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沼气伴热研究进展 * 李磊磊 1 郭勇 1 秦娜娜 2 黄卫星 1 1. 四川大学化学工程学院, 成都610065;2. 四川大学建筑与环境学院, 成都 610065 摘要 介绍了温度对厌氧发酵过程的影响, 综述了解决低温发酵问题的各种措施, 包括加热沼气池、 优选低温菌种、 添 加促进剂以及改善发酵工艺, 提出驯化低温发酵菌种是将来的主要研究方向。 关键词 沼气; 温度; 加热; 促进剂; 低温菌种; 发酵工艺 PROGRESS IN RESEARCH ON THE BIOGAS HEATING Li Leilei1Guo Yong1Qin Nana2Huang Weixing1 1. School of Chemical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China; 2. College of Architecture and Environment, Sichuan University,Chengdu 610065,China AbstractIt was described the effect of temperature on the anaerobic fermentation process,reviewed the solution to the problem of low-temperature fermentation,including heating digesters,optimizing low-temperature strains ,adding promoting agents and improving fermentation technology. Finally,it was also pointed out that domesticating low-temperature fermentation species is the main research direction in the future. Keywordsbiogas;temperature; heating; promoter; low temperature strains;fermentation process * 国家科技支撑计划资助项目 2008BADC4B04 。 随着能源和环境问题的日益突出, 沼气 厌氧发 酵 技术作为一种处理废弃物并回收能源的环境工 程技术, 在世界上受到了越来越多的关注。厌氧发酵 过程是各种有机物在厌氧条件下被各类沼气发酵微 生物分解转化, 最终产生沼气的过程。沼气作为一种 可再生的洁净能源, 其开发利用不仅是一项生态富民 工程, 而且还是集能源开发、 肥料建设、 环境保护于一 体的民心工程。 适宜的温度 气温和土温 是沼气池安全越冬和 正常运行的必要条件。冬季或冷季 包括冬季和春、 秋季较冷月份 的低气温和冻土是制约我国农村沼 气发展的主要自然因素 [1], 因此, 如何保持发酵罐内 的温度, 保证沼气池冬季或冷季正常产气, 是沼气技 术开发利用的重要研究方向。 1温度对厌氧消化技术的影响 影响厌氧消化过程的因素很多, 如温度、 浓度、 接 种物及 pH 值等, 反应机理非常复杂。早在 20 世纪 30 年代, Buswell[2]和其他学者就对厌氧微生物和产 气条件之间的关系进行了系统研究, 发现在厌氧消化 过程中, 沼气池内的发酵温度是影响沼气产生和产气 率高低的关键因素。温度对厌氧消化技术的影响主 要表现在以下三个方面 1 温度对微生物宏观活性 的影响; 2 温度对厌氧反应动力学参数的影响; 3 温 度突变对厌氧反应器运行效果的影响等。近年来, 研 究者对厌氧发酵中温度的影响有很多探讨。 