《1 前言》

1 前言

 原料是生物质产业之本，一则生物质原料主要依靠本土，再则产品依原料而定和原料因地域而异。凡生物质皆为资源，而原料资源是指其中可以经济收集与利用的部分。生物质原料资源研究是个新领域，概念和边界不尽清晰，研究方法也不成熟，文章是一次研究尝试。

《2 研究进展与方法》

 2 研究进展与方法

过去的一些研究比较零星，且多注重于某一国家或地区的退化土地和多余农田的生物质原料的产出潜力分析，估算结果相当悬殊。 2004 年荷兰乌德勒支大学 Edward Smeets 等对 2050 年全球生物质原料资源的预测是一项全球性和系统性的专门研究 [1] 。其选择的原料对象是专用能源作物、农业废弃物、农林加工剩余物、畜禽粪便及城市有机废弃物等，使用的是 Image 模型。研究设计中根据不同土地利用类型和生产模式，并考虑到水分供应（雨养 / 灌溉）、技术水平、饲料转换效率等多种生产条件和要素，从低产出到高产出设计了 4 种情景，即 ms（勉强适宜土地）、MS（一般适宜土地）、S（适宜土地）、 VS（最适宜土地）。全球 2050 年 4 种情景的生物质原料年产出潜力（按标煤计）分别为 93.26 亿 t、 175.26 亿 t、401.76 亿 t 和 502.54 亿 t，是 2005 年世界石油消费量（38.37 亿 t）的 1.7 ~9.1 倍，各大洲和地区的产能潜力如图 1 所示。

《图1》

注：每组条状图从左至右依次为情景 1 至情景 4 土地情况，即依次为 ms，MS， S， VS

图1 2005 年全球十大区域生物质能源生产潜力预测[1] （单位：EJ· a-1）

Fig.1 Productivity potential forecast of biomass energy in global 10 regions in 2005[1]

（unit：EJ· a-1 ）

2005 年美国能源部与农业部向美国国会提交了一份题为“作为生物能源和生物基产品行业原料的生物质：年供应 10 亿 t 的技术可行性研究”的报告 [2] 。报告是为实现 2030 年以生物质燃料替代目前石油消费总量 30 %的目标，美国本土能否年提供 10 亿 t 生物质原料的一次论证。研究结果显示，美国本土具有 13.7 亿 t 生物质原料的年产出潜力，其结构以农林等有机废弃物及多年生纤维素能源植物为主，七成来自农业，三成来自林业（见图 2）。

《图2》

图2 美国年产出 13.7 亿 t 生物质原料的构成[2]

Fig.2 Composition of biomass feedstock of annual output about 1.37 billion tons in the U.S.[2]

笔者于 2006 年主持中国工程院可再生能源重大咨询项目中的生物质能源专项的战略研究[3] ，最近出版了《决胜生物质》 [4] 一书，文章是在此基础上撰写而成。采取的研究方法是先选择原料，后确定其资源量和可经济收集量，再作资源整合及汇总。选择的原料资源一是有机废弃物，包括作物秸秆、林业剩余物、畜禽粪便、林业采伐及加工剩余物、育林剩余物、工业有机废弃物以及城市有机垃圾等 6 类；二是可能利用的边际性土地，包括宜垦和宜林的荒地、现有的能源林地与农地。边际性土地产能潜力估算是在不同类型土地与其相适应的原料植物整合后得出的。

