杜歡政，劉香玲，王韜

（1.同濟(jì)大學(xué)生態(tài)文明與循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究所,上海 200092；2.井岡山大學(xué)馬克思主義學(xué)院，江西 吉安34009；3.同濟(jì)大學(xué)馬克思主義學(xué)院,上海 200092；4.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

化石燃料的大量使用，導(dǎo)致全球氣候變暖、極端天氣頻現(xiàn)。為應(yīng)對(duì)全球氣候變化，我國(guó)做出“力爭(zhēng)于2030 年前CO2排放達(dá)到峰值、2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的莊嚴(yán)承諾。作為具有“碳中性”的可再生能源，農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用既能夠減少秸稈焚燒產(chǎn)生的有害氣體，又能夠解決畜禽糞便帶來(lái)的環(huán)境污染，還能夠替代化石能源，減少CO2排放。農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用已成為“雙碳”背景下我國(guó)低碳發(fā)展與可再生能源開發(fā)的戰(zhàn)略重點(diǎn)。值得注意的是，“十三五”期間我國(guó)非化石能源發(fā)電裝機(jī)容量雖穩(wěn)居世界第一，但生物質(zhì)發(fā)電量?jī)H從2015年的0.1億kWh增加到2020年的0.3億kWh，尤其是農(nóng)村能源利用過(guò)分依賴傳統(tǒng)化石能源。生物質(zhì)能消費(fèi)能力不足，存在能源結(jié)構(gòu)不合理、綠色低碳轉(zhuǎn)型難度大等難題。因此，推進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用不僅是落實(shí)我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的重要抓手，而且是實(shí)現(xiàn)農(nóng)村能源可持續(xù)性發(fā)展目標(biāo)的必然要求。

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)且農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的地區(qū)差異性顯著，農(nóng)業(yè)廢棄物年產(chǎn)量大，分布不均衡與相對(duì)集中并存。近年來(lái)，無(wú)論全國(guó)還是區(qū)域農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用都受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。田宜水[1]、張海成等[2]、趙曉等[3]估算了我國(guó)農(nóng)業(yè)廢棄物燃?xì)猱a(chǎn)能潛力；崔衛(wèi)芳等[4]、毛愛(ài)涵等[5]、張穎等[6]、王愛(ài)軍等[7]分別對(duì)三江源區(qū)、青海省、河南省以及我國(guó)中部地區(qū)的農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用潛力進(jìn)行了估算；陳利洪[8]、張蓓蓓[9]、劉志彬[10]定量分析了我國(guó)農(nóng)業(yè)廢棄物能源化潛力及空間分布差異；付鵬等[11]、洪振國(guó)[12]從發(fā)電潛力角度估算了我國(guó)農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用對(duì)節(jié)能減排的貢獻(xiàn)，張崇尚等[13]從農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用與能源企業(yè)的區(qū)域布局出發(fā)，探討農(nóng)業(yè)廢棄物能源密度與能源企業(yè)布局之間的耦合關(guān)系。

縱觀現(xiàn)有研究，學(xué)者們對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用進(jìn)行了諸多有益探索，但仍存在一定的局限性。第一，對(duì)黃河流域尤其是從地市尺度探討農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用的研究尚處于空白；第二，區(qū)域農(nóng)業(yè)廢棄物能源化研究主要集中在農(nóng)業(yè)廢棄物能源化潛力定量分析、空間分布及減排效應(yīng)等方面，農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用對(duì)農(nóng)村能源可持續(xù)性影響尚未見(jiàn)報(bào)道。作為我國(guó)北部最重要的地理單元，黃河流域在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)安全方面具有十分重要的地位。為此，本研究從計(jì)算黃河流域農(nóng)業(yè)廢棄物資源量出發(fā)，對(duì)比不同類型農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用方式新增能源供應(yīng)量差異的同時(shí)，構(gòu)建黃河流域農(nóng)村能源可持續(xù)性指標(biāo)體系，探討不同類型農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用方式對(duì)黃河流域農(nóng)村能源可持續(xù)性影響，為推動(dòng)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河流域西起巴顏喀拉山，東臨渤海，南至秦嶺，北抵陰山，流域面積寬廣，是我國(guó)重要的生態(tài)安全屏障、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展區(qū)域以及農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地。2019年，黃河流域糧食、肉類產(chǎn)量分別占全國(guó)的31.73%、35.31%，貢獻(xiàn)了24.97%的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值和30.14%的農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值。流域內(nèi)有農(nóng)村人口2.02億，約占全國(guó)農(nóng)村人口的36.61%。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，黃河流域農(nóng)村能源消耗發(fā)生較大改變，農(nóng)村一次能源人均消耗量從2000年的0.037 9 t·人-1（以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)，下同）增長(zhǎng)到2019 年的0.329 2 t·人-1，但仍低于2019 年全國(guó)農(nóng)村人均能源消耗水平（0.401 8 t·人-1）。為了更好地體現(xiàn)以自然流域?yàn)榛A(chǔ)，考慮地域單元的完整性以及地區(qū)經(jīng)濟(jì)與黃河的直接關(guān)聯(lián)性原則，選取黃河干流和支流流經(jīng)的9 省（區(qū)）60 個(gè)地級(jí)行政區(qū)為研究樣本（圖1），上中下游劃分參考《黃河年鑒》的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)考慮行政區(qū)影響（2019 年國(guó)務(wù)院批復(fù)同意山東省萊蕪市撤地設(shè)區(qū)，轄區(qū)劃歸濟(jì)南市）。

