农村土地整治项目CO2排放及减排政策下的情景模拟

李茹茹, 赵华甫,2, 吴克宁,2, 李 乐

〔1.中国地质大学(北京) 土地科学技术学院， 北京100083； 2.国土资源部土地整治重点实验室，北京100035； 3.山东省东营市国土资源局土地综合整治服务中心, 山东 东营 257091〕

农村土地整治项目CO2排放及减排政策下的情景模拟

李茹茹1, 赵华甫1,2, 吴克宁1,2, 李 乐3

〔1.中国地质大学(北京) 土地科学技术学院， 北京100083； 2.国土资源部土地整治重点实验室，北京100035； 3.山东省东营市国土资源局土地综合整治服务中心, 山东 东营 257091〕

[目的] 揭示农村土地整治的CO2排放效应，为土地整理的碳排放研究提供科学参考。 [方法] 在项目预算书编制的基础上，采用IPCC清单法，估算农村土地整治项目的CO2排放量，分析影响CO2排放的关键因子，模拟不同政策情景下农村土地整治项目CO2排放的变化情况。 [结果] 项目的CO2排放总量约5.50×105t，灌溉与排水工程所占比例最大; 水泥是最主要的碳源，占总排放量的92.07%，碳源材料的CO2排放量直接取决于该类材料的CO2排放系数及消耗量，间接取决于各单项工程的工程量和工程结构; 随着相关节能减排政策力度的加大，减排量也会随之增多。 [结论] 应在土地整治规划设计中贯彻绿色、低碳、环保的设计理念，重视土地整治的生态效应；加大对水泥、电力、钢铁等能源密集型行业的节能减排力度，严格执行国家减排政策。

土地整治; CO2排放; 减排政策; 情景模拟

气候变化，特别是全球气候变暖是当今人类面临的严峻挑战，是国际社会公认的全球性环境问题。政府间气候变化专门委员会(IPCC)指出，当前导致全球气候变暖的主要原因是化石燃料的大量燃烧和非持久性的土地利用等人类活动[1-4]。近年来，我国学者对城市地区开展了大量碳循环和碳排放研究，但农村地区一直是研究的弱点，尤其是我国农村的低碳环境建设尚未受到高度重视。土地整治是按照土地利用总体规划的要求，对田、水、路、林综合整治，以提高耕地质量，增加有效耕地面积，改善农业生产生活条件和生态环境条件的过程[5-6]。它既可以通过调整土地利用结构[7-9]、转变耕作方式[10]、改变土壤结构[11-13]等措施增加碳储量，亦会在施工过程中由于原材料和机械的使用而产生大量温室气体[13-15]。目前，国内外对土地整治的碳排放研究尚不多见。魏凤娟等[13]以能源消费为视角，从具体的土地整治项目预算编制表出发，汇总得到CO2排放总量，进而比较不同类型土地整治工程的CO2排放强度，提出碳减排建议。郭晓辉等[16]以能源消费和土地利用变化为视角，运用碳排放清单法，明确土地整治中的碳源/汇作用，提出碳减排建议。按照《全国土地整治规划(2011—2015年)》的要求，2015年我国将建成2.67×107hm2高标准基本农田，2020年力争建成5.33×107hm2，在这期间，全国将大力开展土地整治工作，使土地整治成为中国农村碳排放的重要诱因。因此，本研究以河南省南水北调渠首及沿线土地整理重大项目Ⅱ片区封丘县项目(简称项目)为例，在项目预算书编制的基础上，通过汇总土地整治过程中碳源材料的使用情况来测算其CO2排放量，进而依据国家相关节能减排政策及对项目CO2排放量的影响程度，筛选出关键减排因子，对不同情景下的土地整治CO2排放进行模拟，提出土地整治碳减排建议，以期降低农村碳排放量，维护农村生态环境。

