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我国农业温室气体排放约占温室气体总排放量的16%[1]，农业减排已成为继工业减排后又一重要减排领域，英国气候变化委员会指出，农业碳排放到2050年极有可能成为最大贡献源之一[2]。近年农业农村温室气体减排研究领域迅速发展，引发大量关注，在沼气工程[3]、太阳能工程[4]、土壤林地工程[5]等方面均取得重要进展；伴随农业产业化水平不断提高，集约化、产业化农场与畜牧场大量兴建，为其规模开发提供便利条件的同时也产生大量农业有机废料，其蕴含大量生物质资源的经济高效利用是农村碳减排与能源优化的关键，对其减量化、资源化、无害化处理处置成为极具发展前景的领域。沼气化作为一种优质再生能源生产途径，可将废弃物“变废为宝”，不仅能有效解决秸秆焚烧、畜禽粪便无序排放等带来的农业环境污染，也是实现优化农村能源配置、助力农村农业碳减排、推动农业发展方式转变、促进农村生态振兴等目标的重要抓手。
王艺鹏等[6]从碳足迹角度通过IPCC排放因子法对我国1995至2014年秸秆生物质能源利用碳足迹分析发现：秸秆沼气化燃烧每年可减少2.08×108 tCO2排放。张小平等[7]对甘肃省1993-2011年的农业碳排放进行强度计算，并采用LMDI模型对生产效率、农业结构、经济发展水平和劳动力规模等方面进行了影响因素分析，提出抑制农业碳排放增长的主要因素是农业生产效率观点。袁彧等[8]通过实验室生化甲烷潜力模拟对畜禽粪便规模化沼气工程消化效率、温室气体减排量、经济效益等多方面分析提出了生物质项目后端补贴体系建立的合理建议。迄今为止，河北省主要农作物秸秆与畜禽粪便区域量化核算工作研究尚未见报道，其厌氧消化资源利用潜力与沼气工程建设远期综合适宜性亦不清晰。河北省作为农业大省、京津门户，承担着区域协同环境保护与碳减排责任，近年来大力推进农业碳减排相关工作，《河北省科技支撑碳达峰碳中和实施方案 (2023—2030年) 》[9]中明确指出“研究农业系统固碳增汇和人工干预增强碳汇技术、生物固碳增汇肥料等”，故对河北省农业有机废料可再生利用潜力进行区域特征量化研究极具现实意义。
本研究针对河北省农作物秸秆与畜禽养殖粪便等有机废料，构建农业有机废料沼气化综合评价模型，系统评估农业有机废料沼气化潜力、碳减排规模、环境效益与远景经济适宜性，以期为农业有机废料能源化利用、地区差异化政策制定、区域联动共治体系建立及低碳农村建设提供参考。
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研究区河北省总面积18.88×104 km2，属华北地区，北邻燕山、西环太行山、东接渤海，中部以平原为主，地形地貌丰富，平原、山区分别以冬小麦、夏玉米1年2季、春玉米1年1季种植制度为主；河北省农业农村厅[10]预测2025年肉、蛋、奶产量分别可达全国第四、第二、第二位，生物质潜力巨大。本研究通过构建农作物秸秆、畜禽粪便沼气化综合评价模型来估算传统能源、化肥折算量，再以折算量进行碳减排前景、环境效益评估，最后对生物质收集运输环境进行碳减排核算并以TOPSIS模型评估各地市建设农业有机废料沼气化工程项目综合适宜性 (图1) 。
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根据2021年河北省统计年鉴[11]中主要作物 (小麦、玉米、豆类、薯类、棉花、花生、蔬菜) 草谷比等系数 (表1) 与农作物产量数据计算秸秆资源量R，后根据于IPCC在《国家温室气体清单指南》中提出的计算方法进行生物质潜力估算与理论沼气产量估算。
1) 秸秆资源量计算方法。
式中：Rn为2021年河北省第n种主要农作物秸秆资源总量，kg；Pn为2021年河北省第n种农作物秸秆的产量，kg；kn[12-14]为n农作物的草谷比系数，kg·kg−1。
2) 秸秆理论沼气产量估算方法。
式中：Nn为河北省第n种农作物秸秆理论产沼气总量，m3；Sn[15-16]为第n种农作物秸秆的干物质率，%；gn[17]为第n种农作物秸秆的产气系数，m3·kg−1。
3) 秸秆生物质潜力计算方法。
式中：En为第n种农作物秸秆的生物质能，MJ；W[18]为沼气折标准煤系数，取0.714 kg·m−3；U[19]为标准煤热值系数，取29.307 MJ·kg−1。
