联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告显示，全球温室气体年排放量（以CO
2当量为计，下同）已达4.0×10
10 t，过高的碳排放量导致陆地与海洋生态系统碳汇能力呈现下降
［1］。生物质资源的循环利用已成为国际社会实现碳中和目标的关键路径之一。我国秸秆年产量达到8.65×10
8 t，资源总量居世界前列
［2-3］。受农村经济与生产条件制约，秸秆露天焚烧与随意堆放现象仍较普遍。秸秆能源化技术日趋多元
［4］，但碳足迹评价缺乏系统总结，南北运输碳排放差异及利用模式分化问题未形成针对性分析框架，制约了农业减排政策的精准实施。识别碳排放关键环节、制定减排政策，是本研究的核心目标。
国内外已有相关研究，但仍存在薄弱环节：1）国外研究起步较早，已形成较完善的全生命周期评价框架，证实厌氧发酵、热解气化等技术可有效降低碳排放
［5-6］，预处理环节能耗是关键因素。部分研究核算了秸秆制沼气的净减排量，但多聚焦规模化农业场景
［7］，结论直接适用于我国；2）国内研究明确我国秸秆资源呈现“北多南少，东密西疏”的分布特征及南北运输碳排放差异
［8-9］；梳理了主流能源化工技术碳排放特征，初步建立碳足迹核算方法并明确3种主流核算方法的适配场景，关注副产物利用的减排作用。但仍存在不足：多聚焦于单一技术或区域，缺乏适配我国南北地域特征的分析框架、核算参数与实际生产脱节，且核算边界、排放因子、副产物分配尚无统一标准。
本研究拟采用文献梳理、归纳分析与对比研究相结合的方法，系统梳理秸秆厌氧发酵、热解气化、燃料乙醇制备3种主流能源化利用方式的碳足迹，明确碳排放的关键环节，结合我国秸秆资源分布特征，以期为优化利用路径、提升资源化效率提供参考，为农业农村减排固碳政策制定提供科学依据。
1 秸秆能源化利用碳足迹概述
碳足迹是生态足迹理论的重要衍生概念
［10］。目前广泛认可的碳足迹定义为：某一产品、活动或服务在全生命周期内或在特定地理范围内，直接与间接产生的CO
2及其他温室气体（以全球增温潜势折算）的总和，单位为二氧化碳当量
［11］。碳足迹的核算方法主要聚焦于产品或活动的全生命周期，当前国内外相关研究主要采用以下3种方法：生命周期评价法（Life cycle assessment，LCA），投入产出分析法（Input output analysis，IOA）及IPCC法
［12］。碳足迹的研究有助于识别农业系统中的高碳排放环节，从而采取节能、优化施肥、改进田间管理等针对性措施。此外，碳足迹评估也为制定农业政策与气候变化适应策略提供关键依据。
1.1 3种主流核算方法比较
生命周期评价法（LCA）适用于微观层面，采用“自下而上”模式评估研究对象在生产、加工、利用、废弃等全环节的碳排放投入与产出
［13-14］。投入产出分析法（IOA）是一种“自上而下”的宏观核算方法，利用投入产出表建立平衡方程，反映部门间碳排放关系，适用于国家或行业尺度。IPCC法由联合国政府间气候变化专门委员会提出，将研究区域划分为多类关键部门，以活动数据与排放因子乘积计算碳排放量，可适用于不同尺度
［4］。3种方法的差异见
表1。
从秸秆能源化工程的实践需求来看，其核心目标是精准评估特定技术路线的全流程减排潜力，需兼顾原料获取、加工转化、产物利用等环节的细节差异。上述3种方法中，LCA（生命周期评价法）能够实现全生命周期维度的精细化核算，匹配工程级别的减排分析需求，因此是目前主流且适用的核算方法。
