农作物秸秆蕴含丰富的有机质, 是地球上第一大可再生资源.中国是农业生产大国, 秸秆产量约占全球秸秆资源量的五分之一^[1].据国家统计局2021年粮食产量数据公告, 我国粮食生产取得了18 a连续丰收的巨大成就, 农作物秸秆的产量也随之日益增长.然而, 农作物秸秆长期被当作废弃物而弃置或焚烧, 造成了严重的环境污染问题^{[2, 3]}.我国农业农村温室气体的排放量占全国温室气体排放量的15%左右^[4].为此, 中国出台了一系列政策来应对这些问题.如文献[5]强调对农作物秸秆资源的科学利用.2020年9月, 习近平在第七十五届联合国大会上进一步指出, 中国将努力争取于2030年前使得二氧化碳排放量达到峰值, 2060年前实现碳中和^[6].因此, 为实现碳达峰、碳中和的“双碳”目标, 亟需农业领域采取相应的措施, 而农作物秸秆的综合利用成为农业领域减污降碳、发展现代农业和保障能源安全的具体措施之一.要合理地规划好农作物秸秆的综合利用, 非常有必要了解农作物秸秆的资源量现状、利用现状及碳减排潜力, 这正是本研究的出发点.

已有研究主要集中于两个方面.第一, 在秸秆资源量估算方面.普遍采用草谷比法, 而草谷比系数是该算法的关键.有研究采用全国统一系数计算同一品种的秸秆资源量^[7~13], 未考虑不同地区农作物产量存在差异, 很难算出精确的结果.第二, 在生物质资源减碳固碳估算方面相关研究较多, 如潘根兴等^[14]采用生命周期评价法估算出秸秆生物质炭的生产及生物炭还田施用可实现净碳汇(以二氧化碳当量计, CO_2e, 下同)为249~398 kg·t^-1; 陈威等^[15]针对露天焚烧的水稻秸秆资源采用生命周期评价法, 测算出热解水稻秸秆资源可固定1.34 t的CO₂; 霍丽丽等^[4]运用IPCC(2006年)指南^[16]温室气体排放理论框架, 基于秸秆资源五化利用测算出2020年农作物秸秆的五化利用温室气体(CO_2e)减排量为1.26×10⁸ t.但不同生物质原料所制备的生物炭出炭率和含碳率各有差异, 依据不同的标准和不一致的碳平衡系统估算的固碳结果也不尽相同.为了弄清我国农作物秸秆的生物炭制备的详细潜力, 本研究首先通过草谷比法估算出中国农作物秸秆资源的数量, 分析了秸秆资源量的时空变化特征, 然后通过文献分析法梳理出不同农作物秸秆合理的出炭率和固碳率计算标准, 运用生命周期评估法, 估算出我国农作物秸秆的可收集量及其制备生物炭的潜力, 以期为摸清我国近40年农作物秸秆的资源现状、生物炭制备潜力和碳减排潜力、促进农作物秸秆资源进一步合理利用和实现“双碳”目标, 提供有价值的数据和政策参考依据.

农作物产量数据来源于文献[17], 收集了1981~2020年全国及地方的农作物产量数据, 包括玉米、水稻、小麦、其他谷类、棉花、油菜、花生、豆类、薯类、芝麻、麻类、甘蔗和甜菜. 2010~2020年农作物机械化收割比率来源于文献[18].耕地面积和人口数量数据来源于文献[19].本研究中全国数据及涉及全国数据的统计图、统计表和地图中关于中国香港、澳门和台湾地区的数据暂缺.

对农作物秸秆资源、生物炭制备潜力和减碳量潜力的评估, 结合生命周期评价法(LCA), 主要选取6项评价指标: 理论资源量、可收集资源量、人均资源占有量、资源密度、生物炭制备潜力和碳减排潜力.

理论资源量.农产品的经济产量统计是以农作物籽粒的重量作为衡量标准的.理论资源量是根据作物产量和草谷比计算得到的.农作物秸秆年总产量[式(1)], 表示理论上该地区每年可能产生的秸秆资源量.

(1)

式中, Q₁为某地区内多种农作物秸秆的理论可获得量; i为各农作物秸秆的编号, i=1, 2, 3, …, n; p_i为某一区域第i种农作物的年产量; r_i为某一区域第i种农作物秸秆的草谷比.

可收集资源量.秸秆资源可收集利用量是指在农作物收获管理条件下, 可以从田间收集, 并可为人们利用的秸秆资源的最大数量[式(2)].该数值为某种农作物理论资源量和该农作物秸秆的可收集系数的积.

(2)

式中, Q₂为某地区内各种农作物秸秆可收集资源量的总和; α_i为某一区域第i种农作物秸秆的收集系数.

人均资源占有量为某地区人均资源占有的多寡[式(3)]:

(3)

式中, Q₃为某一地区人均资源占有量; m为某一地区人口总数.

资源密度.该数值由秸秆资源量和耕地面积确定[式(4)]:

(4)

式中, Q₄为某一地区的秸秆资源密度; h为某一地区的耕地面积.

