生物质是全球最主要的能源和可再生资源，每年植物经光合作用可以固56 Gt CO₂，产生170～200 Gt生物质^{[1, 2]}。我国生物质资源丰富，秸秆是农业生产中形成的一类生物质资源，每年可收集量约为7亿t，但随着农业现代化进程和农村能源结构改变，农作物秸秆资源大量废弃，就地焚烧秸秆现象日益严重^[3]。秸秆焚烧不仅造成了生物质资源严重浪费，更会产生大量的CO₂、CO和氮氧化物等有害气体和气溶胶颗粒物，不仅严重影响区域环境空气质量和交通安全，危害人体健康，也会导致全球气候变化。

新疆光热资源丰富，是我国重要的粮棉生产基地，以“高投入、高产出和高能耗”为主要特征的农业生产方式，已经引起了区域土壤碳库容显著下降和环境碳负荷的增加，同时产生了大量的秸秆残余物。目前，新疆地区作物秸秆主要以畜禽粗饲料和秸秆还田等方式利用，仍然约有30%的作物秸秆以生活燃料和露天焚烧的形式损失^{[4, 5]}，既造成了区域大气环境污染问题，又加剧了绿洲区碳减排的压力。此外，秸秆还田等处理方式只能暂时将碳储存在土壤中，经微生物矿化代谢，很快以含碳化合物的形式返回到大气中，成为了新的农业碳排放源。现有的研究显示^{[6, 7]}，大气中CO₂浓度已经达到了385 μL·L^-1，超过了安全浓度，不仅需要进一步减少温室气体的排放，更要采取生物或物理化学措施移除大气中的碳氧化物。

生物炭是生物质在无氧或限氧条件下热解产生的高度芳香化富碳物质，其碳含量可达50%～85%，具有良好的抗氧化和抗降解能力，能够稳定地封存在土壤中达到上千年，使CO₂不断从大气碳循环中移除，是一种有效的碳削减措施^{[8, 9]}。另外，将生物炭应用于农田，能够改善土壤结构，提高土壤有机碳库的稳定性和水肥利用效率，进而促进植物生长，间接减少了农业温室气体的排放，起到固碳减排的作用^{[10, 11]}。据测算，到2050年，生物炭技术能够实现全球碳减排约1 Gt·a^{-1 [12]}；同时，Roberts、Lehmann和Pratt等^{[13, 14, 15]} 的研究也表明，与其他碳封存技术相比，生物炭技术在碳封存潜力和成本方面具有更大的优势。由此可见，利用作物秸秆固碳既可减少环境污染压力，又能够实现可持续碳封存和资源循环利用。

目前，对于我国生物质燃烧污染物和碳排放量的估算已有部分研究^{[16, 17]}，但侧重于农作物秸秆固碳减排量的研究较少^{[18, 19]}，尤其是对干旱区的相关研究至今未见报道。为了建立新疆绿洲区作物秸秆燃烧污染物排放清单，本研究以该区域农田主要作物的产量为依据，基于作物秸秆燃烧相关参数及污染物排放因子，估算CO₂、CO、PM_2.5、NO_x等大气污染物的排放量和碳释放总量；同时，采用生物固碳技术，结合慢速裂解过程中生物炭产率、碳含量和生物炭稳定系数，估算新疆绿洲区作物秸秆转化为生物炭的固碳量和碳封存潜力，以期为绿洲区秸秆资源综合管理利用和固碳减排提供科学依据。 1 研究资料与方法 1.1 新疆地区作物秸秆产量和燃烧量的估算

依据《中国统计年鉴》中新疆地区作物产量数据，选择水稻、小麦、玉米、棉花、豆类和油料为研究对象，利用2004—2013年《中国统计年鉴》中六类作物产量数据，结合中国农村能源行业协会的草谷比数据，分别估算出新疆绿洲区作物秸秆产量。

