范學(xué)科，鄭愛泉

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

近些年，溫室效應(yīng)所帶來的環(huán)境問題已備受人們所關(guān)注。溫室氣體的大量排放是造成溫室效應(yīng)和全球變暖的主要原因。為緩解溫室效應(yīng)和全球變暖趨勢，各個國家和地區(qū)均出臺了一系列溫室氣體減排措施，各個領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者也加強了減少溫室氣體排放的相關(guān)研究。清潔能源作為減少溫室氣體排放的重要手段，現(xiàn)已被廣泛研究與使用，其可以明顯地保護和改善生態(tài)環(huán)境[1]。沼氣作為農(nóng)村主要的清潔能源之一，主要成分甲烷其具有產(chǎn)熱高、燃燒效率和利用率高，并且清潔衛(wèi)生的特點[2,3]。此外，沼氣可以充分利用秸稈、畜禽糞便等農(nóng)業(yè)廢棄物，進一步減少了環(huán)境污染[1]。我國非常重視戶用沼氣池的建設(shè)，到2016年底，戶用沼氣池的規(guī)模已經(jīng)達到4 193.3萬戶[11]。沼氣的大力推廣和應(yīng)用可以有效減少因化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放和因畜禽糞便露天堆放產(chǎn)生的CH4排放，對減少農(nóng)村生活溫室氣體排放及環(huán)境的改善有重要的意義[5]，特別對于我國西北部經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)更具有重大意義。此外，沼氣的大規(guī)模使用，還可以有效減少森林砍伐，對恢復(fù)生態(tài)環(huán)境有重要作用[6～8]。筆者研究以陜西省為研究對象，通過文獻調(diào)研和資料收集相結(jié)合的方法，研究未來陜西省沼氣產(chǎn)量的趨勢，根據(jù)沼氣減排因子，進而估算整個陜西省溫室氣體減排量。研究將為陜西省戶用沼氣推廣應(yīng)用，促進農(nóng)村農(nóng)業(yè)廢棄物資源化，推進農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，改善農(nóng)村生產(chǎn)生活條件，促進資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會建設(shè)提供數(shù)據(jù)和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 陜西省概況

根據(jù)最新的全國農(nóng)村沼氣發(fā)展“十三五”規(guī)化，綜合考慮各地區(qū)畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈等資源量，肥料化、飼料化、原料化、基料化等競爭性利用途徑，以及地域分異規(guī)律、沼氣發(fā)展基礎(chǔ)、經(jīng)濟水平、清潔能源需求等因素，《規(guī)劃》將全國31個省(直轄市、自治區(qū))劃分為三類地區(qū)：I類地區(qū)為資源量豐富地區(qū)，II類地區(qū)為資源量中等地區(qū)，III類地區(qū)為資源量一般地區(qū))。陜西省屬于II類地區(qū)，并且屬于“鐮刀彎”地區(qū)，是玉米結(jié)構(gòu)調(diào)整的重點地區(qū)，也是草食動物養(yǎng)殖優(yōu)勢區(qū)，適宜發(fā)展以規(guī)模化沼氣為紐帶的循環(huán)農(nóng)業(yè)模式，適度發(fā)展生物天然氣工程和中小型沼氣工程[9]。

1.2 回歸模型

為了準確研究沼氣使用對溫室氣體排放的影響，研究采用文獻調(diào)研和資料收集相結(jié)合的方法獲取有關(guān)數(shù)據(jù)：期刊論文，中國統(tǒng)計年鑒[10]、中國農(nóng)業(yè)年鑒[11]等來源搜集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的綜合分析，運用多變量線性回歸模型和逐步回歸模型對陜西省沼氣產(chǎn)量進行預(yù)測，進而根據(jù)未來沼氣產(chǎn)量估算出陜西省“養(yǎng)殖-沼氣”生態(tài)模式溫室氣體減排潛力。

1.2.1 變量的選取 年沼氣產(chǎn)量是衡量和評價農(nóng)村戶用沼氣發(fā)展水平的關(guān)鍵指標。因此，將陜西省當年沼氣產(chǎn)量作為因變量，將搜集到的人均生產(chǎn)總值、人均農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值、豬出欄量、牛出欄、羊出欄、家禽出欄、沼氣池數(shù)量分別作為自變量x1～x7。

