南水北调中线水源地周边农村地区碳排放及影响要素分析

孙 忠, 卢钖钖, 江俞莹, 王辰华, 王泽熙

(南阳理工学院建筑学院 河南 南阳 473004)

近年来,双碳发展成为全球热点,我国提出力争在2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和,为了降低碳排放,中国已建立了“1+N”的碳达峰政策体系,并制定了中长期温室气体排放控制战略[1]。农村地区作为第二大碳排放来源,粗放式生产及传统生活方式使碳排放量日益增加,据统计,农业碳排放量占总排放量的7%～8%,据联合国粮食与农业组织(FAO)的统计,农业用地释放出的温室气体超过全球人为温室气体排放总量的30%[2],减少农村及农业碳排放,实现农业生产、农民生活、农村发展低碳化迫在眉睫[3]。为降低农村地区碳排放,Xiong和宋丽美利用扩展STIRPAT模型、XU利用地理加权回归模型对畜牧业、农村地区建筑生命周期、农村用电及农业生产过程中碳排放进行研究[4-10];陈为公、杜威、曲建升利用LMDI分解法等方法对碳排放影响因素分析[11-13],明确碳排放影响因素,寻求减碳策略,但这些研究多集中在农业生产或日常生活的某一方面,缺少农村地区综合性碳排放研究,并且多以全国、省等为研究范围,研究适用性及针对性不强,对社会发展中具有较大影响的区域碳排放及生态安全问题重视不够。南水北调中线水源地作为我国重大生命线工程,其周边主要为淅川县农村地区,由于目前生态环境保护不够,产业发展粗放,严重影响着水源地生态环境及水质安全,因此对其碳排放及影响要素分析,并制定合理的减碳策略,不仅能够保护区域生态环境,也能保证丹江口水库水生态安全,在为中国特殊生态保护区域低碳发展提供策略的同时,也能为世界双碳目标的实现作出应有的贡献。

1 南水北调中线水源地周边农村碳排放分析

河南作为农业大省,粮食产量居全国首位,而南阳又是河南省粮食主产区,淅川是南阳市重要组成部分,南水北调中线水源地丹江口水库就位于淅川县,南水北调中线水源地周边农村地区碳排放对水源地的水质及水安全等影响较大,对南水北调中线水源地周边农村地区的研究也主要是对淅川县农村地区进行研究。由于南水北调中线水源地保护需要,淅川县农业发展受到较大限制,农业现代化程度较低,但农业生产中农药、化肥、地膜等使用量较高,同时灌溉用水、用电较多,村庄畜牧养殖数量较多,但规模化程度不高,畜禽粪便处理方式落后,村民生活能源仍以秸秆、煤炭为主,同时村庄建设及内部环境相对较差,村民交通出行方式落后,碳排放较高。南水北调中线水源地周边农村地区碳排放来源于以下几个方面: (1)种植业及养殖业碳排放,农业生产过程中翻耕、施肥、灌溉、除草、打药、覆膜等产生的碳排放和牛、羊等动物粪便及反刍产生的大量废气等。(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、无烟煤、烟煤等)、成品油(汽油、柴油、煤油)、电力、燃气(液化气和天然气)等碳排放。(3)生活垃圾处理、污水及农业秸秆和畜牧业自身代谢过程中碳排放。(4)居民日常生活间接碳排放,包括生活必需品(食品、衣服、医疗保健、居住)和家庭设备、交通、通讯、文化教育及其他商品和服务等。

2 南水北调中线水源地周边农村碳排放测算

2.1 碳排放测算方法

在对碳排放测算时,根据村庄实际情况,结合相关文献,选取4大类31小类碳排放测度指标,并借鉴段华平、李波、肖娥芳、祁巍锋、陈瑶等研究成果和IPCC 碳排放计算指南、国家发展改革委对碳排放折算系数规定[14-15],测算南水北调中线水源地周边村庄碳排放。

