区域农业生产结构对沼气发展的影响——基于2014年全国31省平行数据的分析

吴 凡，卢玉栋，吴宗华

（1.福建师范大学协和学院，福建 福州 350117；2.福建师范大学 化学与材料科学学院，福建 福州 350007）

随着农村人民生活水平的提高，农村能源的供求矛盾以及农业生产中的秸秆、牲畜排泄物等生物质废弃物的处理问题日显突出[1]。沼气生产可将这些废弃物转化为生物质能源，改善农村能源供应的结构。近年来沼气发展迅速，例如在德国生物质发电接近陆上发电[2]，未来可能成为最大电力供应行业。可是我国沼气发展却缓慢。我国2004年的沼气生产量为5.70×108m3，2012年迅速发展为 1.57×109m3，但其后发展趋缓，2014年仅为1.53×109m3[3]。制约沼气发展的因素很多，除了政策、资金和技术等外，农业生产结构也对沼气发展起着重要的作用。我国地域辽阔、区域农业生产结构差异大，粮食作物播种面积与非粮作物播种面积的比例、牲畜的种类与数量及其集中度等都影响沼气的发展。许多研究表明农业结构影响农户使用沼气。许亚男对河北省沧州、保定、石家庄等市的农户进行调查中发现作物面积越大、牲畜数量越多和生物质原材料越多，农户发展沼气的积极性也越高[4]。蔡亚庆等对吉林、河北、安徽、四川、云南五省等省牲畜和家禽存栏数越多，农户利用沼气的概率越大[5]。秦哓萍对锡林郭勒盟南部进行调查发现从事种植业或半农半牧业的农牧户利用沼气效率高，农区或半农半牧区更容易推广沼气工程[6]。这些研究结果都建立区域调察数据上。本文旨在应用大数据分析技术，以中国31省（直辖市）统计数据为基础，解析我国区域农业生产结构的差异对沼气发展的影响，探究促进沼气发展的途径。

1 数据来源与分析方法

1.1 模型构建

为了探究影响我国 沼气发展的因素，本文采用多元线性回归模型分析了全国31省（直辖市）的农业生产结构与人均沼气产量的关系。该模型通常利用最小二乘法来检验多个自变量与因变量的关系。其公式如下：

其中，Y 为因变量，Xn为自变量，βo为常数项，βi为回归系数，为误差项。

多元线性回归是经济学和环境学中最常用的分析变量间因果关系的方法之一。例如：尚杰等用多元线性回归模型分析了影响农户使用化肥强度的因素[7]。张雅丽等应用了该方法分析了影响陕北黄土高原丘陵沟壑区植被覆盖变化的驱动因素[8]。Lee等以多元线性回归模型预测了风力田的短期风力强度[9]。

1.2 沼气使用影响因素分析框架

由于沼气生产与使用多在农村，所以以农村常住人口和各省沼气产气总量为基数计算出人均沼气量，作为因变量。以各省的粮食作物播种面积与非粮食作物播种面积的比例作为播种结构的自变量；分别以各省牛、猪的饲养数（出栏数与存栏数之和）、以及各省羊的年底只数作为畜牧业结构的自变量。农村常住人口和沼气量来源于《中国农村统计年鉴2015》，各省的粮食作物播种面积与非粮作物播种面积的比、各省的牛的饲养数、猪的饲养数、羊的年底只数来源于《中国统计年鉴2015》[10]。将这些变量代入模型（1），得模型（2）：

其中，i表示省份，Biogas为表示均沼气量（m3/人·年）,PLS表示播种结构中粮食作物播种面积与非粮食作物播种面积的比例，Cow表示牛的饲养数（万头），Pig表示猪的饲养数（万头），Sheep为羊的年底只数（万头）。

2 结果与讨论

2.1 2014年区域人均沼气量的差异

图1 2014年各省（直辖市）的人均沼气量Figure 1 The capita biogas for each Chinese provinces in 2014

图1 示出了我国各省人均沼气量的差异，整体上呈现南高北低的趋势。海南省的人均沼气量最高，达到了81.46 m3/人·年；吉林的最低，人均沼气量仅为3.69 m3/人·年。这种区域人均沼气量的差异很大程度与气候相关。南方地区年平均温度与湿度高，有利于沼气生产；而北方地区年均气温低，许多地区处于半干旱、干旱气候、高原气候，不利于沼气产气。