1.2 秸秆能源化利用碳足迹核算边界
秸秆能源化利用全生命周期碳足迹边界涉及农田秸秆收储运、能源化转化到产物利用与固碳减排的全流程。厌氧消化路径的核算覆盖秸秆预处理、厌氧消化反应的过程排放，以及沼气用于发电/供热的能源利用环节，同时纳入沼渣/消化液还田的土壤固碳效应。热解气化路径的核算边界包含秸秆热解/气化过程的加热能输入与过程排放，合成气的热电利用环节，以及副产物生物炭的固碳与能源利用去向。秸秆制燃料乙醇路径的核算边界涵盖秸秆酶解发酵、蒸馏提纯的酶制剂与蒸馏能源输入、过程排放、燃料乙醇的车用燃料利用环节，以及副产物木质素的电厂混燃利用路径。上述路径完整呈现了各路径直接排放、间接排放、化石能源替代减排与土壤固碳的全链条（
图1）。
2 秸秆能源化利用碳足迹进展
秸秆能源化利用是将秸秆中的生物质转化为能源的过程。据估算，中国生物质资源折合标准煤约5亿 t
［15］，主要技术路径包括厌氧发酵、热解气化、制燃料乙醇等。
2.1 秸秆沼气工程
农作物秸秆沼气化是秸秆资源高效转化的经典途径。该技术成熟度高、环境兼容性强，是农业废弃物能源化利用的重点方向。其碳足迹评价与减排潜力研究也起步较早，国内外学者围绕核算方法、减排效果及技术优化展开了探索
［16-17］。
国内研究主要聚焦于量化秸秆厌氧发酵制沼气的碳减排效益。主流核算方法包括生命周期评价与IPCC法，结果均验证了秸秆厌氧发酵技术的温室气体减排价值。王艺鹏等
［18］采用生命周期评价法，张婷婷等
［19］则基于IPCC法，结合国内秸秆特性与区域能源结构参数开展分析，二者研究结论一致：秸秆沼气化利用可显著降低碳足迹，相较于传统化石能源（天然气、煤炭）及秸秆随意露天焚烧等处置方式，碳排放强度降低幅度可达60%以上。程正涛等
［20］在采用生命周期评价法的基础上，参考王艺鹏等
［18］研究中提出的秸秆直燃碳排放系数作为基准情景，构建了“资源化-碳减排”协同分析框架。研究发现，秸秆沼气化不仅实现了农业废弃物向清洁能源（沼气）与有机肥（沼渣、沼液）的转化，有效解决了传统秸秆处置带来的环境污染问题，还可通过替代燃煤供暖、减少化肥施用（沼肥替代）等间接效应，实现资源化利用与碳减排的协同增效。在该路径下，单位秸秆沼气化的综合碳减排量较直燃情景提升约45%~55%，为农业“双碳”目标下的废弃物处置方案提供了数据支撑。
国外研究则更侧重于技术创新对碳足迹的优化机制及区域适应性分析，在减排路径细化与工艺性能对比方面形成了特色成果。在减排机制与技术优化层面，Wojciech等
［5］采用分阶段评估框架，将沼气生产划分为原料预处理、厌氧消化、产物提纯等关键环节，系统解析了各阶段对碳足迹的贡献度与减排潜力。研究发现，生产环节的技术创新是降低系统碳足迹的核心。其中，加压厌氧消化技术可将甲烷体积分数提升至90%以上，从而有效减少后续提纯过程的能源消耗与碳排放，使系统直接碳足迹较传统常压消化技术降低20%~30%，同时显著提升沼气的能源利用效率。在区域适应性与能源替代价值研究中，Sreevidhya等
［6］以高海拔低温地区的那拉社区为研究对象，结合当地秸秆资源禀赋与能源需求特征，系统评估了秸秆沼气化的应用潜力与环境效益。结果表明，在低温、高海拔等传统化石能源运输成本高、供应不稳定的区域，秸秆沼气可作为一种可靠的清洁替代能源，满足居民炊事、供暖等基础用能需求，同时有效避免秸秆露天焚烧引发的颗粒物污染与温室气体排放，缓解当地生态环境压力，为特殊气候与地理条件下的能源转型提供了可行路径。
