河南省生物质能产业区域布局的优化路径

周 琨，肖洪安，龙 燕，吴 进，张 水

（1.四川农业大学管理学院，四川成都 611130；2.四川农业大学教师工作部，四川雅安 625000；3.农业农村部可再生能源开发利用重点实验室，四川成都 610041；4.农业农村部沼气科学研究所，四川成都 610041）

1 研究背景

随着经济增长，各国能源需求日益增加，为确保能源充分供给，优化能源消费结构将成为国家或地区经济发展与社会稳定的前提［1］。根据我国国家统计局［2］数据，2019 年我国能源消费量最多的是煤炭，消费总量约为280 422 万t 标准煤，其次是石油，消费总量为91 854 万t 标准煤，两类能源消费占比为76.6%。由此可以看出，我国虽是能源消费大国，但能源消费结构还比较单一，主要以煤炭、石油等化石能源为主。化石能源的不断供给为国民经济发展提供稳定动力，同时也会产生SO2、氮氧化合物等有害气体以及CO2等温室气体，严重破坏生态环境，影响人类健康，对社会造成深远的影响［3］。因此，促进能源结构性变革是我国经济从高速发展转变为高质量发展的重要影响因素之一［4］。河南省是我国能源消费大省，且煤炭和石油在全省能源消费中占有较大的比例。《2020 河南统计年鉴》的数据显示，2019 年河南省煤炭和石油消费量分别占全省能源消费总量的67.4%和15.7%，并且从2000 年以来，石油和煤炭消费量长期占据全省能源消费总量的80%以上，天然气、一次电力及其他能源消费量虽略有上升趋势，但能源消费结构仍是以煤炭消费为主［5］。因此可以看出，煤炭和石油在河南省能源消费结构中的比例过高。所以，调整能源消费结构、推进生物质能产业优化布局已经成为河南省“十四五”规划的关键。

生物质能是蕴藏在生物质中的绿色低碳清洁型能源，主要以禽畜粪便、农林废弃物以及生活垃圾等为原料，具有易开发、可再生、对环境污染小等优点［6］。生物质能的建设和开发利用问题是国内外关注的焦点，也是促进我国能源结构性变革、实现经济高质量发展的关键能源之一［7］。纵观国内外学者对生物质能相关研究，主要集中在生物质能潜力评估、定量分析和空间分布、技术评价等方面，如郭永齐［8］对河南省生物质能潜力进行估算，结果表明河南省的秸秆实物蕴藏量为8.97×1011t，秸秆生物质能实物总蕴藏潜力为1.34×1018J；蔡飞等［9］运用曲线估计方法研究了河南省的生物资源潜力和长期资源潜力，结果表明河南省生物质资源储量可达8 269.8 万t；吴明作等［10］对河南省主要农作物秸秆生物质资源储藏潜力进行测算，结果表明河南省理论生物质能潜力为9.25×107t；蔡亚庆等［11］对我国农作物秸秆生物质资源的储备量进行了测算，得到2007 年我国秸秆资源理论上为7.48×108t；刘刚等镭［12］采用定量方法估算了我国秸秆、林木、畜禽粪污等生物质能源数量，并对其地理分布格局进行探讨，认为我国生物质能分布不均匀，人均生物质能潜力最大的为西藏自治区、最小的为浙江省；王琦［13］以我国南方喀斯特地区作为研究对象，运用生物质能潜力估算和生物质能承载力评估等方法，对这些地区的农村能源结构和消费特征以及农村能源利用方式影响因素等进行实证分析；田宜水等［14］综合分析和评价我国农业生物质能资源总量、用途及分布，并建议重点发展秸秆固化、沼气、纤维素乙醇及养殖场沼气工程等技术。