 研究中虽尽力收集整理了已有资料，但资料出处、年代、统计方法不尽相同，完整性也不够。此研究结果是初步的，但从中能够看出中国生物质原料资源的基本面貌。

《3 有机废弃物的原料资源量》

3 有机废弃物的原料资源量

《3.1 作物秸秆》

3.1 作物秸秆

用“谷草比”估算作物秸秆资源量可以做到相当准确。根据 2007 年全国九大作物产量得出的秸秆总量是 7.04 亿 t，总产能是 3.55 亿 tce（见表 1）。排在前三位的是玉米、小麦和稻谷，分别为 3.05亿 t、1.49 亿 t 和 1.16 亿 t；其热值（标煤）分别约为1.61 亿 t、0.75 亿 t 和 0.50 亿 t。作物秸秆的集中产区与主要粮食产区一致，按省份的前五名排序是河南 >山东 >黑龙江 >河北 >吉林。作物秸秆的现去向有还田、饲料、工业原料、薪柴和露地焚烧 5 项，所占份额的有关专项研究结果见表 2。文章所用的秸秆资源的能源利用系数是 0.6。

《表1》

表1 2007 年九大作物的秸秆产量及产热量

Table 1 Straw yield and the equivalent energy amount of 9 crops in 2007

注：作物产量引自文献[5] ；甘蔗秸秆仅为叶部；折标煤系数引自文献[6]

《表2》

表2 关于农作物秸秆去处的资料汇集

Table 2 Collected date for utilization of crop residues

注：标*的数字为存栏量

《3.2 林业剩余物》

3.2 林业剩余物

 林业剩余物包括森林采伐剩余物、木材加工剩余物及清林育林剪枝剩余物。据第六次森林资源清查报告等资料，全国木材采伐和加工剩余物资源量实物量为 7 760 万 t，折标煤 4 423 万 t。薪炭林、用材林、防护林等的育林剩余物年产出为 4 813 万 t，折标煤为 2 743 万 t。二者合计12 573 万 t 和折标煤 7 166 万 t。此数值稍低于文献[10] 的数据（薪材年合理采伐量约 1.58 亿 t，折 9 006 万 tce）和国家林业局 2008 年提出的数据（采伐造林剩余物1.1 亿 t，木材加工剩余物 3 000 万 t，废旧木材 6 000 万 t，”三剩物”总量约 2 亿 t）[11] 。文章采用的是笔者综合整理的，也是数值最低的年产出（12 514 万 t 和折标煤 7 166 万 t）。

《3.3 畜禽粪便》

3.3 畜禽粪便

畜禽粪便原料资源的来源主要是牛、猪和鸡，整理步骤是:饲养周期—每头排粪量—年出栏量—粪便资源量—可收集资源量—折标煤量，所得结果见表 3。 2007 年畜禽粪便实物量为 1 2.47 亿 t，可开发量为 8.84 亿 t，其中牛、猪、鸡分别为 4.64 亿 t、3.39 亿 t 和 0.80 亿 t，折算的年产能（标煤）分别为 3 934 万 t、2 909 万 t 和 4 139 万 t，合计为 1.098 3 亿 tce。畜禽粪便资源量最丰富的 6 个省份的排序是河南 >山东 >河北 >四川 >湖南 >云南。畜禽粪便的收集和利用方式对资源的可收集程度关系很大，猪多为家庭圈养，无效资源可忽略不计，牛与鸡的可收集率与规模化饲养程度关系较大。

《表3》

表3 2007 年牛、猪、鸡排粪量及可开发资源量

Table 3 Feces amount and available resource amount of excretion of cattle， swine and chicken in 2007

注：标*的数字为存栏量；标煤折算系数根据《中国能源统计年鉴》中的《各种能源折标准煤参考系数》

《3.4 工业及城市有机废弃物》

3.4 工业及城市有机废弃物

食品 /农产品加工业的有机废水废渣和城市污水是重要的有机物污染源，也是生物质原料资源。轻工业中的谷类磨品、植物油加工、制糖、屠宰、水产加工、菜果加工、食品加工、淀粉、酒精、食用酒、造纸等 11 种行业 2007 年的工业产值为 2.97 万亿元，占同年轻工业产值的 39 %。有资料估计，中国农产品加工产生的有机废弃物可生产 500 亿 m3 沼气，相当于 3 500 万 tce 的产能[12] 。全国生活垃圾清运量 1.52 亿 t（约含有机垃圾 30 %），设可用率为 10 %，可用资源量为 0.16 亿 t，折标煤 250 万 t。据资料统计，2000 年城市垃圾填埋量 1.2 亿 t，可产填埋气约 90 亿 m3 。 2007 年我国工业和城市污水每年排放总量 557 亿 t，所含 COD（化学需氧量，chemical oxygen demand）总量接近 2 000 万 t，可产沼气 110 亿 m3 。

