基于情景分析的村落尺度能源碳排放效应研究

2023-10-21李宏庆徐月萍汪杨任婉侠薛冰

农业资源与环境学报 2023年5期

李宏庆，徐月萍，汪杨，任婉侠，薛冰，*

（1.柏林工业大学循环经济与回收技术系，柏林 10623 德国；2.中国科学院沈阳应用生态研究所，沈阳 110016；3.潍坊现代农业与生态环境研究院，山东潍坊 261071）

2021 年，我国二氧化碳排放量为119 亿t，占全球总量的33%[1]，迫切需要促进低碳转型，而农村地区在碳减排方面发挥着重要作用[2]。当前农村地区碳排放的来源主要为农田排放、畜禽排放、种植生产资料排放[3]和能源消耗排放[4]，同时还包括居民生活[5]、乡村住房[6]和农村道路[7]等方面的排放，农业和能源消费已经成为农村碳排放的主体。据联合国粮食及农业组织（FAO）统计，全球人为温室气体排放总量的30%由农业用地产生，每年约产生150 亿t二氧化碳，而由农业产生的全球温室气体排放量的80%可由其自身生态系统抵消[8]。我国城镇化发展的过程中，在能源需求层面表现为居民家庭能源消费结构的变化，我国每增加1%的城镇化率，人均碳排放水平将增加5.8 kg[9]。我国农村地区人口占全国总人口的36.11%，实现农村地区的低碳建设对于应对全球气候变化及推动地方可持续发展具有重要意义。

农村的能源问题不仅是居民社会经济状况和居民家庭生活的实际反映，也和当地的生态环境问题有着密切联系。在农村地区，尤其是在发展中国家的农村地区，大部分家庭能源主要是生物质能[10]。从地区分异来看，我国的青藏高原地区以畜粪为主[11-12]，宁夏地区以秸秆和薪柴为主[13]，东部地区以电力为主[14]。其他国家的农村地区，如肯尼亚、孟加拉国和伊朗等也是以生物质能源为主[15-17]；在约旦，约16%的农村家庭能源消费是用于购买煤油和液化气[18]。从时间维度来看，20世纪90年代以来，农村家庭以生物质能源为主，现阶段在偏远地区仍保留着使用生物质能源的传统，而在经济发展水平高的地区，越来越多的家庭更注重生活品质，清洁能源逐渐成为当地居民的首选[19]。从研究对象来看，早期的研究主要针对薪柴、秸秆和畜粪等生物质能源以及电力、煤炭、液化气和汽柴油等常用商品能源[10]，而后随着资源的多级开发，能源的有效利用和能源的环境质量成为新的关注点，越来越多的新型清洁能源逐渐成为新的研究对象及热点，如风能、光伏、热能、热电、沼气等多能级能源形式，并考虑能源使用的多元化和低碳化。因此，从社会需求的角度来看，如何保证农村的生活发展质量水平同时宏观把控农村的碳减排将会是未来农村发展的重点。

许多研究利用统计方法来评估不同地域尺度的减排潜力，包括全球、国家、省级和县级等，在微观层面上，以村落为代表的精细化表达和测算也逐渐成为研究热点之一。村落是一个复杂开放的综合体，承担着其空间范围内的生产、生活、生态等功能[20]，在其行政边界范围内，协调居民生活、农业生产、畜禽养殖、休闲娱乐等作用过程，从而保证整个村落体系的正常运行[21]。本研究从村落的角度出发，在对全村和家庭能源使用现状分析的基础上，建立了三种不同的情景分析模式，构建了村落尺度上的能源碳核算框架，并依据其社会经济及环境效益，探究不同情景发展模式下农村地区能源转型与低碳目标开发的作用机制，从而制定适合农村地区低碳转型的道路，并为地方的政策制定提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域

