付龙云 王艳芹 付天增 李彦 井永苹 仲子文

摘要：利用农牧业废弃物发展沼气事业，是解决农村地区能源短缺和环境污染问题的有效方式。我国农村沼气尚存在效率低下、监管困难、科研生产结合不紧密、经济效益不佳等一系列问题，限制其更高水平的发展。区块链技术高度契合我国现阶段农村沼气发展状况，通过与互联网、物联网等技术有机结合，可优化沼气生产各环节信息流的传导，提高沼气项目运行与维护效率、支持决策与资金激励、促进产学研结合、开展新能源和碳汇交易等，促进我国农村沼气事业更上一个新台阶。

关键词：区块链技术;农村沼气;农业物联网;应用前景

中图分类号：S216.4-1  文献标识号：A  文章编号：1001-4942（2020）11-0154-07

Application Prospect of Blockchain Technology

in Rural Biogas Development

Fu Longyun1，2， Wang Yanqin1， Fu Tianzeng3， Li Yan1， Jing Yongping1， Zhong Ziwen1

（1. Institute of Agricultural Resources and Environment， Shandong Academy of Agricultural Sciences， Jinan 250100， China;

2. Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation （Shandong），

Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Jinan 250100， China;

3. Qufu Agriculture and Rural Bureau， Qufu 273100， China）

Abstract Its an effective approach to solve the problems of rural energy shortage and environmental pollution by developing biogas with agriculture and animal husbandry wastes. However， there are still series of problems in developing rural biogas in China which limited its higher development， such as low efficiency， difficult supervision， loose combination of research and production， and poor economic benefits. The blockchain technology is highly in line with the current development of rural biogas in China. With the help of Internet， Internet of Things and other technologies， the blockchain technology could improve the efficiency of project operation and maintenance， assist decision making and fund incentive， promote the combination of production， teaching and research， and develop new energy and carbon trading. By optimizing the information flow transmission of each link in biogas production， the blockchain technology could promote the rural biogas career in China to a new level.

Keywords Blockchain technology; Rural biogas; Internet of Things in agriculture; Application prospect

沼氣又称生物天然气，是一种以甲烷为主的可燃性气体，完全燃烧产物为H2O和CO2，清洁环保。沼气生产工艺相对简便，原料来源广泛，各类农作物秸秆、人畜粪便、餐厨垃圾、菌渣等有机废弃物均可用于生产沼气，适于在广大农村地区推广。

自20世纪初罗国瑞在广东建立第一座沼气池以来，我国沼气产业取得了长足的发展[1]。据《全国农村沼气发展“十三五”规划》，截止到2015年底全国共有农村沼气池4 193.3万处，各类大中型沼气工程110 975座，年产沼气量158亿m3，约占全国天然气消费量的5%，对保障国家能源安全起到了积极作用[2]。沼气产业还兼具良好的环保属性，国家大力推进的“果菜茶有机肥替代化肥行动”“规模化禽畜养殖面源污染防控”等系统工程中，沼气项目都是不可或缺的重要一环[3]。针对各地区、各行业的实际情况，因地制宜发展多元化的沼气产业，对于缓解农村能源紧缺和建设美丽乡村具有重要意义[4]。

然而，我国农村沼气的发展仍存在一定缺陷，主要表现在政策支持、资金补助、技术水平、投入产出比等方面，存在主管部门信息不灵、补贴资金不到位、农民热情不高、专业服务难以实现等问题，制约着农村沼气产业的发展，亟需加以解决。笔者经过实地调研和查阅大量文献后发现，其中一个重要原因是农村沼气产业链各环节联系不紧密，信息沟通不畅，严重制约了工作效率的提高[5-7]。针对农村沼气分散性、差异性、独立性等固有特征，如何解决产业痛点，实现信息的畅通流动，近年来兴起的区块链技术为问题的解决提供了一些思路。

区块链技术（blockchain technology）的概念最早于2008年由中本聪在《比特币：一个P2P电子现金系统》一文中提出，具有去中心化、去信任化、公平性、不可篡改性、开放性等特点，目前在数据管理、金融、能源等领域应用愈加深入[8，9]。尽管由该技术衍生的比特币等“电子货币”尚存在一定的争议，但不可否认的是，相对于传统中心化的管理系统，区块链技术具有得天独厚的优势。

