陕西省“养殖-沼气”生态模式温室气体减排潜力估算

范学科，郑爱泉

(杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100)

近些年，温室效应所带来的环境问题已备受人们所关注。温室气体的大量排放是造成温室效应和全球变暖的主要原因。为缓解温室效应和全球变暖趋势，各个国家和地区均出台了一系列温室气体减排措施，各个领域专家学者也加强了减少温室气体排放的相关研究。清洁能源作为减少温室气体排放的重要手段，现已被广泛研究与使用，其可以明显地保护和改善生态环境[1]。沼气作为农村主要的清洁能源之一，主要成分甲烷其具有产热高、燃烧效率和利用率高，并且清洁卫生的特点[2,3]。此外，沼气可以充分利用秸秆、畜禽粪便等农业废弃物，进一步减少了环境污染[1]。我国非常重视户用沼气池的建设，到2016年底，户用沼气池的规模已经达到4 193.3万户[11]。沼气的大力推广和应用可以有效减少因化石燃料燃烧产生的CO2排放和因畜禽粪便露天堆放产生的CH4排放，对减少农村生活温室气体排放及环境的改善有重要的意义[5]，特别对于我国西北部经济欠发达地区更具有重大意义。此外，沼气的大规模使用，还可以有效减少森林砍伐，对恢复生态环境有重要作用[6～8]。笔者研究以陕西省为研究对象，通过文献调研和资料收集相结合的方法，研究未来陕西省沼气产量的趋势，根据沼气减排因子，进而估算整个陕西省温室气体减排量。研究将为陕西省户用沼气推广应用，促进农村农业废弃物资源化，推进农村能源结构调整，改善农村生产生活条件，促进资源节约型、环境友好型社会建设提供数据和理论支撑。

1 材料与方法

1.1 陕西省概况

根据最新的全国农村沼气发展“十三五”规化，综合考虑各地区畜禽粪便、农作物秸秆等资源量，肥料化、饲料化、原料化、基料化等竞争性利用途径，以及地域分异规律、沼气发展基础、经济水平、清洁能源需求等因素，《规划》将全国31个省(直辖市、自治区)划分为三类地区：I类地区为资源量丰富地区，II类地区为资源量中等地区，III类地区为资源量一般地区)。陕西省属于II类地区，并且属于“镰刀弯”地区，是玉米结构调整的重点地区，也是草食动物养殖优势区，适宜发展以规模化沼气为纽带的循环农业模式，适度发展生物天然气工程和中小型沼气工程[9]。

1.2 回归模型

为了准确研究沼气使用对温室气体排放的影响，研究采用文献调研和资料收集相结合的方法获取有关数据：期刊论文，中国统计年鉴[10]、中国农业年鉴[11]等来源搜集基础数据。通过基础数据的综合分析，运用多变量线性回归模型和逐步回归模型对陕西省沼气产量进行预测，进而根据未来沼气产量估算出陕西省“养殖-沼气”生态模式温室气体减排潜力。

1.2.1 变量的选取 年沼气产量是衡量和评价农村户用沼气发展水平的关键指标。因此，将陕西省当年沼气产量作为因变量，将搜集到的人均生产总值、人均农林牧渔总产值、猪出栏量、牛出栏、羊出栏、家禽出栏、沼气池数量分别作为自变量x1～x7。

1.2.2 模型适配度检验 在回归分析中，如果有两个或两个以上的自变量，就称为多元回归。事实上，一种现象常常是与多个因素相联系的，由多个自变量的最优组合共同来预测或估计因变量，比只用一个自变量进行预测或估计更有效，更符合实际。

逐步回归是一种线性回归模型自变量选择方法，其基本思想是将变量一个一个引入，引入的条件使其偏回归平方和经验是显著的。同时，每引入一个新变量后，对已入选回归模型的老变量逐个进行检验，将经检验认为不显著的变量删除，以保证所得自变量子集中每一个变量都是显著的。此过程经过若干步直到不能再引入新变量为止。这时回归模型中所有变量对因变量都是显著的。