1 研究区域与数据来源

项目区位于河南省封丘县东部，地理坐标介于北纬34°55′37″—35°10′44″与东经114°28′11″—114°40′50″。该项目自2012年开始实施，总建设规模2.41×104hm2，共涉及9个乡镇177个行政村。项目区地处黄河故道，地貌复杂，地势由西南向东北倾斜，引黄灌溉非常便利；属暖温带大陆性季风气候，年平均降水量615.1 mm，无霜期214 d；土壤为发育于黄河沉积物上的潮土土类，分为黄潮土、盐化潮土2个亚类；地下水埋藏浅，水循环快，水质好，适合农田灌溉。

由于投资不足、年久失修等原因，项目区内的农业生产基础设施在数量和质量上都不能满足农业生产的需求，农业生产条件亟待改善。区内沟渠多为20世纪60—70年代修建的，年久失修，支斗渠损毁严重，不能满足灌排要求；大多数机井井深较浅，井管淤堵，存在出砂现象，而且未配套水泵及电力；田间路、生产路多为土路，路面较窄且高低不平，晴通雨阻，村与村搭界处道路连通性差，不便于机械耕作收割和田间管理；电力设施经过农电网改造，为居民生活和农业生产提供了可靠的电力保证，随着灌排设施的增加，电力机井的增多等，电力配套设施还需进一步延伸、拓展。本项目工程内容包括土地平整工程、灌溉与排水工程、田间道路工程、生态环境保持工程和其他工程五部分，建设期为1 a。共规划土地平整5.70×105m3，机井3 766眼，渠道656 km，排水沟217 km，桥涵闸等水工建筑物2 579座，配电房526座，高压线291 km，田间道路701 km，防护林25万株，标志牌7 656座。

数据来源于项目可行性研究报告、年度规划设计报告、项目第4年度预算书、《中国能源统计年鉴2014年》、《河南统计年鉴2014年》等。

2 估算方法

按照《IPCC国家温室气体清单指南2 006》，目前估算CO2排放量的方法主要包括实测法、质量平衡法和碳排放系数法。实测法计算较准确，但对试验条件、试验数据的收集处理和分析要求较高，难以大范围推广；质量平衡法成本较高，且对化学成分复杂的物质分析时，活动数据难以分类监测。考虑到土地整治在施工过程中需要消耗大量的钢铁、水泥、化石燃料等碳源材料，估算数据计算量大、难度高，因此采用碳排放系数法。计算模型为：

式中：C——CO2排放量；wi——第i种材料的CO2排放系数；Qi——第i种材料的消耗量。

结合土地整治项目预算表中机械及材料消耗情况，选取钢铁、水泥、石料、电力、汽油、柴油等6种材料作为主要碳源材料。

为了客观估算碳源材料的CO2排放量，以方便不同时期、地区研究结果的对比，论文依据《IPCC国家温室气体清单指南2006年》推荐方法，选取2013年为标准年，通过查询《河南统计年鉴2014》和《中国能源统计年鉴2014年》，计算项目区主要碳源材料的CO2排放系数(表1)。

通过与国内外相关参考文献进行对比，发现本文中电力的CO2排放系数计算值略高于参考值，这主要是由于河南省是以煤炭为主的火力发电，火力发电供电量占总供电量的95%以上；其他碳源材料的CO2排放系数与参考值大多接近，表明计算结果较符合实际情况，具有一定的代表性。

表1 主要碳源材料CO2排放系数

注：电力的单位为kg/(kW.h)。

3 CO2排放估算与分析

3.1 CO2排放估算

土地整治是一个综合复杂的系统工程，包括土地平整工程、灌溉与排水工程、田间道路工程、生态环境保持工程和其他工程5部分。

在土地整治施工过程中，CO2的排放主要来源于两方面：为生产项目施工所需要的钢铁、水泥、石料等工业产品所产生的CO2以及在施工过程中由于机械运作所消耗的电力、汽油、柴油等所产生的CO2[13]。

为方便估算土地整治过程中CO2的排放量，将土地整治项目作为一个独立的系统，根据工程预算人工及主要材料用量汇总表，按照单项工程统一汇总以上6种碳源材料的消耗量，进而利用计算模型得到土地整治项目的CO2排放量，模型计算结果详见表2—3。

