘肅、新疆和四川、山東、河南、重慶。情景IV中，6 MW、25 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目、12 MW氣化發(fā)電項(xiàng)目、年產(chǎn)5 000 t和10 000 t燃料成型項(xiàng)目可用秸稈生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量分別為8 648.28×104、8 658.24×104、8 660.23×104、1 936.20×104和8 661.31×104t。此外，所有情景中纖維素乙醇項(xiàng)目可用秸稈生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量均為0。不同情景下不同秸稈能源化項(xiàng)目可用秸稈生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量分別如圖8所示。

圖8 不同情景下可能源化秸稈資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量（ROI=10%）

3 討論

3.1 方法有效性

農(nóng)作物秸稈還田具有防止水土流失、增強(qiáng)和維護(hù)土壤功能，具有非?？捎^的環(huán)境效益。因此，如何在保障生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)秸稈的新型能源化利用，對(duì)中國(guó)環(huán)境保護(hù)和秸稈資源的有序開發(fā)都有著重要的意義。而秸稈新型能源化利用不僅受秸稈資源的制約，還與技術(shù)類型、開發(fā)成本和地域相關(guān)。為探究不同區(qū)域不同秸稈新型能源化項(xiàng)目可利用秸稈資源的生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量，本研究從防止水土流失和維護(hù)土壤有機(jī)質(zhì)的角度，提出了土壤生態(tài)保留量的概念；同時(shí)從項(xiàng)目層面，考慮土壤生態(tài)保留、技術(shù)進(jìn)步和政策激勵(lì)，對(duì)不同區(qū)域不同秸稈能源化項(xiàng)目可利用秸稈資源的生態(tài)經(jīng)濟(jì)總量進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，并提出了相關(guān)發(fā)展建議。

考慮秸稈生態(tài)還田和秸稈用途后，可新型能源化利用秸稈資源生態(tài)總量約為8 661.31×104t，比現(xiàn)有相關(guān)研究偏小[7,21]，同時(shí)在秸稈資源的空間分布和資源構(gòu)成上也有所差異。文獻(xiàn)[7,21,45]認(rèn)為秸稈資源主要集中在黑龍江、吉林、新疆和河南等地，而本研究則認(rèn)為主要集中在廣西、四川、山東和河南；在秸稈資源構(gòu)成上，部分研究認(rèn)為可能源化秸稈資源主要由玉米、水稻和小麥秸稈構(gòu)成[5,7,21]，而本研究認(rèn)為可能源化秸稈資源主要是由薯類、甘蔗和油菜秸稈構(gòu)成。造成該差異的主要原因在于，采用還田比計(jì)算還田量是在可獲秸稈資源理論總量上進(jìn)行的，等效于采用加權(quán)平均法計(jì)算整體農(nóng)作物秸稈還田量，其還田量總是小于其理論秸稈產(chǎn)量；而土壤生態(tài)保留是針對(duì)土壤生態(tài)要求對(duì)不同農(nóng)作物進(jìn)行設(shè)計(jì)，會(huì)出現(xiàn)農(nóng)作物秸稈理論產(chǎn)量小于生態(tài)還田需求量，同時(shí)不同區(qū)域農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)存在差異，從而造成可能源化秸稈資源構(gòu)成和空間分布上的差異。在項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方面，大多數(shù)區(qū)域6 MW、25 MW秸稈直燃發(fā)電項(xiàng)目和12 MW秸稈氣化發(fā)電項(xiàng)目的直接發(fā)電成本介于0.35—0.55 yuan/(kW·h)，與相關(guān)研究[46-48]基本一致，秸稈纖維素乙醇項(xiàng)目和秸稈燃料成型項(xiàng)目單位生產(chǎn)成本與文獻(xiàn)[42,49]基本相當(dāng)。