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研究将河北省畜禽业主要养殖品类猪、牛、羊、驴、家禽纳入研究范围。以2021年河北省统计年鉴的畜禽数量为准，以畜禽排泄系数与收集系数核算畜禽业有机废料资源总量 (表2) ，后根据干物质含量与产气系数等核算理论沼气产量。
1) 畜禽粪便资源量计算方法。
式中：Ci为第i类畜禽粪便总量，kg；Ni为第i类畜禽养殖量，头；Ti为第i类畜禽饲养周期，d；Pi为第i类畜禽j种粪便排泄系数，kg·头−1·d−1；Hij为第i类畜禽第j种粪便收集系数，kg·kg−1；
2) 畜禽粪便干物质质量计算方法。
式中：Ai为第i类畜禽粪便生物质总量，kg；Gij为第i类畜禽第j种粪便干物质含量，%。
3) 畜禽粪便理论沼气产量估算方法。
式中：Fi为第i类畜禽排泄物理论沼气产量，m3；Ci为第i类畜禽粪便产气因子，m3·kg−1。
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为探究河北省农业有机废料沼气化节碳潜力，根据本研究核算的有机废料理论沼气产量使用沼气折煤系数与天然气折煤系数分别折算其替代标准煤、天然气等传统燃料资源量，再以折算传统燃料折算量按地区天然气、煤炭供应比例燃烧与沼气燃烧产生的温室气体排放量之差描述农业减排潜力[25-26]。农业有机废料沼气化有利于控制农业环境面源污染，减少营养物质无序排放情况。
1) 标准煤折算方法。
式中：SCNn为第n类农作物秸秆沼气化所折算的标准煤资源量，kg。
式中：SCFi为第i类畜禽粪便沼气化所折算的标准煤资源量，kg。
2) 天然气折算量计算方法。
式中：TNn为第n类秸秆沼气化折算天然气资源量，m3；Y[19]为天然气折煤系数，kg·m−3，取1.215 kg·m−3。
式中：TFi为第i类畜禽粪便沼气化折算天然气资源量，m3。
3) 农业有机废料碳减排核算及环境效益评估方法。
式中：EERave为河北地区农业有机废料中位沼气化碳减排潜力，kg；EERmax为河北地区农业有机废料沼气化碳减排潜力上限，kg；ERmin为河北地区农业有机废料沼气化碳减排潜力下限，kg；CO2[19]为标准煤燃烧所产生温室气体排放系数、
$ {\mathrm{C}\mathrm{O}}_{2}'' $ [19]为天然气碳排放系数，分别取2.456 7 kg/kg、2.165 0 kg/m3计；k/L[27]为河北省煤炭/天然气供给比。式中：TE表示农业面源污染总效益，kg；LNn、LPn、LKn为第n种农作物秸秆中N、P、K元素含量，%；LNi、LPi、LKi为第i种畜禽粪便中N、P、K元素含量，%。
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1) 河北省农作物秸秆沼气化潜力。2021年河北研究区域内7种主要农作物的生物质潜力空间分布及理论沼气产量如图所示 (图2、图3) ，宏观看，河北农村地区主要农作物秸秆生物质理论沼气产量可达2.27×1010 m3，生物质潜力巨大，具有较高开发价值。玉米秸秆、小麦秸秆、蔬菜秸秆为河北省秸秆生物质潜力主要贡献来源，占总量的92.64%，其中玉米、小麦作为河北省的主要粮食作物，播种面积大、集约化程度高、需求度高，具有较高的生物质潜力；豆类、棉花虽产量不高，但其草谷比系数较大，产气性能突出；通过查阅近年相关资料，3种主要生物质潜力贡献源中小麦、玉米产量稳定，蔬菜产量有逐年上涨趋势，说明河北省农作物秸秆生物质潜力有上涨趋势。
从空间分布格局上看，生物质潜力沿海地区、山区较低，平原区普遍较高，呈现出由外到内逐渐升高的趋势。邯郸、保定、石家庄为农作物秸秆生物质潜力第一梯队，单地市理论沼气产量可达3.00×109 m3，属于典型待开发区域；第二梯队为邢台、沧州，理论沼气产量分别为2.64×109、2.38×109 m3，2市农作物产量位居中下位，但生物质潜力突出，其原因为小麦、玉米耕种面积在其农耕体系中比重较大，小麦、玉米草谷比、秸秆产气系数高，弥补了秸秆产量劣势；唐山农作物产量位居河北省首位且远超第二梯队，但其秸秆沼气化潜力并不突出，仅为2.17×109 m3，属于中位水平，其原因是唐山主要农作物产量贡献来源为蔬菜，占唐山全部农作物产量75.10%，而蔬菜的草谷比较小导致可沼气化利用能源较少，无法展现出与作物产量对应的沼气化潜力，张家口秸秆沼气化潜力较小原因与此大致相同，为1.28×109 m3；秦皇岛、承德、张家口等秸秆生物质潜力较低，沼气产量大多不足1.00×109 m3，其原因与城市耕地面积密切相关，秦皇岛境内存在大量滨海盐碱地区，承德、张家口山地面积颇广，3市以旅游业为主，种植业相对不发达。