本文首先分析现阶段我国农村沼气发展现状及制约其发展的主要“瓶颈”问题;然后综述区块链技术的基本概念，介绍其固有特点、相对优势等;进而侧重介绍该技术成功运用的领域，包括金融、管理、农业、能源等方面;最后结合我国农村沼气发展现状和存在的不足，分析区块链技术在数据收集、产业促进、产业链完善、智能化服务等方面的应用前景，为促进农村沼气事业发展提供一定的参考。

1 我国农村沼气发展现状和存在的问题

1.1 农村沼气发展状况

1949年以来，受不同时期国民经济状况、产业政策和技术水平等的影响，我国农村沼气事业经历了“三起两落”，但总体上仍有显著发展。具体表现在如下几个方面。

首先是沼气设施数量上的大幅增长。农村户用沼气池从20世纪70年代初的700万处，增长到2015年底的4 193.3万处，受益人口达到2亿。

第二是产业支持政策的保障。2004年起每年的“中央一号文件”、《中华人民共和国可再生能源法》《可再生能源中长期发展规划》《全国农村沼气发展“十三五”规划》等政策法规为农村沼气产业的发展提供了多项制度和机制上的保障。

第三是产业资金的支持。据《全国农村沼气发展“十三五”规划》测算，“十三五”期间农村沼气工程总投资额将达500亿元，其中户用沼气达33.3亿元。

第四是沼气科学技术的进步。厌氧微生物、新型发酵工艺等部分科研成果接近国际领先水平，部分核心技术和装备的研发取得突破。

第五是产业模式的多元化。以沼气为枢纽，种植业、畜牧业、农产品加工业有机结合，形成了“畜-沼-果（菜、茶）”“种植-养殖-有机肥-种植”等多种产业模式。

第六是沼氣产业标准体系的逐步完善。《家用沼气池标准图集》《农村家用沼气发酵工艺操作规程》《农村沼气管路设计规范》等一批国家和行业、地方标准的颁布施行，促进了沼气产业的规范化发展。

第七是技术服务配套体系的逐步完善。截至2015年底，县（区）级沼气技术服务站达1 140处，乡村沼气服务网点达到11.07万个，实现沼气用户覆盖率达74.3%，有利于维护沼气工程的正常运行。

农村沼气事业的发展，可有效消纳有机废弃物及缓解能源短缺，符合绿色发展道路，契合乡村振兴战略，是美丽乡村建设的重要力量。

1.2 农村沼气存在的问题

近年来，随着我国城镇化、老龄化的加快和农业生产规模化的发展，农村地区人口结构、生产力水平和生活模式发生深刻变化，部分地区农村沼气出现了群众使用意愿下降、使用率降低甚至废弃沼气池的现象。这种现象的出现，与人民群众追求优美生态环境和便捷绿色能源的要求并不相符。如何从农村沼气固有特点和现阶段基本情况出发，采取措施促进沼气事业健康长久发展，有几方面的突出问题亟需解决。

第一，产业政策未完全契合农村沼气发展现状，主要体现在目前我国沼气产业的政策扶持、资金补助等措施往往集中在产业前端，即所谓的“前端补助模式”。该模式注重产业前期建设，虽然能够集中优势力量在短时期内促进沼气产业的快速发展，却对项目后期维护、绩效考评等重视不够，往往导致后劲、持续性不足，影响了沼气产业的健康平稳发展。德国、丹麦等沼气产业发达国家则更多采用基于沼气产出经济效益、环保效益的“后端补助模式”，能够更好调动产业人员的积极性，促进沼气工程长期平稳运行。但是，也必须认识到“后端补助模式”需具备良好的经济基础和技术条件，而我国各地区农村发展很不平衡，农民对沼气产业热情度也有待提高，特别是我国农村沼气在硬件、软件上与西方发达国家仍存在较大差距。如何将后端补助与前端补助有机结合，促进沼气产业持续健康发展，仍有诸多困难需要克服[10-12]。

