中國農村沼氣發酵溫度適宜性區劃

陳 豫，胡 偉

（宜賓學院 作物科學研究所，四川 宜賓644000）

區域差異是中國農村沼氣發展的重要特征［1］。沼氣發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］通過實地觀測分析了氣溫變化對沼氣發酵的影響。徐小剛等［4］指出中國農村沼氣南北方發展不平衡的主要因素是地域溫度，認為氣溫是農村沼氣推廣利用的一個決定性因素。楊艷麗等［1］的研究結果表明，中國農村戶用沼氣以河北四川線和江蘇廣東線為界，呈現出三個空間分異帶，形成以四川、廣西、云南為代表的西南地區和以河南、湖南為代表的華北—中南地帶；影響農村戶用沼氣發展空間格局的首要因素是氣候條件和市場消費，其次是原料來源，地區經濟狀況對其影響不顯著。中國地域遼闊，擁有較多的氣候帶，不同氣候帶的氣候差別很大。中國農村戶用沼氣發酵溫度適宜性區劃對中國農村沼氣合理布局具有重要的意義。本文以沼氣發酵溫度為研究對象，以期為合理布局中國農村戶用沼氣提供理論依據。

1 發酵溫度與沼氣產量速率的關系

沼氣發酵又稱厭氧消化，是指各種有機物在厭氧條件下，被各類沼氣發酵微生物分解轉化，最終生成沼氣的過程［5］。參與沼氣發酵活動的細菌主要為發酵性細菌，產氫產乙酸菌，耗氫產乙酸菌，食氫產甲烷菌，食乙酸產甲烷菌5大類群［5］。沼氣發酵微生物只有在一定的溫度條件下才能生長繁殖，進行正常的代謝活動。10℃以下時，無論是產酸菌或產甲烷菌都受到嚴重抑制；10℃以上時產酸菌開始活動，在10～30℃溫度區間，產甲烷菌的產氣能力隨著溫度的降低而減小，溫度在15℃以下時產甲烷菌不適宜生長，15℃以上時產甲烷菌的代謝活動才活躍起來［6］。

1.1 發酵溫度對產氣量和產氣率的影響

在一定的溫度范圍內（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提高，產氣量和產氣率都相應地增高。例如沼氣發酵溫度為10℃時，每千克干物質產氣量0.45m3，20℃時產氣量0.61m3，到30℃時，產氣量達0.76m3，可見不同溫度下原料的產氣效率變化很大［7］。溫度每上升10℃，反應速率約增加2～3倍［8］，也就是說，同一種發酵原料在35℃的條件下發酵一個月相當于15℃條件下發酵6—9個月的產氣量。表1為溫度與沼氣產氣速度的關系［9］。

表1 溫度與沼氣產氣速度的關系

1.2 發酵溫度的突變對產氣量的影響

沼氣發酵溫度的突然升高或降低，對產氣量影響顯著。一般認為，溫度突然上升或下降5℃，產氣量顯著降低，若溫度變化過大則會停止產氣，當溫度恢復正常后，仍可以正常產氣［10］。

1.3 發酵溫度對一定發酵原料總產氣量的影響

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

2 沼氣池發酵液的溫度與氣溫、地溫之間的關系

中國農村戶用沼氣池均是在自然溫度下進行沼氣發酵，其特點是發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，產氣效果很差［11］。其優點是不需要對發酵料液溫度進行控制，節省保溫和加熱投資；其缺點是同樣投料條件下，一年四季產氣率相差較大。南方農村沼氣池建在地下，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，維持正常產氣。

氣溫、地溫和池溫的關系密切，池溫（發酵液溫度）直接受地溫影響，而地溫又隨著氣溫而變化。以成都地區（表2）和長沙地區（表3）沼氣池發酵液溫度與氣溫、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，但由于地熱容量大，地溫相對穩定，變化慢，不會隨氣溫產生明顯變化［13］。

