盈 斌,王 琦,熊康寧,2,任 威,敖文秀

1 貴州師范大學(xué)喀斯特研究院, 貴陽 550001 2 國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心,貴陽 550001 3 貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,貴陽 550001

生物質(zhì)能被認(rèn)為是最具潛力的可再生能源[1- 2],到2050 年全球可利用生物質(zhì)能資源潛力為10—262億t標(biāo)準(zhǔn)煤,平均60—119億t標(biāo)準(zhǔn)煤,約占生物質(zhì)年產(chǎn)生量的10%—20%[3- 4],隨著因石化能利用帶來的全球氣候變化和生態(tài)環(huán)境問題日益加劇,生物質(zhì)能利用越來越成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)。中國是一個(gè)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)村生物質(zhì)能資源量巨大,根據(jù)劉剛[5],田宜水[6],Yang[7]和Yuan[8]等的研究表明,中國可利用生物質(zhì)能資源儲(chǔ)量介于2.98億—8.87億t標(biāo)準(zhǔn)煤,相當(dāng)于我國已經(jīng)探獲煤炭資源量的1.47—4.93倍[9],空間分布呈現(xiàn)出生物質(zhì)能蘊(yùn)藏潛力與常規(guī)一次能源蘊(yùn)藏潛力互補(bǔ)特征,使得在一次能源蘊(yùn)藏量較低的地區(qū)開發(fā)利用生物質(zhì)能具有巨大潛力[5];在區(qū)域?qū)用嫔弦灿写罅繉W(xué)者開展了相關(guān)研究,重點(diǎn)評(píng)估區(qū)域尺度內(nèi)的生物質(zhì)資源總量和空間分布[10-14]。已有研究發(fā)現(xiàn),農(nóng)村地區(qū)大量的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能資源未得到有效利用,尤其秸稈資源就地焚燒、畜禽糞便隨意排放造成了極大的環(huán)境污染和能源浪費(fèi)[15-19]。

農(nóng)村能源現(xiàn)代化是我國實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要基礎(chǔ),農(nóng)村經(jīng)濟(jì)增長將帶來鄉(xiāng)村能源需求的快速增加,中國農(nóng)村人均能源消費(fèi)量由1988年的60 kg標(biāo)準(zhǔn)煤,增加到2015年的351 kg標(biāo)準(zhǔn)煤,基本接近同期377 kg標(biāo)準(zhǔn)煤的城鎮(zhèn)人均生活用能消費(fèi)水平,年增長率達(dá)17.96%[20],隨著全面建設(shè)小康社會(huì)和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施,無論從能源消費(fèi)總量還是從人均水平看,農(nóng)村生活能源消費(fèi)仍具有較大增長空間,這也導(dǎo)致占中國人口近半的廣大農(nóng)村地區(qū)將成為中國能源消費(fèi)和碳排放的主要增長點(diǎn)[21]。當(dāng)前,中國能源生態(tài)效率整體偏低[22],在我國廣大農(nóng)村地區(qū)的生活能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中,商品能比重低,柴草占比高達(dá)44.2%[23],薪柴、秸稈等傳統(tǒng)生物質(zhì)能仍然是農(nóng)村家庭主要生活能源[24],與此同時(shí),農(nóng)村地區(qū)薪柴的粗放利用對(duì)生態(tài)環(huán)境也造成愈發(fā)強(qiáng)烈的脅迫效應(yīng)。到2020年,中國非化石能源消費(fèi)比重力爭提高到15%以上,煤炭消費(fèi)比重降低到58%以下,而農(nóng)村地區(qū)以沼氣為代表農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能的清潔化利用率僅1.9%[25],在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整與鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和生態(tài)文明建設(shè)背景下,如何統(tǒng)籌廣大農(nóng)村地區(qū)能源-環(huán)境-經(jīng)濟(jì)3E系統(tǒng)效率,成為亟待加強(qiáng)的迫切問題。生物質(zhì)能源中,薪柴是森林生態(tài)系統(tǒng)提供的,秸稈是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)提供的,糞便是草場(chǎng)及農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)輸出量,經(jīng)過人或牲畜的轉(zhuǎn)化而獲得[26],因此,減少農(nóng)村能源對(duì)薪柴的過度依賴,能加快農(nóng)村能源對(duì)薪柴資源的替代進(jìn)程,可有效增強(qiáng)森林系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)功能。開展農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能儲(chǔ)藏量的科學(xué)評(píng)估,提高農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能高效清潔化利用水平,是今后較長時(shí)期內(nèi)解決農(nóng)村能源消費(fèi)與生態(tài)環(huán)境問題的重要途徑。

