陳利洪， 舒幫榮， 李 鑫

(江蘇師范大學地理測繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院，江蘇徐州 221116)

推進農業(yè)廢棄物資源循環(huán)利用、發(fā)展清潔能源、應對氣候變化是我國面臨的重大挑戰(zhàn)。21世紀是低碳發(fā)展的世紀，農牧業(yè)廢棄物的減量化、資源化、綜合化處理利用是實現(xiàn)低碳農業(yè)的基本要求。農牧業(yè)廢棄物的資源化循環(huán)利用和生物能源化已經成為許多國家低碳發(fā)展與可再生能源開發(fā)的戰(zhàn)略重點，并有望成為極具發(fā)展?jié)摿Φ膽?zhàn)略性行業(yè)[1]。我國每年都會產生大量的農業(yè)廢棄物，近年來全國性的農業(yè)廢棄物資源潛力和開發(fā)潛力受到了研究者的廣泛關注[2-5]。目前，普遍認為農業(yè)廢棄物不僅可以提供清潔能源，還能有效減少溫室氣體排放。農業(yè)廢棄物的能源化利用尤其是基于沼氣的循環(huán)農業(yè)利用是其中的重點[6-8]。

我國大量農業(yè)廢棄物在空間上呈現(xiàn)區(qū)域分布不均衡性與相對集中性的特點[9]。區(qū)域農業(yè)廢棄物資源潛力和利用是近年研究的熱點，如江蘇[10]、上海[11]、山東[12]等地區(qū)的秸稈資源化利用，江蘇省秸稈[13]和畜禽糞便[14]的資源量估算，浙江嘉興地區(qū)農業(yè)廢棄物的循環(huán)利用模式[15]，江西綠豐生態(tài)農業(yè)園有限公司的畜禽糞便養(yǎng)分綜合管理[16]等研究。王曉玉針對我國華東地區(qū)的秸稈資源量進行了專題評價[17]，其他專門針對華東地區(qū)農業(yè)廢棄物資源潛力和利用的研究鮮有報道。農業(yè)廢棄物區(qū)域性很強，尤其是動物排泄系數，全國性的農業(yè)廢棄物評估往往在系數選擇上不能照顧到區(qū)域差異性。因此，采用適合華東地區(qū)的相關系數有利于更準確地評價該地區(qū)的資源潛力情況，也對促進該地區(qū)循環(huán)農業(yè)發(fā)展有重要的指導意義。

1 試驗方法與數據來源

1.1 農牧業(yè)廢棄物資源量估算

1.1.1 農作物秸稈資源量估算 農作物秸稈一般通過草谷比系數進行估算[18]。草谷比系數指植株秸稈與收獲糧食或產品之間的比值。石元春認為用草谷比系數估算農作物秸稈資源量相當準確[3]。

1.1.1.1 理論資源量

(1)

式中：TRAstraw為秸稈資源的理論蘊藏量，單位為t；Pi為第i種農作物的產量，單位為t；λi為第i種農作物的草谷比系數，我國主要農作物草谷比系數[3]如表1所示。

表1 我國主要農作物草谷比系數

1.1.1.2 可利用量 由于并非所有的秸稈資源都能被有效收集，在排除收集損失后的秸稈資源量才是秸稈資源的可利用量。秸稈資源可獲得量如下所示：

(2)

式中：ARAstraw為秸稈資源的可獲得量，即可利用量，單位為t；TRAi為第i種農作物的理論資源量，單位為t；ηi為第i種農作物的收集系數，我國主要農作物秸稈的收集系數[4，6]和折準標煤系數[3，19]如表2所示。

1.1.1.3 農作物秸稈的用途 農作物秸稈可以用于農村能源、秸稈飼料、秸稈還田、工業(yè)原料、食用菌基料等，剩下的部分一般作為能源用途尤其是沼氣用途，參考蔡亞慶等的研究[2]對華東地區(qū)的農作物秸稈利用進行進一步的分析和評價。

表2 各類農作物秸稈的收集系數和折標準煤系數

1.1.2 畜禽糞便資源量估算 畜禽糞便是畜禽排泄物的總稱，是其他形態(tài)生物質(主要是糧食、農作物秸稈、牧草等)的轉化形式，包括畜禽排出的糞便、尿及其與墊草的混合物[18]。

