生物质能被认为是最具潜力的可再生能源^[1-2], 到2050年全球可利用生物质能资源潜力为10—262亿t标准煤, 平均60—119亿t标准煤, 约占生物质年产生量的10%—20%^[3-4], 随着因石化能利用带来的全球气候变化和生态环境问题日益加剧, 生物质能利用越来越成为全世界关注的焦点。中国是一个传统的农业大国, 农村生物质能资源量巨大, 根据刘刚^[5], 田宜水^[6], Yang^[7]和Yuan^[8]等的研究表明, 中国可利用生物质能资源储量介于2.98亿—8.87亿t标准煤, 相当于我国已经探获煤炭资源量的1.47—4.93倍^[9], 空间分布呈现出生物质能蕴藏潜力与常规一次能源蕴藏潜力互补特征, 使得在一次能源蕴藏量较低的地区开发利用生物质能具有巨大潜力^[5]; 在区域层面上也有大量学者开展了相关研究, 重点评估区域尺度内的生物质资源总量和空间分布^[10-14]。已有研究发现, 农村地区大量的农业生物质能资源未得到有效利用, 尤其秸秆资源就地焚烧、畜禽粪便随意排放造成了极大的环境污染和能源浪费^[15-19]。

农村能源现代化是我国实施乡村振兴战略的重要基础, 农村经济增长将带来乡村能源需求的快速增加, 中国农村人均能源消费量由1988年的60 kg标准煤, 增加到2015年的351 kg标准煤, 基本接近同期377 kg标准煤的城镇人均生活用能消费水平, 年增长率达17.96%^[20], 随着全面建设小康社会和乡村振兴战略的实施, 无论从能源消费总量还是从人均水平看, 农村生活能源消费仍具有较大增长空间, 这也导致占中国人口近半的广大农村地区将成为中国能源消费和碳排放的主要增长点^[21]。当前, 中国能源生态效率整体偏低^[22], 在我国广大农村地区的生活能源消费结构中, 商品能比重低, 柴草占比高达44.2%^[23], 薪柴、秸秆等传统生物质能仍然是农村家庭主要生活能源^[24], 与此同时, 农村地区薪柴的粗放利用对生态环境也造成愈发强烈的胁迫效应。到2020年, 中国非化石能源消费比重力争提高到15%以上, 煤炭消费比重降低到58%以下, 而农村地区以沼气为代表农业生物质能的清洁化利用率仅1.9%^[25], 在能源结构调整与乡村振兴战略和生态文明建设背景下, 如何统筹广大农村地区能源-环境-经济3E系统效率, 成为亟待加强的迫切问题。生物质能源中, 薪柴是森林生态系统提供的, 秸秆是农业生态系统提供的, 粪便是草场及农业生态系统输出量, 经过人或牲畜的转化而获得^[26], 因此, 减少农村能源对薪柴的过度依赖, 能加快农村能源对薪柴资源的替代进程, 可有效增强森林系统的生态服务功能。开展农业生物质能储藏量的科学评估, 提高农业生物质能高效清洁化利用水平, 是今后较长时期内解决农村能源消费与生态环境问题的重要途径。