表2 单项工程CO2排放量统计

注：生态环境保持工程无碳源材料消耗； CO2排放量为零。

3.2 估算结果分析

3.2.1 单项工程CO2排放量对比 从表2可以看出，本项目CO2排放量约5.50×105t，工程内容包括土地平整工程、灌溉与排水工程、田间道路工程、生态环境保持工程和其他工程五部分。由于工程内容不同，各单项工程对碳源材料的消耗情况存在差异，由此产生的CO2排放量也不相同。灌溉与排水工程的CO2排放量最大(70.61%)，其次为田间道路工程(29.00%)，土地平整工程(0.38%)和其他工程(0.01%)的CO2排放量较小，生态环境保持工程无CO2排放。灌溉与排水工程内容复杂多样，主要为修建钢筋混凝土井管、钢筋混凝土结构的桥涵闸等水工建筑物、混凝土硬化渠道、砖结构变压器房、高低压线路等，其CO2排放主要来源于水泥和石料，二者产生的CO2排放占该单项工程CO2排放的96.23%，其中水泥占90.51%，石料占5.71%。田间道路工程内容主要为修建混凝土路面的田间主道和泥结碎石路面的田间次道，其CO2排放主要来源于水泥和柴油，二者产生的CO2排放分别占该单项工程CO2排放的97.10%和2.26%。土地平整工程内容主要为推土机推土和汽车装卸土方，在施工过程中仅消耗柴油，所产生的CO2排放量很小，仅占CO2排放总量的0.38%。其他工程内容主要为修建钢筋混凝土结构的标志牌，其CO2排放主要来源于石料、水泥和钢铁，其中石料占47.52%，水泥占43.89%，钢铁占7.37%。生态环境保持工程内容主要为人工种植农田防护林，无碳源材料消耗，CO2排放量为零。

3.2.2 碳源材料CO2排放量对比 通过表3可以看出，在各碳源材料中水泥的CO2排放量所占比例最高(92.07%)，其次是石料(4.07%),柴油(1.51%)、电力(1.49%)、钢铁(0.76%)和汽油(0.10%)所占比例很小。碳源材料的CO2排放量不仅与CO2排放系数有关，还与消耗量有关。在土地整治项目工程内容中，混凝土结构的农桥、农涵、水闸等水工建筑物和混凝土道路需要消耗大量的水泥、石料(碎石、条石、块石等)和钢铁(钢筋、镀锌钢管、扁钢、角钢、钢模板等)

等碳源材料，这些材料在生产过程中会产生大量的CO2排放。从表2可以看出，水泥的消耗量最大(约5.7×105t)，其次是石料(约3.2×105t)、钢铁(约1 663 t)，三者的CO2排放系数由大到小依次为：钢铁(2.542 0 t/t)>水泥(0.905 0 t/t)>石料(0.072 0 t/t)。水泥因消耗量大、CO2排放系数较高而成为最主要的碳源，其CO2排放量所占比例最高，达到总量的92.07%；石料的CO2排放系数最低，但由于消耗量比较大，使其成为土地整治项目中继水泥后的第2大碳源，其CO2排放量所占比例为总量的4.07%；钢铁的CO2排放系数最高，约为水泥的2.8倍、石料的35倍，但由于消耗量最少，为水泥的0.29%，石料的0.53%，使其CO2排放量仅占总量的0.76%。在施工过程中由于机械运作所消耗的电力、柴油、汽油等产生的CO2排放量占总排放量的3.10%。河南省处于华中电网，以煤炭为主的火力发电量占到总发电量的95%以上，在项目施工过程中搅拌机、鼓风机、照明等需要消耗大量电力，其产生的CO2排放量占到总排放量的1.49%。

柴油、汽油等燃料的消耗主要来源于推土机、汽车、起重机等施工机械的运行，二者排放的CO2量占总排放量的1.61%。

表3 主要碳源材料CO2排放量统计

4 未来减排情景模拟

通过以上分析发现，碳源材料的CO2排放量主要受消耗量和CO2排放系数的影响，而其CO2排放系数归根结底受国家有关节能减排政策的约束和引导。考虑到土地整治工程建设应满足其建设标准和功能要求，本文的情景模拟在假设碳源材料消耗量不变的前提下，根据国家“十二五”、“十三五”节能减排目标，分析碳源材料CO2排放系数的变化对土地整治工程CO2排放的影响。以2013年为标准年，2015和2020年为目标年，研究设定了3个发展情景：基准情景、成长情景、促进情景，进而探讨在2015和2020年不同减排政策背景下土地整治项目的CO2排放变化情况。

