低碳乡村的碳图谱建构与时空特征分析——以长三角地区为例*

邬轶群，王 竹，朱晓青，于慧芳，贾苏尔·阿布拉

引言

在过去几十年中，我国的经济高速增长与化石能源消耗和碳排放增长密不可分。统计显示，我国碳排量从改革开放之初1980 年的人均1.50 t 增长到了2020 年的10.12 t[1]，年均增长率达到了6.58%。年均近10%的高速经济增长是以牺牲资源环境为代价的，我国已然超过美国成为世界第一大碳排放国家，实现《巴黎协定》2030 年二氧化碳相较于2005 年减排60%-65%的目标显得任重而又道远[2]。

农业、农民、农村，是我国的社会与经济体系构成中的重要组成部分[3]。统计来看，全国有百万数量级的村、几万个乡镇，量大面广。乡村常驻人口占到我国总人口的36.11%[4]，且乡村人均国内生产总值占全国的约1/4[5]。然而，社会对乡村可持续和低碳化发展的认识始终不足，对乡村生态保护和低碳发展的投入较低。乡村碳排放量逐年增长，已经成为一个不容忽视的生态问题。一方面，当下乡村用能模式已经形成了牢固的“碳锁定效应”，用能的技术锁定和路径依赖导致了“碳消解障碍”；另一方面，随着城市“高耗能、高污染、高投入”产业逐步由城市向乡村渗透、转移与集聚，乡村碳排总量形成了“不可逆”的增长[6]。乡村碳排放量的不断增长，引发一系列社会、经济和生态后果，诸如农业生态环境恶化，村民身体健康受害，城乡二元矛盾加剧等[7]。由此可见，低碳语境下的乡村建设是必然趋势和使命，也是“新常态”下乡村转型发展的迫切诉求，乡村地区的低碳化也已经成为中国低碳化进程不可忽视的重要部分。

然而，现有的低碳生态乡村评价体系和规划策略，多数停留在主观评价和定性分析[8]，缺乏对乡村低碳性的定量测算，评价指标和规划策略缺乏客观的量化的碳排放数据支撑。而目前以量化的方法去计算空间地域的温室气体排放研究工作主要集中在国家、省域或大型城市层面，针对乡镇、村落等小尺度的研究比较少[9]。中国城市与乡村在产业类型、用地布局、居民生活模式、能源输入方式等方面的差异使城市的碳排放核算方法无法有效的应用于乡村评价、规划和建设中。因此如何有效地识别乡村的碳排放特征，建构具有地域适宜性的碳排评价模型，实现可持续发展与碳循环的汇源平衡，是当下乡村规划研究与实践的重点和焦点所在。

1 低碳乡村与图谱研究现状

1.1 低碳乡村理论研究与实证

从演进脉络上来看，丹麦低碳组织—GAIA 于1991 年率先提出了“低碳乡村”概念，并明确了低碳乡村的三个必要条件，低碳的农业生产用品、先进的低碳种植养殖技术及多样化的清洁能源结构[10]。之后，低碳乡村实践在其他国家进一步拓展，并具体表现为多元化特征：①英国贝丁顿（Beddington）的“零碳排”乡镇社区[11]；②法国“绿色法兰西”的低碳乡村营建策略；③韩国济州岛城邑民俗村的生态旅游开发[12]；④日本白川乡合掌村的自然环境保护基地[13]。国内关于低碳乡村的研究尚处于初级阶段，低碳乡村的探索仍然存在不成熟、不系统等问题。较为具有代表性的有清华大学吴良镛院士对于张家港乡村生态人居进行的试点探索，西安建筑科技大学刘加平院士对于云南等地的乡村生土建筑实践，浙江大学王竹教授对于黄图高原绿色窑居传统智慧的研究。