圖1 研究區(qū)位圖Figure1 Location map of the Yellow River basin

1.2 研究方法

農(nóng)業(yè)廢棄物資源量的計(jì)算、農(nóng)業(yè)廢棄物能源產(chǎn)生量的計(jì)算以及農(nóng)村能源可持續(xù)性指標(biāo)體系構(gòu)建的具體方法如下。

1.2.1 農(nóng)業(yè)廢棄物資源量的計(jì)算

農(nóng)業(yè)廢棄物是指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的非第一目的性產(chǎn)品的衍生物，常見(jiàn)的生物質(zhì)廢棄物有農(nóng)作物秸稈、農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)品、畜禽糞便等。本研究中的農(nóng)業(yè)廢棄物主要包括農(nóng)作物秸稈和畜禽糞便，二者資源量之和即為農(nóng)業(yè)廢棄物資源量。其中，計(jì)算農(nóng)作物秸稈資源量采用草谷比法[14]，計(jì)算畜禽糞便資源量采用排泄系數(shù)法[8]。

1.2.2 農(nóng)業(yè)廢棄物新增能源供應(yīng)量的計(jì)算

采用秸稈制生物燃?xì)狻⒔斩捈S便聯(lián)合制生物燃?xì)?、秸稈固化成型燃料發(fā)電、秸稈糞便聯(lián)合制氣發(fā)電等四種類型農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用方式，計(jì)算不同類型農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用方式新增能源供應(yīng)量，轉(zhuǎn)換參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 不同類型能源化利用方式的轉(zhuǎn)換參數(shù)Table 1 Conversion parameters for different types of energy utilization

1.2.3 農(nóng)村能源可持續(xù)性指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（SDGs）之一——可持續(xù)能源目標(biāo)，參考已有研究[15-17]，結(jié)合黃河流域農(nóng)村能源消耗實(shí)際特點(diǎn)，遵循科學(xué)性、全面性、可操作性、可量化的基本原則以及數(shù)據(jù)可得性，從能源消耗、能源結(jié)構(gòu)、環(huán)境排放三方面構(gòu)建農(nóng)村能源可持續(xù)性指標(biāo)體系（表2）。

表2 黃河流域農(nóng)村能源可持續(xù)性指標(biāo)體系Table 2 Indicator system of rural energy sustainability in the Yellow River basin

能源消耗表征農(nóng)村生產(chǎn)和生活所消耗的能源，選擇人均能源用量和人均可再生能源用量衡量能源消耗狀況。其中：人均能源用量由終端能源消耗量/農(nóng)村人口計(jì)算得出；人均可再生能源用量由終端能源消耗中的可再生能源消耗量/農(nóng)村人口計(jì)算得出。

能源結(jié)構(gòu)是指能源消耗中各類能源的構(gòu)成，選擇電氣化率、可再生能源占比、煤炭占比反映能源結(jié)構(gòu)狀況。其中：電氣化率由終端電力消耗量/終端能源消耗量計(jì)算得出；可再生能源占比由一次能源消耗中的可再生能源消耗量/一次能源消耗量計(jì)算得出；煤炭占比由一次能源消耗中的煤炭消耗量/一次能源消耗量計(jì)算得出。

環(huán)境排放可反映農(nóng)村能源消耗的環(huán)境可持續(xù)性，用人均碳排放量和單位能源碳排放量來(lái)評(píng)價(jià)環(huán)境排放狀況。其中：人均碳排放量由終端能源消耗的碳排放量/農(nóng)村人口計(jì)算得出；單位能源碳排放量由終端能源消耗的碳排放量/終端能源消耗量計(jì)算得出。

