农业循环经济生产场景下供用能模式与低碳运行研究

丁泽琦，黄泽涛，董晓颖，苏 娟，杜松怀

（中国农业大学，北京 海淀 100083）

“双碳”目标与乡村振兴国家发展战略下，农村能源转型面临机遇与挑战，循环农业正日益成为当今农业发展的主要模式。庭院经济的主要特点是“小而全”，其形式多种多样、因地制宜灵活发展的特点在我国现今农业经济发展中发挥着重要的作用。通过建设现代循环农业的能源互联网，构建因地制宜的供用能模式，可以更好地发展农业循环经济，解决目前乡村振兴过程中存在的问题。

农业庭院经济模式下，能源生产和用能模式及其负荷特性研究目前在能源领域仍处于起步阶段。构建合理的供用能模式，掌握该模式下能源消耗与碳排放的关系，提出低碳节能运行策略更有助于新型农业生产模式的推广与应用。因此，本文在黑龙江省抚远市生徳库村生产场景下，围绕农业庭院循环经济模式下的能源利用以及碳排放规律开展研究，建立农业零碳循环经济生产场景下的典型供用能模式，提出该模式下碳排放计量方法并验证零碳运行的可行性。

1 庭院循环经济供用能模式构建

庭院循环经济模式是目前我国最基础、应用范围最广的循环农业模式，尤其适用于我国北方地广人稀的农村地区，巩固脱贫攻坚成果，助益其实现乡村振兴。本文基于黑龙江省抚远市生徳库村，对村庄农业生产基本现状概况进行调研，厘清庭院循环经济模式内能量流动关系，构建适合当地的庭院循环经济供用能模式。

1.1 养殖型庭院循环经济供用能模式

以养殖型庭院循环经济模式为研究对象，根据其用能设备、供能方式、能量流动关系等建立其供用能模式[1-3]，如图1 所示。整个系统的供能侧包括风光储发电系统和冷热联供系统。其中光储互补发电系统由光伏电池、电储能设备构成，供热系统主要由电采暖、燃气锅炉以及水泵等辅助设备构成。

图1 养殖型庭院循环经济供用能模式

该系统中的电能主要包括具有间歇性、波动性特点的光伏发电的可再生能源发电单元、通过沼气燃烧发电、市电等稳定发电单元以及可充放电的电储能设备。多样的电能来源最终汇集到电能总线上，通过供电网络满足不同用能设备的电负荷需求。白天主要通过可再生能源发电单元供电，夜晚通过电储能、沼气发电供电。同时通过联络线与大电网衔接，采取“未消纳部分上网，电力缺口由电网补充”的模式。

系统中通过电采暖与燃气锅炉设备可生产较高品质的热能，以满足养殖集装箱内的供热需求。资源循环利用主要体现为对动物排泄物的回收处理。动物排泄物随污水排入堆肥系统，经过发酵处理后产生沼气。一部分沼气通过发电机组产生电能随供电系统供给系统中电负荷需求，另一部分沼气通过燃气锅炉产生热能供应系统热负荷[4-5]。

1.2 种植型庭院循环经济供用能模式

种植型庭院循环经济供用能模式与养殖型相似，如图2 所示。在前期调研中得知，生徳库村种植型庭院循环经济模式所采用的日光温室电负荷需求大，其距离风电机组近，故在供能侧增加风电机组。

图2 种植型庭院循环经济供用能模式

该系统中的电能来源主要包括光伏发电、风电机组的可再生能源发电单元、通过沼气燃烧发电、市电等稳定发电单元以及可充放电的电储能设备。主要消耗电能的负荷由排风系统电机、照明系统、由水泵驱动的灌溉系统及由电采暖维持的温度控制系统。白天主要通过光伏、风电等可再生能源发电单元供电，夜晚通过电储能、沼气发电供电。通过联络线与大电网衔接，可采取“未消纳部分上网，电力缺口由电网补充”的模式。

种植型庭院循环经济的资源循环利用主要体现在对植物秸秆等农业废弃物的回收处理。秸秆回收进入堆肥系统，经过发酵处理后产生沼气。堆肥系统产生的沼气转换为电能、热能进入能量流动。产生的肥料可循环进下一轮次的生产中，实现废弃物资源化。

2 庭院循环经济低碳运行与碳排放量计算

本章对上述模式下碳排放量与碳排放强度进行计算，探究其在实际循环经济生产场景下能否实现零碳运行。

2.1 碳排放量计算方法

本文采取的计算方法主要基于IPCC 法，结合生徳库村的基础数据，从农业物质投入、种植业、养殖业三方面入手，根据具体的碳源因子与相应的碳排放系数，对庭院循环经济模式中的碳排放量进行计算。构建农业碳排放量与碳排放强度计算公式如下：

式中：E为农业碳排放量，t，以有效表征温室效应；ei为单个碳源因子的碳排放量，t；xi为各碳源因子的使用量依据碳源因子类型确定单位，详见表2；fi为各碳源因子碳排放系数，农业物质投入中单位多为t/kg，养殖业中单位为t/头，用以表征单位碳源子的碳排放量；λ 为温室气体间转换系数，为方便计算需要将不同温室气体乘以一定系数，统一转换为CO2进行测量，具体见表1；Ep为农业碳排放强度，主要表征种植业产生的碳排放量，t/hm2；m为种植业农作物的种植面积，hm2。

2.2 碳汇与零碳运行模式

2.2.1 碳汇方式与吸收量计算

碳汇可以在人类生产生活环境中收集、吸收和固定CO2。广义上的碳汇泛指以森林为代表的绿色植物的碳汇能力，即绿色植物通过光合作用吸收固定大气中CO2的量。

森林在全球碳平衡中起到了至关重要的作用，森林提供的碳汇指其在生长过程中固定的大气中的CO2量，其碳汇功能十分强大，可以有效缩减CO2排放量，具有改善温室效应的作用[6-7]。森林碳汇量可以用森林固碳量代替。666.7 m2森林每天可以吸收67 kg CO2，即每年吸收24 455 kg CO2。

