侯新村，范希峰，朱毅，岳躍森，武菊英

（北京市農林科學院北京草業與環境研究發展中心/農業部都市農業（北方）重點實驗室，北京100097）

　　摘要：為闡明作物秸稈作為生物質原料的可持續利用潛力，基于可持續發展理論，構建了以生物質原料可持續生產和供應系統為基礎的生物質產業可持續發展模式。在此基礎上，構建了作物秸稈生物質原料可持續利用模式，并分析了中國作物秸稈生物質原料可持續利用潛力。在中國現代生物質產業發展過程中，需要控制作物秸稈生物質原料利用比例整體上不超過25%，即使部分適宜規模化開發利用地區亦不應該超過35%；生物質產業發展應該兼顧生物質原料需要與傳統利用方式需要之間的平衡，尤其是要滿足作物主產品可持續生產的需要。

　　0引言

　　可持續發展一般是指自然、社會、經濟的協調統一發展^[1]，具有極為豐富的內涵^[2]。可持續發展理論源于人類對自身生存與社會發展以及與之相關的資源、環境、能源、糧食等問題的逐步認識與不斷思考^[2-4]，由世界環境與發展委員會于1987年在《我們共同的未來》^[5]一書中系統論述：可持續發展是既滿足當代人的需要，又不對后代人滿足其需要的能力構成危害的發展。這一論述強調了可持續發展理論的時間維內容，在此基礎上，中國學者補充了其空間維內容：既滿足本部門的需要，又不危害全球滿足需要能力的發展^[6]；既滿足本地人口的需要，又不危害全球人口滿足其需要能力的發展^[6]；在滿足人類需要的同時，不危害其他物種滿足其需要的能力的發展^[2]?？沙掷m發展理論的實質在于科學認識和調控人與自然、人與人之間的關系?？沙掷m發展理論已經成為21世紀“自然—社會—經濟”復雜巨系統的運行規則^[3]，同時，作為科學思想與研究方法，可持續發展理論廣泛應用于農業科學^[7-16]、能源科學^[17-22]等諸多科學研究領域。

　　在傳統石化資源日益匱乏、環境污染問題日趨嚴重的今天，現代生物質產業可持續發展關乎經濟可持續發展與社會可持續發展，與全球可持續發展息息相關^[23]。在全球生物質產業發展過程中，國際可持續生物燃料圓桌會議于2008年發布了《生物燃料可持續生產國際準則》，對生物燃料可持續生產進行了原則性的規范^[24]，旨在促進全球生物質產業發展。國內外學者亦針對生物質原料^[23,25-26]與生物質能源^[27-29]的可持續性開展了相關研究工作。

　　生物質原料可持續生產和供應是生物質產業發展的基礎^[23]。木質纖維素是纖維素、半纖維素、木質素的統稱，是全球最為豐富的可再生資源和生物質原料^[30-33]，有望成為未來大農業生產的重要組成部分^[34]。木質纖維素生物質原料分為草本類與木本類2類，主要來源于木質纖維素植物與農林廢棄物，木質纖維素植物主要包括木質纖維素木本植物與木質纖維素草本植物2類^[35-40]，農林廢棄物則主要包括作物秸稈、林業廢棄物、農林產品加工副產物等^{[31,33,41-42]}。

　　作物秸稈是優質的木質纖維素生物質原料，是現代生物質產業可持續發展的重要原料來源。然而，作為重要的生物資源，作物秸稈的傳統利用方式依然長期存在，以保證農林業和相關工業產業發展、維護資源可持續利用和環境可持續性。在生物質產業發展過程中，對作物秸稈進行開發利用滿足生物質原料需要的同時，應該保證作物秸稈傳統利用方式的需要，現代生物質產業的可持續發展不宜影響作物秸稈傳統利用方式的需要。本研究擬基于可持續發展理論構建生物質產業可持續發展模式，進而構建作物秸稈生物質原料可持續利用模式，旨在闡明作物秸稈作為生物質原料的可持續利用潛力，明確兼顧作物秸稈生物質原料需要與傳統利用方式需要之間平衡的必要性。

