低碳沼气工程建设的生态经济效益核算研究——以广西恭城瑶族自治县为例

戴婧 陈彬 齐静

(北京师范大学环境学院/环境模拟与污染控制国家重点实验室，北京100875)

低碳沼气工程建设的生态经济效益核算研究
——以广西恭城瑶族自治县为例

戴婧 陈彬 齐静

(北京师范大学环境学院/环境模拟与污染控制国家重点实验室，北京100875)

在全球气候变暖和快速城市化的背景下，农村地区是能源集约消耗的薄弱区域，其经济、社会、生态的可持续发展一直受到制约。沼气工程作为一种清洁用能方式，在优化用能结构、减少环境污染、节约自然资源、增加农民收入和促进农村经济转型等方面具有较大优势。本文选择广西恭城瑶族自治县这一沼气工程建设全国示范县为案例，针对户用8m3沼气池，对施工建设、运营维护和消费利用全生命周期过程中的碳足迹、减排效益、经济收益和生态价值方面进行核算和评价。结果表明在沼气池的建设与正常使用年限内，该县农户通过替代燃煤、柴薪和秸秆等共可减排CO2约1．24×106t。从户用沼气池建设及生产过程的投入产出价值的来看，仅通过节约炊事燃料和沼液沼渣的回收利用就能为每户节约19 877元，为全县带来1．26亿余元的总收益。因此，沼气工程在该地区的建设普及是发展农村低碳经济、走富农之路的有效措施，可为广大西部地区新农村建设提供借鉴。

低碳;沼气;生态核算;沼气工程

农村作为中国能源消费的重要区域，其低品位能源结构和低能源供应量严重制约着农村经济的快速发展。据农业部门测算，我国现阶段用作农村生活燃料的秸秆和薪柴热能转化率仅15% －20%，同时，农村用能还面临煤炭和液化石油气等常规能源供应网点和服务站点分布不足的问题，这就导致农村生活能源较为短缺，间接造成滥砍乱伐和植被破坏。许多地区因此陷入“能源短缺－滥砍乱伐－生态破坏－能源短缺”的恶性循环中。

户用沼气系统具有缓解人畜粪便的污染、减少化肥农药使用量、优化农村用能结构、改善大气环境和提高农户炊事劳动效率等优点。自上世纪80年代以来已经在我国广大农村地区得到一定程度的推广。为了深入评估户用沼气系统环境排放的影响，建设低碳型农业系统，有必要对户用沼气系统进行生态效益的核算与效果研究。

目前，对沼气系统生态核算与效益评估的研究主要集中在以下方面。从全生命周期角度:Berglund和Brjesson［1］分析瑞士沼气工程建设全生命周期的物质能量投入产出，对沼气建设选址与物料运输和供水成本及效益产出进行合理度量。张培栋［2］等研究了2004年中国沼气自生产、消费、处置过程综合利用情况，并对国家尺度的沼气建设生态经济效益、生态潜力进行了总体评估。陈佳澜［3］以湖墩山牧场大型沼气池综合利用工程作为案例，基于生命周期评价能源供应系统的环境减排效益，并对其生态养殖业经济价值给予评估。在沼气使用阶段的排放效益分析方面，邓舟［4］等对4种主要生物沼气处理方式的碳足迹进行比较分析，得出能量的回收和沼气提纯工艺是实现碳减排效益的最有效方式。苏明山等［5］构建了沼气利用CO2排放量及其减排成本核算的方法，并将该方法用于某沼气站的案例研究中。从经济收益和循环经济角度，张嘉强［6］选择四川、陕西、广西三省进行农户调查，研究沼气建设的经济收益与农户安装沼气意愿，提出西部地区农村沼气建设的补贴政策对策和推广建议。吴明涛［7］基于循环经济考虑，沿生态链条对农业种植养殖和沼气资源综合效益进行综合论证。Chen等［8］对中国农村地区户用沼气发展的优劣势进行分析，指出增加政府补贴和利用清洁生产机制是解决农村循环经济的主要突破点，也是影响户用沼气在中国推广发展的关键影响因素。