3.2 政策建議

現(xiàn)有激勵(lì)政策在不同ROI下對(duì)新型秸稈能源化項(xiàng)目都有著顯著的激勵(lì)作用，除年產(chǎn)10 000 t燃料成型項(xiàng)目外，其他項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性依賴于政府補(bǔ)貼，尤其是在較高ROI條件下。可適當(dāng)降低年產(chǎn)10 000 t燃料成型項(xiàng)目的補(bǔ)貼力度，提高其他項(xiàng)目的補(bǔ)償強(qiáng)度。此外，在不同ROI和情景下，年產(chǎn)10 000 t燃料成型項(xiàng)目的區(qū)域適應(yīng)性最好，其次為12 MW氣化發(fā)電項(xiàng)目和25 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目，而年產(chǎn)5 000 t燃料成型項(xiàng)目和6 MW秸稈直燃發(fā)電項(xiàng)目的區(qū)域適應(yīng)性較差，且現(xiàn)階段秸稈纖維素乙醇項(xiàng)目不具有經(jīng)濟(jì)可開發(fā)性。因此，在秸稈能源化產(chǎn)業(yè)布局方面現(xiàn)階段可優(yōu)先考慮年產(chǎn)10 000 t燃料成型項(xiàng)目、12 MW秸稈氣化項(xiàng)目和25 MW秸稈直燃發(fā)電項(xiàng)目。在技術(shù)進(jìn)步下，政策激勵(lì)對(duì)秸稈能源化利用仍是必要的，且在高ROI下政策激勵(lì)能有效提高能源化利用秸稈資源量。

當(dāng)項(xiàng)目年收益和年運(yùn)營(yíng)成本一定時(shí)，隨著ROI的不斷增加，可用于秸稈運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用不斷減小，使得最大經(jīng)濟(jì)收集半徑也逐漸減小，導(dǎo)致部分區(qū)域秸稈經(jīng)濟(jì)收集量小于項(xiàng)目秸稈理論需求量，使得秸稈新型能源化項(xiàng)目在空間布局上發(fā)生變化。在現(xiàn)有技術(shù)水平和激勵(lì)強(qiáng)度下，當(dāng)ROI從0增加到10%時(shí)，年產(chǎn)10 000 t燃料成型項(xiàng)目的適宜開發(fā)區(qū)域變化不大，基本覆蓋所有省市；發(fā)電類項(xiàng)目的適宜開發(fā)區(qū)域隨著ROI的提高而迅速減少；不管是低ROI還是高ROI，6 MW直燃發(fā)電項(xiàng)目和年產(chǎn)5 000 t燃料成型項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性均較差；而纖維素乙醇項(xiàng)目在全國(guó)范圍內(nèi)均不經(jīng)濟(jì)。

4 結(jié)論

在現(xiàn)有中國(guó)農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)、單產(chǎn)和播種面積下，考慮土壤生態(tài)保留和秸稈主要用途后，中國(guó)可新型能源化利用秸稈生態(tài)總量約為8 661.31×104t，空間上主要分布在廣西、四川、山東和河南，構(gòu)成上主要由薯類、甘蔗和油菜秸稈構(gòu)成?，F(xiàn)有政策對(duì)發(fā)電類項(xiàng)目有著顯著的激勵(lì)作用，可適當(dāng)降低對(duì)年產(chǎn)10 000 t燃料成型項(xiàng)目補(bǔ)貼力度，提高發(fā)電類項(xiàng)目的補(bǔ)助力度；同時(shí)在技術(shù)進(jìn)步下，政策激勵(lì)對(duì)秸稈新型能源化利用仍是必要的，在高投資回報(bào)率（ROI）下，政策激勵(lì)能有效提高秸稈資源的利用。在秸稈能源產(chǎn)業(yè)布局方面，現(xiàn)階段可優(yōu)先發(fā)展年產(chǎn)10 000 t秸稈燃料成型項(xiàng)目，可優(yōu)先在廣西、湖北、廣東、安徽、河南等地規(guī)劃建設(shè)12 MW秸稈氣化發(fā)電項(xiàng)目，其次可考慮在廣西、湖北、廣東和安徽規(guī)劃建設(shè)25 MW秸稈直燃發(fā)電項(xiàng)目，最后可考慮在廣西規(guī)劃建設(shè)6 MW秸稈直燃發(fā)電項(xiàng)目。

References

[1] WILHELM W W, HESS R J, KARLEN D L, JOHNSON J M F, NUTH D J, BARKER J M, GOLLANY H T, NOVAK J M, STOTT D E, VARVEL G E. Review: balancing limiting factors & economic drivers for sustainable Midwestern US agricultural residue feedstock supplies., 2010, 6(5): 271-287.