西南喀斯特山區(qū)作為全球三大巖喀斯特集中分布地區(qū)之一,是我國碳酸鹽巖分布最廣泛最集中的地區(qū),這一特殊地貌類型上演化發(fā)育的喀斯特生態(tài)系統(tǒng),表現(xiàn)出多樣性和脆弱性并存的典型特征[27],喀斯特山區(qū)的林、灌、草覆被對(duì)于喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)具有重要意義,但由于不合理的人類活動(dòng),疊加原本脆弱的喀斯特環(huán)境,導(dǎo)致該區(qū)域水土流失加劇,土地呈現(xiàn)石漠化現(xiàn)象,這已成為我國西南喀斯特地區(qū)最大的生態(tài)環(huán)境問題[28],長期以薪柴為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)加劇了喀斯特生態(tài)環(huán)境不斷退化,是促成我國西南石漠化的主要原因[29]。當(dāng)前,我國農(nóng)村家庭能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)正處于由傳統(tǒng)生物質(zhì)能源向商品能源和新能源轉(zhuǎn)變的過渡階段[30],但在生態(tài)脆弱的西南喀斯特山區(qū),薪柴使用依然普遍,替代進(jìn)程緩慢,家庭耗能總體呈現(xiàn)以薪柴為主導(dǎo)[31-32],尤其在石漠化地區(qū)的低收入家庭,薪柴消費(fèi)量占人均能耗比例高達(dá)80%以上,貧困農(nóng)戶對(duì)傳統(tǒng)生物質(zhì)能源的依賴性極強(qiáng)[33]?？λ固厣絽^(qū)廣泛利用的傳統(tǒng)生物質(zhì)能主要包括農(nóng)業(yè)和林木生物質(zhì)資源,對(duì)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能的高效利用,可有效提高對(duì)林業(yè)生物質(zhì)能(薪柴)的替代作用,這對(duì)維持喀斯特山區(qū)森林生態(tài)服務(wù)功能和石漠化地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)有重要作用。因此,減少喀斯特山區(qū)農(nóng)村能源對(duì)薪柴的超載利用,增強(qiáng)喀斯特森林系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)功能,利用喀斯特山區(qū)大量未加有效利用的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能資源替代薪柴的農(nóng)村能源利用策略,可有效降低喀斯特山區(qū)農(nóng)村生活用能對(duì)林、草資源的過度依賴,可成為喀斯特山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)和石漠化治理的一種有效途徑。2008年以來,我國南方石漠化地區(qū)實(shí)施大規(guī)模的石漠化治理工程,實(shí)行了一系列的造林種草、治水保土等措施,但在石漠化防治過程中農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能利用對(duì)薪柴的替代作用,以及農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能結(jié)構(gòu)特征與時(shí)序變化規(guī)律等研究仍顯不足,這成為加快喀斯特山區(qū)農(nóng)村薪柴替代、農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能清潔利用政策制定的主要瓶頸。

1 研究區(qū)選擇與能源供需現(xiàn)狀

貴州省地處云貴高原東部,103°36′—109°35′E、24°37′—29°13′N之間,位于長江和珠江分水嶺區(qū)域,全省國土總面積17.62萬km2,屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,雨水充沛,境內(nèi)喀斯特發(fā)育典型,喀斯特面積占國土面積比例高達(dá)61.9%以上[34],同時(shí)也是我國西南石漠化面積分布最大,最為典型的地區(qū)[35- 39]。貴州省也是我國南方煤炭資源最豐富的地區(qū),累計(jì)煤炭資源儲(chǔ)量504.3億t[40],占全國已探獲煤炭資源量的1.9%[9];2016年,貴州省一次能源生產(chǎn)總量達(dá)14181萬t標(biāo)準(zhǔn)煤,人均占有量為3988 kg標(biāo)準(zhǔn)煤,但近20年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,電、氣等清潔能源占一次能源生產(chǎn)比重不足13%,在廣大農(nóng)村地區(qū),農(nóng)村薪柴消費(fèi)量超過合理森林采伐限額7.21個(gè)百分點(diǎn)[41],成為導(dǎo)致貴州省石漠化的重要因素。2008 年以后,國家對(duì)貴州支持力度不斷加大,貴州經(jīng)濟(jì)整體實(shí)力和城市化建設(shè)得到穩(wěn)步提升,城鄉(xiāng)居民收入快速增長,2008—2016年間,貴州省GDP年均增長率為12.07%,推動(dòng)了貴州省生活能源消費(fèi)的快速增長,生活能源消費(fèi)量年均增長速度為6.3%,高于同期全國增長率2.6個(gè)百分點(diǎn),年均能源消費(fèi)彈性系數(shù)為0.5,比同期全國高0.07(圖1)。根據(jù)貴州省十三五規(guī)劃,到2020年,預(yù)計(jì)貴州省GDP總量將達(dá)到2萬億,按照目前的能源平均增長速度和能源消費(fèi)彈性系數(shù),2020年,貴州省能源需求將達(dá)到1.18萬億t標(biāo)準(zhǔn)煤。隨著城市化進(jìn)程的加快,城鄉(xiāng)居民人均生活用能源差距逐漸下降,貴州將同時(shí)面臨經(jīng)濟(jì)發(fā)展、能源轉(zhuǎn)型與生態(tài)文明示范區(qū)建設(shè)的多重壓力,未來農(nóng)村地區(qū)的能源需求將成為貴州省能源供給的最大危機(jī)。