本文对沼气农业生态系统进行生态核算，综合测度区域户用沼气生态模式的可持续性，并选择中国沼气工程示范县广西恭城瑶族自治县作为案例区进行实证研究。通过对当地实际调查、走访与统计资料整理分析，针对典型户用沼气池，进行基于生命周期的碳足迹核算，总体分析沼气利用的温室气体减排效益、农户直接经济效益和社会综合生态效益，揭示沼气建设对地区生态、经济、社会平衡有效发展可持续农业的促进能力，为其他地区沼气工程建设提供一定参考。

1 案例区域介绍

恭城瑶族自治县(以下简称恭城县)，位于广西壮族自治区东北部，国土总面积2 149 km2，人口29万。上世纪80年代初，由于当地居民为解决燃料需求大量砍伐木材，导致生态环境遭到严重破坏，农村经济发展受到严重制约。为实现经济和生态环境的和谐和可持续发展，1984年起，该地区将沼气池建设与扶贫攻坚相结合，持续实施“沼气扶贫”工程。自1985年尤其是20世纪90年代中后期以来，恭城县通过以沼气为纽带，以养猪为龙头，以果业为重点，把养殖业和种植业紧紧扭在一起，大力发展生态农业，构建了“养殖－沼气－种植”三位一体的生态农业发展模式。据恭城县能源部门统计，截止2009年底该县境内农村户用沼气池总量6．36万座，入户率89%以上，省柴节能灶6．11万户，普及率达91．6%。

2 沼气农业系统核算边界和生命周期过程

2．1 核算单元与边界的确定

目前，恭城县户用沼气池标准为8 m3，平均使用寿命至少为15年，本研究按照最佳使用期限，即前10年的使用情况进行分析。由于当地属于桂北地区，年平均气温高于沼气常温发酵区的最低温度10℃，因此全年均能产沼气。扣除一年两次大出料的时间，按每年11个月使用期进行考虑，根据实际调研和统计资料的综合整理分析来看，平均每口沼气池每年产沼气约400 m3，可解决3－5口之家一年80%以上的生活燃料及家用生活照明的需求，根据恭城县“养殖－沼气－种植”模式的实际流程及核算方法需要，将沼气农业生态系统的核算单元分解为以下三阶段:

(1)沼气池建设阶段:包括沼气池的建筑施工、输气管道与设备的安装;

(2)沼气池运行及管理阶段:包括沼气发酵原料的获取、发酵产气、沼气输出及沼液沼渣的处理、沼气池的常规管理与维护;

(3)综合利用阶段:包括沼气、沼渣、沼液在农户、养殖场、农田、果园等地的应用。

图1为恭城县“养殖－沼气－种植”模式的系统边界以及核算单元分解示意图。

图1 沼气农业系统边界及核算单元示意图Fig．1 System boundary and accounting unit of biogas agriculture system

在研究过程中对沼气系统作了如下假设和简化:在沼气发酵原料的获取阶段，由于生物质没有被还田以及猪粪没有被用作肥料，应考虑其等效肥力的环境影响。但因为沼气发酵产生的沼液沼渣可用作肥料，又会减少化肥的使用量，所以本研究假设沼液沼渣的等效肥力与原料正好相同。由于沼气产生过程为厌氧发酵过程，系统是密封、隔绝空气的，所以不考虑沼气发酵期间的污染物排放。沼气池被拆除，大多是因建筑规划等原因，本研究暂不考虑这一环节的环境影响与排放。

2．2 生命周期关键因素和影响因子

2．2．1 沼气池建设过程

恭城县沼气建设模式主要为农村户用型沼气模式。该模式是指农户将厕所、猪圈、沼气池和果菜结合在一起。沼气池上种植季节蔬菜和水果，池旁建猪舍和厕所，人和禽畜粪便在沼气池发酵，产生的沼气作为家庭燃料，沼液和沼渣作为果树、蔬菜等的肥料。沼气池的建设是按照国家和自治区推荐的先进池形进行配置，包括厨房、厕所的改建，猪圈和果园的配套设计与建设等。该过程涉及物质、资金和人力等多方面投入，如土地、水泥、粗砂、细沙、卵石、钢筋、涂料、实心砖、塑料薄膜、管道、灶、灯、压力计、技术、劳动、伙食和能耗等。同时，目前农村的主要建池材料有砖、水泥、卵石、沙子等，并在选用材料时根据保证质量的前提下优先坚持就地取材、减少运输、降低成本。在分析上述过程的基础上，对8 m3标准的沼气池建设过程各投入项列于表1。

