區域農業生產結構對沼氣發展的影響
——基于2014年全國31省平行數據的分析

吳 凡，盧玉棟，吳宗華

（1.福建師范大學協和學院，福建 福州 350117；2.福建師范大學 化學與材料科學學院，福建 福州 350007）

隨著農村人民生活水平的提高，農村能源的供求矛盾以及農業生產中的秸稈、牲畜排泄物等生物質廢棄物的處理問題日顯突出[1]。沼氣生產可將這些廢棄物轉化為生物質能源，改善農村能源供應的結構。近年來沼氣發展迅速，例如在德國生物質發電接近陸上發電[2]，未來可能成為最大電力供應行業。可是我國沼氣發展卻緩慢。我國2004年的沼氣生產量為5.70×108m3，2012年迅速發展為 1.57×109m3，但其后發展趨緩，2014年僅為1.53×109m3[3]。制約沼氣發展的因素很多，除了政策、資金和技術等外，農業生產結構也對沼氣發展起著重要的作用。我國地域遼闊、區域農業生產結構差異大，糧食作物播種面積與非糧作物播種面積的比例、牲畜的種類與數量及其集中度等都影響沼氣的發展。許多研究表明農業結構影響農戶使用沼氣。許亞男對河北省滄州、保定、石家莊等市的農戶進行調查中發現作物面積越大、牲畜數量越多和生物質原材料越多，農戶發展沼氣的積極性也越高[4]。蔡亞慶等對吉林、河北、安徽、四川、云南五省等省牲畜和家禽存欄數越多，農戶利用沼氣的概率越大[5]。秦嘵萍對錫林郭勒盟南部進行調查發現從事種植業或半農半牧業的農牧戶利用沼氣效率高，農區或半農半牧區更容易推廣沼氣工程[6]。這些研究結果都建立區域調察數據上。本文旨在應用大數據分析技術，以中國31省（直轄市）統計數據為基礎，解析我國區域農業生產結構的差異對沼氣發展的影響，探究促進沼氣發展的途徑。

1 數據來源與分析方法

1.1 模型構建

為了探究影響我國 沼氣發展的因素，本文采用多元線性回歸模型分析了全國31省（直轄市）的農業生產結構與人均沼氣產量的關系。該模型通常利用最小二乘法來檢驗多個自變量與因變量的關系。其公式如下：

其中，Y 為因變量，Xn為自變量，βo為常數項，βi為回歸系數，為誤差項。

多元線性回歸是經濟學和環境學中最常用的分析變量間因果關系的方法之一。例如：尚杰等用多元線性回歸模型分析了影響農戶使用化肥強度的因素[7]。張雅麗等應用了該方法分析了影響陜北黃土高原丘陵溝壑區植被覆蓋變化的驅動因素[8]。Lee等以多元線性回歸模型預測了風力田的短期風力強度[9]。

1.2 沼氣使用影響因素分析框架

由于沼氣生產與使用多在農村，所以以農村常住人口和各省沼氣產氣總量為基數計算出人均沼氣量，作為因變量。以各省的糧食作物播種面積與非糧食作物播種面積的比例作為播種結構的自變量；分別以各省牛、豬的飼養數（出欄數與存欄數之和）、以及各省羊的年底只數作為畜牧業結構的自變量。農村常住人口和沼氣量來源于《中國農村統計年鑒2015》，各省的糧食作物播種面積與非糧作物播種面積的比、各省的牛的飼養數、豬的飼養數、羊的年底只數來源于《中國統計年鑒2015》[10]。將這些變量代入模型（1），得模型（2）：

其中，i表示省份，Biogas為表示均沼氣量（m3/人·年）,PLS表示播種結構中糧食作物播種面積與非糧食作物播種面積的比例，Cow表示牛的飼養數（萬頭），Pig表示豬的飼養數（萬頭），Sheep為羊的年底只數（萬頭）。

2 結果與討論

2.1 2014年區域人均沼氣量的差異

圖1 2014年各省（直轄市）的人均沼氣量Figure 1 The capita biogas for each Chinese provinces in 2014

圖1 示出了我國各省人均沼氣量的差異，整體上呈現南高北低的趨勢。海南省的人均沼氣量最高，達到了81.46 m3/人·年；吉林的最低，人均沼氣量僅為3.69 m3/人·年。這種區域人均沼氣量的差異很大程度與氣候相關。南方地區年平均溫度與濕度高，有利于沼氣生產；而北方地區年均氣溫低，許多地區處于半干旱、干旱氣候、高原氣候，不利于沼氣產氣。