1.2.2 模型適配度檢驗 在回歸分析中，如果有兩個或兩個以上的自變量，就稱為多元回歸。事實上，一種現(xiàn)象常常是與多個因素相聯(lián)系的，由多個自變量的最優(yōu)組合共同來預(yù)測或估計因變量，比只用一個自變量進行預(yù)測或估計更有效，更符合實際。

逐步回歸是一種線性回歸模型自變量選擇方法，其基本思想是將變量一個一個引入，引入的條件使其偏回歸平方和經(jīng)驗是顯著的。同時，每引入一個新變量后，對已入選回歸模型的老變量逐個進行檢驗，將經(jīng)檢驗認為不顯著的變量刪除，以保證所得自變量子集中每一個變量都是顯著的。此過程經(jīng)過若干步直到不能再引入新變量為止。這時回歸模型中所有變量對因變量都是顯著的。

基于沼氣產(chǎn)量預(yù)測受多個因子的影響，筆者研究選取多元線性回歸模型和逐步回歸模型進行沼氣產(chǎn)量預(yù)測。從圖1可知，多元線性回歸和逐步回歸的標準化殘差的絕對值相差不大，且均接近1，說明二者適配性一致，均可用來預(yù)測沼氣產(chǎn)量。

圖1 回歸標準化殘差直方圖

從表1可以看出，多元線性回歸模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.992，判定系數(shù)為0.984，校正后R2為0.972，Durbin-Watson統(tǒng)計量數(shù)值為2.096，F(xiàn)測驗值86.20(p<0.001)。逐步回歸模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.986，判定系數(shù)為0.972，校正后R2為0.969，達沃檢驗統(tǒng)計量數(shù)值為1.594，F(xiàn)測驗值264.10(p<0.001)。從模型適配參數(shù)和殘差分布看，兩個模型適配度均較優(yōu)，可以用來后續(xù)預(yù)測分析。

表1 回歸模型擬合適配度

1.3 減排潛力估算

根據(jù)李長江等[11]關(guān)于陜西省農(nóng)村CDM項目溫室氣體減排效應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，沼氣項目戶均溫室氣體減排量在1.77～2.46 tCO2e。根據(jù)該研究調(diào)研結(jié)果，沼氣項目戶均沼氣產(chǎn)量為257.84～543.0 m3?；诖耍晒浪愕玫矫苛⒎矫渍託饪梢詼p排3.25～9.54 kg CO2e溫室氣體。因此，整個陜西省“養(yǎng)殖-沼氣”生態(tài)模式溫室氣體減排潛力按照以下公式估算：

GS=Yi×F

式中：Gs代表當年溫室氣體總的減排量，以二氧化碳當量計，t·a-1CO2e；Yi代表當年沼氣預(yù)測產(chǎn)量，單位m3；代表每產(chǎn)生1 m3沼氣所帶來的減排效應(yīng)，單位t·m3CO2e。

1.4 經(jīng)濟效益計算

沼氣的使用能夠在很大程度上減少原煤的消耗。國際上為了使用的方便，統(tǒng)一標準，在進行能源數(shù)量、質(zhì)量的比較時，將煤炭、石油、天然氣等都按一定的比例統(tǒng)一換算成標準煤來表示?；诖?，筆者研究按照燃料轉(zhuǎn)換系數(shù)，將產(chǎn)生的沼氣轉(zhuǎn)換為原煤量，按照當年原煤售價，估算沼氣利用節(jié)約的原煤花銷。具體估算公式如下：

BS=Yi×Fi×Fj×S

式中：BS代表經(jīng)濟效益，元；Yi代表當年沼氣預(yù)測產(chǎn)量，單位m3；Fi代表沼氣和標準煤轉(zhuǎn)化系數(shù)，筆者研究采用0.714[15]；Fj代表標準煤和原煤轉(zhuǎn)化系數(shù)，研究采用1.400[15]；S代表當年原煤價格,研究以1 360 t·元-1。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 365和SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用Origin 2016進行數(shù)據(jù)可視化。

