區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)對(duì)沼氣發(fā)展的影響
——基于2014年全國(guó)31省平行數(shù)據(jù)的分析

吳 凡，盧玉棟，吳宗華

（1.福建師范大學(xué)協(xié)和學(xué)院，福建 福州 350117；2.福建師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007）

隨著農(nóng)村人民生活水平的提高，農(nóng)村能源的供求矛盾以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的秸稈、牲畜排泄物等生物質(zhì)廢棄物的處理問(wèn)題日顯突出[1]。沼氣生產(chǎn)可將這些廢棄物轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能源，改善農(nóng)村能源供應(yīng)的結(jié)構(gòu)。近年來(lái)沼氣發(fā)展迅速，例如在德國(guó)生物質(zhì)發(fā)電接近陸上發(fā)電[2]，未來(lái)可能成為最大電力供應(yīng)行業(yè)?？墒俏覈?guó)沼氣發(fā)展卻緩慢。我國(guó)2004年的沼氣生產(chǎn)量為5.70×108m3，2012年迅速發(fā)展為 1.57×109m3，但其后發(fā)展趨緩，2014年僅為1.53×109m3[3]。制約沼氣發(fā)展的因素很多，除了政策、資金和技術(shù)等外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)也對(duì)沼氣發(fā)展起著重要的作用。我國(guó)地域遼闊、區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)差異大，糧食作物播種面積與非糧作物播種面積的比例、牲畜的種類與數(shù)量及其集中度等都影響沼氣的發(fā)展。許多研究表明農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)影響農(nóng)戶使用沼氣。許亞男對(duì)河北省滄州、保定、石家莊等市的農(nóng)戶進(jìn)行調(diào)查中發(fā)現(xiàn)作物面積越大、牲畜數(shù)量越多和生物質(zhì)原材料越多，農(nóng)戶發(fā)展沼氣的積極性也越高[4]。蔡亞慶等對(duì)吉林、河北、安徽、四川、云南五省等省牲畜和家禽存欄數(shù)越多，農(nóng)戶利用沼氣的概率越大[5]。秦嘵萍對(duì)錫林郭勒盟南部進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)從事種植業(yè)或半農(nóng)半牧業(yè)的農(nóng)牧戶利用沼氣效率高，農(nóng)區(qū)或半農(nóng)半牧區(qū)更容易推廣沼氣工程[6]。這些研究結(jié)果都建立區(qū)域調(diào)察數(shù)據(jù)上。本文旨在應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，以中國(guó)31?。ㄖ陛犑校┙y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，解析我國(guó)區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的差異對(duì)沼氣發(fā)展的影響，探究促進(jìn)沼氣發(fā)展的途徑。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與分析方法

1.1 模型構(gòu)建

為了探究影響我國(guó) 沼氣發(fā)展的因素，本文采用多元線性回歸模型分析了全國(guó)31?。ㄖ陛犑校┑霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)與人均沼氣產(chǎn)量的關(guān)系。該模型通常利用最小二乘法來(lái)檢驗(yàn)多個(gè)自變量與因變量的關(guān)系。其公式如下：

其中，Y 為因變量，Xn為自變量，βo為常數(shù)項(xiàng)，βi為回歸系數(shù)，為誤差項(xiàng)。

多元線性回歸是經(jīng)濟(jì)學(xué)和環(huán)境學(xué)中最常用的分析變量間因果關(guān)系的方法之一。例如：尚杰等用多元線性回歸模型分析了影響農(nóng)戶使用化肥強(qiáng)度的因素[7]。張雅麗等應(yīng)用了該方法分析了影響陜北黃土高原丘陵溝壑區(qū)植被覆蓋變化的驅(qū)動(dòng)因素[8]。Lee等以多元線性回歸模型預(yù)測(cè)了風(fēng)力田的短期風(fēng)力強(qiáng)度[9]。

1.2 沼氣使用影響因素分析框架

由于沼氣生產(chǎn)與使用多在農(nóng)村，所以以農(nóng)村常住人口和各省沼氣產(chǎn)氣總量為基數(shù)計(jì)算出人均沼氣量，作為因變量。以各省的糧食作物播種面積與非糧食作物播種面積的比例作為播種結(jié)構(gòu)的自變量；分別以各省牛、豬的飼養(yǎng)數(shù)（出欄數(shù)與存欄數(shù)之和）、以及各省羊的年底只數(shù)作為畜牧業(yè)結(jié)構(gòu)的自變量。農(nóng)村常住人口和沼氣量來(lái)源于《中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒2015》，各省的糧食作物播種面積與非糧作物播種面積的比、各省的牛的飼養(yǎng)數(shù)、豬的飼養(yǎng)數(shù)、羊的年底只數(shù)來(lái)源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2015》[10]。將這些變量代入模型（1），得模型（2）：