《3.5 有机废弃物原料资源总汇》

 3.5 有机废弃物原料资源总汇

 表 4 为 2007 年我国主要有机废弃物的年产生量、可用量及按标煤折能的数据。全国有机废弃物的年实物产出量是 18.66 亿 t，可用实物量是 11.65 亿 t，折标煤 3.83 亿 t，相当于 2007 年全国一次性能源消费总量的 1 /7。有机废弃物中 75.7 % 源自农业，16.1 %来自林业，工业加工和城市的产出占 8.2 %。按年产能多少的排序是：作物秸秆 > 畜禽粪便 >采伐及加工剩余物 >工业有机废弃物 > 育林剩余物 >城市有机垃圾。

《表4》

表4 2007 年中国主要有机废弃物的年产生量、可用量及按标煤折能

Table 4 Annual productions, available quantity and equivalent energy of major organic wastes of China in 2007

《4 可能源用的边际性土地资源》

4 可能源用的边际性土地资源

 “边际性土地”原是经济学概念，在此是指不能用于粮食生产而可以种植抗逆性强的能源植物的荒地和低质农田。

《4.1 荒地中的宜垦地》

4.1 荒地中的宜垦地

据国土资源部报告，“中国未被利用的土地为 24 509 万 hm2 ，其中可利用而尚未利用的面积占 24.6 %，其余为难利用的土地” [13] 。其后又给出了可利用而尚未利用的土地面积是 8 874 万 hm2 和“8 874 万hm2 的可利用后备土地中，自然条件相对较好的宜农后备土地面积为 734.4 万 hm2 “ [14] 。 2009 年农业部针对可用于发展液体燃料的宜能荒地资源进行了一次以县级为单位的专项调查[15] ，其总面积为 2 680 万 hm2 ，比较集中和可列为重点开发对象的地区有 8 片（见图 3 ），文章采用的是最新数据 2 680 万 hm2 。

《图3》

图3 中国宜能荒地的 8 个重点开发区[14]

Fig.3 Eight focused areas of wasted land for tapping bioenergy in China[14]

《4.2 荒地中的宜林地》

4.2 荒地中的宜林地

据国家林业局的报告，宜林地是指坡度在 25 °以下的“荒山荒坡“和沙荒地，面积为 5 704 万 hm2 [16] 。区域分布上，西南区、蒙新区和黄土高原区分别占 24 %、23 %和 18 %。宜林后备土地多为土质丘陵和中低山地，面积大、分布广、开发潜力大，特别是在水热条件良好的西南、华北和黄土高原。在宜林后备土地中，将”宜林沙荒地”单独提出，是因为它不仅可以发展旱生灌木林，还可以与防风治沙的生态治理工程相结合。我国科尔沁沙地、毛乌素沙地、浑善达克沙地和呼伦贝尔沙地这四大沙地的面积为 10.3 万 km2 [17] 。国家林业局 1994— 1998 年”全国森林资源调查”报告中提出的宜林沙荒地面积为 700.3 万 hm2 ，其中内蒙古 377.4 万 hm2 ，甘肃 119.6 万 hm2 ，陕西 75.2 万 hm2 和宁夏44.9 万 hm2 。

