东北地区农村生活能源结构变迁及其对区域污染物排放的影响

邢冉，沈国锋，程和发，陶澍

北京大学城市与环境学院/地表过程分析与模拟教育部重点实验室，北京 100871

能源是支撑社会发展的基础，而居民炊事和取暖等日常活动所消耗的生活能源更是民生根本。城市和农村在能源来源和使用上存在较大差异（Zheng et al.，2014），2020年，中国仍有450多万户家庭用柴草作为主要的炊事燃料（国家统计局，2022a），这些家庭主要集中在农村地区。农村地区现代能源利用率较低，生物质能源仍然是农村居民生活能源的主要部分，占生活能源总量的60%左右（Wang et al.，2017；Tao et al.，2018；Wu et al.，2019）。生活源煤炭和秸秆等固体燃料不完全燃烧产生细颗粒物（PM2.5）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）等不完全燃烧产物，是区域大气污染不容忽视的来源之一。文献研究发现，生活源排放对区域大气PM2.5的贡献为10%—45%（Lai et al.，2019；Shen et al.，2019），而在北方地区的冬季，生活源的排放贡献很突出。

随着社会发展和人民生活水平的提升，居民生活能源的量和结构经历着快速变迁，产生的环境效应也发生着变化。辽宁、吉林和黑龙江三省位于我国东北部，是中国冬季最寒冷的地区之一，全年取暖度日数为130 d以上（日均温低于5 ℃）。与全国大部分农村地区能源消耗以做饭活动为主体不同，东北地区受气候影响取暖需求强烈，取暖活动所消耗的能源与炊事能耗相当（Zheng et al.，2014）。受到取暖活动能源消耗的影响，东北农村的家庭能耗高于国内其他地区，且表现出以生物质能源为主体的能源结构特征（仇焕广等，2015；Wang et al.，2017；Zou et al.，2019）。东北地区是中国的粮食主产区之一，粮食产量占全国的五分之一，且东北地区森林覆盖率为40%以上，远高于全国平均森林覆盖率的23%（国家统计局，2022b）。丰富的生物质能源因为获取方便和成本较低而成为了当地居民炊事和取暖活动最常用的燃料，生物质能源占比约为 60%—90%（李国柱等，2013；石祖梁等，2017）。东北农村家庭常用的火炕和小锅炉由于固体燃料的大量燃用，产生的 PM2.524 h日均质量浓度约为 345 μg·m−3（Zhao et al.，2015），且秸秆燃用的 PM2.5浓度是燃煤的1—15倍（白莉等，2019），在冬季会造成较高的室内污染物浓度，进而对人体健康产生不利影响。

现有研究多是针对单一年份或宏观统计的分析，缺乏针对东北地区基于微观数据的年度变迁研究。掌握东北这个典型的高耗能和高生物质占比区域的能源变化情况和规律，探究区域生活电气化水平及空气质量影响程度，对于能源转型相关政策的制定和区域可持续发展具有重要意义。因此，基于两次实地调查获取居民生活能源消耗情况的第一手数据，分析2002—2017年东北地区（不包括蒙东五盟市）的农村生活能源消费量和结构的变迁情况，估算主要空气污染物的产生量，并对比分析区域内居民生活用能和品质差异，以期为农村地区能源绿色转型发展提供基础信息（国家能源局，2022）。

1 数据与方法

数据来源于两次实地调查，分别为 2012年北京大学联合国内数十家院校开展的全国农村直接生活能源情况调查，和在此基础上以 2017年为基准年再次开展的全国生活能源调查。其中 2012年调查包含对5年前（2007年）和10年前（2002年）能源使用情况的回忆。调查方案及质量控制可参考Tao et al.（2018）和Shen et al.（2022）的研究。

1.1 抽样方案

抽样调查过程符合系统-随机抽样要求，在省和市级层面采用分层抽样，地级市以下采用随机抽样方式，最终样本单元为户。东北地区2012年抽样密度为0.4‰，2017年抽样密度为0.3‰。2012年最终获得有效问卷数分别为辽宁1731户、吉林1665户、黑龙江1258户；2017年最终获得有效问卷数分别为辽宁1921户、吉林784户、黑龙江1010户。

