中國(guó)農(nóng)村沼氣發(fā)酵溫度適宜性區(qū)劃

陳 豫，胡 偉

（宜賓學(xué)院 作物科學(xué)研究所，四川 宜賓644000）

區(qū)域差異是中國(guó)農(nóng)村沼氣發(fā)展的重要特征［1］。沼氣發(fā)展水平和空間分布格局受到多種因素的共同影響［2］。Alvarez等［3］通過實(shí)地觀測(cè)分析了氣溫變化對(duì)沼氣發(fā)酵的影響。徐小剛等［4］指出中國(guó)農(nóng)村沼氣南北方發(fā)展不平衡的主要因素是地域溫度，認(rèn)為氣溫是農(nóng)村沼氣推廣利用的一個(gè)決定性因素。楊艷麗等［1］的研究結(jié)果表明，中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣以河北四川線和江蘇廣東線為界，呈現(xiàn)出三個(gè)空間分異帶，形成以四川、廣西、云南為代表的西南地區(qū)和以河南、湖南為代表的華北—中南地帶；影響農(nóng)村戶用沼氣發(fā)展空間格局的首要因素是氣候條件和市場(chǎng)消費(fèi)，其次是原料來源，地區(qū)經(jīng)濟(jì)狀況對(duì)其影響不顯著。中國(guó)地域遼闊，擁有較多的氣候帶，不同氣候帶的氣候差別很大。中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣發(fā)酵溫度適宜性區(qū)劃對(duì)中國(guó)農(nóng)村沼氣合理布局具有重要的意義。本文以沼氣發(fā)酵溫度為研究對(duì)象，以期為合理布局中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣提供理論依據(jù)。

1 發(fā)酵溫度與沼氣產(chǎn)量速率的關(guān)系

沼氣發(fā)酵又稱厭氧消化，是指各種有機(jī)物在厭氧條件下，被各類沼氣發(fā)酵微生物分解轉(zhuǎn)化，最終生成沼氣的過程［5］。參與沼氣發(fā)酵活動(dòng)的細(xì)菌主要為發(fā)酵性細(xì)菌，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌，耗氫產(chǎn)乙酸菌，食氫產(chǎn)甲烷菌，食乙酸產(chǎn)甲烷菌5大類群［5］。沼氣發(fā)酵微生物只有在一定的溫度條件下才能生長(zhǎng)繁殖，進(jìn)行正常的代謝活動(dòng)。10℃以下時(shí)，無論是產(chǎn)酸菌或產(chǎn)甲烷菌都受到嚴(yán)重抑制；10℃以上時(shí)產(chǎn)酸菌開始活動(dòng)，在10～30℃溫度區(qū)間，產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)氣能力隨著溫度的降低而減小，溫度在15℃以下時(shí)產(chǎn)甲烷菌不適宜生長(zhǎng)，15℃以上時(shí)產(chǎn)甲烷菌的代謝活動(dòng)才活躍起來［6］。

1.1 發(fā)酵溫度對(duì)產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率的影響

在一定的溫度范圍內(nèi)（15～40℃），隨著溫度的增高，微生物的代謝加快，分解原料的速度也相應(yīng)提高，產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率都相應(yīng)地增高。例如沼氣發(fā)酵溫度為10℃時(shí)，每千克干物質(zhì)產(chǎn)氣量0.45m3，20℃時(shí)產(chǎn)氣量0.61m3，到30℃時(shí)，產(chǎn)氣量達(dá)0.76m3，可見不同溫度下原料的產(chǎn)氣效率變化很大［7］。溫度每上升10℃，反應(yīng)速率約增加2～3倍［8］，也就是說，同一種發(fā)酵原料在35℃的條件下發(fā)酵一個(gè)月相當(dāng)于15℃條件下發(fā)酵6—9個(gè)月的產(chǎn)氣量。表1為溫度與沼氣產(chǎn)氣速度的關(guān)系［9］。