《4.3 现林地中的能源林地》

4.3 现林地中的能源林地

现林地中的能源林地主要是指薪炭林、木本油料林和灌木林。据 2009 年第七次全国森林资源清查报告，天然薪炭林面积 145.33 万 hm2 ，人工薪炭林面积 29.40 万 hm2 ，合计 175 万 hm2 [17] 。油料林面积 343 万 hm2 ，灌木林面积 5 365 万 hm2 [18] 。根据国家林业局 2009 年资料，至 2020 年全国能源林培育总规模可发展到 1 300 万 hm2 ，木质能源林 890 万 hm2 ，其中新造 450 万 hm2，改造 440 万 hm2 ；油料能源林 410 万 hm2 ，其中新造 350 万 hm2 ，改造 60 万 hm2 。每年可提供 5 400 万 t 干物质，相当于 3 000 万tce 和年产出 670 万 t 生物柴油。

《4.4 现农地中的可能源用地》

4.4 现农地中的可能源用地

 除粮棉油糖烟茶等主要农作物用地外的低质低产农田可作为发展能源作物的潜在边际性土地资源。国土资源部的较早资料是: “截至 1996 年 10 月，中国 13 004 万 hm2 耕地中有低产田 5 024 万 hm2 ，占耕地面积的 41 %。”[13] 国土资源部 2009 年发布的资料中，将全国耕地分为 15 等，排在末三等即 13 ~15 等非粮地的面积为 2 091 万 hm2 。文章采用的是 2009 年数据并简化为 200 万 hm2 。导致这些农田低产的原因，一是自然条件和土质差，如沙地、粘土地、盐碱地、瘠薄地、旱地、渍涝地等；二是因为产量低而不稳，农民不愿意投肥投工，管理粗放。薯类、高粱、菊芋等能源作物具有很强的抗逆性，新的能源用途可以大大提高其经济性和农民投工投肥的积极性。

《4.5 现边际性土地资源总汇》

4.5 现边际性土地资源总汇

表 5 为中国可供生物质原料生产的边际性土地资源情况，即可能源用的边际性土地面积为 16 374 万 hm2 ，其中荒地型边际性土地面积 8 491 万 hm2 ，占 51.9 %，现有型边际性土地面积 7 883 万 hm2 ，占 48.1 %。其中宜农的边际性土地与宜林的边际性土地分别占 29.2 %和 70.8 %。区域分布上北部和西部多，东部和南部少。图 4 形象地给出了全国农田、林地和荒地资源的总貌及可能源用边际性土地在其中的位置与比重。

《表5》

表5 中国可供生物质原料生产的边际性土地资源（单位：万 hm2）

Table 5 Marginal land resource suited for producing biomass feedstock in China （unit：10 thousand hectare）

《图4》

图4 可供生物质原料生产的边际性荒地、林地和农地资源（单位：万 hm2 ）

Fig.4 Sizes of wasted land， woodland and arable land available for producing biomass feedstock （unit：10 thousand hectare） 

《4.6 可能源用土地资源的产能潜力》

4.6 可能源用土地资源的产能潜力

 不同类型土地适合发展不同原料植物，可粗略地提出 4 种组合:宜农边际性土地 -甜高粱 /薯类组合、宜林荒山荒坡 -能源林组合、宜林沙荒地 -能源灌木林组合，以及现能源林地 -薪炭林 /灌木林/油料林组合。中国主要能源植物的分布及单位产出见表 6，经整合后的资源潜力是:在 16 374 万 hm2 边际性土地上种植相应能源植物的产能潜力为 54 974 万 tce，其中农业边际性土地产能 22 140 万 tce，占 40.3 %，林业边际性土地产能 32 834 万 tce，占 59.7 %（见表 7）。

《表6》

表6 主要能源植物的分布及单位产出

Table 6 Distribution and the unit output of major biomass plants

注：按燃料乙醇的低位发热量为29734KJ/kg 计，1ｔ 乙醇的发热量相当于 １tce

《表7》

表7 中国边际性土地及相应原料植物产能
Table 7 Potential energy output of biomass plants of China’s marginal land

