从农业副产品到建筑材料：一种促进绿色建筑产业发展的空间建模方法

《Cleaner Environmental Systems》：From Agricultural by-products to Building Materials: A Spatial Modelling Approach to Foster Green Construction Sector

农业废弃物资源化利用与可持续建筑材料潜力评估：基于GIS和不确定性分析的区域研究

　　农业副产品（ABP）的年产量约为10亿吨，这些副产品在农村地区构成了显著的环境挑战。然而，通过有效的管理，这些副产品可以转化为能源、建筑和食品包装等领域的宝贵资源，这与循环经济的理念相契合。本研究旨在填补当前农业副产品增值（valorization）空间建模方法中的关键空白，通过开发一个集成的GIS（地理信息系统）框架，结合高分辨率空间分析和不确定性量化，为可持续建筑材料规划提供支持。该GIS模型被应用于意大利威尼托大区，分析了小麦、大麦、甜菜、葡萄、玉米和大豆等关键作物的产量、空间分布和生物质可用性，并在区域、省级和市级层面进行了深入研究。通过热力图的生成，突出了农业副产品的热点区域，为有效收集中心的战略选址提供了依据。

在农业副产品用于建筑领域的研究中，尽管已有许多关于材料特性和技术可行性方面的探索，但目前的空间建模方法在处理ABP供应链的空间优化方面仍存在明显局限。这些研究大多集中在单一材料或应用上，缺乏对多种农业副产品和建筑应用的综合框架。此外，现有模型通常仅量化生物质的可用性，而未充分考虑收集、加工和分配等复杂物流因素，这些因素对实际可行性至关重要。因此，本研究通过方法论上的创新，引入了三种关键进展：一是对多种农业副产品进行高分辨率的市级层面空间建模；二是通过Sobol敏感性分析系统地量化不确定性，以识别关键的变异性来源；三是优化导向的映射方法，用于战略性的加工设施选址。

研究的成果表明，农业副产品在威尼托大区的年产量约为55万吨，其中基于ABP的复合板年潜在产量为4500万块，而泥砖的潜在产量则超过1.95亿块。如果完全利用，农业副产品可以满足威尼托地区泥砖需求的5.5%，对意大利全国EPS板产量贡献14.6%，并能够覆盖绿色混凝土地区年需求的1%以上。这些数据为可持续的转化中心布局提供了初步信息，并对物流和供应阶段的环境影响提供了有价值的见解。

威尼托地区的农业活动十分丰富，农业用地占该地区总面积的92%，主要种植园艺产品、玉米、小麦和大豆。2021年，该地区的农业产值达到64亿欧元，拥有超过83,000家农场管理着约840,200公顷的农田。该地区还是意大利最重要的葡萄种植区之一，拥有95,000公顷的葡萄园，为葡萄酒出口做出了重要贡献。通过GIS工具进行的空间分析，不仅量化了农业副产品的可用性，还对它们的分布进行了详细研究，为优化收集和加工设施的位置提供了依据。

在数据处理方面，本研究采用了QGIS等开源GIS软件，构建了一个全面的数据库，以量化农业种植面积、产量及其空间分布。通过对主要农业副产品的分析，结合GIS工具，研究团队能够绘制出高分辨率的农业副产品分布图，并进一步识别出潜在的收集中心。通过叠加农业副产品数据，构建了加权热力图，以突出高产量区域，并支持建立高效和可持续的供应链。此外，通过缓冲区分析，确定了最佳的收集区域，以最小化运输成本并提高加工效率。

在农业副产品用于建筑材料的潜力评估方面，研究团队基于PRISMA框架进行了系统的文献综述。通过检索Scopus和Web of Science数据库，收集了关于农业副产品在建筑材料应用中的相关研究。文献综述结果表明，农业副产品可以用于制作Adobe砖、复合板和绿色混凝土等多种可持续建筑材料。Adobe砖通常由粘土、水和秸秆制成，其性能可以通过添加植物基骨料（如亚麻、大米壳和椰子纤维）进行优化。绿色混凝土则是由回收工业副产品、粉煤灰或农业副产品制成，其性能可以与传统混凝土相当，同时减少对原材料的需求和二氧化碳排放。复合板则由天然纤维（如亚麻或大麻）和生物基树脂制成，其轻质、耐用和高保温性能使其成为传统板材的可持续替代品。