2.2.2 庭院循环经济模式零碳运行方式

伴随着农业物质投入、化石燃料燃烧、种植业土地面积增加等相关碳源因子的增加，农业发展在获得巨大动力的同时也带来了大量的碳排放。庭院循环经济模式借助极少的林地面积即可实现碳中和，其未来在农业碳减排方面的潜力空间不可小觑。结合农业减排相关经验及研究成果，庭院循环经济模式未来可以在如下方面采取新的碳减排策略，进一步从源头减少碳排放。

电能替代。在农业能源转型过程中，须突出开发利用当地太阳能、风能等可再生能源，减少化石燃料的使用消耗。本文结合生徳库村庭院循环经济模式，因地制宜地考虑利用光伏、风电等新能源进行供能，从根源减少化石燃料的燃烧。

在农业生产领域，实现电能替代的一大方式是农业机械电气化。当前，农机仍大多以内燃机为驱动，燃烧柴油为动力。柴油中含有大量燃烧不完全产生的杂质和有害物质污染空气，有害气体的排放还会使土地酸化，破坏绿色植被，导致农业产量下降，品质变差，影响农业生产发展。随着新能源以及储能电池的发展，未来农业生产使用的机械必然以电能作为主要能源，这也是今后农业机械生产的发展方向，实现农业机械电气化具有极高的碳减排潜力。

耕作方式。耕作方式也是主要的碳源因子之一。经过研究测算发现免耕、精耕或者少耕所导致的1 hm2农田碳排放量分别为 5.8 kg、7.9 kg，而同样面积时间内传统耕种方式产生的碳排放量为35.30 kg。

采取切实可行的技术也可进行有效的节能减排。例如对大区域采取测土配方施肥技术，对于缺少的微量元素选择精确合适的肥料进行补充，可有效减少区域的施肥量。

养殖种类。研究表明，反刍类动物以纤维状植物为食，胃里的微生物帮助其消化植物饲料时，会产生大量的气体，牛、羊等反刍类动物在排泄时会排出大量的体内废气，主要包括CO2、CH4等，一头奶牛一天排出的废气中含有500 L CH4气体，极大程度提高了碳排放量[8]。反之，养殖猪、鸡等非反刍类动物的碳排放要更低，据估算，一头奶牛排放的温室气体大约相当于74 头猪。故改变养殖种类，更多的养殖非反刍类动物可以有效减少碳排放量，助力碳中和的实现。

资源循环。庭院循环经济模式中利用堆肥系统实现资源的循环利用，将废弃物资源化。利用堆肥系统获得的化肥，可在源头减少化肥生产时产生的碳排放，同时减少成本，提升经济效益。

利用种植型庭院循环经济模式中产生的秸秆生物质化的特点，对其进行热解气化发电，可满足一部分负荷需求，对发展区域绿色能源建设提供助力，同时可有效实现农业循环经济和碳减排[9-10]。

2.3 算例分析

在农业物质投入中，依照IPCC 建议的排放因子和关键因子，其主要的碳源因子为农业生产中使用的化肥、农药，日光温室搭建过程中铺设的农膜等，排出的温室气体种类为CO2。在庭院循环经济模式的背景下，种植业方面，生徳库村日光温室中主要种植的农作物为黄瓜、西红柿等蔬菜，排出的温室气体种类为CO2。养殖业方面，集装箱养殖主要品种为猪，猪的养殖过程中释放的温室气体种类为CH4和N2O，其与CO2的转换系数分别为25 和298。各碳源因子碳排放系数清单如表1 所示。

表1 碳源因子清单

本文主要按照每户持有一个日光温室，一个养殖集装箱进行计算。根据实地调研与生徳库村庭院循环经济模式规划设计，种植型庭院循环经济所采用的日光温室种植面积约为6.7 hm2。根据种植经验与参考文献，666.7 m2地年投入化肥为4000 kg，农药20 kg，农膜340 kg。养殖型庭院循环经济所用的养殖集装箱，每年饲养出栏成猪25 头。归纳各碳源因子实际投入量如表2 所示。

表2 各碳源因子实际投入量

农业物质投入和养殖业方面的碳排放，按照式（1）计算，种植业方面的碳排放，按照式（2）计算，算得庭院循环经济模式下年碳排放量为23 636.5 kg。

由前文调研的碳汇方式可知，666.7 m2森林每天可以吸收666.7 kg CO2，即每年吸收24455 kg CO2。即每户庭院循环经济模式需要666.7 m2森林即可实现碳中和。证明本文提出的庭院循环经济模式和构建的供用能模式在实现经济效益的同时可有效实现低碳运行。

3 总结与展望

庭院循环经济模式作为一种主要的循环农业模式，能满足农业能源转型的需要，带来经济、环境、社会等多重效益。本文基于黑龙江省抚远市生徳库村农业生产场景下，开展了庭院循环经济模式结构及其供用能模式设计和负荷建模，构建的供用能模式实现了能量与资源的高效利用。以构建的供用能模式为基础，提出结合IPCC 法和实地测量法的庭院循环经济模式碳排放量计算方法，对年尺度下的模式内碳排放量进行计算，提出森林碳汇方案与零碳运行策略，实现庭院循环经济模式零碳运行。

本文在计算净碳排放量时，对人类活动及社会发展的影响没有进行充分的考虑，且目前的研究所举的方法较为复杂，实地测量法所得数据不精确、不全面，对于如何精确计算庭院经济模式下的净碳排放量有待进一步研究。