杜歡政 , 劉香玲 ， 王 韜

(同濟大學 a.循環(huán)經濟研究所；b.馬克思主義學院；c.環(huán)境科學與工程學院，上海 200092)

0 引言

我國農業(yè)廢棄物量大且分布廣泛，若處理不當，不僅造成資源浪費，而且?guī)憝h(huán)境污染。農作物秸稈露天焚燒釋放大量 CO和CO2以及細顆粒物等，極易污染空氣。畜禽養(yǎng)殖尤其是規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖產生大量糞便和污水，若未經無害化處理而直接排放，將會對土壤、地下水和農業(yè)生態(tài)環(huán)境造成嚴重威脅。農業(yè)廢棄物資源化利用尤其是能源化利用不僅可以提供清潔能源，還能有效減少環(huán)境污染。加快推進農作物秸稈和畜禽養(yǎng)殖廢棄物全量資源化利用勢在必行。因此，農業(yè)廢棄物能源化潛力成為近年來研究的熱點。張海成等[1]、左旭[2]、韋佳培等[3]估算了我國農業(yè)廢棄物能源潛力總量；陳利洪等[4]、吳浩瑋等[5]、張?zhí)锏萚6]、陳秋紅等[7]估算了我國畜禽糞便能源潛力；崔明等[8]、霍麗麗等[9]、叢宏斌等[10]估算了我國農作物秸稈能源潛力；盧洪秀等[11]、徐鵬等[12]、陳利洪等[13]、鮑金蘋等[14]估算了農業(yè)廢棄物能源化潛力，分析了區(qū)域層面的農業(yè)廢棄物能源化潛力。研究結果表明，我國農業(yè)廢棄物具有巨大的能源潛力。

我國幅員遼闊，農業(yè)發(fā)展地區(qū)差異顯著，農業(yè)廢棄物存在區(qū)域分布不均衡與相對集中的特點。河南省作為我國重要的農業(yè)大省，對農業(yè)廢棄物能源化潛力及地區(qū)分布格局的研究較少。因此，本研究以河南省農業(yè)廢棄物為研究對象，定量估算河南省農業(yè)廢棄物產生量和能源蘊藏量，分析其分布格局，對河南省農業(yè)廢棄物能源化利用潛力進行綜合評價，為促進河南省生物質能產業(yè)化發(fā)展提供科學支撐。

1 研究區(qū)域、數據來源與研究方法

1.1 研究區(qū)域

河南省位于我國中部，轄鄭州、開封、洛陽、平頂山、安陽、鶴壁、新鄉(xiāng)、焦作、濮陽、許昌、漯河、三門峽、南陽、商丘、信陽、周口、駐馬店、濟源18個市。截至2019年底，全省農村人口4 511萬，占全省總人口的41.19%。2019年全省能源消耗總量2.23億t標煤，居全國第8位，其中農業(yè)農村能源消耗量1 382.61萬t標煤。河南省是我國重要的糧食主產區(qū)之一，被稱為中國的“大糧倉”，農作物種植面積廣且種類繁多，全省大部分地區(qū)以種植耐旱性較強的農作物如小麥、玉米、黃豆為主，豫南則主要種植水稻。河南省還是全國畜牧養(yǎng)殖大省，畜牧養(yǎng)殖業(yè)主要集中在駐馬店、南陽等地。

1.2 數據來源

數據來源于1991—2020年的《河南統(tǒng)計年鑒》《中國能源統(tǒng)計年鑒》《中國統(tǒng)計年鑒》。研究時段為1990—2019年，以河南省18個省轄市的農作物秸稈和畜禽糞便為研究對象。農作物秸稈主要選擇稻谷、小麥、玉米、大豆、薯類、花生、棉花、油菜、煙葉、蔬菜、水果等共計11個統(tǒng)計對象，畜禽糞便主要選取豬、牛、馬、驢、騾、羊、雞、鴨、鵝、兔等禽畜種類。

1.3 研究方法

農作物秸稈理論產生量通過農作物產量與草谷比進行估算[15]，農作物秸稈能源蘊藏量通過農作物秸稈理論產生量、收集系數、折標煤系數進行估算[15]。為了更符合河南省實際情況，農作物草谷比主要參考石元春[16]、畢于運等[17]、X.Y.Zeng等[18]的研究；收集系數主要參考王雨辰等[19]、崔明等[8]、陳利洪[15]、熊娜等[20]、李勝男等[21]、曹志宏[22]的研究；各主要農作物折標煤系數主要參考石元春[16]、陳利洪[15]的研究(表1)。

