西部地區農業廢棄物可利用潛力及環境效益研究

張紅麗 ，李潔艷

（1. 石河子大學 經濟與管理學院，新疆 石河子 832000；2. 石河子大學 農業現代化研究中心，新疆 石河子 832000）

資源化利用是落實生態文明建設的重要手段，提高資源利用效率是緩解環境污染和資源短缺的有效途徑[1]。中國作為世界上產生農業廢棄物量最多的國家，其農作物秸稈和畜禽糞污年產生量已超過48億t[2]，而資源化利用率仍處于較低水平[3]。農業廢棄物中蘊含著豐富的可再生資源，具有較高的肥料化、能源化等潛在價值。然而，現階段農作物秸稈就地焚燒及畜禽糞污棄置排放等不合理的處理方式，不僅造成可利用資源的浪費，而且增加了溫室氣體的排放，也對人體健康和環境污染造成嚴重的影響。為防治農業廢棄物帶來的污染等問題，政府相繼頒布《關于加快推進畜禽養殖廢棄物資源化利用的意見》《關于創新體制機制推進農業綠色發展的意見》等系列文件，2021年中央一號文件中再次提出要推進秸稈綜合利用先進理念，開展農產品加工副產品資源化利用，大力推進畜禽糞污資源化利用，基本完成規模養殖場糞污治理設施，穩定強化美麗鄉村建設。若為節省成本，微觀主體未處置農業廢棄物，而任其隨意丟棄損害環境，短期來看因減少成本投入而使經濟效益增加，但長遠來看，卻因環境污染限制了經濟發展，進而對農業經濟價值產生不利影響。

目前，國外學者對農業廢棄物方面的研究已相當成熟，主要集中于農業廢棄物對土地、能源、經濟的影響及提升利用效率等問題[4-5]。而國內關于農業廢棄物的研究處于起步階段，學者研究集中在農業廢棄物對環境的危害[6]、治理存在的問題[7]、利用現狀[8]及資源化利用潛力[9]等，部分學者發現廢棄物資源利用的過程中存在跨地區現象，區域協同管理能有效促進農業廢棄物區域流動，提高區域整體的資源化利用率。但現有研究多側重于國家、省級尺度農業廢棄物產生量的估算，較少涉及區域層面資源替代和環境效益等綜合性評估。西部地區農業現代化發展相對滯后，機械化和畜牧業規?；潭染?，農戶綠色生產觀念較為落后，導致農業廢棄物資源化利用效率低等問題使得農業經濟“裹足不前”和“舉步維艱”。因此，本文通過對2007—2018年西部地區農業廢棄物進行分析，測算出農作物秸稈和畜禽糞污可利用潛力及環境效益，從而提出區域農業廢棄物資源化策略，以促進農業廢棄物高效利用。

1 材料與數據

1.1 研究對象

農業廢棄物是人類在農業生產、農副產品加工、畜禽養殖業發展以及農村居民生活等過程中產生的廢物，具體包括農作物秸稈；果園中的殘株、果殼、枝條；農副產品加工過程中產生的廢料和污水；養殖中的畜禽糞污；農村居民排泄糞污和生活垃圾等[10]。本文主要以農業廢棄物中的農作物秸稈和畜禽糞污為研究對象，對2007—2018年西部地區農業廢棄物可利用潛力及環境效益進行分析，以期為緩解區域農業廢棄物資源壓力及污染減排提供參考。