1.2 问卷调查

家庭生活用能情况由调查员入户面对面调查并填写问卷获得。调查问卷经过专家论证、现场预调研并反复修改。问卷包括家庭基本信息和能源使用信息两方面内容，其中家庭基本信息涵盖：住址、人口、性别、年龄、住房情况、工作性质、经济状况、能源开支等；能源使用信息包括：炉具的数量、位置和使用情况，各类能源（块煤、蜂窝煤、泥煤、秸秆、玉米芯、薪柴、树枝、畜粪、液化气、沼气、电、太阳能）的使用时间占比和部分能源（煤炭、液化气和电）的使用量，及主要能耗活动做饭和取暖的情况。

1.3 固体燃料称重

固体燃料尤其是生物质燃料用量是生活能源调查的重点和难点，本研究通过入户称量质量获得农村居民固体燃料日消耗量。具体涉及到取暖和炊事活动所消耗的块煤、蜂窝煤、泥煤、秸秆、玉米芯、劈柴、树枝和畜粪等燃料。称重由调查员入户进行，在准备足量燃料（单一或组合燃料）的前提下，分两次分别称量24 h前、后的燃料质量，其差值为每日燃料消耗量，即24 h“户×日”的用量。考虑到燃料消耗量的日变化差异，本研究中每户连续称量两天（称取3次）。

1.4 质量控制

调研队伍经过严格筛选，并针对调研目的和调查方案对调研人员进行多层次培训。问卷调查结果经过电话抽查和问卷筛查，并通过调查点GPS信息和拍摄部分现场照片监控调查过程，以保证信息质量。书面调查数据由第三方进行电子版录入，采用双盲录入并进行机辅核对，录入正确率在99%以上。

1.5 排放测算

选取PM2.5、SO2、NOx和CO作为代表性污染物，基于调查获得的燃料消耗量结合排放因子进行污染物排放量的计算。特定污染物i在排放源的年排放量Ei（g）的核算公式如下（Du et al.，2018；Huang et al.，2014）：

式中：

Qj和EFij——第j种燃料的消耗量（kg）和第j种燃料的污染物i的排放因子（g·kg−1）。

1.6 不确定性分析

采用热值为单位核算燃料总用量，其中各种燃料的单位热值源于课题组现场测试结果，最终结果表达为户均年用量。污染物排放因子来自课题组国内外研究，尤其是国内近些年排放研究所建立的生活源排放因子数据库（http://inventory.pku.edu.cn/）。受各地燃料品质和炉灶类型差异的影响，燃料用量和污染物排放量的计算存在一定的不确定性。燃料消耗量和排放量的不确定性采用蒙特卡洛模拟（10000次），结果表达为四分位区间（25%—75%的范围）。

2 结果与讨论

2.1 居民能源消费量变化趋势

东北农村居民生活能源消耗总量呈现下降的趋势，从2002年的1125.7（四分位区间为1047.1—1221.0）PJ下降到 2017 年的 880.8（759.4—1048.7）PJ。与此同时，东北地区农村人均收入从 2300元增加到13100元，呈现与生活能源消耗量相反的变化趋势。家庭是日常生活中炊事、取暖等活动发生的基本单元，户均能源消耗相较于能源消耗总量更能反映出在社会经济发展的过程中，人们对基本生活能源需求的变化。2002—2017年，能源消耗量不断下降，从 2002年的 87.4（81.3—94.8）GJ/户到2017年降到58.6（50.5—69.7）GJ/户，降幅约33%（图 1）。东北地区农村居民能源消耗量显著高于中国其他地区（Zhou et al.，2008；Wang et al.，2017；Zou et al.，2019），这与该区域的能源结构（固体燃料依赖度高）及强取暖需求有关。炊事耗能量的下降是区域生活能源消耗量下降的重要原因，而同期取暖能源消耗的变化较小。2017年，东北地区农村居民炊事和取暖耗能分别为 30.8（27.2—40.6）GJ/户和 27.8（23.6—31.3）GJ/户。