从细分作物分析，玉米小麦的秸秆生物质潜力分布较为相似，其潜力最高的城市邯郸、保定理论沼气产量均达1.20×109 m3，这2种生物质潜力基本分布在河北省西南部，潜力分布较密集，适宜建立大中型沼气化利用基地；棉花、花生秸秆生物势能分布与玉米、小麦大致相同，但其峰值地区存在差异，分别为邢台、唐山理论沼气产量均达1.00×108 m3，开发利用价值相对次之；薯类、豆类与棉花、花生的分布趋势相反，主要分布于河北省西北部，承德地区薯类沼气化潜力最高，理论沼气产量约为2.62×108 m3，石家庄市豆类沼气化潜力最高，相较于薯类，豆类所展现的生物质潜力较低，合计沼气量3.92×108 m3；蔬菜秸秆各市区潜力分布较平均，理论沼气产量均值为4.94×108 m3，可能由于北京地区对蔬菜需求不断增长，河北利用距离北京较近的地理优势，普遍大力发展棚生蔬菜种植业，为北京地区解决了“菜篮子”问题[28]，但大量棚生蔬菜改变了原有生长空间分布规律。
2) 河北省畜禽粪便生物质沼气化潜力。干物质含量是有机废料生物质利用的重要指标，以2021年河北省主要畜禽粪便干物质质量为指标描述各个地市畜禽粪便生物质潜力，各种畜禽粪便生物质潜力空间分布及理论沼气产量如下图所示 (图4、图5) ，从总量看，河北省畜禽粪便沼气化理论产气总量可达3.76×109 m3，其中猪、牛粪便是主要贡献源，占总量67.04%，近10年各类畜禽养殖数量呈平稳上升趋势，畜禽粪便干物质质量可随养殖技术提升与畜牧业集约化发展稳步提升。可推断以牛、猪的集中化养殖为核心的沼气化利用开发是河北省畜牧业与生物质能产业发展的重要方向。
从各地市畜禽粪便沼气化潜力分析，石家庄遥遥领先，理论沼气产量为5.64×108 m3，与陈文秀等[29]研究相同，其畜禽粪便与农作物秸秆理论沼气产量皆为第一梯队；第二梯队为唐山、保定、邯郸、承德沼气产量均达4.50×108 m3；承德虽秸秆生物质潜力位于末列，但其畜禽粪便干物质质量展现出其深厚的牧业底蕴，理论沼气产量可达3.55×108 m3，原因为承德畜牧业发达，养牛业更为突出，牛粪干物质质量约为第二名张家口的1.5倍；沧州、衡水虽有一定秸秆生物质潜力，但畜禽粪便潜力与其他地市相对较低，理论沼气产量约为2.50×108 m3，秦皇岛市秸秆、畜禽粪便理论沼气产量均属末位。
按畜禽种类细分，猪、牛粪便干物质质量总量最为突出，理论沼气产量均达到1.20×109 m3，猪养殖基数大，牛排泄系数高，且在河北省畜禽粪便干物质中占主导地位，相对集中于河北中部地区，规模化利用难度低，宜在其潜力峰值地区唐山、承德开展大型生物质利用项目，逐步映射周围地区。猪与集中于河北东北部的牛、驴粪便干物质质量分布情况大致相反，推测由于河北省关于发展畜牧养殖业区域特色指导意见有关，特色扶持政策、养殖资源、技术等的区域集中对大牲口类的科学分布产生了较大促进作用[30]；羊粪沼气化潜力较低，主要集中于河北西北部，理论沼气产量约为2.83×108 m。
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2021年河北省农作物秸秆及畜禽粪便产气折合传统燃料资源量如表3所示，宏观看，河北省农作物秸秆与畜禽粪便沼气化可折合标准煤约1 887.69×104 t，折合天然气量约为155.37×108 m3，理论可节省5.79%的标准煤或80.92%的天然气消费，按河北省标准煤/天然气供给比推算可节省1 101.00×104 t标准煤与64.74.00×108 m3天然气 (2021年全省标准煤消费量为32 590.00×104 t、天然气消费量为192.00×108 m3，以释放相同热量换算标准煤/天然气供给比为1.4) 。农耕养殖有机废料加以集中沼气化利用后资源量极其庞大，其中农作物秸秆沼气化折合标准煤1 619.66×104 t或天然气133.31×108 m3，起突出贡献作用，但养殖业有机废料利用也将发挥巨大效益，其天然气替代量可抵全省天然气供应量11.51%。