表1 溫度與沼氣產(chǎn)氣速度的關(guān)系

1.2 發(fā)酵溫度的突變對(duì)產(chǎn)氣量的影響

沼氣發(fā)酵溫度的突然升高或降低，對(duì)產(chǎn)氣量影響顯著。一般認(rèn)為，溫度突然上升或下降5℃，產(chǎn)氣量顯著降低，若溫度變化過大則會(huì)停止產(chǎn)氣，當(dāng)溫度恢復(fù)正常后，仍可以正常產(chǎn)氣［10］。

1.3 發(fā)酵溫度對(duì)一定發(fā)酵原料總產(chǎn)氣量的影響

發(fā)酵原料總的產(chǎn)氣量并不受發(fā)酵溫度的影響。在一定的溫度變化范圍內(nèi)（8～35℃），一定量的發(fā)酵原料的總產(chǎn)氣量基本保持不變，也就是說提高原料的發(fā)酵溫度并不能提高發(fā)酵原料的分解利用率，只能提高沼氣發(fā)酵的速度。例如要產(chǎn)同樣多的沼氣，發(fā)酵池溫度低則發(fā)酵周期長(zhǎng)，發(fā)酵池溫度高則發(fā)酵周期短。

2 沼氣池發(fā)酵液的溫度與氣溫、地溫之間的關(guān)系

中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣池均是在自然溫度下進(jìn)行沼氣發(fā)酵，其特點(diǎn)是發(fā)酵料液的溫度隨氣溫、地溫的變化而變化，一般料液溫度為8～25℃，低于10℃以后，產(chǎn)氣效果很差［11］。其優(yōu)點(diǎn)是不需要對(duì)發(fā)酵料液溫度進(jìn)行控制，節(jié)省保溫和加熱投資；其缺點(diǎn)是同樣投料條件下，一年四季產(chǎn)氣率相差較大。南方農(nóng)村沼氣池建在地下，還可以維持用氣量。北方的沼氣池則需建在太陽能暖圈或日光溫室下，才可確保沼氣池安全越冬，維持正常產(chǎn)氣。

氣溫、地溫和池溫的關(guān)系密切，池溫（發(fā)酵液溫度）直接受地溫影響，而地溫又隨著氣溫而變化。以成都地區(qū)（表2）和長(zhǎng)沙地區(qū)（表3）沼氣池發(fā)酵液溫度與氣溫、地溫變化情況可見，離地表面越近溫度變化越大，越接近氣溫；越深變化越小，與氣溫差異越大。夏天離地面越近溫度越高，冬天離地面越近溫度越低［12］。盡管氣溫變化大、變化快，但由于地?zé)崛萘看螅販叵鄬?duì)穩(wěn)定，變化慢，不會(huì)隨氣溫產(chǎn)生明顯變化［13］。