生物炭产量(Q₄X)为农作物秸秆生物炭制备总量[式(5)]:

(5)

式中, S_i为第i种秸秆可收集量; η_i为第i种秸秆的出炭率.

土壤封存生物炭固定C量, Q₆为土壤封存固定C总量[式(6)]:

(6)

式中, c_i为第i种农作物生物炭产量; t_i为第i种生物炭的碳含量.

草谷比: 农作物单位面积地上秸秆产量与籽粒产量的比值, 即作物仍有利用价值的副产品与主要利用方式的主产品的产量比值(表 1).由于草谷比法直观明确, 是进行秸秆资源量估算常用的指标.草谷比系数值源于文献.由于自然气候和地理环境等因素的影响, 不同的农作物在不同区域的生长状况各不相同, 结合文献[20]现对各区域的农作物草谷比系数做如下设定.

表 1 (Table 1)

表 1 不同区域主要农作物草谷比系数1) Table 1 Straw/grain ratio of the main crops in different areas 农作物品种 全国 东北区(黑龙江、吉林和辽宁) 华北区(北京、天津、河北、河南和山东) 华南区(福建、广东、广西和海南) 蒙新区(内蒙古、宁夏、新疆和新疆生产建设兵团) 青藏区(青海和西藏) 水稻 1.00 1.10 1.07 1.02 — — 小麦 1.22 0.91 1.28 — 0.97 1.67 玉米 1.01 — 1.04 0.77 1.09 — 其他谷物 1.06 0.97 0.85 1.27 1.23 0.97 马铃薯 0.16 0.04 0.13 0.20 0.42 0.50 甘薯 0.26 — 0.22 0.44 — — 木薯 1.81 — — 1.81 — — 花生 1.26 0.73 1.27 1.61 — — 油菜籽 1.86 — 1.86 1.86 2.83 2.32 大豆 1.19 0.93 1.46 1.45 — — 棉花 2.95 — 4.73 — 2.75 — 甘蔗 0.06 — — 0.06 — — 甜菜 0.43 — — — — — 芝麻 2.01 — — — — — 麻类 1.90 — — — — — 1)“—”表示文章中没有相关数据, 如该区域无对应的草谷比, 可参考全国草谷比系数; 各地区的其他谷物草谷比系数取自文献[21], 全国其他谷物草谷比系数取全国各地区平均值; 薯类草谷比取值为马铃薯、甘薯和木薯的平均值, 各地区薯类取相应的薯类草谷比值, 如没有则参考全国薯类草谷比取值; 芝麻、麻类和甜菜取值源于文献[7]

表 1 不同区域主要农作物草谷比系数1) Table 1 Straw/grain ratio of the main crops in different areas

秸秆可收集系数为某一区域某种农作物秸秆可收集量与理论资源量的比值, 其影响因素包括农作物平均植株高度、机械收获农作物的平均割茬高度、人工收割农作物的割茬高度、机械收获面积占总收获面积的比率和收获及运输过程中的损失率等.本研究采用表 2中的系数^[20]进行计算.

表 2 (Table 2)

表 2 全国主要农作物秸秆收集系数1) Table 2 Main crop straw collection coefficients in China 作物 水稻 小麦 玉米 其他谷物 马铃薯 甘薯 木薯 花生 油菜籽 大豆 棉花 甘蔗 甜菜 芝麻 麻类 机械收获系数 0.71 0.81 0.95 0.86 0.89 1.00 人工收获系数 0.88 0.91 0.97 0.82 0.91 0.93 收集率 0.97 0.96 0.98 0.85 0.98 0.98 0.98 0.98 0.95 0.95 0.96 0.70 0.71 1.00 0.89 1)水稻的机械收获系数和人工收获系数都取自早稻、中稻和双季晚稻的平均数来计算

表 2 全国主要农作物秸秆收集系数1) Table 2 Main crop straw collection coefficients in China

根据文献[20]可计算出近40年来各类农作物的秸秆产量(图 1).由图 1可知, 近40年来, 我国农作物秸秆理论资源量和可收集秸秆资源量的时间分布趋势非常接近, 总体上都呈现稳步增长的趋势, 1981~2020年, 二者分别从1981年的3.33×10⁸ t和3.04×10⁸ t增长至1998年的5.86×10⁸ t和5.36×10⁸ t, 随后分别下降至2003年的5.05×10⁸ t和4.64×10⁸ t, 继而稳步增长, 至2020年分别达到最高值7.70×10⁸ t和6.63×10⁸ t, 分别净增长了4.37×10⁸ t和3.59×10⁸ t.由于1998年我国开始全面实施农业结构战略性调整^[8], 1999~2004年秸秆资源总量出现了轻微幅度的减产.总体来看1981~2020年我国农作物秸秆理论资源量呈增长趋势, 这与其他学者的研究结果类似^{[7, 9]}, 尤其是近15年的增长速度明显高于前20年.