陈声明 [3]研究发现, 在温度为 15 ~ 40℃ 的范围 内, 随着温度的增高产气率相应地增高, 沼气发酵温 度、 发酵时间与有机物产气率的关系见表 1。 表 1温度对沼气产气速率的影响 沼气发酵 温度 /℃ 沼气发酵 时间 /d 有机物产 气率 / L kg - 1 1090450 1560530 2045610 2530710 3027760 吴满昌等 [4]研究了温度对城市生活垃圾厌氧消 化过程的影响, 探讨了温度对产气量、 发酵启动时间、 不同固含量的消化程度的影响, 并从反应动力学方面 521 环境工程 2011 年 8 月第 29 卷第 4 期 分析了温度对发酵机理的影响。试验结果表明 温度 是影响城市生活垃圾厌氧消化工艺的重要参数, 对消 化程度、 启动时间、 产沼气中甲烷体积分数等均有重 要影 响。城 市 生 活 垃 圾 厌 氧 处 理 的 较 佳 温 度 为 55 ℃ , 在55 ℃ 时消化程度比较彻底, 产气率较高, 启 动时间较快, 而且更有利于病毒、 病菌的灭活作用, 能 够满足城市生活垃圾处理后资源化应用的卫生要求。 同时, 发酵机理研究表明温度主要影响最大比基质去 除速率 k 和半饱和常数 Ks, Ks的倒数 1 /Ks表示微生 物对基质的亲和力, 该值越大就说明这种基质对于微 生物越容易降解; 反之, 则表示这种基质较难降解。 李轶冰等 [5] 在室内模拟农村户用沼气发酵过 程, 运用信息熵原理, 研究了秸秆类型 稻秆、 麦秆、 玉米秆 、 鸡粪与秸秆配比 干物质质量比分别为 1∶ 1, 2∶ 1, 3∶ 1 、 发酵温度 20 ~ 40 ℃ 、 尿素、 纤维素酶 等因子对沼气产量的影响。试验结果表明在 20 ~ 40 ℃ , 稻秆、 麦秆、 玉米秆与鸡粪配比时, 沼气总产气 量分别 为407 321. 6, 413 096, 478 417. 9 mL , 玉 米 秆 - 鸡粪组合沼气产量较麦秆 - 鸡粪组合和稻秆 - 鸡粪组合分别高 17. 6 和 15. 5 。在 20 ~ 30 ℃ , 沼 气产量随温度的升高逐渐增加, 在 30 ~ 35 ℃ 时达最 大值, 之后逐渐降低。沼气产量与温度呈一元二次回 归关系, 各处理最高沼气产量对应最佳温度为 32 ~ 35 ℃ 。信息熵原理 k 值表明, 温度是影响沼气产量 的首要因子, 其次是鸡粪与秸秆配比。这为确定农村 户用沼气最佳发酵温度和提高作物秸秆资源化利用 提供了理论依据。 张翠丽等 [6]通过自行研究设计的可控性恒温发 酵装置, 以麦秆、 稻秆和玉米秆作为发酵原料, 以常温 厌氧发酵池的底物为接种物, 在总固体 TS 质量分 数为 8 的条件下进行批量试验, 温度分别控制在 25, 30, 35, 40 ℃ , 研究了不同发酵温度对产气速率、 产气量及发酵时间的影响, 并用 SAS 软件对各因素 进行多元回归分析, 建立了回归方程, 得出各因素的 最优值。结果表明, 在一定的温度范围内, 3 种秸秆 厌氧发酵的产气速率的峰值出现的时间和发酵周期 是随着温度的升高而缩短, 其峰值和产气量是随温度 的升高而增加。 刘荣厚等 [7]运用实验室自行设计的小型沼气发 酵装置, 以废弃的甘蓝菜叶作为发酵原料, 研究温度 对蔬菜废弃物厌氧发酵过程中的挥发性脂肪酸、 氨态 氮、 甲烷含量及 pH 值、 产气量的影响。试验结果表 明 中温条件 35 ℃ 1 ℃ 试验组的挥发酸质量浓 度、 氨态氮质量浓度以及 pH 值都在正常范围内, 且 优于高温 55 ℃ 1 ℃ 和室温发酵试验组, 可保证 系统的顺利运行。产气特性研究表明 中温条件的总 产气量比高温条件总产气量高 42. 5 , 最高甲烷含 量比高温条件和室温条件下分别高 7. 6 和 19. 1 。 可见, 中温条件适于蔬菜废弃物厌氧发酵产气。 综上, 温度是影响厌氧发酵的重要因素, 厌氧发 酵的最适合温度是在中温 28 ~ 38 ℃ 或高温 46 ~ 60 ℃ 阶段, 并且不同发酵物质的最适发酵温度不 同。