采用層次分析法和熵權(quán)法相結(jié)合賦予二級(jí)指標(biāo)權(quán)重。其中，層次分析法是專家主觀地根據(jù)指標(biāo)重要性打分確定權(quán)重，熵權(quán)法是根據(jù)指標(biāo)提供的信息，依賴數(shù)據(jù)本身的離散程度確定權(quán)重[18]。兩種方法相結(jié)合既避免過(guò)于客觀而忽視主觀因素的影響，又避免因主觀因素導(dǎo)致失去客觀事實(shí)的偏差。對(duì)于層次分析法和熵權(quán)法國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)已有較多論述，在此直接給出通過(guò)兩種方法計(jì)算得出的二級(jí)指標(biāo)權(quán)重結(jié)果（表2）。為了便于比較，對(duì)可持續(xù)性得分統(tǒng)一進(jìn)行歸一化處理，分值范圍0～1，分?jǐn)?shù)高者為最佳。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源及參數(shù)確定

農(nóng)作物、畜禽的種類和數(shù)量主要來(lái)源于黃河流域9?。▍^(qū)）統(tǒng)計(jì)年鑒以及60個(gè)地級(jí)行政區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒等。農(nóng)作物草谷比系數(shù)、畜禽糞便排泄系數(shù)參考石元春[14]、杜歡政等[19]的研究結(jié)果；產(chǎn)氣因子參考陳利洪[8]的研究結(jié)果；折標(biāo)煤系數(shù)參考《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》以及陳利洪[8]的研究結(jié)果；能源數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》，部分缺失數(shù)據(jù)采用插值法處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃河流域農(nóng)業(yè)廢棄物資源量的時(shí)空演變

1990—2019 年，黃河流域農(nóng)業(yè)廢棄物累積量177.90 億t，農(nóng)業(yè)廢棄物年產(chǎn)生量呈現(xiàn)先增加后減少的“雙峰”變化趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在1996年和2006年，分別為6.81億t和7.06億t。隨著年代變化，黃河流域農(nóng)業(yè)廢棄物累積量也呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢(shì)，從20 世紀(jì)90 年代的53.08 億t 增加 到21 世紀(jì)00 年 代的63.28 億t，后減少到21 世紀(jì)10 年代的61.54 億t。黃河流域上、中、下游農(nóng)業(yè)廢棄物累積量呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。上游農(nóng)業(yè)廢棄物累積量一直處于增長(zhǎng)狀態(tài)，從20 世紀(jì)90 年代的14.54 億t 增長(zhǎng) 到21 世紀(jì)10 年代的19.83 億t，增長(zhǎng)率達(dá)36.38%。中游和下游農(nóng)業(yè)廢棄物累積量先增加后減少，分別從20 世紀(jì)90 年代的11.75 億、28.79 億t增加到21 世紀(jì)00 年代的12.21 億、31.42 億t，而后減少到21世紀(jì)10 年代的11.55億、30.16億t（表3）。黃河流域農(nóng)業(yè)廢棄物累積量之所以呈現(xiàn)如此動(dòng)態(tài)變化，與各地級(jí)行政區(qū)農(nóng)作物、畜禽的品種和產(chǎn)量有所調(diào)整和變動(dòng)有關(guān)。

表3 不同年代黃河流域農(nóng)業(yè)廢棄物累積量Table 3 Accumulation of agricultural wastes in the Yellow River basin in different years

黃河流域農(nóng)業(yè)廢棄物累積量空間分布差異性顯著。以21 世紀(jì)10 年代為例，黃河流域下游農(nóng)業(yè)廢棄物累積量最高（30.16 億t），上游次之（19.83 億），中游最低（11.55億t）。農(nóng)業(yè)廢棄物累積量排名前十的地級(jí)行政區(qū)有1個(gè)在上游，9個(gè)在下游。下游農(nóng)業(yè)廢棄物累積量占整個(gè)流域農(nóng)業(yè)廢棄物累積量的49.00%，主要原因在于黃河下游的河南省和山東省是農(nóng)業(yè)大省，且兩省的農(nóng)作物產(chǎn)量和畜禽養(yǎng)殖量均位居全國(guó)前列。縱而觀之，黃河流域農(nóng)業(yè)廢棄物累積量呈現(xiàn)下游高于中上游、農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)高于非主產(chǎn)區(qū)的空間分布特點(diǎn)。

