摘要 隨著中央和地方政府的大力推動，農村沼氣建設在過去的30多年中蓬勃發(fā)展。沼氣利用不僅 為農村節(jié)省了大量能源，也減少了溫室氣體的排放，這對加強農村生態(tài)建設與新農村建設有 重要意義。在過去15年中，沼氣總共提供了2.84×107 t標準煤的能源量，凈減少溫室氣 體 排放量約73 157.59 Gg（千噸）二氧化碳當量（CO₂-eq），年均減排量為4 877 Gg，相當 于 全國總排放量的0.07%～0.16%。因能源替代而減少的溫室氣體中，二氧化碳為84 243.9 4 Gg， 甲烷為3 560.01 Gg CO₂-eq，氧化亞氮則為260.08 Gg CO₂-eq。預測結果表明：沼氣產 氣 量將在2010年與2020年分別達到156億m³和385億m³，減少的溫室氣體將分別為29 328 G g和79 380 Gg CO₂-eq，開發(fā)農村沼氣是我國應對氣候變化的重要措施。

關鍵詞 戶用沼氣池；溫室氣體；農村能源；氣候變化

中圖分類號 TK6，X511 文獻標識碼 A 文章編號1002-2104（2008）03-0048-06

自工業(yè)革命以來，化石燃料的使用和土地利用變化使得大氣中二氧化碳等溫室氣體濃度顯著 增加，迫使人類開始采取行動減少溫室氣體排放。作為《京都議定書》的簽約國之一，中國 積極應對氣候變化，公布了《中國應對氣候變化國家方案》，提出要改善能源結構，發(fā)展可 再生能源，并明確指出要大力加強農村沼氣建設和城市垃圾填埋氣回收利用以控制溫室氣體 排放。

發(fā)展農村沼氣，不僅可以解決農村能源短缺問題、改善農業(yè)生態(tài)環(huán)境和農村衛(wèi)生面貌、促進 農村經濟發(fā)展，而且在減少溫室氣體排放方面也具有重要作用。由于沼氣具有較高的熱值， 并能替代煤炭、石油、天然氣等化石能源及薪材、秸稈等生物質能源，可減少溫室氣體排放 ［1，2］。此外，農村戶用沼氣池通過集中管理人和牲畜的糞便，進行厭氧消化處理 ，從而避免溫室氣體尤其是甲烷的排放［3，4］。

本文從沼氣利用能緩解農村能源短缺問題及減少溫室氣體排放兩個方面出發(fā)，利用1991以來 中國農村利用沼氣的數(shù)據，分析其在農村能源可持續(xù)發(fā)展和溫室氣體減排中的作用。

1 農村沼氣建設成就

中國農村家庭能源消費約占國家一次性能源消費的16.7%， 廣大農村地區(qū)由于難以獲得商品 性能源， 農村居民66. 7%以上的生活用能依靠傳統(tǒng)的生物質能［5］。沼氣是一種可 再生能源，在中國廣大農村地區(qū)得到推廣，作為農村炊事、照明等生活用能，成為農村居民 重要的非商品性能源。

我國農村沼氣建設起步于20世紀70年代，初期階段主要是解決農村地區(qū)嚴重的能源短缺問題 ［6］。80年代中后期，為滿足廣大農民對清潔、方便和低成本能源的需求，沼氣 建設以燃料 改進和優(yōu)質化能源開發(fā)為主要目標。進入90年代，沼氣技術與農業(yè)生產技術緊密結合，形成 了以南方“豬-沼-果”和北方“四位一體”為代表的能源生態(tài)模式，隨著國家“生態(tài)家園 工程”和“能源環(huán)境工程”的開展，沼氣建設在保護植被資源、農業(yè)廢棄物污染防治和資源 高效利用等方面發(fā)揮重要作用。2002年以來，隨著國家“小型公益設施補助資金農村能源項 目”和國債沼氣建設項目的實施，農村沼氣建設標志著進入了一個新的發(fā)展階段。2005年中 央安排10億元國債資金繼續(xù)實施農村沼氣國債項目，并將沼氣建設與改圈、改廁、改廚相結 合，將沼氣技術與高效生態(tài)農業(yè)技術相結合，改變農民傳統(tǒng)的生產和生活方式，形成良性循 環(huán)。

