陳 豫，胡 偉，楊改河，張培棟

（1.宜賓學院 作物學研究所，四川 宜賓644000；2.西北農(nóng)林科技大學 農(nóng)學院，陜西 楊凌712100；3.青島科技大學 環(huán)境與安全工程學院，山東 青島266042）

農(nóng)村戶用沼氣池的正常運行，需要充足的發(fā)酵原料。摸清農(nóng)村沼氣發(fā)酵原料的產(chǎn)氣潛力，可為農(nóng)村戶用沼氣池合理布局提供理論依據(jù)。目前，中國農(nóng)村戶用沼氣的發(fā)酵原料主要為農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便和人糞尿等。針對農(nóng)作物秸稈資源量及畜禽糞便排放量估算的研究很多［1－8］，這些研究結(jié)果反映了中國秸稈及畜禽糞便資源的總量，但不能用其直接評價各個地區(qū)沼氣發(fā)酵原料的多寡。一方面，不同發(fā)酵原料產(chǎn)沼氣的效率有很大的差別，另一方面，各地秸稈及畜禽糞便資源的總量不能很好地反映資源和資源消費的關系。因此，中國農(nóng)村不同地區(qū)沼氣發(fā)酵原料的產(chǎn)氣潛力及其分布值得深入探討。

能值潛力估算動物數(shù)據(jù)庫（The Animals data Base for Energy Potential Estimation，ABEPE）模型是希臘Batzias等提出的基于地理信息系統(tǒng)的生物質(zhì)資源評價，運用相關的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)估算畜禽糞便資源沼氣池產(chǎn)氣量的模型［9］，并利用這一模型對希臘全境畜禽糞便資源產(chǎn)沼氣的量進行了估算［10］。本研究結(jié)合能值潛力估算動物數(shù)據(jù)庫模型（ABEPE）建立中國農(nóng)村戶用沼氣主要發(fā)酵原料理論戶均產(chǎn)氣潛力模型，并利用該模型估算中國農(nóng)村2007年沼氣發(fā)酵原料（農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便和人糞尿）理論戶均產(chǎn)沼氣潛力。在此基礎上，對中國農(nóng)村戶用沼氣發(fā)酵原料適宜性進行區(qū)劃，以期為合理布局中國農(nóng)村戶用沼氣提供理論依據(jù)。

1 農(nóng)村戶用沼氣發(fā)酵原料產(chǎn)氣潛力

1.1 農(nóng)村戶用沼氣理論產(chǎn)氣潛力模型

農(nóng)村戶用沼氣理論產(chǎn)氣潛力，即一定溫度下，某個地區(qū)發(fā)酵原料產(chǎn)沼氣潛力之和與這個地區(qū)人口戶數(shù)的比值。比值越大說明這個地區(qū)沼氣發(fā)酵原料越豐富。本研究對能值潛力估算動物數(shù)據(jù)庫（ABEPE）模型做了以下改動，建立了理論戶均產(chǎn)沼氣潛力模型：（1）本研究探討的是發(fā)酵原料產(chǎn)沼氣潛力并非實際值，因而沒有考慮農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便和人糞尿資源的入池率；（2）把僅對動物糞便產(chǎn)沼氣的估算改為農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便和人糞尿產(chǎn)沼氣的潛力；（3）把單位面積產(chǎn)沼氣改為戶均產(chǎn)沼氣潛力；（4）沒有把產(chǎn)沼氣的量轉(zhuǎn)化為能量。表1為農(nóng)村戶用沼氣理論產(chǎn)氣潛力模型參數(shù)。理論戶均產(chǎn)氣潛力估算模型如下：

表1 理論戶均產(chǎn)沼氣潛力估算模型參數(shù)［11］

（1）計算農(nóng)村產(chǎn)沼氣生物質(zhì)資源干物質(zhì)質(zhì)量。農(nóng)村產(chǎn)沼氣生物質(zhì)資源包括農(nóng)作物秸稈和人、畜禽糞便。農(nóng)作物秸稈干物質(zhì)質(zhì)量用公式（1）計算，人、畜禽糞便干物質(zhì)質(zhì)量用公式（2）計算。

式中：DSyra——y年r區(qū)第a種物質(zhì)的干物質(zhì)質(zhì)量；Qyra——y年r區(qū)第a種物質(zhì)的產(chǎn)量；Pyra——y年r區(qū)第a種物質(zhì)的數(shù)量；Myra——y年r區(qū)第a種物質(zhì)的糞尿年排泄量；BFyra——第a種物質(zhì)中的干物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)系數(shù)。