西南喀斯特山区作为全球三大岩喀斯特集中分布地区之一, 是我国碳酸盐岩分布最广泛最集中的地区, 这一特殊地貌类型上演化发育的喀斯特生态系统, 表现出多样性和脆弱性并存的典型特征^[27], 喀斯特山区的林、灌、草覆被对于喀斯特地区生态系统保护具有重要意义, 但由于不合理的人类活动, 叠加原本脆弱的喀斯特环境, 导致该区域水土流失加剧, 土地呈现石漠化现象, 这已成为我国西南喀斯特地区最大的生态环境问题^[28], 长期以薪柴为主的能源消费结构加剧了喀斯特生态环境不断退化, 是促成我国西南石漠化的主要原因^[29]。当前, 我国农村家庭能源消费结构正处于由传统生物质能源向商品能源和新能源转变的过渡阶段^[30], 但在生态脆弱的西南喀斯特山区, 薪柴使用依然普遍, 替代进程缓慢, 家庭耗能总体呈现以薪柴为主导^[31-32], 尤其在石漠化地区的低收入家庭, 薪柴消费量占人均能耗比例高达80%以上, 贫困农户对传统生物质能源的依赖性极强^[33]。喀斯特山区广泛利用的传统生物质能主要包括农业和林木生物质资源, 对农业生物质能的高效利用, 可有效提高对林业生物质能(薪柴)的替代作用, 这对维持喀斯特山区森林生态服务功能和石漠化地区生态系统修复有重要作用。因此, 减少喀斯特山区农村能源对薪柴的超载利用, 增强喀斯特森林系统生态服务功能, 利用喀斯特山区大量未加有效利用的农业生物质能资源替代薪柴的农村能源利用策略, 可有效降低喀斯特山区农村生活用能对林、草资源的过度依赖, 可成为喀斯特山区生态系统修复和石漠化治理的一种有效途径。2008年以来, 我国南方石漠化地区实施大规模的石漠化治理工程, 实行了一系列的造林种草、治水保土等措施, 但在石漠化防治过程中农业生物质能利用对薪柴的替代作用, 以及农业生物质能结构特征与时序变化规律等研究仍显不足, 这成为加快喀斯特山区农村薪柴替代、农业生物质能清洁利用政策制定的主要瓶颈。

1 研究区选择与能源供需现状

贵州省地处云贵高原东部, 103°36′—109°35′E、24°37′—29°13′N之间, 位于长江和珠江分水岭区域, 全省国土总面积17.62万km², 属于亚热带季风气候, 雨水充沛, 境内喀斯特发育典型, 喀斯特面积占国土面积比例高达61.9%以上^[34], 同时也是我国西南石漠化面积分布最大, 最为典型的地区^[35-39]。贵州省也是我国南方煤炭资源最丰富的地区, 累计煤炭资源储量504.3亿t^[40], 占全国已探获煤炭资源量的1.9%^[9]; 2016年, 贵州省一次能源生产总量达14181万t标准煤, 人均占有量为3988 kg标准煤, 但近20年的统计数据表明, 电、气等清洁能源占一次能源生产比重不足13%, 在广大农村地区, 农村薪柴消费量超过合理森林采伐限额7.21个百分点^[41], 成为导致贵州省石漠化的重要因素。2008年以后, 国家对贵州支持力度不断加大, 贵州经济整体实力和城市化建设得到稳步提升, 城乡居民收入快速增长, 2008—2016年间, 贵州省GDP年均增长率为12.07%, 推动了贵州省生活能源消费的快速增长, 生活能源消费量年均增长速度为6.3%, 高于同期全国增长率2.6个百分点, 年均能源消费弹性系数为0.5, 比同期全国高0.07(图 1)。根据贵州省十三五规划, 到2020年, 预计贵州省GDP总量将达到2万亿, 按照目前的能源平均增长速度和能源消费弹性系数, 2020年, 贵州省能源需求将达到1.18万亿t标准煤。随着城市化进程的加快, 城乡居民人均生活用能源差距逐渐下降, 贵州将同时面临经济发展、能源转型与生态文明示范区建设的多重压力, 未来农村地区的能源需求将成为贵州省能源供给的最大危机。

贵州特定复杂的自然地理条件, 导致气候和生态条件复杂多样、立体环境特征明显、地域性较强, 全省粮食作物以水稻、玉米、小麦、薯类为主, 经济作物以烤烟、油菜籽为主, 畜禽养殖主要以猪、牛、羊、鸡为主, 丰富的农业生物质资源作为一种绿色无污染的可更新能源必将成为未来贵州省“绿色能源”战略的重要组成部分。但当前对于贵州省农业生物质能资源的研究主要集中在秸秆资源利用现状^[42-43]、生物质树种资源调查^[44]方面, 缺乏对贵州整体农业生物质能的潜力估算与利用评估, 论文选择以喀斯特石漠化集中分布的贵州省作为研究对象, 分析连续时间序列的区域生物质资源总量及其变化和结构特征, 旨在以贵州省为例, 为喀斯特地区制定农业生物质能开发利用规划, 喀斯特森林植被恢复与农村多能互补的能源利用模式提供参考。

