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中国玉米秸秆利用的环境影响评价
洪景兰a,*,1，李俊仁a,1，景敏红b，徐长青a
（a山东大学环境科学与工程学院水污染控制与资源化利用重点实验室，济南，250100
b辽宁石油化工大学经济管理学院，辽宁省抚顺市万华区丹东西路1号，辽宁抚顺，113001）
摘要：研究了2011年中国玉米秸秆露天焚烧产生的排放和潜在环境影响，为政策制定者提供了预防和减少玉米秸秆焚烧造成的环境负担所需的信息。结果表明，2011年玉米秸秆露天燃烧产生的直接CO2，NOx，SO2和PM分别占国家CO2，NOx，SO2和粉尘排放的0.12％，0.73％，7.15times;10-3％和2.16％。空气污染物及其潜在的环境负担主要来自中国东部，中国东部的收入和农村人口密度相对较高。 从环境的角度来看，堆肥技术相对于返回田间、饲料、沼气和发电的技术是秸秆作为资源的最有效利用，因为它能够替代人工合成的肥料。
关键词：稻草；露天焚烧；空气污染物；环境影响；比较生命周期评估
1简介
由于人口大量增长和工业化，全球粮食产量大幅增加，粮食残留量急剧增加。例如，中国的谷物残渣年均增长率约为4％（赵等，2008）。谷物残渣是许多亚洲国家重要的生物质资源，传统上被农民烧毁，作为收获后摧毁谷物残渣的便捷方式（Tipayarom和Oanh，2007；韦等，2010）。据王和张（2008）报道，在中国东部和南部的大部分省份，超过30％的秸秆材料被烧毁。秸秆燃烧释放出黑色烟气中的碳颗粒，氮氧化物，二氧化硫，二氧化碳，一氧化碳和多环芳烃（PAHs），从而导致严重的大气质量恶化（张，2009）、营养物质损失（如氮，硫，磷和碳）和人类健康危害（Torigce等，2000；张等，2009a）。秸秆焚烧释放的污染物已经成为一个需要解决的全球环境问题，因为来自东亚的污染物可以跨越太平洋（张等人，2008）。为了促进国家空气质量和可持续废物管理，秸秆燃烧产生的气体排放（言等人，2006；张等人，2008,2011）和秸秆资源再利用在中国得到了广泛的研究（梁等人，2012；刘等人，2012）。然而，从环境角度对秸秆焚烧的全国潜在环境影响以及各种秸秆利用技术的比较分析进行了有限的研究工作。目前，中国政府非常重视解决秸秆焚烧对大气污染的防治问题（中国国务院，2014）。从2014年4月起，严格禁止秸秆焚烧国家。因此，秸秆焚烧和利用所产生的当前环境负担必须首先控制空气污染，了解和预测秸秆焚烧的潜在环境影响，并设计可持续的秸秆管理方法。
生命周期评价（LCA）是一种系统的方法，通过识别、量化和评价在其生命周期内释放到周围区域的所使用的能源、材料和废物的影响来量化与某种产品、过程或活动相关的环境负担、周期。目前，这种方法不仅用于过程改进，还广泛用于生态标签计划、战略规划、营销、消费者教育和产品设计的评价。秸秆的环境影响已经通过LCA方法得到了广泛的研究（Gabrielle和Gagnaire，2008）。然而，先前的研究主要集中于生物质的单次使用或应用，从而阻止了生物质的不同用途之间的比较。此外，中国现有的LCA研究报告没有报道秸秆露地燃烧和利用技术与相同系统边界和分配方法的完整比较。
本研究调查了玉米秸秆露天焚烧产生的环境影响，为决策者提供有用的信息，获得补充的环境数据，并最大限度地减少玉米秸秆露天焚烧产生的烟雾。 此外，使用LCA评价秸秆产品完全不同应用的环境影响，以表征中国秸秆产品的环境影响，确定提高秸秆应用效率的重要潜力，并鼓励合理决策关于秸秆作为资源的有效利用。
2方法
2.1玉米秸秆产生的空气污染物在中国开放燃烧
为了评价中国玉米秸秆燃烧产生的空气污染物，根据2011年中国农业统计数据，利用稻草和作物产量，估算了国家和省级秸秆产量（中国农业统计年鉴，2012）比。玉米作物生产中干残留物的比例用于估算秸秆燃烧量（中国自然资源数据库），然后根据一个地区内秸秆燃烧的比例值估算国家和省级秸秆焚烧量。云南，贵州，江西，湖北，四川和重庆的露天秸秆焚烧与秸秆生产之比为10.7％。在黑龙江，吉林，辽宁和内蒙古，这一比例为11.8％。在新疆，西藏，青海，甘肃和宁夏，这一比例为16.4％。山西，河南，陕西，河北，北京，天津和山东的比例为16.5％。江苏，安徽，浙江，上海和福建的比例为31.9％。在湖南，广西，广东和海南，这一比例为32.9％（王和张，2008）。
秸秆焚烧的国家和省级空气污染物用方程式（1）估算。
（1）
其中，Q，C，E，F，r和i分别代表来自的空气污染物的数量、秸秆燃烧估计燃烧量、秸秆焚烧的效率、空气污染物的排放因子、区域和秸秆类型。玉米秸秆燃烧排放的大气污染物排放因子（即CO，CO2，CH4，NOx，SO2，PAHs，PM）来自参考文献（表1，曹等人，2007；张等人，2011）。玉米秸秆在田间燃烧的效率为0.917（张等人，2008）。