通过查阅相关文献可以发现，关于低碳乡村的研究正逐渐成为学界的焦点、热点。其中，采用数理方法定量研究的主要包括以下几个方向：①乡村碳排放的核算模型建构与评估[14，15]；②乡村碳排放的时空差异与影响因素[16]；③低碳乡村的碳空间形态与营建策略[17]；④低碳乡村的评价指标体系构建与实践[18]。相关学者的学术成果，为研究提供了思路与方法参考。然而，已有的研究尺度对个体乡村层面的关注较少。事实上，乡（镇）作为我国最小的行政单位，其碳排的微观特征与空间规律，可以作为低碳导控策略制定的重要依据。因此，关于低碳乡村的微观空间现状及影响因素等，迫切需要针对性的研究探索。

1.2 图谱概念及空间图谱应用

图谱是使用图形、图集等方式来提炼并表达复杂现象的系统性方法论[19]。图，是物体静态特征的表达，用来描述对象的现状；谱，是物体动态规律的描述，反映演变过程及时空序列的类型化特征。追根溯源，图谱方法早在医学的穴位图谱、生物学的基因图谱、物理学的光谱、波谱等领域中已被采用，都是借助图和谱的方式来解析一系列复杂现象和问题[20]。图谱概念首次被运用于空间对象的研究，是在陈述彭院士于2001 年出版的《地学信息图谱探索研究》一书中[21]，用实例揭示了如何在空间数据库的支撑下，开展空间信息图谱的构建及应用，并提出了“水文图谱”、“城镇图谱”、“景观图谱”等概念。此后，空间图谱具体的理论与应用实践不断演化，主要集中于以下几个方面：①空间图谱的概念与理论演化探究[22]；②空间图谱的方法与表达模式探究[23，24]；③空间图谱的地域实践与应用策略探究[25]。

总体来看，空间图谱的理论体系、方法模式与实践应用虽已较为成熟，但是鲜有应用于乡村或是碳排放的空间格局分析。在此基础上，研究创新性地提出乡村碳图谱概念，以地理信息系统（GIS）作为信息存储和处理的技术平台，对乡村碳排放的现状以及时空演化的特征进行数（数理）、形（图形）、由（缘由）的探究，并反映到空间的图形表达上，从而实现对乡村碳排放空间格局的直观解析（图1）。

图1 乡村碳排放图谱生成过程示意图

2 低碳乡村碳图谱模型建构

2.1 研究样本选取与数据来源

长三角区域乡村量大面广，数量多达3100 余个，占到全国乡村社区总数的9.4%，为乡村社区的研究与实践提供了大量的案例样本[26]。作为具有相对完备的基础设施与产业模式的长三角乡村，其具有产业模式多元化、营建技术现代化、生活品质类城镇化等显著的地域特征[18]，这些特征使得长三角地区的乡村“高碳化”排放特征趋势日趋明显。尤其是近年来乡村产业非农化转型，大量以加工制造业、休闲服务业为主导的“高碳排”产业植入乡村，导致乡村整体的碳排放量急剧增加，生态环境受损严重。

根据长三角乡村的不同产业主导类型，依照传统渔农型、工业生产型、休闲旅游型以及专业市场型的分类方式[27]，选取典型乡村作为研究样本。本研究涉及的数据来源主要有统计数据与实地调研。统计数据主要来自《农村能源年鉴》、环境质量报告书、网络统计数据库等。实证数据包括相关部门走访和实地调研两种方式。部门走访主要是对乡村所在的行政管理部门的数据进行收集，实地调研内容可分为三部分：行为和认知调查、空间形态调查和能源消耗调查。（1）行为和认知调查通过问卷和访谈形式，对村民日常的生产、生活内容进行记录；（2）空间形态调查，主要明确乡村碳排放的单元边界；（3）能源利用消耗调查，采用问卷调查与行政管理部门走访的形式相结合，获取相应能源消耗数据。能源消耗量数据排放因子数据参考《IPCC国家温室气体清单指南》[28]和《中国能源统计年鉴》[29]等，电力部分依据《中国区域电网基准线排放因子》[30]。

2.2 碳排放构成与测算

在乡村范围内，能量输入、转移和输出的过程结果，最终体现在碳排放的终端构成中，其中既包含生活用能（炊事、照明、电器、采暖）的碳排放，又涵盖功能空间下产业用能的直接或间接碳排放，也包括了村域内与村域间的交通用能碳排放[14]（表1）。