其中，i表示省份，Biogas為表示均沼氣量（m3/人·年）,PLS表示播種結(jié)構(gòu)中糧食作物播種面積與非糧食作物播種面積的比例，Cow表示牛的飼養(yǎng)數(shù)（萬(wàn)頭），Pig表示豬的飼養(yǎng)數(shù)（萬(wàn)頭），Sheep為羊的年底只數(shù)（萬(wàn)頭）。

2 結(jié)果與討論

2.1 2014年區(qū)域人均沼氣量的差異

圖1 2014年各省（直轄市）的人均沼氣量Figure 1 The capita biogas for each Chinese provinces in 2014

圖1 示出了我國(guó)各省人均沼氣量的差異，整體上呈現(xiàn)南高北低的趨勢(shì)。海南省的人均沼氣量最高，達(dá)到了81.46 m3/人·年；吉林的最低，人均沼氣量?jī)H為3.69 m3/人·年。這種區(qū)域人均沼氣量的差異很大程度與氣候相關(guān)。南方地區(qū)年平均溫度與濕度高，有利于沼氣生產(chǎn)；而北方地區(qū)年均氣溫低，許多地區(qū)處于半干旱、干旱氣候、高原氣候，不利于沼氣產(chǎn)氣。

可是在氣候條件相似的省份之間，人均沼氣量也存在較大的差異。例如，中南地區(qū)的人均沼氣量普遍高于其他省份，而廣東省的人均沼氣量卻處于較低的水平。青海、西藏兩省都位于青藏高原，但西藏人均沼氣量明顯高于青海。位于西北地區(qū)的甘肅省的人均沼氣量大于許多南方省份。這些結(jié)果表明除氣候因素外，其它因素也極大地影響著沼氣的發(fā)展。國(guó)內(nèi)有關(guān)研究也表明牲畜數(shù)量和生物質(zhì)原材料越多，農(nóng)戶發(fā)展沼氣的積極性也越高，沼氣工程在半農(nóng)半牧區(qū)更容易得到推廣[4-6]。用模型（2）對(duì)圖1數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（表1）也表明人均沼氣量與糧食作物播種面積/非糧食作物播種面積的比（PLS）呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與牛的飼養(yǎng)數(shù)（Cow）呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。

表1 區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)與人均沼氣量的關(guān)系的多元線性回歸分析結(jié)果Table1 The resultsof multiple regression analysis for the relationship between regional agriculture structureand capitabiogas

2.2 糧食作物播種與人均沼氣量的關(guān)系

根據(jù)表1中的回歸分析結(jié)果，PLS與人均沼氣量成顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.01），回歸系數(shù)為-0.546。為表1中回歸系數(shù)的最大值。這意味著糧食播種面積比重每上升1%，人均沼氣量將減少0.546%。表2比較了種植業(yè)較發(fā)達(dá)的華南地區(qū)、華北地區(qū)、江淮地區(qū)的PLS與人均沼氣量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在氣候相似的省份之間也是PLS越大，人均沼氣量越小。在華南地區(qū)，海南省的PLS比廣東、廣西的低，但人均沼氣量卻明顯高于兩廣。在華北地區(qū)，PLS大的山西的人均沼氣量明顯低于河北。在江淮地區(qū)，安徽、江蘇兩省的糧食播種面積比重大，而人均沼氣產(chǎn)氣量卻處于較低的水平。這些結(jié)果表明播種結(jié)構(gòu)中，糧食作物播種面積比重增加不利于沼氣的發(fā)展。糧食作物廢棄物的主要成分是秸稈，其中含有大量難被微生物分解的木質(zhì)素，不利于提高產(chǎn)氣效率。由于糧食作物在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中占重要的地位，增強(qiáng)秸稈沼氣化處理技術(shù)研究不僅對(duì)沼氣發(fā)展具重要意義，對(duì)土地耕種和防治秸稈焚燒對(duì)大氣污染也有重要的意義。近年秸稈制沼氣的技術(shù)也取得了較大進(jìn)展，通過(guò)秸稈的機(jī)械或酶預(yù)處理，可大幅提高秸稈的沼氣產(chǎn)氣率[11]。在產(chǎn)糧區(qū)推廣秸稈制沼氣方面除了改進(jìn)技術(shù)以外，還應(yīng)通過(guò)政策補(bǔ)貼、加強(qiáng)宣傳等手段促進(jìn)沼氣發(fā)展。