调研村邑西里村位于河南省商丘市，地理坐标为115°15'～115°30'E、34°14'～34°34'N，属于温带季风性气候，年平均气温为14.7 ℃，年日照时数约为1 482 h。现有常住家庭400 户，总人口1 540 人，户均人口3.75 人，平均受教育年限为7.73 年。全村共有土地面积133 hm2，人均耕地面积0.1 hm2，种植作物以玉米、小麦为主。2020 年，全村人均收入为1.5 万元，在所属乡镇和县级市属于中等水平，当地的主要收入来源为外出打工和农业种植。全村的能源使用类型除种植的作物秸秆外，还包含电力、煤炭、液化气和汽柴油等。

1.2 数据来源

本研究数据来源于文献资料、政府报告和实地调研等。在前期文献和政府报告搜索的基础上，结合调研村的实际情况，采用自上而下和自下而上相结合的方式设计了问卷，调研问卷的内容主要分成三个方面：①基本信息，包括全村人口、户数、收入等；②能源构成，包括能源使用类型、来源、用途和废弃物的处置方式等；③当前政策趋势下的能源使用感受和全村村民对未来能源使用的愿景。

问卷设计完成后，研究团队在2020 年年底对邑西里村进行了预调研。通过对调研村的进一步了解，重新对调研问卷进行了调整，正式形成了调研问卷。正式调研的时间为2021 年1 月和7 月，结合半结构式访谈的形式进行了问卷调查与走访，在此基础上，为了能够与村民进行深度访谈，每户调研的时间约为1～2 h。经过两轮的问卷调研后，共获得实际有效问卷40 份。在问卷访谈结束后，经过与地方代表、专业人士的访谈，认为调查问卷具有较好的代表性。

1.3 研究方法

村落尺度上的碳排放主要是指电力、煤炭、秸秆和畜粪等资源在使用过程中带来的环境影响，其中，电力和煤炭等由外界输送而来，秸秆和畜粪由本地产生。本研究仅计算由生活能源使用带来的碳排放，因此农业生产过程中农资机具使用带来的碳排放未列入计算过程中。具体计算方法如公式（1）～公式（8）所示：

1.3.1 总能源消费量和碳排放量核算

式中：Pemi为总碳排放量，kg；Nene，i为第i类能源的使用数量，kg；Eemi，i为第i类碳排放源的碳排放系数。

式中：Mene为能源消耗热值总量，kJ；Nene，i为第i种能源的使用量，kg；Esta，i为第i种能源的标准煤系数，kgce·kg-1（kgce为各能源用量单位换算成的统一单位，千克标准煤）；Tene，i为第i种能源的标准煤单位热量，kJ·kgce-1。

1.3.2 秸秆碳排放量核算

式中：Wstr为秸秆消耗带来的二氧化碳排放量，kg；Bstr为秸秆消耗量，kg；Cstr为玉米芯含碳系数，取值为45%；Ostr为玉米芯的氧化率，取值为85%。

式中：Estr为秸秆的资源量，kg；Ncro，i为第i种农作物的产量，kg；Ecro，i为第i种农作物的草谷比，其中玉米为1.23，小麦为1.34。

式中：Rstr为秸秆资源化计算产生的沼气量，m3；Ecol为秸秆资源的可收集利用系数，本研究中采用华北地区的数据进行核算，其中玉米秸秆和小麦秸秆均为0.83；Fstr，i为秸秆生物的实际发酵转化率，玉米秸秆为200.30 mL·g-1，小麦秸秆为149.40 mL·g-1。

1.3.3 畜粪碳排放量核算

式中：Eliv为畜粪资源量，t；Nliv，i为第i种牲畜的数量，头；Eliv，i为第i种畜禽粪便的年排放系数，猪为0.49 t·头-1，羊为0.47 t·头-1。

式中：Rbio为畜禽资源化计算产生的沼气量，m3；Eliv为粪便的资源量，t；Erec，i为第i种畜禽粪便的可回收利用系数，猪为1，羊为0.6；Nbio，i为第i种畜禽粪便的单位产沼气量，猪为0.2 m3·kg-1，羊为0.3 m3·kg-1。

