基于产住元胞的乡村碳图谱建构与优化策略解析*——以浙江地区发达乡村为例

邬轶群 朱晓青 王 竹 陈继锟

0 引 言

21世纪以来，随着我国农村经济的快速发展和城镇化规模的不断扩大，农村的生态环境问题日益突出。一方面，近年来乡村用能大幅增长，传统的生物质能源逐步被商品能源所代替，高排放、高耗能的“碳源”①（carbon source）不受自然资源的约束盲目扩张；另一方面，在就近、就地城镇化的作用下，乡村的自然肌理趋于破碎，绿地生境的正常结构和功能遭到不同程度的侵蚀，“碳汇”②（carbon sink）功能不断弱[1]。“碳源”“碳汇”的严重失衡，造成乡村碳排放量显著增加。根据《中国农村统计年鉴》[2]，近十年来乡村的人均碳排放量增速是同期城镇地区的2.4倍之多，碳排总量也超过了总值的45%，乡村俨然成为碳排放大户。十九大工作会议和2018年中央一号文件相继提出“以生态文明统领乡村振兴，坚持质量兴农、生态宜居、绿色可持续的高质量乡村发展道路”。由此，探索“增汇减排”目标下的“低碳化”“内涵式”“集约型”的新农村发展，成为当下顺利推进新型城镇化、乡村现代化和打造生态宜居环境的关键。

基于过渡性、阶段性的生态建设目标，中西方乡村的低碳实践呈现多元化的发展路径：英国贝丁顿（Bedzed）生态村[3]率先建设“零碳排”示范工程区；德国弗班（Vauban）制定了乡镇可持续发展相关的制度法规；日本则推行了21世纪环境共生住宅的建设项目。国内的典型案例包括吴良镛院士的张家港生态乡村人居规划，刘加平院士对云南、西藏等地乡村绿色生土人居建构[4]，王竹教授完成的绿色窑居社区营建[5]等。从方法角度看，安贾莉·杜比（Dubey A）等通过追踪“碳足迹”分析了乡村碳排放的来源构成[6]；麦尔·丹尼史（Danesh M）等采用耦合度量化解析了碳排影响因子的关联性[7]；葛坚等制定了乡村碳排的评估指标体系[8]；吴宁等构建了面向乡村用地的碳源评估模型[9]；丁金华、王静等也从景观有机更新、建筑在地设计方面给出了具体的营建策略[10-11]。

总体来看，现有乡村可持续发展的实证探索和理论研究多偏重于村域及更宏观的范围。事实上，要开展科学、合理的规划决策，更需要精准聚焦小微化的乡村人居单元。本文以乡村基本的生产生活单元的“产权边界”来划分和界定空间，在充分调研村民产住行为碳排放量的背景下，建立乡村碳排放量化评估模型，并借用GIS模拟解析乡村碳空间图谱，为探寻出低碳乡村营建的优化路径提供理论依据与经验参考。

图1 乡村聚落元胞的概念生成Fig.1 conceptual generation of rural settlement cells

图2 乡村产住元胞的空间设定示意图Fig.2 xpatial setting diagram of rural work-live cells

表1 能源消耗量到碳排放量的换算公式Tab.1 conversion formula for energy consumption to carbon emissions

1 乡村产住元胞设定与碳图谱建构

1.1 乡村小微因子识别与产住元胞设定

元胞（cells）源引于生物学的概念（图1），是生命体基本的结构和功能单位。在乡村聚落中，每个建筑都是一个具有自组织生产生活能力的元胞，它们具有各自的功能核心和空间边界，需要通过与外界进行物质交换，来维持其自身的“新陈代谢”。小微的产住元胞（work-live cells）包含了建筑、场所、边界等物质要素和经营、居住与人群等社会要素，是产住二元组合、链接、变化和增长的因子[12]，也是“碳源”产生与排放的最基本空间单位和载体。

根据《村庄规划用地分类指南》，可将乡村的建设用地概括为三大类。第一、宅基地：用于村民居住或兼具小经营、小生产等产住功能混合的用地；第二生产经营用地：用于乡村“社会化生产”的各类集体建设用地；第三、公共服务设施用地：提供乡村基本公共服务和设施的集体建设用地。

研究聚焦于村民居住和生产活动产生的碳排放，故选取单位宅基地和生产经营用地为研究对象，不考虑公共服务设施用地。实地调研发现，村内许多宅前屋后、邻里间隙、闲置用地等“灰色模糊用地”存在被居民占用的情况，是居民自发外延的重要产住活动空间[13]。因此，仅以“产权边界”对元胞进行划分存在较大的失真性，而应选用村民产住活动的“实际边界”来设定元胞空间范围。