秸秆燃烧总量与秸秆种类和区域资源能源利用方式有关，而针对新疆地区的秸秆燃烧的相关研究未见报道。因此，本研究在综合分析国内外相关文献基础上，选取不同类型作物秸秆燃烧相关参数（表 1），其中秸秆干物质比例和燃烧效率采用Streets和Turn等^{[20, 21]}对中国等亚洲地区不同作物试验研究结果获得的平均值；秸秆燃烧比例为燃料直接燃烧和露天焚烧之和，数据来源于田贺忠等^[5]根据《中国能源统计年鉴》对不同地区分类估算的结果，数据具有较高的可信度。秸秆燃烧量采用如下公式计算：

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表 1 作物秸秆燃烧相关参数 Table 1 Parameters used in calculation of crop residue burning

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目前有关我国秸秆燃烧产生的污染物排放因子研究较少，本研究在综合分析相关文献的基础上，选取国内外作物秸秆燃烧实测数据作为秸秆燃烧污染物排放因子（表 2）。根据Streets等^[20]研究方法估算秸秆燃烧产生的CO₂、CO、CH₄、NMVOC、OC、BC、SO₂、NO_x、NH3、PM_2.5排放量，计算公式如下：

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表 2 秸秆燃烧排放因子 Table 2 Emission factor of crop residue burning

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秸秆燃烧过程中碳排放主要以CO₂和CO气体为主，因此本研究忽略其他形式的碳释放量。根据新疆地区作物秸秆燃烧释放的CO₂和CO量估算该区域碳释放总量，计算公式如下：

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秸秆类型和制备条件都会影响生物炭产量和含碳量，但由于生物炭含碳量上升时，其产率呈现下降的趋势，秸秆类型对生物炭固碳率的影响差异不显著^[18]。生物质在热解过程中会形成固、液、气三类物质，本研究主要以生物炭形式来估算作物秸秆固碳减排潜力，故在综合分析相关文献基础上，选取生物质慢速裂解过程中生物炭平均产率为35%^[24]，含碳量为67.68%^[25]，结合各类作物秸秆量（以干物质计），来估算作物秸秆转化为生物炭的固碳量，计算公式如下：

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生物炭的稳定性是影响其封存碳潜力的关键因素，目前研究表明，生物炭中易降解和不稳定碳组分约为15%，剩余生物炭中约有20%的碳在100 a内矿化损失^[26]。因此，在研究中选取碳稳定系数（CSF）为0.68^[6]和CO₂转化系数为3.67，分别在百年尺度上估算生物炭的碳及CO₂封存潜力，计算公式如下：

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根据2004—2013年新疆地区作物产量，结合表 1中作物秸秆燃烧相关参数，利用式（1）估算得到不同作物秸秆产量和燃烧量，如表 3所示。近10年来，新疆绿洲区主要作物秸秆总产量逐年增加，从2004年的1.4×10⁷ t升至2013年的3.2×10⁷ t，秸秆总产量增加了1.43倍；小麦、玉米和棉花秸秆产量增加尤为显著，分别增加了3.2×10⁶ t、5.5×10⁶ t和9.1×10⁶ t。以2013年为例，小麦、玉米和棉花秸秆量分别占该区秸秆总量的24.4%、36.7%和32.9%，是新疆绿洲区秸秆主要贡献源。

表 3 2004—2013 年新疆地区作物秸秆产量和燃烧量（10⁴ t） Table 3 Amount of crop residues and their burning in Xinjiang during 2004—2013（10⁴ t）

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随着作物秸秆产量的增加，新疆地区秸秆燃烧总量也呈现上升的趋势（表 3），2013年秸秆燃烧总量比2004年增加了3.8×10⁶ t，约占作物秸秆总量的18.5%；小麦、玉米和棉花秸秆燃烧量最大，分别为1.7×10⁶ t、1.3×10⁶ t和2.6×10⁶ t，共占秸秆燃烧总量的93.5%。从以上分析可知，新疆绿洲区作物秸秆资源丰富，主要以小麦、玉米和棉花秸秆为主，具有较好的固碳减排前景。 2.2 新疆地区作物秸秆燃烧污染物排放总量及其变化趋势