表1 恭城县8 m3沼气池的主要建设物料构成Tab．1 Construction materials of an 8 m3methane tank in Gongcheng County

2．2．2 生产及维护过程

沼气池是“猪－沼－果”生态农业模式的核心。保证沼气池正常的运转和维护是“猪－沼－果”生态农业模式产生效益的先决条件。沼气生产受进料量和多种环境因子的影响，特别是厌氧环境、适宜温度与pH值范围。为满足沼气细菌的新陈代谢和农时季节施肥的需要，必须对发酵原料进行不断更新，以解决农业生产的用肥。使用秸秆进行沼气发酵的沼气池，根据季节用肥需要，每年大换料1－2次。除定期大换料之外，平日需对沼气发酵原料进行小出料和小进料，用以满足沼气菌生活所必须的原料和正常的新陈代谢。根据上述原则及恭城县的实践情况，对恭城县内户用8 m3标准沼气池生产和维护过程的原料投入进行统计。通常小出料和小进料在5－10天达到发酵原料的3% －5%，按照产1 m3沼气须干料3－4 kg，及秸秆含水率为10%进行衡量。小进料量与产气满足下列关系式:

因此，生产维护过程的投入产出情况总结列于表2。

表2 恭城县8 m3沼气池日常维护(小进料量)物质投入产出情况表Tab．2 Material input and output of an 8 m3methane tank in routine maintenance

2．2．3 沼气的消费与利用过程

恭城县沼气的利用情况概括在表3中。对恭城县户用沼气池沼气炊事、沼气发电照明和沼液沼渣综合消费与利用的详细情况总结如下:

(1)沼气炊事:这是恭城县沼气利用的最主要途径。全县境内6．36万座户用沼气池已经能够基本满足户主的日常炊事需要。按照沼气热值20 930 kJ/m3，年产气300天，沼气炉热效率60%，替代燃料柴薪13 814 kJ/kg，传统柴灶综合热效率19%，蜂窝煤热取值16 747．2 kJ/kg，煤炉热效率35%，石油液化气热值20 934 kJ/m3，石油液化气炉热效率为60%来衡量，一个8 m3沼气池全年产生的有效热量，相当于为户用沼气池家庭每年节约替代燃料柴薪2 153 kg，或替代蜂窝煤1 378块，或替代石油液化气450 m3。

表3 典型8 m3户用沼气池消费与利用情况统计Tab．3 Output utilization of an 8 m3methane tank

(2)沼气照明:户用沼气池能够满足一般家庭的照明用电。据调查显示，农村普通家庭有两盏15W照明灯通过沼气发电提供，每天平均使用4 h，则每年为每户家庭节约电能约为45度。

(3)沼渣沼液的利用:一个8 m3沼气池一年能为农户提供约25吨左右的农家肥。大量研究和实践证明施用沼液沼渣中含有大量腐植酸类物质，这是改良土壤的关键因素。施用沼渣的果园有机物与氮磷含量均有所增加，同时保水保肥能力增强。同时，沼液沼渣的使用，对节约农用化肥和增加水稻、果树的产量，以及提供养猪养鱼饲料等有重要的经济效益。

3 恭城县沼气农业系统综合效益核算

3．1 基于生命周期的碳足迹核算

鉴于碳足迹在生命周期评估中的局限及不确定性，本文为提高分析结果的准确性，综合现有碳排放计算方法进行研究。本文以不进行沼气建设活动为基准参考条件，针对恭城县户用8 m3沼气池，考虑建设原料投入碳排放、人力投入碳排放、沼气池运行维护阶段碳排和沼气沼液沼渣利用的碳排放，进行全生命周期的沼气池建设与利用碳足迹评估;在确定各个工艺边界及排放源的基础上，计算每项的能量损耗(电力、热量、燃料等);再将能量损耗乘以相应的潜势因子(GWP)(GWPCO2=1)，转换为二氧化碳当量表示的排放量，即得到每项的碳排放量;最后将各项加和，得到系统总碳排放量。