2.2 黃河流域農(nóng)業(yè)廢棄物新增能源供應(yīng)量的空間分布

黃河流域農(nóng)業(yè)廢棄物年資源量存在差異，以2010—2019 年為例，黃河流域農(nóng)業(yè)廢棄物年資源量在5.30 億～6.64 億t 之間變化，最大變異系數(shù)為8.68%，變異系數(shù)較小，說(shuō)明2010—2019 年黃河流域農(nóng)業(yè)廢棄物資源量相對(duì)較為穩(wěn)定。因此，本研究依據(jù)2019 年黃河流域農(nóng)業(yè)廢棄物資源量，按照不同類型農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用方式的轉(zhuǎn)化參數(shù)（表1），計(jì)算出不同類型能源化利用方式新增能源供應(yīng)量。由結(jié)果可知，2019 年黃河流域秸稈制生物燃?xì)?12.34 億m3，秸稈糞便聯(lián)合制生物燃?xì)?88.35 億m3，秸稈固化成型燃料發(fā)電量為312.33億kWh，秸稈糞便聯(lián)合制氣發(fā)電量為815.55億kWh。

基于不同類型農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用方式，計(jì)算出2019年黃河流域60個(gè)地級(jí)行政區(qū)的秸稈制生物燃?xì)饬俊⒔斩捈S便聯(lián)合制生物燃?xì)饬?、秸稈固化成型燃料發(fā)電量、秸稈糞便聯(lián)合制氣發(fā)電量（為了便于比較，能源產(chǎn)生量統(tǒng)一換算為標(biāo)準(zhǔn)煤）。從計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，黃河流域農(nóng)業(yè)廢棄物資源量直接影響農(nóng)業(yè)廢棄物能源產(chǎn)生量。能源產(chǎn)生量較大的城市主要集中在山東省和河南省，主要有菏澤、德州、聊城、濟(jì)寧、新鄉(xiāng)、開封、濱州等地市，7 地秸稈制生物燃?xì)饬恐汀⒔斩捈S便聯(lián)合制生物燃?xì)饬恐?、秸稈固化成型燃料發(fā)電量之和、秸稈糞便聯(lián)合制氣發(fā)電量之和分別占2019 年黃河流域總量的37.10%、34.52%、37.10%、34.52%。從2019 年各地級(jí)行政區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄物資源量可以看出，秸稈和畜禽糞便的比例在0～12.3 之間。秸稈和畜禽糞便的比例直接影響不同類型農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用方式新增能源供應(yīng)量，這與秸稈和畜禽糞便適宜的能源化利用方式不同有關(guān)。秸稈比例高者適合秸稈制生物燃?xì)饣蚪斩捁袒尚腿剂习l(fā)電，反之，則適合秸稈糞便聯(lián)合制生物燃?xì)饣蚪斩捈S便聯(lián)合制氣發(fā)電。

2.3 農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用對(duì)農(nóng)村能源可持續(xù)性影響

2.3.1 黃河流域農(nóng)村能源可持續(xù)性省域比較

依照農(nóng)村能源可持續(xù)性指標(biāo)體系和二級(jí)指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算出2019年黃河流域9?。▍^(qū)）農(nóng)村能源可持續(xù)性綜合得分以及一級(jí)指標(biāo)得分（表4）。其中，各?。▍^(qū)）綜合得分取自各省（區(qū)）所轄地級(jí)行政區(qū)綜合得分的平均值。通過(guò)比較可知，黃河流域農(nóng)村能源可持續(xù)性存在區(qū)域性差異。其中，四川綜合得分最高，其次是青海、河南，山西綜合得分最低，內(nèi)蒙古、山東綜合得分也較低?？傮w來(lái)看，黃河流域農(nóng)村能源可持續(xù)性水平呈現(xiàn)上下游高、中游低的空間分布特征。

表4 2019年黃河流域農(nóng)村能源可持續(xù)性得分Table 4 Rural energy sustainability score for the Yellow River basin in 2019

四川綜合得分最高，為0.485 5，能源結(jié)構(gòu)、環(huán)境排放得分也較高，排名分別是第1和第2，這極有可能與四川省水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源資源稟賦較高且利用率較高有關(guān)。“十三五”期間，四川省把發(fā)展清潔低碳能源作為調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的主攻方向，科學(xué)有序地發(fā)展水電，積極布局風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電、生物質(zhì)能的開發(fā)，有效提升了農(nóng)村能源可持續(xù)性水平。2019年四川可再生能源發(fā)電量占全省發(fā)電量的87.88%，但四川農(nóng)村人口較多，人均能源用量和人均可再生能源用量得分較低，導(dǎo)致能源消耗得分較低，僅排名第8。山西綜合得分最低，僅為0.294 2。盡管能源消耗得分較高，排名第2，但由于山西是我國(guó)重要的煤炭基地，農(nóng)村能源消耗仍以煤炭為主。2019 年農(nóng)村能源消耗中煤炭占比為80.78%。因此，山西能源結(jié)構(gòu)得分和環(huán)境排放得分均較低，排名分別為第8和第5，進(jìn)一步造成山西農(nóng)村能源可持續(xù)性水平較低。綜合得分排名第2 的是青海，與四川一樣，青?？稍偕茉促Y源稟賦也較高，且2019 年青海可再生能源發(fā)電量占全省發(fā)電量的87.04%，這也是青海排名靠前的主要原因。