从秸秆有机废料折合传统燃料资源量看，全省大致分为4个梯队，保定、邯郸、石家庄为第一梯队，标准煤、天然气折算水平大致为200.00×104 t、17.00×108 m3；第二梯队为邢台、沧州、衡水、唐山，折算量级区间为150.00×104~190.00×104 t、12.00×108~16.00×108 m3；第三梯队为张家口、廊坊、承德，折算水平约为40.00×104~90.00×104 t、6.00×108~8.00×108 m3。从畜禽粪便有机废料传统燃料折算量可大致分为3个梯队，第一梯队为石家庄、邯郸、唐山、保定，折算量级区间为30.00×104~40.00×104 t、2.50×108~3.50×108 m3；第二梯队为承德、张家口、邢台、沧州，折算区间为20.00×104~30.00×104 t、1.50×108~2.00×108 m3；第三梯队为衡水、秦皇岛、廊坊，折算水平约为10.00×104 t、1.00×108 m3。秦皇岛2类有机废料折算水平均属末位梯队；石家庄、邯郸、保定均位于第一队列，混料、分料开发都可获取巨大能源效益，且密集分布于河北西北部，开发难度小，属极具待开发地区。
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1) 农业有机废料减排潜力分析。沼气能源属于生物质能之一，其开发使用不会导致大气中二氧化碳净积累[31]，虽能源转换中会产生二氧化碳，但在其物质闭路循环中生物质能燃烧释放碳元素与生长过程中吸收的碳相平衡，故二氧化碳净排放为零，故使用沼气能源替代传统化石能源可显著降低碳排放量。2021年河北地区有机废料沼气化代替常规能源燃料可减少二氧化碳排放量如下所示 (图6) 。因某些地市天然气/标准煤需求比不尽相同，为客观准确评估碳减排效能，引入碳减排总量上限、下限、中位值概念，碳减排总量上限即沼气全部用于替代标准煤所产生减排效能；下限则表示沼气全部替代天然气所产生的减排效能，中位值则是以河北省煤炭、天然气供给比折算相同比例的天然气、煤炭所带来的减排效能。结果表明：河北省内可利用生物质沼气化代替常规能源每年可减少4.10×107 tCO2排放量，取全国电网排放因子0.581 0 tCO2/MW·h计算，相当于减少7.06×1010度电力消耗所产生的CO2；减排上限值可达4.64×107 t，2014—2018年河北省森林平均碳汇量为184.44 TgC[32]，其减排量约为全省森林碳汇0.25倍。其中农作物秸秆沼气化可减少3.52×107 tCO2排放量，畜禽粪便沼气化可减少0.52×107 tCO2排放量，若将邯郸、保定、石家庄等头部潜力地市农业有机废料进行沼气化，其碳减排效益相当可观，末位潜力梯队秦皇岛、廊坊、承德地区碳减排也达百万吨量级，可为“双碳”目标做出突出贡献。
2) 环境效益评估。畜牧业快速发展的同时畜禽粪排泄量也逐年增加，已然成为当前农业面源污染主要来源之一。据刘晓利等[33]研究，仅有50%的农业有机废料中的氮素被还田利用，15%的氮素养分挥发损失、22%进入水体污染环境、13%堆置废弃。通过利用农业有机废料沼气化可从源头上控制农业面源污染，防止N、P、K等向土壤和水体过量排放。此外沼渣、沼液富含N、P、K元素可制备有机肥料替代部分化肥使用，减少由于化肥流失而引起的土壤、水体污染问题。2021年河北省农业有机废料沼气化可分别生产N、P、K元素6.05×105、1.29×105、9.67×105 t (图7) ，替代尿素 (N≥46.4%) 13.09×105、过磷酸钙 (P2O5≥12%) 10.75×105、硫酸钾 (K2O≥50.0%) 19.34×105 t，可供150×104 ha有机耕地使用；以每吨2 100元、780元、3 000元计算，每年可减少90.98×108 元化肥资金投入。
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在生物质收集运输系统中，以生物质集中利用厂区为中心，周围设收储点，厂区附近粪便秸秆由厂区直接收集，远端粪便秸秆通过收储点回收后运送至厂区。常规碳排放核算以圆形为辐射点存在收集盲区。本研究对收集范围以矩形接壤划分，实现全面覆盖 (图8) 。假设生物质均匀分布于收集区域，且产量满足生物质再生利用需求。且车型相同，车辆运输能力能够满足收集需求、收储点覆盖范围相同。由于运输路径复杂且路线不确定，无法准确获得行驶距离，因此通过对覆盖区域进行范围积分来估算行驶距离[34]，进而通过油耗计算收集运输的碳排放。