如果盲目认为35 ℃ 是厌氧发酵的最适发酵温 度, 这不仅得不到预期的产气量也会造成大量能源的 浪费。因此, 厌氧发酵技术应该充分考虑反应体系, 确定适宜的温度从而达到最佳的产气效果。 2低温解决措施 适宜的温度是保证厌氧发酵正常进行的条件, 但 低温是影响我国寒冷区域冬春季厌氧生物降解的关 键生态因子。当温度低于 10 ℃ 时, 常规厌氧处理法 中的微生物活性迅速降低, 生化处理效果急剧下降, 处理效果差, 这是长久以来难以解决的问题。为了提 高寒冷地区冬、 春季厌氧处理效果, 解决沼气池由于 温度过低而导致产气量低的问题, 本文将结合前人的 研究着重从几个方面分析应对低温问题的解决措施。 2. 1做好冬季或冷季增温 夏吉庆等 [8]通过对哈尔滨地区地表层地面至地 面 - 3 m 内的温度变化规律进行了一年多的跟踪测 试所得数据显示 哈尔滨地区距地面下 - 1 ~ - 3 m 处的冬季最低温度在 - 10 ℃ 左右, 一年中的最高温 度为 10 ℃ 左右, 距地表层 - 3 m 内的一年之中的最 低温度并不是出现在最冷的冬季, 而是出现在立春左 右的季节。因此, 掌握当地地表层温度变化规律对于 沼气池的加热保温是非常必要的。应该依据正确的 热量衡算进行温度控制, 而不是盲目加大热量的供 给, 如此才能做到真正的节能减排。 目前采用较多的加热方法主要有以下几种 电热 膜加热、 太阳能加热、 化石能源热水锅炉加热、 沼气锅 炉加热、 太阳能联合沼气锅炉加热、 沼气锅炉余热加 热、 沼气发电余热加热、 燃池式加热和地源热泵式 加热。 2. 1. 1电加热膜加热 电热膜加热技术是在沼气池外表面敷设一层电 热膜, 电热膜外再敷设一定厚度的保温层以达到增温 621 环境工程 2011 年 8 月第 29 卷第 4 期 和保温的目的。白莉等 [9]通过电加热膜加保温层的 方法对一个 8 m3的户用沼气池进行了研究, 结果表 明采用苯板保温所需电量为 3. 144 kWh/d; 采用聚 氨酯泡沫保温所需电量为 2. 52 kWh/d。 每天生产沼 气的价值为 8. 38 元 /d, 整个冬季生产沼气的价值为 1 534. 00元。整个装置产气量能够满足一个农户的 生活沼气用量。由此可见, 电热膜加热方法由于外加 热源稳定可以保证整个装置稳定产气, 但是要消耗高 品位电能为代价, 因此节能性、 社会性不理想。 2. 1. 2太阳能加热 太阳能加热系统采用定温控制, 通过太阳能集热 系统完成热能的采集和传输, 由太阳能热水通过螺旋 换热管对料液进行加热。该系统节能环保、 操作简 单、 安全可靠, 可实现自动运行, 在沼气池不需加热的 季节, 还可利用太阳能集热器加热生活用水, 但系统 易受天气状况的影响 [10- 12]。 太阳能加热系统相对其他的加热系统来说, 起步 较早并且技术已经相当成熟, 应用也很广泛。孙静 等 [13]通过太阳能加热制取沼气的试验系统, 研究了 换热器的加热量、 进出口温差以及沼气池周围土壤温 度场的变化情况, 并给出了换热器的传热系数。研究 结果表明, 在北方地区冬季利用太阳能加热对沼气池 增温是可行的。 2. 1. 3化石能源热水锅炉加热 化石能源热水锅炉加热 [14]是以燃烧煤炭、 石油 等燃料的热水锅炉为热源, 通过换热设备加热发酵料 液, 使 其 达 到 并 维 持 沼 气 发 酵 所 需 温 度。张 全 国 等 [15]利用燃煤沼气联合辅助加热装置研究了影响 HS01 型户用钢制辅热式沼气发酵系统运行的主要因 素, 结果表明 当温度为 30 ~ 35 ℃ 、 总固体浓度为 10 、 投料时间间隔 9d 时处于最优运行工艺条件, 池 容产气率高达0. 765 8 m3/ m3d , 并且 HS01 型户 用钢制辅热式沼气发酵系统的益本比为 2. 319, 净现 值 NPV为 2 644. 17 元,内 部 收 益 率 FIRR为 54. 69 , 动态投资回收期为 2. 