图 1

Fig. 1

图 1 1981~2020年中国农作物秸秆理论资源量与可收集资源量 Fig. 1 Theoretical resources and collectable resources of crop straw in China from 1981 to 2020

由图 2(a)可知, 1981~2020年间, 水稻、小麦和玉米秸秆资源量净增长了3.69×10⁸ t, 增长幅度约为132%, 其占农作物秸秆总量的占比基本维持在77%~85%之间, 即始终占据中国秸秆资源的主体地位.1981~2020年, 这3类秸秆资源量都呈现出不断增长的趋势, 2003年前主要呈波浪式增长, 2003年以后则呈线性增长.水稻、小麦和玉米作为主要的粮食作物, 其秸秆资源量占秸秆总量的占比较高的主要原因：其一, 我国人口众多、粮食需求量较大.国务院在居民营养改善方面指出粮食仍是人们日常摄入的主要能量来源, 全国人均每日能量摄入约(9.21~9.63)×10⁶ J, 其中谷类食物供能比不低于50%, 为此, 文献[22]强调中国要依靠自身力量实现谷物基本自给, 确保粮食绝对安全.其二, 为提升我国农产品在世界贸易市场的竞争力, 需要在满足本国消费需求的同时不断提高主要流通粮食产量.此外, 还有经济增速调整、城镇化进程加快和主要农产品消费需求与结构升级等因素的影响^[23].

图 2

Fig. 2

图 2 1981~2020年各种农作物秸秆的理论资源量及其占秸秆资源总量的占比 Fig. 2 Theoretical amount of straw resources of various crops and proportion of straw resources of different varieties of crops in the total amount from 1981 to 2020

1981~2020年, 小麦秸秆占秸秆总量的占比基本维持在20%左右.水稻秸秆资源占比从44%降至28.4%.玉米秸秆量的占比从19.9%增至34.2%, 2001年后增幅及增速均高于其他农作物秸秆, 2007年后保持在1.5亿t以上, 其中最高点为2020年的2.6亿t.这与其他研究结果相吻合^{[8, 9]}.

豆类秸秆占比从2002年的5.17%降至2015年的2.73%, 随后从2015年的2.73%涨到2020年的3.45%. 2019年农业农村部发文旨在引导大豆种植面积不断扩大^[24], 同时依靠科技创新提高单产.所以, 未来豆类秸秆占比可能还会增长.

1981~2020年, 棉花秸秆产量占比持续下降, 从4.5%降至2.3%.豆类、薯类、花生、油菜和甜菜秸秆产量的占比在近40年间变动都比较小, 但也呈现出先增后减的发展态势.

总之, 为更好地满足国内快速上涨的饲料用粮需求, 维持较高的谷物自给水平, 高产的玉米、稻谷播种占比不断提高, 相对低产的大豆、小麦和薯类等其它粮食作物种植比例持续下降^[25], 这种粮食种植结构的调整也会影响未来农作物秸秆的产量与结构.此外, 有研究发现农村劳动力价格上涨对小麦种植比例有显著的负向影响^[26], 对玉米种植比例则有正向影响.

(1) 2020年农作物秸秆的来源结构    2020年, 中国农作物秸秆理论资源总量7.72×10⁸ t, 其中：水稻2.19×10⁸ t(占比28.4%)、小麦1.66×10⁸ t(21.45%)、玉米2.64×10⁸ t(31.45%)、其他谷物1.08×10⁸ t(1.4%)、豆类2.66×10⁷ t(3.4%)、薯类6.3×10⁶ t(0.82%)、棉花1.76×10⁷ t(2.28%)、花生2.3×10⁷ t(2.97%)、油菜2.63×10⁷ t(3.4%)、芝麻9.19×10⁵ t(0.12%)、麻类4.79×10⁵ t(0.06%)、甜菜5.15×10⁶ t(0.67%)和甘蔗5.15×10⁶ t(0.84%), 其中水稻、小麦和玉米三者秸秆量为6.49×10⁸ t, 约占总秸秆资源量的84%.

(2) 各省(市/区)农作物秸秆资源量的空间分布    2020年我国农作物秸秆产量的空间分布如表 3和图 3所示.从各省份秸秆资源量来看, 秸秆资源量≥6 000万t的包括黑龙江、河南和山东, 其中河南高达8 856.4万t; 在4 000~6 000万t之间的包括河北、内蒙古、江苏和安徽; 2 000~4 000万t之间的有辽宁、吉林、江西、湖北、湖南、四川、云南和新疆; 其余地区秸秆资源量均在2 000万t以下.结合文献[19]粮食产量数据, 各地区秸秆资源量与其粮食产量成正比.从各类秸秆的地域分布来看, 水稻秸秆主要分布在长江中下游区和东北区, 其中黑龙江水稻秸秆量最大, 为3 185.82万t; 小麦秸秆主要分布在华北区, 以河南资源最为丰富, 为4 803.97万t; 玉米秸秆主要分布在东北区和华北区, 其中黑龙江和内蒙古玉米秸秆资源较为丰富, 分别是3 318.41万t和2 989.54万t.秸秆资源量的空间分布主要受各地自然环境包括降雨、气候以及地形等因素的综合影响.