图1 2002—2017年东北农村地区生活能源消耗量Figure 1 Residential energy consumption in rural areas of northeast China from 2002 to 2017

2.2 居民生活能源结构变迁

东北地区的能源消耗更多的受到自身驱动，相较于京津冀和山东等地区，其受到的政策影响更少，而相较于江浙沪等地区又更少地受到经济发展的影响（Shen et al.，2022）。在2002—2017年能源总量整体下降的情况下，不同能源消耗量的变化使得能源结构逐渐调整（图2）。2002年家庭能源消耗以生物质能源为主，包括薪柴、秸秆和玉米芯、茅草、畜粪等其他生物质在内，相对占比达到81.9%。其中薪柴和秸秆是能源消耗量最大的两部分，分别为29.3 GJ/户和30.1 GJ/户，占据能源消耗总量的67.6%。电和气仅为1.8 GJ/户和0.6 GJ/户，占比不足3%。作为主要的商品能源，煤炭消耗量为13.4 GJ/户，占比为15.3%。在往后15年间，不同类型能源的消耗量变化存在一定的差异性，其总体趋势是薪柴和秸秆等生物质能源大幅度减少，而煤炭、电和气等商品能源则明显增加，与已有研究的结果相仿（Wu et al.，2019；Zou et al.，2019；李国柱等，2013）。2017年，煤炭消耗量增加到30.6 GJ/户，占据能源消耗总量的52.2%。电和气作为主要的清洁能源，分别增加到5.8 GJ/户和2.5 GJ/户，占比为14.2%。而生物质能源下降到19.7 GJ/户，占比为 33.6%。在 15年期间，户均生物质消耗量减少53.9 GJ，占能源减少总量的99%。

图2 2002—2017年东北农村地区生活能源结构变迁Figure 2 Changes in residential energy structure in rural areas of northeast China from 2002 to 2017

能源结构的变化在不同能源活动中存在明显差异。东北地区冬季相对寒冷且漫长，与城市地区的集中供暖不同，绝大部分农村家庭仍旧依靠烧炕、炉子、暖气等自取暖方式满足热舒适需求。2002年炊事和取暖的能源结构相仿，都是以秸秆和薪柴等生物质能源为主，辅以煤炭、电和气。2017年，随着生物质能耗量的不断减小和煤炭能源的不断增加，取暖能源结构变化为以煤炭为主（占比84.4%），消耗量为26.0 GJ/户。生物质能源占比为13.7%，其在取暖活动中的用途除了作为引燃物之外，更重要的是用来烧炕取暖。烧炕是东北地区非常传统且具有地方特色的取暖方式，现今仍被很多家庭使用。虽然部分农村地区已经有家庭利用电热炕、暖气炕等取代传统的火炕，但占比仍旧较小，电力仅占取暖耗能的1.6%。炊事活动的能源结构变化更为显著，且电气化趋势突出。在炊事活动中，电和气消耗量分别增加到5.3 GJ/户和2.5 GJ/户，占比增加到28.1%。已有研究证明，尽管取暖和炊事能源消耗具有一定的关联性，取暖能源清洁化转型要比炊事能源转型难度更大（Tao et al.，2018）。东北地区的高取暖需求在一定程度上也影响了炊事能源结构的变迁，2017年炊事活动中仍旧有16.5%的煤炭和55.5%的生物质，固体燃料使用的占比高于其他地区（Wang et al.，2017；Zou et al.，2019）。