依據不同種類畜禽數量、養(yǎng)殖周期、排泄系數、干物質含量可以估算出畜禽糞便或尿液理論產生量[15]，畜禽糞便或尿液能源蘊藏量通過畜禽糞便理論產生量、收集系數、折標煤系數等進行估算[15]。不同類型畜禽排泄系數參考農業(yè)部《畜禽養(yǎng)殖業(yè)產污系數與排污系數手冊》，養(yǎng)殖周期參考張?zhí)锏萚6]的研究，畜禽糞便或尿液的干物質含量參考張?zhí)锏萚6]和陳利洪[15]的研究,畜禽糞便或尿液的收集系數參考陳利洪[15]和石元春[16]的研究,畜禽糞便或尿液折標煤系數參考陳利洪[15]的研究(表2)。

表1 主要農作物草谷比系數、收集系數和折標煤系數Tab.1 Coefficients of straw generation, collection, and energy content of crops

表2 主要畜禽的糞便排泄系數、收集系數、干物質含量和折標煤系數 Tab.2 Coefficients of excreta generation, collection, dry weight and energy content of livestock and poultry

2 農業(yè)廢棄物分析

2.1 農業(yè)廢棄物產生量總體特征

2.1.1農業(yè)廢棄物產生量較大且年際變化明顯。1990—2019年，河南省農業(yè)廢棄物累積產生量85.02億t，農業(yè)廢棄物年產生量呈先增加后減少的“雙峰”變化趨勢，峰值出現在1996年和2006年，分別為3.18億t和3.56億t。全省農作物秸稈年產生量平穩(wěn)且緩慢增長，年均增長率為1.91%。其中，1991年和2003年農作物秸稈產生量較前一年略有下降，極大可能是受嚴重自然災害影響，尤其是2003年“非典”疫情影響，導致小麥、玉米、大豆、薯類等主要農作物產量下降。畜禽糞便產生量呈先增加后減少的“雙峰”變化趨勢，峰值出現在1996年和2006年，分別為2.49億t和2.55億t。畜禽糞便產生量動態(tài)演變規(guī)律與1990—2019年河南省畜禽養(yǎng)殖種類和數量發(fā)生較大變化有關。通過分析1990—2019年河南省畜禽養(yǎng)殖種類和數量的時間變化特征，可以把河南省畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展劃分為3個階段：第一階段(1990—1996年)，河南省大力發(fā)展畜禽養(yǎng)殖業(yè)，畜禽養(yǎng)殖數量處于快速增長狀態(tài)；第二階段(1997—2006年)，隨著社會經濟發(fā)展、居民飲食結構改變及農業(yè)機械化水平提高，役用牛、馬驢騾等養(yǎng)殖數量下降，豬、肉牛、羊和家禽數量增加，畜禽養(yǎng)殖整體結構發(fā)生較大的改變；第三階段(2007—2019年)，由于國家重視畜禽養(yǎng)殖帶來的環(huán)境污染，促使畜禽養(yǎng)殖業(yè)不斷優(yōu)化結構和轉型升級，向生態(tài)型、環(huán)境友好型和現代生產體系方向發(fā)展。

2.1.2農業(yè)廢棄物累積產生量地區(qū)差異性明顯。1990—2019年河南省農業(yè)廢棄物累積產生量地區(qū)分布差異性較大，各市農業(yè)廢棄物累積產生量在0.35億～12.05億t。南陽、周口、駐馬店等市農業(yè)廢棄物累積產生量較多，三市總和約占全省的38.61%；農業(yè)廢棄物累積產生量較少的省轄市是三門峽、鶴壁、濟源，三市總和僅占全省的3.70%。秸稈累積產生量地區(qū)分布差異性明顯，周口市秸稈累積產生量最高，達到3.75億t，占全省的13.89%；濟源市秸稈累積產生量最少，僅占全省的0.32%。畜禽糞便累積產生量地區(qū)分布差異性也比較顯著，南陽市畜禽糞便累積產生量最高，達到9.05億t，占全省的15.60%；濟源市畜禽糞便累積產生量最少，僅占全省的0.45%。1990—2019年農業(yè)廢棄物累積產生量年均增長率地區(qū)差異較大，下降較大的3個市是濟源、鄭州、洛陽，其年均增長率呈負增長，年均增長率分別為-2.81%，-1.75%，-0.47%；增長較快的3個市是鶴壁、濮陽、安陽，年均增長率分別為2.91%，2.60%，1.86%，遠高于全省年均增長率0.76%?？傮w來看，雖然鶴壁、濮陽、安陽等市是河南省農業(yè)廢棄物的“后起之秀”，但全省東部(商丘)、東南部(周口、駐馬店)、西南部(南陽)仍是河南省農業(yè)廢棄物的主要分布區(qū)。