[2] LIU T T, MCCONKEY B, HUFFMAN T, SMITH S, MACGREGOR B. Potential and impacts of renewable energy production from agricultural biomass in Canada., 2014, 130(2): 222-229.

[3] ROBERTS J J, CASSULA A M, PRADO P O, DIAS R A, BALESTIERI J A P. Assessment of dry residual biomass potential for use as alternative energy source in the party of General Pueyrredon, Argenina., 2015, 42(1): 568-583.

[4] HAASE M, R?SCH C, KETZER D. GIS-based assessment of sustainable crop residue potentials in European regions., 2016, 86(1): 156-171.

[5] 田宜水, 趙立欣, 孫麗英, 孟海波. 農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能資源分析與評(píng)價(jià). 中國(guó)工程科學(xué), 2011, 13(2): 24-28.

TIAN Y S, ZHAO L X, SUN L Y, MENG H B. Analysis and evaluation on agricultural biomass resource., 2011, 13(2): 24-28. (in Chinese)

[6] CHANDRA V V, HEMSTOCK S L. A biomass energy flow chart for Fiji., 2015, 72(1): 117-122.

[7] 朱開偉, 劉貞, 呂指臣, 蒲剛清, 郭偉. 中國(guó)主要農(nóng)作物生物質(zhì)能生態(tài)潛力及時(shí)空分析. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 48(21): 4285-4301.

ZHU K W, LIU Z, Lü Z C, PU G Q, GUO W. The ecological development potential and time-space analysis of Chinese main agricultural crop biomass energy., 2015, 48(21): 4285-4301. (in Chinese)

[8] STEPHEN J D, SOKHANSANJ S, BI X, SOWLATI T, KLOECK T, TOWNLEY S L, STUMBORG M A. The impact of agricultural residue yield range on the delivered cost to a biorefinery in the Peace River region of Alberta, Canada., 2010, 105(3): 298-305.

[9] HOOGWIJK M, FAAIJ A, VRIES B D, TURKENBURG W. Exploration of regional and global cost-supply curves of biomass energy from short-rotation crops at abandoned cropland and rest land under four IPCC SRES land-use scenarios., 2009, 33(1): 26-43.

[10] SUN J C, CHEN J H, XI Y M, HOU J H, Mapping the cost risk of agricultural residue supply for energy application in rural China.2011, 19(1): 121-128.

[11] 國(guó)家稅務(wù)總局. 關(guān)于調(diào)整完善資源綜合利用產(chǎn)品及勞務(wù)增值稅政策的通知, 2011.

State Administration of Taxation. Improve the comprehensive utilization of resources of products and services about adjusting value added tax policy, 2011. (in Chinese)

[12] 高虎, 樊京春. 中國(guó)可再生能源發(fā)電經(jīng)濟(jì)性和經(jīng)濟(jì)總量. 北京: 中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社, 2010.

GAO H, FAN J C.. Beijing: China Environment Science Press, 2010. (in Chinese)

[13] OVEREND R P. The average haul distance and transportation work factors for biomass delivered to a central plant., 1982, 2(1): 75-79.

[14] TOURE A A, RAJOT J L, GARBA Z, MARTICORENA B, PETIT C, SEBAG D. Impact of very low crop residues cover on wind erosion in the Sahel., 2011, 85(3): 205-214.

[15] WILHELM W W, HESS J R, KARLEN D L, JOHNSON J M F, MUTH D J, BAKER J M, GOLLANY H T, NOVAK J M, STOTT D E, VARVEL G. Review: balancing limiting factors and economic drivers for sustainable Midwestern agricultural residue feedstock supplies., 2010, 6(5): 271-287.

[16] RATTAN L, STEWARD B A.. Boca Raton: CRC Press, 2009: 1-44.

[17] 謝光輝, 韓東倩, 王曉玉, 呂潤(rùn)海. 中國(guó)禾谷類大田作物收獲指數(shù)和秸稈系數(shù). 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 16(1): 1-8.

