中国粮食作物秸秆焚烧排碳量及转化生物炭固碳量的估算

　　摘要：生物质燃烧对全球大气碳排放和气候变化产生重要的影响。近年来，利用生物质制备生物炭实现碳封存备受重视。该文根据2001-2010年中国粮食产量，估算了主要粮食作物秸秆产量，结合秸秆露天焚烧比例及CO和CO2排放因子，得出CO和CO2的排放量及碳排放总量。同时，根据实验室条件下秸秆转化为生物炭的产率及碳含量，估算了中国粮食作物秸秆转化生物炭后固定碳的量。结果发现，中国粮食作物秸秆因焚烧年排放CO、CO2和总碳量分别为1.15x107、1.57x10s和4.77x107t。中国粮食作物秸秆全部转化为生物炭后年平均可固碳0.96x108t,如果把每年焚烧秸秆的量全部转化为生物炭可减少近一半因焚烧秸秆排放碳的量，可见，生物炭固碳技术是一种非常有前景的碳汇技术。

　　关键词：秸秆，排放控制，碳，秸秆焚烧，碳固定，生物炭

　　引言

　　作物秸秆是农作物生产过程中产生的一种生物资源。中国秸秆资源丰富，约占世界秸秆总量的25%左右[1]。有研究表明，2000-2003年中国秸秆的年产量均在6亿t左右[2]。但是，长期以来秸秆作为一类资源没有得到充分合理的利用，大量的秸秆被丢弃、焚烧，这不仅造成了资源浪费，还污染了环境，引起了全社会的广泛关注。

　　近年来，研究人员发现生物质秸秆在限氧条件下（缺氧或是厌氧）热解碳化后，产生一类高度芳香化且富含碳的固态物质称为生物炭[3]。生物炭具有高度稳定性，在土壤中的平均停留时间可达千年[4]，

　　是一种有效的碳汇途径。此外，生物质秸秆在转化

　　1.2粮食作物稻轩露天焚烧量

　　本文采用曹国良等[2]的研究方法来估计粮食作物秸秆露天焚烧量。根据全国各省、自治区、直辖市秸秆露天燃烧比例[2]，确定粮食作物秸秆露天焚烧量1.3碳释放总量的确定

　　CO和C〇2气体排放量通过秸秆焚烧CO、C〇2排放因子（CO排放因子102.2g/kg，CO2排放因子1390.4g/kg)与秸秆焚烧量相乘获得，秸秆焚烧过程中碳释放只考虑CO和CO2气体排放，不考虑其他形式的碳释放[7]。碳释放总量根据粮食作物秸秆露天焚烧释放CO和CO2的量中含碳量的比例来进行估算。

　　1.4粮食作物秸轩生物炭的制备

　　水稻秸秆采自江苏常熟、小麦秸秆采自河南封丘、玉米秸秆和大豆秸秆采自安徽淮北。秸秆自然风干后，用粉碎机破碎，过2mm筛，称取一定质量的秸秆（烘干基），装入自制的圆柱体不锈钢反应器中，通入高纯氮气使反应器内环境处于限氧状态（O2体积分数<0.5%)，将反应器置于马弗炉内，以20°C.min-1升温速率加热，达到500°C后维持4h，关闭马弗炉，自然冷至室温，存留在反应器中固体物质即为生物炭[9]。

　　1.5生物炭产率及固碳率的计算

　　生物炭产率计算公式：

　　n=-x100%(1)M式中，々生物炭产率，％;-反应装置内生物炭的烘干质量，g;M放入反应装置内生物质秸秆的烘干质量，g。生物炭固碳率的计算公式：CS=nxcBCx100%(2)式中，CS生物炭固碳率，％;CBC生物炭含碳量，%。1.6分析方法

　　生物炭的产率通过称质量法测定，生物炭的含碳量用C、N元素用元素分析仪测定（VarioELIII,Elementar,Germany)[10]。

　　2结果与分析

　　2.12001-2010年中国粮食作物秸轩产量

　　近10a来，中国粮食作物秸秆产量从2001年的4.6x108t增加到2010年的5.8x108t，年平均产量约为5.1x108t(表1)。从2003年开始，玉米秸

　　秆产量逐年增加，并超过稻谷秸秆产量。以2010年为例，玉米秸秆产量占到粮食作物秸秆产量的41.6%，主要分布于东北地区各省份及华北地区（如河北、内蒙古等）、华东地区（如山东）和中南（如河南）的部分省份；其次，是稻谷秸秆，约占总秸秆产量的32.5%，主要分布于中南（如湖南、湖北、广东和广西等）和华东地区（如江西、江苏、安徽和浙江等）及东北（如黑龙江）和西南（如四川）部分省份；小麦秸秆产量占粮食作物总产量的第3位，约占20.3%，主要分布于华东（如山东、安徽和江苏等）、中南（如河南）及华北（如河北）等地区；豆类秸秆产量约占粮食作物秸秆产量的5.6%。