2.2 秸秆焚烧与秸秆利用技术的比较分析
2.2.1 功能单元
为了提供所有其他相关输入和输出的量化参考，选择处理1吨玉米秸秆作为功能单元。所有基础设施，原材料，直接排放，废物处理和能源消耗水平都基于这个功能单元。
表1 玉米秸秆燃烧产生的气体污染排放因子
|
化学物质 |
单位 |
玉米 |
参考文献 |
|
CO |
g/kg |
70.2 |
Cao et al.,2007 |
|
CO2 |
g/kg |
2200.2 |
|
|
CH4 |
g/kg |
1.75 |
|
|
NOx |
g/kg |
3.36 |
|
|
SO2 |
g/kg |
0.03 |
|
|
PM |
g/kg |
5.26 |
|
|
萘 |
mg/kg |
0.28 |
Zhang et al., 2011 |
|
苊烯 |
mg/kg |
- |
|
|
苊 |
mg/kg |
0.19 |
|
|
芴 |
mg/kg |
0.02 |
|
|
蒽 |
mg/kg |
- |
|
|
菲 |
mg/kg |
0.01 |
|
|
荧蒽 |
mg/kg |
0.02 |
|
|
芘 |
mg/kg |
0.01 |
|
|
苯并(a)蒽 |
mg/kg |
0.01 |
|
|
䓛 |
mg/kg |
0.02 |
|
|
苯并（a）芘 |
mg/kg |
- |
|
|
苯并（b）荧蒽 |
mg/kg |
- |
|
|
苯并（k）荧蒽 |
mg/kg |
0.01 |
|
|
苯并(g,h,i)芘 |
mg/kg |
0.03 |
|
|
茚并(1,2,3-cd)芘 |
mg/kg |
0.05 |
|
|
二苯并(a,h)蒽 |
mg/kg |
- |
2.3系统边界
通过从摇篮到门的方法建立系统边界（图1）。本研究考虑了中国六种常用的情景，即回归田间，露天焚烧，堆肥，饲料，沼气和电力。基于秸秆的生物乙醇生产被排除在外，因为中国的纤维素乙醇生产尚未实现工业化。所有这些情景都涉及直接空气排放（例如，一氧化碳，甲烷，二氧化硫，颗粒，氮氧化物和多环芳烃），柴油消耗，煤基电力生产和原材料的公路运输。对于堆肥，沼气和电力情景，其他过程包括公路运输和秸秆处理，而固体废物作为肥料的再利用涉及露天焚烧，沼气和电力情景。此外，电力情景中还考虑了废水的报废处理。但是，玉米秸秆种植被排除在外，因为这一过程在所有情景中都很常见，由于缺乏关于现有秸秆资源利用情景的详细信息，每种情景中也排除了基础设施。对于除返回现场以外的所有情景，额外的过程涉及玉米秸秆收集。秸秆燃烧和资源利用阶段的二氧化碳排放量也从清单中省略，因为秸秆被认为是生物来源。同时，包括以甲烷释放的生物碳。生命周期清单分析用于比较各种秸秆利用技术对相同边界的环境影响。场景的效果是每个过程产生的效果的总和。表2和表3分别显示了本研究中考虑的每种情景的主要特征和清单结果（曹等人，2007；张等人，2011； 李，2011；常等人，2012；王等人，2008；江等人，2011；赵等人，2010）。
图1 系统边界
2.4生命周期影响评价
因为该模型响应了覆盖整个世界的区域化影响评价的需要,使用IMPACTWorld 方法（Plouffe等，2012）在中点和终点水平计算生命周期影响评价（LCIA）结果。该方法是IMPACT2002 （Jolliet等，2003）、EDIP（工业产品环境设计，Hauschild和Potting，2003）和LUCAS（Toffoletto等，2007）的结果的组合，其考虑了15个中点影响类别（即全球变暖、土地占用、化石能源利用、矿产资源利用、水资源利用、陆地酸化、水生富营养化、海洋富营养化、水生生态毒性、呼吸无机物、呼吸有机物、致癌物质、非致癌物质、电离辐射和臭氧层消耗）和两个终点类别（即人类健康和生态系统质量）。 IMPACTWorld 的详细方法和完整特征因子可在网站上获得（http：// www.mactingworldplus.org/en/download.php）。此外，还要检查IMPACTWorld ，IMPACT2002 （Jolliet等，2003），Recipe Endpoint（H）（Goedkoop等，2009）和生态指标99（H）（Goedkoop和Spriensma，1999））结果的稳健性，通常可用于LCA分析比较。
表2 本研究中考虑的特征因素
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参数 |
单位 |
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