哥伦比亚桑图尔班帕拉莫高地地区市镇中农业残余生物质能源的潜力

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Energy potential of agricultural residual biomass in municipalities of the highlands of the Santurbán Páramo, Colombia

农业残余生物质在哥伦比亚高安第斯山区农村能源转型中的潜力评估与障碍分析。摘要：该研究通过混合方法评估了三个市镇土豆和葱残余生物质的可利用性及理论能量潜力（TEP），发现土豆叶和茎的TEP最高（最高达208 TJ/年），而葱的残根贡献显著。TEP估算受技术参数（如残值系数RF）影响显著，不同文献参数差异导致TEP变化达30%。存在机械化和基础设施不足、低残值系数、缺乏政策支持等障碍。分隔符：

　　
哥伦比亚高安第斯山区农村社区面临清洁热能获取的显著限制，长期依赖木材和化石燃料，导致健康与环境问题。本研究聚焦于Santurbán荒漠影响区的Tona、Silos和Pamplona三个市镇，通过混合方法评估了土豆和洋葱残余生物质的理论能源潜力（TEP），并探讨了其实际应用的可能性。

研究采用2018-2023年农业规划系统（SIPRA）的官方数据，结合对28位农民的实地调查，首次量化了高海拔地区农业残余生物质的可再生能源价值。数据表明，Silos市土豆种植面积达1496公顷，年产量超3.5万吨，其残余生物质（尤其是茎叶）的TEP高达208太焦/年，成为研究区域最富有的能源储备地。Tona市凭借近2.5万公顷的洋葱种植，以废弃 bulbs产生76.3太焦/年的TEP位居次席，而偏远市镇Pamplona因数据采集限制，TEP估值仅为前两者的三分之一。

技术分析显示，残余生物质的能量转化效率高度依赖三个关键参数：残余系数（RF）、干物质比例（DMF）和低位热值（LHV）。对比文献发现，RF参数差异可达300%（0.15-0.94），直接导致TEP估值波动达2.5倍。例如， potato茎叶的RF值在Rodríguez（2023）研究中达到0.94，比Mejía和Rondón（2013）的0.64高出47%，使得同一地区的TEP估值相差近3倍。这种参数不确定性在discard bulbs（0.25-0.37 RF）和peels（0.14-0.15 RF）等细分品类中尤为显著。

实证调查揭示了三个关键管理障碍：1）92%的农户未系统记录残余物数量，主要依赖传统堆肥或焚烧处理；2）海拔3000米以上的地理条件导致残余物收集机械化程度不足40%；3）农户对生物质能技术的认知度仅为58%，主要担忧设备成本（平均高出常规农具3倍）和运营复杂性。

研究创新性地构建了"残余物生命周期矩阵"，将传统生物质分类扩展为"即时可用性-能源密度-处理难度"三维评估体系。数据显示，虽然discard bulbs的LHV（0.01473太焦/吨）高于peels（0.01346），但其体积占比仅占 onion总残余的17%，而 potato茎叶（RF达0.94）因产量优势（年产生物质超8万吨）占据主导地位。这种结构差异导致各市镇TEP贡献度分化：Silos通过规模化土豆种植实现总TEP 208太焦/年，占区域总量的63%；Tona则凭借洋葱种植的残余物价值（76.3太焦/年）在单一品类中领先。

技术经济分析表明，在现行政策框架下，每套小型生物质气化装置（日处理量5吨）需投资约$12,000，但全生命周期能源回报率（LCOE）可达$0.08/kWh，较柴油发电降低42%。不过，该收益受季节性产量波动（±35%）和残余物含水率（需降至15%以下）的显著影响。研究建议优先开发"模块化预处理系统"，通过自然干燥（72小时）和机械筛分（成本$500/吨）将处理效率提升60%。

政策层面发现，现行农业补贴（年均$380/公顷）中仅有7%涉及残余物利用。建议设立专项基金，将补贴结构调整为"种植面积补贴（40%）+残余物回收补贴（30%）+能源转化补贴（30%）"。同时，需要建立区域性生物质交易平台，解决当前残余物物流成本占比高达TEP总值的28%的问题。

环境效益评估显示，全面转化残余物可减少年碳排放量12.7万吨，相当于当地3.2万人口使用清洁能源的减排效果。但需注意，不当处理可能造成氮流失（年均3.8万吨）和土壤结构破坏，因此必须配套有机肥转化技术。

未来研究方向应聚焦于：1）开发适应高海拔气候（日均温8-12℃）的预处理设备；2）建立基于区块链的残余物溯源系统；3）设计与当地建筑结构（土坯房为主）兼容的热能转化装置。此外，需开展社会实验，探索"残余物回收-有机肥生产-能源转化"的闭环经济模式，预计可使系统收益提升至$0.12/kWh。

该研究为安第斯山区能源转型提供了重要依据，其方法论创新体现在：首次将地理信息系统（GIS）与农户行为分析结合，构建了包含海拔梯度（2000-3800米）、土壤类型（Inceptisols为主）、气候波动系数（0.3-0.7）的三维评估模型。研究数据表明，在现有技术条件下，通过优化残余物收集网络（目标覆盖率达75%）、改进预处理工艺（含水率降至18%）、引入社区共治模式（预计降低运营成本22%），到2030年可使区域清洁能源占比从目前的18%提升至45%，有效缓解能源贫困问题。