　　年份

　　Year稻谷

　　Rice小麦

　　Wheat玉米

　　Corn豆类

　　Bean总计

　　Total

　　2001172.2596.69156.3035.10460.35

　　2002169.3093.00166.1938.32466.82

　　2003155.8489.08158.6936.38439.99

　　2004173.7294.71178.4938.17485.09

　　2005175.17100.37190.9336.90503.37

　　2006176.27111.72207.7034.26529.95

　　2007180.45112.58208.6529.41531.10

　　2008186.14115.84227.3034.94564.22

　　2009189.25118.57224.6433.01565.47

　　2010189.89118.64242.8332.43583.78

　　

　　Table1Nationalestimatedamountsofgraincropresidue

　　106t

　　2.22001-2010年中国粮食作物秸轩焚烧量

　　从表2可以看出，2001-2010年中国粮食作物每年秸秆露天焚烧量平均为1.13x108t，约占粮食作物秸秆总量的21.6%，其中稻谷秸秆0.41x108t，小麦秸秆0.22x108t，玉米秸秆0.42x108t，豆类秸秆0.08x10st，分别约占粮食作物秸秆每年平均焚烧量的36.2%、19.8%、36.9%和7.1%。

　　

　　Table2Nationalestimatedamountsofgraincropresiduebyburninginfield

　　106t

　　年份

　　Year稻谷

　　Rice小麦

　　Wheat玉米

　　Corn豆类

　　Bean总计

　　Total

　　200139.8920.5333.558.07102.03

　　200239.0019.6235.628.80103.03

　　200335.7918.9933.778.5997.14

　　200440.0120.1738.048.89107.11

　　200540.2321.4440.518.46110.64

　　200640.8423.0542.698.32114.90

　　200741.5924.2944.366.41116.65

　　200842.8924.9848.307.95124.12

　　200943.6025.3147.737.47124.11

　　201043.9925.3651.707.31128.36

　　平均值

　　Average40.7822.3741.638.03112.81

　　2.32001-2010年中国粮食作物秸轩露天焚烧CO、CO2及总碳排放量

　　根据2001-2010年中国各省、自治区和直辖市秸秆露天焚烧量（表2)，结合CO和C〇2排放因子估算出中国粮食作物秸秆露天焚烧释放CO、C〇2和总碳量见表3。2001-2010年中国粮食作物秸秆露天焚烧排放的CO、C〇2和总碳量平均每年1.15x107、1.57x108和4.77x107t。并且从2003年三者排放量随着粮食作物产量和秸秆量的增加而不断增加，到2010年三者的排放量较2003年增加了32.1%。

　　

　　Table3CO,CO2andtotalcarbonemissionfromgraincrop

　　residueburnedinfield

　　106t

　　年份

　　YearCO排放量COemissionC〇2排放量CO2emission总碳排放量Totalcarbonemission

　　200110.43141.8743.16

　　200210.53143.2643.58

　　20039.93135.0741.09

　　200410.95148.9345.31

　　200511.31153.8446.80

　　200611.74159.7648.60

　　200711.92162.1949.34

　　200812.69172.5852.50

　　200912.68172.5752.50

　　201013.12178.4754.30

　　平均值Average11.53156.85447.718

　　2.4生物炭含碳量、产率及固碳率

　　粮食作物秸秆制备的生物炭产品中，大豆秸秆生物炭含碳量最高，其次是小麦秸秆生物炭、最后是玉米秸秆生物炭和水稻秸秆生物炭，总体平均含碳量约为63.2%。生物炭产率变化不大，其中大豆秸秆产率最低，总体平均约为30%，固碳率平均为18.7%。

　　

　　Table4Carboncontent,yieldandcarbonsequestrationrationofbiochar

　　碳质量分数Carboncontent/%

　　生物炭产率Biocharyield/%

　　固碳率Carbonsequestration/%

　　水稻

　　Rice57.1932.1418.38

　　小麦

　　Wheat62.8931.7119.94

　　玉米

　　Corn59.7630.3418.13

　　大豆

　　Soybean72.8425.4318.53

　　2.52001-2010年中国粮食作物秸轩转化生物炭

　　固碳量的估算

　　2001-2010年中国粮食作物秸秆转化生物炭的固碳量平均为0.96x108t，其中稻谷秸秆生物炭固碳量为0.33x108t，小麦秸秆生物炭固碳量为0.21x108t，玉米秸秆生物炭固碳量为0.36x108t，大豆秸秆生物炭固碳量为0.06x108t，其分别占到粮食作物秸秆生物炭固碳总量的34.1%、21.9%、37.2%和6.8%。

　　

　　量的估算

　　Table5Nationalestimatedofcarbonsequestratingamountbyturningcropresidueintobiochar

