农村户用沼气发酵原料产气潜力及区划研究

陈 豫，胡 伟，杨改河，张培栋

（1.宜宾学院 作物学研究所，四川 宜宾644000；2.西北农林科技大学 农学院，陕西 杨凌712100；3.青岛科技大学 环境与安全工程学院，山东 青岛266042）

农村户用沼气池的正常运行，需要充足的发酵原料。摸清农村沼气发酵原料的产气潜力，可为农村户用沼气池合理布局提供理论依据。目前，中国农村户用沼气的发酵原料主要为农作物秸秆、畜禽粪便和人粪尿等。针对农作物秸秆资源量及畜禽粪便排放量估算的研究很多［1－8］，这些研究结果反映了中国秸秆及畜禽粪便资源的总量，但不能用其直接评价各个地区沼气发酵原料的多寡。一方面，不同发酵原料产沼气的效率有很大的差别，另一方面，各地秸秆及畜禽粪便资源的总量不能很好地反映资源和资源消费的关系。因此，中国农村不同地区沼气发酵原料的产气潜力及其分布值得深入探讨。

能值潜力估算动物数据库（The Animals data Base for Energy Potential Estimation，ABEPE）模型是希腊Batzias等提出的基于地理信息系统的生物质资源评价，运用相关的数据管理系统估算畜禽粪便资源沼气池产气量的模型［9］，并利用这一模型对希腊全境畜禽粪便资源产沼气的量进行了估算［10］。本研究结合能值潜力估算动物数据库模型（ABEPE）建立中国农村户用沼气主要发酵原料理论户均产气潜力模型，并利用该模型估算中国农村2007年沼气发酵原料（农作物秸秆、畜禽粪便和人粪尿）理论户均产沼气潜力。在此基础上，对中国农村户用沼气发酵原料适宜性进行区划，以期为合理布局中国农村户用沼气提供理论依据。

1 农村户用沼气发酵原料产气潜力

1.1 农村户用沼气理论产气潜力模型

农村户用沼气理论产气潜力，即一定温度下，某个地区发酵原料产沼气潜力之和与这个地区人口户数的比值。比值越大说明这个地区沼气发酵原料越丰富。本研究对能值潜力估算动物数据库（ABEPE）模型做了以下改动，建立了理论户均产沼气潜力模型：（1）本研究探讨的是发酵原料产沼气潜力并非实际值，因而没有考虑农作物秸秆、畜禽粪便和人粪尿资源的入池率；（2）把仅对动物粪便产沼气的估算改为农作物秸秆、畜禽粪便和人粪尿产沼气的潜力；（3）把单位面积产沼气改为户均产沼气潜力；（4）没有把产沼气的量转化为能量。表1为农村户用沼气理论产气潜力模型参数。理论户均产气潜力估算模型如下：

表1 理论户均产沼气潜力估算模型参数［11］

（1）计算农村产沼气生物质资源干物质质量。农村产沼气生物质资源包括农作物秸秆和人、畜禽粪便。农作物秸秆干物质质量用公式（1）计算，人、畜禽粪便干物质质量用公式（2）计算。

式中：DSyra——y年r区第a种物质的干物质质量；Qyra——y年r区第a种物质的产量；Pyra——y年r区第a种物质的数量；Myra——y年r区第a种物质的粪尿年排泄量；BFyra——第a种物质中的干物质质量分数系数。

（2）计算生物质资源产沼气的潜力。

式中：Byra——y年r区第a种物质产沼气的潜力；BYFyra——第a种物质产沼气因子（在35℃的条件下测定）。

（3）计算生物质资源产沼气的总潜力。

式中：Byr—y年r区产沼气的总潜力。

（4）计算农村生物质资源户均产沼气潜力。

式中：Dyr——y年r区生物质资源户均产沼气潜力；Hr——r区的乡村户数。

1.2 数据来源及计算

2007年中国各地区主要粮食作物产量、牲畜年末存栏量、主要牲畜出栏量和乡村户数的数据均来源于2008年中国农村统计年鉴。

1.3 农村户用沼气理论产气潜力估算及分析

利用理论户均产气潜力模型对中国2007年沼气发酵原料（农作物秸秆、畜禽粪便和人粪尿）理论户均产沼气潜力进行了估算。根据所得结果利用ArcGIS软件得到2007年中国各地农村秸秆理论户均产沼气潜力分布图，2007年中国各地农村粪便理论户均产沼气潜力分布图，2007年中国各地农村理论户均产沼气潜力分布图。