2 研究方法和数据来源

按照传统的分类方法, 生物质能资源可分为五个大类^[45], 农村地区可利用生物质能资源包括农作物秸秆、农副产品加工剩余物、林木生物质能、畜禽粪便等, 对农业生物质能资源的合理开发利用, 有利于加大林木生物质利用替代, 增强森林生态系统服务功能。喀斯特地区由于生态环境脆弱, 生态区位敏感, 林业生产比重较低, 从喀斯特生态系统保护的角度出发, 论文未估算林木部分生物质能部分, 仅从基于生态保有量的农业可利用生物质能进行分析, 估算农作物秸秆、农业加工副产品和畜禽粪便三类农业生物质能储量水平, 研究本底数据来源于2010—2016年的《贵州省统计年鉴》。

2.1 生物质资源量估算与参数选取 2.1.1 秸秆资源

秸秆是指农作物籽收获后的植株, 是农作物收获后的重要副产品, 我国作物秸秆尚处于松散的利用状态, 大量过剩秸秆资源被就地焚烧, 造成严重的资源浪费和环境污染^[46]。目前全省纳入统计的农作物秸秆资源主要包括粮食作物、油料作物、棉花、麻类和糖料作物等五大类。秸秆资源除可用于还田造肥、造纸等工业原料和畜牧饲料外, 剩余部分都可以作为燃料使用。可依据农作物的产量计算得到, 计算公式如下:

(1)

式中, Q_S为秸秆资源总量, TS_i为第i类作物的产量, CS_i为第i类作物的谷草比系数。

秸秆资源量计算关键是确定其谷草比, 草谷比取值不当会导致秸秆产量估算结果失实, 毕于运选取经过订正的秸秆草谷比, 对中国秸秆资源进行了全面系统的估算^[47], 蔡亚庆等分析了不同秸秆类型谷草比的变异范围^[48], 为了更符合贵州省的实际情况, 论文在结合蔡亚庆等人的研究基础上, 参考了谭廷甫在毕节地区开展的大田试验中所确定的谷草比系数^[49]。

此外, 农作物在收集过程中, 需要对秸秆进行流茬, 达到农作物秸秆直接还田, 这对喀斯特地区维护土壤功能, 水土流失防治具有重要意义。根据田野调查, 贵州喀斯特地区对于玉米秸秆的流茬高度约在8—10 cm, 对于水稻流茬高度约在10—15 cm, 论文根据朱开伟等^[50]提出的土壤生态保留量概念, 在综述已有研究基础上, 根据不同秸秆作物的播种面积和最低土壤生态保留量, 计算了可资源化利用的秸秆资源量, 其中烟草秸秆的土壤生态保留系数参考了施河丽等人的研究成果^[51], 土壤生态保留量可表示为:

(2)

式中, β_i为第i类秸秆作物的土壤生态保留量, α_i为第i类秸秆的土壤生态保留系数(表 1), A_i为第i类秸秆播种面积。

在秸秆收集和运输过程中, 还会发生枝叶脱落。因此, 除了计算上述的理论收集量外, 通过现有收集方式实际可收集到的数量要小于理论可收集量, 论文的秸秆资源收集系数引用王亚静等人的研究成果^[52], 计算如下:

(3)

式中, Q_sa秸秆的可收集量, TS_i为第i类作物的产量, CS_i为第i类作物的谷草比系数, β_i为第i类秸秆作物的土壤生态保留量, r_i为第i类秸秆收集系数。

2.1.2 农业加工副产品

农业加工副产物是指作物粗加工过程中产生的剩余物, 如稻壳、玉米芯等, 根据《贵州省统计年鉴》发布的大田作物种类, 选取稻壳、玉米芯、花生壳、甘蔗渣四类农副加工产品作为估算对象。农业加工副产品量根据其经济产量和加工副产物系数乘积确定, 其中, 不同作物的加工副产物系数不同, 论文引用了郭利磊等人研究成果^[53](表 2)。计算公式如下:

(4)

