综述：印度剩余作物秸秆生产生物炭的潜力的空间变化

本文聚焦印度作物秸秆焚烧问题，通过研究多种作物数据，估算了剩余作物秸秆生产生物炭的潜力及其固碳能力的空间变化。研究发现部分地区潜力大，生物炭应用能减少温室气体排放，但面临与其他利用方式的竞争，为相关政策制定提供参考。

　　

1. 引言

在印度，收获后焚烧作物秸秆是一个严峻的环境问题，尤其是在西北各州（旁遮普邦、哈里亚纳邦、北方邦）的 kharif 季作物（10 月和 11 月）收获期间。印度每年约产生 600 Mt 作物秸秆，其中约 84 - 140 Mt 被就地焚烧，主要涉及水稻、小麦、棉花和甘蔗等作物秸秆 。

焚烧作物秸秆会释放多种空气污染物，如颗粒物（PM）、一氧化碳、多环芳烃（PAHs）以及二氧化碳（CO?）、甲烷（CH?）和氧化亚氮等温室气体，危害空气质量、人体健康和气候。同时，还会导致土壤中活性氮的大量流失，相比磷（25%）和钾（21%），氮的损失更为显著（高达 80%） 。

印度政府实施了多项政策来遏制作物秸秆焚烧，包括对就地和异地管理提供激励措施。然而，由于缺乏广泛的收集市场和存储基础设施，异地管理对农民缺乏吸引力，且人们对不同土壤类型中就地作物秸秆管理的长期影响及其对作物产量和害虫控制的影响了解有限。

近年来，将作物秸秆转化为生物炭的技术受到关注。生物炭可通过厌氧热化学分解产生，其在农业中应用能增加土壤肥力、湿度和碳含量，还可用于气候缓解。生物炭系统在全球范围内可实现 3.4 - 6.3 Pg CO?当量（CO? eq）的减排，其中一半来自 CO?去除 。不同类型原料产生的生物炭在化学和物理特性上存在显著差异，高木质素含量的原料更适合生产具有优良理化特性的生物炭。

印度对作物秸秆生产生物炭的研究不断增加，但此前多数研究集中于水稻和小麦秸秆。本研究旨在估算印度不同类型作物秸秆的可用性及其生产生物炭的潜力的空间变化，以及生物炭在农田中固碳潜力的空间变化，为区域或州级政策制定提供参考。

2. 材料和方法

2.1 作物秸秆分布的估算

收集印度 28 个邦和 8 个联邦属地的 788 个区在 2019 - 2024 财年三个主要作物生长季节（rabi、夏季和 kharif）中水稻、小麦、玉米、甘蔗、棉花、鹰嘴豆（gram）、木豆（tur）、花生、芥菜和大豆的区级作物产量和种植面积数据。对于 2019 - 2024 年间新成立的 40 多个区，根据其面积从旧区估算作物产量。

通过对 17 个邦 110 个区的 1332 名农民进行随机调查，估算不同作物的秸秆产量比（residue to production ratio，RPR）和剩余系数。在未进行调查的地区，通过文献综述和与当地农业科学中心（Krishi Vigyan Kendra）专家讨论评估作物秸秆的使用模式。

根据公式Bt=∑d=1788Pd,t×Rt×Dt×St估算不同作物的区级干剩余秸秆量，其中Bt是作物类型t的总干剩余作物秸秆量（Mg / 年），Pd,t是区d中作物类型t的产量（Mg / 年），Rt是基于调查数据计算的州级作物类型t的平均秸秆产量比，Dt是作物类型t的就地作物秸秆干重分数，St是基于调查数据分析结果的州级作物类型t的平均剩余分数。该估算在 95% 置信区间内误差约为 3%，且仅计算了选定作物产生的初级作物秸秆。随后，将区级剩余就地作物秸秆生物量（Bd,t）归因于 ArcMap10.8 中的区多边形。

2.2 作物秸秆生物炭碳生产潜力的估算

根据公式(Y(CCh))t=Y(Ch)t×C(Ch)t计算生物炭碳产量（Y(CCh)，Mg / 年），其中t是作物秸秆类型，Y(Ch)t是产生的无灰干生物炭质量（Mg / 年），C(Ch)t是生物炭的碳分数。

Y(Ch)的特定作物秸秆类型（t）根据公式Y(Ch)t=∑d=1788Bt,d×(0.126+0.273Lt+0.539e?0.004δ)计算，其中Bt是作物类型t的剩余干生物量（Mg / 年），Lt是干作物秸秆（t）生物量中的木质素分数，δ是热解温度。本研究中δ取 550°C，因为该温度下生物炭稳定性高、固定碳含量高，有利于固碳和抵抗微生物降解。

生物炭（C(Ch)）的碳分数根据公式Y(Ch)t=C(bm)t×(0.93?0.92e?0.0042δ)计算，其中C(bm)t是干作物秸秆类型（t）中的碳分数。使用 ArcMap 10.8.1 在区级层面计算所有选定作物的(Y(CCh))。由于热解原料化学组成不同，即使在相同热解温度下，生物炭的碳组成也存在差异，这可能导致生物炭碳分数估算误差达 5% - 10%。此外，热解加热速率、停留时间等因素与温度相互作用影响碳产量，在某些情况下会导致总体误差约 10% - 15%。总体而言，生物炭碳分数估算误差约为 15% - 25%。