在秸秆沼气工程工艺的环境影响对比方面，Fedeli等
［21］在验证秸秆制沼可降低碳足迹的基础上，进一步系统比较了沼气热电联产、二甲醚制备及其他利用工艺的性能与环境影响。全球增温潜势（GWP）分析结果表明，沼气热电联产工艺的GWP最低，单位能源产出的温室气体排放较其他工艺低15%~25%；二甲醚制备技术在多轮工艺迭代中均展现出更优的综合环境性能，其能源转化效率与碳排放控制效果仅次于热电联产。该研究为秸秆沼气的高值化、低排放利用提供了工艺选择依据。Buchspies等
［7］测算得出：秸秆转化为沼气的净温室气体减排量为436~1654 kg CO
2-eq/t（以秸秆干物质计），转化为燃料乙醇的净减排量为107~610 kg CO
2-eq/t。
2.2 秸秆热解气化工程
秸秆热解气化多联产工程同属能源化利用范畴，相关碳足迹研究较为丰富。丛宏斌等
［22］与朱奕霖团队
［23］的研究均表明，与传统供暖方式相比，秸秆供暖具有更低的碳排放强度，更适用于乡镇级小型生物质热电联产系统。Yang等
［24］采用低温热解联产生物质能，指出生物炭还田可实现净零排放，并通过多情景分析量化了运输半径等影响因素，为区域政策制定及工业化应用提供了参考。该研究还发现，除碳减排效益外，该工程可产生直接的经济效益，与霍丽丽等
［25］的研究结论一致，表明秸秆热解气化多联产工程兼具经济与环境效益。综合减排通常在1.01~1.07 t CO₂-eq/t（以秸秆计），生物炭的固碳稳定性是热解技术碳减排的核心优势。Cross等
［26］和Fryda
［27］提出的方法被认为是研究土壤中生物炭长期氧化降解的经典方案，通过模拟自然条件下的氧化过程评估其持久性。在秸秆沼气与热解气化技术耦合方面，陈冠英等
［28］、唐爱红等
［29］和何伟等
［30］3个团队研究了耦合厌氧发酵制沼气及热电肥多联产技术的耦合模式，该模式表现出显著的减排效果，且所产生的生物有机肥料可改善土壤。此外，何伟团队
［30］还提出了1种计极热网热惯性的沼气热电联产系统灵活性评估方法。
国外方面，Thompson等
［31］和Loeser等
［32］早在2009—2010年便开展了生物质热电联产耦合风光系统的研究，结果表明能源成本与CO
2排放量均有所降低，可显著减少区域温室气体排放。此后，Amirant等
［33］研究同样表明，相关系统可以降低乡村社区的热能和电能成本，同时减少对传统化石燃料的依赖和温室气体排放。Kavindi等
［34］量化了慢速热解生物炭生产各阶段温室气体排放，发现其较传统生物质处理可显著减排。上述研究一致表明，生物质热电联产技术在降低碳足迹方面效果明显，但仍存在优化空间。
2.3 秸秆制燃料乙醇
农作物秸秆作为典型的木质纤维素类生物质，其主要成分纤维素、半纤维素和木质素为燃料乙醇提供了丰富原料。当前主流制备路径可划分为物理法、化学法以及物理化学结合法3类。在燃料乙醇的可持续性评估领域，李攀等
［35］通过对燃料乙醇炼制过程及其生命周期碳足迹的系统研究指出，以木质素为原料的第二代燃料乙醇在综合碳减排能力与整体可持续性方面表现最优，为生物质能源的开发提供了核心方向。沈钊丞等