062 年, 具有较好的经 济可行性和显著的社会环境效益, 符合我国国情, 适 合于在我国北方地区广大农村应用。这种装置可以 全天候高效产气, 解决了我国北方冬季产气低的问 题, 但会产生大量的烟尘和有害气体, 污染环境, 同时 能量利用率不高。 2. 1. 4沼气锅炉加热 沼气锅炉加热即取用系统自身产生的一部分沼 气, 通过燃烧产生烟气, 高温烟气在反应器底部设置 的管道中流动, 给发酵池加热。这种加热方式常用于 高温发酵系统, 该方法加热效率高, 同时对设备和操 作技术要求比较高 [16]。 白莉 [17]等研制了一种沼气锅炉, 其沼气锅炉出 水口通过循环管道及电磁阀与储热水箱相连通, 储热 水箱底部通过循环管道、 电磁阀与沼气池体内部的散 热管进水端相连, 散热管回水端通过循环管道以及管 道泵、 电磁阀与沼气锅炉相连。沼气锅炉内的热工质 通过散热管对沼气池内的料液进行加热, 再由回水管 回至沼气锅炉中, 如此往复循环, 达到对料液增温保 温的目的。这种实用新型的装置能够利用沼气锅炉 对沼气池内的料液加热, 保证沼气池在我国严寒地区 冬季正常使用, 且具有结构简单、 效益高、 使用方便特 点, 常用于大中型沼气工程当中。由于沼气锅炉属于 压力容器, 因此使用过程中应该注意防止其发生堵 塞, 避免发生安全事故。 2. 1. 5太阳能联合沼气锅炉加热 太阳能联合沼气锅炉加热 [18]是采用太阳能和沼 气锅炉与沼气池集成组装的系统设计, 通过确定太阳 能集热器面积与沼气锅炉联合运行的匹配方式, 保持 池体温度处于较好的发酵温度。本系统由集热器、 沼 气锅炉、 温控设施、 沼气池等部件组成, 太阳能集热器 集热系统与沼气锅炉加热系统采用并联连接, 联合向 沼气池供热, 采用水为热的载体在系统中循环流动。 其运行工况分为如下三种情况 1 白天太阳辐 射较强时, 由太阳能集热器支路提供热量维持相对较 小的加热沼气池热负荷, 多余的热量利用池体内部的 沼液进行蓄热; 2 夜间或太阳辐射较弱时, 太阳能集 热器不工作, 当池体内部温度降到设定温度时, 运行 沼气锅炉加热支路, 加热沼气池; 3 当气候条件介于 二者之间时, 使两支路并联运行, 为沼气池加热, 保证 池体内部温度在设定范围内。 这种加热方式将太阳能和沼气锅炉进行匹配加 热, 很好的利用了太阳能加热及锅炉加热各自的优 点, 又避免了因天气原因造成的太阳能不能正常加热 产生的问题, 这一加热方式值得推广。 2. 1. 6沼气锅炉余热加热 沼气锅炉余热加热是采用锅炉余热和热水循环 两套加热系统来保证沼气池温度的稳定性。通过在 沼气池内部对料液加热而使其维持恒温状态, 提高沼 气池的产气率。周道峰等 [19]通过试验验证了锅炉余 721 环境工程 2011 年 8 月第 29 卷第 4 期 热加热沼气池,沼气池是由厚度为 40 mm 钢板制成 的大小为 8 m3的圆筒形沼气池, 在沼气池的内部从 上到下盘旋安装直径为 500 mm 的波纹管烟气换热 器, 在沼气池的底部安装直径为 250 mm 的波纹管水 循环换热器。沼气池侧壁和底部采用橡塑板和苯板 进行保温, 保温层厚度为 100 mm。试验结果表明 此 加热系统可以实现中温发酵制取沼气, 并且沼气的产 气效率为 0. 4 m3/ m3d , 使产气率得到大幅提高。 锅炉余热的利用实现了节能减排的环保理念, 同时也 保证了沼气池在北方有效使用的可能性。 2. 1. 7沼气发电余热加热 沼气发电余热加热 [20]是在沼气热电联产工程 中, 利用发电机组发电, 同时燃气内燃机将排放近 600 ℃ 的气体, 高温气体中含有大量的余热, 通过余 热回收系统中的换热器用余热加热发酵原料, 一般只 应用于大型沼气工程。罗福强等 [21]采用 CHP 装置 对 20 m3的沼气池进行加热试验, 试验结果表明, 未 采用余热加热发酵液前的对照组, 该沼气池的产气率 在 环 境 温 度 为10~28℃时 为0. 05~ 0. 