2.3 CO?当量温室气体排放避免的估算

考虑生物炭应用于其产生的同一农田，根据公式A=∑t=110(Y(Ch)t×C(Ch)t×Fp×1244+Nt×0.34×GWPN2O)计算土壤中碳固存潜力，其中A是应用生物炭后农田避免的 CO?当量温室气体排放，Fp是定义时间段后剩余的生物炭有机碳分数（本研究中取 0.26 ），Nt是根据 IPCC 方法估算的作物类型t种植期间的氧化亚氮排放量，GWPN2O是 N?O 的 CO?当量全球变暖潜势。研究表明，生物炭应用可使农田土壤 N?O 排放减少约 34% 。

3. 结果与讨论

3.1 年平均作物产量的空间变化

提取五年的区级作物产量数据后，估算出水稻、小麦、甘蔗和棉花的年平均产量分别为 6.9 Tg、4.9 Tg、12.7 Tg 和 0.3 Tg。西孟加拉邦、中央邦、北方邦和古吉拉特邦分别是水稻、小麦、甘蔗和棉花年平均产量最高的邦。在区级层面，Purba Burdwan 的水稻、Ujjain 的小麦、Kheri 的甘蔗和 Amreli 的棉花年平均产量最高。

3.2 不同作物类型的秸秆产量比

通过对 1172 名农民的调查估算不同作物的 RPR，全国水稻、小麦、玉米、甘蔗、棉花、鹰嘴豆、木豆、花生、芥菜和大豆的平均 RPR 分别为 1.95 ± 0.11、2.74 ± 0.29、1.94 ± 0.13、0.44 ± 0.02、1.28 ± 0.35、4.35 ± 0.49、4.36 ± 0.47、2.19 ± 0.13、3.19 ± 0.39 和 2.79 ± 0.32。鹰嘴豆、木豆和棉花的 RPR 值变化最大，这归因于植物形态差异、不同地区农业实践差异和气候变异性。

3.3 不同类型剩余作物秸秆的空间分布

调查总结了不同类型作物秸秆的剩余就地干作物秸秆分数范围。印度每年约有 156 Mt 剩余就地作物秸秆，存在显著空间差异。Sangrur（旁遮普邦）的剩余就地作物秸秆最多（2.31 Mt / 年），其中 59% 来自水稻生产；Belagavi（卡纳塔克邦）次之（2.24 Mt / 年），57% 来自甘蔗。剩余作物秸秆的空间变化归因于农业生态多样性、种植模式和 RPR 差异、农业实践（如作物轮作、灌溉和机械化）、气候变异以及土壤肥力和资源可用性。

3.4 剩余作物秸秆生物炭生产潜力的空间变化

作物秸秆中木质素含量增加可提高生物炭稳定性、碳含量和孔隙率，降低 pH 和阳离子交换容量（CEC），更有利于农田应用。印度剩余就地作物秸秆的年生物炭生产潜力估计为 34.5 Tg，其中约 29% 来自水稻秸秆，22% 来自小麦，13% 来自甘蔗，9% 来自玉米。旁遮普邦和马哈拉施特拉邦的生物炭生产潜力最高（5.5 Mt），其次是北方邦（4.7 Tg）和中央邦（4.2 Tg）。旁遮普邦和北方邦剩余水稻秸秆对生物炭的贡献较大，而马哈拉施特拉邦和中央邦剩余甘蔗和小麦秸秆贡献突出。

3.5 剩余作物秸秆生物炭碳固存潜力的空间变化

生物炭在土壤中的分解速度比原料秸秆慢 1 - 2 个数量级。印度估计的年生物炭产量可应用于约 2%（约 3451 千公顷）的选定作物种植面积，施用量为 10 Mg ha?1 annum?1。生物炭碳的潜在年产量估计为 29 Mt，不同作物秸秆的生物炭碳产量各异。应用生物炭可使选定作物的年 N?O 排放避免量达到 1456 Mg，年避免 CO?当量排放估计为 405 Tg。但生物炭生产与乙醇生产和作物秸秆能源利用存在竞争，生物炭碳储存时间长，而木质素发酵副产品中的碳在几年内有 50% 被矿化 。

4. 结论

生物炭生产为解决印度剩余作物秸秆焚烧及相关环境问题提供了可持续方案，能帮助农民管理废弃物、改善土壤健康并减少空气污染。马哈拉施特拉邦和旁遮普邦利用剩余就地作物秸秆生产生物炭的年潜力最大，而印度东部潜力最低。印度年生物炭生产潜力主要来自水稻和小麦秸秆。

然而，印度政府的乙醇生产目标以及对其他作物秸秆利用方式的支持，可能会降低生物炭生产和土壤碳固存潜力。目前印度缺乏促进生物炭生产和应用的明确政策，限制了相关研究和认知。因此，印度政府需开展更多研究，评估生物炭生产的能源和经济可行性，以及其在不同农田应用的区域农艺效果，同时要考量各种剩余作物秸秆利用方式的技术经济可持续性。