陜西省“養殖-沼氣”生態模式溫室氣體減排潛力估算

范學科，鄭愛泉

(楊凌職業技術學院，陜西 楊凌 712100)

近些年，溫室效應所帶來的環境問題已備受人們所關注。溫室氣體的大量排放是造成溫室效應和全球變暖的主要原因。為緩解溫室效應和全球變暖趨勢，各個國家和地區均出臺了一系列溫室氣體減排措施，各個領域專家學者也加強了減少溫室氣體排放的相關研究。清潔能源作為減少溫室氣體排放的重要手段，現已被廣泛研究與使用，其可以明顯地保護和改善生態環境[1]。沼氣作為農村主要的清潔能源之一，主要成分甲烷其具有產熱高、燃燒效率和利用率高，并且清潔衛生的特點[2,3]。此外，沼氣可以充分利用秸稈、畜禽糞便等農業廢棄物，進一步減少了環境污染[1]。我國非常重視戶用沼氣池的建設，到2016年底，戶用沼氣池的規模已經達到4 193.3萬戶[11]。沼氣的大力推廣和應用可以有效減少因化石燃料燃燒產生的CO2排放和因畜禽糞便露天堆放產生的CH4排放，對減少農村生活溫室氣體排放及環境的改善有重要的意義[5]，特別對于我國西北部經濟欠發達地區更具有重大意義。此外，沼氣的大規模使用，還可以有效減少森林砍伐，對恢復生態環境有重要作用[6～8]。筆者研究以陜西省為研究對象，通過文獻調研和資料收集相結合的方法，研究未來陜西省沼氣產量的趨勢，根據沼氣減排因子，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用，促進農村農業廢棄物資源化，推進農村能源結構調整，改善農村生產生活條件，促進資源節約型、環境友好型社會建設提供數據和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 陜西省概況

根據最新的全國農村沼氣發展“十三五”規化，綜合考慮各地區畜禽糞便、農作物秸稈等資源量，肥料化、飼料化、原料化、基料化等競爭性利用途徑，以及地域分異規律、沼氣發展基礎、經濟水平、清潔能源需求等因素，《規劃》將全國31個省(直轄市、自治區)劃分為三類地區：I類地區為資源量豐富地區，II類地區為資源量中等地區，III類地區為資源量一般地區)。陜西省屬于II類地區，并且屬于“鐮刀彎”地區，是玉米結構調整的重點地區，也是草食動物養殖優勢區，適宜發展以規模化沼氣為紐帶的循環農業模式，適度發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，研究采用文獻調研和資料收集相結合的方法獲取有關數據：期刊論文，中國統計年鑒[10]、中國農業年鑒[11]等來源搜集基礎數據。通過基礎數據的綜合分析，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量進行預測，進而根據未來沼氣產量估算出陜西省“養殖-沼氣”生態模式溫室氣體減排潛力。

1.2.1 變量的選取 年沼氣產量是衡量和評價農村戶用沼氣發展水平的關鍵指標。因此，將陜西省當年沼氣產量作為因變量，將搜集到的人均生產總值、人均農林牧漁總產值、豬出欄量、牛出欄、羊出欄、家禽出欄、沼氣池數量分別作為自變量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，一種現象常常是與多個因素相聯系的，由多個自變量的最優組合共同來預測或估計因變量，比只用一個自變量進行預測或估計更有效，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。

基于沼氣產量預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量預測。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，均可用來預測沼氣產量。

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相關系數為0.992，判定系數為0.984，校正后R2為0.972，Durbin-Watson統計量數值為2.096，F測驗值86.20(p<0.001)。逐步回歸模型的復相關系數為0.986，判定系數為0.972，校正后R2為0.969，達沃檢驗統計量數值為1.594，F測驗值264.10(p<0.001)。從模型適配參數和殘差分布看，兩個模型適配度均較優，可以用來后續預測分析。

表1 回歸模型擬合適配度

1.3 減排潛力估算

根據李長江等[11]關于陜西省農村CDM項目溫室氣體減排效應研究發現，沼氣項目戶均溫室氣體減排量在1.77～2.46 tCO2e。根據該研究調研結果，沼氣項目戶均沼氣產量為257.84～543.0 m3。基于此，可估算得到每立方米沼氣可以減排3.25～9.54 kg CO2e溫室氣體。因此，整個陜西省“養殖-沼氣”生態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代表當年沼氣預測產量，單位m3；代表每產生1 m3沼氣所帶來的減排效應，單位t·m3CO2e。

1.4 經濟效益計算

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，統一標準，在進行能源數量、質量的比較時，將煤炭、石油、天然氣等都按一定的比例統一換算成標準煤來表示。基于此，筆者研究按照燃料轉換系數，將產生的沼氣轉換為原煤量，按照當年原煤售價，估算沼氣利用節約的原煤花銷。具體估算公式如下：

BS=Yi×Fi×Fj×S

式中：BS代表經濟效益，元；Yi代表當年沼氣預測產量，單位m3；Fi代表沼氣和標準煤轉化系數，筆者研究采用0.714[15]；Fj代表標準煤和原煤轉化系數，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 數據處理