1.2 數據來源

西部地區12個省份的農作物產量和畜禽養殖量來源于《中國統計年鑒》《中國農村統計年鑒》《中國畜牧業年鑒》和中國農林數據庫。農作物的草谷比均參考中國能源行業協會所公開的數值；農作物秸稈的可回收系數、養分含量、干物質含量及產氣率參考畢于運等[11]、何可[12]、張婷婷等[13]的研究和全國農業技術推廣服務中心；西部地區農作物秸稈焚燒率參考石祖梁等[14]的研究，其中西南地區和西北地區焚燒率分別為5.1%、20.1%；農作物秸稈焚燒氣體排放因子參考杜江等[15]的研究。由于豬、家禽的飼養周期分別為199天、210天，養殖量用年出欄數來計算，牛、馬、驢、騾、羊的飼養周期均超過1年，其飼養量按年末存欄數計算；不同畜禽的日排泄系數、干物質含量、養分含量、飼養周期、可回收系數及產氣率參考何可[12]、張田等[16]的研究和《第一次全國污染源普查畜禽養殖業源產排污系數手冊》；畜禽糞污氣體排放因子參考冉錦成[17]和張瑞玲[18]的研究，將羊的氣體排放系數取山羊和綿羊的平均值，具體數值見表1～表4。

表1 2007—2019年西部地區主要農作物產量單位：萬噸

表4 不同畜禽可利用資源的轉化系數

2 研究方法

2.1 農業廢棄物可利用資源量估算模型

2.1.1 農作物秸稈可利用資源量估算

式中：MGS為農作物秸稈可利用資源量；i為農作物種類（稻谷、小麥、玉米、大豆、馬鈴薯、花生、棉花），i=1, 2, …,n；WPi為i類農作物產量；SGi為i類農作物草谷比；GIi為i類農作物可回收系數。

2.1.2 畜禽糞污可利用資源量估算

式中：MGS為畜禽糞污可利用資源量；j表示畜禽種類（豬、牛、馬、驢、騾、羊、家禽），j=1, 2, …,n；Nj表示第j類畜禽飼養量；Tj表示第j類畜禽飼養周期；Ej表示第j類畜禽日排泄系數；GIMj為j類畜禽糞污回收系數。