表1 乡村的能源消耗碳排放清单[14]

（1）生产居住碳排放测算：政府间气候变化专门委员会（IPCC）出版的《2006 年IPCC 国家温室气体清单指南》（简称《指南》），建立了碳排放核算的基本框架体系[31-32]。《指南》将有关活动水平量（Activity Data）与能耗排放因子系数（Emission Factors）的乘积，作为温室气体排放量的基本计算程式，公式如下：

其中Eh为CO2的总排放量，i 为第i 种能源，εi为第i 种能源的CO2排放系数，Ei为第i 种能源消费或使用量，n 则为能源种类数目。

（2）交通碳排放测算：主要包括乡村社区内部交通和对外交通。不同交通方式碳排量计算公式为：

估算的Ew 是根据车辆行驶距离计算的碳排总量，i 为车辆类型（如汽车、摩托车等），j 为燃料类型（如汽油、柴油等）。Ci,j为车辆数量，Di,j为每种车辆每年行驶的公里数（km），Pi,j为车辆的平均碳排放量（kg/km）。

综上，乡村人居单元的碳排总和测算公式为：Et=Eh+Ew。

2.3 碳图谱的建构与生成

（1）明确碳排放单元界域。乡村碳排放的单元包括村宅基地、工厂、市场等，通常这些单元都有明确的空间界域。此外，乡村中存在着一种普遍现象，即对宅前屋后的公共空间进行侵占、使用，通过实地空间形态调研，明确这些半公共场地的具体使用情况，并将其并入碳排放界域内[33]（图2）。

图2 乡村碳排放单元界域示意图

（2）计算单元碳排放量。基于碳排放的测算方式，计算每个单元的碳排放量，建立乡村碳排放数据库；

（3）碳排数据分级。依据获取的碳排放数据库，计算各样本内的数据均值及标准差，并由此进行分级图谱分布：低碳[min,均值-标准差），低中碳（均值-标准差，均值]，中高碳（均值，均值+标准差]，高碳（均值+标准差，max]，所有均值与标准差均取整数。

（4）碳图谱生成。根据碳排放数据的分级，分别用不同深度的色块对不同碳排放量的乡村单元进行标定[34]，最终形成整个乡村的碳空间图谱（图3）。

图3 乡村碳排放图谱生成过程示意图

3 低碳乡村碳图谱时空特征分析

3.1 碳图谱“倾向性”分布特征

相关文献指出[35]，城镇中的产业规划具有“自上而下”的特征。通常来看，第二产业的碳排空间格局呈现出明显的由内向外圈层式递增，而第三产业的高碳排空间格局则大多集聚在城市核心区内。因此，城市中的碳排放空间分布具有较强的倾向性与类同性。相较而言，产业在乡村中的分布往往具有“自下而上”的空间倾向性，不同产业主导的乡村影响要素（例如乡村道路、环境资源、村庄格局等）差异明显，从而反映到各乡村的产业空间分布特征各异，碳排格局的倾向性与集聚性各不相同。四类乡村的碳排空间图谱特征差异显著，具体表现为：

（1）传统渔农型的碳图谱空间“倾向性”较弱，没有明显的高碳区域。该类型的乡村几乎家家户户都从事渔农产业，产业模式相近，且受宅基地的区位要素影响小，因此碳排的空间差异不明显。以芦浦村为例（图4-a），乡村产业多以小渔、农家庭为主，各家各户间的产业关联性弱，没有大型的生产、加工厂，也因此没有明显的高碳排区域。

（2）工业生产型的碳图谱空间“倾向性”显著，高碳区域形态多表现为组团式块状。该类型乡村碳排单元间存在着“产业链”依托的关系，部分单元会自发形成集制造、加工、运输等功能于一体的“生产联盟”[36]，因此产业形态往往会在组团内“效仿式”扩张，也因此会有明显的区域倾向性。以大竹园村为例（图4-b），高碳排区域出现在大型工厂或者是宅基地面积较大的家庭工坊附近。同时，因为“产业链”中每个环节的产业碳排不同，例如竹加工生产过程前期的粗加工碳排量很高，而生产后期的编织等精加工碳排量相对较低，因此户与户之间的碳排差异也相对明显。