XIE G H, HAN D Q, WANG X Y, Lü R H. Harvest index and residue factor of cereal crops in China., 2011, 16(1): 1-8. (in Chinese)

[18] 左旭, 畢于運(yùn), 王紅彥, 高春雨, 王磊, 王亞靜. 中國(guó)棉桿資源量估算及其自然適宜性評(píng)價(jià). 中國(guó)人口資源與環(huán)境, 2015, 25(6): 159-166.

ZUO X, BI Y Y, WANG H Y, GAO C Y, WANG L, WANG Y J. Estimation and suitability evaluation of cotton stalk resources in China.2015, 25(6): 159-166. (in Chinese)

[19] 張希良, 高虎. 可再生能源規(guī)劃原理方法工具與案例[D]. 重慶: 重慶理工大學(xué), 2010.

ZHANG X L, GAO H. Renewable energy planning method, tools and case [D]. Chongqing: Chongqing University of Technology, 2010. (in Chinese)

[20] 黃季焜, 仇煥廣. 我國(guó)生物燃料乙醇發(fā)展的社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響及發(fā)展戰(zhàn)略與對(duì)策研究. 北京: 科學(xué)出版社, 2010.

HUANG J K, QIU H G.. Beijing: Science Press, 2010. (in Chinese)

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

CAI Y Q, QIU H G, XU Z G. Evaluation on potentials of energy utilization of crop residual resources in different regions of China., 2011, 26(10): 1637-1646. (in Chinese)

[22] 逯非, 王效科, 韓冰, 歐陽志云, 鄧華. 稻田秸稈還田: 土壤固碳與甲烷增排. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 21(1): 99-108.

LU F, WANG X K, HAN B, OUYANG Z Y, DENG H. Straw return to rice paddy: soil carbon sequestration and increased methane emission., 2010, 21(1): 99-108. (in Chinese)

[23] 強(qiáng)學(xué)彩, 袁紅莉, 高旺盛. 秸稈還田量對(duì)土壤CO2釋放和土壤微生物量的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2004, 15(3): 469-472.

QIANG X C, YUAN H L, GAO W S. Effect of crop-residue incorporation on soil CO2 emission and soil microbial biomass., 2004, 15(3): 469-472. (in Chinese)

[24] 徐蔣來, 胡乃娟, 朱利群. 周年秸稈還田量對(duì)麥田土壤養(yǎng)分及產(chǎn)量的影響. 麥類作物學(xué)報(bào), 2016, 36(2): 215-222.

XU J L, HU N J, ZHU L Q. Effect of amount of annual straw returning on soil nutrients and yield in winter wheat field., 2016, 36(2): 215-222. (in Chinese)

[25] 韓新忠, 朱利群, 楊敏芳, 俞琪, 卞新民. 不同小麥秸稈還田對(duì)水稻生長(zhǎng)、土壤微生物生物量及酶活性的影響. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 31(11): 2192-2199.

HAN X Z, ZHU L Q, YANG M F, YU Q. BIAN X M. Effects of different amount of wheat straw returning on rice growth, soil microbial biomass and enzyme activity., 2012, 31(11): 2192-2199. (in Chinese)

[26] 閆一凡, 王洪亮, 吳大付, 任秀娟. 玉米秸稈還田對(duì)土壤肥力的影響. 河南科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2012, 40(2): 14-17.

YAN Y F, WANG H L, WU D F, REN X J. Effect of maize straw returning on soil fertility., 2012, 40(2): 14-17. (in Chinese)

[27] 朱玉芹, 岳玉蘭. 玉米秸稈還田培肥地力研究綜述. 玉米科學(xué), 2004, 12(3): 106-108.

ZHU Y Q, YUE Y L. The review of effect of maize straw returning on soil fertility., 2004, 12(3): 106-108. (in Chinese)

[28] 宮亮, 孫文濤, 王聰翔, 劉艷, 汪仁. 玉米秸稈還田對(duì)土壤肥力的影響. 玉米科學(xué), 2008, 16(2): 122-124.

GONG L, SUN W T, WANG C X, LIU Y, WANG R. Effects of application maize straw on soil physical characteristics and yield., 2008, 16(2): 122-124. (in Chinese)

[29] 王小彬, 蔡典雄, 張鏡清, 高緒科. 旱地玉米秸稈還田對(duì)土壤肥力的影響. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2000, 33(4): 54-61.