2.2 農業廢棄物資源環境效益估算模型

2.2.1 農業廢棄物肥料化效益估算模型

（1）農作物秸稈肥料化效益測算。

式中：A為農作物秸稈肥料化（N、P、K）效益；i為農作物種類；MGSi為農作物秸稈可利用量；Qi為i類農作物的單位養分（N、P、K）含量。

（2）畜禽糞污肥料化效益測算。

表2 2007—2018年西部地區畜禽養殖量單位：萬頭/萬只

表3 不同農作物可利用資源的轉化系數

式中：A為畜禽糞污肥料化（N、P、K）效益；j為畜禽種類；MGSj為畜禽糞污可利用量；Qj為j類畜禽糞污的單位養分（N、P、K）含量。

（3）農業廢棄物總養分替代肥料率。

式中：P為農作物秸稈和畜禽糞污總養分替代率（%）；A為農作物秸稈和畜禽糞污養分總量；F為化肥施用折純量。

2.2.2 農業廢棄物能源化效益估算模型

（1）農作物秸稈能源化效益測算。

式中：H表示農作物秸稈能源化效益；i為農作物種類；MGSi為農作物秸稈可利用量；TSi為i類農作物秸稈干物質含量；Ci為i類農作物秸稈單位產沼氣量。

（2）畜禽糞污能源化效益測算。

式中：H表示畜禽糞污能源化效益；j為畜禽種類；MGSj為畜禽糞污可利用量；TSj為j類畜禽糞污干物質含量；Cj為j類畜禽糞污單位產沼氣量。

（3）農業廢棄物燃氣替代率。

式中：O為農作物秸稈和畜禽糞污燃氣替代倍數；H為農作物秸稈和畜禽糞污轉換為沼氣總資源量；V為天然氣消耗量。

2.2.3 農業廢棄物環境減排效益計算方法

（1）農作物秸稈焚燒環境減排效益估算。

式中：E為農作物秸稈焚燒環境減排效益；i為農作物種類；Ki為農作物秸稈焚燒量；Li為i類農作物秸稈焚燒排放溫室氣體（CO2、CH4、N2O）含量。

（2）畜禽糞污環境減排效益估算。

式中：E為畜禽糞污環境減排效益；j為畜禽種類；MGSj為畜禽糞污可利用資源量；Lj為j類畜禽糞污排放的溫室氣體（CH4、N2O）含量。

3 結果與分析

3.1 西部地區農業廢棄物可利用資源量

3.1.1 西部地區農作物秸稈可利用資源量

從圖1中可以看出，2007—2019年西部地區農作物秸稈可利用總量從12 806.14萬噸增長至19 561.84萬噸，其呈現出波動上升趨勢。2019年農作物秸稈可利用資源量主要以玉米秸稈、稻谷秸稈、小麥秸稈、棉花秸稈為主，分別為13 496.83萬噸、1 951.22萬噸、1 613.07萬噸、1 317.20萬噸，分別占農作物資源總量的66.35%、9.59%、7.93%、6.48%；其次為馬鈴薯秸稈和大豆秸稈，分別占可利用總量的2.50%、1.77%；花生秸稈最低，僅占可利用總量的1.55%。對于不同農作物秸稈可利用資源量而言，2007—2019年棉花、馬鈴薯、大豆和花生秸稈量大致呈現出波動上升趨勢；稻谷、小麥秸稈量基本處于較穩定狀態；玉米秸稈量2007—2016年呈上升趨勢，之后處于穩定趨勢。

圖1 2007—2019年西部地區農作物秸稈可利用量

2019年西部地區各省份主要作物秸稈可利用量分布情況如表5所示。從表5中可知，內蒙古的農作物秸稈可利用總量最高，達到5 203.23萬噸，占西部地區可利用總量的26.60%；其次是新疆和四川，秸稈可利用總量分別為3 333.71萬噸、3 023.33萬噸；云南、陜西、甘肅、廣西、貴州和重慶的農作物秸稈可利用總量在747.38萬～2 015.00萬噸之間，6個省份農作物秸稈可利用總量占西部地區可利用總量的37.97%；寧夏、青海和西藏的農作物秸稈可利用總量相對較少，在21.34萬～471.70萬噸之間。

3.1.2 西部地區畜禽糞污可利用資源量

從圖2可以看出，2007—2018年西部地區畜禽糞污可利用資源量在50 748.76萬～64 606.16萬噸之間，其年平均可利用資源量為62 375.57萬噸。2018年西部地區畜禽糞污可利用資源量主要以牛糞尿、羊糞尿和豬糞尿為主，分別為29 810.28萬噸、15 383.10萬噸、13 349.15萬噸，分別占可利用總量的461.14%、23.81%、20.66%；其次為家禽糞和馬糞尿，分別占可利用總量的7.52%、1.36%；驢糞尿和騾糞尿最低，分別僅占總量的0.37%、0.14%。對于不同畜禽糞污可利用資源量而言，2007—2018年豬糞尿、羊糞尿、家禽糞資源量處于波動上升狀態；馬糞尿、驢糞尿、騾糞尿資源量呈現出波動下降趨勢；牛糞尿資源量基本處于較穩定狀態。

圖2 2007—2018年西部地區畜禽糞污可利用量

2018年西部地區各省份畜禽糞污可利用量分布情況如表6所示。從表6中可以看出，四川和內蒙古的畜禽糞污可利用總量最高，分別為11 433.39萬噸、9 179.13萬噸，分別占西部地區可利用總量的17.70%、14.21%；其次是云南、新疆和廣西，畜禽糞污可利用總量分別為8 499.66萬噸、6 515.20萬噸和5 938.25萬噸；甘肅、貴州、西藏和青海的畜禽糞污可利用總量在3 986.00萬～4 518.14萬噸之間，4個省份的畜禽糞污可利用總量占西部地區總資源量的26.46%；重慶、陜西和寧夏的畜禽糞污可利用總量相對較少，在1 218.49萬～2 370.27萬噸之間。