2.2 農業(yè)廢棄物能源蘊藏量總體特征

2.2.1農業(yè)廢棄物能源蘊藏量較大且略有波動。1990—2019年，河南省農業(yè)廢棄物能源累積蘊藏量為14.57億t標煤，雖有一定的波動，但總體呈上升趨勢，年均增長率為2.28%。畜禽糞便能源蘊藏量先增加后降低，呈“雙峰”變化趨勢，峰值出現在1996年和2006年，分別為1 441.45萬t標煤和1 673.30萬t標煤。秸稈能源蘊藏量總體呈上升趨勢，年均增長率為2.78%。秸稈累積能源蘊藏量占農業(yè)廢棄物累積能源蘊藏量的81.77%，是農業(yè)廢棄物能源蘊藏量的主要組成部分。即使1990—2019年河南省畜禽糞便年產生量遠高于農作物秸稈年產生量，但由于畜禽糞便干物質含量低，其能源蘊藏量遠低于秸稈能源蘊藏量。

2.2.2農業(yè)廢棄物累積能源蘊藏量地區(qū)差異性顯著。河南省各地農業(yè)種養(yǎng)殖結構不同，導致全省農業(yè)廢棄物能源蘊藏量地區(qū)間分布極不均衡。2010—2019年，全省農業(yè)廢棄物累積能源蘊藏量為5.88億t標煤。周口、駐馬店、商丘和南陽等市農業(yè)廢棄物累積能源蘊藏量較高，四市之和占全省的48.24%，幾乎占全省累積能源蘊藏量的一半；濟源市累積能源蘊藏量最低，僅占全省的0.37%。各市秸稈累積能源蘊藏量與畜禽糞便累積能源蘊藏量之比大致在2.35～6.39，這在一定程度上反映出河南省秸稈能源蘊藏量占比較大且農業(yè)廢棄物能源蘊藏量地區(qū)差異性明顯。秸稈累積能源蘊藏量與畜禽糞便累積能源蘊藏量之比最高的是安陽，為6.39，這可能與安陽市的農業(yè)結構密切相關。安陽是我國玉米、小麥主產區(qū)，滑縣更是河南省第一產糧大縣，與畜禽糞便相比，安陽秸稈累積能源蘊藏量更高。秸稈累積能源蘊藏量與畜禽糞便累積能源蘊藏量之比最低的是三門峽，僅為2.35，原因可能是三門峽農業(yè)秸稈廢棄物產生量較少，秸稈累積能源蘊藏量偏低，加之三門峽畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展態(tài)勢良好，畜禽糞便累積能源蘊藏量較高，導致秸稈累積能源蘊藏量與畜禽糞便累積能源蘊藏量之比位于全省末位。

2.3 農業(yè)廢棄物能源豐度時空演變特征

農業(yè)廢棄物資源能源化利用不僅取決于農業(yè)廢棄物產生量，還受農業(yè)廢棄物能源豐度的制約。所謂農業(yè)廢棄物能源豐度是一個國家或地區(qū)農業(yè)廢棄物能源蘊藏量的豐富程度，用地均能源密度、人均能源密度、豐度系數指標反映[8,23]。其中，地均能源密度等于農業(yè)廢棄物能源蘊藏量與耕地面積之比；人均能源密度等于農業(yè)廢棄物能源蘊藏量與農村人口之比；豐度系數等于農業(yè)廢棄物能源蘊藏量與農業(yè)農村能源消耗量之比。在農業(yè)農村能源消耗量相同的情況下，豐度系數越高，表明農業(yè)廢棄物能源化潛力越大，對一個國家或地區(qū)農業(yè)廢棄物能源化利用而言，農業(yè)廢棄物豐度系數越高越好。