4.1 减排因子分析

由于石料的CO2排放系数小，且目前国家并未提出该行业的节能减排目标，使得产业升级改造的可能性不大；虽然吨钢的CO2排放量相对较高，但由于使用量少，对CO2排放总量影响小，因此本文确定水泥、电力、柴油、汽油作为该项目的关键减排因子。

4.1.1 水泥因子 高彩玲等[17]对1990—2010年河南省水泥生产过程CO2排放量进行了估算，发现河南省水泥的CO2排放系数平均每年减少1.5%。工信部《关于水泥工业节能减排的指导意见》明确提出，到“十二五”末(2015年)，水泥综合能耗小于93 kg/t。根据《中国能源统计年鉴2014》计算得到，河南省2013年水泥综合能耗为103 kg/t。假设2013—2015年河南省水泥行业能源消耗热量的结构比例不变，且2015年水泥综合能耗(标准煤)为93 kg/t，则在国家节能减排目标的基本要求下2015年河南省水泥的CO2排放系数为0.817 0 t/t。按照《国家应对气候变化规划(2014—2020年)》的要求，2020年水泥行业CO2排放总量基本稳定在“十二五”末的水平。根据《河南统计年鉴2014》，河南省2013年水泥产量为1.68×108t，假设按照目前水泥产量增长趋势不变，2015年河南省水泥产量达到1.86×108t，2020年达到2.44×108t。因此，在国家节能减排目标的基本要求下2020年河南省水泥的CO2排放系数为0.622 0 t/t。

4.1.2 电力因子 河南省2013年火力发电量占到总发电量的95.4%。根据《河南统计年鉴2014》和《中国能源统计年鉴2014》计算得到，河南省2006—2013年，电力的CO2排放系数平均每年减少0.5%。按照《河南省2014—2015年节能减排低碳发展行动方案》要求，到2015年，清洁能源发电量占总发电量的比例不低于7%。假设按照目前清洁能源代替比例增长速度，到2020年河南省清洁能源发电量占总发电量的比例不低于13%。因此，计算得到2015年河南省电力CO2排放系数为0.960 5 kg/(kW·h)，2020年为0.898 5 kg/(kW·h)。

4.1.3 柴油、汽油因子 生物柴油、燃料乙醇等生物质燃料与普通柴、汽油相比，具有碳排放量低、动力充分、热效率高、运输储存安全的特点，可以在无需改动发动机的前提下与普通柴、汽油进行混合，是一种理想的清洁能源。

按照我国生物质能源替代石油的中长期发展目标，到2015年，中国生物质能源消费量有望占到整个化石燃料消费量的15%，到2020年，达到20%[18]。国内外学者[19]就生物质燃料的碳排放量展开了大量研究，发现相对于化石燃料，生物柴油和燃料乙醇能显著减少CO2排放量。OECD[20]估算发现利用大豆生产生物柴油可以减少58%的CO2排放，利用玉米生产燃料乙醇可以减少54%的CO2排放。目前河南省主要采用大豆油、菜籽油下脚料等生产生物柴油，利用玉米生产燃料乙醇，参考OECD研究成果计算对应生物柴油和燃料乙醇的CO2排放系数分别为1.327 4和1.373 0 g/kg。

4.2 情景设置及分析

4.2.1 情景设置 根据上述分析，研究设置3种情景。

(1) 基准情景。以过去的发展特点为基础，模拟目标年份，各减排因子按照经济惯性发展所设计的可能情景，即假设未来特定年份各减排因子所在行业在市场引导下正常发展，无重大技术创新和新工艺引入。设定基准情景下水泥因子的CO2排放系数每年减少1.5%，即2015和2020年水泥因子的CO2排放系数分别为0.878 1和0.814 1 t/t ；电力因子的CO2排放系数每年减少0.5%，即2015年和2020年电力因子CO2排放系数分别为0.975 5和0.951 3 kg/(kW·h)；汽油、柴油无生物质燃料代替。