　　1生物質產業可持續發展模式

　　生物質產業鏈涉及生物質原料生產和供應、生物質原料收集儲存運輸、生物質能源與生物基產品生產和利用等環節^[23]，相應地，生物質產業可持續發展模式由生物質原料可持續生產和供應系統、生物質原料可持續收集儲存運輸系統、生物質能源與生物基產品可持續生產和利用系統3個部分構成（圖1）。

　　生物質原料可持續生產和供應系統包括生物質原料的生長發育或生產過程以及收獲過程，是生物質產業可持續發展模式的基礎，決定著后面2個系統以及生物質產業的可持續性；生物質原料可持續收集儲存運輸系統包括生物質原料的收集、儲存和運輸過程以及必要的預處理過程，是連接前后2個系統的紐帶和保持生物質產業可持續性的關鍵；生物質能源與生物基產品可持續生產和利用系統包括固體、液體、氣體等不同形態生物質能源與生物基產品的生產和利用過程，是前面2個系統以及生物質產業可持續發展的基本目標。

　　生物質產業可持續發展模式的基本要求是，通過構建生物質原料可持續生產模式、生物質原料可持續收集儲存運輸模式、生物質能源與生物基產品可持續生產和利用模式，應用相關關鍵技術，促進現代生物質產業鏈與各系統之間的相互聯系與相互促進，共同保持協調統一的可持續性，同時不危害農林業和相關工業產業發展、資源可持續利用和環境可持續性。其中，生物質原料可持續生產模式是指，基于可持續發展理論，在保證生物質原料滿足農林業和相關工業產業發展需要、資源可持續利用和環境可持續性需要的同時，滿足現代生物質產業發展對生物質原料的需要。

　　生物質產業可持續發展模式的實質是，基于可持續發展理論，科學認識和調控現代生物質產業發展與農林業和相關工業產業發展、資源可持續利用和環境可持續性之間的關系，既要滿足現代生物質產業鏈以及各系統可持續發展的需要，又不對農林業和相關工業產業發展需要、資源可持續利用和環境可持續性構成危害，旨在促進生物質產業可持續發展，為經濟可持續發展與社會可持續發展乃至全球可持續發展發揮積極作用。

　　2作物秸稈作為生物質原料的主要生物質品質與資源潛力

　　2.1主要生物質品質

　　作物秸稈一般為傳統農業收獲作物主產品（包括作物籽實和其他主產品）以后殘留的莖、葉等副產品^[43-44]，亦包括玉米芯、稻殼、甘蔗渣、花生殼等作物主產品加工過程中的剩余物，與木質纖維素草本植物同屬于草本類木質纖維素生物質原料。

　　玉米秸稈、水稻秸稈、小麥秸稈等3種作物秸稈^[30,45]與柳枝稷^[37]、蘆竹^[37]、荻^[37]、雜交狼尾草^[40]等4種木質纖維素草本植物的主要生物質品質比較如表1所示。

　　2.1.1木質纖維素生物質含量

　　（1）纖維素含量。3種作物秸稈中，以小麥秸稈最高，玉米秸稈次之，水稻秸稈最低；小麥秸稈高于4種木質纖維素草本植物；玉米秸稈低于柳枝稷和荻，高于蘆竹和雜交狼尾草；水稻秸稈低于柳枝稷、荻和雜交狼尾草，高于蘆竹。

　?。?）半纖維素含量。3種作物秸稈中，以小麥秸稈最高，玉米秸稈次之但是與小麥秸稈接近，水稻秸稈最低；小麥秸稈和玉米秸稈低于蘆竹和荻，高于柳枝稷和雜交狼尾草；水稻秸稈低于4種木質纖維素草本植物。

