農村戶用沼氣發酵原料產氣潛力及區劃研究

陳 豫，胡 偉，楊改河，張培棟

（1.宜賓學院 作物學研究所，四川 宜賓644000；2.西北農林科技大學 農學院，陜西 楊凌712100；3.青島科技大學 環境與安全工程學院，山東 青島266042）

農村戶用沼氣池的正常運行，需要充足的發酵原料。摸清農村沼氣發酵原料的產氣潛力，可為農村戶用沼氣池合理布局提供理論依據。目前，中國農村戶用沼氣的發酵原料主要為農作物秸稈、畜禽糞便和人糞尿等。針對農作物秸稈資源量及畜禽糞便排放量估算的研究很多［1－8］，這些研究結果反映了中國秸稈及畜禽糞便資源的總量，但不能用其直接評價各個地區沼氣發酵原料的多寡。一方面，不同發酵原料產沼氣的效率有很大的差別，另一方面，各地秸稈及畜禽糞便資源的總量不能很好地反映資源和資源消費的關系。因此，中國農村不同地區沼氣發酵原料的產氣潛力及其分布值得深入探討。

能值潛力估算動物數據庫（The Animals data Base for Energy Potential Estimation，ABEPE）模型是希臘Batzias等提出的基于地理信息系統的生物質資源評價，運用相關的數據管理系統估算畜禽糞便資源沼氣池產氣量的模型［9］，并利用這一模型對希臘全境畜禽糞便資源產沼氣的量進行了估算［10］。本研究結合能值潛力估算動物數據庫模型（ABEPE）建立中國農村戶用沼氣主要發酵原料理論戶均產氣潛力模型，并利用該模型估算中國農村2007年沼氣發酵原料（農作物秸稈、畜禽糞便和人糞尿）理論戶均產沼氣潛力。在此基礎上，對中國農村戶用沼氣發酵原料適宜性進行區劃，以期為合理布局中國農村戶用沼氣提供理論依據。

1 農村戶用沼氣發酵原料產氣潛力

1.1 農村戶用沼氣理論產氣潛力模型

農村戶用沼氣理論產氣潛力，即一定溫度下，某個地區發酵原料產沼氣潛力之和與這個地區人口戶數的比值。比值越大說明這個地區沼氣發酵原料越豐富。本研究對能值潛力估算動物數據庫（ABEPE）模型做了以下改動，建立了理論戶均產沼氣潛力模型：（1）本研究探討的是發酵原料產沼氣潛力并非實際值，因而沒有考慮農作物秸稈、畜禽糞便和人糞尿資源的入池率；（2）把僅對動物糞便產沼氣的估算改為農作物秸稈、畜禽糞便和人糞尿產沼氣的潛力；（3）把單位面積產沼氣改為戶均產沼氣潛力；（4）沒有把產沼氣的量轉化為能量。表1為農村戶用沼氣理論產氣潛力模型參數。理論戶均產氣潛力估算模型如下：

表1 理論戶均產沼氣潛力估算模型參數［11］

（1）計算農村產沼氣生物質資源干物質質量。農村產沼氣生物質資源包括農作物秸稈和人、畜禽糞便。農作物秸稈干物質質量用公式（1）計算，人、畜禽糞便干物質質量用公式（2）計算。

式中：DSyra——y年r區第a種物質的干物質質量；Qyra——y年r區第a種物質的產量；Pyra——y年r區第a種物質的數量；Myra——y年r區第a種物質的糞尿年排泄量；BFyra——第a種物質中的干物質質量分數系數。

（2）計算生物質資源產沼氣的潛力。

式中：Byra——y年r區第a種物質產沼氣的潛力；BYFyra——第a種物質產沼氣因子（在35℃的條件下測定）。

（3）計算生物質資源產沼氣的總潛力。

式中：Byr—y年r區產沼氣的總潛力。

（4）計算農村生物質資源戶均產沼氣潛力。

式中：Dyr——y年r區生物質資源戶均產沼氣潛力；Hr——r區的鄉村戶數。

1.2 數據來源及計算

2007年中國各地區主要糧食作物產量、牲畜年末存欄量、主要牲畜出欄量和鄉村戶數的數據均來源于2008年中國農村統計年鑒。

1.3 農村戶用沼氣理論產氣潛力估算及分析

利用理論戶均產氣潛力模型對中國2007年沼氣發酵原料（農作物秸稈、畜禽糞便和人糞尿）理論戶均產沼氣潛力進行了估算。根據所得結果利用ArcGIS軟件得到2007年中國各地農村秸稈理論戶均產沼氣潛力分布圖，2007年中國各地農村糞便理論戶均產沼氣潛力分布圖，2007年中國各地農村理論戶均產沼氣潛力分布圖。