1.3.4 太阳能可利用能量核算

式中：H为年利用热水器可得到的热量，J；Q为户均洗浴用水量，调研村户均规模为3.75 人，淋浴每人次计30～40 kg，取均值35 kg，则户均洗澡用水量为每次每户131 kg；D为全年太阳能热水器可以有效利用的时间，d；C为水的比热容，取4 200 J·kg-1·℃-1；t1为加热前的水温，依据《河南统计年鉴2021》取河南省的平均气温15 ℃；t2为加热后的水温，取60 ℃。

1.4 情景设定

根据调研村的实际发展状况设置了3 种不同的发展情景（表1）。

表1 不同情景下的能源变化趋势Table 1 Energy trends in different scenarios

情景一：基准情景。依据现有的政策和全村发展的基本情景，在2020 年全村实际调研的基础上，以全村的实际发展情况为基本准则，结合全村2015—2019 年的能源使用类型和数量的变化，预估全村各种能源使用数量和规模在未来的发展状况和趋势。

情景二：慢速发展情景。在基准情景的基础上，考虑因为技术水平改进带来的能源结构的变化，表现为调研村家庭中各种能源使用装置的数量呈现出平稳增长的态势。

情景三：快速发展情景。在基准情景的基础上，考虑因为能源需求结构的变化带来的变化，表现为调研村家庭中各种能源使用装置的数量呈现出快速增长的态势。

2 结果与分析

2.1 能源使用现状

邑西里村全村的能源消费主要包括两部分，分别为户用家庭能源消费和公共基础设施能源消费。全村每年总能源消费量为5.93×106kJ，其中户用家庭能源消费占总能源消费量的99%以上，公共基础设施能源消费占比不足1%。在户用家庭能源消费方面，全村共有400 户家庭，带来的全村二氧化碳排放总量为877 t，平均每户家庭的能源消费总量为1.48×104kJ。通过调研得知，现阶段全村的能源类型主要有电力、煤炭、液化气、秸秆和汽柴油等。全村公共用能的能源消费总量为7 377 kJ，带来的二氧化碳排放量为1.76 t，能源消耗主要来自村委会、村卫生室、学校和路灯等所带来的电力消耗。通过汇总全村能源的输入和输出情况，结合能源分配和碳核算过程，得到2020年全村的能源碳流结构图（图1）。

图1 邑西里村能源碳流结构图（2020年）Figure 1 The structure of energy carbon flows in the Yixili Village（2020）

通过2020 年的能源消费模式可以看出，全村的能源消费结构是以商品能源为主，同时也蕴藏着许多待开发的资源。邑西里村在国家补助政策的激励下，现已经有4 户家庭安装了光伏电板，每户家庭的安装面积约50 m2，同时通过调研了解到，越来越多的家庭对光伏电板的安装表现出强烈的兴趣，并期待能够从中受益。现阶段依靠光伏带来的全年累计发电量为5.93×104kW。除了对光伏电板的使用之外，太阳能热水器也是当地比较受欢迎的用能装置，主要用来加热洗浴用水等，现全村安装太阳能热水器的家庭约300户，结合调研地区太阳能的年使用时长和环境温度，得到2020年利用太阳能热水器的热量为4 315 GJ。

在生物质能源的使用方面，邑西里村具有丰富的生物质资源。该村的农作物种植种类主要有玉米和小麦。玉米作为当地主要的经济来源，全村种植面积可达91 hm2，经估算可产生的秸秆总量为1 095 t，收割后的秸秆多粉碎在地头，采集到的玉米芯由于其体积较大，一般采用低价出售的方式，同时部分家庭也会留取少许作为家用燃料。小麦作为当地的第二大农作物，全村种植面积可达87 hm2，可产生的秸秆总量约为1 095 t，产生的秸秆也多进行还田处理。最终进入家庭作为能源使用的热量约为5.86×104MJ。在畜禽养殖方面，近些年来养殖家庭的数量不断减少，畜禽种类主要是猪和羊。2020 年全村散户养殖家猪的数量约为25 只，养羊的数量约为100 只，每年产生的畜粪总量约为149 t，且多半直接暴露到外界环境中。