基于沼气产量预测受多个因子的影响，笔者研究选取多元线性回归模型和逐步回归模型进行沼气产量预测。从图1可知，多元线性回归和逐步回归的标准化残差的绝对值相差不大，且均接近1，说明二者适配性一致，均可用来预测沼气产量。

图1 回归标准化残差直方图

从表1可以看出，多元线性回归模型的复相关系数为0.992，判定系数为0.984，校正后R2为0.972，Durbin-Watson统计量数值为2.096，F测验值86.20(p<0.001)。逐步回归模型的复相关系数为0.986，判定系数为0.972，校正后R2为0.969，达沃检验统计量数值为1.594，F测验值264.10(p<0.001)。从模型适配参数和残差分布看，两个模型适配度均较优，可以用来后续预测分析。

表1 回归模型拟合适配度

1.3 减排潜力估算

根据李长江等[11]关于陕西省农村CDM项目温室气体减排效应研究发现，沼气项目户均温室气体减排量在1.77～2.46 tCO2e。根据该研究调研结果，沼气项目户均沼气产量为257.84～543.0 m3。基于此，可估算得到每立方米沼气可以减排3.25～9.54 kg CO2e温室气体。因此，整个陕西省“养殖-沼气”生态模式温室气体减排潜力按照以下公式估算：

GS=Yi×F

式中：Gs代表当年温室气体总的减排量，以二氧化碳当量计，t·a-1CO2e；Yi代表当年沼气预测产量，单位m3；代表每产生1 m3沼气所带来的减排效应，单位t·m3CO2e。

1.4 经济效益计算

沼气的使用能够在很大程度上减少原煤的消耗。国际上为了使用的方便，统一标准，在进行能源数量、质量的比较时，将煤炭、石油、天然气等都按一定的比例统一换算成标准煤来表示。基于此，笔者研究按照燃料转换系数，将产生的沼气转换为原煤量，按照当年原煤售价，估算沼气利用节约的原煤花销。具体估算公式如下：

BS=Yi×Fi×Fj×S

式中：BS代表经济效益，元；Yi代表当年沼气预测产量，单位m3；Fi代表沼气和标准煤转化系数，笔者研究采用0.714[15]；Fj代表标准煤和原煤转化系数，研究采用1.400[15]；S代表当年原煤价格,研究以1 360 t·元-1。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 365和SPSS软件对数据进行统计分析，采用Origin 2016进行数据可视化。

2 结果

2.1 陕西省沼气产量及社会经济发展

研究主要参考中国农业统计年鉴和中国统计年鉴得到2000-2017年的陕西省沼气产量及社会经济发展相关数据，具体如表2所示。从表2可以看出，自2000年以来，陕西省沼气年实际产量和沼气池数量逐年提升，近年趋缓。猪、牛、羊、家禽也表现出相同趋势。整个陕西省人均生产总值和人均农林牧渔总产值也逐年提升。根据计算，2017年沼气产量是2000年的7.29倍，沼气池数量也由14.2万口增加到133万口，增幅836.62%。人均生产总值增加了1 052.70%，人均农林牧渔总产值增加了527.34%，猪出栏量增加了44.21%，牛出栏量减少了-2.97%，羊出栏量增加了23.38%，家禽出栏量增加了13.76%。

表2 2000-2017陕西省沼气产量及社会经济发展相关数据

2.2 回归预测方程

通过多元线性回归，将当年沼气产量作为因变量，影响沼气产量的相关因素作为自变量，根据拟合系数建立的多元线性回归方程为：

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

153.026x4+31.018x5-0.750x6+388.030x7

式中：x1代表人均生产总值(元)；x2代表人均农林牧渔总产值(元)；x3代表当年猪出栏量(万头)；x4代表当年牛出栏量(万头)；x5代表当年羊出栏量(万头)；x6代表当年家禽出栏量(万只)；x7代表当年沼气池数量(万口)。

