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王明新1，葉倩1，王迪2
(1.常州大學環境與安全工程學院，常州213164；2.常州信息職業技術學院現代服務學院，常州213164)
摘要：為考察中國秸稈優質化能源開發利用特征，本文在分析中國2009—2016年秸稈優質化能源產量年際變化、區域分布及結構特征的基礎上，采用增強回歸樹方法定量分析了秸稈優質化能源開發利用水平的省際差異及其影響因素。結果表明：中國秸稈優質化能源產量從2009年的119.63萬t標準煤上升到2016年的508.51萬t標準煤，以生物氣化和固化成型為主，其中生物氣化比重逐漸下降，固化成型比重迅速上升。全國秸稈優質化能源開發利用水平均值從2009年的7.54kg標準煤/hm2上升到2016年的30.51kg標準煤/hm2。供給、需求和環境因素對其省際差異的貢獻率分別為37.10%、35.60%和22.30%。秸稈優質化能源開發利用水平總體上隨著糧食作物播種面積比例、農村居民人均純收入、農村人均用電量和農村能源財政投入的上升而上升，隨著人均耕地面積和機耕面積比例的上升而下降，隨著飼草需求強度的上升呈先上升后下降趨勢。當前中國秸稈優質化能源開發利用很大程度上依賴于農村經濟發展水平的提高和行政力量的推動。西北、東北和華中等地區應加強對秸稈優質化能源開發利用的財政和科技支持力度。
1引言
中國農業經濟的快速發展伴隨著農作物秸稈、谷殼等農業廢棄物排放量日益增加。許多地區作物收獲季節大量秸稈被直接焚燒于田間地頭，造成了嚴重的資源浪費與環境污染[1，2]。為此，國家大力推進秸稈的資源化利用，包括肥料化、飼料化、能源化、基料化和原料化等。能源化利用不但可以避免秸稈被直接焚燒，還可以替代部分化石能源并緩解空氣污染壓力，因此近年來包括生物氣化(即沼氣工程)、熱解氣化、固化成型、炭化、直燃發電等能源化利用方式得到了快速發展[3，4]。
目前關于秸稈資源化利用的區域差異研究，主要關注秸稈的資源化利用潛力及其區域差異[4-7]，得出可供能源化利用的秸稈總量為1.56億?1.87億t；利用潛力的測算大多圍繞沼氣工程的推廣情況開展分析，而其他如熱解氣化、固化成型、炭化等秸稈優質化能源利用情況則很少得到關注[8-11]。關于秸稈資源化利用方式的影響因素研究，主要關注農戶對秸稈沼氣、秸稈還田的偏好及其影響因素[12-15]，結果表明農戶的秸稈能源化利用需求與其家庭的經濟資本、社會資本、人力資本和自然資本稟賦均有密切關系。這些研究較少關注區域差異的影響因素，也很少考慮秸稈其他潛在利用方式的競爭性影響。此外，以往研究通常僅對影響因素進行定性分析，未能定量評估各影響因素對秸稈沼氣工程區域差異的貢獻率。
針對以上分析，本文在測算秸稈優質化能源開發利用水平的基礎上，為考察秸稈優質化能源開發利用的驅動因素，把影響秸稈優質化能源開發利用的因素分解為供給、需求和環境等3種類型，采用增強回歸樹定量分析秸稈優質化能源開發利用水平與各影響因素的關系，以及各因素對其省際差異的貢獻率，旨在闡明秸稈優質化能源開發利用特征及其影響因素，為中國秸稈優質化能源開發利用的優化布局提供參考。
2研究方法與數據處理
2.1研究方法
2.1.1增強回歸樹