依據上述，計算出1990—2019年河南全省和各市農業(yè)廢棄物地均能源密度、人均能源密度、豐度系數(圖1)。在此基礎上，進一步計算出全省和各市1990—1999年、2000—2009年、2010—2019年能源豐度平均值。從計算結果來看，隨著年代變化，全省農業(yè)廢棄物地均能源密度平均值和人均能源密度平均值均處于增長狀態(tài)，豐度系數先增后減。全省地均能源密度平均值從1990—1999年的5.34 tce/hm2增長到2010—2019年的7.22 tce/hm2(圖1a～1c)，人均能源密度平均值從1990—1999年的0.48 tce/人增長到2010—2019年的1.16 tce/人(圖1d～1f)，豐度系數從1990—1999年的3.90增長到2000—2009年的5.42，而后降到2010—2019年的4.57(圖1g～1i)。

圖1 1990—2019年河南省各市農業(yè)廢棄物能源豐度空間分布

1990—2019年，全省農業(yè)廢棄物地均能源密度平均值“東部高西部低、北部高南部低”，豐度系數平均值“東南部高、西北部低”，人均能源密度平均值呈“東部逐步高于西部”的發(fā)展趨勢。河南全省農業(yè)廢棄物能源豐度的空間分布特征與1990—2019年全省種植業(yè)結構調整、畜牧業(yè)結構優(yōu)化、城市化發(fā)展和城鄉(xiāng)人口流動有關。以周口市最為典型，周口市農業(yè)廢棄物能源蘊藏量從1990年的424.26萬t上升到2019年的859.35萬t，而農村人口從1990年的850萬人下降到2019年的482萬人。全省農業(yè)廢棄物能源豐度地區(qū)差異性非常明顯， 2010—2019年地均能源密度平均值最高的是商丘，為9.46 tce/hm2；最小的是三門峽，為4.14 tce/hm2，與三門峽的地貌以山地、丘陵和黃土塬為主，經濟以工業(yè)和制造業(yè)為主要發(fā)展方向，農業(yè)廢棄物產生量較少有關，因此，單位耕地面積農業(yè)廢棄物能源化潛力較低。人均能源密度平均值最高的是駐馬店，為1.61 tce/人；鄭州最低，僅為0.58 tce/人，鄭州以輕工業(yè)和服務業(yè)為主，農業(yè)廢棄物產生量較少。豐度系數平均值最大的是鶴壁，為10.68，而最小的是鄭州，為1.15，遠低于全省的平均水平(4.57)。

3 農業(yè)廢棄物能源化利用綜合評價

根據以上研究結果，選定農業(yè)廢棄物地均能源密度、人均能源密度、豐度系數3個測評指標，每個指標從低到高排序，依照1～18的分值進行測評，3個參考指標分數之和為該市農業(yè)廢棄物能源化利用綜合分值即農業(yè)廢棄物能源化利用適宜度，分值越高，進行能源化利用越適宜[8]。從1990—1999年、2000—2009年、2010—2019年河南省各市農業(yè)廢棄物能源化利用適宜度平均值空間分布(圖2)可知， 1990—2019年，河南省農業(yè)廢棄物能源化利用適宜度平均值東部一直高于西部。采用“眾數區(qū)間值等距離三段式方法”確定2010—2019年河南省農業(yè)廢棄物能源資源適宜開發(fā)分級標準[2](表3)，將河南省農業(yè)廢棄物能源化開發(fā)利用劃分為3個區(qū)域。

圖2 1990—2019年河南省各市農業(yè)廢棄物能源化利用適宜度空間分布

表3 2010—2019年河南省農業(yè) 廢棄物能源化利用適宜度分級標準

(1)重點開發(fā)區(qū)：包括周口、商丘、開封、鶴壁、駐馬店、漯河。周口、商丘不僅擁有豐富的農業(yè)廢棄物資源，而且集中度較高，豐度系數也高，具有較大的能源開發(fā)潛力。開封、鶴壁、漯河的農業(yè)廢棄物產生量雖然在全省排名為中下游，但由于耕地面積少或農村人口少，農業(yè)廢棄物分布集中，收集半徑短，能源開發(fā)潛力也較大。這些地區(qū)農業(yè)廢棄物能源化利用除保證農業(yè)農村用能外，剩余部分可為城鎮(zhèn)居民和工業(yè)提供能源，宜集中開發(fā)利用。駐馬店具有較為豐富的農業(yè)廢棄物資源，豐度系數高，但分布一般，宜分散開發(fā)利用。