1.3.1 秸秆户均产沼气潜力 秸秆理论户均产沼气潜力（图1—2）居前六位的是吉林、黑龙江、新疆、内蒙古、河南和宁夏，秸秆理论户均产气潜力均高于500m3／a，其中吉林最高达916m3／a；其次是山东、安徽、辽宁、河北、江苏、湖北和江西，秸秆理论户均产气潜力均在300m3／a以上；北京、上海、浙江、福建、广东、广西、海南、重庆、贵州和西藏10省（市、区），秸秆理论户均产气潜力较低，秸秆理论户均产气潜力低于200m3／a，农作物秸秆资源较少，秸秆资源作为沼气发酵原料远远不够满足农户对沼气的需求。

图1 秸秆理论户均产沼气潜力

图2 2007年中国各地农村秸秆理论户均产沼气潜力分布

1.3.2 粪便户均产沼气潜力 粪便理论户均产沼气潜力（图3—4）高于1 000m3／a的地区包括西藏、青海、吉林、新疆、内蒙古、辽宁、海南、黑龙江和宁夏9省（区），其中西藏最高达9 318m3／a，为养殖大省，具有丰富的粪便资源可以作为沼气发酵原料；其次是甘肃、云南、广西、河南、山东和四川，粪便理论户均产气潜力均在700m3／a以上；山西、上海、江苏、浙江4省（市）粪便理论户均产气潜力低，粪便理论户均产气潜力低于250m3／a，养殖业不发达，粪便资源少，若只用粪便资源作为沼气发酵原料远远不够满足农户对沼气的需求。

1.3.3 总户均产沼气潜力 理论户均产沼气潜力（图5—6）居前五位的是西藏、青海、吉林、内蒙古和新疆，发酵原料理论户均产气潜力均高于2 300m3／a，其中西藏高达9 492m3／a，具有丰富的沼气发酵原料；其次是河北、辽宁、黑龙江、江西、山东、河南、湖北、广西、海南、四川、云南、甘肃和宁夏，发酵原料理论户均产气潜力均在900m3／a以上；山西、上海、福建、广东、重庆、陕西和浙江发酵原料理论户均产气潜力较低，发酵原料理论户均产气潜力低于540m3／a，秸秆、粪便资源都不足，沼气发酵原料短缺。

图3 粪便理论户均产沼气潜力

图4 2007年中国各地农村粪便理论户均产沼气潜力分布

图5 理论户均产沼气潜力

2 中国农村户用沼气发酵原料适宜性区划

2.1 区划指标

农村沼气能源主要用于炊事、取暖和照明等生活消费。因此，该研究以理论户均产沼气潜力能满足户均农村生活消费能源的百分比来作为沼气发酵原料的分区指标。中国农村户均生活用能约为每年2 000 kg标准煤，相当于2 800m3沼气燃烧所产生的热量（1m3沼气折算0.714kg的标准煤）。中国农村户用沼气发酵原料分区指标分级标准见表2。理论户均产沼气潜力占户均农村生活消费能源的比例大于50%的区域，即理论户均产沼气潜力大于1 400m3／a的区域为沼气发酵原料最适宜区；理论户均产沼气潜力占户均农村生活消费能源的比例小于50%大于30%的区域，即理论户均产沼气潜力在840～1 400 m3／a的区域为沼气发酵原料适宜区；理论户均产沼气潜力占户均农村生活消费能源的比例小于30%大于20%的区域，即理论户均产沼气潜力在560～840 m3／a的区域为沼气发酵原料次适宜区；理论户均产沼气潜力占户均农村生活消费能源的比例小于20%的区域，即理论户均产沼气潜力在小于560 m3／a的区域为沼气发酵原料非适宜区。

图6 2007年中国各地农村理论户均产沼气潜力分布

2.2 区划原则

（1）理论户均产沼气潜力的区内一致性和区间差异性；

（2）区域间不重叠，即任何一个被作为分区对象的地域单元不能同时归属于两个或两个以上的同级区域。

2.3 区划方法

以理论户均产沼气潜力能满足户均农村生活消费能源的百分比来作为沼气发酵原料的分区指标。按照中国农村户用沼气发酵原料分区指标分级标准对2007年中国各地农村沼气发酵原料理论户均产沼气潜力进行分区，结果见表3。根据区划结果，形成了中国农村户用沼气发酵原料适宜性区划图（图7）。