式中, Q_p为所有农作物的农副产品量, TP_i为第i类农副产品经济产量, CP_i为第i类农副产品的加工副产物系数。

2.1.3 牲畜粪便

牲畜粪便是我国农村地区重要的有机肥资源, 但畜禽粪便排放一旦超过耕地氮、磷负荷, 将会对土壤和水体造成污染^[18], 牲畜粪便的生物质能利用是解决农村环境污染的有效途径。畜禽粪尿产出量是根据不同畜禽的排粪尿量和饲养量进行估算, 与动物种类、品种、性别、生长期等因素有关, 直接影响估算结果的准确性。畜禽产粪尿总量是根据畜禽存量、日排放系数和饲养周期三者相乘, 但该方法得出的是一个饲养周期的粪便量, 相比全年的粪便产生量, 结果偏小; 但若用畜禽存栏和出栏之和作为总量来计算排放量, 由于存栏量还未经历完整的饲养周期, 又会导致估算的结果偏大, 论文在估算饲养量时结合两个方法的优缺点, 采用如下的估算方法:

(5)

式中, Q_i表示畜禽粪便总量, N_i表示i类畜禽年饲养量, T_i表示第i类畜禽的饲养周期, M_ij表示第i类畜禽的日排放系数, 其中j=1, 2分别表示i类畜禽的尿排放系数和粪便排放系数。

论文中, 畜禽饲养量的计算根据畜禽的生长周期确定, 生长周期小于1年的按当年出栏数作为饲养量; 生长周期大于一年的, 按年末存栏数作为饲养量。根据《贵州省主要畜禽监测调查数据质量控制办法》, 贵州省生猪饲养周期差异较大, 散养可到240—300 d, 而规模户最少仅180 d, 综合取平均值240 d; 肉羊饲养周期210 d; 由于鸡的养殖周期差异较大, 一般散养土鸡饲养周期可达120 d, 而肉鸡普遍60 d左右, 按平均数计算畜禽饲养周期为90 d。畜禽排放系数受众多因素影响, 我国目前尚无统一标准, 已有学者收集比较了国内1994—2004年公开发表的文章中对不同畜禽排泄系数的取值分析, 但未能把畜禽的产粪系数和产尿系数分开^[18], 为了准确估算畜禽的产尿和产粪量, 论文引用了彭里和王定勇^[54]在重庆的研究结果作为参考系数进行估算(表 3)。

2.2 生物质折标能源量

各类生物质能资源的可收集实物量, 乘以相应的折标系数, 就可以得到不同种类生物质能折合标准能源量。不同生物质能的折标能源量不同, 可利用的秸秆资源折标能源量, 就是加总不同类型农作物资源收集量基础上乘以对应的秸秆折标系, 计算如下

(6)

式中, EQ_sa代表秸秆资源的折标能源量, Q_sa代表可收集秸秆资源量, η_i表示第i类秸秆资源折标系数。

农业加工副产品能源潜力量EQ_p, 畜禽粪便资源能源潜力量EQ_i, 计算方法与此相同。区域农业生物质能存量EQ_t可以表示为:

(7)

式中, 不同生物质能资源η_i取值, 折标系数根据《中国能源统计年鉴》^[20]发布数据作为参考(表 4)。

3 研究结果 3.1 主要农作物秸秆资源量

贵州省主要农作物秸秆资源有稻谷、小麦、玉米、大豆、薯类、油料、甘蔗和烤烟, 根据公式(1)—(3), 2009年以来, 根据农作物可收集量折算各类秸秆资源生物质能如表 5所示。

数据表明, 2009年以来, 贵州省可利用秸秆资源的生物质能储量可观, 年均可利用的秸秆资源量折合成标准煤可达709.04×10⁴ t标准煤。已有研究表明, 我国秸秆资源利用的主要方式有肥料还田、畜牧饲料、工业原料以及能源利用^[48], 其中, 贵州省可作为能源利用的秸秆资源量约为60%^[50]。由此可以推算, 贵州省可能源化利用的秸秆资源储量达到年均425.42×10⁴ t标准煤。其中, 玉米、稻谷和油料作物秸秆是贵州省农作物秸秆资源中占比最大的三种作物, 平均可利用生物质能储量分别占全省秸秆总量的34.02%, 24.49%和21.52%(表 6), 开展对玉米、稻谷和油料作物秸秆资源的有效收集是贵州省秸秆资源开发利用的重点。

