循环经济视域下北方低碳农业发展策略研究

陈映珠，王 丹，赵雪妍，徐 蔚，宋冰心

（东北林业大学园林学院 黑龙江，哈尔滨 150006）

我国承诺在2030 年前力争使CO2排放达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。长期以来，农业领域的碳达峰、碳中和问题并未得到足够的重视。实际上，农业既是不可忽视的温室气体排放源，也是蕴含巨大减排与抵消潜力的碳汇系统。“十四五”时期，我国生态环境保护将进入减污降碳协同治理的新阶段，使得“双碳”（碳达峰、碳中和）目标的实现与乡村治理具有不可分割的联系。

北方农村部分地区在资源利用、低碳意识、生产生活水平等方面仍处于落后水平。在生产生活中，仍然存在能源结构不合理、乡村环境差、粪污资源利用不得当、化肥使用过量等问题，同时，村民对低碳、循环农业模式认识片面，种种生产生活问题亟待解决。

1 发展低碳农业和循环经济的重要意义

1.1 实施低碳农业是降低碳排放、维护生态环境的重要举措

北方是我国的粮食的主要来源，主要从事旱地农业。随着经济发展与人口增长，北方地区对粮食和农产品需求不断增加。尽管已有研究表明，北方地区农业碳排放量小于南方，但北方农业碳年增长量比南方区域高1.2 倍，并呈现逐年上升态势。同时，各种高碳农业严重破坏生态环境，造成生态危机。

低碳农业的特征主要为节约高效、优质环保、现代集约，尤其对于保护环境和能源合理利用具有重要意义。实行低碳农业，有利于进一步推进农业绿色发展，促进降污减碳协同增效。

1.2 发展循环经济是实现碳中和、推动乡村振兴的有效途径

碳循环是实现碳中和的重要途径之一。发展循环经济，促进碳循环，对推动实现碳达峰、碳中和，促进生态文明建设具有重大意义。

循环经济是一种以能源节约与循环利用为特色、有效促进农村环保建设的经济增长方式。在双碳目标提出后，循环经济被赋予了新的使命。2021 年3 月，发布的“十四五”规划纲要中提出“全面推行循环经济理念，构建多层次资源高效循环利用体系”；2021 年10 月，中共中央、国务院发布《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，将“节约优先”作为落实碳达峰、碳中和目标坚持的五大原则之一，把节约能源资源放在首位，实行全面节约战略。随后，国务院印发《2030 年前碳达峰行动方案》，明确指出要“抓住资源利用这个源头，大力发展循环经济，全面提高资源利用效率，充分发挥减少资源消耗和降碳的协同作用”，将循环经济助力降碳行动作为重点实施的“碳达峰十大行动”之一。

2 北方农村低碳农业发展现状及问题

2.1 作物生长受气候影响大，废弃物处理问题严峻

北方地区是指秦岭—淮河一线以北、内蒙古高原以南、大兴安岭、青藏高原（乌鞘岭）以东、渤海和黄海以东的广大地区，以关中地区，关东地区，华北地区，东北地区为主。气候类型以温带大陆性气候为主，温带季风气候为辅。冬季温度在0℃以下，对作物生长、沼气发酵不利。常年降水量较小，季节分配不均匀，大部分集中于夏季，造成易发生旱涝灾害和雨水资源不能有效利用的问题。

大量农业废弃物的处理是北方农村的环境问题之一。农业废弃物包括农作物秸秆和畜禽粪便。秸秆的处理为部分还田和焚烧。秸秆焚烧过程中产生大量氮氧化物、SO2、碳氢化合物和烟尘，阳光下会产生二次污染物，如臭氧，导致温室气体大量排放。对于牲畜粪便的处理，大量农户不加工直接堆放，影响环境卫生。粪便中的虫卵等容易孵化，对农作物造成危害。牲畜粪便不经过无害化处理直接还田，会进行二次发酵，产生大量热量导致土壤温度偏高，造成农作物烧苗或者烧根，影响农作物生长发育。对于生活垃圾和人的粪便的处理，往往是堆放在院落中的粪坑内等待自然降解，容易污染地下水。