2.3.2 黃河流域地級(jí)行政區(qū)農(nóng)村能源可持續(xù)性層次聚類分析

利用SPSS 軟件對(duì)2019 年黃河流域60 個(gè)地級(jí)行政區(qū)農(nóng)村能源可持續(xù)性一級(jí)指標(biāo)（能源消耗、能源結(jié)構(gòu)和環(huán)境排放）得分進(jìn)行層次聚類分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。依據(jù)聚類結(jié)果，將黃河流域60 個(gè)地級(jí)行政區(qū)劃分為五個(gè)組群：第一組群包括烏海、巴彥淖爾、呼和浩特、包頭、鄂爾多斯、阿拉善、鄭州7 個(gè)地級(jí)行政區(qū)，其農(nóng)村能源可持續(xù)性水平均值為0.304 2；第二組群包括新鄉(xiāng)、淄博2 個(gè)地級(jí)行政區(qū)，其農(nóng)村能源可持續(xù)性水平均值為0.309 7；第三組群僅有阿壩州1個(gè)地級(jí)行政區(qū)，其農(nóng)村能源可持續(xù)性水平均值為0.485 5；第四組群包括晉城、晉中、菏澤等20 個(gè)地級(jí)行政區(qū)，其農(nóng)村能源可持續(xù)性水平均值為0.306 9；第五組群包括西寧、蘭州、固原等30 個(gè)地級(jí)行政區(qū)，其農(nóng)村能源可持續(xù)性水平均值為0.335 0。可見(jiàn)，2019 年農(nóng)村能源可持續(xù)性水平第三組群>第五組群>第二組群>第四組群>第一組群。第三組群僅包含阿壩州，說(shuō)明2019年阿壩州的農(nóng)村能源可持續(xù)性水平在黃河流域處于較高位置，原因在于阿壩州位于川西北高原，平均海拔高，地理落差大，水能、太陽(yáng)能等可再生能源資源十分豐富。農(nóng)村能源利用以水力發(fā)電為主，集中式光伏為輔[20]，2019年農(nóng)村再生能源用量占農(nóng)村能源消耗量的50.84%，遠(yuǎn)高于其他地級(jí)行政區(qū)。鄂爾多斯、阿拉善、烏海、巴彥淖爾、呼和浩特、包頭、鄭州這7 個(gè)地級(jí)行政區(qū)位于層次聚類分析的第一個(gè)組群，農(nóng)村能源可持續(xù)性處于較低水平?？傮w來(lái)看，此7 個(gè)地級(jí)行政區(qū)煤炭消耗量大，存在可再生能源占比低、人均碳排放量高等問(wèn)題，并且近年來(lái)因?yàn)橥馑屯ǖ?、?chǔ)能、電力調(diào)峰等原因，其可再生能源發(fā)展受阻嚴(yán)重。西寧、蘭州、固原等30 個(gè)地級(jí)行政區(qū)被劃分到第五組群，其農(nóng)村能源可持續(xù)性水平均值排名第2。此30 個(gè)地級(jí)行政區(qū)大多數(shù)位于青海、甘肅、寧夏等省份，也包含山西、陜西、河南、山東等省份部分地級(jí)行政區(qū)。這些地級(jí)行政區(qū)可再生能源資源稟賦、能源結(jié)構(gòu)各有差異，但一般有單個(gè)指標(biāo)位于中間水平，反映出其農(nóng)村能源可持續(xù)性具有很大潛力。