式中：S是生物质收集区域的面积，km2；k是单位面积产量，kg·km−2；Bj是第j类生物质集中收集回收量，kg。
式中：mi是第i环收储点个数，结果取整。
式中：E为收集运输过程中碳排放量，t；O1为收储点回收产生油耗，L/(t·km)；O2为收储点集中运送至厂区产生油耗，L·(t·km)−1；O3为厂区附近生物质收集产生油耗L·(t·km)−1；r为收储点回收范围，m；δo为柴油碳排放系数，kg·L−1；o1、o2为收储点收集车、收储点集中运送至厂区的运输车单位油耗，L·(t·km)−1，取0.67、1.68；T1、T2、T3分别为收储点回收生物质、收储点运输至厂区、厂区收集生物质所需运输次数，次。
式中：t1、t2分别为回收、货运车载重，t，取20、50。
从上述计算中可得知，生物质运输过程及收集范围划分与地区单位面积生物质产量、人均能源使用量有关，以50 000人供应规模外设1环收储点计算，对式 (19) 求极值发现当R1=0.25R时收集运输过程碳排放量E最小，此时收储点个数为12个，河北省2021年人均天然气用量86.14 m3，以河北省单位面积生物质产量代入上式，则可得50 000人规模生物质利用厂区收集范围及运输过程最小碳排放量以及相较于使用天然气将生物质收集沼气化利用所减少的碳排放量 (表4) ，河北省11市各设1座5×104 人供气规模的再生厂以矩形边界收集生物质可减少运输碳排放量9.58×104 t，约为1.65×108度电力消耗所产生的CO2，相当于6.55×104户一档用电家庭年用电量产生CO2排放量。
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TOPSIS模型基本原理是根据一定准则权重，将候选解表现评估为相对于最理想解和最劣解距离后计算各候选解综合评价指数从而确定方案优劣，其关键候选解赋权可以通过层次赋权、专家意见赋权等，研究为克服上述主观赋权随意性、客观性差等缺点，以熵权法赋权对农村有机废料沼气化项目建设适宜性TOPSIS模型[35]进行分析，选取农业发展指数、牧业发展指数等7项指标[36]标准化后对其进行熵权计算，其中前6项指标取自《2021年河北省统计年鉴》，人均潜在沼气拥有量为上文核算所得。选取此7项指标原因如下。第一，温度对有机废料沼气化包括启动时间、发酵过程有很大影响；第二，农牧业发展指数决定了沼气化项目的原料丰裕度；第三，农村人均可支配收入作为此研究的负指标，其原因为人均可支配收入越高代表经济水平越高，对农户的经济功能越低；第四，农村人口所占比重越高，其项目受益面越广；第五，沼气拥有量、化肥使用量越高，其沼气化后所带来的沼气、沼渣沼液经济效益越高，其随农业集约化发展所产生的远景适宜性越佳。熵权法的权重计算地市级沼气工程项目综合适宜度贡献权重排序为人均潜在沼气拥有量 (22.63%) 、化肥使用量 (19.14%) 、农村人口所占比重 (16.73%) 、牧业发展指数 (13.37%) 、农村居民人均可支配收入 (9.80%) 、农业发展指数 (9.56%) 、平均气温 (8.79%) 。
以TOPSIS分析结果聚类将研究区分为三梯队 (图9) 。其适宜性排名与上文根据沼气化潜力分析的潜力排名有细微差别，造成这种差异的原因是包含沼气化潜力在内的，熵权TOPSIS模型还综合了平均温度、农牧业发展程度、城镇化率、农村居民人均可支配收入等决策因素，可用于优化项目布局，挖掘沼气项目经济、生态、社会效用，为河北省未来农村有机废料沼气化项目建设布局提供参考。
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本研究对农业有机废料的生物质潜力及其减排效果、环境效益进行了估算。因雄安新区自成立后至2021年的统计年鉴数据代含于保定市内，加之目前其农业生产规模相比于其他地市较小，但生产技术、集成化速度发展迅猛，为避免核算与实际情况脱钩，其区域相关系数应进行针对性深入调查后确定，故本研究未对雄安新区作单独划分，而是与统计年鉴保持一致，将雄安新区数值包含于保定市内开展研究。