（2）計算生物質(zhì)資源產(chǎn)沼氣的潛力。

式中：Byra——y年r區(qū)第a種物質(zhì)產(chǎn)沼氣的潛力；BYFyra——第a種物質(zhì)產(chǎn)沼氣因子（在35℃的條件下測定）。

（3）計算生物質(zhì)資源產(chǎn)沼氣的總潛力。

式中：Byr—y年r區(qū)產(chǎn)沼氣的總潛力。

（4）計算農(nóng)村生物質(zhì)資源戶均產(chǎn)沼氣潛力。

式中：Dyr——y年r區(qū)生物質(zhì)資源戶均產(chǎn)沼氣潛力；Hr——r區(qū)的鄉(xiāng)村戶數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)來源及計算

2007年中國各地區(qū)主要糧食作物產(chǎn)量、牲畜年末存欄量、主要牲畜出欄量和鄉(xiāng)村戶數(shù)的數(shù)據(jù)均來源于2008年中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒。

1.3 農(nóng)村戶用沼氣理論產(chǎn)氣潛力估算及分析

利用理論戶均產(chǎn)氣潛力模型對中國2007年沼氣發(fā)酵原料（農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便和人糞尿）理論戶均產(chǎn)沼氣潛力進行了估算。根據(jù)所得結(jié)果利用ArcGIS軟件得到2007年中國各地農(nóng)村秸稈理論戶均產(chǎn)沼氣潛力分布圖，2007年中國各地農(nóng)村糞便理論戶均產(chǎn)沼氣潛力分布圖，2007年中國各地農(nóng)村理論戶均產(chǎn)沼氣潛力分布圖。

1.3.1 秸稈戶均產(chǎn)沼氣潛力 秸稈理論戶均產(chǎn)沼氣潛力（圖1—2）居前六位的是吉林、黑龍江、新疆、內(nèi)蒙古、河南和寧夏，秸稈理論戶均產(chǎn)氣潛力均高于500m3／a，其中吉林最高達916m3／a；其次是山東、安徽、遼寧、河北、江蘇、湖北和江西，秸稈理論戶均產(chǎn)氣潛力均在300m3／a以上；北京、上海、浙江、福建、廣東、廣西、海南、重慶、貴州和西藏10?。ㄊ?、區(qū)），秸稈理論戶均產(chǎn)氣潛力較低，秸稈理論戶均產(chǎn)氣潛力低于200m3／a，農(nóng)作物秸稈資源較少，秸稈資源作為沼氣發(fā)酵原料遠遠不夠滿足農(nóng)戶對沼氣的需求。

圖1 秸稈理論戶均產(chǎn)沼氣潛力

圖2 2007年中國各地農(nóng)村秸稈理論戶均產(chǎn)沼氣潛力分布

1.3.2 糞便戶均產(chǎn)沼氣潛力 糞便理論戶均產(chǎn)沼氣潛力（圖3—4）高于1 000m3／a的地區(qū)包括西藏、青海、吉林、新疆、內(nèi)蒙古、遼寧、海南、黑龍江和寧夏9?。▍^(qū)），其中西藏最高達9 318m3／a，為養(yǎng)殖大省，具有豐富的糞便資源可以作為沼氣發(fā)酵原料；其次是甘肅、云南、廣西、河南、山東和四川，糞便理論戶均產(chǎn)氣潛力均在700m3／a以上；山西、上海、江蘇、浙江4?。ㄊ校┘S便理論戶均產(chǎn)氣潛力低，糞便理論戶均產(chǎn)氣潛力低于250m3／a，養(yǎng)殖業(yè)不發(fā)達，糞便資源少，若只用糞便資源作為沼氣發(fā)酵原料遠遠不夠滿足農(nóng)戶對沼氣的需求。

1.3.3 總戶均產(chǎn)沼氣潛力 理論戶均產(chǎn)沼氣潛力（圖5—6）居前五位的是西藏、青海、吉林、內(nèi)蒙古和新疆，發(fā)酵原料理論戶均產(chǎn)氣潛力均高于2 300m3／a，其中西藏高達9 492m3／a，具有豐富的沼氣發(fā)酵原料；其次是河北、遼寧、黑龍江、江西、山東、河南、湖北、廣西、海南、四川、云南、甘肅和寧夏，發(fā)酵原料理論戶均產(chǎn)氣潛力均在900m3／a以上；山西、上海、福建、廣東、重慶、陜西和浙江發(fā)酵原料理論戶均產(chǎn)氣潛力較低，發(fā)酵原料理論戶均產(chǎn)氣潛力低于540m3／a，秸稈、糞便資源都不足，沼氣發(fā)酵原料短缺。