可是在氣候條件相似的省份之間，人均沼氣量也存在較大的差異。例如，中南地區的人均沼氣量普遍高于其他省份，而廣東省的人均沼氣量卻處于較低的水平。青海、西藏兩省都位于青藏高原，但西藏人均沼氣量明顯高于青海。位于西北地區的甘肅省的人均沼氣量大于許多南方省份。這些結果表明除氣候因素外，其它因素也極大地影響著沼氣的發展。國內有關研究也表明牲畜數量和生物質原材料越多，農戶發展沼氣的積極性也越高，沼氣工程在半農半牧區更容易得到推廣[4-6]。用模型（2）對圖1數據的統計分析結果（表1）也表明人均沼氣量與糧食作物播種面積/非糧食作物播種面積的比（PLS）呈顯著的負相關關系，與牛的飼養數（Cow）呈顯著的正相關關系。

表1 區域農業生產結構與人均沼氣量的關系的多元線性回歸分析結果Table1 The resultsof multiple regression analysis for the relationship between regional agriculture structureand capitabiogas

2.2 糧食作物播種與人均沼氣量的關系

根據表1中的回歸分析結果，PLS與人均沼氣量成顯著的負相關關系（p＜0.01），回歸系數為-0.546。為表1中回歸系數的最大值。這意味著糧食播種面積比重每上升1%，人均沼氣量將減少0.546%。表2比較了種植業較發達的華南地區、華北地區、江淮地區的PLS與人均沼氣量的關系，發現在氣候相似的省份之間也是PLS越大，人均沼氣量越小。在華南地區，海南省的PLS比廣東、廣西的低，但人均沼氣量卻明顯高于兩廣。在華北地區，PLS大的山西的人均沼氣量明顯低于河北。在江淮地區，安徽、江蘇兩省的糧食播種面積比重大，而人均沼氣產氣量卻處于較低的水平。這些結果表明播種結構中，糧食作物播種面積比重增加不利于沼氣的發展。糧食作物廢棄物的主要成分是秸稈，其中含有大量難被微生物分解的木質素，不利于提高產氣效率。由于糧食作物在我國農業生產結構中占重要的地位，增強秸稈沼氣化處理技術研究不僅對沼氣發展具重要意義，對土地耕種和防治秸稈焚燒對大氣污染也有重要的意義。近年秸稈制沼氣的技術也取得了較大進展，通過秸稈的機械或酶預處理，可大幅提高秸稈的沼氣產氣率[11]。在產糧區推廣秸稈制沼氣方面除了改進技術以外，還應通過政策補貼、加強宣傳等手段促進沼氣發展。

表2 區域人均沼氣量與播種結構Table 2 Regional biogas amount and agriculture structure

另一方面，PLS越小，非糧食作物的比重越大，發展沼氣的條件也越好。研究結果[12]表明非糧食作物的廢棄物中多糖含量比糧食作物的高2～3倍，多糖是最適合厭氧消化、產生沼氣的植物成分。目前沼氣被普遍用于非糧食作物生產過程中。例如，“四位一體”、“草莓大棚內沼氣池”等沼氣與大棚結合的農業生產模式被普遍接受，并且取得了較好的經濟效益與環境效益[13]。相比之下，沼氣生產幾乎不與糧食作物生產結合。漆軍等對浙江、安徽、江蘇3省的調查，90%以上的秸稈被用于還田、飼料，薪柴，鮮有人將其用于沼氣生產[14]。因此在PLS小的區域，應利用原料好的有利條件，大力促進沼氣發展。

2.3 區域牛飼養數與人均沼氣量的關系

由表1中的回歸結果可見區域牛飼養數（Cow）與人均沼氣量間存在著顯著的正相關關系(p＜0.5)，回歸系數為0.293。盡管其值不如PLS的大，但也意味著牛的飼養數增加1%，人均沼氣量將增加0.293%。這可能是因為牛糞被認為是有利于沼氣產氣的原材料。張彤的研究結果[15]表明在相同溫度和氣壓下，糞的沼氣產氣效率大小為牛糞＞羊糞＞雞糞＞豬糞。