通过逐步回归，在拟合过程中模型自动剔除了当年人均生产总值(元，x1)，当年猪出栏量(万头，x3)，当年牛出栏量(万头，x4)，当年羊出栏量(万头，x5)，当年家禽出栏量(万只，x6)将当年沼气产量作为因变量，根据拟合系数建立的逐步回归方程为：

y2=3 575.111+456.681x7-5.084x2

式中：x2代表人均农林牧渔总产值(元)；x7代表当年沼气池数量(万口)。

2.3 回归模型沼气产量预测分析

为进一步检验模型拟合的优劣，笔者研究通过2000-2017年沼气预测产量和实际产量的对比发现，多元线性回归模型和逐步回归模型与实际沼气产量的差别较小，有较高的预测优度(图2)。

图2 沼气产量模型预测情况

2.4 未来沼气产量及自变量预测值

通过分析发现，人均生产总值、人均农林牧渔总产值、猪出栏量、牛出栏、羊出栏、家禽出栏和沼气池数量在发展趋势上均较稳定，且有较强的变化规律，可以通过自变量回归拟合进行趋势分析。基于此，笔者研究通过自变量回归分析，对当年人均生产总值、人均农林牧渔总产值、猪出栏量、牛出栏、羊出栏、家禽出栏、沼气池数量等自变量分别使用线性函数、S型函数等方法，分别进行拟合求值，得到2020、2030、2040和2050年的自变量值，具体见表3。根据拟合结果，与2017年相比，2020年人均生产总值、人均农林牧渔总产值、猪出栏量、牛出栏、羊出栏、家禽出栏、沼气池数量分别增长7.13%、13.48%、16.34%、4.12%、9.05%、-1.29%和36.58%；2030年人均生产总值、人均农林牧渔总产值、猪出栏量、牛出栏、羊出栏、家禽出栏、沼气池数量分别增长61.14%、66.55%、42.18%、19.69%、39.66%、-20.30%和102.39%；2040年人均生产总值、人均农林牧渔总产值、猪出栏量、牛出栏、羊出栏、家禽出栏、沼气池数量分别增长115.12%、119.57%、68.03%、35.26%、70.27%、7.78%和168.20%；2050年人均生产总值、人均农林牧渔总产值、猪出栏量、牛出栏、羊出栏、家禽出栏、沼气池数量分别增长169.07%、169.99%、93.87%、50.84%、100.89%、-4.86%和234.02%。

表3 社会经济因子预测

在此基础上，运用多元线性回归模型和逐步回归模型对未来沼气产量进行了预测分析，未来沼气预测产量见图 3。多元线性回归模型结果表明，与2017年相比，2020年沼气产量达4.00×108m3, 增幅66.97%；2030年沼气产量达5.99×108m3, 增幅149.69%；2040年沼气产量达7.79×108m3, 增幅224.72%；2050年沼气产量达9.86×108m3, 增幅311.28%。逐步回归模型结果表明，与2017年相比，2020年沼气产量达4.02×108m3, 增幅71.17%；2030年沼气产量达5.85×108m3, 增幅149.10%；2040年沼气产量达7.68×108m3, 增幅227.13%；2050年沼气产量达9.62×108m3, 增幅309.67%。

图3 未来沼气产量预测数值

2.5 减排潜力和经济效益估算

根据回归模型预测结果，随着户用沼气在整个陕西省的推广应用，能够显著减少温室气体减排量，并且带来可观的经济效益(表4)。通过预测沼气产量，估算陕西省户用沼气总减排量为1.30×106～9.41×106tCO2e。并且户用沼气使用后，节省了煤炭的使用，降低了农户的经济支出，为农户获得经济收入。因此，户用沼气使用后，陕西农户可获得的经济效益为煤炭节省费用。通过原煤转换发现陕西省每年减少煤炭消耗4.0×105～9.9×105t，采用该数据结合当年当地每吨煤炭1 360元(来自中国碳排放交易网)，估算陕西省户用沼气使用后所获得的经济效益为54 419.6×104～134 045.1×104元。