2 結(jié)果

2.1 陜西省沼氣產(chǎn)量及社會經(jīng)濟發(fā)展

研究主要參考中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒和中國統(tǒng)計年鑒得到2000-2017年的陜西省沼氣產(chǎn)量及社會經(jīng)濟發(fā)展相關(guān)數(shù)據(jù)，具體如表2所示。從表2可以看出，自2000年以來，陜西省沼氣年實際產(chǎn)量和沼氣池數(shù)量逐年提升，近年趨緩。豬、牛、羊、家禽也表現(xiàn)出相同趨勢。整個陜西省人均生產(chǎn)總值和人均農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值也逐年提升。根據(jù)計算，2017年沼氣產(chǎn)量是2000年的7.29倍，沼氣池數(shù)量也由14.2萬口增加到133萬口，增幅836.62%。人均生產(chǎn)總值增加了1 052.70%，人均農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值增加了527.34%，豬出欄量增加了44.21%，牛出欄量減少了-2.97%，羊出欄量增加了23.38%，家禽出欄量增加了13.76%。

表2 2000-2017陜西省沼氣產(chǎn)量及社會經(jīng)濟發(fā)展相關(guān)數(shù)據(jù)

2.2 回歸預(yù)測方程

通過多元線性回歸，將當年沼氣產(chǎn)量作為因變量，影響沼氣產(chǎn)量的相關(guān)因素作為自變量，根據(jù)擬合系數(shù)建立的多元線性回歸方程為：

y1=-1 560.384+0.08x1-5.526x2+9.164x3-

153.026x4+31.018x5-0.750x6+388.030x7

式中：x1代表人均生產(chǎn)總值(元)；x2代表人均農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值(元)；x3代表當年豬出欄量(萬頭)；x4代表當年牛出欄量(萬頭)；x5代表當年羊出欄量(萬頭)；x6代表當年家禽出欄量(萬只)；x7代表當年沼氣池數(shù)量(萬口)。

通過逐步回歸，在擬合過程中模型自動剔除了當年人均生產(chǎn)總值(元，x1)，當年豬出欄量(萬頭，x3)，當年牛出欄量(萬頭，x4)，當年羊出欄量(萬頭，x5)，當年家禽出欄量(萬只，x6)將當年沼氣產(chǎn)量作為因變量，根據(jù)擬合系數(shù)建立的逐步回歸方程為：

y2=3 575.111+456.681x7-5.084x2

式中：x2代表人均農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值(元)；x7代表當年沼氣池數(shù)量(萬口)。

2.3 回歸模型沼氣產(chǎn)量預(yù)測分析

為進一步檢驗?zāi)Ｐ蛿M合的優(yōu)劣，筆者研究通過2000-2017年沼氣預(yù)測產(chǎn)量和實際產(chǎn)量的對比發(fā)現(xiàn)，多元線性回歸模型和逐步回歸模型與實際沼氣產(chǎn)量的差別較小，有較高的預(yù)測優(yōu)度(圖2)。

圖2 沼氣產(chǎn)量模型預(yù)測情況

2.4 未來沼氣產(chǎn)量及自變量預(yù)測值

通過分析發(fā)現(xiàn)，人均生產(chǎn)總值、人均農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值、豬出欄量、牛出欄、羊出欄、家禽出欄和沼氣池數(shù)量在發(fā)展趨勢上均較穩(wěn)定，且有較強的變化規(guī)律，可以通過自變量回歸擬合進行趨勢分析。基于此，筆者研究通過自變量回歸分析，對當年人均生產(chǎn)總值、人均農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值、豬出欄量、牛出欄、羊出欄、家禽出欄、沼氣池數(shù)量等自變量分別使用線性函數(shù)、S型函數(shù)等方法，分別進行擬合求值，得到2020、2030、2040和2050年的自變量值，具體見表3。根據(jù)擬合結(jié)果，與2017年相比，2020年人均生產(chǎn)總值、人均農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值、豬出欄量、牛出欄、羊出欄、家禽出欄、沼氣池數(shù)量分別增長7.13%、13.48%、16.34%、4.12%、9.05%、-1.29%和36.58%；2030年人均生產(chǎn)總值、人均農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值、豬出欄量、牛出欄、羊出欄、家禽出欄、沼氣池數(shù)量分別增長61.14%、66.55%、42.18%、19.69%、39.66%、-20.30%和102.39%；2040年人均生產(chǎn)總值、人均農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值、豬出欄量、牛出欄、羊出欄、家禽出欄、沼氣池數(shù)量分別增長115.12%、119.57%、68.03%、35.26%、70.27%、7.78%和168.20%；2050年人均生產(chǎn)總值、人均農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值、豬出欄量、牛出欄、羊出欄、家禽出欄、沼氣池數(shù)量分別增長169.07%、169.99%、93.87%、50.84%、100.89%、-4.86%和234.02%。