2.4 廢棄物能源化利用對(duì)農(nóng)村能源可持續(xù)性影響

2.4.1 不同類型能源化利用方式下農(nóng)村能源可持續(xù)性空間分布

基于不同類型能源化利用方式和農(nóng)業(yè)廢棄物資源量，計(jì)算出2019 年60 個(gè)地級(jí)行政區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄物新增能源供應(yīng)量，并將其作為可再生能源量代入各地級(jí)行政區(qū)農(nóng)村能源可持續(xù)性指標(biāo)體系中，計(jì)算出不同類型能源化利用方式下各地級(jí)行政區(qū)農(nóng)村能源可持續(xù)性綜合得分。為便于比較，將秸稈制生物燃?xì)?、秸稈糞便聯(lián)合制生物燃?xì)?、秸稈固化成型燃料發(fā)電、秸稈糞便聯(lián)合制氣發(fā)電分別命名為利用方式1、利用方式2、利用方式3、利用方式4。實(shí)際情況下和4種利用方式下黃河流域農(nóng)村能源可持續(xù)性空間分布如圖3 所示。由圖3 可知，利用方式3 對(duì)農(nóng)村能源可持續(xù)性水平提升幅度較小，僅是實(shí)際的1.001～1.929 倍。利用方式4 對(duì)農(nóng)村能源可持續(xù)性水平提升幅度最大。能源化利用方式4 下，可持續(xù)性得分高于實(shí)際2 倍的地級(jí)行政區(qū)有17個(gè)，上、中、下游分別有11、2、4個(gè)，分別占上、中、下游地級(jí)行政區(qū)數(shù)量的40.74%、12.50%、23.53%。利用方式1 影響較大的地級(jí)行政區(qū)有4 個(gè)，占比6.67%，均位于上游。利用方式2 影響較大的地級(jí)行政區(qū)有26個(gè)，上游19個(gè)，占比31.67%，下游7個(gè)，占比11.67%。利用方式3 影響較大的地級(jí)行政區(qū)有1 個(gè)，占比1.67%，位于上游。利用方式4 影響較大的地級(jí)行政區(qū)有31 個(gè)，上游23 個(gè)，占比74.19%，下游8個(gè)，占比13.33%。整體來(lái)看，四種類型能源化利用方式都對(duì)上游農(nóng)村能源可持續(xù)性影響較大，農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用對(duì)黃河流域農(nóng)村能源可持續(xù)性水平影響呈現(xiàn)上游高于中下游的空間分布特點(diǎn)。

圖3 實(shí)際情況下和4種利用方式下農(nóng)村能源可持續(xù)性空間分布Figure 3 Spatial distribution of rural energy sustainability under actual and 4 utilization modes

2.4.2 農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用方式的綜合選擇

農(nóng)業(yè)廢棄物能源化方式的選擇，不但需要考慮不同類型能源化利用方式對(duì)農(nóng)村能源可持續(xù)性影響程度，而且需要考慮秸稈與畜禽糞便的比例以及秸稈資源密度。其中，影響程度用不同轉(zhuǎn)化方式下農(nóng)村能源可持續(xù)性綜合得分與實(shí)際農(nóng)村能源可持續(xù)性綜合得分之比值反映，比值越大，影響程度越大。在農(nóng)業(yè)廢棄物制生物燃?xì)夂娃r(nóng)業(yè)廢棄物沼氣發(fā)酵發(fā)電中，秸稈與畜禽糞便的配比非常重要。同時(shí)，農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用，尤其是秸稈能源化利用不僅取決于秸稈資源總量，還受到秸稈資源密度的制約。在秸稈資源密度高的地區(qū)，農(nóng)業(yè)廢棄物相對(duì)運(yùn)輸成本較低，比較適合能源化利用。綜合考慮以上情況，對(duì)2019年黃河流域60個(gè)地級(jí)行政區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用方式進(jìn)行如下推薦。

（1）適合秸稈制生物燃?xì)獾牡丶?jí)行政區(qū)：晉中、運(yùn)城、西安、渭南、咸陽(yáng)、鄭州、開封、新鄉(xiāng)、焦作、德州、聊城、菏澤。其中，聊城、菏澤、德州、開封、新鄉(xiāng)、焦作等地位于傳統(tǒng)種植業(yè)大省河南和山東，不但擁有豐富的秸稈資源，而且秸稈資源密度高，宜集中利用秸稈資源生產(chǎn)生物燃?xì)?。西安、咸?yáng)、渭南、鄭州、晉中、運(yùn)城等地秸稈資源密度較低，宜分散開發(fā)利用，發(fā)展小型生物燃?xì)獾取?/p>

（2）適合秸稈糞便聯(lián)合制生物燃?xì)獾牡丶?jí)行政區(qū)：西寧、海東、蘭州、平?jīng)?、定西、臨夏、烏海、呼和浩特、太原、呂梁、榆林、濟(jì)南、淄博、濱州。這些地區(qū)利用秸稈和畜禽糞便生產(chǎn)生物燃?xì)?，?duì)農(nóng)村能源可持續(xù)性影響程度較大，尤其呼和浩特、濱州、烏海等地。其中，濟(jì)南、淄博、濱州、臨夏等農(nóng)業(yè)廢棄物資源豐富的地方，可以根據(jù)資源量建設(shè)不同規(guī)模大小的生物燃?xì)夤こ?，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生物燃?xì)忾_發(fā)利用。西寧、海東、蘭州等農(nóng)業(yè)廢棄物資源分布分散的地方，可以考慮以戶用生物燃?xì)鉃橹鳌?/p>