圖3 糞便理論戶均產(chǎn)沼氣潛力

圖4 2007年中國各地農(nóng)村糞便理論戶均產(chǎn)沼氣潛力分布

圖5 理論戶均產(chǎn)沼氣潛力

2 中國農(nóng)村戶用沼氣發(fā)酵原料適宜性區(qū)劃

2.1 區(qū)劃指標

農(nóng)村沼氣能源主要用于炊事、取暖和照明等生活消費。因此，該研究以理論戶均產(chǎn)沼氣潛力能滿足戶均農(nóng)村生活消費能源的百分比來作為沼氣發(fā)酵原料的分區(qū)指標。中國農(nóng)村戶均生活用能約為每年2 000 kg標準煤，相當于2 800m3沼氣燃燒所產(chǎn)生的熱量（1m3沼氣折算0.714kg的標準煤）。中國農(nóng)村戶用沼氣發(fā)酵原料分區(qū)指標分級標準見表2。理論戶均產(chǎn)沼氣潛力占戶均農(nóng)村生活消費能源的比例大于50%的區(qū)域，即理論戶均產(chǎn)沼氣潛力大于1 400m3／a的區(qū)域為沼氣發(fā)酵原料最適宜區(qū)；理論戶均產(chǎn)沼氣潛力占戶均農(nóng)村生活消費能源的比例小于50%大于30%的區(qū)域，即理論戶均產(chǎn)沼氣潛力在840～1 400 m3／a的區(qū)域為沼氣發(fā)酵原料適宜區(qū)；理論戶均產(chǎn)沼氣潛力占戶均農(nóng)村生活消費能源的比例小于30%大于20%的區(qū)域，即理論戶均產(chǎn)沼氣潛力在560～840 m3／a的區(qū)域為沼氣發(fā)酵原料次適宜區(qū)；理論戶均產(chǎn)沼氣潛力占戶均農(nóng)村生活消費能源的比例小于20%的區(qū)域，即理論戶均產(chǎn)沼氣潛力在小于560 m3／a的區(qū)域為沼氣發(fā)酵原料非適宜區(qū)。

圖6 2007年中國各地農(nóng)村理論戶均產(chǎn)沼氣潛力分布

2.2 區(qū)劃原則

（1）理論戶均產(chǎn)沼氣潛力的區(qū)內(nèi)一致性和區(qū)間差異性；

（2）區(qū)域間不重疊，即任何一個被作為分區(qū)對象的地域單元不能同時歸屬于兩個或兩個以上的同級區(qū)域。

2.3 區(qū)劃方法

以理論戶均產(chǎn)沼氣潛力能滿足戶均農(nóng)村生活消費能源的百分比來作為沼氣發(fā)酵原料的分區(qū)指標。按照中國農(nóng)村戶用沼氣發(fā)酵原料分區(qū)指標分級標準對2007年中國各地農(nóng)村沼氣發(fā)酵原料理論戶均產(chǎn)沼氣潛力進行分區(qū)，結(jié)果見表3。根據(jù)區(qū)劃結(jié)果，形成了中國農(nóng)村戶用沼氣發(fā)酵原料適宜性區(qū)劃圖（圖7）。

表2 中國農(nóng)村戶用沼氣發(fā)酵原料區(qū)劃指標及分級標準

2.4 分區(qū)評述

發(fā)酵原料最適宜區(qū)（Ⅰ區(qū)）。包括西藏、青海、吉林、新疆、內(nèi)蒙古、黑龍江、寧夏和遼寧8個省（區(qū)）。這些地區(qū)發(fā)酵原料理論戶均產(chǎn)氣潛力高，均大于1 400m3／a，具有豐富的沼氣發(fā)酵原料。發(fā)酵原料最適宜區(qū)主要集中在西北大部和東北地區(qū)，這些地區(qū)春、冬季自然溫度低，年發(fā)酵時間短，應發(fā)展溫棚沼氣，如何提高發(fā)酵原料的產(chǎn)氣率是這些地區(qū)發(fā)展戶用沼氣的關鍵。