表3 社會經(jīng)濟因子預(yù)測

在此基礎(chǔ)上，運用多元線性回歸模型和逐步回歸模型對未來沼氣產(chǎn)量進行了預(yù)測分析，未來沼氣預(yù)測產(chǎn)量見圖 3。多元線性回歸模型結(jié)果表明，與2017年相比，2020年沼氣產(chǎn)量達4.00×108m3, 增幅66.97%；2030年沼氣產(chǎn)量達5.99×108m3, 增幅149.69%；2040年沼氣產(chǎn)量達7.79×108m3, 增幅224.72%；2050年沼氣產(chǎn)量達9.86×108m3, 增幅311.28%。逐步回歸模型結(jié)果表明，與2017年相比，2020年沼氣產(chǎn)量達4.02×108m3, 增幅71.17%；2030年沼氣產(chǎn)量達5.85×108m3, 增幅149.10%；2040年沼氣產(chǎn)量達7.68×108m3, 增幅227.13%；2050年沼氣產(chǎn)量達9.62×108m3, 增幅309.67%。

圖3 未來沼氣產(chǎn)量預(yù)測數(shù)值

2.5 減排潛力和經(jīng)濟效益估算

根據(jù)回歸模型預(yù)測結(jié)果，隨著戶用沼氣在整個陜西省的推廣應(yīng)用，能夠顯著減少溫室氣體減排量，并且?guī)砜捎^的經(jīng)濟效益(表4)。通過預(yù)測沼氣產(chǎn)量，估算陜西省戶用沼氣總減排量為1.30×106～9.41×106tCO2e。并且戶用沼氣使用后，節(jié)省了煤炭的使用，降低了農(nóng)戶的經(jīng)濟支出，為農(nóng)戶獲得經(jīng)濟收入。因此，戶用沼氣使用后，陜西農(nóng)戶可獲得的經(jīng)濟效益為煤炭節(jié)省費用。通過原煤轉(zhuǎn)換發(fā)現(xiàn)陜西省每年減少煤炭消耗4.0×105～9.9×105t，采用該數(shù)據(jù)結(jié)合當年當?shù)孛繃嵜禾? 360元(來自中國碳排放交易網(wǎng))，估算陜西省戶用沼氣使用后所獲得的經(jīng)濟效益為54 419.6×104～134 045.1×104元。