具体计算过程考虑以下因素:

水泥:根据IPCC编制的《国家温室气体清单指南(2006)》，生产1 t的水泥熟料，其CO2的排放因子缺省值为0．86;

钢筋:以2006年为例，我国吨钢 CO2排放量约为2 400 kg;

表4 基于生命周期的户用8 m3沼气池碳足迹核算Tab．4 Carbon footprint accounting of an 8 m3methane tank based on life cycle

运输:以普通小货车正常出行为例，1．5 t小型货车每公里耗油为0．11 kg CO2计。根据实地调研与评估，每户建设沼气运输建材5车次，20 km每次计，每年沼气池运行期间，沼液沼渣换料清理2次，每次运输约2 km，每户每次1车，平日清除不需机动车运输;

泄漏:由于沼气的主要成分为CH4为50% －70%，CO2为30% －40%，还有少量 CO，H2S，O2，N2等气体。按每年每户平均泄漏1%的保守估计，每户每年泄漏4．5 m3沼气。折算成碳足迹约为8．9 kgCO2/年。

由表4可以计算得到:在户用8 m3沼气池自建设起至使用的全生命周期中，沼气燃烧的CO2排放量最大，约5．3 t，占全生命周期总排放的84%以上;其次是建设过程物料投入涉及的CO2排放，约900 kg，占全生命排放的约14%;而沼气泄漏、沼液沼渣及清理物运输的CO2排放仅占全生命周期总排放量的2%以下。

3．2 温室气体减排效益

根据现有研究结果［9－12］和中国农村能源消费结构与效率，考虑恭城县以沼气利用为核心的农村能源消费系统的特点，对温室气体减排效益核算方法与范围总结如下:

(1)沼气燃烧的CO2排放量计算

其中CBC:燃烧沼气的CO2排放量，单位为t;

(2)生物质燃烧的CO2排放量的计算

其中CW、CS为燃烧薪柴、秸秆的CO2排放量，单位为t;W、S分别是薪柴和秸秆的消耗量;45%为含柴薪碳系数;87%为柴薪碳氧化率;40%为秸秆含碳系数;85%为秸秆碳氧化率。

(3)煤炭燃烧的CO2、SO2排放量计算

其中CC和SC为民用煤的CO2、SO2排放量，单位为t;C为民用煤的消耗量，单位为t;0．020 9为热值，单位为TJ/t;24．26为碳排放系数，单位为t/TJ;80%为氧化率;16为SO2排放系数;84%为煤炭平均含硫量。

核算结果显示:恭城县户用8 m3沼气池的年生产沼气能力约为450 m3。根据我国南方农村地区用能结构分配来看，相当于替代燃煤700 kg，替代薪柴相当于2 700 m3的林地年积蓄量，同时减少秸秆的直接燃烧约1 500 kg。按照我国林地年蓄积量90 m3/ha，平均木材密度1．54 kg/m3来保守估算，对户用沼气池碳排放核算情况统计(表5)。

表5 恭城县户用8 m3沼气池消费过程年碳减排核算统计Tab．5 Carbon emission reduction per year of an 8 m3 methane tank in Gongcheng Country

由表5可以看出，恭城县户用8 m3标准的沼气池，在正常利用的情况下，年产沼气450 m3，由沼气燃烧产生的CO2排放为0．53 t，而因沼气燃烧所替代的燃煤和柴薪的消耗所直接较少的CO2排放分别为1．04 t和0．47 t。同时沼气生产的原材料秸秆因参与发酵过程而非直接燃烧所减少的CO2排放量为1．87 t。此外，每户通过节省燃煤减少的SO2排放量每年为9．38千克。综上可以看出，沼气池在使用过程中，通过替代燃煤、柴薪和秸秆的直接燃烧，每年每户能够减少CO2排放2．82 t，减少 SO2排放9．38 kg。按照全县总体情况来看，6．36万户沼气池，全年通过利用沼气进行炊事、照明可为全县减少 CO2排放17．9万 t，减少 SO2排放 596．6 t。