21 m3/ m3d , 平均产气率为 0. 12 m3/ m3d ; 利用余热加热沼液时的试验组, 该沼气池沼液温度在 80 min 左右由 28 ℃ 增加到 50 ℃ 并达到稳定, 此温度 条件下的产气率为 0. 48 m3/ m3d , 提高沼气池产 气率 4 倍左右。这种方式可以使热量得到最大限度 的使用, 是未来沼气加热应用的一种趋势。 2. 1. 8燃池式加热 燃池式加热是一种设置在地下的进行燃料阴燃 的地坑, 池中燃料进行慢燃, 池盖和池壁表面根据调 节可保持在中温发酵所需温度 [12]。这种方法无需任 何助燃措施即可自行燃烧, 放出热量, 提高地温、 气 温, 一次性投入低质燃料即可燃烧一个冬季, 而且热 量均匀、 持续稳定, 无需人工管理, 一般用于户用型沼 气工程。 2. 1. 9地源热泵式加热 地源热泵 [22]是利用浅层地热能进行供热制冷的 新型能源利用技术, 通过卡诺循环和逆卡诺循环原理 转移冷量和热量。以地热能作为热泵加热的热源。 在冬季, 把地下土壤的热量与循环水进行热交换, 使循 环水温度提高, 再通过对地源热泵输入少量的高品位 电能, 实现低温位热能向高温位转移, 进而使得地源热 泵机组出水温度达 45 ℃ 左右, 热水在热盘管中, 以辐 射和对流的方式与发酵原料进行热交换, 使沼气池温 度保持在中温发酵范围内。石慧娴等通过地源热泵式 沼气池加温系统试验, 结果表明, 地源热泵式加温保温 方法能够使沼气池的发酵温度保持在 32 2℃ 范围 内, 池容产气率保持在 0. 6 m3/ m3 d 左右, 有时可达 到 1. 1 m3/ m3d 。因此, 地源热泵式沼气池加温是 一种经济合理、 环保节能的加温方式, 具有开发应用 潜力。 2. 2添加促进剂 沼气发酵是在多种微生物相互作用下完成的, 为 了提高沼气池发酵原料的分解利用率和产气量, 应为 沼气发酵微生物提供各种必须的营养物质, 改善发酵 微生物的代谢功能, 由于促进剂中含有发酵微生物生 长繁殖的营养元素, 有的还是对发酵微生物酶起激活 作用的物质, 能促进发酵体系中微生物的代谢, 使沼 气产量明显的增加。因此, 探索适宜在低温条件下促 进发酵微生物代谢的营养制剂以提高产气量, 无疑是 解决冬季产气量低的有效途径。 陆清忠等 [23]通过试验研究, 设置 6 个试验组, 即 试验 1 促进剂 1 号 酶促剂 NiCl2下同 ; 试验 2 促 进剂 1 号; 试验 3 促进剂 2 号 酶促剂; 试验 4 促进 剂 2 号; 市售促进剂为标准对照 CK1 , 以不加任何 处理作空白对照 CK2 , 2 次重复。结果表明 试验 1 的日 平 均 产 气 量 和 总 产 气 量 分 别 为 0. 42 m3和 25. 13 m3, 与空 白对 照 CK2 比较, 总 产 气 量 增 长 159. 34 , 与标准促进剂对照 CK1 比较, 总产气量 增加 31. 57 。试验 2 的日平均产气量和总产气量 分别为 0. 23 m3和 13. 76 m3, 与空白对照平均总产气 量比 较, 总 产气量 增 长 42. 00 , 但低 于 标 准 对 照 CK1 。试验 3 的日平均产气量和总产气量分别为 0. 21 m3和 12. 45 m3, 与空白对照 CK2 平均总产气 量比较, 总产气量增长 28. 48 。市售促进剂的日平 均产气量和总产气量分别为 0. 32 m3和 19. 10 m3与 空白对照 CK2 平均总产气量比较, 总产气量增长 97. 11 。可见, 沼气池中加入不同的促进剂, 对提高 产气量有明显的促进作用。 2. 3优选低温菌种 沼气低温条件下产气率下降的主要原因是菌群 受低温条件的影响不能保持正常的活性, 从而致使产 沼气的反应难以为续。因此从理论上讲低温条件下 沼气发酵微生物的活性才是制约沼气池安全过冬的 内因。