2.3 生活源大气污染物排放

随着家庭能源消费量和结构的改变，其产生的污染物排放及相应的室内外空气质量影响也会发生变化。能源结构的优化对于污染物排放具有减缓作用（万文玉等，2017），随着炊事和取暖用能的电气化水平提升，生活源排放的一次污染物总体呈现逐年下降的趋势。本研究测算结果表明，东北农村地区的生活源PM2.5排放量从2002年的7.46×105t减少到2017年的5.28×105t，CO排放量由5.52×106t下降到3.55×106t，下降幅度分别为29%和36%。SO2和NOx的排放量也分别下降了13%和31%。

研究期内整个区域的农村人口减少了10%，户均污染物排放因能源结构变化也产生显著的下降（图 3）。PM2.5和 CO的户均排放量在 2002—2017年期间下降了45%和39%。SO2和NOx的户均排放量下降分别为26%和42%。如前所述，在东北地区，炊事活动中的生物质大量的被高效且低排放的电和气等现代能源取代，而取暖活动中以生物质为主的能源结构逐渐转变为以煤炭为主。取暖活动的污染物排放量在早期仅略高于炊事活动，但在2017年已显著高于炊事燃料的排放。已有研究证明，煤炭和秸秆等固体燃料是污染物排放的主要来源（Yang et al.，2018；Zhou et al.，2017）。2002 年，生物质燃烧排放是该区域居民生活源污染物排放的主要来源，例如生物质排放贡献了 84%的一次 PM2.5，其中秸秆排放占比达到41%。伴随着煤炭消耗的增大和生物质消耗的减小，到2017年，民用煤炭排放已是该区域生活源污染物排放的主要来源，其贡献了70%的SO2和65%的PM2.5。液化气和沼气等气体燃料由于使用量较小且相对清洁，其对生活源污染物的贡献占比不足1%。

图3 2002—2017年东北农村地区生活源污染物排放量及来源占比Figure 3 Residential pollutant emissions and proportion of pollutant sources in rural areas of northeast China from 2002‒2017

由于东北农村居民大多采用煤炭炉子、暖气、烧炕等方式进行自取暖，且很多家庭仍旧使用开放性的柴火灶进行炊事活动，燃烧过程产生的烟尘等污染物会有相当一部分泄露到室内，直接影响室内空气质量（Zhang et al.，2019）。部分家庭在寒冷的冬季会利用塑料布等材料通过密闭封窗的方式减少室内热空气的损失，但此举也会因为减少了室内外空气的流通和交换而导致污染物长期存蓄在室内，加剧对人体健康的不利影响。虽然在本研究中没有进行室内空气的监测，但是已有文献指出在东北地区的农村家庭，尤其是冬季，室内固体燃料的使用造成严重的室内空气污染（Zhao et al.，2015；白莉等，2019）。

2.4 区域内居民生活用能和品质差异

受到气候和居民经济条件等因素影响，区域内居民能源消费存在一定的差异性（图4）。2002年，黑龙江省的户均生活能耗量为 99.5 GJ/户，明显高于辽宁和吉林两省。在2002—2017年间，各省家庭能源消耗总量总体均呈现下降趋势，但黑龙江省降幅最大。2017年黑龙江、辽宁和吉林省的农村居民户均能耗量分别是68.5 GJ/户，54.2 GJ/户和49.6 GJ/户。家庭炊事能源消耗量比较接近，取暖能源是造成区域内居民生活能源消耗量差异的主要原因。户均能源消耗量，尤其是取暖能耗，与取暖度日数（HDD）有显著的正相关关系。地处中国最北部的黑龙江省冬季寒冷漫长，居民平均取暖日为160 d以上，这是造成其生活源能耗高于辽宁和吉林的重要原因。2017年，黑龙江省农村居民户均取暖能耗量为38.0 GJ/户，辽宁和吉林分别为30.2 GJ/户和21.1 GJ/户，分别占到三地居民生活能源总消耗的55%，56%和42%。本调查研究发现，2017年辽宁、吉林和黑龙江省的农村家庭规模约为 2.8人、2.8人和2.6人，户均能源消耗量在东北地区与家庭规模没有显著的相关性。已有很多研究证明家庭规模小型化会显著增加人均生活用能（Yang et al.，2018；沈可等，2018），且会降低现代能源的占比（Han et al.，2018；Zou et al.，2019）。而在家庭户级层面，生活能源消耗更多地受到收入、房屋状况、家庭结构等因素的影响（王丽琼等，2018；Sana et al.，2020；Ma et al.，2022），家庭规模影响较小。如周晖等（2003）对于家庭用电的研究发现，在控制家庭收入、住房面积等变量后，家庭规模的作用不再显著。