(2) 成长情景。以完成国家节能减排目标为目的，模拟目标年份，各减排因子按照各自行业的节能减排目标所设计的可能情景。设定成长情景下2015和2020年水泥因子的CO2排放系数分别为0.817 0和0.622 0 t/t，电力因子的CO2排放系数分别为0.960 5和0.898 5 kg/(kW·h)，柴油、汽油因子中生物质燃料的代替比例分别为15%和20%。

(3) 促进情景。加大各种节能减排技术的推广力度，模拟目标年份，各减排因子在达到国家节能减排要求的前提下超额完成20%所设计的可能情景。设定促进情景下2015和2020年水泥因子的CO2排放系数分别为0.680 8和0.518 3 t/t，电力因子的CO2排放系数分别为0.800 4和0.748 8 kg/(kW·h)，柴油、汽油因子中生物质燃料的代替比例分别为18%和24%。

4.2.2 情景分析 从表4可以看出，在相应目标年，促进情景下的CO2排放量最少，其次为成长情景和基准情景；在不同节能减排政策的约束下，各情景2020年CO2排放量均少于2015年。基准情景下，CO2排放量减少幅度较小，与标准年相比，2015年减少2.76%，2020年减少9.29%；成长情景下，CO2排放量减少幅度明显增加，与标准年相比，2015年减少9.13%，2020年减少29.11%，说明在国家节能减排目标的约束下土地整治项目的CO2排放量总体可以得到有效控制；促进情景下，CO2排放量减少幅度进一步提升，表明随着相关节能减排政策力度的加大，减排量也会随之减少。

比不同情景下各减排因子对CO2排放量的影响(表5)可以发现，水泥因子仍然对CO2减排量起着决定性作用，由它引起的减排量占总减排量的98%以上，而电力、汽油、柴油的影响却比较微弱。这主要是由于在土地整治项目施工过程中需要消耗大量的水泥，且与其他因子相比水泥因子的减排潜力大，水泥行业在国家节能减排政策的要求下所承担的责任也大于电力和生物质燃料代替。因此，国家对水泥行业应加大低碳、低能耗生产技术和工艺的推广，加强行业节能减排目标的考核。

表4 项目区不同情景下CO2排放量计算结果

注：2013—2015年减排比例为2015年CO2减排量占2013年CO2排放量的比例； 2013—2020年减排比例为2020年CO2减排量占2013年CO2排放量的比例。

表5 项目区不同情景下减排因子对CO2排放量的影响

5 结论与建议

5.1 结 论

(1) 项目CO2排放总量约5.50×105t，在各单项工程中，灌溉与排水工程的CO2排放量最大(70.61%)，其次为田间道路工程(29.00%)，土地平整工程(0.38%)和其他工程(0.01%)的CO2排放量较小，生态环境保持工程无CO2排放。各单项工程的CO2排放量不仅与所消耗材料的CO2排放系数有关，还与消耗量有关。土地整治项目的目标不同，将导致各单项工程的工程量结构发生变化，从而引起CO2排放量的变化。

(2) 在各碳源材料中水泥的CO2排放量所占比例最高(92.07%)，其次是石料(4.07%),电力(1.49%)、柴油(1.51%)、钢铁(0.76%)和汽油(0.10%)所占比例很小。碳源材料的CO2排放量直接取决于该类材料的CO2排放系数及消耗量，间接取决于各单项工程的工程量和工程结构。

(3) 通过对不同力度节能减排政策的模拟，发现随着相关节能减排政策力度的加大，减排量也会随之减少。在相应目标年，促进情景下的CO2排放量最少，其次为成长情景和基准情景；在不同节能减排政策的约束下，各情景2020年CO2排放量均少于2015年。水泥因子对CO2减排量起着决定性作用，因此，国家对水泥行业应加大低碳、低能耗生产技术和工艺的推广，加强行业节能减排目标的考核。