表6 2018年西部地區各省份畜禽糞污可利用量單位：萬噸

3.2 農業廢棄物資源環境效益

3.2.1 農業廢棄物肥料化效益

根據表7可知，2007—2019年西部地區農作物秸稈資源化利用帶來的肥料化效益從326.22萬噸增長至490.14萬噸，基本呈現上升趨勢；2007—2018年西部地區畜禽糞污產生的年平均肥料化效益為670.57萬噸；西部地區農作物秸稈資源化利用帶來的肥料化效益遠小于畜禽糞污；2007—2018年西部地區農業廢棄物的肥料化潛力呈波動上升趨勢，帶來的肥料化效益在827.47萬～1 201.18萬噸之間，其可替代化肥施用純量的比率在60.00%～72.44%之間。若將農業廢棄物進行能源化利用，可有效減少區域內肥料消耗等問題。

表7 2007—2019年西部地區農業廢棄物肥料化效益及肥料替代率單位：萬噸

由圖3可知，內蒙古的農作物秸稈和畜禽糞污帶來的肥料化效益均最大，分別為120.68萬噸、119.74萬噸；其次是四川和新疆，農作物秸稈和畜禽糞污產生的肥料化效益分別為81.21萬噸、116.11萬噸和75.01萬噸、84.91萬噸；青海、西藏、重慶和寧夏的農業廢棄物的肥料化潛力相對較小，其能源化效益處于26.55萬～47.30萬噸之間?？傮w來看，若西部地區各省份對農業廢棄物進行資源化處理后，作為有機肥料投入農田中，不僅節約肥料等投入資源，而且具有改良土壤、提高農作物產量等效果，也在緩解農業資源環境壓力等方面有重要作用，進而為區域帶來較大的肥料化效益。

圖3 2018年西部地區各省份農業廢棄物養分總量

3.2.2 農業廢棄物能源化效益

西部地區農業廢棄物資源量豐富，具有較大的能源化潛力。通過對西部地區農業廢棄物的能源化潛力進行估算，其帶來的能源化效益和能源替代率如表8所示。2007—2019年西部地區農作物秸稈進行資源化利用帶來的能源化效益在513.75億～792.97億立方米之間；2007—2018年西部地區畜禽糞污產生的年平均能源化效益為45.61億立方米；西部地區農作物秸稈帶來的能源化效益要遠大于畜禽糞污；2007—2018年西部地區農業廢棄物沼氣潛力基本呈上升趨勢，帶來的能源化效益在542.97億～842.59億立方米之間，是該區域天然氣能源消費量的1.05～1.61倍。若將農業廢棄物進行能源化利用，可有效解決區域內能源需求等問題。

表8 2007—2018年西部地區農業廢棄物能源化效益及能源替代倍數單位：億立方米

雖然西部地區農業廢棄物能源化利用潛力較大，但由于種養殖業發展水平和地理位置等差異，導致12個省份農作物秸稈和畜禽糞污帶來的能源化效益存在不同。由圖4可知，內蒙古的農作物秸稈和畜禽糞污產生的能源化效益最大，分別為216.36億立方米、9.71億立方米；其次是新疆和四川，農作物秸稈和畜禽糞污帶來的能源化效益分別為131.15億立方米、6.87億立方米和 124.02億立方米、7.57億立方米；寧夏、青海和西藏農業廢棄物轉化為沼氣的潛力最小，產生的能源化效益分別為21.71億立方米、5.70億立方米和3.60億立方米?？傮w來看，若2018年西部地區對農業廢棄物進行能源化利用，則能夠減少消耗天然氣842.59億立方米，是該區域能源消耗量的1.05倍，其在解決自身帶來的環境問題的同時，也能節約能源消耗，從而為該區域帶來較大的能源化效益。