可是在气候条件相似的省份之间，人均沼气量也存在较大的差异。例如，中南地区的人均沼气量普遍高于其他省份，而广东省的人均沼气量却处于较低的水平。青海、西藏两省都位于青藏高原，但西藏人均沼气量明显高于青海。位于西北地区的甘肃省的人均沼气量大于许多南方省份。这些结果表明除气候因素外，其它因素也极大地影响着沼气的发展。国内有关研究也表明牲畜数量和生物质原材料越多，农户发展沼气的积极性也越高，沼气工程在半农半牧区更容易得到推广[4-6]。用模型（2）对图1数据的统计分析结果（表1）也表明人均沼气量与粮食作物播种面积/非粮食作物播种面积的比（PLS）呈显著的负相关关系，与牛的饲养数（Cow）呈显著的正相关关系。

表1 区域农业生产结构与人均沼气量的关系的多元线性回归分析结果Table1 The resultsof multiple regression analysis for the relationship between regional agriculture structureand capitabiogas

2.2 粮食作物播种与人均沼气量的关系

根据表1中的回归分析结果，PLS与人均沼气量成显著的负相关关系（p＜0.01），回归系数为-0.546。为表1中回归系数的最大值。这意味着粮食播种面积比重每上升1%，人均沼气量将减少0.546%。表2比较了种植业较发达的华南地区、华北地区、江淮地区的PLS与人均沼气量的关系，发现在气候相似的省份之间也是PLS越大，人均沼气量越小。在华南地区，海南省的PLS比广东、广西的低，但人均沼气量却明显高于两广。在华北地区，PLS大的山西的人均沼气量明显低于河北。在江淮地区，安徽、江苏两省的粮食播种面积比重大，而人均沼气产气量却处于较低的水平。这些结果表明播种结构中，粮食作物播种面积比重增加不利于沼气的发展。粮食作物废弃物的主要成分是秸秆，其中含有大量难被微生物分解的木质素，不利于提高产气效率。由于粮食作物在我国农业生产结构中占重要的地位，增强秸秆沼气化处理技术研究不仅对沼气发展具重要意义，对土地耕种和防治秸秆焚烧对大气污染也有重要的意义。近年秸秆制沼气的技术也取得了较大进展，通过秸秆的机械或酶预处理，可大幅提高秸秆的沼气产气率[11]。在产粮区推广秸秆制沼气方面除了改进技术以外，还应通过政策补贴、加强宣传等手段促进沼气发展。

表2 区域人均沼气量与播种结构Table 2 Regional biogas amount and agriculture structure

另一方面，PLS越小，非粮食作物的比重越大，发展沼气的条件也越好。研究结果[12]表明非粮食作物的废弃物中多糖含量比粮食作物的高2～3倍，多糖是最适合厌氧消化、产生沼气的植物成分。目前沼气被普遍用于非粮食作物生产过程中。例如，“四位一体”、“草莓大棚内沼气池”等沼气与大棚结合的农业生产模式被普遍接受，并且取得了较好的经济效益与环境效益[13]。相比之下，沼气生产几乎不与粮食作物生产结合。漆军等对浙江、安徽、江苏3省的调查，90%以上的秸秆被用于还田、饲料，薪柴，鲜有人将其用于沼气生产[14]。因此在PLS小的区域，应利用原料好的有利条件，大力促进沼气发展。

2.3 区域牛饲养数与人均沼气量的关系

由表1中的回归结果可见区域牛饲养数（Cow）与人均沼气量间存在着显著的正相关关系(p＜0.5)，回归系数为0.293。尽管其值不如PLS的大，但也意味着牛的饲养数增加1%，人均沼气量将增加0.293%。这可能是因为牛粪被认为是有利于沼气产气的原材料。张彤的研究结果[15]表明在相同温度和气压下，粪的沼气产气效率大小为牛粪＞羊粪＞鸡粪＞猪粪。