1.3.1 秸稈戶均產沼氣潛力 秸稈理論戶均產沼氣潛力（圖1—2）居前六位的是吉林、黑龍江、新疆、內蒙古、河南和寧夏，秸稈理論戶均產氣潛力均高于500m3／a，其中吉林最高達916m3／a；其次是山東、安徽、遼寧、河北、江蘇、湖北和江西，秸稈理論戶均產氣潛力均在300m3／a以上；北京、上海、浙江、福建、廣東、廣西、海南、重慶、貴州和西藏10省（市、區），秸稈理論戶均產氣潛力較低，秸稈理論戶均產氣潛力低于200m3／a，農作物秸稈資源較少，秸稈資源作為沼氣發酵原料遠遠不夠滿足農戶對沼氣的需求。

圖1 秸稈理論戶均產沼氣潛力

圖2 2007年中國各地農村秸稈理論戶均產沼氣潛力分布

1.3.2 糞便戶均產沼氣潛力 糞便理論戶均產沼氣潛力（圖3—4）高于1 000m3／a的地區包括西藏、青海、吉林、新疆、內蒙古、遼寧、海南、黑龍江和寧夏9省（區），其中西藏最高達9 318m3／a，為養殖大省，具有豐富的糞便資源可以作為沼氣發酵原料；其次是甘肅、云南、廣西、河南、山東和四川，糞便理論戶均產氣潛力均在700m3／a以上；山西、上海、江蘇、浙江4省（市）糞便理論戶均產氣潛力低，糞便理論戶均產氣潛力低于250m3／a，養殖業不發達，糞便資源少，若只用糞便資源作為沼氣發酵原料遠遠不夠滿足農戶對沼氣的需求。

1.3.3 總戶均產沼氣潛力 理論戶均產沼氣潛力（圖5—6）居前五位的是西藏、青海、吉林、內蒙古和新疆，發酵原料理論戶均產氣潛力均高于2 300m3／a，其中西藏高達9 492m3／a，具有豐富的沼氣發酵原料；其次是河北、遼寧、黑龍江、江西、山東、河南、湖北、廣西、海南、四川、云南、甘肅和寧夏，發酵原料理論戶均產氣潛力均在900m3／a以上；山西、上海、福建、廣東、重慶、陜西和浙江發酵原料理論戶均產氣潛力較低，發酵原料理論戶均產氣潛力低于540m3／a，秸稈、糞便資源都不足，沼氣發酵原料短缺。

圖3 糞便理論戶均產沼氣潛力

圖4 2007年中國各地農村糞便理論戶均產沼氣潛力分布

圖5 理論戶均產沼氣潛力

2 中國農村戶用沼氣發酵原料適宜性區劃

2.1 區劃指標

農村沼氣能源主要用于炊事、取暖和照明等生活消費。因此，該研究以理論戶均產沼氣潛力能滿足戶均農村生活消費能源的百分比來作為沼氣發酵原料的分區指標。中國農村戶均生活用能約為每年2 000 kg標準煤，相當于2 800m3沼氣燃燒所產生的熱量（1m3沼氣折算0.714kg的標準煤）。中國農村戶用沼氣發酵原料分區指標分級標準見表2。理論戶均產沼氣潛力占戶均農村生活消費能源的比例大于50%的區域，即理論戶均產沼氣潛力大于1 400m3／a的區域為沼氣發酵原料最適宜區；理論戶均產沼氣潛力占戶均農村生活消費能源的比例小于50%大于30%的區域，即理論戶均產沼氣潛力在840～1 400 m3／a的區域為沼氣發酵原料適宜區；理論戶均產沼氣潛力占戶均農村生活消費能源的比例小于30%大于20%的區域，即理論戶均產沼氣潛力在560～840 m3／a的區域為沼氣發酵原料次適宜區；理論戶均產沼氣潛力占戶均農村生活消費能源的比例小于20%的區域，即理論戶均產沼氣潛力在小于560 m3／a的區域為沼氣發酵原料非適宜區。