2 計算方法

2.1 沼氣利用節(jié)約的能源量計算

劉?宇等：農村沼氣開發(fā)與溫室氣體減排 2008年 第3期首先計算歷年生產的沼氣能源量，即：以1991年到2005年中 國農村戶用沼氣建設所產生的沼氣量數(shù)據為基礎，根據沼氣的平均低位發(fā)熱量（20 908 kJ/ m³）、折標煤系數(shù)（0.714 kg coal-e/m³）、沼氣密度(1.22 kg/m³)依次換算成沼氣 的熱值、標煤當量、沼氣質量。

其次，根據歷年農村生活能源消費結構計算出不同能源所占比重，然后由第一步所得 的沼氣 能源量按照每年的能源結構比例分配到不同能源，得到每年沼氣所替代的能源量。由此可以 分析農村沼氣利用對于減少煤炭、油品、秸稈、薪柴、電力等能源的消費情況。

具體來說，以2005年為例，沼氣產氣量為65.0億m³，其熱值、標煤當量、沼氣質量分別為 135 902 TJ、4.64×106 t標煤、7.93×106 t。而根據農村生活能源消費結構，可以計 算出如果沒有這部分沼氣，農村將消耗更多的其它能源，也就是說，2005年沼氣利用節(jié)約的 能源量為：秸稈(44 928 TJ)、薪柴(32 057 TJ) 、煤炭(43 839 TJ)、電力(10 220 TJ ) 、成品油(2 834 TJ)、液化石油氣(1 279 TJ)、天然氣(57.32 TJ)、煤氣(38.26 TJ)。

2.2 溫室氣體減排量計算

沼氣使用在節(jié)約能源消費的同時，還能夠減少溫室氣體的排放。其一，煤炭、秸稈、薪柴等 農村普遍使用的生活能源的排放因子大于甲烷（沼氣的主要成分），因此同樣熱量的能源消 耗，使用沼氣所排放的溫室氣體較少，如果沼氣能替代煤炭等高排放潛力的能源，自然 達 到減少溫室氣體排放量的效果，減少的這部分溫室氣體量為ERES（Emission Reductio n from Energy Substitution）；其二，在農村利用沼氣過程中，往往通過“一池三改” 實現(xiàn)了人 與牲畜糞便的集中管理，利用其在厭氧環(huán)境下產生的沼氣，從而避免了分散或露天管理糞便 而逸散到大氣中的甲烷，減少的這部分溫室氣體（主要是甲烷）為ERMM（Emission Reduct ion from Manure Management）。此外，沼氣作為生活能源燃燒也會釋放出二氧化碳等溫 室 氣體，這部分溫室氣體本文稱為EBC(Emission from Biogas Combustion)?？鄢鼸BC之后的 ERES與ERMM總和即為沼氣利用凈減少的溫室氣體排放量。

ERES的計算參考IPCC推薦的方法，即能源利用導致的溫室氣體的排放量由能源利用量(FS)及 其排放因子(EF)決定［7，8］：

ERESGHG，fuel=FSfuel×EFGHG，fuel（1）

ERES的計算關鍵在于排放因子的合理選取，由于不同國家和地區(qū)農村生活能源利用效率、爐 灶結構、農民生活習慣不同，因此IPCC推薦的默認值針對不同國家可能會產生較大誤差，必 須采用本國甚至本地區(qū)的排放因子。Zhang J et al 公布了中國家庭爐灶溫室氣體的排放因 子 ，通過實驗分析了不同能源使用過程中排放的溫室氣體［9］，本文計算以他們確定 的排 放因子為主，此外，還搜集了其他一些國別的溫室氣體排放因子［10，11，12］及 2006年國家發(fā)改委(NDRC)公布的《關于確定中國電網基準線排放因子的公告》。

由于不同作者提供的排放因子單位不一致，有的是以燃燒的能源量（g gas/kg）為單位，有 的是以消耗的能源熱量（kg gas/TJ），在后者的計算中需要考慮到爐灶的能源利用效率問題 ，因此排放因子需要乘以能源利用效率得到單位能源排放的實際溫室氣體的量。

農村糞便主要排放的溫室氣體是甲烷，因此在糞便管理減少的排放量(ERMM)的估算中 ，N2O的排放量可以忽略。農村戶用沼氣池的原料以人畜糞便為絕大部分，因此，本文以如下公式計算糞便管理過程中甲烷的排放量［8］，具體指標可參看 IPCC報告：

其中，1991-1999年農村每戶平均養(yǎng)豬數(shù)從2000年中國統(tǒng)計年鑒數(shù)據獲得，由于每年平均每 戶有沼氣池的農民家庭養(yǎng)豬數(shù)基本不變，故其它年份采用1991-1999年的平均值。對于MCF的 取值，根據中國所處的緯度及其氣候特征，采用溫帶的最低值，農村采用的糞便管理方式一 般是液體/泥漿或者是糞池儲存，因此采用IPCC 2006提供的數(shù)據MCF=27%［8］。由于 兩種管理方式的MCF值相同，可以視為MS全部由一種管理系統(tǒng)，即MS＝1。