根据上述数据，结合表 2的排放因子，估算得到了近10年新疆地区作物秸秆燃烧释放的大气污染物总量。从表 4可见，与作物秸秆燃烧量变化趋势类似，大气污染物总排放量呈显著上升的态势，从2004年的3.7×10⁶ t增至2013年的9.9×10⁶ t，其中CO₂、CO、CH₄、NMVOC、OC、BC、SO₂、NO_x、NH₃和PM_2.5的排放量比十年前分别增加了5.7×10⁶ t、3.5×10⁵ t、1.0×10⁴ t、5.9×10⁴ t、1.2×10⁴ t、2.5×10³ t、1.5×10³ t、1.1×10⁴ t、4.9×10³ t和7.6×10⁴ t。在大气污染物排放清单中，CO₂、CO、PM_2.5和NMVOC排放量较高，分别占污染物排放总量的91.6%、5.6%、1.2%和0.9%，研究结果表明作物秸秆燃烧主要产生CO₂等温室气体和颗粒物。

表 4 2004—2013 年新疆地区作物秸秆燃烧污染物排放量（10⁴ t） Table 4 Atmospheric emissions from crop residue burning in Xinjiang during 2004—2013（10⁴ t）

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表 5给出了2013年新疆地区各类作物秸秆燃烧排放的污染物清单，结果显示，该地区2013年作物秸秆燃烧排放的CO₂、CO、CH₄、NMVOC、OC、BC、SO₂、NO_x、NH₃和PM_2.5的量分别为9.0×10⁶ t、5.5×10⁵ t、1.6×10⁴ t、9.4×10⁴ t、1.9×10⁴ t、3.9×10³ t、2.4×10³ t、1.8×10⁴ t、7.8×10³ t和1.2×10⁵ t，其中水稻、小麦、玉米、棉花、豆类和油料的排放量分别为1.4×10⁵ t、2.8×10⁶ t、2.2×10⁶ t、4.3×10⁶ t、8.9×10⁴ t和4.1×10⁵ t，分别占该地区排放总量的1.4%、28.3%、21.9%、43.3%、0.9%和4.1%。这表明小麦、玉米和棉花是新疆地区秸秆燃烧释放大气污染物的主要贡献源，与该地区种植结构有关，故应加强对这三类作物秸秆的管理和综合利用。

表 5 2013年各类作物秸秆燃烧污染物排放清单（10³ t） Table 5 Atmospheric emission inventory for crop residue burning in Xinjiang in 2013（10³ t）

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污染物排放估算的不确定性主要源于实际活动水平和排放因子等关键数据缺乏，以及数据代表性不足等因素。本研究通过定性和定量相结合的方法分析了2013年新疆绿洲区秸秆燃烧污染物排放清单的不确定性。

在估算新疆地区秸秆燃烧排放量过程中，六种作物产量、谷草比系数来源于国家统计年鉴和中国农村能源行业协会资料，其不确定性相对较小；农作物秸秆作为家用燃料和露天焚烧的比例主要基于国家能源统计年鉴中能源消费数据和曹国良等^{[4, 5]}调查资料估算，因缺少分作物类型的数据以及地域差异而具有一定的不确定性；作物秸秆干物质比例和燃烧效率多取自国外学者对亚洲地区不同作物燃烧获得的实测数据，降低了清单的不确定性；而排放因子是影响污染物排放量的重要指标，其与燃烧方式、环境条件、监测条件和方法等因素有关，虽然相关数据取自国内外各学者实测数据的平均值，但仍然缺少本地实测数据支撑，因而排放因子的不确定性相对较高。在定量分析中，由于其他参数不确定性相对较小，本研究仅对排放因子引起的排放清单不确定性进行了探讨。通过统计分析中的变异系数来估算各排放因子的不确定性，变异系数分别是：CO₂±12.7%、CO±19.8%、CH₄±43.5%、NMVOC±46.3%、OC±38.1%、BC±24.7%、SO₂±57.9%、NO_x±15.5%、NH₃±23.8%和PM_2.5±63.2%；再根据Streets等^[20]采用的方法得到了新疆绿洲区秸秆燃烧污染物排放量的不确定性范围（95%置信区间），分别为：CO₂ ±24.9%、CO±38.9%、CH₄±85.2%、NMVOC±90.7%、OC±74.6%、BC±48.5%、SO₂±113.6%、NO_x±30.4%、NH₃±46.7%和PM_2.5±123.9%。从分析结果可以看出，区域排放清单中CO₂ 、CO等主要污染物排放估算量的不确定性较小，但PM_2.5、SO₂和NMVOC等污染物排放估算量的不确定性较高。今后开展新疆地区主要作物秸秆燃烧释放大气污染物的监测和实验研究工作，将有助于提高该区域作物秸秆燃烧污染物排放清单的可靠性。 2.5 新疆地区生物炭固碳量和碳封存潜力估算