表 3 (Table 3)

表 3 2020年中国农作物秸秆产量的等级空间分布 Table 3 Grade spatial distribution of crop straw yield of China in 2020 地区 农作物秸秆产量/万t 省(市)区 高产地区 ≥6 000 黑龙江、河南和山东 中高产地区 [4 000, 6 000) 河北、内蒙古、江苏和安徽 中低产地区 [2 000, 4 000) 辽宁、吉林、江西、湖北、湖南、四川、云南和新疆 低产地区 ＜2 000 北京、天津、山西、陕西、甘肃、上海、重庆、贵州、福建、广东、广西、海南、宁夏、西藏和青海

表 3 2020年中国农作物秸秆产量的等级空间分布 Table 3 Grade spatial distribution of crop straw yield of China in 2020

图 3

Fig. 3

图 3 2020年中国各地区主要农作物秸秆资源量 Fig. 3 Theoretical resources of main crop stalks in various regions in 2020 in China

(3) 各省(市/区)农作物秸秆资源密度及人均资源占有量    依据文献[20]将全国划分为8个农区, 由图 4可见各区的秸秆资源密度情况.2020年, 全国平均秸秆资源密度为4.61t·hm^-2, 各农区秸秆资源密度平均值从高到低依次为：东北区5.39t·hm^-2、华北区5.42t·hm^-2、蒙新区4.45t·hm^-2、长江中下游区4.44t·hm^-2、青藏区3.92t·hm^-2、黄土高原区3.40t·hm^-2、华南区3.08t·hm^-2和西南区2.91t·hm^-2.全国人均秸秆资源占有量为0.55 t.各地区人均秸秆资源占有量从高到低依次为：东北区1.46 t、蒙新区1.20 t、华北区0.47 t、长江中下游区0.44 t、黄土高原区0.40 t、西南区0.37 t、青藏区0.33 t和华南区0.20 t.我国南方长江中下游区、西南区和华南区等地区人口较多且资源量相对有限, 因此人均秸秆资源占有量较少.而青藏区人均秸秆资源占有量也偏低, 则主要是受自然条件影响, 该地区位于我国高寒自然区, 地形和气候限制了农作物的生长, 因此农作物秸秆资源量有限.相反, 东北区秸秆资源量相对丰富且人口数量相对较少, 所以人均秸秆资源占有量较高.总之, 我国秸秆资源密度及人均资源占有量具有“两高两低”的分布特点, 即人均资源量“北高南低”、单位播种面积资源量“东高西低”^[27].

图 4

Fig. 4

图 4 2020年各省(市/自治区)秸秆资源的人均资源占有量与资源密度 Fig. 4 Per capita resource occupation and resource density of straw resources in various agricultural regions and provinces in China

我国农作物秸秆资源具有量大、种类多和碳含量高等特点.生物炭作为一种重要的可再生资源, 主要以农业废弃物如秸秆、动物粪便等为原料, 在厌氧或缺氧的条件下, 经一定的温度(< 700℃)热解产生的含碳量高、具有较大表面积、稳定的固态物质, 除了C, 还含有H、O、N、S和少量的微量元素^[28].生物炭在土壤中可保持长达百年至数千年, 可实现碳的固定及二氧化碳减排, 每年减排温室气体数量达目前人类温室气体排放总量的12%, 还能促进堆肥腐熟及氮磷保留, 吸附土壤和水体中的抗生素, 改善土壤肥力增加作物产量^[29~32].

生物质固碳潜力估算通常采用生命周期评价法(life cycle assessment, LCA), 主要是从原料收集和生物质炭生产直至田间施用全过程, 原料与生物质炭运输等中间环节来估算温室气体排放平衡^[33].为此, 本研究的核算边界如下：农作物秸秆制备过程中释放的能量物质代替化石燃料燃烧将减少的温室气体排放量; 制备的生物炭能长期稳定地存在于土壤中, 土壤封存的温室气体量; 农作物秸秆制备的生物炭埋在土壤中增加作物生长实现的固碳量; 施用生物炭减少化肥使用, 避免了该部分化肥生产所释放的温室气体量; 生物炭抑制了土壤中的N₂O排放; 在原料和成品生物炭运输的过程中温室气体排放和能源消耗量.

(1) 2020年农作物秸秆可收集量全量制备生物炭    根据具体计算需要, 对一些必要的指标进行设定, 具体见表 4.

