中国秸秆优质化能源开发利用特征及影响因素.doc

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1、中国秸秆优质化能源开发利用特征及影响因素摘要：为考察中国秸秆优质化能源开发利用特征，本文在分析中国20092016年秸秆优质化能源产量年际变化、区域分布及结构特征的基础上，采用增强回归树方法定量分析了秸秆优质化能源开发利用水平的省际差异及其影响因素。结果表明：中国秸秆优质化能源产量从2009年的119.63万t标准煤上升到2016年的508.51万t标准煤，以生物气化和固化成型为主，其中生物气化比重逐渐下降，固化成型比重迅速上升。全国秸秆优质化能源开发利用水平均值从2009年的7.54kg标准煤/hm2上升到2016年的30.51kg标准煤/hm2。供给、需求和环境因素对其省际差异的贡献率分别

2、为37.10%、35.60%和22.30%。秸秆优质化能源开发利用水平总体上随着粮食作物播种面积比例、农村居民人均纯收入、农村人均用电量和农村能源财政投入的上升而上升，随着人均耕地面积和机耕面积比例的上升而下降，随着饲草需求强度的上升呈先上升后下降趋势。当前中国秸秆优质化能源开发利用很大程度上依赖于农村经济发展水平的提高和行政力量的推动。西北、东北和华中等地区应加强对秸秆优质化能源开发利用的财政和科技支持力度。1引言中国农业经济的快速发展伴随着农作物秸秆、谷壳等农业废弃物排放量日益增加。许多地区作物收获季节大量秸秆被直接焚烧于田间地头，造成了严重的资源浪费与环境污染1，2。为此，国家大力推进秸

3、秆的资源化利用，包括肥料化、饲料化、能源化、基料化和原料化等。能源化利用不但可以避免秸秆被直接焚烧，还可以替代部分化石能源并缓解空气污染压力，因此近年来包括生物气化(即沼气工程)、热解气化、固化成型、炭化、直燃发电等能源化利用方式得到了快速发展3，4。目前关于秸秆资源化利用的区域差异研究，主要关注秸秆的资源化利用潜力及其区域差异4-7，得出可供能源化利用的秸秆总量为1.56亿1.87亿t；利用潜力的测算大多围绕沼气工程的推广情况开展分析，而其他如热解气化、固化成型、炭化等秸秆优质化能源利用情况则很少得到关注8-11。关于秸秆资源化利用方式的影响因素研究，主要关注农户对秸秆沼气、秸秆还田的偏好及

4、其影响因素12-15，结果表明农户的秸秆能源化利用需求与其家庭的经济资本、社会资本、人力资本和自然资本禀赋均有密切关系。这些研究较少关注区域差异的影响因素，也很少考虑秸秆其他潜在利用方式的竞争性影响。此外，以往研究通常仅对影响因素进行定性分析，未能定量评估各影响因素对秸秆沼气工程区域差异的贡献率。针对以上分析，本文在测算秸秆优质化能源开发利用水平的基础上，为考察秸秆优质化能源开发利用的驱动因素，把影响秸秆优质化能源开发利用的因素分解为供给、需求和环境等3种类型，采用增强回归树定量分析秸秆优质化能源开发利用水平与各影响因素的关系，以及各因素对其省际差异的贡献率，旨在阐明秸秆优质化能源开发利用特征

5、及其影响因素，为中国秸秆优质化能源开发利用的优化布局提供参考。2研究方法与数据处理2.1研究方法2.1.1增强回归树增强回归树(Boosting Regression Tree，BRT)是基于分类回归树算法的一种自学习方法，能够得出自变量对因变量的影响载荷，及其他自变量取均值或不变的情况下，该自变量与因变量的相互关系，并且输出的因变量与自变量关系很直观，结果容易理解，且可以分析因变量与非数值变量之间的关系16-17，在国内外数据建模方面有较多的应用18-19。该方法在运算过程中多次随机抽取一定量的数据分析自变量对因变量的影响程度，剩余数据用来对拟合结果进行检验，对生成的多重回归树取均值并输岀，