1.1.2.1 理論資源量

(3)

式中：TRAdung為畜禽糞便的理論資源量，單位為t；Ni為第i類禽畜的年養(yǎng)殖數量，單位為頭(只)；Ti為第i類禽畜的養(yǎng)殖周期，單位為d；DCi為第i類畜禽的排泄系數，華東地區(qū)主要禽畜排泄系數[3，7，20-22]如表3所示。

表3 華東地區(qū)主要禽畜排泄系數

注：肉禽和蛋禽主要分別指肉雞、蛋雞；“—”表示尿液量明顯偏少，忽略不計。

1.1.2.2 可利用量 可收集的畜禽糞便資源一般來自豬、牛、家禽等。畜禽尿液中的干物質比例與糞便中的有機物質中干物質比例差距較大，因此本研究將分開計算畜禽糞便及尿液中有機物質的干物質量。畜禽糞便和尿液的可收集系數[3，21]、折標煤系數[3，21]、干物質含量[1，23]、產氣因子[1，23-24]等如表4所示。

1.1.2.3 畜禽糞便的利用 畜禽糞便的高效利用主要是基于沼氣的循環(huán)農業(yè)利用模式，通過不同畜禽糞便干物質的產氣因子可以估算其沼氣生產能力。

1.2 數據來源及數據處理方法

1.2.1 數據來源 本研究選取的研究區(qū)域為我國華東地區(qū)，包括上海、江蘇、浙江、安徽、福建、江西、山東等地區(qū)。本研究中的農作物產量及畜禽量的原始數據參考《2015中國農業(yè)統(tǒng)計資料》[25]，所有相關數據均指2015年的年度數據。

表4 畜禽糞便其他系數

注：“—”表示由于收集性太差，不予考慮。表6同。

1.2.2 數據處理方法 鑒于畜禽糞便的尿液量巨大，其中干物質含量遠小于糞便，本研究將其轉換為干物質進行比較；為與秸稈進行橫向比較，本研究中的秸稈和畜禽糞便均轉換為標煤量。在生物質資源的統(tǒng)計中，各種資料出處、年代、統(tǒng)計方法不盡相同，完整性也不夠[3]，這些問題在涉及畜禽糞便資源的計算上顯得尤為突出。由于各牲畜的生長周期不一致，因此對各畜禽數量和生長周期做如下規(guī)定：牛分為奶牛和其他牛，其他牛主要是肉牛，飼養(yǎng)時間以365 d計算，數量以年存欄量為準；豬分為肉豬和母豬，肉豬以當年出欄量為準，平均飼養(yǎng)周期為150 d，母豬以年度存欄量為準，飼養(yǎng)周期為365 d；羊包括山羊和綿羊，以年出欄量作為統(tǒng)計數據，飼養(yǎng)周期為365 d；馬、驢、騾存欄量作為統(tǒng)計數據，飼養(yǎng)周期按365 d計算；家禽包括雞、鴨、鵝等，其中雞的占比最大，由于選取的統(tǒng)計資料不公布鴨、鵝的飼養(yǎng)量，且近年又不再單獨公布蛋雞和肉雞的飼養(yǎng)量，綜合比較往年數據后，本研究以統(tǒng)計資料的家禽出欄量為準，肉禽占80%，飼養(yǎng)周期以60 d計算，蛋禽占20%，飼養(yǎng)周期以365 d計算[1，21]。馬、羊、驢、騾糞便的折標煤系數均為大概值，根據其糞便熱值估算得出。