此外，沼氣的使用過程仍然會排放溫室氣體，主要的來源是作為生活能源提供者甲烷的燃 燒 會產生二氧化碳和甲烷（由于氧化亞氮的排放量極少本文沒有計算），計算方法與ERES的計 算公式相同，由沼氣燃燒量與其對應得排放因子決定（見公式1）。

以2005年為例，在各種能源節(jié)約量已知的基礎上，根據每種能源對應的排放因子（表2）， 并 結合其燃燒效率與低位發(fā)熱值，利用公式(1)可以計算出CO₂、CH4、N2O三種溫室氣體 的減排量，匯總可知ERES為：秸稈3 801.97 Gg、薪柴2 909.08 Gg、煤炭4 939.55 Gg、成 品油 213.77 Gg、液化石油氣78.84 Gg、天然氣3.88 Gg、煤氣1.62 Gg、電力2 461.54 Gg， 合計2005年沼氣利用因節(jié)約能源而減少14 410.25 Gg溫室氣體排放。

采用同樣的計算方法，可知2005年沼氣燃燒釋放出5 931.64 Gg CO₂與4.19 Gg二氧化 碳當量的CH4，共計5 835.83 Gg溫室氣體。

此外，利用公式(2)與公式(3)可計算出2005年1 700萬擁有沼氣池的農戶由于糞便管理而減 少的溫室氣體為3 063.53 Gg，其中豬糞管理減少2 296.18 Gg CO₂-eq CH4，人的糞便 管 理減排767.35 Gg CO₂-eq CH4。因此，由以上2005年的ERES、ERMM及EBC數(shù)據可以計算 出全年凈減少溫室氣體量（NER）為11 537Gg。

沼氣池使用過程中，由于管道的老化和操作失誤等原因，有可能會有甲烷的泄漏問題，如果 有詳細的數(shù)據需要進一步考慮這個問題。不過這部分泄漏量非常少，農戶為了 提 高沼氣的利用率，會經常檢查管道的密閉性，減少泄漏的可能性，因此計算時沼氣泄漏量可 以忽略不計。

3 沼氣利用效果分析

3.1 沼氣利用節(jié)約的能源量

15年來，農村戶用沼氣產氣量總計達398億m³，提供能源量832 749TJ，由1991年 的23 251 TJ增加到2005年的135 902 TJ，年均供能55 517TJ，約占農村生活用能的0.4 8%。

由圖1知，15年來，沼氣利用節(jié)約的能源主要是秸稈273 199.24 TJ、煤炭270 292.99 TJ、薪柴19 7 492. 66 TJ、電力61 370.13 TJ、成品油17 619.04 TJ，其他能源節(jié)約量較少。秸稈、煤炭 、薪材、 電力的年平均替代量為18 213 TJ、18 020 TJ、13 166 TJ、4 091 TJ，而對于其它農 村生活用 能源，沼氣的替代作用不明顯?？傮w而言，由于沼氣建設的推廣，沼氣產氣量增加，使得沼 氣在農村生活用能的比重逐漸增大。

3.2 沼氣利用減少的溫室氣體排放量

3.2.1 能源替代減少排放量(ERES)

1991-2005年15年中沼氣利用減少的溫室氣體共計88 064.02 Gg（千噸）二氧化碳當量，其 中 ，各種替代的能源減排量分別為：秸稈23 119.30 Gg，薪材17 921 Gg， 煤炭30 455.46Gg，油 品1 328.87 Gg， 沼氣181.51 Gg， LPG494.58 Gg，NG24.42 Gg，煤氣9.59 Gg，電力14709.89 Gg ?？梢?，煤炭的減排量最大，其次為秸稈、薪材、電力。每年沼氣替代能源減排量由1991年 的2 467.24 Gg增加到了2005年的14 410.25 Gg，增長了484.06％。