圖4 2018年西部地區各省份農業廢棄物沼氣量

3.2.3 農業廢棄物環境減排效益

《中華人民共和國大氣污染防治法》《畜禽規模養殖污染防治條例》中規定要禁止秸稈焚燒和畜禽糞污隨意排放，推進農業廢棄物資源化利用，以減少溫室氣體排放，保護生態環境安全，促進農業可持續發展。若將秸稈就地焚燒或畜禽糞污隨意丟棄排放，不僅會使農業廢棄物作為肥料或能源等資源造成浪費，而且也會排放出大量溫室氣體造成環境污染日益嚴重。通過將農作物焚燒的秸稈和畜禽糞污進行資源化利用，一方面可以利用農業廢棄物的潛在價值，另一方面可以減少溫室氣體排放，進而帶來較大的環境效益。本文中秸稈焚燒和畜禽糞污主要排放的是CO2、CH4、N2O和CH4、N2O等溫室氣體，借鑒《京都議定書》中規定的1噸CH4相當于排放21噸CO2，1噸N2O相當于排放310噸CO2，溫室氣體的排放量用CO2量來衡量。從表9中可看出，2007—2019年西部地區將農作物秸稈焚燒進行資源化利用，帶來的環境減排效益從5 080.32萬噸CO2增長至6 432.13萬噸CO2，呈現出波動上升趨勢；2007—2018年西部地區畜禽糞污產生的環境減排效益年平均量為19 407.94萬噸CO2；西部地區的畜禽糞污帶來的環境減排效益大于農作物秸稈焚燒的環境減排效益。若將2018年西部地區農業廢棄物用來制作肥料或沼氣等資源均能減少溫室氣體的排放，且最多可帶來25 263.37萬噸CO2的環境減排效益。

表9 2007—2019年西部地區農業廢棄物環境減排效益單位：萬噸CO2

由圖5可知，2018年西部地區各省份中農作物秸稈焚燒和畜禽糞污碳減排潛力最高的省份分別是內蒙古和四川，帶來最多的環境減排效益分別為3 479.49萬噸CO2、27 761.14萬噸CO2；而青海、西藏和重慶、寧夏分別是農作物秸稈焚燒和畜禽糞污碳減排潛力相對較低的省份，分別帶來的環境減排效益在1.83萬～22.26萬噸CO2之間和2 912.09萬～4 961.3萬噸CO2之間。若將西部地區各省份的農業廢棄物資源化利用，四川、內蒙古和云南帶來的環境減排效益最高；其次是新疆、西藏和廣西，帶來的環境減排效益分別為14 638.71萬噸CO2、12 329.46萬噸CO2和12 290.28萬噸CO2；陜西、重慶和寧夏環境減排效益相對較低，均在41.24萬～52.24萬噸CO2之間?？傮w而言，若西部地區各省份對農業廢棄物進行資源化利用，即能作為肥料或能源等資源，不僅可以節約資源消耗，而且也能緩解溫室氣體的排放帶來的環境污染等問題，進而為區域帶來較大的環境減排效益。

圖5 2018年西部地區各省份農業廢棄物環境減排效益

4 結論與討論

4.1 結論

2007—2018年西部地區農業廢棄物的可利用量資源豐富，農作物秸稈和畜禽糞污的年平均可利用量分別為16 363.40萬噸、62 375.57萬噸。

（2）通過對西部地區農業廢棄物進行肥料化利用，研究發現農作物秸稈帶來的肥料化效益遠小于畜禽糞污；2007—2018年其農業廢棄物肥料化潛力呈波動上升趨勢，產生的肥料化效益在827.47萬～1 201.18萬噸之間，可替代化肥施用純量的比率在60.00%～72.44%之間，則表明農業廢棄物的肥料化效益顯著。

（3）西部地區農業廢棄物資源量豐富，具有較大的能源化效益。農作物秸稈帶來的能源化效益要遠大于畜禽糞污；2007—2018年西部地區農業廢棄物沼氣潛力呈上升趨勢，其帶來的能源化效益在542.97億～842.59億立方米之間，是該區域天然氣能源消費量的1.05～1.61倍。