表2 成都地區沼氣池發酵液溫度與氣溫、地溫變化比較 ℃

表3 長沙地區沼氣池發酵液溫度與氣溫、地溫變化比較 ℃

3 中國農村戶用沼氣發酵溫度適宜性區劃

3.1 區劃指標的選取

氣溫，池溫，地溫之間的關系復雜，影響因子較多，目前還沒有統一的研究結果。對中國農村沼氣發酵溫度進行區劃，測定各地沼氣池發酵液的溫度工作量大，不易實現。地溫與池溫較為接近，但目前觀測地溫的方法（高精度測溫儀、氣象臺站常規觀測、衛星遙感技術）存在費用昂貴、點位分散、大氣校正復雜等問題，難以普遍開展［14］。氣溫的數據相對易獲得，且精度高。因此本研究利用氣溫的分布來對沼氣所需的溫度環境進行分區。依據發酵溫度與沼氣產量速率的關系，沼氣池發酵液的溫度與氣溫、地溫之間的關系，以最低發酵溫度（12℃）的發酵時間和發酵較快溫度（20℃）的發酵時間作為中國農村沼氣發酵溫度適宜性分區的指標。最低發酵溫度的發酵時間大于等于10個月且發酵較快溫度的發酵時間大于等于6個月的區域為沼氣發酵溫度最適宜區；最低發酵溫度的發酵時間在7～10個月之間且發酵較快溫度的發酵時間大于等于4個月的區域為沼氣發酵溫度適宜區；最低發酵溫度的發酵時間在3～7個月之間且發酵較快溫度的發酵時間大于等于3個月的區域為沼氣發酵溫度次適宜區；最低發酵溫度的發酵時間小于等于3個月為沼氣發酵非適宜區。具體指標及分級標準見表4。

表4 中國農村戶用沼氣發酵溫度適宜性區劃指標及分級標準

3.2 中國氣溫分布

根據表4，對中國氣溫分布進行分析，附圖10為2009年中國氣溫分布圖，數據來源于國家氣候中心網站。根據附圖10得到中國各地各溫度段的月數見表5。

表5 中國各地各溫度段的月數

3.3 區劃原則

（1）沼氣發酵溫度和發酵時間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。

3.4 區劃方法

按照中國農村戶用沼氣發酵溫度分區指標分級標準對2009年中國氣溫分布情況進行分區，分區結果見表6。根據區劃結果，形成了中國農村戶用沼氣發酵溫度適宜性區劃圖（圖1）。

3.5 分區評述

Ⅰ發酵溫度最適宜區。包括福建、廣東、廣西、海南、云南5個省。此區全年基本可產氣，且1a中有6個月產氣速度較快，產氣效率高，具有發展沼氣的最適宜溫度條件。

Ⅱ發酵溫度適宜區。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。沼氣池的利用時間在半年以上，但產氣速度快、原料產氣效率高的時間有4～6個月，為沼氣池季節利用、短時間高產地區，具有發展沼氣的適宜溫度條件。

Ⅲ發酵溫度次適宜區。包括山西、遼寧、吉林、甘肅、新疆、寧夏，陜西、內蒙古。沼氣池的利用時間小于半年，產氣速度快、原料產氣效率高的時間只有1～3個月。

Ⅳ發酵溫度非適宜區。包括黑龍江、西藏、青海。沼氣池利用時間短，產氣速度慢，產氣效率低，因此在自然條件下，不具有發展沼氣的溫度條件。

表6 中國農村戶用沼氣發酵溫度適宜性區劃

圖1 中國農村戶用沼氣發酵溫度適宜性區劃

4 結論

論文以沼氣發酵溫度為研究對象，將中國農村戶用沼氣發酵溫度劃分為沼氣發酵溫度最適宜區、適宜區、次適宜區和非適宜區。發酵溫度最適宜區包括福建、廣東、廣西、海南、云南5個省；發酵溫度適宜區包括浙江、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個省；發酵溫度次適宜區包括山西、遼寧、吉林、甘肅、新疆、寧夏、陜西、內蒙古8個省；發酵溫度非適宜區包括黑龍江、西藏、青海3個省。根據區劃結果，形成了中國農村戶用沼氣發酵溫度適宜性區劃圖。

中國農村沼氣的區劃主要包括發酵原料的區劃和發酵溫度的區劃。發酵原料的統計資料都是以省為單位，為了便于中國農村戶用沼氣發酵溫度適宜性區劃與原料區劃的匹配和結合，在做中國農村戶用沼氣發酵溫度適宜性區劃時仍采取了以省為單位進行分區。由于省內部溫度條件存在一定的差異，可能會影響到溫度區劃的精確性。本研究在中國農村沼氣發酵溫度適宜性區劃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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