由于煤炭在農村生活用能中的比重大，加上其二氧化碳的排放因子也大，導致其減排量最大 。秸稈的二氧化碳排放因子雖然小于煤炭，但是其消費量大，而且甲烷和氧化亞氮的排放系 數(shù)都大于煤炭，使得它的減排量也加大，居第二位。薪材和電力的減排量隨后，而其它能 源在農村生活用能中份額很少，故其減排量比重不大。[KH+5mmD]注：N2O為7.24～42.32 Gg二氧化碳當量，相對于CO₂和CH4，數(shù)值太小 ，圖中顯示不明顯。[KH+2.5mmD]從ERES不同溫室氣體的組成來看，CO₂占絕大部分，15年間CO₂減排量為84 243.94Gg，占總 排放量的95.66％，CH4減排量為3 560.01 Gg（4.04％），N2O的減排量最少，為26 0.08 Gg，只相當于總減排量的0.30%（圖2）。

據《中國應對氣候變化國家方案》公布，1994年中國溫室氣體排放總量為40.6億 t二氧 化碳當量(4 060 000 Gg)，2004年排放總量約為61億t二氧化碳當量(6 100 000 Gg)。本文數(shù)據表明， 在ERES中，1994年農村戶用沼氣建設避免了2 976.54 Gg溫室氣體排放，約占全國總排放量 的 0.07%，2004年沼氣利用減少排放量為14 410.25 Gg，減排比重達到全國的0.24%，也就 是說 ，隨著農村沼氣的推廣，節(jié)約的農村生活能源不斷增加，減少的溫室氣體在全國總排放量的 比重越來越大，1994至2004年11年間增長了兩倍多。

3.2.2 糞便管理減少排放量(ERMM)

由于將糞便集中在沼氣池中處理，15年間總共避免了13 409.24 Gg二氧化碳當量的甲烷 直 接排放到空中，ERMM由1991年的383.05 Gg增加到2005年的1 932.00 Gg，平均每年減排 量為894 Gg CO₂-eq（圖3）

3.2.3 沼氣利用過程排放量(EBC)

沼氣在農民生活使用過程仍然會排放溫室氣體，主要是二氧化碳和少部分甲烷，氧化亞氮的 排放量很小，可以忽略不計。由表3可知，沼氣燃燒過程排放的主要為二氧化碳，隨著沼氣 產氣量的增加，排放量逐漸增大，2005年達到了5 931.64 Gg，而甲烷當年的排放量僅僅為4 .19 Gg，為二氧化碳排放量的0.07％?？偣驳臏厥覛怏w排放量在這15年間為36 372.25 Gg 。

3.2.4 凈減排量(NER)

凈排放量為能源替代減排量與糞便管理減排量之和減去沼氣利用排放量的值，由圖4可見，1 9 98年以前凈減排量增速較緩，1998年到2001年增加幅度加大，2001年以后迅速增加，達到了 2005年的11 537.94 Gg，年均凈減排量為4 877.17 Gg，十五年總共減排量為73 157.59 Gg 。單位沼氣產量的年平均凈減排量為1.88 kg/m³，變化范圍為1.76-2.11 kg/m³（圖4）。 從絕對值來看，ERES最大，EBC其次，ERMM最小。以往的文獻一般僅僅考慮了ERES［1，1 3］， 但實際上，ERMM

仍然不能忽略，其對凈排放量的貢獻約為21.42％（18.52％～28.44％）， 由此說明，如果僅僅考慮沼氣的利用 能減少溫室氣體排放量只是由于能替代煤炭、石 油、天然氣、秸稈、薪材等燃燒的排放是不夠的，將會產生較大的誤差。

與全國現(xiàn)有的兩個總排放量數(shù)據對比來看，1994年沼氣利用凈減少溫室氣體2692.16Gg，2004年為9906.12 Gg，分別占當年全國總排放量的0.07%與0.16%，表明僅農村 戶用沼氣建設這 一項內容就能減少全國0.07%～0.16%的溫室氣體，充分顯示了沼氣開發(fā)在保護農村生態(tài)環(huán)境 、遏制全球氣候變化的重要作用。

3.2.5 各省市自治區(qū)沼氣利用中的溫室氣體減排量根據各省市區(qū)的農村生活能源消費量和戶用沼氣總產氣量，按照同樣的計算方 法計算出各省 市自治區(qū)1991-2002年的沼氣利用導致的溫室氣體減排量（由于缺少2003-2005年的各地 農村生活能源消費量故只計算到了2002年）。

1991-2002年，全國各省市總凈減排量為38 623.35 Gg，其中，四川、湖南、廣西、湖 北、云 南、江西、江蘇等省區(qū)減排量均超過了2 000 Gg，特別是四川省一支獨秀，總減排量高達10 268.44 Gg，占全國總減排量的26.59％。受氣候條件制約，西藏、新疆、黑龍江、青海、內 蒙古等地的沼氣開發(fā)很少，歷年減排量之和都在24Gg以下(圖5)。圖5 1991-2002年各省市區(qū)凈減排量