表2 區(qū)域人均沼氣量與播種結(jié)構(gòu)Table 2 Regional biogas amount and agriculture structure

另一方面，PLS越小，非糧食作物的比重越大，發(fā)展沼氣的條件也越好。研究結(jié)果[12]表明非糧食作物的廢棄物中多糖含量比糧食作物的高2～3倍，多糖是最適合厭氧消化、產(chǎn)生沼氣的植物成分。目前沼氣被普遍用于非糧食作物生產(chǎn)過(guò)程中。例如，“四位一體”、“草莓大棚內(nèi)沼氣池”等沼氣與大棚結(jié)合的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式被普遍接受，并且取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益[13]。相比之下，沼氣生產(chǎn)幾乎不與糧食作物生產(chǎn)結(jié)合。漆軍等對(duì)浙江、安徽、江蘇3省的調(diào)查，90%以上的秸稈被用于還田、飼料，薪柴，鮮有人將其用于沼氣生產(chǎn)[14]。因此在PLS小的區(qū)域，應(yīng)利用原料好的有利條件，大力促進(jìn)沼氣發(fā)展。

2.3 區(qū)域牛飼養(yǎng)數(shù)與人均沼氣量的關(guān)系

由表1中的回歸結(jié)果可見區(qū)域牛飼養(yǎng)數(shù)（Cow）與人均沼氣量間存在著顯著的正相關(guān)關(guān)系(p＜0.5)，回歸系數(shù)為0.293。盡管其值不如PLS的大，但也意味著牛的飼養(yǎng)數(shù)增加1%，人均沼氣量將增加0.293%。這可能是因?yàn)榕＜S被認(rèn)為是有利于沼氣產(chǎn)氣的原材料。張彤的研究結(jié)果[15]表明在相同溫度和氣壓下，糞的沼氣產(chǎn)氣效率大小為牛糞＞羊糞＞雞糞＞豬糞。

2014年全國(guó)31省的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)還顯示飼養(yǎng)數(shù)大的省大多位于我國(guó)的年均氣溫較低的西北地區(qū)，但這些省的人均沼氣量并不低。由表3可見西藏位于年平均氣溫低，氣壓低的青藏高原，但它的人均沼氣量排在全國(guó)第10位；位于西北的甘肅省的人均沼氣量排在全國(guó)第8位；內(nèi)蒙古、青海、新疆的人均沼氣量也高于有利于沼氣發(fā)展的安徽、浙江。表4比較了緯度相近、氣候相似的南方6省的人均沼氣量、平均牛飼養(yǎng)數(shù)和播種結(jié)構(gòu)。浙江的糧食作物播種面積比重小，有利于發(fā)展沼氣，但是其平均養(yǎng)牛數(shù)不到1頭/100人，人均沼氣量在全國(guó)都屬于較低的水平。與福建省相鄰的江西省，盡管PLS比福建省的大，但平均牛飼養(yǎng)數(shù)也比福建的大，所以其人均沼氣量比福建省的大。湖南省與貴州省的播種結(jié)構(gòu)相似，貴州省的平均牛飼養(yǎng)數(shù)多，人均沼氣量也比湖南省的大。上述分析結(jié)果表明增加牛飼養(yǎng)數(shù)有助于沼氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也表明沼氣生產(chǎn)與養(yǎng)牛業(yè)結(jié)合較密切,且在氣溫較低的西北、青藏高原等地區(qū)沼氣得到發(fā)展。隨著人們生活的提高，對(duì)肉、奶等畜牧產(chǎn)品的需求逐年增加，發(fā)展沼氣產(chǎn)業(yè)對(duì)養(yǎng)牛業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的作用。

表3 2014年中國(guó)平均牛飼養(yǎng)數(shù)最多的5省及其人均沼氣量Table 3 The most five provinces of capita cattle in 2014 in China

表4 2014年南方6省的平均牛飼養(yǎng)數(shù)、PLS與人均沼氣量Table 4 The capita cattle，the PLS,and capita biogas for six provinces in South China