　?。?）木質素含量。3種作物秸稈中，以水稻秸稈最高，小麥秸稈次之，玉米秸稈最低；3種作物秸稈高于4種木質纖維素草本植物。

　?。?）木質纖維素含量（其數值等于纖維素、半纖維素、木質素含量之和）。玉米秸稈、水稻秸稈、小麥秸稈分別為79.50%、79.60%、90.10%，小麥秸稈最高，水稻秸稈次之，玉米秸稈最低但是與水稻秸稈接近；柳枝稷、蘆竹、荻、雜交狼尾草的木質纖維素含量分別為69.76%、71.03%、71.40%、66.08%，3種作物秸稈高于4種木質纖維素草本植物。

　　2.1.2熱值3種作物秸稈中，以玉米秸稈最高，小麥秸稈次之，水稻秸稈最低；3種作物秸稈低于4種木質纖維素草本植物，但是玉米秸稈與雜交狼尾草接近。

　　2.1.3灰分含量和灰熔融性

　?。?）灰分含量。3種作物秸稈中，以小麥秸稈最低，玉米秸稈次之，水稻秸稈最高；小麥秸稈低于4種木質纖維素草本植物；玉米秸稈和水稻秸稈低于雜交狼尾草，高于柳枝稷、蘆竹和荻。生物質原料的灰熔融性以變形溫度、軟化溫度、半球溫度、流動溫度表征[43]。

　　（2）變形溫度。3種作物秸稈中，以玉米秸稈最高，水稻秸稈次之，小麥秸稈最低；3作物秸稈低于柳枝稷、蘆竹和荻，高于雜交狼尾草。

　　（3）軟化溫度。3種作物秸稈中，以玉米秸稈最高，水稻秸稈次之，小麥秸稈最低；玉米秸稈低于柳枝稷，高于蘆竹、荻和雜交狼尾草；水稻秸稈低于柳枝稷、蘆竹和荻，高于雜交狼尾草；小麥秸稈低于4種木質纖維素草本植物，但是與雜交狼尾草接近。

　?。?）半球溫度。3種作物秸稈中，以水稻秸稈最高，玉米秸稈次之，小麥秸稈最低；水稻秸稈高于4種木質纖維素草本植物；玉米秸稈低于柳枝稷，高于蘆竹、荻和雜交狼尾草；小麥秸稈低于柳枝稷、蘆竹和荻，高于雜交狼尾草。

　?。?）流動溫度。3種作物秸稈中，以玉米秸稈最高，水稻秸稈次之，小麥秸稈最低；玉米秸稈和水稻秸稈低于柳枝稷，高于蘆竹、荻和雜交狼尾草；小麥秸稈低于柳枝稷、蘆竹和荻，高于雜交狼尾草。

　　作物秸稈的主要生物質品質與木質纖維素草本植物之間有一定的差異，但是，總體來說，二者的生物質品質接近，作物秸稈是優質的木質纖維素生物質原料。

　　2.2資源潛力

　　全球作物秸稈資源極為豐富，玉米秸稈、大麥秸稈、燕麥秸稈、水稻秸稈、小麥秸稈、甜高粱秸稈、甘蔗渣等7種主要作物秸稈每年的可收集資源總量約為1.5Pg，其中，可收集資源量最多的3種作物秸稈是水稻秸稈(731.3Tg)、小麥秸稈(354.4Tg)、玉米秸稈(203.6Tg)^[46]。

　　理論上，全球作物秸稈可以轉化生產生物乙醇442.0GL，可以替代317.7GL汽油，約相當于當前全球汽油年消耗量的28.8%^[46]。作物秸稈作為生物質原料的資源潛力巨大。

　　關于中國作物秸稈資源潛力，不同年份有差異，不同學者的研究結論亦有不同，2009年為7.48億t^[47]，2014年為8.97億t^[48]。同時，全國作物秸稈資源分布差異亦較大，以河南最為豐富，緊隨其后的為黑龍江、山東、河北、安徽、吉林和江蘇^[48]。