WANG X B, CAI D X, ZANG J Q, GAO X K. Effects of corn stover incorporated in dry farmland on soil fertility., 2000, 33(4): 54-61. (in Chinese)

[30] 孟慶英, 張春峰, 張娣, 朱寶國(guó), 王囡囡, 賈會(huì)彬, 郭泰, 高雪冬. 秸稈還田方式對(duì)土壤酶及大豆產(chǎn)量的影響. 土壤通報(bào), 2015, 46(3): 642-647.

MENG Q Y, ZHANG C F, ZHANG D, ZHU B G, WANG N N, JIA H B, GUO T, GAO X D. Effects of straw returning patterns on soil enzyme activities and yield of soybean., 2015, 46(3): 642-647. (in Chinese)

[31] 劉貞, 呂指臣, 朱開偉, 蒲剛清. 基于維護(hù)土壤功能的大豆秸稈生物質(zhì)能開發(fā)潛力分析: 以黑龍江省為例.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)), 2015, 29(1): 30-36.

LIU Z, Lü Z C, ZHU K W, PU G Q. Analysis of biomass energy development potential of soybean straw based on soil function maintenance: Take Heilongjiang Province as an example., 2015, 29(1): 30-36. (in Chinese)

[32] YANG G Z, ZHOU X B, LI C F, LIA C F, NIE Y C, ZHANG X L. Cotton stubble mulching helps in the yield improvement of subsequent winter canola (L.) crop., 2013, 50(10): 190-196.

[33] 胡宏祥, 程燕, 馬友華, 于學(xué)勝, 項(xiàng)金霞. 油菜秸稈還田腐解變化特征及其培肥土壤的作用. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2012, 20(3): 297-302.

HU H X, CHENG Y, MA Y H, YU X S, XIANG J X. Decomposition characteristics of returned rapeseed straw in soil and effects on soil fertility., 2012, 20(3): 297-302. (in Chinese)

[34] 胡宏祥, 汪玉芳, 邸云飛, 劉晶, 馬友華. 油菜秸稈腐解進(jìn)程及碳氮釋放規(guī)律研究. 皖西學(xué)院學(xué)報(bào), 2012, 28(5): 101-105.

HU H X, WANG Y F, DI Y F, LIU J, MA Y H. Study on decomposition course and release characteristics of C and N in rapeseed straw., 2012, 28(5): 101-105. (in Chinese)

[35] 張衛(wèi)杰, 關(guān)海濱, 姜建國(guó), 李曉霞, 閆桂煥, 孫榮峰, 許敏, 孫立. 我國(guó)秸稈發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用及前景. 農(nóng)機(jī)化研究, 2009, 31(5): 10-13.

ZHANG W J, GUAN H B, JIANG J G, LI X X, YAN G H, SUN R F, XU M, SUN L. Application and prospect of straw power generation in China., 2009, 31(5): 10-13. (in Chinese)

[36] 崔和瑞, 艾寧. 秸稈氣化發(fā)電系統(tǒng)的生命周期評(píng)價(jià)研究. 技術(shù)經(jīng)濟(jì), 2010, 29(11): 70-74.

CUI H R, AI N. Assessment on life cycle of straw gasification power generation system., 2010, 29(11):70-74. (in Chinese)

[37] 許潔, 劉姝娜, 姜洋, 袁振宏. 中國(guó)生物質(zhì)成型燃料產(chǎn)業(yè)政策與執(zhí)行效果分析. 新能源進(jìn)展, 2015, 3(6): 477-484.

XU J, LIU S N, JIANG Y, YUAN Z H. Policy analysis and implementation of biomass molding fuels industry in China., 2015, 3(6): 477-484. (in Chinese)

[38] 齊天宇, 張希良, 歐訓(xùn)民, 劉貞, 常世彥. 我國(guó)生物質(zhì)直燃發(fā)電區(qū)域成本及發(fā)展?jié)摿Ψ治? 可再生能源, 2011, 29(2): 115-118, 124.

QI T Y, ZHANG X L, OU X M, LIU Z, CHANG S Y. The regional cost of biomass direct combustion power generation in China and development potential analysis., 2011, 29(2): 115-118, 124. (in Chinese)

[39] 趙浩亮, 張旭, 翟明嶺. 秸稈直燃生物質(zhì)電廠動(dòng)態(tài)發(fā)電成本分析. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào), 2015, 35(5): 412-417.