圖1 貴州省2008—2016年間能源消費(fèi)彈性系數(shù)與增長率時(shí)序特征Fig.1 Sequential characteristic of elasticity ratio and growth rate of energy consumption of Guizhou Province during 2008—2016

貴州特定復(fù)雜的自然地理?xiàng)l件,導(dǎo)致氣候和生態(tài)條件復(fù)雜多樣、立體環(huán)境特征明顯、地域性較強(qiáng),全省糧食作物以水稻、玉米、小麥、薯類為主,經(jīng)濟(jì)作物以烤煙、油菜籽為主,畜禽養(yǎng)殖主要以豬、牛、羊、雞為主,豐富的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源作為一種綠色無污染的可更新能源必將成為未來貴州省“綠色能源”戰(zhàn)略的重要組成部分。但當(dāng)前對(duì)于貴州省農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能資源的研究主要集中在秸稈資源利用現(xiàn)狀[42-43]、生物質(zhì)樹種資源調(diào)查[44]方面,缺乏對(duì)貴州整體農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能的潛力估算與利用評(píng)估,論文選擇以喀斯特石漠化集中分布的貴州省作為研究對(duì)象,分析連續(xù)時(shí)間序列的區(qū)域生物質(zhì)資源總量及其變化和結(jié)構(gòu)特征,旨在以貴州省為例,為喀斯特地區(qū)制定農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能開發(fā)利用規(guī)劃,喀斯特森林植被恢復(fù)與農(nóng)村多能互補(bǔ)的能源利用模式提供參考。

2 研究方法和數(shù)據(jù)來源

按照傳統(tǒng)的分類方法,生物質(zhì)能資源可分為五個(gè)大類[45],農(nóng)村地區(qū)可利用生物質(zhì)能資源包括農(nóng)作物秸稈、農(nóng)副產(chǎn)品加工剩余物、林木生物質(zhì)能、畜禽糞便等,對(duì)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能資源的合理開發(fā)利用,有利于加大林木生物質(zhì)利用替代,增強(qiáng)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。喀斯特地區(qū)由于生態(tài)環(huán)境脆弱,生態(tài)區(qū)位敏感,林業(yè)生產(chǎn)比重較低,從喀斯特生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的角度出發(fā),論文未估算林木部分生物質(zhì)能部分,僅從基于生態(tài)保有量的農(nóng)業(yè)可利用生物質(zhì)能進(jìn)行分析,估算農(nóng)作物秸稈、農(nóng)業(yè)加工副產(chǎn)品和畜禽糞便三類農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能儲(chǔ)量水平,研究本底數(shù)據(jù)來源于2010—2016年的《貴州省統(tǒng)計(jì)年鑒》。

2.1 生物質(zhì)資源量估算與參數(shù)選取

2.1.1 秸稈資源

秸稈是指農(nóng)作物籽收獲后的植株,是農(nóng)作物收獲后的重要副產(chǎn)品,我國作物秸稈尚處于松散的利用狀態(tài),大量過剩秸稈資源被就地焚燒,造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[46]。目前全省納入統(tǒng)計(jì)的農(nóng)作物秸稈資源主要包括糧食作物、油料作物、棉花、麻類和糖料作物等五大類。秸稈資源除可用于還田造肥、造紙等工業(yè)原料和畜牧飼料外,剩余部分都可以作為燃料使用?？梢罁?jù)農(nóng)作物的產(chǎn)量計(jì)算得到,計(jì)算公式如下:

(1)

式中,QS為秸稈資源總量,TSi為第i類作物的產(chǎn)量,CSi為第i類作物的谷草比系數(shù)。

秸稈資源量計(jì)算關(guān)鍵是確定其谷草比,草谷比取值不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致秸稈產(chǎn)量估算結(jié)果失實(shí),畢于運(yùn)選取經(jīng)過訂正的秸稈草谷比,對(duì)中國秸稈資源進(jìn)行了全面系統(tǒng)的估算[47],蔡亞慶等分析了不同秸稈類型谷草比的變異范圍[48],為了更符合貴州省的實(shí)際情況,論文在結(jié)合蔡亞慶等人的研究基礎(chǔ)上,參考了譚廷甫在畢節(jié)地區(qū)開展的大田試驗(yàn)中所確定的谷草比系數(shù)[49]。

此外,農(nóng)作物在收集過程中,需要對(duì)秸稈進(jìn)行流茬,達(dá)到農(nóng)作物秸稈直接還田,這對(duì)喀斯特地區(qū)維護(hù)土壤功能,水土流失防治具有重要意義。根據(jù)田野調(diào)查,貴州喀斯特地區(qū)對(duì)于玉米秸稈的流茬高度約在8—10 cm,對(duì)于水稻流茬高度約在10—15 cm,論文根據(jù)朱開偉等[50]提出的土壤生態(tài)保留量概念,在綜述已有研究基礎(chǔ)上,根據(jù)不同秸稈作物的播種面積和最低土壤生態(tài)保留量,計(jì)算了可資源化利用的秸稈資源量,其中煙草秸稈的土壤生態(tài)保留系數(shù)參考了施河麗等人的研究成果[51],土壤生態(tài)保留量可表示為:

βi=αi×Ai

(2)

式中,βi為第i類秸稈作物的土壤生態(tài)保留量,αi為第i類秸稈的土壤生態(tài)保留系數(shù)(表1),Ai為第i類秸稈播種面積。

在秸稈收集和運(yùn)輸過程中,還會(huì)發(fā)生枝葉脫落。因此,除了計(jì)算上述的理論收集量外,通過現(xiàn)有收集方式實(shí)際可收集到的數(shù)量要小于理論可收集量,論文的秸稈資源收集系數(shù)引用王亞靜等人的研究成果[52],計(jì)算如下:

(3)

式中,Qsa秸稈的可收集量,TSi為第i類作物的產(chǎn)量,CSi為第i類作物的谷草比系數(shù),βi為第i類秸稈作物的土壤生態(tài)保留量,ri為第i類秸稈收集系數(shù)。

表1 主要農(nóng)作物秸稈草谷比、生態(tài)保留系數(shù)與可收集系數(shù)

2.1.2 農(nóng)業(yè)加工副產(chǎn)品

農(nóng)業(yè)加工副產(chǎn)物是指作物粗加工過程中產(chǎn)生的剩余物,如稻殼、玉米芯等,根據(jù)《貴州省統(tǒng)計(jì)年鑒》發(fā)布的大田作物種類,選取稻殼、玉米芯、花生殼、甘蔗渣四類農(nóng)副加工產(chǎn)品作為估算對(duì)象。農(nóng)業(yè)加工副產(chǎn)品量根據(jù)其經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和加工副產(chǎn)物系數(shù)乘積確定,其中,不同作物的加工副產(chǎn)物系數(shù)不同,論文引用了郭利磊等人研究成果[53](表2)。計(jì)算公式如下:

(4)

式中,Qp為所有農(nóng)作物的農(nóng)副產(chǎn)品量,TPi為第i類農(nóng)副產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量,CPi為第i類農(nóng)副產(chǎn)品的加工副產(chǎn)物系數(shù)。