2.2 多情景模式下多能融合低碳体系建设

为预测不同情景模式下全村的能源利用潜力及其对碳排放贡献的水平，结合现有村落水平研究的基础上，延伸并拓宽能源的可开发性和多效利用等特征，通过加大对生物质资源以及太阳能等资源的使用强度和水平，综合考虑并评估各类型的能源在使用过程中对环境产生的友好效益，逐步实现对能源的多级利用和多能融合，构建在不同发展模式下能源使用情景。

2.2.1 基准情景能源消费潜力

基准情景模式是基于全村2015—2019 年能源使用和消费的基本情况，预测2030 年的能源结构（图2）。家庭的能源消费结构在居民消费生活水平不断升高的趋势下，电力、液化气和汽油实现5%的增长率，带来的全村二氧化碳排放量分别为685、39 t 和59 t；在公共基础设施等用能结构的构成中，由于以电力为主，因此能源消费量也是以5%计，带来的二氧化碳排放量为1.85 t。结合国务院乡村振兴政策的战略文件，通过对调研村现有煤炭使用状况的基本反馈，预计2030 年的煤炭使用量降低30%，由其带来的二氧化碳排放量为64 t。在现有政策的号召下，结合全村的发展前景，2030 年全村太阳能发电板的普及率将达到约15%，以每户家庭的安装面积50 m2进行计算，则全村可供安装的太阳能板面积为3 000 m2；在全村的共有能源装置路灯的建设中，已经实现太阳能路灯的全线安装；在太阳能热水器的使用层面，2020 年全村75%的家庭已经实现使用自由，在该情景分析模式中，预计2030 年太阳能热水器的覆盖率可达到约80%。在秸秆的使用方面，保持现有的耕地面积不变，粮食作物的产量预估比2020年增加约5%。本研究主要计算了农作物秸秆在产生沼气方面的生产潜力，得到玉米和小麦可产生沼气量为3.25×108m3，相当于6.82×109MJ能量。在畜粪的利用方面，农村家用养殖仍将是农村的重要组成部分，农村户用养殖的数量有一定程度减少，约为2020 年养殖数量的75%，其畜粪产生量约为75 t。本研究主要考虑畜粪的能源化利用过程，得到邑西里村畜禽粪便能源化可转化能量为6.05×105MJ。

图2 基准情景下邑西里村能源碳流分析（2030年）Figure 2 Energy carbon flows under the baseline scenario in Yixili Village（2030）

2.2.2 慢速发展情景能源消费潜力

慢速发展情景模式是在基准情景分析的基础上，考虑能源技术革新带来的能源及潜力变化（图3）。在家庭生活中，电力、液化气和汽油等较2020 年实现20%的增长，带来的全村二氧化碳排放量分别为822、47 t和70 t；在公共基础设施的能源消耗中，本研究假设不进行额外的扩建与增加新型的公共设施类型，仅考虑在现有能源消费结构中的能源使用量的变化情况。村委会、村卫生室、小学和公共路灯等的基本能源消耗实现10%的增长，带来的二氧化碳排放量为1.94 t。在户用光伏政策的大力推广下，越来越多的家庭利用自家屋顶的优势进行发电实现资源的自利用。在该情景中，若到2030 年全村太阳能发电板的普及率能达到约20%，则全村可供安装的太阳能板面积为4 000 m2，而产生的电力除了供应自家的能源消耗外，还可以余电上网的方式向外输送给电网，输出的能源总量为8.28×105MJ。同时在该情景下，太阳能热水器的普及率为85%，共产生约4.60×106MJ 的热量。在秸秆作为生物质能源使用方面，考虑到调研村中该类能源使用的用户年龄偏好构成，作为户用能源的燃料消耗占比减少了50%，其带来的二氧化碳排放量为1.94 t。在农作物种植方面，维持现有的种植面积不变前提下，玉米和小麦的产量实现10%的增长，将其进行能源化生产制成沼气，可以得到的总能源热值为7.11×106MJ。在养殖方面，由于养殖带来环境卫生问题，家庭户用养殖规模也将一定数量减少，全村总养殖数量为2020 年的60%。尽管养殖数量有所减少，但随着畜粪资源化利用技术的进步，其能源化利用产生的沼气量为2.42×105MJ。