2.2 农业生产生活的能源结构不合理，碳排放量提高

北方农村生产生活的主要能量来源是生物质能源及煤炭，约占总能源种类的60%，其中生物质能源主要来自作物秸秆和薪柴的燃烧，燃烧释放出的大量碳氧化物会增加碳排放。直接燃烧秸秆，秸秆中的能量利用率仅能达到20%。而秸秆制备沼气的生化反应由于生产水平和气候影响，发生情况往往不理想，导致这种方法极少被采用。此外，农户由于缺乏认识，往往为了省钱省事而直接焚烧秸秆，且对新能源比较抵触。

农户主要的能源使用途径是家庭供热和烹饪能量。家庭供热主要来自煤炉中的煤炭燃烧。烹饪能量主要来自煤炭、秸秆、液化石油气的燃烧和电能，其中液化石油气价格低廉、使用方便，在农村家庭中被广泛使用。化石燃料中的大量碳被引入农村，由于家庭燃烧而被释放出来，无形中提高了农村的碳排放量（见表1）。

表1 山东省2020年农村能源使用情况

2.3 农业生产方式不合理，产能低下的同时破坏生态环境

我国北方农业大部分还处于粗放式生产的阶段，许多生产方式极易对生态环境产生破坏。农业生产方式的不合理性主要体现在以下几个方面：一是土地的不合理开发。导致耕地面积减小、水土流失严重和土地利用模式改变。二是农业施肥不合理。导致有机质降低、土壤退化和病虫害频繁，生态系统变脆弱。化肥使用过程中产生的温室气体也导致大量的碳排放。三是农业灌溉方式不当。目前北方大部分的农村都没有使用节水灌溉，从而造成了大量的水资源浪费。四是农村缺乏固碳减排技术支撑。虽然我国已有一定的研究成果，但由于各方面的制约，乡村固碳减排、节能减排的技术力量依然有待提高。

2.4 农户总体素质不高，个体农户难以承担碳减排的责任

我国北方农村人口众多，传统的耕作观念深入人心，单一的推广既不够全面也不够有效。农户对于农业发展的意识和节能减排意识普遍不高。现今农业发展模式亟需转变，农业需要大量的对口人才输入和大量的农学专家参与农业活动。

农业资源分散分布，农户分散生产。“大国小农”是中国具有国情和农情。在目前和未来很长一段时间，小农户运营将会是中国农业的主要经营模式，这决定了“双碳”目标下的农业发展不能忽略小农户。但是，因为我国小农户缺乏足够的管理经验，所以很难独立承担碳减排的责任。

2.5 相关法律政策尚未健全，地方政府投资力度不足

政府的功能是通过相应法律、法规的制定、监督和实施来实现社会环境。而部分地方政府追求政绩，侧重推动实现效果比较好的行业，而为农业生产提供的经费、技术和政策的支持不足，使其无法适应现代低碳农业建设的需要，以致低碳农业发展缺乏助力。

3 北方农村低碳农业发展策略

3.1 发展循环经济，开展低碳农业

低碳农业具有低能耗，低物耗的特点。循环经济是解决我国人地矛盾日益激化，优化低效益、高污染的传统农业生产方式的重要途径。如在庭院内将秸秆和牲畜粪便等农业废弃物加以无害化处理，作为有机肥料和沼气等新能源的生产原料，使碳在动物、植物和土壤间循环利用，从而减少农业废弃物的堆放，美化乡村环境。农业循环经济通过构建“农业资源—农产品—废物循环利用”的体制，可以实现经济发展与生态平衡的协调，实现促进农业经济良性发展的循环经济体系，使农业资源短缺和土质退化的农业问题得到根本性解决。

3.2 改善能源结构，建立清洁能源服务体系

农村能源就是为适应农业生产需要、农村工商业经营及农民生活所需所生产的能源。近年来，燃煤量的加大以及使用传统柴灶取暖煮饭，冬季农村面源污染比较严重，成为环境污染治理中的一个重点。改善能源结构，要建立农村清洁能源收储-加工产业链体系，因地制宜地鼓励在庭院内使用风、光、生物质、地热等多能互补的低碳能源供给体系；进行庭院农房建筑节能改造，应用低成本围护结构；研究推广清洁高效炉具、生物质直燃锅炉等炉灶产品，提高能源利用效率；构建农村清洁能源处置制度，以市场为导向构建秸秆收储和加工产业链，为农民和城乡之间提供清洁能源产品。