河北省农作物秸秆资源种类丰富，以玉米、小麦为主，沼气化潜力的峰值集中于西南部石家庄、保定、邯郸，这与李伟等[37]对河北省农业碳排放绩效中研究结果相一致，其中碳减排主要贡献者小麦、玉米秸秆生物质利用减排达522.80×105 t、597.72×105 t，与肖广敏等[38]对玉米小麦碳减排核算中量几乎一致，张蓓蓓[39]采用COD产沼系数法对规模化养殖畜禽粪便的沼气生产潜力结果显示；河北省产沼潜力位于全国第二位，且畜禽粪便量与产沼潜力约为本研究二分之一，其主要原因是本研究对河北省全域内所有畜禽粪便产量进行了统计，且采用干物质率产沼系数法对结果进行了更新修正；在全国农业碳减排核算视角下姜静[40]、何艳秋等[41]的研究表示河北省农业碳减排水平位于全国第一梯队，以上佐证均说明本区域量化研究的准确合理性与必要性。区别于上述研究，在本研究中更进一步、更精细地在空间尺度、有机废料种类、收集运输、综合适用性等方面上给出了细化评估结果与分布格局。可为河北省农业碳减排转型及生态振兴提供具有针对性的参考。
为确定各种参数取值，本研究收集、整理了已有文献与官方统计资料，并考虑多种因素如草谷比系数、干物质及营养元素含量、热值系数、污染物排放系数等，采用多源信息对比验证以及地理空间异质性方面 (例如畜禽排泄系数、天然气/煤炭供应比) 来确定这些经验参数，但由于目前能源农业技术尚属起步阶段，全国尚未形成完善统一的开发模式与相关系数标准文件，因此可能存在些许偏差。例如全省统一的草谷比系数，不同地市同一农作物的主要品种不同，其植株高度差异造成了草谷比系数可能在一定范围内有所波动，不同运输路线也碳排放也不尽相同；此外不同种猪、种牛繁殖培育后可能造成排泄系数有所变化；收集系数在同一地市集约化水平不一的区县也存在取值波动。不可避免的，目前其他相关领域研究也普遍存在类似不确定性因素[42-43]，若将来可寻得更详细的相关参数，可进一步提高评估精度。
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1) 2021年河北省7种主要农作物秸秆资源估算量为6 041.11×104 t，理论生物质潜力4.75×1011 MJ，理论沼气产量可达2.27×1010 m3，其中玉米、小麦秸秆资源化利用潜力最高，特别在保定、石家庄、邢台等农业重市；5种主要畜禽粪便干物质资源估算量为8 161.23×104 t，理论沼气产量3.75×109 m3，以猪、牛的沼气化潜力为主要贡献来源，主要分布于河北省中西部。
2) 2021年河北省农业有机废料沼气化替代常规燃料能源，相较于燃烧标准煤可减少4 100×104 t碳排放当量，约为全省森林碳汇0.25倍；可替代尿素 (N≥46.4%) 13.09×105、过磷酸钙 (P2O5≥12%) 10.75×105、硫酸钾 (K2O≥50.0%) 19.34×105 t，供150×104 ha有机耕地使用。是助力碳减排目标、控制农村面源污染的可靠途径，是实现农村能源清洁低碳发展、推动能源结构优化、助力乡村生态振兴的重要手段。
3) 对河北省各地市根据矩形收集运输模型进行碳核算，平均满足50 000人能源使用需求的收集矩阵其收集运输最小碳排放量为1 884.71 t，相较于直接使用天然气可减排二氧化碳8 711.09 t；利用熵权法结合TOPSIS模型以河北省农业发展指数、牧业发展指数、农村人均可支配收入等7项指标分析农村有机废料沼气化项目建设远景综合适宜性，最优解前三位为衡水、石家庄、邯郸，适宜布局农村有机废料沼气化项目。
河北省农业有机废料沼气化潜力及碳减排效益研究
Research on the potential of agricultural organic waste anaerobic digestion and carbon emission reduction accounting in Hebei
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摘要: 在国家持续推动双碳目标落地和乡村振兴的大背景下，针对河北省有机废料低碳、高效资源化利用问题，构建了农业有机废料沼气化综合评价模型，开展了沼气量潜力核算、收集运输碳排放、沼气工程项目建设远景适宜性等方面的细分量化评估。结果表明：2021年河北省农业有机废料理论沼气产量巨大，约为2.64×1010 m3，可折算标准煤1 887.69×104 t或天然气155.37×108 m3，但分布趋势总体不均，地市差异较大，邯郸、保定、石家庄处于第一梯队，秦皇岛、廊坊、承德沼气潜力较差；理论沼气产量替代标准煤使用可减少CO2排放量4.10×107 t，同时产生的沼液沼渣用于农用可替代化肥43.18×105 t；结合经济指标、农牧业发展指标分析发现衡水、石家庄、邯郸三地的农业有机废料沼气化工程项目建设远期综合适宜性最佳。