（3）適合秸稈固化成型燃料發(fā)電的地級(jí)行政區(qū)：天水、長(zhǎng)治、晉城、臨汾、銅川、寶雞、延安、洛陽(yáng)。這些地區(qū)畜禽糞便資源量較低，農(nóng)業(yè)廢棄物以秸稈為主，并且秸稈能源密度較低?？紤]到開發(fā)成本和運(yùn)輸成本，這些地區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄物宜適度開發(fā)利用，可以將秸稈加工為成型固體燃燒棒，即便于運(yùn)輸又可用來(lái)進(jìn)行小型發(fā)電等。

（4）適合秸稈糞便聯(lián)合制氣發(fā)電的地級(jí)行政區(qū)：海北、海南、黃南、果洛、玉樹、阿壩、白銀、慶陽(yáng)、甘南、銀川、石嘴山、固原、吳忠、中衛(wèi)、鄂爾多斯、巴彥淖爾、包頭、阿拉善、忻州、商洛、濮陽(yáng)、三門峽、濟(jì)源、東營(yíng)、濟(jì)寧、泰安。這些地區(qū)利用秸稈和畜禽糞便聯(lián)合厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣對(duì)農(nóng)村能源可持續(xù)性影響程度較大，尤其鄂爾多斯、巴彥淖爾、東營(yíng)、濟(jì)寧等地。秸稈和畜禽糞便聯(lián)合厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣受溫度、pH 值、C/N 等多種因素影響，應(yīng)慎重考慮各種限制因素，因地制宜地發(fā)展沼氣產(chǎn)業(yè)，避免經(jīng)濟(jì)損失和生態(tài)破壞。

3 討論

人類對(duì)高污染化石能源的依賴是氣候變化的主要原因，全球60%的溫室氣體排放量源于化石能源的使用。聯(lián)合國(guó)在可持續(xù)能源目標(biāo)第7 項(xiàng)中提出，到2030 年，大幅度增加可再生能源在全球能源結(jié)構(gòu)中的比例，旨在滿足不斷增長(zhǎng)的能源需求并保護(hù)環(huán)境?；邳S河流域各地級(jí)行政區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用的推薦方式，可以計(jì)算出地級(jí)行政區(qū)聚類分組間的農(nóng)村能源可持續(xù)性提升程度，第一組群提升倍數(shù)為2.08，第二組群提升倍數(shù)為1.54，第三組群提升倍數(shù)為1.68，第四組群提升倍數(shù)為1.66，第五組群提升倍數(shù)為1.82，反映出適宜的農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用方式可以很大程度上提升黃河流域農(nóng)村能源可持續(xù)性，特別是農(nóng)業(yè)廢棄物資源量豐富但實(shí)際農(nóng)村能源可持續(xù)性較低的地區(qū)。

隨著大城市生物質(zhì)能發(fā)電項(xiàng)目趨于飽和，生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)未來(lái)的主要增長(zhǎng)點(diǎn)在縣域，尤其是廣大農(nóng)村地區(qū)。從農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用技術(shù)對(duì)比來(lái)看，秸稈制生物燃?xì)?、秸稈固化成型燃料發(fā)電、秸稈糞便聯(lián)合制生物燃?xì)庖约敖斩捈S便聯(lián)合制氣發(fā)電可以不同程度地改善農(nóng)村能源可持續(xù)性水平，但秸稈制生物燃?xì)饣蚪斩捁袒尚腿紵粜枰紤]秸稈運(yùn)輸成本。秸稈資源運(yùn)送距離以不超過(guò)30 km 為宜[8]。秸稈糞便聯(lián)合制生物燃?xì)饣蚪斩捈S便聯(lián)合制氣發(fā)電需要考慮秸稈和畜禽糞便的比例。從農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用技術(shù)先進(jìn)性來(lái)看，秸稈糞便聯(lián)合制生物燃?xì)?、秸稈糞便聯(lián)合制氣發(fā)電比秸稈制生物燃?xì)?、秸稈固化成型燃料發(fā)電先進(jìn)，發(fā)電比燃?xì)獾募夹g(shù)更先進(jìn)[21]。從農(nóng)業(yè)廢棄物能源化轉(zhuǎn)換效率來(lái)看，農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)電轉(zhuǎn)換效率較低，原因在于發(fā)電需要的農(nóng)業(yè)廢棄物品質(zhì)較高，但發(fā)電應(yīng)用更為靈活，也更為清潔?；诖?，黃河流域各地級(jí)行政區(qū)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要、技術(shù)條件和資源稟賦等，因地制宜地選擇農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用方式。