（4）農業廢棄物資源化利用可以減少秸稈焚燒和畜禽糞污產生溫室氣體的排放，其環境減排效益顯著。西部地區畜禽糞污帶來的環境減排效益大于農作物秸稈；若將2018年西部地區農業廢棄物用來制作肥料或沼氣等資源均能減少溫室氣體的排放，且最多可帶來25 263.37萬噸CO2的環境減排效益。

西部地區農業廢棄物可利用量豐富，通過資源化利用可顯著降低資源消耗和溫室氣體排放，促使該區域資源能持續循環利用及緩解面源污染，以帶來較大的環境效益。為此得出政策啟示如下：（1）相關部門應通過廣播、電視及抖音短視頻等媒介對農業廢棄物處理進行普及推廣，以增強農戶生態保護意識，進而提高農業廢棄物利用率。（2）政府要制定生態補償政策來鼓勵農業廢棄物資源化利用，在引導農戶、企業對農業廢棄物處理的同時給予技術指導和扶持。（3）各省份應結合當地實際情況，因地制宜地去選擇適合的農業廢棄物治理模式。

4.2 討論

目前在環境保護“地板”和資源能量“天花板”等約束下，農業廢棄物資源化利用是緩解環境壓力和資源短缺的重要手段[19]。農業廢棄物“用則利，棄則害”，根據上文可知西部地區農業廢棄物可利用量豐富，具有巨大的資源化潛力，若將農業廢棄物資源化利用或無害化處理，不僅能獲得農業廢棄物中秸稈、畜禽糞污的肥料或能源等潛在價值，而且也可減少秸稈焚燒、畜禽糞污造成的溫室氣體（CO2、CH4、N2O）排放，從而帶來較大的環境效益。

西部地區是農業發展區域，也是生態環境脆弱區域。該區域農業現代化發展相對滯后，機械化和畜牧業規?；狡?，農戶綠色生產觀念較為落后，進而造成農業廢棄物隨意丟棄、資源化利用率低下等問題，導致環境污染日益嚴重。為防治農業廢棄物污染，推進農業廢棄物資源化利用，促進農業可持續發展，政府相繼頒布《畜禽規模養殖污染防治條例》《關于創新體制機制推進農業綠色發展的意見》和2021年中央一號等文件。但現階段農戶生態意識較差，且實施的強制性和激勵性等環境政策尚未發揮作用，使得處理農業廢棄物問題迫在眉睫。在生態環境的有限承載力下，農戶為實現成本最小化與收益最大化，會爭先地去排放農業廢棄物，以獲得較多環境容污量來換取經濟利潤；農戶參與農業廢棄物資源化需投入物力、人力及財力，而采取資源化手段帶來的社會價值與生態價值，不僅被自身享有，且社會中的全體居民均可無償享有。即在沒有約束或激勵政策下，農業廢棄物污染的負外部性和其資源化的正外部性促使市場處于“失靈”狀態，導致農業廢棄物資源化的經濟價值、社會價值和生態價值難以靠市場機制來實現。倘若以政府干預的方式來改變市場行為（如生態補償政策），將是實現農業廢棄物資源化市場有效配置的手段?，F階段由于農業發展水平和地域等差異，導致西部地區12個省份的農業廢棄物可利用量及環境效益分布不一致，具有較顯著的地域空間差距。因此，在制定農業廢棄物資源化利用的相關政策時，要注意頂層設計，充分考慮各省份的農業發展水平，因地制宜地選擇適合的農業廢棄物高效治理的發展方式[20]。對于以農業為主的欠發達省份，應選擇以農業廢棄物肥料化利用為主、種養結合的農業生產模式；而對于經濟較為發達的省份，應采取能源化利用為主的模式，以強化能源化高效利用技術研發與推廣。