（3）休闲旅游型的碳图谱空间“倾向性”明显，高碳区域集中在交通便利的道路边缘或景观中心附近。由于对于客源的需求明显，农、渔、洋家乐集聚效应显著，多分布于交通便利沿街一带，或是风景较好的区域，更能够吸引更多的游客前来，那么这些区域的碳排值则显然更高。而可达性弱、自然资源差的单元则因为客流较少，只能间断性地在旅游旺季临时接待游客，碳排值较低。从张陆湾村的空间分布来看（图4-c），碳排的差异性从沿街向乡村内部递减，内外的差异非常明显。

（4）专业市场型的空间碳图谱空间“倾向性”较为明显，高碳区域集中在主街道或者市场附近。商住户主要沿着聚落的主街和河道两侧分布，元胞群化组织表现为线性集聚的特征。而大型市场则是乡村的“增长极”，对区域经济和人居空间产生明显的带动作用。以南北湖村为例（图4-d），高碳排区域出现于主街道或市场附近，表现为店宅一体的单元形式，而距离较远的宅地则可能只承担居住功能，因此碳排量较低。

图4 典型低碳乡村的碳排放图谱

3.2 碳图谱“周期性”变化特征

特定的乡村产业内容和性质，决定了能源消耗和碳排放量的周期性变化差异以及这种变化的波动性：

（1）传统渔农型乡村的碳排总量最小，波动性较小。该类乡村的碳源构成以农居用能和渔农业为主，农林业碳排高峰期主要集中在春、秋两季（播种、收割季节），渔业的碳排高峰期为10 月至次年4 月（捕鱼期），而低峰期则集中在5～9 月（休渔期），而农居用能碳排高峰则集中集中在夏、冬季节（图5），三者的碳排高峰期重叠时间短，因此总体的碳排波动性较平稳，波动区间在总量的50%以内。同时，由于产业特性，其碳排总量也相对较低，加之绿色植物的碳汇明显，故导致其碳排总量为四种乡村类型的最低。

图5 芦浦村碳图谱“周期性”变化特征

（2）工业生产型乡村的碳排总量最大，波动性较大。该类乡村社区的碳源构成主要为工业生产、运输用能和生活用能。由于产业链分工的配置安排，乡村的生产分配上具有半固定的规律，为应对产品需求的增减和订单节奏的变化，生产强度会产生一定的周期性变化（图6），碳排高峰通常集中在夏季（生产旺季），而低峰则在冬季（生产淡季），波动值在总量的80%以内。碳排总量根据不同乡村生产加工的具体产品不同，也会有明显的差异性，但总体仍然高于其他类型的乡村。

图6 大竹园村碳图谱“周期性”变化特征

（3）休闲旅游型乡村的碳排总量较大，波动性最大。该类乡村的碳源构成以服务业和交通为主。由于休闲旅游产业受节庆与季节的影响较大，因此碳排的波动性也最为明显，甚至达到了300%的浮动，超过了环境承受的“警戒值”。高峰多集中在2 月（过年）、5 月（劳动节）、10 月（国庆节）以及寒暑假（图7）。尤其是在民宿价格攀升的“旅游黄金周”，原先纯居住的家庭也会暂时性地经营农、渔、洋家乐，因此碳排的增加会非常明显，这两个时间点的碳排甚至超越了工业型乡村。农、渔、洋家乐的开展，伴随着大量的炊事、烧烤、制冷制暖、机动车行驶等高碳排放量，因此乡村的碳排总量也相对较大。

图7 张陆湾村碳图谱“周期性”变化特征

（4）专业市场型乡村的碳排总量较低，波动性最小。该类乡村的碳源构成主要为生活用能和服务业为主。专业市场型的碳排量周期性变化不明显，一年四季的生产经营状况差异性较小（图8）。但是，也存在着大型的“贸易展销会”等活动，会短期内急剧提高乡村的碳排，波动幅度达到50%～100%。而对于电子商务乡村（淘宝村）等，碳排的稳定性更高，基本不受气候、季节影响。而且由于这类乡村的用能以电、热能与交通用能为主，因此碳排放量也不高，总量仅约为传统渔农型乡村的1.3-1.5 倍。