6、能够提高模型的稳定性和预测精度，这种方法在处理不同数据格式时具有很大的灵活性，且对预测变量的独立性无需作出事先假设，能够适应复杂的非线性关系。本文以各省份秸秆优质化能源开发利用水平为因变量，以影响秸秆优质化能源开发利用水平的因素为自变量，采用BRT方法对因变量与自变量的关系进行拟合，考察各因素在其他因素取均值时，该因素与秸秆优质化能源开发利用水平之间的数量关系，并计算各指标对省际差异的贡献率。BRT分析在R语言(R i386 3.2.4 Revised)中完成，参数设置时，学习速率设置为0.01，树的复杂性设置为5。2.1.2指标选择本文把秸秆优质化能源开发利用的影响因素分解为供给因素、需求因

7、素和环境因素。反映各影响因素的指标选择说明如下：(1)供给因素供给方面主要受制于秸秆资源量及其潜在用途的竞争性影响。由于中国农作物秸秆主要来自于粮食作物，粮食作物较多的地方更有利于秸秆优质化能源的开发利用，因此考察粮食播种面积比例(X11，)对秸秆优质化能源利用的影响，采用粮食播种面积占农作物总播种面积的比例来反映。潜在竞争性用途方面，采用2个指标来反映：一是机耕面积比例(X12，%)，反映秸秆还田的竞争性影响。机械化程度较高的地区，秸秆粉碎后直接还田更方便，因此对能源化利用的需求可能较低。二是饲草需求强度(X13，kg/hm2)，反映秸秆饲用的竞争性影响，以畜牧业饲草总需求量与农作物总播种面

8、积的比值来表示。在大牲畜饲养规模较大的地区，秸秆可以作为饲料，因此对于秸秆能源化利用可能起到竞争效应。(2)需求因素需求因素取决于农村居民的生活水平、资源禀赋和能源需求。首先，人均纯收入比较高的地区，随着生活水平的提高，人们环境保护意识逐渐增强，对于空气质量的要求更高，因此更倾向于开发利用高品质的可再生清洁能源。第二，通常人均耕地面积较小的地方，农业在家庭收入中所占的比例较低，为了维持生计，农业兼业比例比较高，因此倾向于采用节省劳动力的耕作管理方式，对于秸秆能源化利用的需求也会比较低。第三，农村人均用电量反映农村能源需求，人均用电量比较高的地区，农村经济通常比较发达，倾向于充分利用各种可再生能

9、源。因此，采用人均纯收入(X21，万元)、人均耕地(X22，hm2)和农村人均用电量(X23，kWh)等3个指标来反映需求因素的影响。(3)环境因素环境因素包括自然环境和社会环境，自然环境方面的影响比较复杂，难以用定量指标来衡量，因此采用非数值型的区域变量来反映诸如气候、土壤等可能影响秸秆能源化开发利用的因素。社会环境方面，秸秆优质化能源开发利用的初始投资成本较高，往往需要财政投入的驱动。因此，采用区域类型(X31，无量纲)和财政投入强度(X32，元/hm2)等2个指标来反映环境因素的影响，其中区域类型按中国通行的行政区划归并为华北、东北、华东、华中、华南、西南和西北等7个区域，财政投入强度采

10、用单位播种面积的农村能源财政经费投入量来计算。2.2数据处理依据中国农业统计资料22的统计范围，纳入分析的秸秆优质化能源类型包括生物气化、热解气化、固化成型和炭化等4种类型，各不同类型的秸秆能源根据其热值统一换算成标准煤。秸秆生物气化产生的沼气和热解产生的燃气分别按25MJ/m3和21MJ/m3折算成标准煤23，秸秆固化成型和炭化形成的燃料分别按18MJ/m3和17MJ/kg折算成标准煤24。由于统计部门仅统计热解气化的集中供气户数，参照生物质气化集中供气站的相关建设标准，按每户供气量1.5m3/d计算。采用单位农作物播种总面积的秸秆优质化能源产量来反映各地区和省份秸秆优质化能源的开发利用水平