表 4 (Table 4)

表 4 2020年全部可回收秸秆资源制备生物炭缓解温室效应的相关假设值及潜力计算 Table 4 Calculation of relevant assumptions and potential of preparing biochar from all recyclable straw resources to alleviate greenhouse effect in 2020 项目 取值1) 过程编号2) 计算过程 文献 生产过程中产生热能可代替化石燃料燃烧 秸秆原料总量/t 6.63×108 A1 本研究 生物气产率/% 35 A2 [15, 32] 生物气热值/MJ·kg-1 6 A3 [34] 电力转化系数/% 35 A4 [34] 煤炭发电CO2排放量/kg·(kW·h)-1 1.07 A5 [35] 制备过程电力输出/kW·h 1.35×1011 A6 A1×A2×A3×A4/3.6×1 000 —3) 可替代燃煤燃烧减少CO2排放量/t 1.45×108 A7 A6×A5/1 000 — 生物炭制备、产率与固碳率计算 生物炭出炭率/% 32.14(a); 37.71(b); 30.34(c); 25.43(d); 29.91(e) A8 [36] 生物炭含碳量/% 57.19(a); 62.89(b); 59.76(c); 72.84(d) A9 [36] 生物炭含碳率/% 18.38(a); 19.94(b); 18.13(c); 18.53(d) A10 [36] 生物炭稳定部分比率/% 80 A11 [33] C-CO2换算系数 3.67 A12 — 生物炭总产量/t 2.04×108 A13 见式(5) 本研究 生物炭土壤封存固定C量/t 1.26×108 A14 见式(6) 本研究 生物炭土壤封存固定CO2量/t 4.63×108 A15 A14×A12 — 生物炭促进作物生长固碳量 生物炭添加增产率/% 12.5(a); 13.40(b); 17.40(c) A16 [37] 农作物含碳量/% 41.97(a); 45.61(b); 45.67(c) A17 [38] 无生物炭添加单位面积作物产量/t·hm-2 7.04(a); 5.42(b); 6.10(c) A18 [19] 生物炭添加增产量/t·hm-2 0.88(a); 0.73(b); 1.06(c) A19 A16×A18 — 生物炭还田比例/t·hm-2 38.13 A20 [37] 生物炭可还田面积/hm2 1.79×106(a); 1.79×106(b); 1.79×106(c) A21 A13/A20/3 — 作物固C量/t 2.12×106 A22 A17(a)×A19(a)×A21(a)+A17(b)×A19(b)×A21(b)+A17(c)×A19(c)×A21(c) — 作物增产固定CO2量/t 7.77×106 A23 A22×A12 — 生物炭对N2O的释放抑制 N2O排放量/kg·hm-2 3.34(a); 1.75(b); 2.53(c) A24 [39] N2O排放抑制率/% 94.59 A25 [40] N2O与CO2换算系数 298 A26 [33] N2O减排量/t 1.29×104 A27 A21×A24×A25/1 000 — 换算成(CO2e)/t 3.84×106 A28 A26×A27 — 施用生物炭减少的化肥(CO2e计) 化肥施用量(N; P; K)/kg·hm-2 273.1(N); 238.5(P); 223.6(K) A29 [41] 农业化肥减少量(N; P; K)/% 10(N); 20(P); 20(K) A30 [42] 化肥生产CO2e排放量/kg 3(产1 kg N); 0.7(产1 kg P); 1(产1 kg K) A31 [33] 化肥施用减少CO2e避免排放量/t 8.58×105 A32 A29(N)×A30(N)×A31(N)+A29(P)×A30(P)×A31(P)+A29(K)×A30(K)×A31(K)/1000 — 运输的过程中温室气体排放 秸秆收储运温室气体排放因子(CO2e) kg·t-1 27.53 A33 [4] 每t生物炭散播CO2e排放量/kg 45.32 A34 [43] 秸秆原料和生物炭运输CO2e排放量/t 2.39×107 A35 (A1+A13)×A33 — 生物炭散播过程CO2e排放/t 9.26×106 A36 A13×A34 — 总排放量(CO2e)/t 3.32×107 A37 A35+A36 — 温室效应缓解净潜(CO2e)/t 5.87×108 A38 A7+A15+A23+A28+A32-A37 — 1)a、b、c、d和e分别表示水稻、小麦、玉米、其他谷物和豆类; 2)过程编号根据各项目取值计算过程编制; 3)“—”表示相关数据需通过计算得到

表 4 2020年全部可回收秸秆资源制备生物炭缓解温室效应的相关假设值及潜力计算 Table 4 Calculation of relevant assumptions and potential of preparing biochar from all recyclable straw resources to alleviate greenhouse effect in 2020

(2) 2020年农作物秸秆可收集资源量的生物炭制备及温室气体减排量    可更新能源代替化石燃料燃烧固碳潜力方面.生物炭在制备过程中会有3种产物, 分别是生物炭、生物油和生物气, 热解方式(慢速裂解、快速裂解和气化裂解)不同其主要产物也不一样, 其中在慢速热解条件下生物炭、生物油与生物气产率分别为35%、30%和35%^[44].虽然热解的过程中生物油和生物气都具有一定的热值但鉴于当前的技术条件, 生物油不能直接用来进行电力生产, 但是生物油产生的量可作为热解过程中的能量所需^[36]. 2020年中国农作物秸秆可收集量为6.63×10⁸ t, 在制备生物炭的过程中产生的生物气用来生产电力(如表 4), 可生产电力约1.35×10¹¹ kW·h, 换算成CO_2e约为1.45×10⁸ t.