［36］则创新性地结合生命周期评价与层次分析法，对比研究了杨木、玉米秸秆和甘蔗渣3种典型生物质材料发酵制备燃料乙醇的环境影响。结果表明，杨木的环境友好性最为突出，玉米秸秆与甘蔗渣次之，该结论为原料选择的环境效益优化提供了直接参考。
在木质纤维素基乙醇生产的关键资源利用和系统优化方面，国外学者开展了大量针对性研究。Scown等
［37］以美国纤维素乙醇生产为研究对象，聚焦木质素这一核心副产物的利用路径，生命周期评估发现，将木质素外输至燃煤电厂与煤共燃，能够在碳减排效果、水资源消耗控制与生产成本降低之间实现良好平衡，是兼具环境与经济价值的优选方案。然而，该研究同时指出，受美国燃煤电厂退役趋势影响（预计2050年前约50%燃煤电厂退役），木质素外输共燃的应用规模将面临限制；且木质素碳减排信用的归属主体（生物炼制厂或燃煤电厂）这一关键问题，仍需明确的政策与核算机制加以解决，否则易引发减排效益重复计算的争议。在乙醇生产代际整合与资源效率提升方面，Maga等
［38］以巴西甘蔗乙醇产业为研究场景，采用生命周期评估方法对比分析了第一代乙醇、第二代乙醇及二者整合生产模式的环境影响。结果表明，第二代乙醇及一代、二代整合乙醇生产模式均展现出显著的减排优势，其中第二代乙醇的土地利用效率提升尤为突出，较一代乙醇降低约97%，大幅缓解了能源生产与土地资源占用的矛盾。此外，该研究还强调，无论是一代乙醇还是二代乙醇生产系统，均需通过提升余热回收效率、优化热电联产系统等方式降低对化石能源的依赖，最终实现生产过程的能源自给，进一步削减碳排放，提升整体可持续性。当前LCA研究难点在于系统边界是否涵盖间接排放及共产物分配方式的界定
［35，37］。
尽管秸秆厌氧发酵、热解气化、制备燃料乙醇的技术路径存在差异，但三者均遵循“碳捕获-转化-替代”的核心闭环减排机理：农作物通过光合作用从大气中捕获CO
2并固定于秸秆中，秸秆经能源化转换后生产清洁能源，既能替代化石燃料又能减少新增碳排放，又能通过生物炭还田、沼肥施用等方式实现碳元素向土壤的固存，最终形成“大气碳-生物碳-能源碳-土壤碳”的循环链路，从源头削减温室气体排放。
图2展示了作物通过光合作用捕获大气CO
2，转化为秸秆，再经过能源化利用替代化石燃料和产生生物炭还田固碳的过程。
2.4 不同秸秆能源化利用技术碳足迹对比
表2系统对比了秸秆厌氧发酵、秸秆热解气化、秸秆制燃料乙醇3种主流技术的碳足迹核心特征，涵盖利用技术、主要核算边界、主要碳排放环节、平均碳减排率及典型文献共6个维度。秸秆厌氧发酵的核算边界覆盖原料收集预处理、厌氧发酵至沼肥施用的全流程，碳排放集中于原料处理、发酵能耗及沼渣沼液储运环节，主要通过沼气替代化石能源、沼渣替代化肥及避免秸秆焚烧实现减排，较化石能源碳减排率达60%以上。秸秆热解气化以“原料收储-热解气化-生物炭还田”为核算边界，以热解加热、原料运输等为主要碳排放环节，依托燃气替代化石能源、生物炭固碳及规避秸秆腐烂甲烷排放实现减排，较传统处理方式减排率约78%。秸秆制燃料乙醇的核算边界包含原料预处理至副产物处置全流程，预处理能耗、发酵化石能源消耗等为主要排放环节，通过乙醇替代交通化石燃料、木质素共燃及余热回收完成减排，较化石燃料减排率达80%~95%。
3 秸秆能源化利用碳足迹评价存在的挑战
秸秆厌氧发酵、热解气化、制燃料乙醇3类主流能源化技术的碳足迹核算已积累大量研究成果，但受核算边界、排放因子、副产物分配三大核心要素不统一的制约，不同研究结果可比性差，数据偏差20%~30%，难以得出统一的核算结论，这是在未来的研究中仍面临的主要挑战。