2014年全國31省的統計數據還顯示飼養數大的省大多位于我國的年均氣溫較低的西北地區，但這些省的人均沼氣量并不低。由表3可見西藏位于年平均氣溫低，氣壓低的青藏高原，但它的人均沼氣量排在全國第10位；位于西北的甘肅省的人均沼氣量排在全國第8位；內蒙古、青海、新疆的人均沼氣量也高于有利于沼氣發展的安徽、浙江。表4比較了緯度相近、氣候相似的南方6省的人均沼氣量、平均牛飼養數和播種結構。浙江的糧食作物播種面積比重小，有利于發展沼氣，但是其平均養牛數不到1頭/100人，人均沼氣量在全國都屬于較低的水平。與福建省相鄰的江西省，盡管PLS比福建省的大，但平均牛飼養數也比福建的大，所以其人均沼氣量比福建省的大。湖南省與貴州省的播種結構相似，貴州省的平均牛飼養數多，人均沼氣量也比湖南省的大。上述分析結果表明增加牛飼養數有助于沼氣產業的發展，也表明沼氣生產與養牛業結合較密切,且在氣溫較低的西北、青藏高原等地區沼氣得到發展。隨著人們生活的提高，對肉、奶等畜牧產品的需求逐年增加，發展沼氣產業對養牛業的可持續發展有著重要的作用。

表3 2014年中國平均牛飼養數最多的5省及其人均沼氣量Table 3 The most five provinces of capita cattle in 2014 in China

表4 2014年南方6省的平均牛飼養數、PLS與人均沼氣量Table 4 The capita cattle，the PLS,and capita biogas for six provinces in South China

2.4 區域豬飼養數與人均沼氣量的關系

如表1所示，區域豬的飼養數（Pig）與人均沼氣量的回歸系數為0.128，二者間的相關關系不顯著。這主要可歸于兩個原因。首先，豬糞不是產生沼氣的好原料。在同溫同壓下，豬糞產生沼氣效率在牛糞、羊糞、雞糞、豬糞等牲畜糞便中是最小的。另一原因是全國大中型養豬場中配套的沼氣工程覆蓋率還較低，2012年，全國大中型養豬場沼氣工程覆蓋率只有52.6%，且集中在沿海和西南地區，養豬數多的中部地區覆蓋率僅為32%[16]。另一方面近年來隨著規模化養殖的發展，散養戶減少，原有使用豬糞的沼氣池因原料不足而停用甚至棄用[17]。盡管近年來大中型沼氣工程也隨著生豬規模化養殖擴大而增加，但是總體上覆蓋面還不足。這說明可以通過在大型養豬場推廣沼氣工程等手段使沼氣在養豬業也能得到充分的利用。

由于我國生豬飼養量大、區域分布廣，豬糞是農村環境污染的主要源頭之一，因此提高豬糞的利用率是促進沼氣發展、改善農村環境的一條有效途徑。應針對豬糞沼氣產氣效率低的問題，加大科學研究力度，開發新菌種等提高豬糞沼氣產氣效率的新技術。應從生態保護的戰略高度出發，制定相應的政策，提高大中型養豬場的沼氣工程覆蓋率和經濟、生態效益。

2.5 區域羊飼養數與人均沼氣量的關系

表1的回歸分析顯示回歸系數僅為-0.102，且P值為0.383，區域養羊數與人均沼氣量之間沒有顯著的相關關系，表明養羊業對沼氣發展促進作用小。盡管羊糞是沼氣產氣效率較好的原材料，但目前羊的飼養仍以放牧為主，羊糞的收集存在困難。但近年隨著國家對草原保護的力度加大，羊的集約飼養規模不斷加大，羊糞的收集問題將解決。因此應利用羊糞產沼氣效力率高的特點，加強沼氣工程與羊集約飼養區的結合，促進沼氣發展。

3 結論

通過對2014年全國31省（直轄市）平行數據的回歸分析，發現區域農業生產結構對沼氣發展的影響大。其中非糧作物播種比重增加將有利于發展沼氣產業，而沼氣產業在產糧區還有待發展。牛的飼養數與人均沼氣量間存在顯著的正相關關系，沼氣工程在養牛業行業應用得較好，使得在一些平均氣溫低的牧區能發展沼氣；但豬糞的沼氣化處理程度還小，與豬糞產氣率低以及目前沼氣工程不適應規模化養豬等相關，沼氣工程在大中型養豬場有待發展；受技術條件的限制，沼氣工程在養羊行業未得到充分推廣，應當加強沼氣工程與羊集約飼養區的結合。