南水北調中線水源地周邊農村地區碳排放及影響要素分析

孫 忠, 盧钖钖, 江俞瑩, 王辰華, 王澤熙

(南陽理工學院建筑學院 河南 南陽 473004)

近年來,雙碳發展成為全球熱點,我國提出力爭在2030年前實現碳達峰,2060年前實現碳中和,為了降低碳排放,中國已建立了“1+N”的碳達峰政策體系,并制定了中長期溫室氣體排放控制戰略[1]。農村地區作為第二大碳排放來源,粗放式生產及傳統生活方式使碳排放量日益增加,據統計,農業碳排放量占總排放量的7%～8%,據聯合國糧食與農業組織(FAO)的統計,農業用地釋放出的溫室氣體超過全球人為溫室氣體排放總量的30%[2],減少農村及農業碳排放,實現農業生產、農民生活、農村發展低碳化迫在眉睫[3]。為降低農村地區碳排放,Xiong和宋麗美利用擴展STIRPAT模型、XU利用地理加權回歸模型對畜牧業、農村地區建筑生命周期、農村用電及農業生產過程中碳排放進行研究[4-10];陳為公、杜威、曲建升利用LMDI分解法等方法對碳排放影響因素分析[11-13],明確碳排放影響因素,尋求減碳策略,但這些研究多集中在農業生產或日常生活的某一方面,缺少農村地區綜合性碳排放研究,并且多以全國、省等為研究范圍,研究適用性及針對性不強,對社會發展中具有較大影響的區域碳排放及生態安全問題重視不夠。南水北調中線水源地作為我國重大生命線工程,其周邊主要為淅川縣農村地區,由于目前生態環境保護不夠,產業發展粗放,嚴重影響著水源地生態環境及水質安全,因此對其碳排放及影響要素分析,并制定合理的減碳策略,不僅能夠保護區域生態環境,也能保證丹江口水庫水生態安全,在為中國特殊生態保護區域低碳發展提供策略的同時,也能為世界雙碳目標的實現作出應有的貢獻。

1 南水北調中線水源地周邊農村碳排放分析

河南作為農業大省,糧食產量居全國首位,而南陽又是河南省糧食主產區,淅川是南陽市重要組成部分,南水北調中線水源地丹江口水庫就位于淅川縣,南水北調中線水源地周邊農村地區碳排放對水源地的水質及水安全等影響較大,對南水北調中線水源地周邊農村地區的研究也主要是對淅川縣農村地區進行研究。由于南水北調中線水源地保護需要,淅川縣農業發展受到較大限制,農業現代化程度較低,但農業生產中農藥、化肥、地膜等使用量較高,同時灌溉用水、用電較多,村莊畜牧養殖數量較多,但規?；潭炔桓?畜禽糞便處理方式落后,村民生活能源仍以秸稈、煤炭為主,同時村莊建設及內部環境相對較差,村民交通出行方式落后,碳排放較高。南水北調中線水源地周邊農村地區碳排放來源于以下幾個方面: (1)種植業及養殖業碳排放,農業生產過程中翻耕、施肥、灌溉、除草、打藥、覆膜等產生的碳排放和牛、羊等動物糞便及反芻產生的大量廢氣等。(2)居民日常生活中能源使用及日常生活碳排放,包括:煤炭(焦炭、木炭、無煙煤、煙煤等)、成品油(汽油、柴油、煤油)、電力、燃氣(液化氣和天然氣)等碳排放。(3)生活垃圾處理、污水及農業秸稈和畜牧業自身代謝過程中碳排放。(4)居民日常生活間接碳排放,包括生活必需品(食品、衣服、醫療保健、居住)和家庭設備、交通、通訊、文化教育及其他商品和服務等。

2 南水北調中線水源地周邊農村碳排放測算

2.1 碳排放測算方法

在對碳排放測算時,根據村莊實際情況,結合相關文獻,選取4大類31小類碳排放測度指標,并借鑒段華平、李波、肖娥芳、祁巍鋒、陳瑤等研究成果和IPCC 碳排放計算指南、國家發展改革委對碳排放折算系數規定[14-15],測算南水北調中線水源地周邊村莊碳排放。

(1)碳排放測算方法

對南水北調中線水源地周邊農村地區某一年碳排放量測算時,采用的方法為

(1)

其中:E為某年農村碳排放總量,以萬噸二氧化碳量度量;Ai為第i種碳源碳排放量;n為碳種類。

(2)各類碳排放量測算方法及折算系數

1)農業生產過程碳排放

包括土地翻耕中農業機械使用消耗化石燃料(柴油、電力等)所產生碳排放,化肥、農藥、地膜生產和使用過程中引起的碳排放,農業灌溉中電能碳排放(見表1)。計算公式為

表1 農業生產過程中碳排放折算系數

A1=Pf*Df+Pn*Dn+Pd*Dd+Ph*Dh+Pg*Dg

(2)