3.3 改善传统耕作方式，进行技术革新

在农业生产的过程当中，传统形式生产方式应逐步改善。如科学合理地施用农药和化肥，减少土壤及水资源污染。推广动物粪便为原料的农家肥，如生物肥和复合有机肥。加强对生物型农药的研究，选用抗病植株，减少农药的使用频率。北方旱区水资源匮乏，要积极推广采用渠道防渗、低压管灌、喷灌、微灌等节水灌溉模式，并合理收集利用雨水，促进自然界中的水循环，节约农业用水。发展多元的庭院经济运作模式。如四川省石棉县，针对脱贫攻坚主要面临的耕地面积少、农民增收难和劳动力不足等困难，推动发展具有多种模式的庭院经济，如“庭院+种植养殖”“庭院+电商”“庭院+产旅融合”几种模式。除了保障自己的食用供给外，还可以增加收入。

3.4 完善庭院经济发展模式，积极开展农业合作机制

首先，要大力发展新型农业合作机构。优化庭院经济“农户加企业”“农户加合作社”等发展模式，设置乡村庭院为主，在政府的指导下和企业的支持下的农村经济产业链。建设农民的专业合作社，根据农户的生产类型进行合理分组合作，促进农户交流，推动现代农业的发展。其次，要实行农业规模化管理。以土地承包关系为依托，发展可以增加农产品附加值的集中型规模生产。最后，大力发展农产品加工，形成集聚效应。由龙头企业牵头，推动加工业发展，形成品牌效应，进一步加大农产品的附加值。

3.5 建立激励机制，进行高碳限制

激励机制运用于低碳农业可分为许多途径，例如，实行优惠政策、资金支持和生产补贴。除进行鼓励外，也要进行限制，如政府制定相关法规，针对高碳农业，农户要承担相应的生态污染补偿费用，这会在无形中提高高碳农业的发展成本，进而使农民逐步放弃高碳生产，促进高碳农业逐步向低碳农业过渡。发展低碳农业，资金基础必不可少。要有相应的法律保障和惩罚机制，扶持农业发展，形成发展良好氛围，为农业设立经费，人才与科技的平台等。同时对农业项目给予一定的资金支持，加大农田水利和废气处理等方面的经费投入，健全相关法律和法规，建构高碳农业生产限制条件，鼓励人民群众依法维护生态环境。

4 北方农村庭院低碳循环农业装置设计与研究

4.1 北方农村庭院低碳循环农业装置设计

为改善生产方式、利用清洁能源和展开农业合作，本研究基于循环经济和低碳农业发展策略设计了一种北方农村庭院低碳循环农业装置，通过雨水收集、粪尿分集、沼气发酵和光伏发电等技术，解决气候影响、粪污与废弃物处理、生产方式和能源结构不合理和农户个体难以实现节能减排的问题。

4.1.1 装置结构

种植区和养殖区如图1、图2所示。

图1 养殖区剖面图

图2 种植区剖面图

4.1.2 工作原理

北方农村庭院低碳循环农业装置主要由四大系统组成，通过粪污处理、沼气利用和雨水收集和种植区与养殖区的气体交换，保温控制系统调控，实现碳循环，从而达到减污降碳的目的。

（1）粪污处理系统。粪污处理系统主体为粪尿分集装置，主要处理养殖区牲畜的粪便和尿液，通过粪尿分集提高粪污的利用率，同时处理一部分农业废弃物，生成对农业生产生活有益的有机肥料和沼气，实现碳的循环使用，降低碳排放。具体工作流程如下：牲畜的粪尿通过漏缝板进入地下粪尿分集装置，首先经过过滤网进行第一次分离，再经过导粪滤板进行第二次分离，得到较为纯净的尿液和含水量较少的粪便，粪便通过导粪滤板进入储粪池发酵，沤制成有机肥。尿液通过导粪滤板后储存在其下方，有需要时遥控电动密封盖打开，使尿液进入沼气发酵区来制备沼气。投料口可投入秸秆等农业废弃物作为发酵的原料。

（2）沼气利用系统。沼气利用系统主要由导气管、沼气气阀、储气袋和沼气灯组成。通过收集和存储沼气控制沼气使用，通过沼气灯发光发热和释放CO2为种植区的作物提供养料，作为碳循环的途径之一。具体工作流程如下：导气管连接沼气发酵区，沼气沿导气管进入储气袋，储气袋连接沼气气阀，可通过遥控控制沼气气阀开闭，进而控制沼气灯的使用和沼气的取用。