产住元胞的生成具体操作步骤和规则如下（图2）：一、剔除公共服务设施和非建设用地；二、以村民宅基地和生产经营用地的“产权边界”设定产住元胞。受乡村宅基地的面积限制，产住元胞的大小通常在80～140 m2范围内，部分生产经营元胞的面积较大，约为300～1 000 m2不等；三、现场调研探勘，明确村内“灰色模糊用地”的实际使用状况，对产住元胞进行空间增补和修订；四、为每个乡村的产住元胞建构独立的编码系统（L-/W-/LW-/G-…），确立数据进一步处理的空间基底。

1.2 乡村产住元胞的碳排放计量模型设立

元胞生产生活的碳排放量化评估采用物料衡算法，即使用能源的消耗量（AE-activity data）乘以排放系数（EF-emission factors）得到碳排放总量。选取的能源消耗量类别主要包括石油、燃气、煤炭、柴薪、电力和热力③。在实际测算中，会将能源消耗量转化为相对统一的“物理单位活动水平量”，即标准煤数据法（表1），再根据标准煤的碳排放转化系数换算出实际碳排量[14]，得到公式（1）：

其中Cp为CO2气体总排放量（kg），i为第i种能源，n则为能源种类数目，Qi是折算成标准煤的不同能源使用量（tce），EFi为第i种能耗排放因子系数（kg/tce）。对于排放系数的确定，本研究选取应用最为广泛的《IPCC国家温室气体清单指南》作为依据。

虽然村镇地区普遍缺乏能源消耗方面的详实统计，但因其占地面积和人口规模较小，可通过半结构式访谈与问卷调查的方式来进行数据获取。访谈的目的在于对乡村生产生活等社会现象进行整体性探究，问卷内容涉及村民的社会与经济特征以及能耗使用等具体量化数据。

图3 乡村产住元胞的碳排量放赋值示意图Fig.3 evaluation of carbon emissions in rural worklive cells

1.3 乡村碳图谱模拟方法与生成机制

图谱是运用图形的思维方法归纳、抽象和概括复杂现象或过程的系统性方法论[15]。碳空间图谱旨在以地理信息系统技术（GIS）为技术支撑，采用兼具空间和量化信息的系列图式，来分析乡村碳排空间的既有格局与问题。其实质是在现有的产住元胞识别上，对相应的碳排放信息进行整合和表达（图3）：一、利用公式（1）计算每个产住元胞所对应的碳排放量，建立样本乡村的碳排放数据库；二、为了对碳排放数据的相似值进行最恰当的分组，并使各个类之间的差异最大化呈现，研究采用“自然断点法”④将碳排放数据划分为5个区间分组（高碳排、中—高碳排、中碳排、中—低碳排、低碳排）；三、借助GIS以不同色度的色块对元胞的碳排放值进行标定，推演生成整个乡村的碳空间图谱。碳空间图谱的模拟为解析乡村碳排空间存在的问题，并提出针对性的优化策略提供了理论基础。

2 浙北地区发达乡村典型案例

新型城镇化背景下，中心城镇的土地开发利用，由早期的激进增长向挖掘存量、限制增量转型，乡村由此成为承载城市外溢功能的空间载体。以浙江地区为典型，一批以小微非农产业为主要支撑的发达乡村迅速发展，它们依托自身的资源禀赋和产业优势，吸引了大量外来人口和资金的注入，发展特色手工业、现代商贸业、休闲服务业等，建立起成熟的产业链，具有民营经济发达和风貌特色明显的特征。《浙江省国民经济和社会发展统计公报》调查显示，2017年新增农家乐休闲旅游特色村1 155个、特色点2 328个，农家乐经营户20 463户，农副产品加工从业人数增加44 521人，产值相比2016年增加6.6%。

表2 典型发达乡村的社会与经济基础信息Tab.2 social and economic information of typical developed village

在土地集约高效利用指导下，发达乡村内的生产、生活功能遵循协同共生的增长原则，表现出“就地”或“就近”式的空间混合（如前宅后坊、下店上宅等模式）[16]，有效促进了产业空间与劳动力分布的有效契合，并使得村民可以兼顾就业与安家。产住混合的用地功能特征，使得发达乡村的碳排放量增加明显，其模式特征也会较传统意义上的农村居民点更为复杂。如何去探索可复制的碳排放空间量化体系并应对既存的问题与困境，更成为一个迫切的难题。

笔者选取了湖州市安吉县大竹园村、绍兴市越城区高平村、嘉兴市桐乡市义马村作为典型案例进行研究。选取的案例符合发达乡村社区的基本特点，即在特定的地理空间内适度集聚混合了生产性和生活性功能，且形成了相对成熟稳定的非农产业架构和用地模式，具有明显的“一村一品”特征。同时，3个乡村具有比较接近的量化数据规模（表2），具备了进行对比研究的基础条件。而从碳排放的直观特点上来看，由于主导产业的基础性质不同，不同案例的碳排放模式也会存在明显的差异，而这种差异性的存在，更有利于揭示乡村碳空间图谱的分异特征，并具有针对性地制定优化导控策略。