ZHAO H L, ZHANG X, ZHAI M L. Analysis on dynamic cost of straw direct combustion power generation., 2015, 35(5): 412-417. (in Chinese)

[40] 王志偉, 白煒, 師新廣, 李在峰, 何曉峰, 朱金陵, 雷廷宙. 農(nóng)作物秸稈氣化發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析. 可再生能源, 2007, 25(6): 25-28.

WANG Z W, BAI W, SHI X G, LI Z F, HE X F, ZHU J L, LEI T Z. Economic analysis on crop straw gasification for power generation system., 2007, 25(6): 25-28. (in Chinese)

[41] 宋安東, 任天寶, 張百良. 玉米秸稈生產(chǎn)燃料乙醇的經(jīng)濟(jì)性分析. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2010, 26(6): 283-286.

SONG A D, REN T B, ZHANG B L. Economic analysis for production of fuel ethanol with corn straw., 2010, 26(6): 283-286. (in Chinese)

[42] 李在峰, 楊數(shù)華, 王志偉, 雷廷宙. 秸稈成型燃料生產(chǎn)設(shè)備系統(tǒng)及經(jīng)濟(jì)性分析. 可再生能源, 2013, 31(5): 120-123.

LI Z F, YANG S H, WANG Z W, LEI T Z. Techno-economic analysis of straw briquette fuel system., 2013, 31(5): 120-123. (in Chinese)

[43] 陳麗歡, 李毅念, 丁為民, 劉金龍, 申寶營(yíng). 基于作業(yè)成本法的秸稈直燃發(fā)電物流成本分析. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2012, 28(4): 199-203.

CHEN L H, LI Y L, DING W M, LIU J L, SHEN B Y. Analysis on straw logistics cost of direct-fired power generation using activity-based costing., 2012, 28(4): 199-203. (in Chinese)

[44] 于曉東, 樊峰鳴. 秸稈發(fā)電燃料收加儲(chǔ)運(yùn)過程模擬分析. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2009, 25(10): 215-219.

YU X D, FAN F M. Simulation analysis on fuel collection, processing, storage and transportation used in straw power plant., 2009, 25(10): 215-219. (in Chinese)

[45] 崔明, 趙立欣, 田宜水, 孟海波, 孫麗英, 張艷麗, 王飛, 李冰峰. 中國(guó)主要農(nóng)作物秸稈資源能源化利用分析評(píng)價(jià). 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2008, 24(12): 291-296.

CUI M, ZHAO L X, TIAN Y S, MENG H B, SUN L Y, ZHANG Y L, WANG F, LI B F. Analysis and evaluation on energy utilization of main crop straw resources in China., 2008, 24(12): 291-296. (in Chinese)

[46] 檀勤良, 楊海平, 張興平, 鄧艷明, 魏詠梅. 生物質(zhì)發(fā)電燃料收集成本測(cè)算模型及實(shí)證分析. 中國(guó)科技論壇, 2014(5): 117-123.

TAN Q L, YANG H P, ZHANG X P, DENG Y M, WEI Y M. Measurement model and empirical analysis of fuel collection cost for biomass power generation., 2014(5): 117-123. (in Chinese)

[47] 魏延軍, 秦德帥, 常永平. 30 MW生物質(zhì)直燃發(fā)電項(xiàng)目及其效益分析. 節(jié)能技術(shù), 2012, 30(3): 278-281.

WEI Y J, QIN D S, CHANG Y P. 30 MW Biomass straight burning power projects and benefit analysis evaluation., 2012, 30(3): 278-281. (in Chinese)

[48] 劉志強(qiáng), 孫學(xué)峰. 25 MW生物質(zhì)直燃發(fā)電項(xiàng)目及其效益分析評(píng)價(jià). 應(yīng)用能源技術(shù), 2009(6): 32-34.

LIU Z Q, SUN X F. 25MW Biomass direct combustion power generation project and its benefit analysis evaluation., 2009(6): 32-34. (in Chinese)

[49] 莊新姝, 袁振宏, 孫永明, 許敬亮, 吳創(chuàng)之, 馬隆龍. 中國(guó)燃料乙醇的應(yīng)用及生產(chǎn)技術(shù)的效益分析與評(píng)價(jià). 太陽能學(xué)報(bào), 2009, 30(4): 526-531.