第二，科研工作与实际生产之间存在一定距离，科技成果实际转化率有待提高。近年来，我国沼气科研工作取得较大进展，特别是沼气微生物、发酵工艺、物料预处理等方面研究进展显著，高水平科研论文逐年递增，多项成果已接近或超越国际先进水平。但是限于我国不同地区的巨大差异性、沼气产业的分散性和经济适用性等原因，目前先进技术手段在沼气生产一线中的转化率仍然较低，许多地区仍在延续20世纪五六十年代的发酵设备、工艺。如何使科研工作更好地对接实际生产，使先进技术更快、更好地转化为生产力，仍是一个亟需解决的问题[13]。

第三，配套服务与产业发展的对接存在盲区，合作关系有待理顺。随着我国对农村环保、可再生能源的日益重视及沼气产业的发展，沼气产业相关的辅助配套性服务日趋多样。多种类型的沼气工程公司、技术服务站、农村服务网点等实体活跃于市场的各个角落，为沼气产业的发展提供了诸多便利。但是，由于农村沼气的分散性、特殊性，业主的需求常常不能迅速、有效地传达给服务人员，运营中遇到的一些关键问题得不到快速、合理的解决，严重降低了工作效率，甚至有可能酿成安全生产事故;而专业服务人员由于不能有效收集用户信息，也难以针对性地开展工作帮助用户解决问题，工作效率难以提高，经济效益受到影响。如何理顺配套服务的供需关系，实现配套服务与产业发展的有效对接，仍有大量工作需要完成[14]。

总之，作为一条包含“政、农、企、学”等多个关联方的全产业链，农村沼气产业的发展是一个复杂的系统工程。如何使政策的制定更符合产业发展需求，使农民对沼气更有参与热情、技术水平得到提高，使沼气服务性行业经济效益得到提高，使科研工作更好转化为实际生产力，保证信息在各环节之间的有效流动是解决问题的关键。

2 区块链技术的概念和特点

区块链技术是一种崭新的数据采集、存储、加密和交换的技术方案，如图1所示，它包含系统内所有参与节点，将一段时间内产生的所有数据以特定的密码学算法记录在特定区块（block）中，再按照时间顺序链接各区块，形成区块链（blockchain）的数据结构。区块数据的真实、有效性可通过所有参与节点进行验证。区块链技术可理解为一种公共“记账”平台，该平台不存在任何控制者，所有参与者都可“记账”，任何“账本”完全公开、不可篡改、可追溯，从而保证了“账务信息”的真实可靠、客观公正[15，16]。综合来看，区块链技术具有如下几个区别于传统数据处理技术的重要特征。

2.1 去中心化与公平性

系统中并不存在专门存储数据的中心化节点，任何系统内的参与者都是地位平等节点，都可以获取整个区块链的完整拷贝，掌握整个区块链的完整数据信息;同样，任何一个节点的缺失，并不影响区块链的完整性。

2.2 去信任化与交易透明

各节点相互交易时，数据须通过加密数字签名技术进行验证，节点彼此之间身份匿名，無需知晓各自的身份;同时，该交易是对整个区块链透明的，交易记录全链可查。

2.3 不可篡改与可追溯

按照区块链技术的设计，区块链内数据一旦形成，就被记录在任意节点内，除非能够控制51%以上的节点，否则单个或若干个节点对数据的修改是无效的;而实际情况下，该情况几乎不可能出现，从而保证了数据的不可篡改;区块链内不同数据区块前后相连，也保证了数据的可追溯性。

2.4 竞争与合作性

区块链内的各参与者通过计算（数据挖掘等）竞争区块链记账权，同时越激烈的竞争计算，越能确保整个区块链的完整和安全，区块链内的参与者是竞争又合作的关系，实现了个体利益和整体利益的完美融合。

3 区块链技术的应用和发展

自2008年中本聪在论文《比特币：一个P2P电子现金系统》中首先提出概念以来，区块链技术已经历了三代技术体系的进化，即区块链技术1.0、区块链技术2.0和区块链技术3.0，自身理论更加成熟，应用范围也越来越广[17]。