5.2 农村土地整治减排建议

(1) 目前中国土地整治多以增加耕地面积、提高耕地质量为目标，忽视了土地整治的生态效应。因此，应坚持以“低排放，高产出，经济可行”为原则，贯彻绿色、低碳、环保的设计理念，在保障工程使用功能、工程质量不降低的前提下减少CO2排放量。具体措施包括： ① 积极推行“金井模式”等低碳土地整治措施，从源头上控制碳源材料的消耗； ② 优化单体结构，减少高CO2排放系数材料消耗。 ③ 增加田块单元面积，合理布置田间道路网体系，缩短村庄至地块的耕作半径，提高农业生产管护效率； ④ 多部门整合资金，合理布局工程，避免重复建设和低利用建设造成的资金浪费和CO2排放； ⑤ 完善土地整治预算编制，加强预算编制的科学性、合理性和规范性，确保物尽其用，从而减少不必要的材料消耗； ⑥ 加强后期维护管理，提高工程质量，延长工程服务寿命。

(2) 加大水泥、电力、钢铁等能源密集型行业的节能减排力度，严格执行国家减排政策。具体措施包括： ① 改进生产工艺，开发新品种。如优化水泥工业的生料和混合材比例，引进国外绿色、低碳水泥代替传统水泥； ② 加大清洁能源的使用。如使用生物质燃料代替传统化石能源，增加区域电网中核电、水电的供电量，减少火力发电供电比例； ③ 通过技术创新，积极推进产业转型。中国钢铁业面临较为严峻的碳排放形式，加强企业内部管理、优化产业结构、淘汰落后产能、推进技术创新和加大节能技术使用力度是行业减排的关键。

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CO2Emission in Rural Land Reclamation and Scenario Simulation Under Emission Reduction Policies

LI Ruru1， ZHAO Huafu1,2， WU Kening1,2， LI Le3

〔1.CollegeofLandScienceandTechnology,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing)Beijing100083,China; 2.KeyLaboratoryofLandRegulationMinistryofLandandResources,Beijing100035,China; 3.ServiceCenterofLandComprehensiveImprovementofLandResourcesBureau,Dongying，Shandong257091,China〕

[Objective] The effects of rural land reclamation on CO2emission were analyzed to provide reference for relevant research in carbon emission. [Methods] Based on the project budget, the CO2emission was estimated and the key impacting factors were analysed using IPCC inventory methods. Scenarios of CO2emission changes in rural land reclamation under different policies were simulated and regulations of low carbonization land reclamation were proposed. [Results] The result showed that the total CO2emission of this project was estimated to be about 5.50×105t, the engineering works of irrigation and drainage had the largest proportion. The cement was the main carbon source, accounting for 92.07% of total emissions. The CO2emission of carbon source materials directly depended on the CO2emission coefficient and consumption of this materials, indirectly depended on the quantities and structure of the projects. With the implement of relevant emission reduction policies, CO2emissions would be reduced. [Conclusion] It is concluded that the concept of green, low carbon, environmental protection should be implemented in rural land reclamation planning and design, and the ecological effect of it should be more attention to. Energy conservation and emissions reduction for those energy intensive industries such as cement, electricity and steel, should be enhanced, and in these fields, national emission reduction policies should be implemented strictly.

land reclamation; CO2emission; emission reduction policies; scenario simulation

2016-03-28

2016-05-24

北京市科学技术委员会生物燃气及循环农业科技促进培育专项“改为高标准农田信息化监控与利用决策技术”(17952015004)

李茹茹(1989—),女(汉族),河南省新乡市人,硕士研究生,主要研究方向为土地整治与土地利用评价。E-mail:lrr_cugb@126.com。

赵华甫(1978—),男(汉族),河南省唐河县人,博士,副教授,主要从事土地资源评价与管理研究。E-mail:huafuzhao@163.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.030

A

1000-288X(2016)06-0177-07

F301.24, X24

文献参数： 李茹茹, 赵华甫, 吴克宁, 等.农村土地整治项目CO2排放及减排政策下的情景模拟[J].水土保持通报，2016,36(6)：177-183.