增強回歸樹(Boosting Regression Tree，BRT)是基于分類回歸樹算法的一種自學習方法，能夠得出自變量對因變量的影響載荷，及其他自變量取均值或不變的情況下，該自變量與因變量的相互關系，并且輸出的因變量與自變量關系很直觀，結果容易理解，且可以分析因變量與非數值變量之間的關系[16-17]，在國內外數據建模方面有較多的應用[18-19]。該方法在運算過程中多次隨機抽取一定量的數據分析自變量對因變量的影響程度，剩余數據用來對擬合結果進行檢驗，對生成的多重回歸樹取均值并輸岀，能夠提高模型的穩定性和預測精度，這種方法在處理不同數據格式時具有很大的靈活性，且對預測變量的獨立性無需作出事先假設，能夠適應復雜的非線性關系。
本文以各省份秸稈優質化能源開發利用水平為因變量，以影響秸稈優質化能源開發利用水平的因素為自變量，采用BRT方法對因變量與自變量的關系進行擬合，考察各因素在其他因素取均值時，該因素與秸稈優質化能源開發利用水平之間的數量關系，并計算各指標對省際差異的貢獻率。BRT分析在R語言(R i386 3.2.4 Revised)中完成，參數設置時，學習速率設置為0.01，樹的復雜性設置為5。
2.1.2指標選擇
本文把秸稈優質化能源開發利用的影響因素分解為供給因素、需求因素和環境因素。反映各影響因素的指標選擇說明如下：
(1)供給因素
供給方面主要受制于秸稈資源量及其潛在用途的競爭性影響。由于中國農作物秸稈主要來自于糧食作物，糧食作物較多的地方更有利于秸稈優質化能源的開發利用，因此考察糧食播種面積比例(X11，％)對秸稈優質化能源利用的影響，采用糧食播種面積占農作物總播種面積的比例來反映。潛在競爭性用途方面，采用2個指標來反映：一是機耕面積比例(X12，%)，反映秸稈還田的競爭性影響。機械化程度較高的地區，秸稈粉碎后直接還田更方便，因此對能源化利用的需求可能較低。二是飼草需求強度(X13，kg/hm2)，反映秸稈飼用的競爭性影響，以畜牧業飼草總需求量與農作物總播種面積的比值來表示。在大牲畜飼養規模較大的地區，秸稈可以作為飼料，因此對于秸稈能源化利用可能起到競爭效應。
(2)需求因素
需求因素取決于農村居民的生活水平、資源稟賦和能源需求。首先，人均純收入比較高的地區，隨著生活水平的提高，人們環境保護意識逐漸增強，對于空氣質量的要求更高，因此更傾向于開發利用高品質的可再生清潔能源。第二，通常人均耕地面積較小的地方，農業在家庭收入中所占的比例較低，為了維持生計，農業兼業比例比較高，因此傾向于采用節省勞動力的耕作管理方式，對于秸稈能源化利用的需求也會比較低。第三，農村人均用電量反映農村能源需求，人均用電量比較高的地區，農村經濟通常比較發達，傾向于充分利用各種可再生能源。因此，采用人均純收入(X21，萬元)、人均耕地(X22，hm2)和農村人均用電量(X23，kWh)等3個指標來反映需求因素的影響。
(3)環境因素
環境因素包括自然環境和社會環境，自然環境方面的影響比較復雜，難以用定量指標來衡量，因此采用非數值型的區域變量來反映諸如氣候、土壤等可能影響秸稈能源化開發利用的因素。社會環境方面，秸稈優質化能源開發利用的初始投資成本較高，往往需要財政投入的驅動。因此，采用區域類型(X31，無量綱)和財政投入強度(X32，元/hm2)等2個指標來反映環境因素的影響，其中區域類型按中國通行的行政區劃歸并為華北、東北、華東、華中、華南、西南和西北等7個區域，財政投入強度采用單位播種面積的農村能源財政經費投入量來計算。
2.2數據處理
依據《中國農業統計資料》[22]的統計范圍，納入分析的秸稈優質化能源類型包括生物氣化、熱解氣化、固化成型和炭化等4種類型，各不同類型的秸稈能源根據其熱值統一換算成標準煤。秸稈生物氣化產生的沼氣和熱解產生的燃氣分別按25MJ/m3和21MJ/m3折算成標準煤[23]，秸稈固化成型和炭化形成的燃料分別按18MJ/m3和17MJ/kg折算成標準煤[24]。由于統計部門僅統計熱解氣化的集中供氣戶數，參照生物質氣化集中供氣站的相關建設標準，按每戶供氣量1.5m3/d計算。