　　3作物秸稈生物質原料可持續利用模式的主要內容

　　作物秸稈是以生產作物主產品為主要目標的傳統農業的副產品，其生產過程是基于耕地的。在農業生態系統管理中開展環境整治、推行輪作休耕、實施用養結合、優化系統結構的基本目標在于實現農業生態系統可持續發展、促進作物主產品可持續生產^[16]，而不是作物秸稈可持續生產與利用。作物秸稈生物質原料可持續利用（圖2）是指在保證作物主產品可持續生產的前提下，實現有效收集與生物質原料的科學供應；其基本要求是在可持續農業耕作管理條件下從田間收集最大可能數量的作物秸稈資源，在此基礎上，科學調控作物秸稈生物質原料需要與肥料還田、傳統農村生活能源、飼料原料、工業原料、食用菌基料等傳統利用方式需要之間的適宜比例；其技術關鍵在于科學分析作物秸稈理論資源量、可收集資源量、作物秸稈生物質原料與傳統利用方式之間的適宜比例，尤其是保證可持續農業耕作管理所需要的作物秸稈還田比例，旨在闡明作物秸稈生物質原料以及傳統利用方式的可持續利用潛力。作物秸稈理論資源量是指收獲成熟作物主產品以后的植株生物量，可由作物產量與草谷比系數相乘得到^[47]；作物秸稈可收集資源量是指在可持續農業耕作管理條件下從田間收集的作物秸稈資源的最大可能數量^[47-48]，可由作物秸稈理論資源量與可收集系數相乘得到^[47]；作物秸稈可收集資源量可以用來表征其可持續利用潛力。

　　作物秸稈是物質、能量和養分的重要載體^[50]，作物秸稈生物質原料可持續利用關乎現代生物質產業發展與資源、環境、農業可持續發展^[51]。作物秸稈富含有機碳、氮、磷、鉀以及中微量元素^[52]，是廉價、優質的有機肥料^[51,53]，同時，作物秸稈還田還可以有效減少地表徑流氮磷鉀的流失量^[54]。因此，是維持土壤肥力質量的最主要方式之一，亦是當前作物秸稈的重要用途^[50]。

　　因此，在作物秸稈生物質原料可持續利用模式中，為促進可持續農業耕作管理，首先需要保證較高的作物秸稈還田比例，加拿大農業及農業食品部學者GuyLafond認為這個比例不應該低于60%^[53]。作物秸稈還田主要通過作物秸稈肥料還田和作物秸稈其他利用方式的副產物還田2種方式實現，前者包括機械粉碎還田、翻壓還田、高留茬還田等直接還田和堆漚還田等間接還田^[51]，后者包括用作傳統農村生活能源過程中產生的灰分還田即燒灰還田^[51]、用作飼料原料過程中產生的畜禽糞便還田即過腹還田^[51]以及用作工業原料、食用菌基料、生物質原料過程中產生的各類副產物還田。

　　在作物秸稈可持續利用模式實證分析方面，蔡亞慶等^[47]的研究較為系統和科學，其研究結果和主要參數受到后人相關研究的多次引用和參考^[48-49]。中國作物秸稈還田、傳統農村生活能源、飼料原料、工業原料、食用菌基料、生物質原料等利用方式之間的適宜比例分別為14.6%、30.7%、24.5%、3.9%、2.3%、23.9%，也就是說，中國將作物秸稈用作生物質原料的比例整體上不宜超過25%；相同利用方式不同區域之間的可持續利用比例有差異，黃土高原區、蒙新區、青藏區、華北區、東北區、西南區、長江中下游區、華南區作物秸稈肥料還田可持續利用比例分別為20.0%、20.0%、20.0%、14.1%、15.0%、15.0%、12.0%、12.0%，生物質原料可持續利用比例分別為7.0%、21.1%、4.8%、21.2%、33.3%、10.0%、30.4%、31.9%，在中國東北區、長江中下游區、華南區，適宜將作物秸稈可收集資源量的30%用作生物質原料進行規?；_發利用，但亦不應該超過35%，而在黃土高原區、青藏區、西南區等生態環境脆弱地區則不宜將作物秸稈用作生物質原料進行大規模開發利用^[47]。