3.1 核算边界差异
界定核算边界是碳足迹量化的前提。当前3类技术的碳足迹研究均未形成全生命周期统一边界规范，边界选取的随意性导致核算结果不一致，这是最主要的研究差异。多数研究聚焦于秸秆转化利用的反应环节，简化或忽略原料秸秆的收储运、预处理、副产物处置、厂区建设、设备运维、间接排放等环节。部分研究仅核算秸秆能源化利用工程的CO2的直接排放量，未核算电力、化石燃料等间接排放，边界范围较小，导致碳足迹被严重低估。具体而言：在秸秆厌氧发酵的碳排放核算中，边界是否包含沼渣沼液储运、还田施用环节，直接决定碳排放的核算结果；部分研究未核算发酵过程中加热、搅拌的能耗排放，导致碳排放测算较低。在秸秆热解气化的碳排放核算中，边界是否包含生物炭还田固碳、焦油资源化处置环节，直接决定是否能实现负排放；外加热热解工艺消耗的电力、化石能源产生的碳排放是否纳入核算边界，目前尚无统一标准。在秸秆制燃料乙醇的碳排放核算中，是否包含废水处理、木质素副产物终端处理环节，会导致碳足迹数据偏差超25%；酶解、高温降解等预处理环节的能耗排放经常被排除在边界之外。
3.2 排放因子的不适用性
碳排放因子是碳足迹核算的核心参数。当前研究过度依赖IPCC默认排放因子，缺乏适配我国秸秆特性、工艺水平、区域能源结构的本土化实测数据，核算精准度严重不足。IPCC默认排放因子基于欧美农业生产条件与能源结构设定，与我国秸秆理化特性、农村能源体系、工艺设备水平不匹配。秸秆发酵甲烷排放、热解碳排放、运输碳排放等关键因子的实测值与IPCC默认值偏差达10%~18%，直接降低了核算可信度。同时，针对秸秆能源化利用等工艺的专用排放因子尚未建立本土化数据库，碳足迹仍然采用传统工艺排放因子，无法准确反映技术升级带来的减排效益。
3.3 副产物分配法不统一
秸秆能源化多为多产物联产体系，副产物的碳分配方法直接决定主产品碳足迹结果。当前物理分配法、经济分配法、系统扩展法混用，缺乏统一适用规范，同一技术、相同工况下数据偏差超过30%。在秸秆厌氧发酵中，沼渣、沼液作为有机肥替代化肥的减排效益如何在沼气与沼肥之间分配，尚无统一规则，导致负排放核算结果差异显著。在秸秆热解气化中，生物炭还田固碳是核心的减排路径，但固碳量是否全额计入系统、如何分配至燃气和生物炭等产品，研究结论不明确，缺乏统一标准。在秸秆制燃料乙醇中，木质素副产物用于热电联产、外输共燃的减排量归属生物炼制厂还是燃煤电厂，尚无明确定论；系统扩展法虽应用广泛，但实施口径不统一。
3.4 不同敏感因子对工程碳排放的影响
利用文献数据开展敏感性分析表明，运输距离、能源结构、副产物利用率与工艺关键参数是影响秸秆3类技术碳足迹的核心敏感因子，各因子的数值波动会直接改变系统整体的碳减排效果。运输距离的影响最为突出：运输半径每增加10 km，全系统碳足迹便会上升8%~12%，且南方秸秆分散产区受运输距离的影响程度显著高于北方规模化产区。能源结构的清洁程度直接作用于发酵加热、热解、乙醇蒸馏等高能耗环节，能源清洁度每提升1个等级，系统碳足迹可降低10%~15%。副产物利用率同样对减排效果影响显著：沼肥还田率、生物炭还田率、木质素共燃率每提高10%，系统碳减排量可提升5%~8%。在工艺关键参数方面，厌氧发酵采用加压消化较常压消化可降低系统碳足迹20%~30%；热解气化采用外加热方式较自加热方式碳排放占比高出15%~20%；制燃料乙醇采用余热回收蒸馏较常规蒸馏可减少环节碳排放15%~20%。
