饮食结构的转变继续影响着中国农业废弃物的资源利用情况

《Resources, Conservation and Recycling》：Dietary structure transformation continues to influence the resources utilization of agricultural waste in China

农业废弃物生物质资源化利用在饮食结构转型下的经济-能源-环境协同效应研究，通过构建动态评估框架分析2023-2045年 AWB bioenergy 技术渗透影响，揭示收集半径与发电成本正相关（r=0.82）、分布密度负相关（r=-0.76）的规律，量化肉类需求增长55.3%驱动的 AWB 供应结构优化，提出黑龙江|河南|山东三省作为示范区的区域发展策略。

　　

潘珂|刘斌|冯婷婷|魏阳|朱文静|王秦香

成都理工大学管理科学学院，中国成都610059

摘要

在能源安全和低碳转型双重挑战的背景下，本研究旨在通过提出一个动态的“经济-能源-环境”评估框架，全面探讨农业废弃物生物质（AWB）的资源利用潜力。聚焦中国居民饮食结构的转变，并基于四种主流生物能源技术的示范工厂数据，分析了在饮食趋势演变下生物能源供应链的动态变化。通过扩展Bass扩散模型来模拟生物能源技术的渗透效应，评估了2023年至2045年间AWB的能源供应和减排潜力。研究结果表明：（1）示范工厂的发电成本与生物质收集半径呈正相关，但与生物质分布密度呈负相关；（2）尽管中国饮食模式没有根本性变化，但肉类需求（人均286.8～304.8公斤）逐渐超过了谷物作物（人均248.7～250.2公斤），导致畜禽粪便产量增加了约55.3%，这降低了畜禽粪便的发电成本，降幅在-0.021至-0.039元人民币/千瓦时之间；（3）在所考虑的四种技术中，黑龙江省、河南省和山东省表现出出色的综合性能，综合得分均超过0.7。到2045年，生物能源的部署可减少高达235.4 × 10?吨二氧化碳当量的排放，并产生7.7拍瓦时的电力。这些结果突显了饮食转变对生物能源技术部署的多重影响，并证实了基于AWB的资源利用的可行性和潜在效益。

引言

面对化石燃料储备减少和环境影响加剧的双重全球挑战，可再生能源——特别是生物质能源——已成为全球能源转型的战略重点（Fang等人，2024年）。作为光合作用的产物，AWB本质上实现了碳中性的能源转换路径（Mohamed等人，2020年；Vadenbo等人，2018年；Singlitico等人，2019年；Wu等人，2022年）。近年来，全球范围内都在努力建立新的能源系统，以多样化能源结构并减少对化石燃料的依赖，生物能源因此受到越来越多的关注。在中国可再生能源框架中，生物能源是推动可持续生产和消费的关键力量，有助于缓解温室气体排放的环境影响（Wang等人，2017年；Zhao等人，2018年；Fang等人，2022年）。

作为生物能源供应链的核心原料，生物质资源包括多种来源，如农作物废弃物、森林残余物、畜禽废弃物和城市固体废弃物（Jung等人，2021年；Mutascu，2023年）。每种原料类型都具有不同的特性，这些特性会影响生物能源的生产效率（Xing等人，2022年；Pasolini等人，2024年）。在中国，AWB主要由农作物废弃物和畜禽废弃物组成，是主要的生物质来源。然而，这些资源仍未得到充分利用。农作物废弃物是生物能源生产的宝贵资源，中国的理论年产量约为8.7亿吨，但目前仅有约4亿吨可用于能源应用，其中玉米、小麦和水稻残余物合计占到了总量的近80%（Huang等人，2019年；Zhang等人，2023年）。与此同时，中国二十年来的肉类生产主导地位产生了大量的畜禽废弃物，伴随着显著的温室气体排放（Zhang等人，2024年）。根据第二次全国污染源普查，仅粪便管理一项在2018年就排放了3.5 × 10?吨甲烷（Xuan等人，2024年）。因此，有效管理AWB以减轻相关环境压力成为关键的研究重点。