3.2 农业加工副产品资源量

贵州省农业加工副产品主要有稻壳、花生壳和玉米芯和甘蔗渣, 根据公式(4), 2009年以来, 贵州省农业加工副产品折算生物质能资源量如表 7所示。

数据表明, 2009—2015年, 贵州省农业加工业副产品中年均资源量达到81.73×10⁴ t标准煤, 如果加上药材、蔬菜、瓜果藤蔓以及其他农作物副产品, 农业加工副产品的生物质能储量可观。目前贵州省农村地区主要将其用来直接燃烧, 因此, 农副产品可全部进行能源化利用。各类型副产品中, 贡献值最大是玉米芯, 其次是稻谷壳, 两者的累计年均贡献值达到77.23%, 是贵州省主要的农业加工副产品, 与表 6相比较, 说明可利用能源利用的农副产品资源量与种植业结构有着密切联系。

3.3 畜禽粪便资源量

贵州省纳入统计的禽畜类型主要牛、猪、羊、家禽, 其中家禽包括鸡鸭鹅, 由于在统计上无法将三类活禽分开, 故论文统一以鸡为单位计算其粪便产生的生物质能量。由公式(5)和(6), 计算得到2009年以来畜禽粪便资源量(表 8)。

数据表明, 2009—2015年, 贵州省年均畜禽粪便生物质能资源量高达4400.73×10⁴ t标准煤, 畜禽粪便除可进行有机肥发酵还田外, 有1/3的粪便可进行能源化利用^[8], 即贵州省可能源化利用的畜禽粪便达到年均1466.90×10⁴ t标准煤。大型牲口类型中, 猪是养殖量最大的类型, 2009—2015年的年均出栏和年末存栏量分别为1739×10⁴头和1589×10⁴头, 远大于牛的出栏和存栏数量, 但从畜禽粪便所产生的生物质能贡献值来说, 牛粪的贡献值最大, 年均提供生物质能量达到3009.78×10⁴ t标准煤, 年均贡献值高达到68.39%, 主要原因在于牛的存栏周期长, 粪和尿的排放系数均远高于其他畜禽类型, 说明牛粪是贵州省最重要的可能源化畜禽粪便资源。目前, 贵州省内牛的养殖方式主要是分户散养, 粪便资源难以有效收集, 若能通过规模化养殖集中收集, 开发利用潜力巨大。

3.4 可能源化贵州省生物质能存量时序特征

根据公式(6)和(7)可以计算得到贵州省农业生物质能资源总量(表 9)。

数据分析表明, 贵州省生物质能储量可观, 2009—2015年均生物质资源总量达到5191.50×10⁴ t标准煤, 地均和人均农业生物质能资源量分别达295 t标准煤/km²和1.48 t标准煤/人, 可能源化利用的农业生物质能达1974.05×10⁴ t标准煤, 贵州省同期能源消耗年均总量为9038×10⁴ t标准煤, 可能源化利用的生物质能占能源消费比例达21.84%, 利用潜力大; 但各类型农业生物质能储量的内部差异大, 比例分布不均, 秸秆资源、农副产品资源、禽畜粪便资源三者在总资源量中的比重大约为13:2:85, 其中, 畜禽粪便平均资源储量高达4400.73×10⁴ t标准煤, 是贵州省所有生物质能中最重要的一种类型。农业生物质资源储量时序变化呈现出一定特征(图 2), 呈现U形结构, 储量水平波动明显, 尤其在2011年, 无论是生物质能总量还是各类型的储量, 均急剧下滑至最低值, 农业生物质能总储量从2010年的5411.75×10⁴ t标准煤急剧下降至2011年的4801.80×10⁴ t标准煤, 下降了11个百分点; 2011年以后呈现上升的趋势, 但上升趋势缓慢, 年均仅3.4个百分点, 各类型生物质能资源储量于2014年左右抵达均值线附近, 这与当时2010年发生的西南大旱呈现时间耦合。由于喀斯特地区地质环境特点, 地表水分储量对降雨变化的响应高度敏感, 云南和贵州受灾最为严重, 各类型农作物产量减产, 其中, 牛的存栏量急剧减少了74.69万头, 这说明喀斯特地区的农业生物质能源储量水平对自然灾害的响应敏感度极高, 增强农业稳产能力是该区域农业生物质能有效利用的重要举措。