4 结论与展望
4.1 结论
本研究系统梳理农作物产量与分布、碳足迹的定义及核算方法，并聚焦秸秆能源化利用的碳足迹研究进展，得出以下核心结论：
1）生命周期评价法（LCA）、投入产出法（IOA）、联合国政府间气候变化专门委员会法（IPCC）3种核算方法在秸秆能源化碳足迹评价中各有适配场景。LCA是微观工程核算主流方法，可实现全流程精细化评估；IOA适用于区域/行业宏观减排规划；IPCC法操作简便，多用于多尺度清单快速核算。3种方法共同构成秸秆能源化碳足迹核算方法体系。
2）秸秆厌氧发酵、热解气化、制燃料乙醇三类技术均具备显著碳减排效益，碳足迹特征差异明确。厌氧发酵碳足迹为负值，为-1.654~-0.436 t CO₂-eq/t（以秸秆干物质计）（净减排效果突出）；热解气化依托生物炭固碳可实现近零排放，每吨秸秆减排1.01~1.07 t CO₂-eq；制燃料乙醇减排率最高，达80%~95%；碳足迹为-0.107~-0.610 t CO₂-eq/t（以秸秆干物质计）。
3）秸秆利用碳足迹研究仍处于发展阶段，需要建立统一的核算边界、评价方法和副产物分配规范。现有研究系统边界不一致，导致结果难以比较，应推动方法学统一，开展多样化利用方式的系统性评估，为农业废弃物碳减排提供更充分的科学依据。
4.2 展望
基于上述研究结论，结合“双碳”目标与可持续发展需求，未来秸秆利用碳足迹研究应重点聚焦以下方向：
1）深化副产物资源化利用研究。针对制乙醇的木质素、沼气化的沼渣沼液等副产物，开展定向利用技术研发，包括木质素的高效共燃工艺优化、材料化高值转型技术，以及沼渣沼液的精准还田配比技术，通过副产物全价值利用进一步削减系统碳足迹。
2）强化全流程碳排放管控与净零目标导向。建立中国本土化秸秆利用碳排放因子数据库，涵盖不同区域（如东北玉米秸秆、南方水稻秸秆）、利用技术（沼气化、热解、制乙醇）及关键环节（原料收储运、预处理、产物处置）的实际测量排放因子，为全流程核算提供精准数据支撑。提高对秸秆能源化利用各阶段环境影响的关注度，重点攻克废弃物处理、蒸馏能耗等关键环节的碳排放削减技术，推动生产材料在生产、加工、处置全链条实现净零碳排放目标。
3）推进秸秆热解气化多联产工程应用与技术耦合。秸秆热解气化多联产工程技术适配乡镇及农村场景，依托地广人稀的地理优势便于建厂，且产生的生物炭可直接还田以缩短运输距离。部分研究涉及工程碳交易领域，证实其兼具经济效益与环境效益，能够为农民增收提供助力。未来可进一步耦合厌氧发酵制沼气技术，强化热电肥多联产效能。
4）构建覆盖秸秆利用全生命周期的系统性、标准化评估框架。针对当前秸秆碳足迹核算局限于单一工程、单一环节，存在系统边界不统一、区域资源特征适配性弱的短板，应深化碳足迹理论与方法的本土化适配研究，构建“区域秸秆资源-工程全流程环节-经济-环境协同效益”的全生命周期评估框架，破解单一维度核算的局限性，实现不同区域、不同技术的碳足迹与综合效益精准量化，为秸秆能源化路径选型及农业减排政策制定提供标准化评估工具。
国家重点研发计划(2022YFD2002100)
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