至关重要的是，AWB的分布与饮食模式密切相关。全球食品需求正在发生深刻变化：印度在应对严重营养不良的同时，正在扩大农业生产以满足不断增长的人口密度带来的多样化营养需求（Chaudhary和Krishna，2021年）。与此同时，人均财富的增加正在全球范围内多样化食品偏好（Cai等人，2025年）。中国的营养挑战相对温和。在双重碳目标的驱动下，中国正在经历重要的饮食转变。快速的经济增长使消费从以谷物和蔬菜为中心转向以动物来源的食物（Ai等人，2024年）。实证数据显示，1990年至2010年间，人均谷物和蔬菜消费量分别从72.6%下降到57.8%，从91.4%下降到79.5%，而动物产品消费量几乎翻了一番。这种需求侧的转变推动了农业系统的供给侧调整，优化了作物-畜牧业结构以满足不断变化的食品偏好（Dou和Liu，2024年）。因此，AWB的可用性将不可避免地发生重组。因此，在饮食转变背景下研究AWB的利用对于可持续资源规划具有战略意义。

在国家政策的支持下，中国的生物质发电行业正在迅速发展（能源基金会中国，2021年）。到2020年，装机容量达到了17.81吉瓦（Liu等人，2020年）。AWB转化技术主要分为两类：热化学方法和生化方法。热化学方法包括直接燃烧、气化和热解。燃烧技术已经商业化成熟，适用于AWB集中且大规模可获得的地区（Wang等人，2015年）。与直接燃烧相比，热解和气化技术的碳排放强度较低，反应温度较低，发电效率较高。然而，其经济可持续性受到高资本支出的限制（Wu等人，2024年）。生化方法主要是厌氧消化，利用微生物群在无氧条件下分解有机物产生沼气。收集的沼气用于发电，虽然具有显著的环境效益，但经济回报有限（Elhaus等人，2024年）。鉴于饮食转变的动态，全面评估这些技术的减排潜力和经济可行性对于优化生物能源部署至关重要。

为了深入理解正在进行的饮食转变如何塑造生物能源供应链，本研究构建了一个基于AWB的动态“经济-能源-环境”评估框架。该框架的步骤如下：首先，从协同的供需角度建立饮食结构变化与农产品供应之间的传递机制；其次，结合不同类型AWB的经济成本和能源属性，以四个典型的示范工厂为基础定义涵盖整个生物质供应链的系统边界；最后，通过引入生物能源技术的渗透效应，评估2022年至2045年在全国范围内部署这些技术的积极影响。

方法

本研究重点关注在饮食模式变化背景下AWB的资源利用情况，构建了一个分层的评估框架来评估其潜力。首先，通过开发食品需求和农业供应影响模型（FDAS），阐明了饮食转变影响农业供应的内在机制；在此基础上，引入了一个涵盖整个供应链的动态“经济-能源-环境”评估框架。

AWB利用的成本分析

根据中国31个省份的农业结构和生物质分布情况，在最小化单位发电碳排放和成本的前提下，确定了四种生物能源技术示范工厂的最佳收集半径和生物质密度（图2）。考虑了八种作物残余物和七种畜禽粪便，每种都有不同的市场价格和能源特性。

讨论

根据中国31个省份的具体农业结构和AWB分布模式，在最低成本条件下确定了四种生物能源示范工厂周围生物质的最佳分布密度和运输半径，并比较了这些生物能源技术的环境和经济成本。可以看出，四种生物能源技术的环境和经济成本通常呈负相关。

结论

我们通过开发一个动态的“经济-能源-环境”评估框架，系统地评估了中国居民饮食模式演变下AWB的资源利用潜力。首先，我们使用FDAS模型模拟了2023年至2045年三种经济发展情景下饮食结构转变对农业产出结构和AWB空间分布的影响；随后，基于四种典型生物能源的运营数据

CRediT作者贡献声明

潘珂：撰写——原始草稿、验证、方法论、数据整理、概念化。刘斌：撰写——审稿与编辑、方法论、资金获取、正式分析。冯婷婷：方法论、数据整理。魏阳：资源获取、数据整理、概念化。朱文静：验证、调查、数据整理。王秦香：可视化、验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家电网公司科学技术项目（52199725000W）、四川省科学技术教育联合基金项目（2025NSFSC2041）和能源与环境碳中和创新研究中心（YJ03202504）的支持。