3．3 经济效益

恭城县农户在使用沼气池的过程中，通过沼气炊事、照明，沼液沼渣的综合利用，可以替代燃煤、柴薪等减少燃料的消费，节约外来用电，利用沼液浸种和施肥增加农业产量，减少农药和化肥的使用量，同时使用沼渣养猪也可以节约大量用于购买猪饲料的经济投入。根据恭城县“养殖－沼气－种植”模式的实际生产利用状况，对标准8 m3户用沼气池及全县整体沼气利用经济效益进行的核算，结果见表6。

表6 恭城县户用沼气利用每年直接经济效益分析Tab．6 Direct economic benefit analysis of biogas utilization in Gongcheng Country

恭城县户用沼气利用经济收益主要来自燃煤替代、柴薪替代、沼气发电、沼液浸种、沼液施肥增产、替代饲料、农药和化肥等8个方面(见表6)。其中，节约购买化肥可以为每户每年约节省1 000元，是经济收益最高的部分，约占总收益的50．3%。其次是节约购买燃煤和农药，分别为家庭每年节约700元和200元。就总体而言，因户用沼气的使用，为恭城县每户家庭带来直接经济收益2 117．7元，带动恭城县沼气用户整体增收及节约的总经济收益约1．35亿元。

3．4 生态效益

沼气利用可有效保护森林免遭砍伐和减少大气污染物排放。据统计2004年中国沼气供热替代薪柴1 253．3×104t，相当于保护了167．1 × 104ha．森林免遭砍伐［2］。按照该生态效益，并根据恭城县境内户用沼气池总量6．36万座，年均正常使用率为90%的保守估计，目前恭城县每年的沼气利用可替代柴薪 20 148．7 t，相当于保护了2 686．1 ha森林免遭砍伐，直接节约木材量241 775．1 m3。这也是恭城县自森林覆盖率从1987年的47%上升到目前77%的最直接原因。按照森林每生产1 m3木材可吸收1.83 t二氧化碳计算，恭城县通过沼气利用节约柴薪而产生的碳汇效益，每年可吸收高达442．4万t的二氧化碳。以国际京都市场交易二氧化碳平均价格5．5美元/t计算［13－14］，每年恭城县沼气利用而间接创造的潜在碳汇价值高达243．8万美元，折合人民币超过1 600万元。因此，户用沼气池建设是与退耕还林还草工程相结合的，国家给予一定税收优惠政策和财政补贴，鼓励农民积极兴建沼气池，减少对山林的砍伐，巩固退耕还林还草成果，对于整个国家的节能减排和低碳发展有十分显著的生态效益。

其次，日常清理的沼液沼渣作为农田有机肥，除了含有大量的氮磷钾基本营养元素，还富含铁钙等微量元素和氨基酸等生物活性物质，是一种养分含量全面，速效养分丰富，肥效长久的有机肥［15］。长期施用沼液沼渣，不仅能改善土壤结构，还可以提高作物的抗病性和防冻性，提高土壤肥力，减少化肥和农药施用量，降低化学物质对农产品和土壤的污染。

第三，沼气池建设一般与改圈、改厨、改厕同时进行，人畜粪便入池发酵，消灭了蚊蝇孳生场所，切断了病原体的传播途径，因此有效改善了农村环境卫生状况，提高农村的生活环境［16］。户用沼气池建设与周边环境治理相结合，对城市和地区形象的完善有重要影响，在提高居民生活质量，改善区域投资环境的基础上，能够带动整个城镇和农村区域的整体发展。

4 生态核算结果分析

4．1 温室气体排放解析

根据对沼气农业生态系统温室气体减排效益核算以及基于10年生命周期的碳足迹核算结果，对恭城县沼气建设而言，温室气体主要是CO2，其排放产生的影响如表7所示。

4．2 基于投入产出的社会经济环境效益

根据当地实际建设规范、经济条件、生产能力等综合社会因素，对恭城县8 m3沼气池建设过程投入的生产原料组成及成本以及沼气使用后带来的经济收益统计，结果见表8。

表7 户用沼气CO2排放与减排效果Tab．7 CO2emission and reduction effects for biogas household

表8 沼气池建设及生产过程的投入产出价值核算Tab．8 Input and output accounting for biogas construction and production process