表4 關(guān)中地區(qū)戶用沼氣減排潛力及經(jīng)濟效益估算

3 討論與結(jié)論

陜西省“養(yǎng)殖-沼氣”生態(tài)模式可以實現(xiàn)種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的綠色生態(tài)發(fā)展，是減少溫室氣體排放，減少農(nóng)村人口生活成本的有效措施，同時也是實現(xiàn)“美麗鄉(xiāng)村”的重要途徑[6,7,8,17,16]。筆者研究依據(jù)2000-2017 年陜西農(nóng)村沼氣發(fā)展的相關(guān)數(shù)據(jù), 通過模型擬合預(yù)測陜西省2020，2030，2040和2050年沼氣產(chǎn)量，并通過溫室氣體減排量估算表明，陜西省大力發(fā)展農(nóng)村戶用沼氣，是實現(xiàn)農(nóng)村廢棄資源再利用，改善鄉(xiāng)村環(huán)境的重要途徑。研究發(fā)現(xiàn)，隨著人均農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值和豬、牛、羊、家禽出欄數(shù)量的持續(xù)增加，沼氣池數(shù)量和沼氣年產(chǎn)量也同步增加。主要是由于農(nóng)村沼氣的原料主要是畜禽糞便和秸稈[15]。隨著農(nóng)業(yè)秸稈的增多，刺激畜牧業(yè)快速發(fā)展，畜禽糞便是優(yōu)良的沼氣發(fā)酵原料，進而促進了沼氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。此外，陜西區(qū)域特點十分明顯，有利于農(nóng)村戶用沼氣的發(fā)展[18]。關(guān)中地區(qū)玉米的大范圍種植和大型養(yǎng)殖廠為戶用沼氣發(fā)展提供了較為豐富的發(fā)酵原料；陜南目前在大力發(fā)展蠶和漁業(yè)，可以將沼氣池殘渣經(jīng)過無害化處理后支持蠶、漁的發(fā)展，解決了沼氣殘渣處理問題；陜北通過冬季沼氣池保溫技術(shù)也解決了發(fā)展戶用沼氣的瓶頸。

前人研究表明，農(nóng)村戶用沼氣能夠減少溫室氣體排放主要是由于改變了農(nóng)戶能源結(jié)構(gòu)，減少了煤炭、薪柴及秸稈的使用，可以保護林地、減少農(nóng)民對林地的砍伐，并且畜禽糞便也有室外堆放管理方式改變?yōu)樽鳛檎託庠线M行集中處理，進而減少農(nóng)戶溫室氣體的排放[17,18]。此外，農(nóng)戶傳統(tǒng)能源在燃燒時會釋放大量PM 2.5，能影響人和牲畜的健康及農(nóng)村環(huán)境的保護，沼氣充分燃燒的產(chǎn)物為CO2和水，能夠有效抑制PM2.5的產(chǎn)生[21,22]。筆者研究發(fā)現(xiàn)，戶用能源結(jié)構(gòu)改變減少了溫室氣體的排放，陜西省每年溫室氣體減排分別為1.30×106～9.18×106tCO2e；沼氣使用后，因節(jié)約原煤而產(chǎn)生的經(jīng)濟效益為5.44×108～1.34×109元。目前關(guān)于沼氣、沼渣、沼液的研究表明，秸稈和糞便經(jīng)厭氧發(fā)酵后的殘液、殘渣是一種無公害的農(nóng)家肥，可以有效殺死部分害蟲，并能夠提供部分作物所需養(yǎng)分，從而顯著減少農(nóng)業(yè)投入，減少溫室氣體排放，并對農(nóng)村農(nóng)產(chǎn)品的綠色生產(chǎn)也有重要意義[20]。從能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變來看，戶用沼氣的大量推廣，可以有效減少原煤的使用，同時能夠減少因原煤開采附帶的污染和環(huán)境破壞，且能夠減少購買原煤的生活支出等[13]。因此，未來需要進一步完善沼氣使用產(chǎn)生減排的來源及相關(guān)的估算方法。以上結(jié)果也表明戶用沼氣應(yīng)用在農(nóng)村中的重要意義。

針對目前陜西省沼氣發(fā)展現(xiàn)狀，本研究對該區(qū)域加快沼氣發(fā)展提出以下對策建議：①加速大型沼氣池建設(shè)。目前全省農(nóng)業(yè)合作社蓬勃興起，沼氣發(fā)展可以農(nóng)業(yè)合作社為龍頭，建設(shè)規(guī)模較大沼氣池，可以提升產(chǎn)氣量和廢棄資源再利用效率；②全省沼氣發(fā)展應(yīng)該分區(qū)域規(guī)化。沼氣發(fā)展受到多因素影響，可以依據(jù)氣候和現(xiàn)有資源條件，對最適宜區(qū)域重點發(fā)展，資源薄弱區(qū)域強度減緩，使效益最大化；③不斷改進沼氣技術(shù)。目前陜西省沼氣發(fā)展主要以畜禽糞便發(fā)酵為主，后期應(yīng)該加大以秸稈發(fā)酵為主的技術(shù)的開發(fā)利用，使作物殘體有效利用。