　　106t

　　年份

　　Year稻谷

　　Rice小麦

　　Wheat玉米

　　Corn豆类

　　Bean总计

　　Total

　　200131.6819.2828.346.5085.80

　　200231.1318.5430.137.1086.91

　　200328.6617.7628.776.7481.93

　　200431.9518.8932.367.0790.26

　　200532.2120.0134.626.8493.68

　　200632.4222.2837.666.3598.70

　　200733.1922.4537.835.4598.91

　　200834.2323.1041.216.47105.01

　　200934.8023.6440.736.12105.29

　　201034.9223.6644.026.01108.61

　　平均值

　　Average32.5220.9635.576.4795.51

　　2.62010年中国各省市秸轩产量、碳排放量及生物炭固碳量的估算

　　从表6可以看出，2010年中国粮食作物秸秆产量分布不均匀，主要集中在传统农业省份（黑龙江、河南、山东、吉林、河北、江苏、安徽、四川、湖南、内蒙古、湖北、辽宁等），这12省的粮食秸秆产量占到全国粮食作物秸秆产量的73.9%。粮食作物秸秆固碳量也主要集中在上述省份，全国粮食作物秸秆生物炭固碳量高达1.09x108t。粮食作物秸秆焚烧碳排放量主要集中区域为华东地区、东北地区和中南，其碳排放量占全国碳排放量的78.2%。如果把焚烧秸秆的量转化为生物炭可减少0.26x108t碳排放量，减少近一半的碳排放量，可见秸秆转化为生物炭是有效的碳汇途径。

　　3讨论

　　3.1秸轩焚烧碳排放量

　　中国粮食作物秸秆露天焚烧排放CO、CO2的量分别为1.15X107、1.57x10st，这一结果与张鹤丰[6，11]、赵建宁[7]的研究结果相近。

　　3.2秸轩转化为生物炭的固碳量

　　生物炭的产率及含碳量直接影响到生物炭的固碳量，生物炭的产率及含碳量受到生物炭生产工艺及工艺参数的影响[12-15]。生物炭在慢速热解条件下，温度400?600°C情况下，生物炭的产率达到35%[16]，这和本研究粮食作物秸秆生物炭产率30%?

　　相接近。生物炭的含碳量一般高达60%以上[17]，这和本研究粮食作物秸秆生物炭平均含碳量63.2%相近。

　　2001-2010年中国粮食作物转化生物炭平均固碳量为0.96x108t，《中华人民共和国气候变化初始国家信息通报》指出中国1994年C〇2净排放量为26.66x108t(折合碳约7.27x108t)[18]，可见，若把中国粮食作物秸秆全部转化为生物炭可减少中国13.2%的碳排放量。生物炭固定碳的稳定性受到生物质原料和热解温度的影响[12,19-20]，Zimmerman研究了6种生物质原料和4种温度条件下制备的生物炭，在好氧条件下培养超过1a，通过模型估算出这些生物炭100a尺度下碳损失3%?26%[21]。Hamer等研究表明，经过60d的微生物培养，大约0.8%玉米秸秆生物炭（350°C)、0.7%黑麦草秸秆生物炭（350°C)和0.3%橡树生物炭（800°C)被矿化为CO2[22]。生物炭在土壤中也会发生部分降解，如Bruun等研究表明经过115d的培养3%?12%小麦秸秆生物炭被矿化成CO2[23]，Knoblauch等研究表明经过约3a的培养，4.4%和8.5%稻壳生物炭分别在好氧和厌氧条件下被矿化成C〇2[24]，但这和生物炭固定碳的总量相比只占很少的一部分。

　　潘根兴等认为，若水稻秸秆全部转化为生物黑炭，中国稻田可增加碳汇0.2x108t[25]，这一研究结果和本研究水稻秸秆生物炭固碳量为0.33x108t相近；Okimori等估算，利用高温热解把作物秸秆废弃物转化为生物黑炭施入土壤储存，可减少2.3x105tC〇2的排放[26];Lehmann等提出，生物黑炭技术潜在可行增汇量达9.5x109t[27];Lenton等展望，2100年人类活动排放的C〇2量的1/4可以通过有机质转化的生物黑炭封存[28]。可见，生物炭固碳潜力巨大，生物炭固碳技术也是一种非常有前景的碳汇技术。然而，国内生物炭的相关标准还没有制定，生物炭在土壤中稳定性、生物炭对土壤其他温室气体排放的影响、生物炭在土壤环境中的阈值及生物炭对作物产量的影响，直接影响生物炭的最终固碳效率，应当尽快开展相关研究，为准确合理地评估我国生物炭固碳量提供数据支持。此外，中国粮食作物秸秆产量分布极不均匀（表6)，主要集中在东北地区、华东地区、中南地区及其他地区某些省份，应当在这些地区开展典型作物秸秆生物炭碳汇示范基地建设，为后续的研究工作奠定基础。

　　4结论

　　1)中国粮食作物每年秸秆焚烧量平均为1.12x108t，约占粮食作物秸秆总量的21.6%。中国

　　粮食作物秸秆露天焚烧排放CO、C〇2及总碳量分别为1.15x107、1.57x108和4.77x107t。

　　2)中国粮食作物秸秆转化生物炭年平均固碳量为0.96x108t，焚烧的秸秆转化为生物炭可减少约

　　一半的碳排放量。

　　3)中国生物炭固碳量潜力巨大，生物炭固碳是一种有效的固碳减排途径。

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