4 结论

论文以典型喀斯特石漠化山区省份为例, 研究在脆弱生态系统背景下农业剩余物的潜在可利用生物质能总量及其结构特征, 从省域层面较为全面地估算了包括秸秆、农业加工副产品、人畜粪便等农业生物质能资源总量, 得出以下研究结论:

(1) 贵州省可利用的农业生物质能资源储量可观, 开发潜力大, 年均可利用资源量达5191.50×10⁴ t标准煤, 其中可能源化利用的达到1974.05×10⁴ t标准煤, 占贵州能源消费的21.84%。随着农业技术的不断发展, 农业生物质能经济和技术可利用系数以及可收集系数逐渐增大, 可能源化利用的资源量还有上升空间, 这对改善农村能源消费结构, 巩固喀斯特山区生态保护成果具有重要意义。

(2) 贵州省农业生物质能储量构成比例分布不均, 秸秆资源、农副产品资源、禽畜粪便资源三者在总资源量中的比重大约为13:2:85, 畜禽粪便资源蕴藏量贡献最大, 平均资源储量高达4400.73×10⁴ t标准煤; 其中, 牛粪产生的生物质达到3009.78×10⁴ t标准煤, 年均贡献值达68.39%, 是贵州省最重要的畜禽粪便资源, 若能通过规模化养殖集中收集, 对贵州省生态建设和农村能源利用具有重要意义。

(3) 贵州省2009—2015年间可利用农业生物质能储量水平的时序变化呈现U形结构特征, 农业生物质资源储量波动明显, 2011年各类型生物质能储量均下滑至最低值, 这与2010年发生的西南大旱事件耦合, 由于大旱影响, 贵州省生物质能储量一年内的下滑幅度高达11个百分点, 2011年以后呈现缓慢上升趋势, 到2014年才恢复至均值线附近, 说明喀斯特地区的农业生物质能源储量水平对自然灾害的响应敏感度极高, 农业稳产对生物质能有效利用意义重大。

5 建议

喀斯特石漠化山区环境脆弱、经济贫困、生活能源短缺, 薪材过量消耗成为水土流失和土地石漠化的重要驱动因素, 利用农业生物质能替代薪材消费, 对于促进喀斯特森林植被恢复具有重要的现实意义。论文在优先考虑土壤生态保留的前提下, 估算了贵州省农业生物质能储量, 研究数据表明, 贵州省可利用的生物质能储量可观, 利用潜力大, 如何提高存量资源的有效利用水平是当务之急, 对此, 论文提出3个方面的建议。

(1) 农业生物质能利用要实事求是, 应根据现有的类型结构差异有的放矢, 当前畜禽粪便的生物质能资源量巨大, 对畜禽粪便的开发利用应作为贵州省生物质能产业开发的重点, 政府需加大资金投入和政策扶持, 推广应用现有较为成熟技术体系, 提高畜禽的规模化养殖水平, 加强养殖场畜禽粪便的沼气化建设。针对秸秆和农业副产品资源, 应积极探索生物质固体成型燃料技术, 合理布局秸秆电厂、秸秆固化等能源企业, 并做好秸秆资源的收集、转运与储存工作, 防止因收集工作不及时导致秸秆丢弃和焚烧。

(2) 喀斯特山区的地质环境特点决定了地表水分储量对降雨变化高度敏感, 该类型区的农业生产对自然灾害的响应度高, 这同时表现在种植和养殖的结构和产出方面, 政府在提高生物质能开发利用水平的同时, 更应加强农业生产的防灾减灾工作, 这是保证生物质能资源稳定供给与有效利用的重要举措。

(3) 针对喀斯特石漠化山区能源结构单一、薪材砍伐严重的能源利用现状, 推广以石山沼气池建设与沼渣沼液综合利用、节柴灶与节能秸秆气化炉高效利用相结合的能源利用结构, 结合当地石漠化程度、地形特征、能源资源开发利用潜力、社会经济基础、群众意愿等特征, 开展社区种养与再生能源清洁循环利用, 因地制宜推广以沼气利用为重点的薪材替代模式。