采用Microsoft Excel 365和SPSS軟件對數據進行統計分析，采用Origin 2016進行數據可視化。

2 結果

2.1 陜西省沼氣產量及社會經濟發展

研究主要參考中國農業統計年鑒和中國統計年鑒得到2000-2017年的陜西省沼氣產量及社會經濟發展相關數據，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量和沼氣池數量逐年提升，近年趨緩。豬、牛、羊、家禽也表現出相同趨勢。整個陜西省人均生產總值和人均農林牧漁總產值也逐年提升。根據計算，2017年沼氣產量是2000年的7.29倍，沼氣池數量也由14.2萬口增加到133萬口，增幅836.62%。人均生產總值增加了1 052.70%，人均農林牧漁總產值增加了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陜西省沼氣產量及社會經濟發展相關數據

2.2 回歸預測方程

通過多元線性回歸，將當年沼氣產量作為因變量，影響沼氣產量的相關因素作為自變量，根據擬合系數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代表人均生產總值(元)；x2代表人均農林牧漁總產值(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)將當年沼氣產量作為因變量，根據擬合系數建立的逐步回歸方程為：

y2=3 575.111+456.681x7-5.084x2

式中：x2代表人均農林牧漁總產值(元)；x7代表當年沼氣池數量(萬口)。

2.3 回歸模型沼氣產量預測分析

為進一步檢驗模型擬合的優劣，筆者研究通過2000-2017年沼氣預測產量和實際產量的對比發現，多元線性回歸模型和逐步回歸模型與實際沼氣產量的差別較小，有較高的預測優度(圖2)。

圖2 沼氣產量模型預測情況

2.4 未來沼氣產量及自變量預測值

通過分析發現，人均生產總值、人均農林牧漁總產值、豬出欄量、牛出欄、羊出欄、家禽出欄和沼氣池數量在發展趨勢上均較穩定，且有較強的變化規律，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，對當年人均生產總值、人均農林牧漁總產值、豬出欄量、牛出欄、羊出欄、家禽出欄、沼氣池數量等自變量分別使用線性函數、S型函數等方法，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。根據擬合結果，與2017年相比，2020年人均生產總值、人均農林牧漁總產值、豬出欄量、牛出欄、羊出欄、家禽出欄、沼氣池數量分別增長7.13%、13.48%、16.34%、4.12%、9.05%、-1.29%和36.58%；2030年人均生產總值、人均農林牧漁總產值、豬出欄量、牛出欄、羊出欄、家禽出欄、沼氣池數量分別增長61.14%、66.55%、42.18%、19.69%、39.66%、-20.30%和102.39%；2040年人均生產總值、人均農林牧漁總產值、豬出欄量、牛出欄、羊出欄、家禽出欄、沼氣池數量分別增長115.12%、119.57%、68.03%、35.26%、70.27%、7.78%和168.20%；2050年人均生產總值、人均農林牧漁總產值、豬出欄量、牛出欄、羊出欄、家禽出欄、沼氣池數量分別增長169.07%、169.99%、93.87%、50.84%、100.89%、-4.86%和234.02%。

表3 社會經濟因子預測

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

圖3 未來沼氣產量預測數值

2.5 減排潛力和經濟效益估算

根據回歸模型預測結果，隨著戶用沼氣在整個陜西省的推廣應用，能夠顯著減少溫室氣體減排量，并且帶來可觀的經濟效益(表4)。通過預測沼氣產量，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，節省了煤炭的使用，降低了農戶的經濟支出，為農戶獲得經濟收入。因此，戶用沼氣使用后，陜西農戶可獲得的經濟效益為煤炭節省費用。通過原煤轉換發現陜西省每年減少煤炭消耗4.0×105～9.9×105t，采用該數據結合當年當地每噸煤炭1 360元(來自中國碳排放交易網)，估算陜西省戶用沼氣使用后所獲得的經濟效益為54 419.6×104～134 045.1×104元。

表4 關中地區戶用沼氣減排潛力及經濟效益估算

3 討論與結論

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

前人研究表明，農村戶用沼氣能夠減少溫室氣體排放主要是由于改變了農戶能源結構，減少了煤炭、薪柴及秸稈的使用，可以保護林地、減少農民對林地的砍伐，并且畜禽糞便也有室外堆放管理方式改變為作為沼氣原料進行集中處理，進而減少農戶溫室氣體的排放[17,18]。此外，農戶傳統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村環境的保護，沼氣充分燃燒的產物為CO2和水，能夠有效抑制PM2.5的產生[21,22]。筆者研究發現，戶用能源結構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，因節約原煤而產生的經濟效益為5.44×108～1.34×109元。目前關于沼氣、沼渣、沼液的研究表明，秸稈和糞便經厭氧發酵后的殘液、殘渣是一種無公害的農家肥，可以有效殺死部分害蟲，并能夠提供部分作物所需養分，從而顯著減少農業投入，減少溫室氣體排放，并對農村農產品的綠色生產也有重要意義[20]。從能源結構轉變來看，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生減排的來源及相關的估算方法。以上結果也表明戶用沼氣應用在農村中的重要意義。

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