本项研究可为河北省农业有机废料处理处置、农村能源结构优化配置、农业绿色低碳发展转型、农村地区碳排放核算等工作提供参考。Abstract: Against the backdrop of the national continuous promotion of the dual carbon goals and rural revitalization, a comprehensive evaluation model for the low-carbon and efficient utilization of organic waste in Hebei Province was constructed. Quantitative assessments were conducted in areas such as biogas potential calculation, carbon emissions from collection and transportation, and suitability of biogas project construction in the future. The results indicated that in 2021, there was a huge theoretical biogas production potential from agricultural organic waste in Hebei Province, estimated at approximately 2.64×1010 m3, equivalent to 18.87 million tons of standard coal or 15.537 billion cubic meters of natural gas. However, the distribution trend was uneven, with significant differences among cities. Handan, Baoding, and Shijiazhuang were in the first tier, while Qinhuangdao, Langfang, and Chengde had lower biogas potential. The substitution of theoretical biogas production for natural Standard coal usage could reduce CO2 emissions by 4.10×107 tons. Additionally, the biogas slurry and residue generated could replace 4.318 million tons of chemical fertilizers for agricultural use. The analysis of economic indicators and agricultural development indicators revealed that Hengshui, Shijiazhuang, and Handan had the best comprehensive suitability for the long-term construction of agricultural organic waste biogas projects. This study will provide references for the disposal and utilization of agricultural organic waste, optimization of rural energy structure, transformation of agricultural green and low-carbon development, and carbon emission accounting in rural areas of Hebei Province.