图3 慢速发展情景下邑西里村能源碳流分析（2030年）Figure 3 Energy carbon flows under the conservative scenario in Yixili Village（2030）

2.2.3 快速发展情景能源消费潜力

快速发展情景模式是在基准情景分析的基础上，结合国家的双碳目标所做出的能源消费模拟情况（图4）。在家庭生活中，考虑到家中能源用具的变革及生产方式的革新，电力、液化气和汽油等商品能源的增长率为30%，带来的全村二氧化碳排放量分别为891、50 t 和76 t。公共设施的电力用能消耗增加了15%，带来的二氧化碳排放量为2.11 t。考虑到国家双碳目标的实施，环境友好型能源的使用使煤炭的使用量与2020 年相比减少70%，其带来的二氧化碳排放量约为14 t。该情景模式中，2030 年全村太阳能发电板的普及率能达到约30%，则全村可供安装的太阳能板面积为6 000 m2，户用光伏发电可用于本村的电力资源量为3.73×106MJ，同时可向外输送的电力资源量为2.68×106MJ，可实现全村范围内的电力全供给。太阳能热水器的拥有量已经达到全村的90%，可供居民家庭使用的热量为5.17×106MJ。在生物质能源的使用层面，以秸秆作为户用能源的家庭逐渐减少。在现有种植面积的基础上，玉米和小麦产量实现15%的增长，在秸秆的资源利用方面，家庭燃料消耗的热量为2.34×104MJ，产生二氧化碳的排放量为1.11 t；剩余部分可用于沼气生产，其能源量为7.45×106MJ。同样，在畜粪的资源利用的方面，猪和羊的养殖数量缩减到仅为原来的18%，可用于产生沼气的能源量为8.68×104MJ。在现有的能源结构下，全村的能源消费需求量已近饱和的状态，其在该情景下产生的沼气等资源可以输送到外界，实现供暖供热等方面的应用。

2.3 能源自给率及碳排放效应

以2020 年的能源消费分析为基础，可以看出在现阶段保持基本能源生活需求的前提下，全村每年能源消耗总量为5 925 GJ，全年碳排放总量为877 t。现阶段，尽管已有少部分家庭安装户用光伏装置，但是产生的电力能源主要进行外部输送。全村的能源除自家农田生产的秸秆外，其余均来自外部购买。

在基准情景中，全村每年能源消耗总量为6 228 GJ，全年全村碳排放总量为928 t。由于光伏发电的推广，通过自发自用和余电上网，居民住宅和公共基础设施用能所需的电力等资源已经可以实现自给自足的状态，同时还可以向外部电网输送46 GJ 的能源，仅占光伏发电总量的1.4%。纵观整个村落的能源消耗供给情况，全村能源的自给率为50.76%。

在慢速发展情景中，为保障村落内部的正常流动和运转需要的能源消耗总量为6 594 GJ，全年全村碳排放总量为987 t。在该情景分析模式中，电力已经实现自循环的状态，向外部输送的能源达到828 GJ，约为电力生产总量的19.4%。在整个村落中，能源的自给率达到52.30%。