其中:A1為農業生產過程碳排放量;Pf為化肥施用量;Pn為農藥施用量;Pd為地膜施用量;Ph為每年的耕地面積;Pg為每年農田灌溉面積;Df、Dn、Dd、Dh和Dg分別為化肥、農藥、地膜、耕地及農田灌溉的碳排放折算系數。

2)農村生活能源消費碳排放

為日常生活中能源和燃料使用碳排放,包括家庭用電、煤炭、焦炭、汽油、柴油、煤油、液化氣、天然氣和柴油。由于農作物秸稈是農業產業的重要指標,因此將農作物秸稈產生的碳排放在農村產業中測算(見表2)。

表2 農村生活能源消費碳排放折算系數

農村生活能源消費碳排放計算公式為

(3)

其中:A2為農村生活能源消費碳排放量;N1為農村生活能源消費碳排放;γ1為所在電網的碳排放因子;N2i為煤炭、焦炭、汽油、煤油、柴油消耗量;γ2i為煤炭、焦炭、汽油、煤油、柴油碳排放因子;N3j為液化氣和天然氣消耗量;γ3j為液化氣和天然氣碳排放因子。

3)農村居民日常生活碳排放

包括生活必需品,如食品、衣服、醫療保健、居住和家庭設備、交通、通訊、文化教育、其他商品和服務等碳排放及日常生活中生活污水處理和生活垃圾處理碳排放(見表3)。

表3 農村居民日常生活碳排放折算系數

計算公式為

(4)

其中,A3為農村居民日常生活碳排放量;Mi為食品、衣服、醫療保健、家庭設備、交通和通訊、文化教育及其他商品和服務等費用;Ci為食品、衣服、醫療保健、居住家庭設備、交通、通訊、文化教育及其他商品和服務等碳排放折算系數;Mw為生活污水排放量;Cw為生活污水碳排放折算率;Ms為生活垃圾排放量;Cs為生活垃圾碳排放折算率。

4)村莊產業發展碳排放

村莊產業發展碳排放不僅包括農業產業碳排放,也包括畜牧業碳排放(見表4)。在對農業產業碳排放量計算時,根據農作物秸稈量和每年畜牧養殖數量計算[16]。由于畜牧業包括多種動物,其生長時間和飼養周期差別較大,為統一計算標準,根據每種動物年末存欄量和每年出欄量進行調整[3、17-18]。

表4 農業發展碳排放折算系數

其計算公式為

(5)

其中:Fj為農作物j的年產量,CRIj為j的草谷比;D為秸稈的碳排放折算系數;Sp為動物p的年飼養數量;CRp為動物p的碳排放量。

2.2 南水北調中線水源地周邊農村地區碳排放量測算

(1)數據來源

數據來源為2005—2022年南陽市統計年鑒、南陽市農村統計年鑒、南陽市農業年鑒、淅川縣人口統計數據、三調數據及現狀調研(各類作物面積)、利用遙感影像和調查數據分析自2005年淅川縣土地利用情況,并根據實際調研數據,結合各年作物產量及種植面積計算。

(2)水源地周邊農村地區碳排放測算

根據收集及整理數據,同時依據公式1對碳排放測算,2005—2022年農業生產過程碳排放、農村生活能源消費碳排放、農村居民日常生活碳排放、村莊產業發展碳排放和總排放量如圖1。

圖1 農村地區碳排放量測算

(3)水源地周邊農村碳排放量變化情況

由圖1可知,南水北調中線水源地周邊農村碳排放總體呈增長趨勢,其中2012—2015年增速略有下降,2016年大幅增加,2020—2022年下降較大。2014年前南水北調工程建設,周邊區域大量移民,人口數量減少,碳排放量有所下降,南水北調中線工程運行的幾年中,碳排放量相對較為穩定。但近年來,村莊居民生活水平提高、生活方式、能源結構變化使碳排放量增速減慢,特別是生活能源中電能的使用。隨著農村居民生活水平的提高,在衣、食、住、行等方面均有較大改善,成為碳排放量居高不下的主要原因。此外,農藥、化肥、農膜等大量使用量,也成為碳排放逐年增加的誘因,但近年來隨著畜牧養殖規?？s小,畜牧業碳排放量減少,使總體碳排放量增長率下降。受疫情影響,2020—2022年居民在衣、食、住、行等方面消費大大降低,碳排放量發生較大變化。