采用單位農作物播種總面積的秸稈優質化能源產量來反映各地區和省份秸稈優質化能源的開發利用水平，采用標準差來分析秸稈優質化能源開發利用水平的區域內差異和區域間差異。各指標數據均來自《中國農業統計資料》[22]和《中國統計年鑒》[25]。由于中國從2009年才開始全面統計除沼氣工程以外的其他優質化能源利用數據，因此研究時間范圍設定為2009—2016年，考慮數據可得性，把研究區范圍設定為除港澳臺地區外的31個省份。
3結果分析
3.1秸稈優質化能源產量及區域差異
2009-2016年中國秸稈優質化能源產量呈現出先增長后下降的趨勢（圖1），從2009年的119.63萬t標準煤上升到2014年的534.43萬t標準煤，隨后下降至2016年的508.51萬t標準煤。華東地區是中國秸稈優質化能源的主產區，2016年年產量占全國的37.62%。其次是華中、華北和西南地區，2016年秸稈優質化能源分別占全國總量的19.69%、14.22%和10.06%。
3.2秸稈優質化能源產量結構
從能源結構變化看，中國秸稈優質化能源開發利用方式已逐漸從以生物氣化為主改變為以固化成型為主（圖2）。生物氣化能源產量從2009年的65.56萬t標準煤上升到2016年的208.08t標準煤，占全國總量的比例從2009年的54.81%下降到2016年的40.92%。固化成型能源從2009年的43.75萬t標準煤上升到2016年的280.18萬t標準煤，占全國總量的比例從2009年的36.57%上升到2016年的55.09%。可見，固化成型正逐漸成為中國秸稈優質化能源開發利用的主要發展方向，這主要是因為秸稈固化成型后的燃料比重大、體積小，便于儲存和運輸，因此相對于其他利用方式更受消費者歡迎。但固化成型過程耗能較大，降低了其凈能源產岀[24，25]，因此應努力探索生產過程能耗低的固化成型工藝以實現凈能源產岀的最大化。熱解氣化和炭化則發展緩慢，在秸稈優質化能源總量的比重較低，且年際間波動較大。
從2016年中國各省份秸稈優質化能源結構看（圖3），以生物氣化為主的共有12個省份，具體包括：華北地區的北京、山西和內蒙古，東北地區的吉林，華東地區的福建和江西，以及華南、西南和西北地區的所有省份，這與溫度、沼氣原料可行性、區域經濟發展水平和社會服務體系完善程度有關。以固化成型為主的省份有華北地區的天津、河北，東北地區的遼寧和黑龍江，華東地區的上海、江蘇、浙江、安徽和山東，以及華中3省。熱解氣化超過10%的省份只有北京、山西和吉林，分別為14.12%、16.40%和12.81%。秸稈炭化能源比重超過10%的省份有天津、浙江和湖北，分別為29.30%、11.51%和18.93%。可見，目前中國大部分省份秸稈優質化能源開發主要以生物氣化和固化成型為主，其中生物氣化主要分布于中西部地區和華南地區，固化成型則主要分布在東部地區和華中3省，熱解氣化和炭化僅在少數省份有一定分布。
3.3秸稈優質化能源開發利用水平
采用單位農作物播種面積秸稈優質化能源產量來反映各地區的秸稈優質化能源開發利用水平（表1）。從年際變化情況看，中國秸稈優質化能源開發利用水平得到了迅速的增長，從2009年7.54kg標準煤/hm2上升到2016年的30.51kg標準煤/hm2，年增長率為22.96%。2016年秸稈優質化能源開發利用水平最高的是上海、海南、北京和浙江，分別是全國平均水平的4，49.3.96，3.78和3.48倍，其后依次是江蘇、天津、遼寧和河北，其他省份都低于50.00kg標準煤/hm2。