注：适种能源植物中的比例分配是估计数；单位产出参数引自表 ６；产能潜力取中间值

《5 生物质原料资源总汇》

5 生物质原料资源总汇

将以上 6 类有机废弃物资源与经整合后的 6 类边际性土地的产能总汇于表 8，可从中看到中国生物质原料资源的全貌。即按 2007 年生物质产出现状与潜力，生物质资源的年产能潜力为 9.32 亿 tce，其中有机废弃物 3.83 亿 tce，边际性土地 5.49 亿 tce，分别占 41.1 %和 58.9 %。排在前 5 位的产能潜力大户依次是:宜农荒地（2.21 亿 tce，占 23.7 % ）、作物秸秆（2.13 亿 tce，占 22.9 % ）、宜林荒地（1.75 亿 tce，占 18.8 % ）、现灌木林（1.40 亿 tce，占 15.0 %）和畜禽粪便（0.77 亿 tce，占 8.3 %）， 5 项合占产能潜力总量的 88.7 %。9.32 亿 t 产能中其中 61.2 %来自农业， 38.8 %来自林业；有机废弃物产能的 83.8 %来自农业，边际性土地产能中 60 %来自林地。

《表8》

表8 中国生物质原料资源总汇（按 2007 年产出量）

Table 8 Overall amount of various biomass feedstock in China （based on output in 2007）

笔者用国家权威部门对中国农林业发展的需求和产量预测指标（2030 年）[19 ,20] 反推了作物秸秆、畜禽粪便和能源作物产量三项的增长量，三者分别新增产能 1.37 亿 tce、0.45 亿 tce 和 0.57 亿 tce，共计 2.39 亿 tce。即由 2007 年的年产能潜力 9.32 亿 tce 提高到 11.71 亿 tce。图 5 是 2007 年中国生物质原料资源的状况与 2030 年增量情况。

《图5》

图5 中国 2007 年生物质原料资源的状况与 2030 年增量

Fig.5 Situation of biomass resources in 2007 and the increment amount in 2030

不同生物质原料适合转化加工为不同产品。经原料与产品间的搭配与组合，11.71 亿 tce 中的 39.2 %，即具有 4.59 亿 tce 产能的生物质原料宜用于生产液体燃料以替代石油；47.7 %即具有 5.59 亿 tce 产能的生物质原料宜用于转化固体燃料供热发电以替代燃煤；13.1 %即具有 1.53 亿 tce 产能的生物质原料宜用于生产气体燃料以替代天然气。其中稍作处理的是将作物秸秆的一半用于转化纤维素乙醇，另一半用于固体燃料（见图 6）。

《图6》

图6 中国生物质原料资源与相应产品整合后对化石能源的替代能力

Fig.6 Overall situation of China's biomass resources and the capability of replacing fossil fuels once they are integrated to relevant energy products

《6 结语》

6 结语

1）中国生物质原料资源十分丰富，其产能相当于现全国能源消费总量的 30 %左右。

2）按产能计，中国生物质原料的 48.3 %来自农林废弃物（5.65 亿 tce），51.7 %来自边际性土地上的能源植物（6.06 亿 tce），或 66.7 %来自农业， 33.3 %来自林业。

3）农林废弃物是资源的循环和再利用，边际性土地是土地资源利用的延伸，二者都是新开发的资源，产品是新开发的产品，不存在与传统产业争夺原料与市场。

4）根据不同生物质原料适合加工不同产品的原则，中国生物质原料可替代 4.59 亿 tce 的石油、 5.59 亿 tce 的煤炭和 1.53 亿 tce 的天然气，可年减排 CO2约 20 亿 t。

5）中国幅员辽阔，自然条件复杂，生物质原料种类繁多和分散，宜形成以地域和原料为基础和导向的，原料多元化和产品多元化的发展战略；建议采取液体、固体和气体燃料并举，生物燃料与生物基产品并举的方针，在全国形成以中小型加工厂为主、分布式的生物质产业布局和网络。