3 南水北調中線水源地周邊農村碳排放影響因素分析

3.1 碳排放量影響因素分解及測算

為了對碳排放量變化及影響因素分析,根據東京大學教授Yoichi Kaya 所創的KAYA 恒等式[19],采用對數平均權重Division指數法[20]從農業發展水平、農村能源結構、農村能源效率、農業產業機構、農村消費結構及農村碳排放強度等因素量化分析,公式表達為

(6)

公式中,E為碳排放量;NG為農業增加值;NP為農村人口規模;NX為農村能源消耗量;NGDP為農村總值 ,NJ為農村基本生活碳排放量。NG/NP代表農村農業發展水平;E/NX代表農村能源結構;NX/NG代表農村能源效率;NF/NGDP代表農村農業產業結構;NJ/NF代表農村消費結構;NGDP/NJ代表農村碳排放強度。為了簡化計算和消除度量差異,統一采用產值。

由于LIMD中要素分解結果較為一致,為了對不同年份碳排放量影響因素計算,采用加和分解方法進行要素計算,即

(7)

根據不同年份碳排放與基年碳排放量差異,得出碳排放量受農業發展水平、農村能源結構、農村能源效率、農業產業機構、農村消費結構、農村人口規模及農村碳排放強度等因素影響,其表達式為

(8)

在對某個因素分析時,假定其他6個因素不變,僅該因素變化引起農村碳排放量E的變化,如△GP的含義是假定EN、XG、FG、GJ、JF、P這6個要素不變,僅有△GP引起的碳排放量變化,其公式表達為

(9)

利用上述方法,對南水北調中線水源地周邊農村地區碳排放影響因素量化分析,得出各因素影響情況如圖2。

圖2 南水北調中線水源地周邊農村地區碳排放影響因素變化情況

3.2 碳排放量影響因素結果分析

(1)地區農業發展水平、農村能源結構、農村消費結構呈現平穩增加,與農村碳排放趨勢較為一致,這些也是影響碳排放主要因素。相比2005年,地區農業發展水平碳排放貢獻率達到50.07%,對碳排放影響較大;由于農村能源結構變化不大,能源結構對碳排放貢獻不大,碳排放貢獻率為-4.34%;農村消費結構對碳排放量影響較大,成為影響碳排放的主要因素,碳排放量貢獻率達到344.49%。由此發現,農村消費結構提升使碳排放量在未來一段時間將有較大提升,這也是南水北調中線水源地周邊農村地區碳排放量居高不下的原因。

(2)農村能源效率、農業產業結構呈現下降趨勢,與碳排放量趨勢相反,對碳排放具有一定抑制作用。相比2005年,農村能源效率變化對碳排放貢獻率達到-14.01%,呈抑制現象,其對碳排放抑制作用影響處于第3位,整體影響不大。農業產業結構貢獻率達到-41.57%,說明農業產業結構調整對碳排放有較強抑制作用,未來應加快農業產業結構調整,提高農村能源效率,實現低碳經濟發展和區域低碳發展。

(3)農村碳排放強度整體呈現出先降后增趨勢,對碳排放的影響相對較小,對碳排放抑制作用居于第2位,其貢獻率為-24.01%。為了實現低碳經濟發展,提高南水北調中線水源地周邊生態環境,確保生態安全,也應降低農村碳排放強度,降低區域碳排放量。

4 南水北調中線水源地周邊農村地區低碳發展策略

通過對南水北調中線水源地周邊農村地區碳排放量及影響因素分析,明確了碳排放量居高不下的原因,因此提出以下低碳發展策略,通過策略的實施,降低碳排放量,實現生態環境保護及地區經濟的快速發展,形成高效循環發展模式。

4.1 加快農村地區農業產業結構升級,降低農藥、化肥、地膜等使用量

提高農業的精細化、集約化和科學化生產,以質量要效益,實現精耕精種精作和“綠色、節能、高效、生態”等低碳農業發展,減少農業生產中一次性材料使用量,以最低投入實現最高的生產質量和水平。在村莊農業發展中,為改變村民的傳統農業種植方式及農業種植模式,應大力推廣訂單農業、互聯網農業、地理標志產品的種植等,如提高香花辣椒等品牌知名度及種植模式。加快農業產業結構升級,推廣和使用低能耗及低投入的農業種植方式,利用滴灌等方式,降低農業生產中化學投入品的使用,利用生物治理方式改變傳統的農業生產中化肥、農藥、除草劑使用,實現農業的高效清潔生產,降低農業生產中各種碳排放。