2 結果與分析

2.1 秸稈資源量

由表5可知，2015年我國華東地區(qū)的秸稈資源總量達到22 074.1萬t，約占全國秸稈資源總量的22.4%，折合標準煤為10 821.3萬t。小麥、玉米、稻谷秸稈是該地區(qū)最重要的3種秸稈資源，年秸稈資源總量均超過4 000萬t，小麥秸稈資源量高達6 816.1萬t，占整個華東地區(qū)所有秸稈資源總量的30.9%。山東地區(qū)的小麥秸稈資源產量最高，為3 205.5萬t，其次分別是安徽、江蘇地區(qū)，分別為1 927.4萬、1 603.7萬t。稻谷秸稈則主要集中在江西、江蘇、安徽等地區(qū)。山東秸稈資源非常豐富，其資源總量占整個華東地區(qū)的42.4%。在秸稈的可利用量方面，華東地區(qū)的秸稈可利用量為17 595.5萬t，折合標準煤為8 703.8萬t。由于玉米秸稈的可收集性較好，在華東地區(qū)盡管小麥秸稈資源量高于玉米，但在可利用量上玉米秸稈以5 447.1萬t超過了小麥的5 043.9萬t。

由圖1可知，華東地區(qū)的小麥秸稈資源量占全國小麥秸稈資源總量的比例最高，為38.3%，其次是稻谷、蔬菜秸稈資源量，兩者占全國稻谷、蔬菜秸稈資源總量的比例均超過30%，分別為32.1%、30.6%。油料作物秸稈資源量占全國油料秸稈資源總量的24.9%，排在第4位。盡管玉米秸稈是華東地區(qū)可利用量最高的秸稈資源，但華東地區(qū)的玉米秸稈資源量僅占全國玉米秸稈資源總量的12.8%。甘蔗秸稈資源量僅占全國甘蔗秸稈資源總量的1.7%，排名最后。

表5 2015年華東地區(qū)秸稈資源量

2.2 畜禽糞便資源量

由表6可知，2015年我國華東地區(qū)的畜禽糞便資源干物質總量為6 160.6萬t，約占全國畜禽糞便資源干物質總量的18.6%，折合標準煤為3 400.4萬t；畜禽糞便干物質可利用量為 3 161.8萬t，折合標準煤為1 757.9萬t。家禽是我國華東地區(qū)糞便資源干物質量最高的種類，其年糞便干物質總量高達 2 862.6萬t，折合標準煤為1 840.7萬t；其次是牛(包括奶牛和其他牛)、羊，其年糞便干物質總量分別為1345.6萬、1 220.7萬t。就整個華東地區(qū)而言，由于山東的畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達，其畜禽糞便資源總量占整個華東地區(qū)的45.3%。

表6 華東地區(qū)畜禽糞便干物質資源量

由圖2可知，華東地區(qū)家禽的糞便干物質量占全國家禽糞便干物質總量的比例最高，為48.6%，在全國范圍內的整體優(yōu)勢非常突出；其次是肉豬、母豬的糞便干物質量，分別占全國家禽糞便干物質總量的21.2%、19.3%；馬的糞便干物質資源量僅占全國馬的糞便干物質資源總量的0.5%，排名最后。

2.3 農業(yè)廢棄物綜合利用

以華東地區(qū)的秸稈可收集量為基數，結合蔡亞慶等對華東地區(qū)秸稈用途比例的研究成果[2]，計算2015年華東地區(qū)秸稈可能源化總量和比例如圖3所示，上海地區(qū)的秸稈可能源化比例最高，為62.9%，但由于基數小，其可能源化秸稈總量僅為58.7萬t；福建地區(qū)的秸稈可能源化比例最低，僅為 14.6%，其可能源化秸稈的總量為76.1萬t；山東、安徽、江蘇等地區(qū)是秸稈可能源化總量最高的3個地區(qū)，均超過1 000萬t，但三者的秸稈可能源化比例卻差別較大，安徽、江蘇地區(qū)的比例分別為34.2%、34.9%，山東地區(qū)的僅為17.1%。