表2 主要農(nóng)業(yè)加工副產(chǎn)品系數(shù)取值

2.1.3 牲畜糞便

牲畜糞便是我國農(nóng)村地區(qū)重要的有機(jī)肥資源,但畜禽糞便排放一旦超過耕地氮、磷負(fù)荷,將會(huì)對(duì)土壤和水體造成污染[18],牲畜糞便的生物質(zhì)能利用是解決農(nóng)村環(huán)境污染的有效途徑。畜禽糞尿產(chǎn)出量是根據(jù)不同畜禽的排糞尿量和飼養(yǎng)量進(jìn)行估算,與動(dòng)物種類、品種、性別、生長期等因素有關(guān),直接影響估算結(jié)果的準(zhǔn)確性。畜禽產(chǎn)糞尿總量是根據(jù)畜禽存量、日排放系數(shù)和飼養(yǎng)周期三者相乘,但該方法得出的是一個(gè)飼養(yǎng)周期的糞便量,相比全年的糞便產(chǎn)生量,結(jié)果偏小;但若用畜禽存欄和出欄之和作為總量來計(jì)算排放量,由于存欄量還未經(jīng)歷完整的飼養(yǎng)周期,又會(huì)導(dǎo)致估算的結(jié)果偏大,論文在估算飼養(yǎng)量時(shí)結(jié)合兩個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn),采用如下的估算方法:

(5)

式中,Qi表示畜禽糞便總量,Ni表示i類畜禽年飼養(yǎng)量,Ti表示第i類畜禽的飼養(yǎng)周期,Mij表示第i類畜禽的日排放系數(shù),其中j=1,2分別表示i類畜禽的尿排放系數(shù)和糞便排放系數(shù)。

論文中,畜禽飼養(yǎng)量的計(jì)算根據(jù)畜禽的生長周期確定,生長周期小于1年的按當(dāng)年出欄數(shù)作為飼養(yǎng)量;生長周期大于一年的,按年末存欄數(shù)作為飼養(yǎng)量。根據(jù)《貴州省主要畜禽監(jiān)測(cè)調(diào)查數(shù)據(jù)質(zhì)量控制辦法》,貴州省生豬飼養(yǎng)周期差異較大,散養(yǎng)可到240—300 d,而規(guī)模戶最少僅180 d,綜合取平均值240 d;肉羊飼養(yǎng)周期210 d;由于雞的養(yǎng)殖周期差異較大,一般散養(yǎng)土雞飼養(yǎng)周期可達(dá)120 d,而肉雞普遍60 d左右,按平均數(shù)計(jì)算畜禽飼養(yǎng)周期為90 d。畜禽排放系數(shù)受眾多因素影響,我國目前尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),已有學(xué)者收集比較了國內(nèi)1994—2004年公開發(fā)表的文章中對(duì)不同畜禽排泄系數(shù)的取值分析,但未能把畜禽的產(chǎn)糞系數(shù)和產(chǎn)尿系數(shù)分開[18],為了準(zhǔn)確估算畜禽的產(chǎn)尿和產(chǎn)糞量,論文引用了彭里和王定勇[54]在重慶的研究結(jié)果作為參考系數(shù)進(jìn)行估算(表3)。

表3 禽糞便日排放量系數(shù)

—表示忽略不計(jì)

2.2 生物質(zhì)折標(biāo)能源量

各類生物質(zhì)能資源的可收集實(shí)物量,乘以相應(yīng)的折標(biāo)系數(shù),就可以得到不同種類生物質(zhì)能折合標(biāo)準(zhǔn)能源量。不同生物質(zhì)能的折標(biāo)能源量不同,可利用的秸稈資源折標(biāo)能源量,就是加總不同類型農(nóng)作物資源收集量基礎(chǔ)上乘以對(duì)應(yīng)的秸稈折標(biāo)系,計(jì)算如下

(6)

式中,EQsa代表秸稈資源的折標(biāo)能源量,Qsa代表可收集秸稈資源量,ηi表示第i類秸稈資源折標(biāo)系數(shù)。

農(nóng)業(yè)加工副產(chǎn)品能源潛力量EQp,畜禽糞便資源能源潛力量EQi,計(jì)算方法與此相同。區(qū)域農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能存量EQt可以表示為:

EQt=EQsa+EQp+EQi

(7)

式中,不同生物質(zhì)能資源ηi取值,折標(biāo)系數(shù)根據(jù)《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒》[20]發(fā)布數(shù)據(jù)作為參考(表4)。

表4 各類型農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能折標(biāo)系數(shù)

3 研究結(jié)果

3.1 主要農(nóng)作物秸稈資源量

貴州省主要農(nóng)作物秸稈資源有稻谷、小麥、玉米、大豆、薯類、油料、甘蔗和烤煙,根據(jù)公式(1)—(3),2009年以來,根據(jù)農(nóng)作物可收集量折算各類秸稈資源生物質(zhì)能如表5所示。