3 乡村碳空间图谱的组织范式特征

3.1 竹加工村：核心式的集聚分布

由于竹制品生产加工中的开竹、压竹、劈竹、拉丝等流程需要机器来维持运行，且生产管理模式通常较为粗放，因此在这过程中会产生大量的碳排放。在大竹园村统计得到的136个高碳排元胞⑤中，含有竹制品相关产业的工厂或家庭工坊元胞共125个，占总数92%。从图4来看，高碳排元胞主要集中的核心区域分别为：村东部的竹制品生产厂、村北部的竹制品生产厂以及村中心的竹制品仓储、包装和物流厂。同时，产住元胞具有强烈的空间集聚特征，以获得生产规模、共享空间和市场优势，并取得更为便捷的上下游产业链的资源、技术和劳动力支撑。因此，大竹园村的碳空间图谱呈现出“核心—边缘”模式，元胞的碳排强度与大型工厂距离远近具有显著的正相关性。

3.2 农家乐村：梯度式的层推分布

农家乐的碳排放来源主要在于交通、炊事、住宿、娱乐等方面，受接待游客的数量差异影响较大。通过图5可以得出一个明显的特点，即超过80%的高碳排元胞集中在高平村的主干道两侧或是景观资源优越的水岸附近。这些区位的农家乐客源最为丰富，更多的能源消耗也相应地带来了更高的碳排放值。相对的，那些可达性较弱、环境品质较低的经营户则因为客源较少，通常只会在旅游旺季临时性地接待游客，因此元胞的碳排放值较低。从整体的碳空间图谱来看，由道路和水岸附近向组团内部延伸，产住元胞的碳排放量呈逐渐减少的层推特征。

图4 大竹园村：碳空间图谱实证分析Fig.4 empirical analysis of Dazhuyuan village carbon map

3.3 电子商务村：分散式的点状分布

电子商务产业的能耗方式一般包括日常供暖、制冷、照明、设备用电，以及仓储的部分器具耗能，所产生的碳排放量较低，且元胞之间的差异相对较小。横港村中从事电子商务产业的117个家庭经营户中，仅有25个具有相对较高的碳排放量，仅占总数的21%。分析发现，这些高碳排元胞通常是宅地面积较大、从业人数较多、劳作时间较长的电商经营户。根据图6，由于电子商务的产业模式相近，且元胞受区位要素的影响小，因此碳空间图谱没有明显的空间集聚特征，呈现出分散式的点状分布现象。同时，电子商务的产业链相对简单，使得各户的经营范围相对独立，边界相对清晰，元胞间的碳排放空间关联性较弱。

整体来看，碳元胞的发展规律受业态关联需求、功能集聚程度和聚落发展水平的影响较为显著，其格局图谱也并非严格的三种模式。事实上，在不同的时间阶段和产住模式下，乡村的碳排放往往具有相对主导的空间图谱范式。此外，随着政策变更和产业转型，也会显性改变碳元胞的空间分布特征。由此，其他差异化、地域性的碳排空间图谱需要更进一步的探究。

4 乡村碳排放的优化路径与策略探析

图5 高平村：碳空间图谱实证分析Fig.5 empirical analysis of Gaoping village carbon map

乡村碳图谱中存在的多样性和复杂性，也正是其建设组织的显性特征和难题所在。对当前乡村人居增长与环境提升矛盾的应对，既不能只停留在程式化的数据模型解析上，也必须避免经验化的功能混合模式套用，其关键更重在“具体而微”的应对操作。对此，笔者提出以“靶向治理”“生态调节”“有机整合”为核心的优化理念，采用小尺度、低成本、渐进式的手段，在实现生态、生活与生产的和谐共生的同时，也能最大程度顺应村域发展脉络，保育原生格局与肌理（图7）。

4.1 精准靶向治理，消除“碳岛”现象

乡村产住元胞围绕特定的“核心区”向内集聚，容易造成局部区域的碳排放量明显高于外围区域，形成空间上的“碳岛”现象。以大竹园村为例，在大型厂坊周围的200～500 m范围内，元胞的生产投入高，从业人员多，能耗和碳排也显著增加，出现了较为明显的“碳岛”区域。