图8 张陆湾村碳图谱“周期性”变化特征

3.3 碳图谱“类型化”结构特征

使用GIS 软件对于碳图谱进行空间的数据整合分析，可以更直观地发现其碳排的空间类型化结构特征：

（1）组团式的渗透格局：工业生产型乡村通过生产经营的适度集中、渗透和规模化，可以减少通勤消耗，从而提高公共配套和服务的效率。实证来看，大量工业型“小生产”簇群依托于交通、河道经济线，形成了集中、绵密的组团式空间形态。反映到碳空间图谱上（图9-A），即乡村中存在明显的碳排中心，集聚了大量的高碳排单元。同时，高碳排区域有沿着次要交通线渗透与扩张的趋势。

图9 乡村碳图谱的“类型化”结构特征

（2）耗散式的破碎格局：由于农、渔、洋家乐在空间分布上存在着高度的“交通依赖性”，导致休闲旅游型乡村的碳图谱结构特征明显。结合图9-B，该类乡村的碳排峰值区域多集中于“路网”和“河网”的交汇地，并有向外延伸和扩张的趋势[37]。但是由于农、渔、洋家乐的经营户大多为村民自建改建而成，没有明确的空间规划，主要以散点式、耗散式的状态分布于乡村中，因此，碳排图谱的高碳排集中区也呈现出“小、散、碎”的格局特征。

（3）核域式的递推格局：在专业市场型乡村中，往往以大型商贸市场为核域，统筹周边的商住聚居村落。产业联盟和交易集聚所形成的核新区，由单个或若干经济体中心为基点，向外发散式增长和递推式传播（图9-C）。分析来看，高碳排元胞集中在综合市场和交通主干道附近，并且在2～5km 范围内形成了高碳排的“核域”。越往“核域”方向远离，村落的碳排量就越低，乡村整体呈现出“辐射状”的碳排空间结构。

结语

低碳乡村营建是社会与经济绿色可持续发展的重要组成部分，建立能够量化评价乡村碳排放的空间格局方法，有助于政府决策者、设计师、乃至民众更好地找到低碳排放与生活、生产的平衡点，是以低碳为前提的乡村规划、提升、振兴的重要依据。研究提供了一种以小微乡村单元为研究主体，以生活生产的能源消耗所产生的碳排放为研究对象，以地理信息系统平台为研究支撑，以碳排放图谱为研究手段的技术方法。最终通过对长三角4 种不同产业类型乡村的实际应用，得到碳图谱的时空特征：①不同类型的乡村，高碳排区域倾向性不同，工业生产型乡村的最为显著，传统渔农型乡村的最不明显；②受产业周期性的变化，不同类型的乡村碳排放的波动性差异显著，休闲旅游型乡村的波动最大，专业市场型乡村的波动最小；③乡村碳排放图谱具有明显的“类型化”结构特征，分别为传统渔农型—散点式的均质格局，工业生产型—组团式的渗透格局，休闲旅游型—耗散式的破碎格局，专业市场型—核域式的递推格局。

研究仅是对乡村碳排放图谱的方法与实际应用进行了一个初步探究，但其还有许多可以延展的研究方向[38，39]：①碳图谱的多种维度（空间、时间、时空结合）；②碳图谱的多元类型（征兆、诊断、实施）；③碳图谱的多级层次（宏观、中观、微观）。此外，研究也将关注乡村的人均碳排放、地均碳排放、时均碳排放等特征，注重碳排放的“时—空—人”的效率分析，作为研究的衍生与拓展。当然，这需要一个长期的积累过程，也将是往后研究的侧重方向。受限于篇幅，研究中的种种细节、数据无法详尽一一展开，仅以本研究作为一个学术起点，为其他学者的相关研究提供思路与参考。

致谢：感谢浙江大学王竹教授团队的成员，对本研究的基础数据收集，研究思路建议等方面给予的帮助和指导，使本文获益匪浅。

图、表来源

文中图、表均为作者绘制。