數(shù)據(jù)表明,2009年以來,貴州省可利用秸稈資源的生物質(zhì)能儲(chǔ)量可觀,年均可利用的秸稈資源量折合成標(biāo)準(zhǔn)煤可達(dá)709.04×104t標(biāo)準(zhǔn)煤。已有研究表明,我國秸稈資源利用的主要方式有肥料還田、畜牧飼料、工業(yè)原料以及能源利用[48],其中,貴州省可作為能源利用的秸稈資源量約為60%[50]。由此可以推算,貴州省可能源化利用的秸稈資源儲(chǔ)量達(dá)到年均425.42×104t標(biāo)準(zhǔn)煤。其中,玉米、稻谷和油料作物秸稈是貴州省農(nóng)作物秸稈資源中占比最大的三種作物,平均可利用生物質(zhì)能儲(chǔ)量分別占全省秸稈總量的34.02%,24.49%和21.52%(表6),開展對(duì)玉米、稻谷和油料作物秸稈資源的有效收集是貴州省秸稈資源開發(fā)利用的重點(diǎn)。

表5 可收集秸稈資源的生物質(zhì)能儲(chǔ)量/(萬t標(biāo)準(zhǔn)煤)

表6 各類型秸稈生物質(zhì)量占比/%

3.2 農(nóng)業(yè)加工副產(chǎn)品資源量

貴州省農(nóng)業(yè)加工副產(chǎn)品主要有稻殼、花生殼和玉米芯和甘蔗渣,根據(jù)公式(4),2009年以來,貴州省農(nóng)業(yè)加工副產(chǎn)品折算生物質(zhì)能資源量如表7所示。

表7 各類型農(nóng)業(yè)加工副產(chǎn)品生物質(zhì)能儲(chǔ)量/(萬t標(biāo)準(zhǔn)煤)

數(shù)據(jù)表明,2009—2015年,貴州省農(nóng)業(yè)加工業(yè)副產(chǎn)品中年均資源量達(dá)到81.73×104t標(biāo)準(zhǔn)煤,如果加上藥材、蔬菜、瓜果藤蔓以及其他農(nóng)作物副產(chǎn)品,農(nóng)業(yè)加工副產(chǎn)品的生物質(zhì)能儲(chǔ)量可觀。目前貴州省農(nóng)村地區(qū)主要將其用來直接燃燒,因此,農(nóng)副產(chǎn)品可全部進(jìn)行能源化利用。各類型副產(chǎn)品中,貢獻(xiàn)值最大是玉米芯,其次是稻谷殼,兩者的累計(jì)年均貢獻(xiàn)值達(dá)到77.23%,是貴州省主要的農(nóng)業(yè)加工副產(chǎn)品,與表6相比較,說明可利用能源利用的農(nóng)副產(chǎn)品資源量與種植業(yè)結(jié)構(gòu)有著密切聯(lián)系。

3.3 畜禽糞便資源量

貴州省納入統(tǒng)計(jì)的禽畜類型主要牛、豬、羊、家禽,其中家禽包括雞鴨鵝,由于在統(tǒng)計(jì)上無法將三類活禽分開,故論文統(tǒng)一以雞為單位計(jì)算其糞便產(chǎn)生的生物質(zhì)能量。由公式(5)和(6),計(jì)算得到2009年以來畜禽糞便資源量(表8)。

表 8 各類型畜禽糞便生物質(zhì)能儲(chǔ)量/(萬t標(biāo)準(zhǔn)煤)

數(shù)據(jù)表明,2009—2015年,貴州省年均畜禽糞便生物質(zhì)能資源量高達(dá)4400.73×104t標(biāo)準(zhǔn)煤,畜禽糞便除可進(jìn)行有機(jī)肥發(fā)酵還田外,有1/3的糞便可進(jìn)行能源化利用[8],即貴州省可能源化利用的畜禽糞便達(dá)到年均1466.90×104t標(biāo)準(zhǔn)煤。大型牲口類型中,豬是養(yǎng)殖量最大的類型,2009—2015年的年均出欄和年末存欄量分別為1739×104頭和1589×104頭,遠(yuǎn)大于牛的出欄和存欄數(shù)量,但從畜禽糞便所產(chǎn)生的生物質(zhì)能貢獻(xiàn)值來說,牛糞的貢獻(xiàn)值最大,年均提供生物質(zhì)能量達(dá)到3009.78×104t標(biāo)準(zhǔn)煤,年均貢獻(xiàn)值高達(dá)到68.39%,主要原因在于牛的存欄周期長,糞和尿的排放系數(shù)均遠(yuǎn)高于其他畜禽類型,說明牛糞是貴州省最重要的可能源化畜禽糞便資源。目前,貴州省內(nèi)牛的養(yǎng)殖方式主要是分戶散養(yǎng),糞便資源難以有效收集,若能通過規(guī)模化養(yǎng)殖集中收集,開發(fā)利用潛力巨大。