在快速发展情景中，整个村落所需的能源消耗量为6 955 GJ，全年全村碳排放总量为1 046 t。电力已经完全实现自循环，向外部电网输送的能源量为2 678 GJ，约为电力生产总量的41.8%。在整个系统中，能源的自给率达到53.72%。

3 讨论

开展村落尺度上的能源碳排放研究是应对气候变化和实现农村可持续发展的关键举措。在数据筛选的过程中，笔者了解到居民家庭生活垃圾、作物种植及农药化肥施用等过程中带来的碳排放也是碳源的重要组成部分[22-23]，由于本研究的计算以能源为主，故相关的碳排放量并未列入其中。同时在系数的选择上，为了尽可能使计算结果更为准确，秸秆的草谷比、可收集利用系数、沼气实际转化率、畜禽粪便的可回收利用系数以及单位产沼气量等系数均以河南省及邻近地区为主，使其具有更加相似的外界环境和生产生活方式特征。选择将秸秆和畜粪进行资源化处理生产沼气，不仅是由于调研村具有丰富的上述生物质资源，而且通过走访了解到调研村具有建设沼气池的历史，2010 年在国家补助的基础上，全村建设沼气池的家庭约为60～70户，由于后续工作进展不完善且村内居民大多外出打工，全村的养殖户逐渐减少，沼气池的使用寿命相对较短，但是沼气池的构建也为后续的使用提供了基础，当地居民也拥有使用经验，故将其列入该研究情景假设中。

本研究以村落的能源流研究为基础，利用热值分析的方法核算了村落尺度上的能源流动过程，构建了村落尺度上的碳核算分析方法。根据能源需求理论，能源利用过程可以分为能源直接需求和能源间接需求[24]。对于整个村落而言，直接能源需求包括照明、炊事、取暖、制冷、交通等，而其他所有非能源产品和服务的消费所派生的能源需求都是间接能源需求。本研究主要考虑了能源的直接需求，并采用物质流的方法核算了各个过程中碳排放数量。对比其他地区的研究发现，天津的户均能源消费总量为52.53 GJ[25]，重庆市各镇的消费总量集中在24.91～63.35 GJ[26]，与本研究数值并没有明显差别。同时，笔者也考虑了该研究体系是否可以推广到其他营养元素流动的研究过程中，如陆地生态系统中的重要营养元素——氮[27]。翟家宁等[28]通过种植子系统、动物养殖子系统和农村人居子系统等的划分进行氮流的分析，其研究虽为市域尺度，但在村落的结构构成上也可相应形成各种子系统类型的划分，具体的边界流动和内外部的输出有待进一步挖掘。

在本研究中，居民家庭中的能源消费是全村能源消费的重要组成部分，随着生活水平的提高，家庭能源消费的总量不断上升，同时呈现出向更清洁、更舒适能源方向转型的趋势。但是在该过程中也逐渐凸显出一些问题，如在推行“煤改气”“煤改电”政策的过程中，国家或地方政府组织在安装过程及初期投入使用中给予了一定程度的补贴，但在后续的实际使用过程中，由于能源价格较高，当地居民会减少供暖、制冷等能源装置的使用频率，从而相应地减少能源的使用量，进而降低相应的碳排放。但是从根本上来说，能源转型过程给当地居民带来了经济负担，因此如何协调低碳建设和经济付出之间的关系也成为需要解决的关键问题之一。在本研究中，通过发展太阳能和生物质等资源，不但有助于开发更合理的能源结构，也会带来巨大的环境协同效益。因此，村落作为“碳中和”政策实施的基本单元，应在村域尺度推进太阳能、生物质能等能源的综合开发及利用，推广实行“一村一策”策略，实现市场与村落的贯通连接；同时也要注重提升村民对生物质资源的重视程度及清洁能源的普及程度，构建多能供应的能源系统，协同促进低碳乡村的建设，更好地实现农村地区的可持续发展。