2014年全国31省的统计数据还显示饲养数大的省大多位于我国的年均气温较低的西北地区，但这些省的人均沼气量并不低。由表3可见西藏位于年平均气温低，气压低的青藏高原，但它的人均沼气量排在全国第10位；位于西北的甘肃省的人均沼气量排在全国第8位；内蒙古、青海、新疆的人均沼气量也高于有利于沼气发展的安徽、浙江。表4比较了纬度相近、气候相似的南方6省的人均沼气量、平均牛饲养数和播种结构。浙江的粮食作物播种面积比重小，有利于发展沼气，但是其平均养牛数不到1头/100人，人均沼气量在全国都属于较低的水平。与福建省相邻的江西省，尽管PLS比福建省的大，但平均牛饲养数也比福建的大，所以其人均沼气量比福建省的大。湖南省与贵州省的播种结构相似，贵州省的平均牛饲养数多，人均沼气量也比湖南省的大。上述分析结果表明增加牛饲养数有助于沼气产业的发展，也表明沼气生产与养牛业结合较密切,且在气温较低的西北、青藏高原等地区沼气得到发展。随着人们生活的提高，对肉、奶等畜牧产品的需求逐年增加，发展沼气产业对养牛业的可持续发展有着重要的作用。

表3 2014年中国平均牛饲养数最多的5省及其人均沼气量Table 3 The most five provinces of capita cattle in 2014 in China

表4 2014年南方6省的平均牛饲养数、PLS与人均沼气量Table 4 The capita cattle，the PLS,and capita biogas for six provinces in South China

2.4 区域猪饲养数与人均沼气量的关系

如表1所示，区域猪的饲养数（Pig）与人均沼气量的回归系数为0.128，二者间的相关关系不显著。这主要可归于两个原因。首先，猪粪不是产生沼气的好原料。在同温同压下，猪粪产生沼气效率在牛粪、羊粪、鸡粪、猪粪等牲畜粪便中是最小的。另一原因是全国大中型养猪场中配套的沼气工程覆盖率还较低，2012年，全国大中型养猪场沼气工程覆盖率只有52.6%，且集中在沿海和西南地区，养猪数多的中部地区覆盖率仅为32%[16]。另一方面近年来随着规模化养殖的发展，散养户减少，原有使用猪粪的沼气池因原料不足而停用甚至弃用[17]。尽管近年来大中型沼气工程也随着生猪规模化养殖扩大而增加，但是总体上覆盖面还不足。这说明可以通过在大型养猪场推广沼气工程等手段使沼气在养猪业也能得到充分的利用。

由于我国生猪饲养量大、区域分布广，猪粪是农村环境污染的主要源头之一，因此提高猪粪的利用率是促进沼气发展、改善农村环境的一条有效途径。应针对猪粪沼气产气效率低的问题，加大科学研究力度，开发新菌种等提高猪粪沼气产气效率的新技术。应从生态保护的战略高度出发，制定相应的政策，提高大中型养猪场的沼气工程覆盖率和经济、生态效益。

2.5 区域羊饲养数与人均沼气量的关系

表1的回归分析显示回归系数仅为-0.102，且P值为0.383，区域养羊数与人均沼气量之间没有显著的相关关系，表明养羊业对沼气发展促进作用小。尽管羊粪是沼气产气效率较好的原材料，但目前羊的饲养仍以放牧为主，羊粪的收集存在困难。但近年随着国家对草原保护的力度加大，羊的集约饲养规模不断加大，羊粪的收集问题将解决。因此应利用羊粪产沼气效力率高的特点，加强沼气工程与羊集约饲养区的结合，促进沼气发展。

3 结论

通过对2014年全国31省（直辖市）平行数据的回归分析，发现区域农业生产结构对沼气发展的影响大。其中非粮作物播种比重增加将有利于发展沼气产业，而沼气产业在产粮区还有待发展。牛的饲养数与人均沼气量间存在显著的正相关关系，沼气工程在养牛业行业应用得较好，使得在一些平均气温低的牧区能发展沼气；但猪粪的沼气化处理程度还小，与猪粪产气率低以及目前沼气工程不适应规模化养猪等相关，沼气工程在大中型养猪场有待发展；受技术条件的限制，沼气工程在养羊行业未得到充分推广，应当加强沼气工程与羊集约饲养区的结合。