中国农村土壤固碳减排策略：基于秸秆生物炭的生命周期评价

申报人：李钿申报日期：2024-11-13

基本情况

所属批次:

2025年度大学生创新创业训练计划

项目名称:

中国农村土壤固碳减排策略：基于秸秆生物炭的生命周期评价学生选题

项目类型:

创新训练项目

所属一级学科:

工学

所属二级学科:

能源动力类

项目来源名称:

教师科研项目选题

项目归属学院:

项目期限:

一年半期

项目简介:

本研究基于生命周期评价（LCA）的基本方法，利用 GaBi 软件对生物炭制备及应用的减排潜力和环境影响进行评估，与传统秸秆处理方式（露天焚烧、土壤直接还田）的环境效益进行对比，定量评估各环节的能源消耗、温室气体（GHG）排放、资源消耗及潜在的生态环境影响，从而全面揭示秸秆生物炭在减排和资源循环利用方面的优势。

负责人曾经参与科研的情况:

无

指导教师承担科研课题情况:

1. 2020.10-2026.09 生物质水热炭化装备开发， 100万，在研，主持。

2. 2022.12-2026.11 发酵残余物高热值协同热处理、低热值肥料化技术与装备，75万，在研，主持。

3. 2023.01-2026.12 秸秆热解焦气化过程活性碱（土）金属催化机理动态现场原位研究，69万，在研，主

持。

4. 2023.12-2027.11 基于浆体构效调控的生物炭与煤协同气化制备合成气技术，185万，在研，主持。

5. 2022.01-2024.12 含碳物料气化，100万，在研，主持。

6. 2021.07-2023.06 基于生活垃圾与农业生物质共水热炭化的移动式气化发电体系关键技术研究，100万，结

题，主持。

7. 2020.04-2021.04 炭黑和煤气化工艺仿真应用项目，阿里云计算有限公司企业横向，50万，结题，主持。

8. 2020.06-2021.12 撬装式模块化城镇固废（危废）无害化处理技术研发，宁波连通设备集团有限公司企业横

向，50万，结题，主持。

指导教师对本项目的支持情况:

将结合项目整体研究方案的设计、优化和实施对大创小组开展全面指导和培养。

项目级别:

市级

项目成员

序号	学生	所属学院	专业	年级	项目中的分工	成员类型
1	李钿	资源与环境工程学院	能源经济双学位	2023	整体规划，团队协调	第一主持人
2	邱汉儒	资源与环境工程学院	能源与动力工程	2023	问题检索，创新项目	成员
3	谢林	资源与环境工程学院	储能科学与工程	2023	文献调研，数据收集	成员
4	王嘉艺	资源与环境工程学院	能源经济双学位	2023	协调安排，实施方案	成员

指导教师

序号	教师姓名	教师账号	所属学院	是否企业导师	教师类型
1	丁路	08882	资源与环境工程学院	否	第一指导教师
2	王辅臣	05038	资源与环境工程学院	否	指导教师

立项依据

研究目的:

基于生命周期评价，确定秸秆生物炭在生命周期内的温室气体减排潜力及碳封存效益，为政策制定者和研究人员提供数据支持。量化秸秆生物炭生产和应用的成本，探究其在不同应用场景下的经济可行性。评估秸秆生物炭在应用过程中对生态系统的环境影响，为农业生产提供可行的可持续发展方案，并为秸秆生物炭的推广提供科学依据，助力实现碳中和及农业可持续发展目标。

研究内容:

（1）使用GaBi软件构建完整的生命周期评价模型

建立涵盖秸秆收集、运输、生物炭生产、应用及废弃物管理等全流程的生命周期评价模型。

（2）模型对比分析

对比秸秆生物炭和传统秸秆处理方式的碳排放总量，分析生物炭生产和应用过程中的碳封存和碳循环效应，以量化其减排潜力。

（3）环境影响分析

通过模型计算生物炭应用对环境的潜在影响，包括对土壤健康、地表水、地下水和空气质量的影响，与传统处理方式进行对比。

（4）经济性分析

量化秸秆生物炭生产和应用的成本，包括原料收集、运输、生物炭设备运行和维护费用，评估其在不同应用场景下的经济可行性。结合生物炭应用的潜在市场价值（碳交易市场、土壤改良的潜在收益），分析其相对于传统秸秆处理方式的经济优势与不足。

国、内外研究现状和发展动态:

近年来，生物炭的研究得到了国内外学者的广泛关注。但生物炭技术的应用在我国面临着一系列机遇和挑战，确定其环境可行性对于遏制气候变化，实现我国的碳减排目标至关重要。一方面，生物炭技术的应用还可以有效地管理生物质残余物，使其通过热解而实现增值。另一方面，目前在量化生物炭的固碳潜势和环境影响方面，还有很大的研究空间。亟需结合生物炭制备以及生命周期的每个环节，在国家层面上进行评估和研究。进行生物炭技术的生命周期评价工作除了可对其应用可行性进行评估之外，还可推动生物炭产业的发展。此外，由于在生物炭的实际应用缺乏相关研究的参考数据，国家和地方政府也很难实行产业振兴政策。