(2)適度開發(fā)區(qū)：包括安陽、新鄉(xiāng)、焦作、濮陽、許昌、南陽。安陽、新鄉(xiāng)的農業(yè)廢棄物資源豐富，且集中度較高，但豐度系數較低。焦作、濮陽、許昌、南陽的農業(yè)廢棄物資源和集中度均一般。考慮農業(yè)廢棄物能源開發(fā)成本和運輸成本，這些地區(qū)農業(yè)廢棄物能源宜適度開發(fā)利用，以發(fā)展小型沼氣工程、戶用沼氣、秸稈固體成型等為主。

(3)限制開發(fā)區(qū)：包括鄭州、洛陽、信陽、濟源、三門峽、平頂山。由于以工業(yè)和服務業(yè)為主，鄭州、洛陽、平頂山的農業(yè)廢棄物資源不僅貧乏而且分散；信陽除中部丘陵崗地、中部黃淮平原農業(yè)廢棄物資源相對豐富外，農業(yè)廢棄物資源分布嚴重不均衡，集中度較低；濟源、三門峽農業(yè)廢棄物資源集中度較低，遠距離運送不合理，因為農業(yè)廢棄物資源一般運送距離以不超過30 km為宜[19]，加之豐度系數較低,這些地區(qū)開發(fā)利用農業(yè)廢棄物應慎重考慮各種限制因素，因地制宜地采用合適的能源化利用方式，避免造成經濟損失和生態(tài)環(huán)境破壞。

4 結論與討論

4.1 結論

1990—2019年河南省農業(yè)廢棄物資源量較大且能源蘊藏量較高，農業(yè)廢棄物累積產生量為85.02億t，累積能源蘊藏量為14.57億t標煤。農業(yè)廢棄物累積產生量和累積能源蘊藏量地區(qū)差異顯著，全省東部、東南部、西南部是農業(yè)廢棄物資源量和能源蘊藏量的主要分布區(qū)。河南省農業(yè)廢棄物資源十分豐富[24]，但農業(yè)廢棄物能源化利用不僅取決于農業(yè)廢棄物資源總量，還應充分考慮農業(yè)廢棄物資源的有效收集和利用效率。依據河南省農業(yè)廢棄物能源化利用適宜度平均值，河南省農業(yè)廢棄物能源化開發(fā)利用可劃分為重點開發(fā)區(qū)(周口、商丘、開封、鶴壁、駐馬店、漯河)、適度開發(fā)區(qū)(安陽、新鄉(xiāng)、焦作、濮陽、許昌、南陽)、限制開發(fā)區(qū)(鄭州、洛陽、信陽、濟源、三門峽、平頂山)。

4.2 討論

農業(yè)廢棄物能源化利用是緩解能源短缺的重要途徑。2019年河南省農業(yè)廢棄物能源蘊藏量為5 841.56萬t標煤，占全省總能耗的26.20%，與農業(yè)農村能耗之比為4.23。由此可見，農業(yè)廢棄物能源化利用不僅可以滿足農業(yè)農村能源消耗需求量，而且還可以通過預處理和提純凈化后用作發(fā)電、動力燃料或者化工原料等。不同年代河南省農業(yè)廢棄物能源化開發(fā)利用區(qū)域略有變化，恰好說明農業(yè)廢棄物能源化利用要因地制宜、因時制宜，切不可搞“一刀切”或“一成不變”。河南省各地應依據農業(yè)廢棄物資源量和能源蘊藏量的時空分布特征，選擇適宜的能源化利用方式。秸稈資源豐富的地區(qū)如周口、駐馬店等地應充分發(fā)揮秸稈能源化優(yōu)勢，提高秸稈利用效率；駐馬店、南陽等地畜牧業(yè)發(fā)展具有相對優(yōu)勢，可以依據農業(yè)廢棄物資源量建立不同規(guī)模的沼氣池，借助沼氣池充分利用秸稈、糞便等農業(yè)廢棄物資源，發(fā)展農業(yè)循環(huán)經濟。

生物質資源“碳中性”屬性決定其是替代化石能源的最佳選擇。農業(yè)廢棄物作為生物質資源的重要組成部分，其能源化利用可以減少碳排放，對實現“3060”雙碳目標具有重要意義。2019年河南省農業(yè)廢棄物能源蘊藏量5 841.56萬t標煤，即使僅開發(fā)20%來替代現有能耗，其二氧化碳的減排效益也可達2 450萬t[25]。我國人均土地和水資源相對匱乏，可用于能源化開發(fā)的生物質資源有限，但我國農業(yè)廢棄物比較豐富且具有巨大的能源化潛力。因此，農業(yè)廢棄物能源化利用是我國低碳發(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)。