针对北方地区冬季户用沼气产气不足的问题, 辽宁省农业科学院生命科学中心科技人员从低温沼 821 环境工程 2011 年 8 月第 29 卷第 4 期 气微生物菌群研究入手, 经过三年的细致研究, 通过 培养能够在 8 ℃ 条件下正常产气的低温型微生物, 解 决了困扰北方沼气半个多世纪的冬季产气不足难题。 2008 年冬季, 辽宁省农业科学院生命科学中心将研 制成功的低温菌种接种到沈阳市东陵区祝家镇两户 农民家, 进行示范性实验, 两户沼气池池容均为 6 m3 标准罐。2008 年 1 月 5 日接种了低温沼气菌, 气温 在 - 10 ~ - 20 ℃ , 两家试验户沼气池内的温度分别 为 6 ℃ 和 7 ℃ , 每天产气分别为 3 ~ 4 m3。实验证明 低温菌可以在池温 6 ℃ 的低温条件下满足户用最低 的供气要求 [24]。 2. 4改进发酵工艺 传统的厌氧处理工艺, 产酸与产甲烷过程在一起 发生, 彼此之间存在负面影响, 而且产甲烷菌比产酸 菌对温度更为敏感, 低温时产酸菌产酸速率快于甲烷 菌将有机酸转化为甲烷的速度, 容易导致代谢失衡, 影响处理效果 [25]。 针对沼气池的低温发酵问题采用的新工艺能够 改善微生物的生存活动环境, 增加微生物与发酵液的 接触可能、 延长接触时间、 提高单位空间发酵微生物 量。两段式发酵工艺将产酸和产甲烷阶段分开大大 改善低温对产气的影响强度。干发酵 [26]过程中在氧 气被微生物吸收后由于微生物的繁殖和活动会使整 个物料堆内不透风部位产生热量, 这种厌氧的、 相对 高温的环境可以保障产甲烷菌的活性, 从而有利于整 个产甲烷过程的顺利完成。塞流式、 上流式及推进式 发酵工艺利用微生物与物料长时间、 充分结合的条件 下驯化形成“活性颗粒污泥” 或有益发酵菌团, 使得 微生物的适应性、 活性都有不同程度的提高。 近年来新型发酵工艺的采用使低温发酵效率的 提高成为可能, 因此加强沼气池的工艺研究对于改善 沼气池的低温产气问题非常必要。 3结论 温度是影响厌氧发酵的关键因素, 温度主要是通 过对厌氧微生物细胞内某些酶的活性的影响而影响微 生物的生长和代谢速率, 从而影响到产气量和产气率 等。在厌氧微生物生态系统中, 产甲烷细菌比产酸细 菌对温度的变化更为敏感。当温度有小幅度改变时, 对产酸细菌的活性还未产生足够大的影响, 但此时产 甲烷细菌已受到较大的影响, 其活性不足以将产酸细 菌产生的有机酸及时消耗掉, 有可能会造成有机酸的 积累, 并进而引起系统的 pH 下降, 这又会导致产甲烷 细菌活性进一步下降, 最终使反应器运行失效。 低温是制约我国沼气发展的主要原因, 为解决低 温问题可以从以下几方面加以实施 1 对沼气池采 用外加热源的办法进行加热, 采取外加热源的办法要 根据当地实际情况选择较为合理的措施。2 添加促 进剂改善微生物发酵所需的营养物质来增加沼气的 产量。3 优选低温发酵的菌种使其在低温下能够有 较强的活性, 这也是我们科学工作者主要从事的研究 方向, 一旦解决了这个问题就不需要外加热源便可以 节省相当多的能量。4 改进发酵工艺 。 4建议 针对低温发酵问题, 应该从培育优选低温菌种出 发, 培育出在较低温度下可以正常产气的菌种, 从而 可以节省很多能量, 提高沼气工程的经济性。 建设沼气池时可以从工艺上进行改进, 比如从改 善微生物的生存活动环境, 增加微生物与发酵液的接 触可能、 延长接触时间、 提高单位空间发酵微生物量 方面进行改进, 采用高效的厌氧反应器, 以提高沼气 的产量。 由于沼气池温度变化超过 3 ℃ , 沼气池产气会发 生明显的变化。建议在系统中辅以温度传感器和温 度控制措施, 以保持池体内部温度波动维持在 3 ℃ 的 范围内, 保持产气量的稳定。 参考文献 [1]毕于运, 高春雨, 王亚静, 等. 中国农村户用沼气自然适宜性区 划[J]. 资源科学, 2009, 31 8 1272- 1279. 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