消除“碳岛”现象的核心在于“对症下药”，找准“碳根”“碳核”，对重点的高碳排元胞实施“靶向治理”：第一、鼓励性的政策驱动，在土地、资金、规费、设备和技术上，提供多样化的奖惩机制，鼓励元胞自发性的低碳转型，并通过“效仿式”的传播形成区域联动效应；第二，规范化的管束干预，设定产住元胞的碳排放指标，特别是对碳临界值（carbon critical value）、碳生产率⑥（carbon production）、碳配额⑦（carbon quota）等指标进行强制规定，避免在某一时间或空间内碳排放值过高。“以点带面”的靶向治理方式，区别于传统“大拆大建”式的整治规划，可以避免大量的资金投入与长期的政策支持，实现更有可操作性的优化策略。

图6 义马村：碳空间图谱实证分析Fig.6 empirical analysis of Yima village carbon map

4.2 生态通廊调节，引导“碳流”平衡

道路通径、绿带廊道、水系河道作为乡村空间结构的通廊，既是元胞间相互连接的重要途径，也是能量、物质、信息在群域的主要传输通道。通廊的形状和连接度会影响外部环境资源的渗透效率，从而改变碳元胞的集聚秩序与方式。在高平村中，由于乡村内的通廊尚未形成体系、内外联系不畅、分流效率低下，导致了大量公共资源向小部分产住元胞倾斜，碳空间图谱表现出层级分化的“病征”。

图7 乡村碳空间图谱问题解析与优化策略路径Fig.7 analysis and optimization strategy path of rural carbon map problems

采用“梳状”或“网状”的路网连接组团，将地块通过“化整为零”方式（通常为0.5～2 hm2）来实现与乡村公共资源的“零距离”对接，可以增加原先组团内部农家乐的“可达性”，促使客源向乡村内部渗透，从而引导碳要素的流动趋向均衡；同时，以景观廊道为纽带，将周边的公园、绿地、林地、河道、民宅及旅游景点有机串联，可提升乡村人居环境品质，在推进生态环境建设的同时，也对整个乡村绿地系统碳汇功能的发挥起着积极的促进作用[17]。

4.3 单元有机整合，抑制“碳熵”增长

分散、独立经营产住元胞往往各户为政，缺乏有效的土地、劳动力、资金、设备、管理、信息等共享平台，无法实现资源的高效利用与有序组织。在横港村中，电商经营户没有形成明确的空间聚向，无序地遍布于乡村各个区域中，导致了碳空间图谱呈现出散点式分布特征，其熵值⑧也是三个乡村中最高的。

要保持乡村有序的状态，降低碳排放的空间熵值，必须要有外部的介入和干预，从而抵抗内耗倾向。决策部门可通过自上而下的用地划分和设施集成等手段，鼓励和引导“小经营”户的单元化整合（以4～10户为宜），将生产经营要素适度兼并和规模化，促使高效协同的产住共同组团形成，从而引导碳格局的有序发展。在产住组团内还可设置共用“大节点”，例如停车场、仓库、包装厂等，既可以实现物流、人流的一体集散，又能减少不必要的空间资源和设备能耗浪费。

5 结 语

量化评估乡村的碳排放空间格局并制定低碳优化策略，是新农村人居建设和环境提升的必由路径。基于此，本文的核心主要聚焦于：从“产住元胞”作为切入点，以“自下而上”的视角建立乡村碳排放量化评估模型；根据碳元胞的空间分布特征，借助GIS模拟建构乡村碳空间图谱，结合发达乡村案例实证，解析产住模式差异化下的乡村碳排放特征；充分考虑减少对乡村的文化、肌理的破坏，从消除“碳岛”、引导“碳流”、抑制“碳熵”等治理方法入手，制定“上下结合”的良性优化路径与策略。

然而，具体到低碳地区的实践，立足生产、生活、生态的博弈关系，平衡多元主体的诉求矛盾，完善柔性引导与刚性管控的策略兼容，还存在许多现实性问题。针对低碳乡村的营建途径，仍需要进一步的地域性、可操作性的探索。

注释：

① 碳源：指向大气中释放碳的过程、活动或机制。

② 碳汇：指利用植物光合作用吸收大气中的二氧化碳，并将其固定在植被和土壤中，从而减少温室气体在大气中浓度的过程、活动或机制。

③ 为了方便村民理解，问卷中将抽象的能源消耗量转换成费用（如年付电费）、重量（如年用柴薪量）、单位数量（如液化气瓶数）等直观参量用以制成调查问卷。

④ 自然断点法是一种根据数值统计分布规律分级和分类的统计方法，它能使类与类之间的不同最大化。

⑤ 高碳排元胞：此处高碳排元胞包括前文分类中的高碳排与中-高碳排元胞。

⑥ 碳生产率：单位二氧化碳的GDP产出水平，碳生产率=GDP/碳排放量。

⑦ 碳配额：每个产住元胞的碳排放允额，应根据元胞产业特征、人口数量、占地面积等灵活弹性设置。

⑧ 熵值：熵是系统的无序状态的量度，即系统的不确定性的量度。熵值越大，表明系统越趋向于无序。