生物炭制备及固碳量方面.经查阅文献发现不同的农作物秸秆含碳量略有差异, 因此制备生物炭出炭率和生物炭含碳量也各不相同.本研究主要取水稻、小麦、玉米和大豆的出炭率, 并用它们的出炭率的平均值作为其他作物品种的计算标准, 估算出2020年农作物秸秆的生物炭生产潜力为2.04×10⁸ t.有研究指出生物炭封存的效果主要受生物炭中的不稳定成分影响^[45], Roberts等^[33]将生物炭中的不稳定物质比例确定为20%, 值得借鉴.生物炭中C含量为57.19%~72.84%不等^[36], 本研究取其中位数, 估算出被封存的C总量为1.26×10⁸ t, 换算成CO_2e为4.63×10⁸ t.

生物炭施用促进农作物增产可固碳量方面.生物炭施用到土壤中能够降低酸度、提升pH值、提高土壤持水能力、促进作物生长和提高作物产量^[30].考虑到生物炭对不同品种作物的增产效果存在差异, 制备的生物炭可施用的土地面积有限.本研究仅选取水稻、小麦和玉米作为施用对象, 将生物炭还田比例取三者平均值38.13t·hm^-2, 可还田面积各为1.79×10⁶ hm².据此估算出可实现增产量为4.77×10⁶ t, 可实现农作物固C量为2.12×10⁶ t转化成CO_2e为7.77×10⁶ t.

施用生物炭减少的生产化肥CO_2e方面, 生物炭中含有微量元素可以增加土壤微生物的多样性, 提高土壤肥力水平和肥料利用效率^[46].按照一定的比例施用生物炭可以减少常规化肥的施用量同时提高氮肥回收量^{[42, 47]}.一般而言, 蔬菜和果木的化肥施用量远大于粮食类农作物, 本研究取谷物类农作物N、P和S的施用量^[41]分别为273.1、238.5和223.6kg·hm^-2; 较常规施肥可以减少10%的氮肥和20%的磷钾肥^[42], 估算结果为避免化肥施用减少CO_2e排放量8.58×10⁵ t.

生物炭对N₂O的释放抑制方面.N₂O是温室气体主要组成成分, 仅次于CO₂和CH₄, 其全球增温潜势(GWP)是CO₂的298倍^{[48, 49]}.关于N₂O的排放途径有很多, 但是农田土壤是N₂O最主要的排放源之一^[50].从农业生态系统中N要素在各个环节的循环看, 农田直接排放量占比达到总排放量的66.2%^[51].生物炭还田能够显著缓解农田土壤N₂O排放^[48], 本研究选取谷物农田N₂O的不同排放标准^[52], 结合5%比例的生物炭施田N₂O抑制比率, 计算出可抑制N₂O排放量为1.29×10⁷ t, 即可减少CO_2e排放3.84×10⁹ t.

原料及生物炭运输和播撒过程的温室气体排放方面.霍丽丽等^[4]利用全过程能源消耗测算, 将秸秆收储运过程中的温室气体排放因子(CO_2e)确定为27.53 g·kg^-1, 据此估算出秸秆原料及生物炭运输过程中的温室气体排放量为2.39×10⁷ t.生物炭在播撒过程中也会产生温室气体排放, 依据West等^[43]的估算, 生物炭与其他肥料一起播撒过程中产生的温室气体约9.26×10⁶ t.原料和生物炭运输及生物炭散播过程中产生的温室气体总排放量为3.32×10⁷ t.

(3) 2020年焚烧、堆放等未被利用秸秆生物炭制备及温室气体减排潜力估算  据文献[53], 2020年全国秸秆综合利用率达到86.72%, 这也就意味着还有13.28%的秸秆资源未得到有效的利用.这些秸秆资源被露天焚烧、堆放自然腐解等都是资源的浪费, 更主要的是还会产生温室气体排放.秸秆露天焚烧主要会产生CH₄、N₂O等温室气体, 秸秆自然堆放在微生物的作用下也会释放出N₂O等温室气体^[4].现依据表 4的计算方法和核算范围对2020年未被有效利用的秸秆资源的生物炭制备潜力和温室气体减排潜力进行估算.