综上可见，国内学者大多从国家层面评价生物质能潜力，或者是从农业剩余物、林业生产层面去分析某区域生物质能潜力，从区域生物质能可供给潜力入手，依托相关理论基础探讨区域生物质能产业布局发展路径的研究较为缺乏。有鉴于此，本研究以河南省18 个地市为研究对象，首先根据生物质能估算法计算其生物质能可供给潜力；其次依托产业布局理论构建生物质能产业区域布局综合评价指标，运用熵值法对其2014—2018 年生物质能产业区域布局进行综合评价，根据各市评价结果提出相应的区域产业布局模式；最后，根据各市产业布局模式，分别对其生物质能区域布局提出优化建议，为河南省生物质能能源政策制定和战略布局提供参考。

2 生物质能潜力计算

2.1 研究方法

生物质能潜力评估方法有自下而上分析法、综合评价法、生物质能估算法等。本研究在参考国内外学者就生物质能潜力评估众多方法的基础上，结合研究实际，考虑到计算的简便性及科学性，采用生物质能估算法作为河南省各地市生物质能潜力评估方法。生物质能估算法的第一步是先计算生物质能的理论资源量，然后第二步是根据收集系数获得可收集资源量，考虑到计算的便捷，本研究将第一步与第二步合并在一起计算河南省各地市生物质能源可供给潜力。

2.2 数据来源及参数选取

将河南省各地市生物质能源潜力评估分为4 个部分，分别为农作物秸秆、农业剩余物、畜禽粪污和林产品剩余物等生物质能潜力评估。考虑到数据的真实性及可获得性，选取的数据来源于2015—2019年《河南统计年鉴》《河南省国民经济和社会发展统计公报》等国家或省级相关部门所公布的资料。

2.3 生物质能源潜力估算

（1）农作物秸秆是指稻谷、小麦、玉米等农作物收获后残留的茎、叶等不能食用的农副产品［14］。其生物质能可收集资源量计算公式为：

（2）农业剩余物，即农业加工副产品资源主要包括玉米芯、水稻壳、花生壳、甘蔗渣等，可通过农产品的经济产量按照加工的副产物系数对其进行折算。参考王琦［13］和史建军［15］的方法，以上4 种剩余物的草谷比分别为化0.20、0.25、0.30 和0.80。计算公式如下：

参考郭永齐［8］、吴明作等［9］、王琦［13］、史建军［14］和田宜水等［15］研究我国和河南省生物质能估算中的草谷比系数和可收集系数，本研究采用的草谷比系数和可收集系数分别如表1 和表2 所示。

表1 农作物谷草比系数

表2 农业加工副产品草谷比系数

（3）粪便资源是生物质能源中不可或缺的资源，是沼气发酵的最佳原料。畜禽粪污生物质能量包括猪、牛、羊、家禽等牲畜排泄物的生物质能［16］，可通过不同物种每日产生的排泄系数以及排放周期进行计算，公式如下：

表3 畜禽粪便生物质能计算参数

（4）林产品剩余物是指林地生产和林业生长过程中剪枝和采伐而产生的剩余物［20］。其计算公式为：

表4 林业生物质能计算参数

3 计算结果与分析

从图1 可见，2014 至2018 年河南省生物质能供给潜力总体上处于下降趋势，同时从表5 中可以明显看出，各地市生物质能可供给潜力从15 779.83万t 下降到13 492.82 万t，下降总量约为2 287.01 万t，年平均值从876.66 万t 下降至749.6 万t。造成此结果的原因与各市农业产业结构的调整有莫大关系，其中主要的影响因素为畜牧业养殖规模下降，河南省2014 年大牲畜年末存栏量约为447 万头，在2018年下降到大约377 万头，下降幅度约15.7%，而大型牲畜的粪污产出量也是生物质能供给原材料的主要来源。分地市来看，2014 年至2018 年的生物质能供给潜力均出现不同程度下降。以总体均值805.97万t 为分界点，2018 年只有5 个地市达到分界点以上水平，其中生物质能供给潜力超过1 000 万t 的城市只有4 个，分别为驻马店、南阳、周口、商丘；供给潜力超过500 万t 的城市增加至11 个；供给潜力低于500 万t 的城市有7 个，分别为济源、鹤壁、郑州市、焦作、濮阳、三门峡和漯河。