3.1 区块链技术1.0

区块链技术1.0指以比特币为代表的数字货币及其衍生品，应用于数字支付领域，其它类似的数字货币还有莱特币、瑞波币等，但需要注意的是，迄今为止这些数字货币并没有获得主要大国和金融机构的承认，没有国家信用背书的数字货币前景仍然充满疑问。

3.2 区块链技术2.0

区块链技术2.0延伸到金融领域的多个方面，如银行、股票、财务审计、保险等领域，各国政府和著名企业也对其发展态度积极。美国纽约证券交易所2015年12月即推出基于区块链技术的交易平台Linq;花旗银行、高盛、摩根大通等世界知名财团投入资金，抢占区块链金融领域的制高点;德勤、安永等会计师事务所组建了区块链技术团队，以提高审计工作效率;国内阳光保险率先在保险领域引入区块链技术，于2016年3月首次推出了基于区块链底层架构的促销活动。金融是现代经济的核心，区块链技术在金融领域内蓬勃发展的丰富经验，非常值得其它领域借鉴和推广[18，19]。

3.3 区块链技术3.0

区块链技术3.0则不限于金融领域，通过自身技术的不断完善及与互联网、物联网、云计算等技术深度融合，已拓展到管理、社交、文化、能源和农业等社会生活的众多方面。关于区块链技术的研究报道涉及面越来越广泛，如：美国学者Melanie在2015年即预测了区块链技术的大量应用场景[20];李彬等介绍了一种基于异构区块链的多能系统交换体系及其在能源网络中的应用[21];王毛路等综述了区块链技术在政府治理中的应用前景[22];王娟娟等对区块链技术在物流中的应用场景进行了分析[23]，杨洋等综述了区块链技术在农业领域的应用前景及面临的挑战[24]，等等。应用上，以IBM、英特尔（Intel）、微软（Microsoft）等公司为代表的科技巨头先后推出了基于区块链技术的多项应用，微软公司推出了“区块链即服务”企业解决方案，IBM公司构建了“BLOCKCHAIN-AS-A-SERVICE”系列服务，英特尔则尝试在游戏开发中引入区块链技术[19];国内百度、网易、迅雷等科技型企业也推出了“百度莱茨狗”“网易星球”“迅雷链克”等区块链应用平台，一时间吸引了大量用户。区块链技术理论的迅速发展和应用实例的大爆发不但证明其旺盛的生命力和巨大的潜力，也反过来促进了技术本身的进步和推广。

〖BT（1+1〗4 区块链技术在农村沼气领域应用的可行性〖BT）〗  我国沼气事业的发展已有百余年历史，而区块链技术的问世则仅有十余年时间，新兴的区块链技术能否在农村沼气领域发挥建设性作用？我们从“农村沼气发展瓶颈问题、区块链技术自身已具备的应用场景、区块链技术在农村应用所需要的软硬件基础”三个方面进行可行性分析。

4.1 农村沼气的发展需要创新性的解决方案

与规模化、工厂化的大型沼气工程相比，农村沼气无论是发酵设备、发酵工艺、沼气利用方式，还是人员专业技能、管理手段等都较为落后。虽然多年来有关部门和专业机构等对沼气先进技术、标准和设备进行了大力推广，但限于农村地理分散、沼气工艺多样、管理落后、监管和维护难度大等多种主客观因素，农村沼气的发展仍有很长的路要走。如何针对农村沼气分散性、多样性、盲目性等主要特点，“有的放矢”地采取相应措施是解决问题的关键。有别于传统“以点带面”的管理举措和技术服务，区块链技术具有去中心化、去信任化、不可篡改等固有特征，如果合理运用可有效促进农村沼气产业的健康发展。