除可能源化用途外，秸稈還可以用于農村生活燃料、飼料、秸稈還田、工業(yè)原料、食用菌基料等。秸稈可能源化比例越低，說明在其他用途上使用的比例越高。綜合考慮90%的干物質分數和0.3 m3/kg的秸稈產氣率[1]后，2015年華東地區(qū)可收集的秸稈總資源可生產沼氣475.1億m3。實際上在考慮了其他用途后，華東地區(qū)的秸稈沼氣可開發(fā)潛力為125.2億m3，山東、安徽、江蘇等地區(qū)的可能源化秸稈的沼氣可開發(fā)潛力分別為35.9億、35.6億、31.7億m3。福建、上海地區(qū)排在最后，分別為2.1億、1.6億m3。在畜禽糞便方面，結合干物質產氣量因子，華東地區(qū)2015年的畜禽糞便沼氣最大潛力為236.8億m3，上海、江蘇、浙江、安徽、福建、江西、山東等地區(qū)分別為1.6億、33.1億、8.4億、39.1億、22.9億、30.6億、101.2億m3。在考慮了畜禽糞便的可收集性后，華東地區(qū)2015年的畜禽糞便沼氣可開發(fā)潛力為135.1億m3，山東地區(qū)的潛力最高，為83.2億m3，其次是安徽、江西、江蘇等地區(qū)。

總的來看，華東地區(qū)2015年可利用的農業(yè)廢棄物資源的沼氣開發(fā)潛力約為260.3億m3，排在前3位的山東、安徽、江蘇地區(qū)分別為89.4億、57.7億、51.2億m3。結合2015年華東地區(qū)農業(yè)沼氣實際生產量(包括戶用沼氣和農業(yè)廢棄物沼氣工程)[25]可以得出華東地區(qū)農業(yè)廢棄物沼氣的已開發(fā)率，由圖4可知，福建地區(qū)的沼氣已開發(fā)率最高，達到18.6%，其次是江西、浙江地區(qū)，分別為16.2%、11.2%；江蘇、安徽地區(qū)的沼氣已開發(fā)率較低，分別僅為6.3%、4.9%。

3 結論與討論

2015年我國華東地區(qū)的秸稈資源總量為22 074.1萬t，約占全國秸稈資源總量的22.4%；山東地區(qū)秸稈資源量最高，達到9 355.7萬t，占到整個華東地區(qū)的42.4%。華東地區(qū)秸稈可利用量為17 595.5萬t，折合標準煤8 703.8萬t。在可利用量中，玉米和小麥秸稈可利用量最高，分別為 5 447.1萬、5 043.9萬t。

2015年我國華東地區(qū)的畜禽糞便的干物質量為6 160.6萬t，約占全國畜禽糞便干物質總量的18.6%，折合標準煤 3 400.4萬t。在可利用量中，豬糞、牛糞、家禽糞便被認為是較易收集的糞便資源，考慮了收集系數后，其可收集的干物質總量為3 161.8萬t。家禽糞便是華東地區(qū)最重要的畜禽糞便資源。山東地區(qū)的畜禽糞便總資源量占到了整個華東地區(qū)的45.3%。

2015年我國華東地區(qū)可作為能源化原料的秸稈資源具有125.2億m3的沼氣開發(fā)潛力，畜禽糞便資源具有 135.1億m3的沼氣開發(fā)潛力，合計260.3億m3。結合開發(fā)潛力和實際生產情況，福建地區(qū)的沼氣已開發(fā)率在華東地區(qū)最高，為18.6%。江蘇、安徽地區(qū)較低，分別為6.3%、4.9%，開發(fā)潛力還很大。

本研究中選取的畜禽糞便排泄系數參考自2009年中國農科院和環(huán)保部聯(lián)合編寫的《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產排污系數手冊》[20]，相關系數為華東區(qū)系數，與目前通常的全國范圍內選取同一個系數相比準確度較高。在該系數中，豬的排泄系數顯著低于常見的研究，而家禽(雞)的排泄系數顯著高于常見的研究，這也是本研究研究結果和類似研究有較大不一致的地方。

在畜禽糞便的可利用量評價中，本研究選取的易于收集糞便的畜禽種類和可收集系數參考石元春的相關論著[21]并做了細微調整。未列入可收集利用量的其他畜禽不代表其糞便不能收集利用，只是在量級上有較大的差距。

在考慮了農村生活能源、飼料、秸稈還田、食用菌基料后，在華東地區(qū)實際上還有大量富足的秸稈并未被很好利用，該地區(qū)的農業(yè)廢棄物的沼氣可開發(fā)潛力巨大。未來如何綜合利用好該區(qū)域數量巨大的農業(yè)廢棄物資源將是一個非常重要的現(xiàn)實問題。