表5 2014 至2018 年河南省各地市生物质能供给量

图1 河南省各地市生物质能理论供给潜力趋势

4 区域布局路径优化

4.1 产业布局理论

产业布局（industrial layout）是指一个国家或地区各部门、各环节在地域上的动态组合分布。产业布局的合理性对整个国民经济有深远的影响［22］。产业布局的主要模式包括点轴布局模式、增长极布局模式、网络（或块状）布局模式、地域生产综合体开发模式和区域梯度开发与转移模式［23］。产业布局理论中涉及的产业或企业区位布局主要影响因素，如原材料供给能力、市场规模、运输距离、劳动力成本等影响产业布局，是生物质能产业在区位选择上所必须考虑的重要因素，这些因素将决定产业是否可以在某一地区布局并取得良好的发展。

4.2 方法和数据来源

基于以上计算得到的河南省各地市生物质能供给量，结合能源供给条件、科技创新条件、经济发展状况等影响产业布局的其他因素构建河南省各地市生物质能产业综合评价指标体系，采取熵值法对所收集数据进行综合评价，并将评价结果对应到不同的产业布局模式：当生物质能产业发展条件不成熟时，产业布局为增长极点模式；随着条件越发完善，产业布局将由增长极点上升为增长极轴模式；当条件愈加成熟，形成网络状产业布局模式。

4.2.1 指标体系构建及数据来源

一个地区能否实现生物质能产业优化布局，需要考虑该地区是否具备相应的产业布局基础条件，例如能否成为生物质能原材料供应基地、能否提供较大的能源消费市场、劳动力成本的高低、运输距离的长短、基础设施建设和科技创新等因素是产业布局需要考虑的必要条件。为尽可能地全面反映出河南省各地市生物质能产业布局的基础条件，本研究秉承科学性、易操作性和直观性的原则来选取评价指标，并利用专家访谈法对所选取的指标进行调整完善，最后形成河南省区域生物质能产业综合评价指标体系（见表6）。数据主要来源于2015—2019 年《河南统计年鉴》。

表6 河南省区域生物质能产业综合评价指标体系

4.2.2 指标数值无量纲化处理

由于不同指标单位不同、代表的内容不同，因此不能进行直接比较，所以在对不同地区生物质能源产业布局指标进行评价之前，需将所有指标进行无量纲化处理，消除量纲不同所带来的影响，才能得到具有可比性的数据。本研究采用极值法进行评价指标的无量纲化处理，公式如下：

（1）正向属性指标无量纲化处理公式：

（2）逆向属性指标无量纲化处理公式：

由于在计算熵值时需要进行对数处理，为了数据运算处理有意义，必须消除零和负值。本研究将无量纲化处理结果进行整体正向平移万分之一（0.000 1）个单位，这样可以在最大限度地保留原始数据的同时方便进行熵值计算。

4.2.3 指标特征值、熵值、差异性系数及权重计算

参考陈玮莹［24］的方法，根据本研究实际情况加以调整，计算步骤如下，结果如表7 所示。

表7 河南省区域生物质能产业综合评价指标熵值、差异性系数及权重

4.2.4 计算结果及讨论

由表8 可以看出，河南省生物质能产业4 个维度中能源消费的权重最少，仅为9.23%，经济发展水平权重达到21.91%，能源供给条件与科技创新能力权重较为接近，分别为32.34%和36.52%，两者合计占比达到68.86%，因此可以认为能源供给条件和科技创新能力对生物质能产业布局的影响最为重要；在二级指标中，供气管道长度、节能环保支出、沼气工程建设、科研工作人员数和有效发明专利数权重占比分别均超过10%，表明这些指标对生物质能产业区域布局具有较大的影响，而工业固定资产投资、平均人员工资权重较低，分别只有2.38%和2.06%，说明这两个因素的影响程度低。