2020年未被有效利用的秸秆资源占可回收秸秆资源量12.3%, 即8.81×10⁷ t.结合上文的核算方式取值出现变动如下：生物炭出炭率31.1%、生物炭含碳量63.17%、生物炭添加增产率14.4%、农作物含碳量44.4%和N₂O排放量2.54kg·hm^-2(表 4中对应项目的平均值).未利用秸秆资源可更新能源生产方面电力生产量为1.8×10¹⁰ kW·h, 可避免CO_2e排放1.92×10⁷ t; 土壤中封存的C的总量为1.38×10⁷t·a^-1, 转化为CO_2e为5.08×10⁷t·a^-1; 将生物炭施用到土壤中, 施用面积为7.19×10⁵ hm², 可增加作物产量6.52×10⁵ t, 可固定大气CO_2e为1.06×10⁶ t; 生物炭能减少农业化肥的使用量, 每年可避免CO_2e排放量为1.15×10⁵ t; 生物炭对N₂O排放抑制所减少的温室气体CO_2e为5.14×10⁵ t; 生物炭生产及应用过程中温室气体排放量(以CO_2e计)为4.42×10⁶ t, 包括农作物秸秆和生物炭运输过程中CO_2e排放量3.18×10⁶ t和生物炭播撒过程中的CO_2e排放量1.24×10⁶ t; 总的来看2020年未被有效利用的秸秆资源制备生物炭的温室效应缓解净潜力为6.73×10⁷ t.

目前我国农作物秸秆的利用方式大致可分为5个方面：农作物秸秆用作肥料还田(肥料化)、畜牧饲料(饲料化)、生活能源(燃料化)、工业原料(原料化)和秸秆基料(基料化).随着农村产业结构的调整、农村生活条件的改善, 秸秆区域性、季节性、结构性过剩现象激增, 随意丢弃和露天直接焚烧的现象严重, 不仅造成资源浪费、地力损伤和环境污染, 甚至导致火灾及交通事故频发^{[53, 54]}.对近年的相关研究进行分析后发现(表 5), 我国农作物秸秆利用方式呈多元化发展: 2009年秸秆利用方式中占比较高的为饲料化占比30.69%和未利用资源量占比31.31%, 两者均超过30%.2015年以肥料化利用为主, 超过40%^[57]; 2020年依然以肥料化为主, 约占62.1%.综合来看肥料化、基料化和原料化占比均有所增加, 其中肥料化利用占比增长最为明显; 饲料化、燃料化和未利用占比均出现了下降^[58].可见近些年秸秆综合利用方面变化较大, 尤其是肥料化利用率提升较快.我国秸秆利用方式变化的主要影响因素：第一, 随着我国城镇化的不断推进, 农村居民使用秸秆炊事取暖比例将逐渐降低, 使得秸秆燃料化利用占比大幅降低.第二, 干草及秸秆是食草牲畜的主要口粮, 2016年农业部印发了文献[59], 这极大地促进了我国秸秆饲料化的发展.第三, 我国幅员辽阔, 各地气候和地形条件各不相同, 因此在秸秆还田方面, 农业部组织遴选了秸秆农用十大模式, 为各地的秸秆还田提供了一定的技术指导.在秸秆的综合利用方面各地坚持“农用为主, 多元利用”的原则和肥料化、饲料化和燃料化这三大方向, 秸秆处理技术和利用模式日益完善.

表 5 (Table 5)

表 5 我国农作物秸秆“五化”利用综合状况 Table 5 Comprehensive situation of "five F(fertilizer, forage, fiber, feedstock, and fuel)" utilization of crop straw in China 年份 肥料化利用 饲料化利用 基料化利用 燃料化利用 原料化利用 未利用 文献 数量×108/t 占比/% 数量×108/t 占比/% 数量×108/t 占比/% 数量×108/t 占比/% 数量×108/t 占比/% 数量×108/t 占比/% 2009 0.85 14.78 1.77 30.69 0.12 2.14 1.08 18.72 0.14 2.37 1.81 31.31 [55] 2015 2.66 43.2 1.16 18.8 0.25 4 0.7 11.4 0.17 2.7 1.22 19.9 [56] 2020 4.11 62.1 1.02 15.4 0.05 0.7 0.56 8.5 0.07 1 0.82 12.3 [4]

表 5 我国农作物秸秆“五化”利用综合状况 Table 5 Comprehensive situation of "five F(fertilizer, forage, fiber, feedstock, and fuel)" utilization of crop straw in China

此外, 不同作物秸秆的利用结构存在差异.文献[60]发现: 玉米、花生、大豆和薯类秸秆均以饲料化和肥料化为主要利用方式; 小麦秸秆74.5%作为肥料化利用; 水稻秸秆饲料化和原料化利用分别占52.9%和26.2%; 棉花秸秆能源化和肥料化利用分别占53.3%和27.1%; 其他作物秸秆饲料化、肥料化和能源化分别占41.8%、28.2%和22.8%.文献[61]表明: 综合利用率超过85%的有棉花和小麦秸秆, 在80%~85%之间的依次有薯类、花生、水稻和玉米秸秆, 在70%~80%之间的依次有甘蔗、其它作物和油菜秸秆, 利用率低于70%的主要是豆类秸秆.总体来看, 目前农作物秸秆利用主要是以肥料化及饲料化为主; 从品种上来看利用率较高的农作物秸秆是小麦和棉花秸秆, 利用率较低的是豆类秸秆.