11、，采用标准差来分析秸秆优质化能源开发利用水平的区域内差异和区域间差异。各指标数据均来自中国农业统计资料22和中国统计年鉴25。由于中国从2009年才开始全面统计除沼气工程以外的其他优质化能源利用数据，因此研究时间范围设定为20092016年，考虑数据可得性，把研究区范围设定为除港澳台地区外的31个省份。3结果分析3.1秸秆优质化能源产量及区域差异2009-2016年中国秸秆优质化能源产量呈现出先增长后下降的趋势（图1），从2009年的119.63万t标准煤上升到2014年的534.43万t标准煤，随后下降至2016年的508.51万t标准煤。华东地区是中国秸秆优质化能源的主产区，2016年年产

12、量占全国的37.62%。其次是华中、华北和西南地区，2016年秸秆优质化能源分别占全国总量的19.69%、14.22%和10.06%。3.2秸秆优质化能源产量结构从能源结构变化看，中国秸秆优质化能源开发利用方式已逐渐从以生物气化为主改变为以固化成型为主（图2）。生物气化能源产量从2009年的65.56万t标准煤上升到2016年的208.08t标准煤，占全国总量的比例从2009年的54.81%下降到2016年的40.92%。固化成型能源从2009年的43.75万t标准煤上升到2016年的280.18万t标准煤，占全国总量的比例从2009年的36.57%上升到2016年的55.09%。可见，固化成

13、型正逐渐成为中国秸秆优质化能源开发利用的主要发展方向，这主要是因为秸秆固化成型后的燃料比重大、体积小，便于储存和运输，因此相对于其他利用方式更受消费者欢迎。但固化成型过程耗能较大，降低了其净能源产岀24，25，因此应努力探索生产过程能耗低的固化成型工艺以实现净能源产岀的最大化。热解气化和炭化则发展缓慢，在秸秆优质化能源总量的比重较低，且年际间波动较大。从2016年中国各省份秸秆优质化能源结构看（图3），以生物气化为主的共有12个省份，具体包括：华北地区的北京、山西和内蒙古，东北地区的吉林，华东地区的福建和江西，以及华南、西南和西北地区的所有省份，这与温度、沼气原料可行性、区域经济发展水平和社会

14、服务体系完善程度有关。以固化成型为主的省份有华北地区的天津、河北，东北地区的辽宁和黑龙江，华东地区的上海、江苏、浙江、安徽和山东，以及华中3省。热解气化超过10%的省份只有北京、山西和吉林，分别为14.12%、16.40%和12.81%。秸秆炭化能源比重超过10%的省份有天津、浙江和湖北，分别为29.30%、11.51%和18.93%。可见，目前中国大部分省份秸秆优质化能源开发主要以生物气化和固化成型为主，其中生物气化主要分布于中西部地区和华南地区，固化成型则主要分布在东部地区和华中3省，热解气化和炭化仅在少数省份有一定分布。3.3秸秆优质化能源开发利用水平采用单位农作物播种面积秸秆优质化能源

15、产量来反映各地区的秸秆优质化能源开发利用水平（表1）。从年际变化情况看，中国秸秆优质化能源开发利用水平得到了迅速的增长，从2009年7.54kg标准煤/hm2上升到2016年的30.51kg标准煤/hm2，年增长率为22.96%。2016年秸秆优质化能源开发利用水平最高的是上海、海南、北京和浙江，分别是全国平均水平的4，49.3.96，3.78和3.48倍，其后依次是江苏、天津、辽宁和河北，其他省份都低于50.00kg标准煤/hm2。20092016年全国7大区域秸秆优质化能源开发利用水平见表2。华东地区开发利用水平最高，从2009年的12.36kg标准煤/hm，上升到2016年的50.34k

16、g标准煤/hm2，增长率为22.22%，其中2016年开发利用水平是全国平均水平的1.65倍；华北地区的开发利用水平也始终高于全国平均水平，从2009年的11.72kg标准煤/hm2上升到2016年的34.46kg标准煤/hm2，2016年是全国平均水平的1.13倍；其他地区由于2009年的基数较低，因此尽管近5年来的增长速度也比较快，但开发利用水平一直低于全国平均水平。其中西北、西南和东北地区2016年的开发利用水平仅为全国平均水平的22.03%，64.27%和70.76%。3.4秸秆优质化能源开发利用水平的影响因素3.4.1贡献率分析各类因素对秸秆优质化能源开发利用水平的影响结果见图4-6。曲线表示各因子在其他因子取均值时，该