图4 2002—2017年辽宁省、吉林省和黑龙江省农村地区家庭能源消费量和结构Figure 4 Household energy consumption (a) and structure (b) in rural areas of Liaoning, Jilin and Heilongjiang provinces from 2002 to 2017

在区域层面，前述分析指出电和气等现代能源对传统生物质能源的取代是户均能源消耗量下降的主要原因。而在区域内居民生活能源消费差异中，户均能耗量与现代能源的占比有显著负相关关系（r= −0.900，P=0.001），2017年，吉林省农村居民生活能源中现代能源占比为 18%，高于辽宁（17%）和黑龙江（10%），且吉林省的户均能源消耗量是3个省中最低的。基于统计年鉴中市级层面的农村地区人均可支配收入和本研究调查数据，发现人均收入水平与家庭商品能源占比呈正相关（r=0.431，P=0.009），即随着居民生活水平的改善，商品能源占比也呈现增加的趋势。2017年，生活能源中商品能源的占比由高到低依次为辽宁（72%）、黑龙江（66%）和吉林（61%），与农村人均收入的趋势相同。辽宁省的商品能源占比相比于 2002年的20%增加了52%，增幅最大。2002年，包括薪柴和秸秆、玉米芯等在内的传统生物质能源是三省居民生活能源的主要能源，占能源总量的比重超过80%。虽然随着能源转型，2017年传统生物质的占比已明显下降，但仍是居民生活源的重要来源，占到生活源总能耗的30%—40%。3个省的薪柴消耗量占比相差不大，但秸秆占比存在显著差异。基于统计年鉴中市级层面的粮食产量和本研究调查数据，发现人均粮食产量与农作物秸秆占能源总量的比重具有显著正相关关系（r=0.516，P=0.001）。各种粮食作物的副产物如秸秆、玉米芯等因为获取方便和成本较低的优势而被广泛作为能源利用，2017年秸秆占吉林省家庭能源消耗总量的17%，高于其他两个省份。

3 结论

本研究基于两次实地调研，计算并分析了东北农村地区 2002—2017年生活消费量和结构的变迁，并初步核算了生活能源燃用产生的主要污染物排放量，对区域内用能差异进行比较，研究发现：

东北农村生活能源消耗量总体上呈现下降趋势，从 2002年的 87.4（81.3—94.8）GJ/户到 2017年降到58.6（50.5—69.7）GJ/户，降幅约33%。生活能源结构的变迁主要表现在生物质能源的减少和煤炭、电、气能源的增加。2017年，煤炭和生物质能源是东北生活能源的主体，占比分别为52.2%和33.6%，电和气占比14.2%。能源结构的改变使得研究期内生活源能耗产生的各种污染物的排放量呈现显著下降，PM2.5的户均排放量下降了45%。生活源污染物的主要来源由生物质变为民用煤炭，2017年民用煤炭贡献了70%的SO2和65%的PM2.5。2017年，户均生活能耗量呈现黑龙江>辽宁>吉林的趋势，取暖能耗差异是造成三省能耗量不同的主要原因。

2002—2017年，东北农村地区的炊事活动表现出明显的电气化趋势，生物质燃料的占比仍旧较高。区域高取暖需求和取暖活动对煤炭的依赖在一定程度上影响了炊事能源结构的改变，也成为生活源排放的主要来源。随着家庭收入和生活水平的提高，充分合理的利用当地丰富的生物质资源，保障居民热舒适性的同时进行取暖活动的能源结构优化对于东北地区的区域能源转型和可持续发展具有重要意义。