3.4 可能源化貴州省生物質(zhì)能存量時(shí)序特征

根據(jù)公式(6)和(7)可以計(jì)算得到貴州省農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能資源總量(表9)。

表9 各類型農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能儲(chǔ)量特征/(萬t標(biāo)準(zhǔn)煤)

數(shù)據(jù)分析表明,貴州省生物質(zhì)能儲(chǔ)量可觀,2009—2015年均生物質(zhì)資源總量達(dá)到5191.50×104t標(biāo)準(zhǔn)煤,地均和人均農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能資源量分別達(dá)295 t標(biāo)準(zhǔn)煤/km2和1.48 t標(biāo)準(zhǔn)煤/人,可能源化利用的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能達(dá)1974.05×104t標(biāo)準(zhǔn)煤,貴州省同期能源消耗年均總量為9038×104t標(biāo)準(zhǔn)煤,可能源化利用的生物質(zhì)能占能源消費(fèi)比例達(dá)21.84%,利用潛力大;但各類型農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能儲(chǔ)量的內(nèi)部差異大,比例分布不均,秸稈資源、農(nóng)副產(chǎn)品資源、禽畜糞便資源三者在總資源量中的比重大約為13∶2∶85,其中,畜禽糞便平均資源儲(chǔ)量高達(dá)4400.73×104t標(biāo)準(zhǔn)煤,是貴州省所有生物質(zhì)能中最重要的一種類型。農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源儲(chǔ)量時(shí)序變化呈現(xiàn)出一定特征(圖2),呈現(xiàn)U形結(jié)構(gòu),儲(chǔ)量水平波動(dòng)明顯,尤其在2011年,無論是生物質(zhì)能總量還是各類型的儲(chǔ)量,均急劇下滑至最低值,農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能總儲(chǔ)量從2010年的5411.75×104t標(biāo)準(zhǔn)煤急劇下降至2011年的4801.80×104t標(biāo)準(zhǔn)煤,下降了11個(gè)百分點(diǎn);2011年以后呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),但上升趨勢(shì)緩慢,年均僅3.4個(gè)百分點(diǎn),各類型生物質(zhì)能資源儲(chǔ)量于2014年左右抵達(dá)均值線附近,這與當(dāng)時(shí)2010年發(fā)生的西南大旱呈現(xiàn)時(shí)間耦合。由于喀斯特地區(qū)地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn),地表水分儲(chǔ)量對(duì)降雨變化的響應(yīng)高度敏感,云南和貴州受災(zāi)最為嚴(yán)重,各類型農(nóng)作物產(chǎn)量減產(chǎn),其中,牛的存欄量急劇減少了74.69萬頭,這說明喀斯特地區(qū)的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能源儲(chǔ)量水平對(duì)自然災(zāi)害的響應(yīng)敏感度極高,增強(qiáng)農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)能力是該區(qū)域農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能有效利用的重要舉措。

圖2 貴州省2009—2015年間各類型農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能儲(chǔ)量時(shí)序特征Fig.2 Sequential characteristic of agricultural biomass reserves of Guizhou Province during 2009—2015

4 結(jié)論

論文以典型喀斯特石漠化山區(qū)省份為例,研究在脆弱生態(tài)系統(tǒng)背景下農(nóng)業(yè)剩余物的潛在可利用生物質(zhì)能總量及其結(jié)構(gòu)特征,從省域?qū)用孑^為全面地估算了包括秸稈、農(nóng)業(yè)加工副產(chǎn)品、人畜糞便等農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能資源總量,得出以下研究結(jié)論:

(1)貴州省可利用的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能資源儲(chǔ)量可觀,開發(fā)潛力大,年均可利用資源量達(dá)5191.50×104t標(biāo)準(zhǔn)煤,其中可能源化利用的達(dá)到1974.05×104t標(biāo)準(zhǔn)煤,占貴州能源消費(fèi)的21.84%。隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展,農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能經(jīng)濟(jì)和技術(shù)可利用系數(shù)以及可收集系數(shù)逐漸增大,可能源化利用的資源量還有上升空間,這對(duì)改善農(nóng)村能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),鞏固喀斯特山區(qū)生態(tài)保護(hù)成果具有重要意義。