4.2 区块链技术领域自身的应用场景不断拓展

如前文所述，虽然创立仅有十余年时间，但区块链技术的发展却已经历了三个世代——区块链技术1.0、2.0和3.0，技术上愈加成熟，应用场景不断拓展。区块链技术已从最初单纯的“虚拟货币”拓展到金融、管理、社交等诸多领域，基于去中心化、去信任化、可追溯性等特有优势，已实现在资金管理、数据校验、规范行为等方面的有效应用。在工业、农业等传统行业的转型升级中，实现信息“数字化”是重要的要求。而区块链技术能够提供“可信数字化”的解决方案，对于推动传统行业的创新发展具有积极意义。目前，我国区块链产业正处于高速发展阶段，北京、上海、广州、重庆等多地发布政策指导，布局推动区块链产业发展。据工业与信息化部发布的《2018年中国区块链产业发展白皮书》显示：截止到2018年3月底，我国区块链产业公司数量达456家，行业已初具规模。区块链技术在各行业的积极应用和大胆探索，为其在农村沼气领域的有效落地提供了良好示范[25]。

4.3 农村区块链技术应用的软硬件基础条件已具备

区块链技术在农村沼气领域的落地，离不开物联网、互联网、高性能硬件等软硬件技术的支持。只有实现信息的精准收集、快速传递和高效处理，才能发挥出区块链技术的特有优势。

第三次工业革命以来，信息科学与计算机技术的进步日新月异。互联网技术的发展，使得世界范围内海量信息的高效交流不再是梦想。而4G和5G通信技术、高性能硬件及人工智能算法（artificial intelligence，AI）等的广泛应用，为物联网的发展打下基础。“万物互联”逐步深入到社会各个方面，不但提高生产效率，也为生活提供了诸多便利。近年来，我国相关技术发展更是十分迅猛，华为、浪潮等企业已广泛参与到世界范围内相关技术规则的制定，中国移动的4G信号已覆盖全国99%以上的人口，中国电信实现了低功耗的窄带物联网（narrow band Internet of Things， NB-IoT）全覆盖。农村地区信息化建设虽然起点相對较低，但是进展很快，国家大力推进的“村村通”工程、农村信息化建设等措施大大改善了农村信息化软硬件条件，也改变了传统农村“闭塞”的面貌。技术上的长足进步和完善，为区块链技术在农村沼气领域的落地打下了基础[24，26]。

5 区块链技术在农村沼气领域的应用方式

为促进农村沼气事业的健康发展，解决困扰广大沼气从业人员的若干“痛点”，下面将结合我国农村沼气发展现状和区块链技术特点，从“公平”“安全”“高效”等区块链技术特有优势出发，探究该技术在农村沼气领域可能的应用方式。

5.1 项目运行与指导维护

不论规模大小，一座完整的沼气设施至少应由产气装置、集气装置、用气或输气装置组成，其正常运行又受发酵原料、接种物、温度等影响。汪海波等进一步认为，我国农村沼气生产还要受地区生物质资源量、农民收入、气候条件、其它能源价格及公民教育水平等不同方面影响[27]。农村沼气类型差异大、涉及面广、影响因素多，需要各方面统筹协力才能取得较好发展，仅凭农户自身难以维持长时间正常运营。而借助于区块链与互联网、物联网技术，在农村沼气设施不同装置处安装GPS定位器、红外感应器、射频识别器等终端设备，将整个沼气生产系统连接起来，可实现实时信息交换与通讯，达到人与人之间、人与设备之间、设备与设备之间有效互动，从而改变传统的人工管理模式，降低运行成本，实现智能化、精准化管理[28]。在此过程中，应用区块链技术对信息进行分布存储和分布式计算，可摆脱“中心化”控制平台，更好地契合农村沼气分布广泛、类型繁杂的特点，同时保证数据的可靠性、不可篡改性，使得从业人员、科研人员、技术服务部门均可准确无误地获得“透明”信息、作出正确决策。同时，在包括原料供应、厌氧发酵和“三沼”产出的沼气产业链上中下游，亦可耦合区块链技术与互联网、物联网，构建“区块链沼气全产业网络”，精准调控投入与产出，实现按需定制，确保整个产业链的畅通。