表8 河南省生物质能产业综合评价指标权重

基于各指标权重，根据熵值法计算出各地市生物质能产业区域布局综合评价得分排名，如表9 所示。可以看出河南省18 个地市生物质能产业综合评价得分及排名波动较小，比较稳定。其中，郑州市的得分远远超过其他地市，稳居第一，足以说明郑州市生物质能产业布局的条件优势非常明显；而在计算各地市生物质能可供给潜力时，郑州市排名靠后，但由于其在能源消费、科技创新能力、能源供给基础设施等条件上具有较大优势，因此可作为河南省生物质能产业布局的增长极点。其余各市中，除了洛阳市的得分均值在0.1 以上，其他各市的得分均值普遍低于0.1，因此洛阳市可作为河南省生物质能产业布局的第二增长极点。

表9 河南省各地市生物质能产业综合评价得分及排名

具体来看，得分均值在0.10～0.05 分区间的城市有南阳、新乡、安阳和焦作，可作为第一梯队增长极轴；开封、平顶山、商丘、信阳、周口、驻马店、许昌的得分均值在0.03～0.05 分区间，可作为第二梯队增长极轴；濮阳、济源、鹤壁、漯河、三门峡的得分均值小于0.03 分，生物质能产业竞争力较弱，因此可以作为增长极轴的辐射范围带，并与其他地市形成增长网络。基于以上分类，参考专家意见并借鉴陈娟等［25］的研究，提出河南省生物质能产业区域布局建议如表10 所示。

表10 河南省区域生物质能产业布局模式及发展建议

5 研究结论

本研究运用生物质能估算法对河南省生物质能潜力进行评估，并采用熵值法对其18 个地市生物质能产业区域布局进行综合评价。研究结果表明：供气管道长度、节能环保支出、沼气工程建设、科研工作人员数和有效发明专利数的权重占比均超过10%，而工业固定资产投资、平均人员工资的权重较低，分别只有2.38%和2.06%，说明这两个因素的影响程度低；就各地市生物质能产业的权重得分来看，除了郑州和洛阳市，其他城市得分普遍低于0.10 分，而郑州市以年均0.269 的得分远超其他城市，足以说明郑州市生物质能产业布局的条件优势非常明显。因此郑州和洛阳市分别为第一、第二增长极点，而得分在0.10～0.05 分区间的城市为第一梯队增长极轴，在0.03～0.05 分区间的城市可作为第二梯队增长极轴，小于0.03 分的城市生物质能产业竞争力较弱，可作为增长极轴的辐射范围带，与其他地市形成增长网络。

基于以上研究结论，提出如下河南省生物质能区域产业布局建议：

（1）生物质能原材料供给物主要为农业废弃物，尤其是农作物秸秆、畜禽粪污，而河南省畜秸秆和禽粪污生物质能供给占比较大，因此应持续推广户用沼气池发展并在生物质原材料供给重要地区建立大型沼气工程，以促进生物质能开发。

（2）科技创新对生物质能发展的影响较大，因此应依托高校和研究院所提供科技支撑，并继续加强对生物质能领域高技术人才培养，加大对领域内科研经费和实用型专利的投入，以促进农业废弃物资源开发和提高利用效率；同时加强与国内外生物质能研发机构之间的技术交流，促进生物质能科技转化能力提高。

（3）政府加强节能环保支出，强化清洁能源政策制定和实施力度，扶持新能源企业，尤其是以生物质能研究转化工作为主的企业；加强监督生物质能市场，以确保消费者利益和环境保护；并根据实际需求来调整和维护市场，增强新能源企业和消费者对生物质能源的消费信心。

（4）根据各地市生物质能产业布局得分进行分类支持，如支持作为第一增长极点的郑州市打造区域性科研中心城市，鼓励开展能源结构转型升级；支持作为第二增长极点的洛阳市发展成为综合型生物质能供给城市；支持第一、第二梯队增长极轴根据自身生物质能供给条件，发展成为大型生物质能供给城市；支持网络状增长点以发展户用沼气池、沼气工程为主，探索循环农业的发展路径。