4.2 優化農村地區能源結構,提高能源利用效率,降低碳排放

目前,南水北調中線水源地周邊農村地區仍以傳統能源為主,農村產業發展中,也有大量的畜禽養殖,但規?；?、集約化和標準化不足,對環境污染較大[21],必須推動畜禽廢棄物的清潔化處理,充分利用大型養殖場建設集中的沼氣設施對畜禽糞便處理,為周邊村莊集中供氣,并將沼渣和沼液作為農業生產中的肥料,提高資源循環利用效率,實現節能減排。對交通方便的散養戶,應以政府為主導,采用“車輛流動收集方式”,將分散的動物糞便集中起來進行資源化再利用。

4.3 加快村莊、山體、水體改造,增加太陽能光伏板覆蓋率

為降低居民日常生活中用電碳排放,應加快村莊太陽能改造,提高清潔能源利用能力。充分利用建筑屋頂,增加太陽能光伏板及建設涼亭等。在村莊公共服務設施及旅游設施建設時,把光伏建材產品納入建筑設計中,利用太陽能光伏板建設屋頂及外墻。在村莊內部采用太陽能路燈,并在公共活動區域建設一些太陽能連廊、步道及平臺,同時建設太陽能充電樁等。在對山體、水體改造時,在山地陽面建設“太陽能+果樹種植”的現代農業模式,實現農業生產與發電之間的陽光共享,既增加內部通風及光照,又提高了產量和水果品質。同時利用村莊內部及周邊坑塘,進行太陽能與水產養殖的一體化發展,形成“上可發電、下可養魚”的模式,既能為水產養殖提供能源,也能將多余電能供其他居民使用。

4.4 加強廢物利用,實現無廢村莊建設

為降低農村碳排放,加快無廢村莊建設,對各類垃圾回收利用,實現廢棄物的減量化、無害化和資源化處理,減少廢棄物處理帶來的碳排放。對村莊監護分類處理,將建筑垃圾作為房屋、道路建設等回填材料,對于生活垃圾,全面推廣垃圾分類處理,對塑料、易拉罐、紙等回收,對其他垃圾無害化處理及焚燒發電等,對于廚余垃圾集中回收作為沼氣等原料或進行集中堆肥作為有機肥使用。對于農業生產中大量秸稈,進行分類回收、利用制作工藝品,同時也能作為畜牧養殖草料及生物質能發電等原材料。對農村污水進行生態化處理,通過生態濕地等多重過濾后作為農田灌溉等用水。

4.5 改善傳統粗放式消費觀念,樹立低碳村莊建設意識

為降低農村地區碳排放,應改變農村地區傳統粗放式消費方式,實現生活、居住等方式的低碳化。在村莊建設中節約和集約利用土地,加強村莊內部環境的綠化、美化和垃圾收集設施建設,提高村莊及周邊生態環境資源的保護及利用,提高村民環保意識。在農房建設中,優先使用節能及可再生建筑材料,增加建筑自然通風、采光,并提高建筑保暖及隔熱技術。大力發展農村公共交通,提高綠色出行,建立便捷及高覆蓋率的農村公交系統,建設一些環丹江口水庫騎行、步道等,在村莊內部建設集中太陽能充電設施,增加電動汽車、電動自行車的使用效率,同時在村莊內部及周邊區域,建設太陽能道路,降低燃油汽車、摩托車的使用,鼓勵游客及村民采用自行車及步行方式出行。在經濟發展中也應樹立低碳意識,以生態、低碳、綠色等產業發展為主,利用丹江口水庫發展一些觀光旅游、休閑農業、特色農業等。

5 結論

通過利用KAYA 恒等式對碳排放量測算,并利用Divisia 指數和LMDI法對碳排放影響因素分析發現,南水北調中線水源地周邊農村地區碳排放量逐年增加且總量較高,農村碳排放強度整體呈現出先降后增趨勢,村民生活方式、產業發展模式、村莊建設、能源結構等對碳排放影響較大,其中地區農業發展水平、農村能源結構、農村消費結構是影響碳排放的主要因素,農村能源效率、農業產業結構對碳排放有一定抑制,大量的碳排放對丹江口水庫水質及水安全造成一定影響,在村莊未來發展中應加快農村地區農業產業結構升級,降低農藥、化肥、地膜等使用量,實現農業的高效生產、清潔生產,并提高土壤固碳能力;同時優化農村地區能源結構,增加太陽能使用率及發電效率,并推進畜禽廢棄物的清潔化處理及再利用,并采用不同方法對不同類型垃圾分類處理及回收利用,實現無廢村莊建設;同時也要改善傳統粗放式消費觀念,樹立低碳村莊建設意識,利用丹江口水庫優勢發展休閑旅游等產業,實現村莊低碳發展的同時,確保村莊環境保護和社會的和諧穩定發展。