表 6列出了2013年新疆地区秸秆燃烧碳排放量和转化为生物炭的固碳减排潜力。2013年新疆地区秸秆燃烧碳排放总量为2.7×10⁶ t，其中棉花、小麦和玉米三类作物秸秆燃烧总贡献率达到了93.5%，在该地区碳排放中占绝对主导地位。假设将这三类作物燃烧的秸秆量转化为生物炭，则可减少该区域54.9%的秸秆燃烧碳排放量，与李飞跃等对我国焚烧秸秆转化为生物炭的减排研究结果基本相符^[18]，说明本研究估算的固碳减排量较为合理。若将全区作物秸秆全部转化为生物炭，每年仅秸秆生物炭直接固定碳量就可达5.3×10⁶ t。“十二五”新疆地区碳消减量要达到2010年该区域碳排放总量的11%，结合2010年《新疆统计年鉴》中能源消费总量数据（折合成碳排放量约为6.2×10⁷ t），如果将所有秸秆转化为生物炭，则能完成新疆地区十二五期间碳消减量的77.9%。可见，生物炭技术具有良好的固碳减排潜力。

表 6 2013 年各类作物秸秆燃烧碳排放量及固碳减排潜力（10³ t） Table 6 Carbon emissions from crop residue burning and carbon emission reduction potential of biochar in 2013（10³ t）

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生物和环境因素都会影响生物炭长期碳封存效果，研究表明，在100年时间尺度内，生物炭中约有32%的碳以CO₂形式损失，而剩余碳可以长期稳定存在于土壤中，IPCC也是采用100年的时间尺度以CO₂当量来评价碳减排潜力^[26]，因此本研究进一步估算了生物炭长期碳封存潜力。由表 6可知，如果将新疆地区作物秸秆全部转化为生物炭，将会有3.6×10⁶ t碳和1.3×10⁷ t CO₂被长期封存于生物炭中，相当于新疆2010年排放CO₂总量的5.9%，与姜志翔等研究有关物炭封存计算结果一致^[19]；若仅以被燃烧的秸秆估算，也有4.8×10⁵ t碳和1.8×10⁶ t CO₂被封存于生物炭中。由此可见，生物固碳技术既能够消减秸秆燃烧所排放的温室气体，又能固定封存秸秆中的碳，从而不断移除大气中的CO₂，这无疑是一种可持续的碳封存技术。 3 结论

（1）新疆绿洲区主要作物秸秆总量和燃烧量呈现逐年上升的趋势，2013年秸秆总量和燃烧量分别为3.2×10⁷ t、6.0×10⁶ t，其中小麦、玉米和棉花秸秆燃烧量占秸秆燃烧总量的93.5%。

（2）近10年新疆地区作物秸秆燃烧释放的大气污染物呈增加的趋势。在大气污染物排放清单中，CO₂和CO是主要污染物；而棉花、小麦和玉米，是新疆地区秸秆燃烧释放污染物的主要贡献源。

（3）2013年新疆地区秸秆燃烧碳排放总量为2.7×10⁶ t，将棉花、小麦和玉米燃烧的秸秆转化为生物炭，可减少该区域54.9%的碳排放量；将全区作物秸秆全部转化为生物炭，每年仅秸秆生物炭就可直接固定碳量5.3×10⁶ t，能完成新疆地区“十二五”期间碳消减量的77.9%，具有较大的固碳减排潜力。

（4）以100年尺度来衡量，新疆绿洲区作物秸秆全部转化为生物炭，将会有3.6×10⁶ t碳和1.3×10⁷ t CO₂被长期封存于生物炭中，是一种可持续的碳封存技术。