（3）雨水收集系统。雨水收集系统主要由双层棚膜、导水槽、过滤箱、导水箱和储水箱构成。通过对雨水的收集和过滤，对雨水进行储存和利用。具体工作流程如下：雨水沿双层棚膜流入导水槽，导水槽内有向两端倾斜的斜坡，雨水顺着斜坡流入大棚两侧的水箱中，再通过水箱流入由隔板一分为二的储水箱中，进行分别储存。其中，两侧的水箱中，种植区一侧为导水箱，用于引导雨水流入储水箱，种植区与储水箱连接处设置有水龙头，可直接将雨水用于种植区的灌溉；养殖区一侧为过滤箱，其内含有第一净水层和第二净水层，可对雨水进行过滤净化，雨水穿过净化层后，通过导水板进入储水箱，养殖区与储水箱的连接处也设有水龙头，用于养殖区牲畜的饮用或清洁。

（4）保温控制系统。保温控制系统主要由太阳能光电板、太阳能蓄电池、贮热水器、进水管、出水管、换热管和换热箱组成。通过对太阳能的利用实现温度控制，确保沼气池内的化学反应稳定进行，并使装置内部维持适宜的温度，是碳循环运行的可靠保障。太阳能光电板将吸收的太阳能转化为电能，储存在太阳能蓄电池中，利用电能加热贮热水箱中的液体。通过遥控控制进水管、出水管以及其上的循环泵和控制阀门，调节换热管和换热箱内的温度，使沼气发酵区和种植区的温度稳定在合适范围内。同时，太阳能蓄电池内为整个装置提供电能。

4.2 基于北方农村庭院低碳循环农业装置的发展模式

4.2.1 低碳循环模式（见图3）

图3 低碳循环模式示意图

在装置中，种植区茎叶果废弃物喂养牲畜，农田中废弃的秸秆和牲畜尿液用于生产沼气，产出的沼气为沼气灯供能调节大棚光照和温湿度，牲畜粪便发酵而来的有机肥、养殖产生的各种温室气体、沼气灯排放的二氧化碳、沼气池的沼渣作为肥料回归农田，沼液用于杀菌、肥田。同时，产生的沼气可以代替天然气等化石燃料供农户使用。

该种养殖模式，科学合理地利用了种植活动产生的作物废弃物、换用了可再生的清洁能源——沼气，利用牲畜粪便减少了化肥和农药的使用，实现了循环经济。既降低了养殖成本，提高了蔬菜瓜果的品质，又有效地解决了畜圈卫生、秸秆气化、土壤肥力下降、乡村街道杂乱等问题，极大的提高了经济效益，有效地减少碳排放，使乡村面貌焕然一新。

4.2.2 生产运作模式

个人生产模式：农户将规格较小的本装置安装在庭院内，形成庭院经济，将生产出的农作物售卖或供给为自家食物。合作生产模式：各村镇合作社牵头，由政府拨款，进行棚膜、沼气池、沼气灯等农林器械生产工厂的招商和组织。以2～4户种养殖品类相同或者互补的农户为一组（养殖户+种植户、养殖户+种养户、种植户+种养户、种养户+种养户），建造规格较大的本装置或将原有大棚进行改造，组织各农户进行合作生产。在生产过程中，各农户通力合作，种养结合，知识共享，互助生产。

5 总结与建议

我国农业正处于减污降碳、绿色发展的新阶段，在“双碳”背景下，北方农业生态系统作为保障我国粮食安全和生态安全的主体,发展循环经济和低碳农业既是必然趋势，也是动力和挑战，对于全面推进乡村振兴、构建美丽乡村有重要推动作用。本文从环境、能源、生产、个体和政府层面五个层面梳理了北方农村低碳农业发展现状及问题，然后提出相应的解决策略，最后引出北方农村庭院低碳循环农业装置的设计思路与装置结构。该装置可行性高，减污降碳效果明显，建议广泛推广使用。同时，农业绿色低碳发展技术和模式的应用和普及仍需重视和加大力度，循环经济和低碳农业的发展仍旧任重道远。