由上表可以看出，恭城县全县沼气池仅正常运行10年直接纯经济净收益为126 418万元，是建池投入8 268的约15倍。在不改变劳动力结构和产业结构的条件下，可以直接实现农民增收。以全县6．36万户沼气农户，在不考虑政府补贴的情况下，每户沼气用户因建设并使用沼气的直接净盈利约19 877元。因此，沼气作为基础生活设施建设，在改善农村生活质量、保护农村地区生态环境的同时，可以为增加农民非农业收入做出巨大贡献。

5 结论建议

本研究综合衡量恭城县户用沼气基于生态学考虑的投入产出效益、经济社会价值及项目开展以来的综合实施效果，能够为回答区域户用沼气生态模式可持续发展的相关问题，可为指导技术工作的开展及在更大区域范围内的推广和实施工作提供重要的科学考量依据。同时，为其他地区有效指导沼气工程顺利开展，优化沼气建设及普及过程的资金、物料和人力投入，改善使用过程的生态破坏和低效运行模式，为建设低碳型农业系统和户用沼气生态模式的可持续发展提供合理的理论指导。主要结论有以下几方面:

(1)发展以沼气为纽带的农村可再生能源建设，符合低能耗、低污染、低排放的低碳经济模式，能够清洁高效的利用能源，减少对非可再生资源的耗竭性使用，有力的减少环境污染和生态破坏，所以说，发展沼气产业就是发展农村低碳经济最直接有效的措施。

(2)沼气的建设使用维护的整个生命周期内，除建设投入外，其他的人力财力投入甚微，既解放了农村劳动力实现农村用能供给的需要，又可以通过节约资源和循环经济为农民家庭减少开支，提高农村生活水平，促进单一农业模式向生态农业转型。因此，在适宜条件下推广沼气建设与普及为中国农业、农村和农民通往富余之路提供一条捷径。

(3)沼气的利用，改变农村过去因生产生活方式落后引起的脏乱差的环境，把农村“三废”(秸秆、粪便、垃圾)变成“三料”(燃料、饲料、肥料)，得到了经济效益、社会效益和生态效益的全面改善。可以说，沼气是农村实现生活、生产和生态和谐发展的良好途径。

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Ecological and Economic Benefit Accounting for Low-Carbon Biogas Project Construction——A Case Study of Gongcheng，Guangxi

DAI Jing CHEN Bin QI Jing
(State Key Joint Laboratory of Environmental Simulation and Pollution Control，School of Environment，Beijing Normal University，Beijing 100875，China)

In the background of global warming and rapid urbanization，the economic-social-ecological sustainable development of rural areas has been constrained due to its blind role of energy intensive consumption．Biogas project provides a suitable clean energy consuming pattern，which has predominant advantages in optimizing energy-using structure，reducing environmental pollution，conserving natural resources，increasing farmers’income and promoting rural economic transformation，etc．The biogas demonstration project of Gongcheng Yao-Autonomous County of Guangxi is chosen as a study case．In this paper，we evaluate the carbon footprint，emission reduction effect，economic benefit and ecological value in the life cycle process of construction，operation maintenance and output consumption of an 8 m3biogas tank．The results show that the substitution of coal，firewood，and straw can lead to a CO2emission reduction of 1．24 million tons．With a viewpoint of input-output value analysis from biogas’s construction to production process，each household can save 19，877 Yuan(RMB)through biogas consumption instead of fossil fuel and recycling of the wastes，which can bring 126 million Yuan(RMB)of total earnings for Gongcheng Country．Therefore，the biogas project is considered as an effective measure in promoting low carbon economy in rural areas and enriching the peasants for Gongcheng Country．Meanwhile，the direct economic-environmental-ecological effects of Gongcheng’s biogas project could be worthy of popularizing．

low carbon;biogas;ecological accounting;biogas project

Q148:X321

A

1002－2104(2012)03－0157－07

10．3969/j．issn．1002－2104．2012．03．026

2011－11－12

戴婧，博士生，主要研究方向为低碳经济分析与生态系统评价。

陈彬，教授，博导，主要研究方向为生态核算与管理。

世界银行贷款中国新农村生态家园富民工程项目;国家高技术研究发展计划(863计划)重点项目(编号:2009AA06A419);教育部新世纪优秀人才(编号:NCET－09－0226)。

(编辑:王爱萍)