创新点与项目特色:

（1）传统的秸秆处理方式如露天焚烧和土壤直接还田在农村地区普遍应用，但对环境造成负面影响。本研究探索了秸秆生物炭技术作为替代方案，将废弃的秸秆资源化处理，既减少了焚烧产生的空气污染，又实现了碳封存。

（2）本研究通过智能科技类软件探索生物炭生产过程中的固碳效应，减轻农业碳足迹，展示了其在农村减排政策中的应用潜力，有助于农村实现低碳发展的目标。

（3）本研究从农村地区的经济条件和成本结构出发，分析了生物炭技术的经济可行性，并探索了碳交易和生物炭土壤改良潜在收益的市场价值，强调了秸秆生物炭技术在资源有限的农村地区的经济适用性。

技术路线、拟解决的问题及预期成果:

技术路线：本研究基于生命周期评价（LCA）的基本方法，利用 GaBi 软件对生物炭制备及应用的减排潜力和环境影响进行评估。在当今世界，随着环保意识的日益增强，减少碳排放、实现可持续发展已成为各国政府和企业的共同目标。为了实现这一目标，各种碳足迹工具应运而生，其中生命周期评价（LCA）软件因其全面性和准确性而备受青睐。

（1）SimaPro是一款功能强大的LCA软件，具有广泛的应用领域。它提供了一套完整的生命周期评价框架，可以帮助用户评估产品或服务的整个生命周期内的环境影响。SimaPro支持多种数据来源和评估方法，用户可以根据自己的需求进行灵活选择。此外，SimaPro还提供了丰富的数据库和可视化工具，使得评估结果更加直观易懂。

（2）GaBi是一款专注于生命周期评价的综合性软件，它强调数据的准确性和可靠性。GaBi拥有庞大的数据库，涵盖了各种原材料、能源、运输方式等环境数据，为用户提供了丰富的数据支持。同时，GaBi还具备强大的建模和分析功能，可以帮助用户构建复杂的产品或服务生命周期模型，并对其进行深入的分析和评估。

拟解决的问题：评估秸秆生物炭在应用过程中对生态系统的环境影响，为农业生产提供可行的可持续发展方案，并为秸秆生物炭的推广提供科学依据，助力实现碳中和及农业可持续发展目标。

预期成果：本项目关注中国农村土壤固碳减排策略，查阅参考相关文献，利用GaBi软件，研究秸秆生物炭减排潜力和环境影响，最后形成学术论文一篇。

在学术论文的基础上参加竞赛，如“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛、“互联网+”等，并尽力取得好成绩。

项目研究进度安排:

2024.11-2024.12：阅读国内外相关文献，了解国内外关于论文课题相关领域的学术研究状况。在导师的指导下，了解与课题相关的学术信息和学术研究的现状和动态。对生物炭制备及应用的减排潜力和环境影响方面相关知识进行初步了解，设计试验方案。

2025.01-2025.03：学习并熟悉相关实验和软件操作，与传统秸秆处理方式（露天焚烧、土壤直接还田）的环境效益进行对比分析，开展定量评估各环节的能源消耗、温室气体（GHG）排放、资源消耗及潜在的生态环境影响分析并准备中期检查报告；针对之前的研究方案开展预实验并调整方案。

2025.04-2025.06：使用GaBi软件构建完整的生命周期评价模型，建立涵盖秸秆收集、运输、生物炭生产、应用及废弃物管理等全流程的生命周期评价模型并进行碳足迹过程的核算。进行中期检查，整合、分析上半年实验数据结论。

2025.07-2025.08：基于GaBi软件构建完整的生命周期评价模型计算生物炭应用对环境的潜在影响，包括对土壤健康、地表水、地下水和空气质量的单元过程的建模，拟合并进行数据的分析。

2025.09-2025.10：归纳整理实验，分析数据，讨论结果，明确秸秆生物炭在生命周期内的温室气体减排潜力及碳封存效益并撰写研究论文。

2025.11-2025.12：填写结题表，撰写项目总结报告，参加结题答辩和成果推广。

已有基础:

与本项目有关的研究积累和已取得的成绩:

近年来，生物炭的研究得到了国内外学者的广泛关注。目前，不少学者已采用生命周期评价方法（life cycle assessment, LCA）评估生物质炭化技术对气候变化的影响，因为该方法可以结合生物炭的整个生命周期，为其固碳减排潜力及其他环境影响的研究提供明确清晰的方法框架，因此成为首选。通过对国内外相关文献的研究，对生物炭抑制土壤有机碳（SOC）的分解和甲烷的排放、以及提高氮的利用率、土壤性能和肥力有初步的了解；熟悉生命周期分析的基本工作流程，为后续评估工作的开展做好准备。Roberts 等人[44]选取了农作物秸秆、庭院废物和能量作物（Switchgrass），在模拟工业规模的慢速热解系统中研究了生物炭的制备及土壤应用过程中的物质流和能量流。得到的结论为：作物秸秆和庭院废物生产生物炭的温室气体总减排量约为 870 kgCO2e·t-1 干生物质原料，生物炭固碳的贡献为 65%左右。但需要慎重选取生物质种类，有的可能反而带来负面效果。庭院废物制备生物炭具有最高的碳汇潜势以及经济可行性，而农作物秸秆虽也具备较高的能量产率和温室气体减排潜势，但如果综合考虑其碳补偿和运输成本，其经济可行性较弱。如果将种植年作物的土地变更为种植能量作物，则释放的温室气体反而会超过储存的碳。该研究考虑了生物炭入土对能量利用效率的提高以及肥料的节省，但并未考虑对作物的增产效应。Kauffman 等人[45]建立了将玉米秸秆快速热解的 LCA 模型，生产所得的生物油随后被升级为内燃机燃料。此系统预计每年可抵消 1.65-14.80tCO2e·ha-1 的碳排放。Peters 等人[46]以木质纤维素能源作物（Hybrid poplar）为原料模拟了慢速热解系统，并对比了其在不同情景下的生命周期环境表现。结果显示该系统与将生物质进行直接燃烧相比及在不同的碳保留时间、作物增产率等情景中都具有显著的碳减排潜力。在中国进行应用生物炭技术的评估研究也受到了广泛关注。Kung 等[16]对鄱阳湖（中国最重要的净水湖之一）周边进行了考察，以稻草、玉米秸秆、杨树、果园废料等作为热解的主要原料评估了生产生物炭的温室气体减排效益。结果表明，将各原料进行热解均有固碳减排效果，变化范围为 0.92-6.15 tCO2e·t-1原料。但该研究并未全面考虑和量化生物炭在土壤中的多种环境效益。

已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法:

已具备的条件：在当今世界，随着环保意识的日益增强，减少碳排放、实现可持续发展已成为各国政府和企业的共同目标。为了实现这一目标，各种碳足迹工具应运而生，生命周期影响评价（Life cycle impact assessment，LCIA）将分析来自所研究的产品或系统的输入和输出流，并将这些流的影响分为各种环境影响类别。国际上目前存在多种 LCIA 方法，例如 CML、EDIP 和 ReCiPE 等。已经开发了许多不同的工具来自动执行此计算，包括本研究中使用的 GaBi 软件。其中生命周期评价（LCA）软件因其全面性和准确性而备受青睐。（1）SimaPro是一款功能强大的LCA软件，具有广泛的应用领域。它提供了一套完整的生命周期评价框架，可以帮助用户评估产品或服务的整个生命周期内的环境影响。SimaPro支持多种数据来源和评估方法，用户可以根据自己的需求进行灵活选择。此外，SimaPro还提供了丰富的数据库和可视化工具，使得评估结果更加直观易懂。（2）GaBi是一款专注于生命周期评价的综合性软件，它强调数据的准确性和可靠性。GaBi拥有庞大的数据库，涵盖了各种原材料、能源、运输方式等环境数据，为用户提供了丰富的数据支持。同时，GaBi还具备强大的建模和分析功能，可以帮助用户构建复杂的产品或服务生命周期模型，并对其进行深入的分析和评估。

尚缺少的条件：因为缺乏标准的计量方法，尽管我国目前在发展低碳经济的推动下建立了国家碳交易计划，但仍难以为生物炭企业分配碳信用额。这大大降低了投资生物炭生产的动力，从而限制了生物炭产业的发展。此外，由于缺乏相关研究的参考数据，国家和地方政府也很难实行产业振兴政策。

解决方法：针对生物炭在我国应用过程中存在的不确定性问题开展研究，基于生命周期分析的基本方法，利用 GaBi 软件对生物炭制备及应用的全生命周期进行评估，以期对其固碳效果和环境影响有较清晰和明确的认识。

经费预算

开支科目	预算经费（元）	主要用途	阶段下达经费计划（元）
开支科目	预算经费（元）	主要用途	前半阶段	后半阶段
预算经费总额	8000.00	项目研究与实施	5000.00	3000.00
1. 业务费	4000.00	实验研究所需	2000.00	2000.00
（1）计算、分析、测试费	500.00	相关仪器的购买或使用费用	500.00	0.00
（2）能源动力费	500.00	相关仪器的购买或使用费用	500.00	0.00
（3）会议、差旅费	1000.00	车费报销	500.00	500.00
（4）文献检索费	1000.00	图书资料费，图书购置、打印复印	500.00	500.00
（5）论文出版费	1000.00	发表论文版面费	0.00	1000.00
2. 仪器设备购置费	2000.00	评估软件的购买	2000.00	0.00
3. 实验装置试制费	1000.00	实验防护用品等实验室耗材	500.00	500.00
4. 材料费	1000.00	实验所需原料的购置	500.00	500.00

项目附件

大学生创新创业训练计划项目申报书-创新训练类-2025-中国农村土壤固碳减排策略：基于秸秆生物炭的生命周期评价.doc

下载

结束

大学生创新创业训练计划管理系统

创新创业管理系统

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