圖6 2007年中國各地農村理論戶均產沼氣潛力分布

2.2 區劃原則

（1）理論戶均產沼氣潛力的區內一致性和區間差異性；

（2）區域間不重疊，即任何一個被作為分區對象的地域單元不能同時歸屬于兩個或兩個以上的同級區域。

2.3 區劃方法

以理論戶均產沼氣潛力能滿足戶均農村生活消費能源的百分比來作為沼氣發酵原料的分區指標。按照中國農村戶用沼氣發酵原料分區指標分級標準對2007年中國各地農村沼氣發酵原料理論戶均產沼氣潛力進行分區，結果見表3。根據區劃結果，形成了中國農村戶用沼氣發酵原料適宜性區劃圖（圖7）。

表2 中國農村戶用沼氣發酵原料區劃指標及分級標準

2.4 分區評述

發酵原料最適宜區（Ⅰ區）。包括西藏、青海、吉林、新疆、內蒙古、黑龍江、寧夏和遼寧8個省（區）。這些地區發酵原料理論戶均產氣潛力高，均大于1 400m3／a，具有豐富的沼氣發酵原料。發酵原料最適宜區主要集中在西北大部和東北地區，這些地區春、冬季自然溫度低，年發酵時間短，應發展溫棚沼氣，如何提高發酵原料的產氣率是這些地區發展戶用沼氣的關鍵。

表3 中國農村戶用沼氣發酵原料適宜性區劃

圖7 中國農村戶用沼氣發酵原料適宜性區劃

發酵原料適宜區（Ⅱ區）。包括海南、河南、甘肅、云南、山東、河北、廣西、江西、湖北、四川和安徽11個省。這些地區發酵原料理論戶均產氣潛力較高，均高于840m3／a，具有較豐富的沼氣發酵原料，應充分高效地利用沼氣發酵原料發展農村沼氣。

發酵原料次適宜區（Ⅲ區）。包括天津、湖南、貴州、北京、江蘇、廣東、陜西、重慶和山西9個省（市）。此區發酵原料理論戶均產氣潛力偏低，為560～840 m3／a，沼氣發酵原料不足，可以通過調整農業結構，增加畜牧業的比重及沼氣能源植物的種植等措施來滿足沼氣發酵原料的供給。

發酵原料非適宜區（Ⅳ區）。包括福建、上海、浙江3省（市）。此區發酵原料理論戶均產氣潛力低于560m3／a，沼氣發酵原料嚴重短缺，沼氣發展的模式不宜以戶為主，可以發展農村沼氣集中供氣模式。

3 結論與討論

3.1 結 論

（1）本研究結合能值潛力估算動物數據庫（ABEPE）模型建立了中國農村戶用沼氣主要發酵原料理論戶均產氣潛力估算模型。并利用該模型對中國農村2007年沼氣發酵原料（農作物秸稈、畜禽糞便和人糞尿）理論戶均產沼氣潛力分別進行了估算。發酵原料理論戶均產氣潛力居前五位的是西藏、青海、吉林、內蒙古和新疆，均高于2 300m3／a，其中西藏高達9 492m3／a，山西、上海、福建、廣東、重慶、陜西和浙江發酵原料理論戶均產氣潛力較低，均低于540 m3／a。

（2）以理論戶均產沼氣潛力能滿足戶均農村生活消費能源的百分比來作為沼氣發酵原料的分區指標。按照中國農村戶用沼氣發酵原料分區指標分級標準對2007年中國各地農村沼氣發酵原料理論戶均產沼氣潛力進行了分區，劃分為沼氣發酵原料最適宜區、適宜區、次適宜區和非適宜區。發酵原料最適宜區包括西藏、青海、吉林、新疆、內蒙古、黑龍江、寧夏和遼寧8個省（區）；發酵原料適宜區包括海南、河南、甘肅、云南、山東、河北、廣西、江西、湖北、四川和安徽11個省；發酵原料次適宜區包括天津、湖南、貴州、北京、江蘇、廣東、陜西、重慶和山西9個省（市）；發酵原料非適宜區包括福建、上海、浙江3省（市）。根據區劃結果，形成了中國農村戶用沼氣發酵原料適宜性區劃圖。

3.2 討 論

（1）本文在估算沼氣發酵原料產氣潛力時不僅考慮了不同發酵原料產氣效率的差別，也考慮了資源的富集程度，因此，能更準確的評價各個地區沼氣發酵原料的多寡。

（2）本文探討的是發酵原料產沼氣潛力并非實際值，因而沒有考慮農作物秸稈、畜禽糞便和人糞尿資源的入池率（即生物質資源用做沼氣發酵的比例）及各地的溫度狀況。

（3）我國對農村戶用沼氣區劃的研究開展的還較少，完整的區劃指標和方法還未建立，本文在沼氣發酵原料區劃研究方面做了一些嘗試性的工作，還有許多問題有待于進一步探索研究。

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