通过加权热力图分析，研究团队识别了两个主要的高密度区域，分别位于威尼托大区的东北部和西部。东北部区域的葡萄种植区，因其大量的修剪残留物（估计每年约48万吨），成为最理想的收集中心选址。而西部区域则因其丰富的小麦和大豆种植而具有较高的农业副产品可用性。此外，东南部地区因玉米种植而成为另一个潜在的收集中心。这些高密度区域的识别对于优化资源管理和物流网络具有重要意义，能够有效降低运输成本并提高资源回收率。

在对农业副产品转化为建筑材料的潜力进行评估时，研究团队发现，农业副产品在不同材料中的贡献比例存在显著差异。例如，Adobe砖的生产主要依赖于大麦（44.25%）、小麦（22.13%）和玉米（22.13%）的农业副产品。而复合板的生产则主要由小麦（32.66%）、大豆（30.9%）、玉米（22.22%）和大麦（14.22%）的农业副产品构成。绿色混凝土的生产则以玉米（45.71%）为主，其次是小麦（22.85%）、甜菜（19.25%）和大麦（12.19%）。这些数据表明，农业副产品在不同建筑材料中的应用潜力各不相同，为制定针对性的收集和加工策略提供了重要参考。

研究团队还进行了敏感性分析，以评估数据来源的不确定性对结果的影响。通过Sobol方法，发现建筑材料的预测产量主要受到空间和时间变异性的显著影响，特别是各市镇的年均产量和年际波动。对于所有分析的作物，年份参数的敏感性指数远高于市镇参数，表明年产量波动对最终产量具有决定性作用，是确保农业副产品稳定供应的主要风险因素。相比之下，收获指数（HI）和田间残留率（SF）的敏感性指数较小，这表明基于文献的假设在建模中具有一定的适用性，并对产量影响有限。农业副产品比例（ABP%）在葡萄、大麦和小麦等作物中显示出中等程度的敏感性，其影响与市镇参数相当。此外，市镇和年份参数之间的小型交互效应也表明，这些输入参数之间的相互作用相对有限。

研究还指出，农业副产品在不同区域的分布和可用性存在显著差异，这影响了它们在建筑材料生产中的应用潜力。例如，葡萄种植区的农业副产品产量较高，但其分布较为集中，导致运输和存储成本较高。而玉米和大豆种植区的农业副产品则分布在更广泛的区域，这可能降低了收集和加工的难度。然而，这些区域的基础设施可能不够完善，影响了农业副产品的实际利用效率。因此，为了实现农业副产品在建筑领域的广泛应用，需要在这些区域进行基础设施投资，并优化物流网络。

本研究的局限性主要体现在农业副产品产量估算的准确性上。在缺乏具体数据的情况下，研究团队采用了文献中的收获指数和田间残留率进行估算，这可能导致一定的误差。此外，研究未考虑运输距离等物流因素对整体过程的影响，这在实际应用中可能是一个重要的变量。因此，未来的研究应结合实地调查，以获得更精确的收获指数和田间残留率，同时纳入物流因素，以提高模型的准确性。

农业副产品在建筑领域的应用不仅具有环境效益，还可能带来经济价值。例如，基于农业副产品的绿色混凝土可以显著减少水泥等传统材料的使用，降低碳排放，同时提供与传统混凝土相当的性能。此外，使用农业副产品制作的复合板和Adobe砖在减少能源消耗和提高建筑保温性能方面具有显著优势。然而，这些材料的推广和应用仍面临诸多挑战，包括技术标准的合规性、市场接受度和季节性波动等因素。因此，未来的研究应进一步探讨这些因素对实际应用的影响，并推动更全面的生命周期评估（LCA）和生命周期成本分析（LCC）以提高材料的可持续性和经济可行性。

本研究的结论强调了农业副产品在可持续建筑领域的巨大潜力，并提出了通过GIS工具进行空间分析和优化选址的必要性。研究团队认为，农业副产品不仅能够减少建筑行业的环境影响，还能够促进农业经济的多元化发展。通过建立高效的收集和加工网络，农业副产品可以转化为高价值的建筑材料，为循环经济的实施提供有力支持。此外，政策支持和基础设施投资对于推动农业副产品的利用至关重要，这包括财政激励、定向补贴和分散式基础设施建设。这些措施应与协调的治理和公私合作相结合，以克服当前的物流和市场障碍。将循环经济理念融入区域规划和工业政策，是确保农业副产品成功转化为建筑材料的关键。本研究为可持续建筑材料的规划和实施提供了一个坚实的理论基础，并为未来的研究和政策制定提供了有价值的参考。