2009—2016年全國7大區域秸稈優質化能源開發利用水平見表2。華東地區開發利用水平最高，從2009年的12.36kg標準煤/hm，上升到2016年的50.34kg標準煤/hm2，增長率為22.22%，其中2016年開發利用水平是全國平均水平的1.65倍；華北地區的開發利用水平也始終高于全國平均水平，從2009年的11.72kg標準煤/hm2上升到2016年的34.46kg標準煤/hm2，2016年是全國平均水平的1.13倍；其他地區由于2009年的基數較低，因此盡管近5年來的增長速度也比較快，但開發利用水平一直低于全國平均水平。其中西北、西南和東北地區2016年的開發利用水平僅為全國平均水平的22.03%，64.27%和70.76%。
3.4秸稈優質化能源開發利用水平的影響因素
3.4.1貢獻率分析
各類因素對秸稈優質化能源開發利用水平的影響結果見圖4-6。曲線表示各因子在其他因子取均值時，該因子與秸稈優質化能源開發利用水平之間的關系。模擬結果表明，供給因素、需求因素和環境因素對秸稈優質化能源開發利用水平省際差異的貢獻率為37.10%，35.60%和22.30%。各指標中，人均純收入和飼草需求強度的貢獻率超過了15.00%，另有區域類型、財政投入強度儂村人均用電量和糧食作物播種面積比例的貢獻率也超過了10.00%，其他指標的貢獻率相對較小。可見，秸稈優質化能源開發利用水平主要取決于供需因素，環境因素也存在一定的影響。縱坐標取值范圍反映了各因素對秸稈優質化能源開發利用水平的影響幅度，人均純收入和財政投入的增加對于秸稈優質化能源開發的促進幅度最大。
3.4.2供給因素的影響
供給因素中，首先，在其他條件取均值條件下，秸稈優質化能源開發利用水平隨著糧食播種面積比例的增加而增加，取值范圍在25.00~40.00kg/hm2范圍內波動（圖4a），表明糧食作物秸稈供應量決定了秸稈優質化能源開發利用的潛力叫其次，秸稈優質化能源開發利用水平隨著飼草需求強度的增加呈先上升后下降趨勢，取值范圍在25.00~50.00kg/hm2范圍內波動（圖4b），這是因為在飼草需求強度相對較低的地區，主要是農區，畜禽養殖主要依賴商品化飼料，飼草需求強度可以反映大型牲畜的養殖規模，其產生的畜禽糞便可以與秸稈一起作為生物氣化的原料，因此對秸稈生物氣化起到了促進作用；另一方面，飼草需求強度較高的地區主要是牧區或半牧區，大型牲畜和牛飼養以飼草和秸稈為主，因此對秸稈能源化利用有著競爭性影響叫第三，秸稈優質化能源開發利用水平隨著機耕面積比例的增加呈下降趨勢，取值范圍在27.00~46.00kg/hm2范圍內波動（圖4c），與前文的假設相符，即機耕面積比例比較高的地區，秸稈的還田比例較高，可用于能源化的秸稈資源量受到競爭性影響。
3.4.3需求因素的影響
需求因素中，在其他條件取均值條件下，秸稈優質化能源開發利用水平隨著人均純收入和農村人均用電量的增加而增加，取值范圍分別在10.00?80.00kg/hm2和25.00?45.00kg/hm2范圍內波動(圖5a和5b)，表明隨著人民生活水平和農村用電量需求的增加，更傾向于利用秸稈開發可再生清潔能源。其次，秸稈優質化能源開發利用水平隨著人均耕地面積的增加總體上呈下降趨勢，取值范圍在27.00~42.00kg/hm2范圍內波動(圖5c)，可見人多地少的省份更傾向于開發秸稈優質化能源，這與前面的假設相反，主要是因為人多地少的地方，通常每家每戶的秸稈資源量較小，對于農戶自行資源化利用的激勵較小，但卻有利于集中開發利用，為固化成型等商品化能源利用方式提供了有利條件，從而有利于秸稈優質化能源利用開發水平的提高。