　　4討論

　　4.1作物秸稈生物質原料可持續利用比例

　　作物秸稈是優質的生物質原料，全球作物秸稈的資源潛力巨大，但是，作物秸稈的這種資源潛力不應該視為作物秸稈生物質原料可持續利用潛力。將大量作物秸稈用作生物質原料，看似可以在“不與民爭糧”的原則促進現代生物質產業發展，但是，如果必要的作物秸稈還田比例得不到保證而導致土壤肥力質量下降，將會間接地影響作物主產品可持續生產，就難以實現糧食安全生產與生物質產業發展之間的雙贏^[53]。

　　在現代生物質產業發展過程中，需要控制作物秸稈生物質原料利用比例，須兼顧作物秸稈傳統利用方式的需要，尤其是保證作物秸稈還田比例以促進養分資源循環利用、促進土壤團粒結構形成和保水保肥能力提高，進而滿足作物主產品可持續生產的需要，這樣才符合作物秸稈生物質原料可持續利用模式的基本要求。

　　4.2草本類木質纖維素生物質原料可持續生產模式

　　生物質原料可持續生產模式是可持續發展理論在生物質原料生產和供應領域的科學應用，有利于促進生物質原料的可持續生產。木質纖維素草本植物與作物秸稈同屬于草本類木質纖維素生物質原料，木質纖維素草本植物可持續生產模式^[23]與作物秸稈生物質原料可持續利用模式構成草本類木質纖維素生物質原料可持續生產模式的主要內容。

　　與作物秸稈不同，木質纖維素草本植物屬于以生產植物莖、葉等為主要目標的營養體農業^[55-56]，其生長發育過程是基于邊際土地的^[23]。木質纖維素草本植物可持續生產是指在長期規?；N植過程中，在能源與資源節約、生態環境友好的前提下實現木質纖維素草本植物的優質生產與生物質原料穩定供應；其基本要求是通過實施生態調控與栽培管理，適當控制木質纖維素草本植物生長發育過程的能源與資源投入，維持或提高木質纖維素草本植物的生產潛力，同時維持或提高邊際土地的土壤肥力質量、保護或豐富邊際土地的生態環境多樣性與生物多樣性；其技術關鍵在于在木質纖維素草本植物生長季或生命周期的不同階段科學應用種類篩選、保護性耕作、混合種植、水肥管理、雜草控制、生物質收獲等可持續生產技術，旨在解決木質纖維素草本植物邊際土地長期規?；N植過程的可持續性問題^[23]。

　　木質纖維素草本植物可持續生產模式的實質是，基于可持續發展理論，科學認識和調控生物質原料生產與邊際土地資源可持續利用、環境可持續性之間的關系，既要滿足生物質原料的需要，又不對木質纖維素草本植物的生產功能與生態功能、邊際土地的生態環境多樣性與生物多樣性構成危害；作物秸稈生物質原料可持續利用模式的實質是，基于可持續發展理論，科學認識和調控作物秸稈理論資源量、可收集資源量、各種利用方式之間的關系，既要滿足生物質原料的需要，又不對作物秸稈傳統利用方式，尤其是作物主產品可持續生產的需要構成危害。

　　4.3今后需要開展的研究工作

　　今后，可以基于可持續發展理論探究其他木質纖維素生物質原料可持續生產模式，探究、完善生物質原料可持續生產模式，為中國生物質原料的可持續生產和供應提供理論支持與技術支撐，亦可以探究生物質原料可持續收集儲存運輸模式以及生物質能源與生物基產品可持續生產和利用模式，從而不斷完善生物質產業可持續發展模式。

　　生物質產業可持續發展模式是可持續發展理論在生物質產業領域的科學應用，有利于促進現代生物質產業與農林業和相關工業產業之間的協調統一發展，有利于維護資源可持續利用和環境可持續性，其主要內容來源于生物質產業，又指導生物質產業，隨著生物質產業發展而不斷發展，是一項長期的理論探索與實踐工程。隨著生物質產業發展，需要針對生物質產業中不斷出現的新問題，補充發展新的內容，逐步完善生物質產業可持續發展模式，促進生物質產業可持續發展，進而促進經濟可持續發展和社會可持續發展乃至全球可持續發展。

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