(2)貴州省農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能儲(chǔ)量構(gòu)成比例分布不均,秸稈資源、農(nóng)副產(chǎn)品資源、禽畜糞便資源三者在總資源量中的比重大約為13∶2∶85,畜禽糞便資源蘊(yùn)藏量貢獻(xiàn)最大,平均資源儲(chǔ)量高達(dá)4400.73×104t標(biāo)準(zhǔn)煤;其中,牛糞產(chǎn)生的生物質(zhì)達(dá)到3009.78×104t標(biāo)準(zhǔn)煤,年均貢獻(xiàn)值達(dá)68.39%,是貴州省最重要的畜禽糞便資源,若能通過規(guī)?；B(yǎng)殖集中收集,對(duì)貴州省生態(tài)建設(shè)和農(nóng)村能源利用具有重要意義。

(3)貴州省2009—2015年間可利用農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能儲(chǔ)量水平的時(shí)序變化呈現(xiàn)U形結(jié)構(gòu)特征,農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源儲(chǔ)量波動(dòng)明顯,2011年各類型生物質(zhì)能儲(chǔ)量均下滑至最低值,這與2010年發(fā)生的西南大旱事件耦合,由于大旱影響,貴州省生物質(zhì)能儲(chǔ)量一年內(nèi)的下滑幅度高達(dá)11個(gè)百分點(diǎn),2011年以后呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì),到2014年才恢復(fù)至均值線附近,說明喀斯特地區(qū)的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能源儲(chǔ)量水平對(duì)自然災(zāi)害的響應(yīng)敏感度極高,農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)對(duì)生物質(zhì)能有效利用意義重大。

5 建議

喀斯特石漠化山區(qū)環(huán)境脆弱、經(jīng)濟(jì)貧困、生活能源短缺,薪材過量消耗成為水土流失和土地石漠化的重要驅(qū)動(dòng)因素,利用農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能替代薪材消費(fèi),對(duì)于促進(jìn)喀斯特森林植被恢復(fù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。論文在優(yōu)先考慮土壤生態(tài)保留的前提下,估算了貴州省農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能儲(chǔ)量,研究數(shù)據(jù)表明,貴州省可利用的生物質(zhì)能儲(chǔ)量可觀,利用潛力大,如何提高存量資源的有效利用水平是當(dāng)務(wù)之急,對(duì)此,論文提出3個(gè)方面的建議。

(1)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能利用要實(shí)事求是,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有的類型結(jié)構(gòu)差異有的放矢,當(dāng)前畜禽糞便的生物質(zhì)能資源量巨大,對(duì)畜禽糞便的開發(fā)利用應(yīng)作為貴州省生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)開發(fā)的重點(diǎn),政府需加大資金投入和政策扶持,推廣應(yīng)用現(xiàn)有較為成熟技術(shù)體系,提高畜禽的規(guī)?；B(yǎng)殖水平,加強(qiáng)養(yǎng)殖場(chǎng)畜禽糞便的沼氣化建設(shè)。針對(duì)秸稈和農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品資源,應(yīng)積極探索生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù),合理布局秸稈電廠、秸稈固化等能源企業(yè),并做好秸稈資源的收集、轉(zhuǎn)運(yùn)與儲(chǔ)存工作,防止因收集工作不及時(shí)導(dǎo)致秸稈丟棄和焚燒。

(2)喀斯特山區(qū)的地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)決定了地表水分儲(chǔ)量對(duì)降雨變化高度敏感,該類型區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)自然災(zāi)害的響應(yīng)度高,這同時(shí)表現(xiàn)在種植和養(yǎng)殖的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)出方面,政府在提高生物質(zhì)能開發(fā)利用水平的同時(shí),更應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的防災(zāi)減災(zāi)工作,這是保證生物質(zhì)能資源穩(wěn)定供給與有效利用的重要舉措。

(3)針對(duì)喀斯特石漠化山區(qū)能源結(jié)構(gòu)單一、薪材砍伐嚴(yán)重的能源利用現(xiàn)狀,推廣以石山沼氣池建設(shè)與沼渣沼液綜合利用、節(jié)柴灶與節(jié)能秸稈氣化爐高效利用相結(jié)合的能源利用結(jié)構(gòu),結(jié)合當(dāng)?shù)厥潭?、地形特征、能源資源開發(fā)利用潛力、社會(huì)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)、群眾意愿等特征,開展社區(qū)種養(yǎng)與再生能源清潔循環(huán)利用,因地制宜推廣以沼氣利用為重點(diǎn)的薪材替代模式。