作為生物質(zhì)資源的重要組成部分，農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用與現(xiàn)有的發(fā)電相比，確實(shí)存在技術(shù)需要優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)效益需要提高等問(wèn)題。但值得注意的是，農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用除具有較大的經(jīng)濟(jì)效益外，還具有社會(huì)效益和環(huán)境效益。以2019 年黃河流域農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用為例，農(nóng)業(yè)廢棄物能源蘊(yùn)藏量（以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)）9 771.63 萬(wàn)t，即使僅開發(fā)30%替代現(xiàn)有能耗，其CO2減排量也可達(dá)6 000萬(wàn)t[22]。按照首筆全國(guó)碳交易價(jià)格52.78 元·t-1計(jì)算，黃河流域農(nóng)業(yè)廢棄物2019 年可獲益31.69 億元[23]，再加上發(fā)電、燃?xì)庖约罢臃实?，其農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用經(jīng)濟(jì)收益將會(huì)更高。廢棄物能源化利用是新興能源環(huán)保產(chǎn)業(yè)，既可以在農(nóng)業(yè)地區(qū)得到發(fā)展，也可以在工業(yè)地區(qū)進(jìn)行生產(chǎn)，不但規(guī)?？纱罂尚。铱梢栽黾泳蜆I(yè)機(jī)會(huì)，一定程度上促進(jìn)社會(huì)和諧、增進(jìn)民生福祉，社會(huì)效益明顯。第三，農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用既能夠減少農(nóng)業(yè)廢棄物帶來(lái)的環(huán)境污染，又能夠替代化石能源而減少CO2排放，具有明顯的環(huán)境效益。此外，與美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用技術(shù)確實(shí)存在基礎(chǔ)性研究不足、創(chuàng)新性技術(shù)研發(fā)與科技成果轉(zhuǎn)化能力較低、資金投入體系不健全等問(wèn)題[24]，但隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用成為落實(shí)我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的重要抓手[25]。農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用必須依靠科技進(jìn)步，通過(guò)積極借鑒國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)、建立健全農(nóng)業(yè)廢棄物資金投入體系、強(qiáng)化創(chuàng)新性技術(shù)的研發(fā)與推廣等，積極推動(dòng)農(nóng)業(yè)廢棄物能源化技術(shù)革新，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)廢棄物高效能源化。

4 結(jié)論

（1）黃河流域1990—2019 年農(nóng)業(yè)廢棄物年產(chǎn)生量呈現(xiàn)先增加后減少的“雙峰”變化趨勢(shì)，峰值分別出現(xiàn)在1996 年和2006 年，為6.81 億t 和7.06 億t。黃河流域農(nóng)業(yè)廢棄物資源累積量空間分布差異性顯著，以21 世紀(jì)10 年代為例，下游農(nóng)業(yè)廢棄物資源累積量最高（30.16 億t），上游次之（19.83 億t），中游最低（11.55億t），呈現(xiàn)下游高于中上游、農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)高于非主產(chǎn)區(qū)的空間分布特點(diǎn)。

（2）不同類型農(nóng)業(yè)廢棄物能源利用方式下，2019年黃河流域60 個(gè)地級(jí)行政區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄物能源產(chǎn)生量空間分布差異性明顯，下游高于中上游。

（3）2019 年黃河流域?qū)嶋H農(nóng)村能源可持續(xù)性綜合得分存在省域差異。四川綜合得分最高，其次是青海、河南，山西綜合得分最低，內(nèi)蒙古、山東綜合得分也較低，呈現(xiàn)上下游高、中游低的空間分布特點(diǎn)。60個(gè)地級(jí)行政區(qū)實(shí)際農(nóng)村能源可持續(xù)性二級(jí)指標(biāo)得分層次聚類結(jié)果表明，聚類組群農(nóng)村能源可持續(xù)性綜合得分差異性顯著，主要是由于各地級(jí)行政區(qū)再生資源稟賦、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、能源結(jié)構(gòu)、農(nóng)村人口等存在差異。

（4）依據(jù)不同類型農(nóng)業(yè)廢棄物能源利用方式對(duì)各地級(jí)行政區(qū)農(nóng)村能源可持續(xù)性影響程度、各地級(jí)行政區(qū)秸稈與畜禽糞便的配比以及秸稈資源密度，對(duì)黃河流域各地級(jí)行政區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用方式進(jìn)行推薦：鄭州等12 個(gè)地級(jí)行政區(qū)適合秸稈制生物燃?xì)?；?jì)南等14 個(gè)地級(jí)行政區(qū)適合秸稈糞便聯(lián)合制生物燃?xì)猓粫x城等8 個(gè)地級(jí)行政區(qū)適合秸稈固化成型燃料發(fā)電；銀川等26 個(gè)地級(jí)行政區(qū)適合秸稈糞便聯(lián)合制氣發(fā)電。