ZHUANG X S, YUAN Z H, SUN Y M, XU J L, WU C Z, MA L L. Fuel ethanol application and production efficiency evaluation in China., 2009, 30(4): 526-531. (in Chinese)

（責(zé)任編輯 趙伶俐）

Eco-economic Potential Analysis of Chinese Main Crops’ Bio-energy Utilization Straw Resources

ZHU Kai-wei1, LIU Zhen1,2, HE Liang-ping1, LIN Jin-chai1

(1Low-Carbon Energy Research, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China;2Lawrence Berkeley National Laboratory, California 94530, USA)

【Objective】Realizing the reasonable development of straw resource on the basis of protecting environment has important significance to Chinese agricultural bio-energy development planning. And effective development of straw resource is also closely related with cost. Thus, from the perspective of protecting environment and cost, this study analyzed the eco-economic potential of main crops’ energy utilization straw resource in different regions, which can provide reference for the layout of agricultural bio-energy industry, prior suitable regions for straw energy utilization project, prior developing technology and government policy formulation.【Method】Based on the research for the studies on the relationship between straw returning amount and soil erosion, soil organic matter, and the crop yield, the concept of soil ecological reserve amount was put forward and the specific returning amount of different crop straws were concluded. Combining the crop yield, planting structure, and grass grain ratio in benchmark year with the soil ecological reserve amount and other straw usages, the total ecological energy utilization straw resource and straw resource density were calculated by regions. Analyzing the policies and costs of different straw energy utilization projects, four developing scenarios and project costs were designed, and the economic collecting radius in different ratio of return on investment (ROI) was calculated by regions. According to the density and economic collecting radius, straw economic collecting amount was calculated, and then comparing the economic collecting amount with the project’s theory straw demand, to conclude the eco-economic straw collecting amount and space distribution of different projects.【Result】The straws can be used for bio-energy are 86.61 million ton, mainly distributed in Guangxi, Sichuan, Shandong and Henan, and the main straws are those of potato, sugar and rapeseed straws. When ROI is 0, the available straw for 6 MW SDFPG, 25 MW SDFPG, 12 MW SGPG, BMF 5 000 t·a-1and BMF 10 000 t·a-1, respectively, is 86.58, 86.55, 86.58, 33.15, 86.61 million ton at the current level technology and incentive policy.When ROI is 5%, the available straw for 6 MW SDFPG, 25 MW SDFPG, 12 MW SGPG, BMF 5 000 t·a-1and BMF 10 000 t·a-1, respectively, is 79.43, 83.47, 83.47, 2.60, and 86.61 million ton. When ROI is 10%, the available straw for 6 MW SDFPG, 25 MW SDFPG, 12 MW SGPG, BMF 5 000 t·a-1and BMF 10 000 t·a-1, respectively, is 18.53, 70.23, 70.68, 0, and 86.61 million ton. At current level technology and incentive policy, under different scenarios, the available straws for CE projects are always 0 in different ROI.【Conclusion】The existing policies have obvious incentives for power projects, the incentives for BMF 10 000 t·a-1should be appropriately reduced, and the incentives for power projects should be increased. In straw energy industry layout, at present, as for the BMF 10 000 t·a-1, first priority should be given, then first priority should be given to Guangxi, Hubei, Guangdong, Anhui, and Hainan to build 12 MW SGPS, and then construction of 25 MW SDFPG should be considered in Guangxi, Hubei, Guangdong and Anhui, and finally, construction of 6 MW SDFPG in Guangxi should be considered. Now the cost of CE project is so high that it does not necessarily produce economic benefits in every region.

soil ecological reserve amount; eco-economic straw resource amount; economic collecting radius; biomass energy

2016-04-25；接受日期：2016-07-15

國(guó)家自然科學(xué)基金（71573026）、重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（CYS16223）

朱開偉，Tel：023-62563167；E-mail：kaiwei_zhu@foxmail.com。通信作者劉貞，Tel：023-62563167；E-mail：zhenliu@tsinghua.edu.cn