采用不同的统计数据来源、选取不同的秸秆系数以及对作物秸秆的界定不一致会导致最终算出的农作物秸秆估值结果不同^[7].本研究估算的农作物秸秆理论资源量与其他研究有一定的差异：1995年值为54 104.37万t(本研究), 文献[8]中计算结果为73 103.77万t; 2005年值为57 023.10万t(本研究), 文献[10, 11]的结果分别为75 087万t和74 505万t; 2015年估算值71 947.39万t(本研究), 文献[7]为72 798万t; 2016年值是71 289.12万t(本研究), 文献[53]的结果是9.84亿t; 2020年值为77 233.41万t(本研究), 文献[4]的值为8.56亿t.

不同研究间估算结果差异的原因是：第一, 估算的农产品品种数量不统一.本研究估算的农作物秸秆品种数为13种, 而已有研究为：16种^[7]、5种^[9]、6种^[55]和13种^[57], 文献[13]则将农作物分为禾谷类大田作物和非禾谷类大田作物.第二, 采用的农作物秸秆系数不同.本研究采用的是农业农村部公布的农作物秸秆系数, 该系数总结了已有研究成果, 针对不同区域不同作物作出系统划分, 得出的估算结果更精准.第三, 农作物秸秆可收集量的计算方法不同.对农作物秸秆进行收集时, 需要确定一个合适的秸秆收割留茬高度.文献[9]估算出秸秆可收集量为70%, 但若所有农作物秸秆均按照70%计算, 就存在“一刀切”的问题.本研究根据文献[18], 水稻、小麦和玉米计算秸秆可收集量时采用人工收获部分和机械收获部分之和, 其他品种秸秆可收集量计算均采用不同收集率和该品种秸秆理论资源量之积计算, 使计算结果更加精确.

已有研究中专门估算农业秸秆生物炭制备潜力的较少, 文献[62]分析了我国五大类农业秸秆的生物炭减排量; 文献[63]仅估算了2013年我国油菜秸秆的生物炭、生物油的总生产潜力.本研究较为全面地分析了我国农作物秸秆的生物炭制备潜力, 并分为全部可收集秸秆和未被有效利用秸秆两部分分别进行估算, 估算结果较为精确.

已有研究对生物炭在农业生产领域应用前景给予肯定, 比如小剂量生物炭施入土壤会促进作物增产, 富含重金属和不含污染物的生物炭均有固定重金属的作用^{[62, 63]}.但存在有待进一步解决的问题：对生物炭长期或过量施用对土壤产生的影响仍待明确, 比如如何消除生物炭施入土壤超过阈值对土壤微生态、作物产量和作物质量产生的负面影响^[56]; 如何减少生物炭工厂附近土壤样品中多种多环芳烃含量超过欧洲标准的问题^[64]; 目前我国生物炭制备缺乏标准化的科学指导文件, 生物炭在土壤中稳定性、其他温室气体排放等因素都会最终影响到生物炭的固碳效率, 不同用途的生物炭制备方式和品质也没有标准化规定, 因此在推广过程中要谨慎.

(1) 我国农作物秸秆资源量自1981年以来近40年总体呈逐步增长趋势, 玉米、水稻和小麦一直是农作物秸秆资源的主要构成部分, 占秸秆资源总量的八成.

(2) 2020年我国农作物秸秆资源量约7.72×10⁸ t, 主要分布在东北地区、华北地区及长江流域, 人均秸秆资源占有量最丰富的是东北区.

(3) 我国秸秆利用方式呈多元化发展, “五化”利用中以肥料化、饲料化利用为主, 分别占比62.1%和15.4%, 受政策引导及农业生产效益方面的考量, 肥料化发展速度最快.

(4) 2020年我国农作物秸秆减轻温室效应总潜力为6.2×10⁸ t, 其中生物炭在土壤中封存和生产过程中的燃煤代替可避免温室气体排放量分别占比74.6%和23.4%; 在生物炭制备和施用的过程中温室气体总排放量为3.32×10⁷ t, 温室效应净减排达5.86×10⁸ t, 即每t原料可封存0.88 t CO_2e.未被利用的秸秆的温室气体净减排6.73×10⁷ t.农田土壤生物炭的固碳潜力主要取决于可用于生产生物炭的生物质数量的多少, 伴随着我国粮食作物连年丰收, 生物炭制备潜力和固碳潜力也将逐年攀升.

(5) 为助力实现我国“双碳”目标, 本研究为准确合理地评估我国农作物秸秆的生物炭固碳量提供了数据支持, 认为利用农作物秸秆制备成生物炭具有较大的潜力, 也将是农业领域实现碳减排的有效途径之一.建议政府部门关注农业秸秆制备生物炭事业, 在政策与资金上支持生物炭施入土壤后应用效果的田间试验, 然后出台生物炭相关标准, 确保因地制宜地科学施用农作物秸秆制备的生物炭, 达到碳减排和土壤修复与增产的双重效益.

致谢: 感谢西北农林科技大学经济管理学院李家祥、资源环境学院簿文浩、人文社会发展学院陈子晗和乔梦圆等同学的对本研究的支持, 在此一并致谢！