表2 成都地區(qū)沼氣池發(fā)酵液溫度與氣溫、地溫變化比較 ℃

表3 長(zhǎng)沙地區(qū)沼氣池發(fā)酵液溫度與氣溫、地溫變化比較 ℃

3 中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣發(fā)酵溫度適宜性區(qū)劃

3.1 區(qū)劃指標(biāo)的選取

氣溫，池溫，地溫之間的關(guān)系復(fù)雜，影響因子較多，目前還沒有統(tǒng)一的研究結(jié)果。對(duì)中國(guó)農(nóng)村沼氣發(fā)酵溫度進(jìn)行區(qū)劃，測(cè)定各地沼氣池發(fā)酵液的溫度工作量大，不易實(shí)現(xiàn)。地溫與池溫較為接近，但目前觀測(cè)地溫的方法（高精度測(cè)溫儀、氣象臺(tái)站常規(guī)觀測(cè)、衛(wèi)星遙感技術(shù)）存在費(fèi)用昂貴、點(diǎn)位分散、大氣校正復(fù)雜等問題，難以普遍開展［14］。氣溫的數(shù)據(jù)相對(duì)易獲得，且精度高。因此本研究利用氣溫的分布來對(duì)沼氣所需的溫度環(huán)境進(jìn)行分區(qū)。依據(jù)發(fā)酵溫度與沼氣產(chǎn)量速率的關(guān)系，沼氣池發(fā)酵液的溫度與氣溫、地溫之間的關(guān)系，以最低發(fā)酵溫度（12℃）的發(fā)酵時(shí)間和發(fā)酵較快溫度（20℃）的發(fā)酵時(shí)間作為中國(guó)農(nóng)村沼氣發(fā)酵溫度適宜性分區(qū)的指標(biāo)。最低發(fā)酵溫度的發(fā)酵時(shí)間大于等于10個(gè)月且發(fā)酵較快溫度的發(fā)酵時(shí)間大于等于6個(gè)月的區(qū)域?yàn)檎託獍l(fā)酵溫度最適宜區(qū)；最低發(fā)酵溫度的發(fā)酵時(shí)間在7～10個(gè)月之間且發(fā)酵較快溫度的發(fā)酵時(shí)間大于等于4個(gè)月的區(qū)域?yàn)檎託獍l(fā)酵溫度適宜區(qū)；最低發(fā)酵溫度的發(fā)酵時(shí)間在3～7個(gè)月之間且發(fā)酵較快溫度的發(fā)酵時(shí)間大于等于3個(gè)月的區(qū)域?yàn)檎託獍l(fā)酵溫度次適宜區(qū)；最低發(fā)酵溫度的發(fā)酵時(shí)間小于等于3個(gè)月為沼氣發(fā)酵非適宜區(qū)。具體指標(biāo)及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣發(fā)酵溫度適宜性區(qū)劃指標(biāo)及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.2 中國(guó)氣溫分布

根據(jù)表4，對(duì)中國(guó)氣溫分布進(jìn)行分析，附圖10為2009年中國(guó)氣溫分布圖，數(shù)據(jù)來源于國(guó)家氣候中心網(wǎng)站。根據(jù)附圖10得到中國(guó)各地各溫度段的月數(shù)見表5。

表5 中國(guó)各地各溫度段的月數(shù)

3.3 區(qū)劃原則

（1）沼氣發(fā)酵溫度和發(fā)酵時(shí)間區(qū)內(nèi)一致性和區(qū)間差異性；

（2）區(qū)域間不重疊，即任何一個(gè)被作為分區(qū)對(duì)象的地域單元不能同時(shí)歸屬于兩個(gè)或兩個(gè)以上的同級(jí)區(qū)域。

3.4 區(qū)劃方法

按照中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣發(fā)酵溫度分區(qū)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)2009年中國(guó)氣溫分布情況進(jìn)行分區(qū)，分區(qū)結(jié)果見表6。根據(jù)區(qū)劃結(jié)果，形成了中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣發(fā)酵溫度適宜性區(qū)劃圖（圖1）。

3.5 分區(qū)評(píng)述

Ⅰ發(fā)酵溫度最適宜區(qū)。包括福建、廣東、廣西、海南、云南5個(gè)省。此區(qū)全年基本可產(chǎn)氣，且1a中有6個(gè)月產(chǎn)氣速度較快，產(chǎn)氣效率高，具有發(fā)展沼氣的最適宜溫度條件。

Ⅱ發(fā)酵溫度適宜區(qū)。包括浙江、湖北、湖南、貴州、重慶、江蘇、江西、四川、上海、河南、山東、安徽、天津、北京、河北。沼氣池的利用時(shí)間在半年以上，但產(chǎn)氣速度快、原料產(chǎn)氣效率高的時(shí)間有4～6個(gè)月，為沼氣池季節(jié)利用、短時(shí)間高產(chǎn)地區(qū)，具有發(fā)展沼氣的適宜溫度條件。

Ⅲ發(fā)酵溫度次適宜區(qū)。包括山西、遼寧、吉林、甘肅、新疆、寧夏，陜西、內(nèi)蒙古。沼氣池的利用時(shí)間小于半年，產(chǎn)氣速度快、原料產(chǎn)氣效率高的時(shí)間只有1～3個(gè)月。