表2 中国农村户用沼气发酵原料区划指标及分级标准

2.4 分区评述

发酵原料最适宜区（Ⅰ区）。包括西藏、青海、吉林、新疆、内蒙古、黑龙江、宁夏和辽宁8个省（区）。这些地区发酵原料理论户均产气潜力高，均大于1 400m3／a，具有丰富的沼气发酵原料。发酵原料最适宜区主要集中在西北大部和东北地区，这些地区春、冬季自然温度低，年发酵时间短，应发展温棚沼气，如何提高发酵原料的产气率是这些地区发展户用沼气的关键。

表3 中国农村户用沼气发酵原料适宜性区划

图7 中国农村户用沼气发酵原料适宜性区划

发酵原料适宜区（Ⅱ区）。包括海南、河南、甘肃、云南、山东、河北、广西、江西、湖北、四川和安徽11个省。这些地区发酵原料理论户均产气潜力较高，均高于840m3／a，具有较丰富的沼气发酵原料，应充分高效地利用沼气发酵原料发展农村沼气。

发酵原料次适宜区（Ⅲ区）。包括天津、湖南、贵州、北京、江苏、广东、陕西、重庆和山西9个省（市）。此区发酵原料理论户均产气潜力偏低，为560～840 m3／a，沼气发酵原料不足，可以通过调整农业结构，增加畜牧业的比重及沼气能源植物的种植等措施来满足沼气发酵原料的供给。

发酵原料非适宜区（Ⅳ区）。包括福建、上海、浙江3省（市）。此区发酵原料理论户均产气潜力低于560m3／a，沼气发酵原料严重短缺，沼气发展的模式不宜以户为主，可以发展农村沼气集中供气模式。

3 结论与讨论

3.1 结 论

（1）本研究结合能值潜力估算动物数据库（ABEPE）模型建立了中国农村户用沼气主要发酵原料理论户均产气潜力估算模型。并利用该模型对中国农村2007年沼气发酵原料（农作物秸秆、畜禽粪便和人粪尿）理论户均产沼气潜力分别进行了估算。发酵原料理论户均产气潜力居前五位的是西藏、青海、吉林、内蒙古和新疆，均高于2 300m3／a，其中西藏高达9 492m3／a，山西、上海、福建、广东、重庆、陕西和浙江发酵原料理论户均产气潜力较低，均低于540 m3／a。

（2）以理论户均产沼气潜力能满足户均农村生活消费能源的百分比来作为沼气发酵原料的分区指标。按照中国农村户用沼气发酵原料分区指标分级标准对2007年中国各地农村沼气发酵原料理论户均产沼气潜力进行了分区，划分为沼气发酵原料最适宜区、适宜区、次适宜区和非适宜区。发酵原料最适宜区包括西藏、青海、吉林、新疆、内蒙古、黑龙江、宁夏和辽宁8个省（区）；发酵原料适宜区包括海南、河南、甘肃、云南、山东、河北、广西、江西、湖北、四川和安徽11个省；发酵原料次适宜区包括天津、湖南、贵州、北京、江苏、广东、陕西、重庆和山西9个省（市）；发酵原料非适宜区包括福建、上海、浙江3省（市）。根据区划结果，形成了中国农村户用沼气发酵原料适宜性区划图。

3.2 讨 论

（1）本文在估算沼气发酵原料产气潜力时不仅考虑了不同发酵原料产气效率的差别，也考虑了资源的富集程度，因此，能更准确的评价各个地区沼气发酵原料的多寡。

（2）本文探讨的是发酵原料产沼气潜力并非实际值，因而没有考虑农作物秸秆、畜禽粪便和人粪尿资源的入池率（即生物质资源用做沼气发酵的比例）及各地的温度状况。

（3）我国对农村户用沼气区划的研究开展的还较少，完整的区划指标和方法还未建立，本文在沼气发酵原料区划研究方面做了一些尝试性的工作，还有许多问题有待于进一步探索研究。

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