Fig.5 Net GHG emission reductions in China from 1991 to 2002 4 溫室氣體減排前景分析

2005年，農村戶用沼氣建設沼氣總產氣量達到了65億m³，擁有沼氣池的農戶達1 700多萬 ，為農民提供了135 902 TJ，即相當于4.64×106 t標準煤的熱量，部分的滿足了農 村對于優(yōu) 質燃料日益迫切的需求，適應了富裕起來的農民從滿足人的“生存需求”向“享受需求”轉 變的形勢［14］。根據王效華等人在江蘇和安徽農村調查的結果，由于能源利用效率 的提高，建設了沼氣池的農戶家庭耗能要比沒有沼氣池的農戶家庭耗能少40％以上［15 ］，按照2005年沼氣提供的能量為4.64×106 t標準煤計算，如果不利用沼氣的話，這 1 700萬戶農民需要使用6.50×106 t其它能源來替代沼氣。

“十一五”期間，中國通過實施生態(tài)家園富民行動，將在500個縣(場)建設10 000個資源良 性循環(huán)的生態(tài)新村。根據中國農村沼氣建設發(fā)展規(guī)劃，到2010年，全國農村戶用沼氣達到4000萬戶，適宜農戶普及率達到28.4%，到2020年力爭使適宜農戶普及率達到70%，基本普及 農村沼氣?！兑?guī)劃》實施后，將有效提高農村優(yōu)質能源的用能水平，使5 000多萬農戶使用 清潔燃料的比重達到80%以上，受益人口超過2億。

由前文分析可知，單位沼氣產量的年平均凈減排量約為1.88 kg/m³，隨著沼氣建設和管理 技術的提高，戶均產氣量將會逐漸增加，取保守值2005年的390 m³/戶，則2010年農村戶 用 沼氣總產氣量將達到156億 m³，溫室氣體凈減排量將達到29 328 Gg，2020年戶用沼氣將 會到385億m³，減排的溫室氣體將達到72 380 Gg。

5 結 論

農村沼氣開發(fā)能提供清潔的非商品能源，節(jié)約煤炭、石油等化石燃料和秸稈、薪柴等低效率 生物質能的使用，緩解農村能源短缺困境，保護農村生態(tài)環(huán)境和保證農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。在全 球氣候變化形勢越來越嚴峻的情況下，沼氣開發(fā)還成為減少溫室氣體排放的一種途徑。但是 ，目前的農村沼氣普及率還不夠（2005年為12%），需要多方面籌集資金，加大技術推廣力 度和對農民扶持力度，以農村沼氣建設為紐帶，積極開展生態(tài)家園富民行動，并站在應對氣 候變化的國家高度，促進戶用沼氣技術的發(fā)展，控制溫室氣體排放，不斷提高應對氣候變化 的能力，為保護全球氣候做出新的貢獻。（編輯：徐天祥）

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Rural Biogas Development and Greenhouse Gas Emission Mitigation

LIU Yu1，2 KUANG Yaoqiu1 HUANG Ningsheng1

(1.Key Laboratory of Marginal Sea Geology， Guangzhou Institute of Geochemistry，Chinese Academy of Sciences， Guangzhou

Guangdong 510640， China; 2.GraduateUniversity of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China)

Abstract Biogas constructionenjoyed a great development in rural China since the cen tral and regional governments systematically popularized householdscale bioga sdigesters for meeting the rural energy needs in the 1970s. To reveal the whole r oleof biogas utilization on rural energy development and greenhouse gas emission re ductions， this study analyzed all types of energy substituted by biogas based onthe inventory of energies consumed in residential sector in the past 15 years，and found that biogas had supplied millions of households with 832 749.13 TJ ene r gy and reduced 73 157.59 Gg CO₂ equivalents (CO₂eq) of greenhouse gas emis sion s in total. The greenhouse gas emission reductions were contributed by energy su bstitution and manure management. The majority of the emission reductions by ene rgy substitution， 84 243.94 Gg， were in the form of CO₂， followed by 3560.01 G gCO₂eq of CH4 and 260.08 Gg CO₂-eq of N2O. The results also showed thatth e total yields of biogas would reach to 15.6 and 38.5 billion m³ in 2010 and 2 020， respectively. As the result， GHG emission reductions would reach to 79 38 0 Gg CO₂eq in 2020.

Key words householdscale biogas digester; greenhouse gas; ru ral energy; climate change