3.4.4環境因素的影響
環境因素中，秸稈優質化能源開發利用水平總體上隨著財政投入強度的增加而上升，取值在20?65kg/hm2范圍內(圖6a)，表明秸稈優質化能源的開發利用目前還嚴重依賴于行政力量的推動，尤其是在北京和天津，財政投入力度遠高于全國水平，極大地推動了秸稈固化成型燃料的開發利用。區域類型反映除以上供給、需求和政策外的其他因素的影響，華北、東北和華南地區的秸稈優質化能源開發程度較高，華中、華東、西北和西南地區依次遞減(圖6b)。地形是一個較為重要的區域影響因素叫如遼寧、河北、山東、江蘇等秸稈優資源化能源開發程度較高的省份，其地形相對比較平坦，規模化程度較高，秸稈收集運輸較為方便，顯著降低了運輸成本，提高了秸稈優質化能源開發利用的經濟可行性。
4結論與政策啟示
4.1結論
本文在分析了中國2009—2016年秸稈優質化能源產量年際變化、區域分布及結構特征的基礎上，采用增強回歸樹方法定量分析了秸稈優質化能源開發利用水平的省際差異的及其影響因素。主要研究結論如下：
(1)2009—2016年，中國秸稈優質化能源產量呈迅速增長趨勢，能源類型以生物氣化和固化成型為主，生物氣化主要分布在中西部地區和華南地區，固化成型主要分布于東部和華中地區。固化成型逐漸取代生物氣化成為中國秸稈優質化能源開發的主要類型。
(2)全國秸稈優質化能源開發利用水平均值從2009年的7.54kg標準煤/hm2上升到2016年的30.51kg標準煤/hm2。七大區域間差異和區域內的省際差異都比較大且總體上呈現擴大趨勢。
(3)增強回歸樹較好地擬合了秸稈優質化能源開發利用水平與其影響因素之間的數量關系。供給因素、需求因素和環境因素對秸稈優質化能開發利用水平省際差異的貢獻率分別為37.10%，35.60%和22.30%。
(4)各省份秸稈優質化能源開發利用水平總體上隨著糧食作物播種面積比例、農村居民人均純收入、農村人均用電量和農村能源財政投入的上升而上升，隨著人均耕地面積和機耕面積比例的上升而下降，隨著飼草需求強度的上升呈先上升后下降趨勢。
(5)人均純收入和財政投入的增加對于秸稈優質化能源產量的促進作用最為顯著，可見當前中國秸稈優質化能源開發利用很大程度上依賴于農村經濟發展水平的提高和行政力量的推動。
4.2政策啟示
上述研究結論顯示中國秸稈優質化能源產出
迅速上升，但其省際差異也呈擴大趨勢，由此，本文基于前文的影響因素分析，從區域均衡、結構優化和布局調整等角度出發，提出如下3點針對性建議：
(1)中國秸稈優質化能源開發利用水平呈迅速增長趨勢，但地域間不平衡現象比較突岀，且對農村經濟發展水平和財政經費投入的依賴較大，西北、東北和華中等地區應加強對秸稈優質化能源開發利用的財政支持力度以提高其秸稈優質化能源開發利用水平。
(2)固化成型正逐漸成為中國秸稈優質化能源開發利用的主要方式，但目前分布范圍相對較小，主要位于東部和華中地區，可結合鄉村環境整治和節能減排措施，進一步擴大其開發利用的地域范圍，同時需要進一步研發低能耗的固化成型工藝以實現其凈能源產出的最大化。
(3)生物氣化能源利用效率較高，但目前主要分布在中西部地區和華南地區，且近年來發展緩慢，應向適宜發展生物氣化的地區提供資金和技術支持，并完善沼氣社會化服務體系。
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