2.4 區(qū)域豬飼養(yǎng)數(shù)與人均沼氣量的關(guān)系

如表1所示，區(qū)域豬的飼養(yǎng)數(shù)（Pig）與人均沼氣量的回歸系數(shù)為0.128，二者間的相關(guān)關(guān)系不顯著。這主要可歸于兩個(gè)原因。首先，豬糞不是產(chǎn)生沼氣的好原料。在同溫同壓下，豬糞產(chǎn)生沼氣效率在牛糞、羊糞、雞糞、豬糞等牲畜糞便中是最小的。另一原因是全國(guó)大中型養(yǎng)豬場(chǎng)中配套的沼氣工程覆蓋率還較低，2012年，全國(guó)大中型養(yǎng)豬場(chǎng)沼氣工程覆蓋率只有52.6%，且集中在沿海和西南地區(qū)，養(yǎng)豬數(shù)多的中部地區(qū)覆蓋率僅為32%[16]。另一方面近年來(lái)隨著規(guī)?；B(yǎng)殖的發(fā)展，散養(yǎng)戶減少，原有使用豬糞的沼氣池因原料不足而停用甚至棄用[17]。盡管近年來(lái)大中型沼氣工程也隨著生豬規(guī)?；B(yǎng)殖擴(kuò)大而增加，但是總體上覆蓋面還不足。這說(shuō)明可以通過(guò)在大型養(yǎng)豬場(chǎng)推廣沼氣工程等手段使沼氣在養(yǎng)豬業(yè)也能得到充分的利用。

由于我國(guó)生豬飼養(yǎng)量大、區(qū)域分布廣，豬糞是農(nóng)村環(huán)境污染的主要源頭之一，因此提高豬糞的利用率是促進(jìn)沼氣發(fā)展、改善農(nóng)村環(huán)境的一條有效途徑。應(yīng)針對(duì)豬糞沼氣產(chǎn)氣效率低的問(wèn)題，加大科學(xué)研究力度，開發(fā)新菌種等提高豬糞沼氣產(chǎn)氣效率的新技術(shù)。應(yīng)從生態(tài)保護(hù)的戰(zhàn)略高度出發(fā)，制定相應(yīng)的政策，提高大中型養(yǎng)豬場(chǎng)的沼氣工程覆蓋率和經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益。

2.5 區(qū)域羊飼養(yǎng)數(shù)與人均沼氣量的關(guān)系

表1的回歸分析顯示回歸系數(shù)僅為-0.102，且P值為0.383，區(qū)域養(yǎng)羊數(shù)與人均沼氣量之間沒(méi)有顯著的相關(guān)關(guān)系，表明養(yǎng)羊業(yè)對(duì)沼氣發(fā)展促進(jìn)作用小。盡管羊糞是沼氣產(chǎn)氣效率較好的原材料，但目前羊的飼養(yǎng)仍以放牧為主，羊糞的收集存在困難。但近年隨著國(guó)家對(duì)草原保護(hù)的力度加大，羊的集約飼養(yǎng)規(guī)模不斷加大，羊糞的收集問(wèn)題將解決。因此應(yīng)利用羊糞產(chǎn)沼氣效力率高的特點(diǎn)，加強(qiáng)沼氣工程與羊集約飼養(yǎng)區(qū)的結(jié)合，促進(jìn)沼氣發(fā)展。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)2014年全國(guó)31?。ㄖ陛犑校┢叫袛?shù)據(jù)的回歸分析，發(fā)現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)對(duì)沼氣發(fā)展的影響大。其中非糧作物播種比重增加將有利于發(fā)展沼氣產(chǎn)業(yè)，而沼氣產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)糧區(qū)還有待發(fā)展。牛的飼養(yǎng)數(shù)與人均沼氣量間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，沼氣工程在養(yǎng)牛業(yè)行業(yè)應(yīng)用得較好，使得在一些平均氣溫低的牧區(qū)能發(fā)展沼氣；但豬糞的沼氣化處理程度還小，與豬糞產(chǎn)氣率低以及目前沼氣工程不適應(yīng)規(guī)?；B(yǎng)豬等相關(guān)，沼氣工程在大中型養(yǎng)豬場(chǎng)有待發(fā)展；受技術(shù)條件的限制，沼氣工程在養(yǎng)羊行業(yè)未得到充分推廣，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)沼氣工程與羊集約飼養(yǎng)區(qū)的結(jié)合。