表4 关中地区户用沼气减排潜力及经济效益估算

3 讨论与结论

陕西省“养殖-沼气”生态模式可以实现种植业和养殖业的绿色生态发展，是减少温室气体排放，减少农村人口生活成本的有效措施，同时也是实现“美丽乡村”的重要途径[6,7,8,17,16]。笔者研究依据2000-2017 年陕西农村沼气发展的相关数据, 通过模型拟合预测陕西省2020，2030，2040和2050年沼气产量，并通过温室气体减排量估算表明，陕西省大力发展农村户用沼气，是实现农村废弃资源再利用，改善乡村环境的重要途径。研究发现，随着人均农林牧渔总产值和猪、牛、羊、家禽出栏数量的持续增加，沼气池数量和沼气年产量也同步增加。主要是由于农村沼气的原料主要是畜禽粪便和秸秆[15]。随着农业秸秆的增多，刺激畜牧业快速发展，畜禽粪便是优良的沼气发酵原料，进而促进了沼气产业的发展。此外，陕西区域特点十分明显，有利于农村户用沼气的发展[18]。关中地区玉米的大范围种植和大型养殖厂为户用沼气发展提供了较为丰富的发酵原料；陕南目前在大力发展蚕和渔业，可以将沼气池残渣经过无害化处理后支持蚕、渔的发展，解决了沼气残渣处理问题；陕北通过冬季沼气池保温技术也解决了发展户用沼气的瓶颈。

前人研究表明，农村户用沼气能够减少温室气体排放主要是由于改变了农户能源结构，减少了煤炭、薪柴及秸秆的使用，可以保护林地、减少农民对林地的砍伐，并且畜禽粪便也有室外堆放管理方式改变为作为沼气原料进行集中处理，进而减少农户温室气体的排放[17,18]。此外，农户传统能源在燃烧时会释放大量PM 2.5，能影响人和牲畜的健康及农村环境的保护，沼气充分燃烧的产物为CO2和水，能够有效抑制PM2.5的产生[21,22]。笔者研究发现，户用能源结构改变减少了温室气体的排放，陕西省每年温室气体减排分别为1.30×106～9.18×106tCO2e；沼气使用后，因节约原煤而产生的经济效益为5.44×108～1.34×109元。目前关于沼气、沼渣、沼液的研究表明，秸秆和粪便经厌氧发酵后的残液、残渣是一种无公害的农家肥，可以有效杀死部分害虫，并能够提供部分作物所需养分，从而显著减少农业投入，减少温室气体排放，并对农村农产品的绿色生产也有重要意义[20]。从能源结构转变来看，户用沼气的大量推广，可以有效减少原煤的使用，同时能够减少因原煤开采附带的污染和环境破坏，且能够减少购买原煤的生活支出等[13]。因此，未来需要进一步完善沼气使用产生减排的来源及相关的估算方法。以上结果也表明户用沼气应用在农村中的重要意义。

针对目前陕西省沼气发展现状，本研究对该区域加快沼气发展提出以下对策建议：①加速大型沼气池建设。目前全省农业合作社蓬勃兴起，沼气发展可以农业合作社为龙头，建设规模较大沼气池，可以提升产气量和废弃资源再利用效率；②全省沼气发展应该分区域规化。沼气发展受到多因素影响，可以依据气候和现有资源条件，对最适宜区域重点发展，资源薄弱区域强度减缓，使效益最大化；③不断改进沼气技术。目前陕西省沼气发展主要以畜禽粪便发酵为主，后期应该加大以秸秆发酵为主的技术的开发利用，使作物残体有效利用。