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图 4 畜禽粪便生物质潜力分布对比
Figure 4. Comparison of biomass potential distribution of livestock and poultry manure
图 5 畜禽粪便理论沼气产量
Figure 5. Theoretical biogas production from livestock and poultry manure
图 6 农业有机废料沼气化碳减排效益
Figure 6. Carbon reduction benefits of biogasification of agricultural organic waste
图 7 农业有机废料沼气化有机肥产量
Figure 7. Agricultural organic waste biogasification organic fertilizer yield
图 8 农业有机废料收集范围简化图
Figure 8. Simplified diagram of the scope of agricultural organic waste collection
表 1 草谷比系数及化学性质表
Table 1. Table of grass-valley ratio coefficientsand chemical properties
项目 小麦 玉米 豆类 薯类 棉花 花生 蔬菜 草谷比系数/(kg·kg−1) 1.33 0.96 1.36 0.42 2.64 0.89 0.32 产气系数/(m3·kg−1) 0.45 0.50 0.40 0.40 0.60 0.40 0.40 干物质率/(%) 85 85 80 80 80 80 80 N含量/(%) 0.65 0.92 1.81 2.37 1.24 1.82 0.87 P含量/(%) 0.08 0.15 0.20 0.28 0.15 0.16 0.14 K含量/(%) 1.05 1.18 1.17 3.05 1.02 1.09 1.94 
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表 2 畜禽粪便养殖参数及化学性质
Table 2. Livestock and poultry manure breeding parameters and chemical properties
项目 猪粪便 猪尿液 牛粪便 牛尿液 羊粪便 羊尿液 驴粪便 驴尿液 家禽 养殖周期/d 199 199 365 365 365 365 365 365 210 排泄系数/(kg·头−1·d−1) 1.93 2.92 23.94 10.52 1.60 0.70 13.70 4.50 0.15 收集系数/% 90 90 60 60 60 60 60 60 60 产气因子 P/(m3·kg−1) 0.42 042 0.30 0.30 0.21 0.21 0.35 0.35 0.49 干物质含量/% 19.00 0.50 20.00 0.40 30.00 0.60 25.00 0.25 27.50 N含量/% 0.23 0.23 0.44 0.44 0.90 0.90 0.50 0.50 1.03 P含量/% 0.50 0.50 0.20 0.20 0.30 0.30 0.30 0.30 1.10 K含量/% 0.35 0.35 0.91 0.91 1.32 1.32 1.05 1.05 1.61 注：本表数据综合取自中国有机肥料养分志[16]、畜禽养殖业产污系数与排污系数手册[20]、王立刚[21]、王方浩[22]、张敏[23]、田宜水[24]等研究。
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表 3 传统燃料折合量
Table 3. Equivalent traditional fuel consumption
地区 秸秆理论沼气产量折合标准煤/ (104 t) 畜禽粪便理论沼气产量折合标准煤/ (104 t) 农作物秸秆理论沼气产量折合天然气/
(107 m3)畜禽粪便理论沼气产量折合天然气/
(107 m3)石家庄市 204.88 40.37 168.63 33.23 承德市 77.15 25.35 63.50 20.87 张家口市 91.80 22.55 75.55 18.56 秦皇岛市 42.23 11.62 34.76 9.57 唐山市 154.87 33.68 127.46 27.72 廊坊市 83.76 9.63 68.94 7.93 保定市 219.40 31.82 180.58 26.19 沧州市 170.14 19.40 140.03 15.97 衡水市 167.98 17.18 138.26 14.14 邢台市 188.93 21.12 155.50 17.38 邯郸市 218.51 35.31 179.85 29.06
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表 4 50 000人供气规模下再生厂收集范围及碳减排量
Table 4. Collection range and carbon emission reduction of recycling plants under the gas supply scale of 50,000 people
地区 单位面积生物质产量/(t·km−2) 收集面积/(km2) R/m R1/m 运输最小碳排放量/t 替代天然气碳排放量减少量/t 石家庄市 571.56 13.40 2 360 590 135.52 8 839.60 承德市 106.24 72.09 5 480 1 370 319.23 8 180.82 张家口市 126.84 60.38 5 020 1 250 291.26 8 281.10 秦皇岛市 274.73 27.88 3 410 850 196.22 8 621.92 唐山市 544.95 14.05 2 420 600 138.82 8 827.79 廊坊市 557.61 13.74 2 390 600 137.22 8 833.52 保定市 424.22 18.05 2 740 690 157.50 8 760.79 沧州市 510.03 15.02 2 500 630 143.53 8 810.90 衡水市 762.17 10.05 2 050 510 117.25 8 905.11 邢台市 606.19 12.63 2 290 570 131.57 8 853.78 邯郸市 770.71 9.94 2 030 510 116.60 8 907.46
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