5.2 政策引导与资金保障

良好的政策引导是农村沼气事业健康发展的有力保障。为鼓励沼气事业的发展，我国各级政府出台了一系列激励措施，《中华人民共和国可再生能源法》《中华人民共和国农技推广法》《全国农村沼气发展“十三五”规划》等政策法规有力推动了农村沼气事业的发展。但是，我国幅员辽阔，各地农村差异极大，如何根据各地具体情况精准施策仍面临较大难度，尤其需要解决数据的“即时性”“真实性”“可靠性”等问题。近年来，国家财政每年都会安排一定资金专门用于支持沼气事业，为各地沼气建设提供设备购置补贴、基建补贴、人员培训补贴等一系列资助[29-31]。然而，这些资助仍以“前端补助模式”为主，侧重对项目建设完工率、设备采购率等进行考核，对项目建成以后的运行情况缺乏必要的考查和指导，对部分沼气设施出现的“停工”“废弃”等不良现象约束不足。借鉴德国、丹麦等国先进经验的“后端补助模式”虽然更加市场化，能更好调动相关人员积极性，但是也必须解决“准确计量”“防篡改”“数据共享”“即时通讯”等问题，才能更好地发挥作用。区块链技术与互联网、物联网技术相融合，为农村沼气引导政策和补贴资金精准落地创造了条件。首先通过智能流量计、射频识别器、气体成分探头等设备，准确采集项目的沼气产量、浓度等必要信息，通过物联网、互联网接入分布式计算平台并进行必要换算，基于区块链分布式存储记账的特性，利用区块链技术全程记录沼气的产生、输送和消耗等过程，可最大限度地保证数据不被篡改、不被伪造、真实可靠和全向透明。因此，政府部门和科研机构可全程从区块链上了解各地真实的农村沼气运行情况，从而精准施策和有的放矢地开展科学研究;相关补贴资金可真正根据“绩效”发放到广大沼气从业者手中，起到正向激励作用，避免出现“骗补”“骗保”等不良现象;沼气从业者也可通过区块链了解到本地区类似项目的运行情况，从而得到借鉴与启发。

5.3 能源及碳汇交易

沼气是一种重要的清洁能源，由此衍生的沼气供热、沼气发电等均可实现计量并进行交易。同时，农村沼气的推广有助于改善农村能源结构，部分替代煤炭、石油和天然气等化石能源和减少CO2排放量，并以碳减排份额在碳汇市场进行交易、获取收益。碳汇交易泛指与降低碳排放相关的经济活动，四川省农村沼气碳汇项目走在国内前列，2017年再次实现沼气碳减排在国际碳汇市场上的成功交易，33万农户获得收益100多万欧元[32，33]。借助于区块链技术的分布式存储，清洁能源及碳汇交易各方均可将有关信息在整个链上共享使用，该信息是对各方透明且不可篡改的，能够有效保证买卖双方的利益，并辅助其快速作出决策;同时，由于区块链技术具有智能合约的功能，交易各方在链上即可达成共识和完成交易，相对传统交易方式大大降低了经济和时间成本。当然，在实际操作中交易的达成可能还需要数字化货币、央行政策等方面支持，但是随着区块链技术的不断完善及与农村沼气产业的深度融合，清洁能源及碳汇交易将更加透明与扁平化，买卖双方都将从中获得便利[34，35]。

6 总结与展望

区块链技术自问世以来的十余年里，从单纯的虚拟货币领域迅速扩展到“工农商学”等社会生活的方方面面，深刻改变了众多业态现状，更需要我们结合产业现状去主动适应、换位思考。长期以来，我国农村沼气就具有“小”“散”“杂”的特征，不但规模小，而且分布广、模式多，节能减排效应不明显，管理和提升难度大，难以适应社会主义新农村可持续发展的要求。而以去中心化为核心特征的区块链技术契合我国农村沼气现阶段发展特点，具有切实可行性，不但可有效提高项目运行和管理水平，而且可大大优化项目管理和资金运用，密切产学研互动关系，通过可计量的碳减排和碳汇交易获取丰厚收益。

区块链技术在农村沼气产业中的成功应用，加强“智慧化”“可考核”的分布式可再生能源建设，对破解农村地区和农业生产中“环境恶化”和“能源短缺”难题，促进农村环境保护和绿色能源领域的发展将大有裨益。在相关软硬件技术的支持下，若能成功借鉴其他领域的发展经验，区块链技术一定可以为农村沼气事业的发展贡献特有力量。

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