Ⅳ發(fā)酵溫度非適宜區(qū)。包括黑龍江、西藏、青海。沼氣池利用時(shí)間短，產(chǎn)氣速度慢，產(chǎn)氣效率低，因此在自然條件下，不具有發(fā)展沼氣的溫度條件。

表6 中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣發(fā)酵溫度適宜性區(qū)劃

圖1 中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣發(fā)酵溫度適宜性區(qū)劃

4 結(jié)論

論文以沼氣發(fā)酵溫度為研究對(duì)象，將中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣發(fā)酵溫度劃分為沼氣發(fā)酵溫度最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)和非適宜區(qū)。發(fā)酵溫度最適宜區(qū)包括福建、廣東、廣西、海南、云南5個(gè)省；發(fā)酵溫度適宜區(qū)包括浙江、湖北、湖南、貴州、重慶、江蘇、江西、四川、上海、河南、山東、安徽、天津、北京、河北15個(gè)省；發(fā)酵溫度次適宜區(qū)包括山西、遼寧、吉林、甘肅、新疆、寧夏、陜西、內(nèi)蒙古8個(gè)省；發(fā)酵溫度非適宜區(qū)包括黑龍江、西藏、青海3個(gè)省。根據(jù)區(qū)劃結(jié)果，形成了中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣發(fā)酵溫度適宜性區(qū)劃圖。

中國(guó)農(nóng)村沼氣的區(qū)劃主要包括發(fā)酵原料的區(qū)劃和發(fā)酵溫度的區(qū)劃。發(fā)酵原料的統(tǒng)計(jì)資料都是以省為單位，為了便于中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣發(fā)酵溫度適宜性區(qū)劃與原料區(qū)劃的匹配和結(jié)合，在做中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣發(fā)酵溫度適宜性區(qū)劃時(shí)仍采取了以省為單位進(jìn)行分區(qū)。由于省內(nèi)部溫度條件存在一定的差異，可能會(huì)影響到溫度區(qū)劃的精確性。本研究在中國(guó)農(nóng)村沼氣發(fā)酵溫度適宜性區(qū)劃方面做了一些嘗試性的工作，還有許多問題有待于進(jìn)一步探索研究。

［1］ 楊艷麗，侯堅(jiān)，張培棟.中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣發(fā)展的空間分異格局［J］.資源科學(xué)，2009，31（7）：1219－1225.

［2］ Ramachandra T V，Shruthi B V.Spatial mapping of renewable energy potential［J］.Renewable＆Sustainable Energy Reviews，2007，11（7）：1460－1480.

［3］ Alvarez R，Liden G.The effect of temperature variation on biomethanation at high altitude［J］.Bioresource Technology，2008，99（15）：7278－7284.

［4］ 徐小剛，李秀峰.我國(guó)農(nóng)村沼氣發(fā)展影響因素分析［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36（7）：2888－2890.

［5］ 周孟津，張榕林，藺金印.沼氣實(shí)用技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［6］ 王華，楊光，劉小剛，等.溫度對(duì)沼氣菌群產(chǎn)氣能力的影響及菌群變化的研究［J］.西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2008，17（5）：294－297.

［7］ 鐘賢烈.農(nóng)村沼氣［M］.北京：農(nóng)業(yè)出版社，1983.

［8］ 騰傳鈞，汪國(guó)英.沼氣節(jié)能綜合利用技術(shù)［M］.貴陽：貴州科技出版社，2003.

［9］ 徐曾符.沼氣工藝學(xué)［M］.北京：農(nóng)業(yè)出版社，1981.

［10］ 張全國(guó).沼氣技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：71－73.

［11］ 馬洪儒.家用沼氣池穩(wěn)定產(chǎn)氣的技術(shù)要點(diǎn)［J］.可再生能源，2003，108（2）：29－30.

［12］ 林聰.沼氣技術(shù)理論與工程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［13］ 宋洪川.農(nóng)村沼氣實(shí)用技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［14］ 黃廣思.地溫遙感預(yù)報(bào)地震的原理和方法［J］.地殼形變與地震，1993，13（1）：23－29.