表3 中國農(nóng)村戶用沼氣發(fā)酵原料適宜性區(qū)劃

圖7 中國農(nóng)村戶用沼氣發(fā)酵原料適宜性區(qū)劃

發(fā)酵原料適宜區(qū)（Ⅱ區(qū)）。包括海南、河南、甘肅、云南、山東、河北、廣西、江西、湖北、四川和安徽11個省。這些地區(qū)發(fā)酵原料理論戶均產(chǎn)氣潛力較高，均高于840m3／a，具有較豐富的沼氣發(fā)酵原料，應充分高效地利用沼氣發(fā)酵原料發(fā)展農(nóng)村沼氣。

發(fā)酵原料次適宜區(qū)（Ⅲ區(qū)）。包括天津、湖南、貴州、北京、江蘇、廣東、陜西、重慶和山西9個省（市）。此區(qū)發(fā)酵原料理論戶均產(chǎn)氣潛力偏低，為560～840 m3／a，沼氣發(fā)酵原料不足，可以通過調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，增加畜牧業(yè)的比重及沼氣能源植物的種植等措施來滿足沼氣發(fā)酵原料的供給。

發(fā)酵原料非適宜區(qū)（Ⅳ區(qū)）。包括福建、上海、浙江3?。ㄊ校４藚^(qū)發(fā)酵原料理論戶均產(chǎn)氣潛力低于560m3／a，沼氣發(fā)酵原料嚴重短缺，沼氣發(fā)展的模式不宜以戶為主，可以發(fā)展農(nóng)村沼氣集中供氣模式。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

（1）本研究結(jié)合能值潛力估算動物數(shù)據(jù)庫（ABEPE）模型建立了中國農(nóng)村戶用沼氣主要發(fā)酵原料理論戶均產(chǎn)氣潛力估算模型。并利用該模型對中國農(nóng)村2007年沼氣發(fā)酵原料（農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便和人糞尿）理論戶均產(chǎn)沼氣潛力分別進行了估算。發(fā)酵原料理論戶均產(chǎn)氣潛力居前五位的是西藏、青海、吉林、內(nèi)蒙古和新疆，均高于2 300m3／a，其中西藏高達9 492m3／a，山西、上海、福建、廣東、重慶、陜西和浙江發(fā)酵原料理論戶均產(chǎn)氣潛力較低，均低于540 m3／a。

（2）以理論戶均產(chǎn)沼氣潛力能滿足戶均農(nóng)村生活消費能源的百分比來作為沼氣發(fā)酵原料的分區(qū)指標。按照中國農(nóng)村戶用沼氣發(fā)酵原料分區(qū)指標分級標準對2007年中國各地農(nóng)村沼氣發(fā)酵原料理論戶均產(chǎn)沼氣潛力進行了分區(qū)，劃分為沼氣發(fā)酵原料最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)和非適宜區(qū)。發(fā)酵原料最適宜區(qū)包括西藏、青海、吉林、新疆、內(nèi)蒙古、黑龍江、寧夏和遼寧8個?。▍^(qū)）；發(fā)酵原料適宜區(qū)包括海南、河南、甘肅、云南、山東、河北、廣西、江西、湖北、四川和安徽11個?。话l(fā)酵原料次適宜區(qū)包括天津、湖南、貴州、北京、江蘇、廣東、陜西、重慶和山西9個省（市）；發(fā)酵原料非適宜區(qū)包括福建、上海、浙江3省（市）。根據(jù)區(qū)劃結(jié)果，形成了中國農(nóng)村戶用沼氣發(fā)酵原料適宜性區(qū)劃圖。

3.2 討 論

（1）本文在估算沼氣發(fā)酵原料產(chǎn)氣潛力時不僅考慮了不同發(fā)酵原料產(chǎn)氣效率的差別，也考慮了資源的富集程度，因此，能更準確的評價各個地區(qū)沼氣發(fā)酵原料的多寡。

（2）本文探討的是發(fā)酵原料產(chǎn)沼氣潛力并非實際值，因而沒有考慮農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便和人糞尿資源的入池率（即生物質(zhì)資源用做沼氣發(fā)酵的比例）及各地的溫度狀況。

（3）我國對農(nóng)村戶用沼氣區(qū)劃的研究開展的還較少，完整的區(qū)劃指標和方法還未建立，本文在沼氣發(fā)酵原料區(qū)劃研究方面做了一些嘗試性的工作，還有許多問題有待于進一步探索研究。

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