(1)碳排放测算方法

对南水北调中线水源地周边农村地区某一年碳排放量测算时,采用的方法为

(1)

其中:E为某年农村碳排放总量,以万吨二氧化碳量度量;Ai为第i种碳源碳排放量;n为碳种类。

(2)各类碳排放量测算方法及折算系数

1)农业生产过程碳排放

包括土地翻耕中农业机械使用消耗化石燃料(柴油、电力等)所产生碳排放,化肥、农药、地膜生产和使用过程中引起的碳排放,农业灌溉中电能碳排放(见表1)。计算公式为

表1 农业生产过程中碳排放折算系数

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

(2)

其中:A1为农业生产过程碳排放量;Pf为化肥施用量;Pn为农药施用量;Pd为地膜施用量;Ph为每年的耕地面积;Pg为每年农田灌溉面积;Df、Dn、Dd、Dh和Dg分别为化肥、农药、地膜、耕地及农田灌溉的碳排放折算系数。

2)农村生活能源消费碳排放

为日常生活中能源和燃料使用碳排放,包括家庭用电、煤炭、焦炭、汽油、柴油、煤油、液化气、天然气和柴油。由于农作物秸秆是农业产业的重要指标,因此将农作物秸秆产生的碳排放在农村产业中测算(见表2)。

表2 农村生活能源消费碳排放折算系数

农村生活能源消费碳排放计算公式为

(3)

其中:A2为农村生活能源消费碳排放量;N1为农村生活能源消费碳排放;γ1为所在电网的碳排放因子;N2i为煤炭、焦炭、汽油、煤油、柴油消耗量;γ2i为煤炭、焦炭、汽油、煤油、柴油碳排放因子;N3j为液化气和天然气消耗量;γ3j为液化气和天然气碳排放因子。

3)农村居民日常生活碳排放

包括生活必需品,如食品、衣服、医疗保健、居住和家庭设备、交通、通讯、文化教育、其他商品和服务等碳排放及日常生活中生活污水处理和生活垃圾处理碳排放(见表3)。

表3 农村居民日常生活碳排放折算系数

计算公式为

(4)

其中,A3为农村居民日常生活碳排放量;Mi为食品、衣服、医疗保健、家庭设备、交通和通讯、文化教育及其他商品和服务等费用;Ci为食品、衣服、医疗保健、居住家庭设备、交通、通讯、文化教育及其他商品和服务等碳排放折算系数;Mw为生活污水排放量;Cw为生活污水碳排放折算率;Ms为生活垃圾排放量;Cs为生活垃圾碳排放折算率。

4)村庄产业发展碳排放

村庄产业发展碳排放不仅包括农业产业碳排放,也包括畜牧业碳排放(见表4)。在对农业产业碳排放量计算时,根据农作物秸秆量和每年畜牧养殖数量计算[16]。由于畜牧业包括多种动物,其生长时间和饲养周期差别较大,为统一计算标准,根据每种动物年末存栏量和每年出栏量进行调整[3、17-18]。

表4 农业发展碳排放折算系数

其计算公式为

(5)

其中:Fj为农作物j的年产量,CRIj为j的草谷比;D为秸秆的碳排放折算系数;Sp为动物p的年饲养数量;CRp为动物p的碳排放量。

2.2 南水北调中线水源地周边农村地区碳排放量测算

(1)数据来源

数据来源为2005—2022年南阳市统计年鉴、南阳市农村统计年鉴、南阳市农业年鉴、淅川县人口统计数据、三调数据及现状调研(各类作物面积)、利用遥感影像和调查数据分析自2005年淅川县土地利用情况,并根据实际调研数据,结合各年作物产量及种植面积计算。

(2)水源地周边农村地区碳排放测算

根据收集及整理数据,同时依据公式1对碳排放测算,2005—2022年农业生产过程碳排放、农村生活能源消费碳排放、农村居民日常生活碳排放、村庄产业发展碳排放和总排放量如图1。

图1 农村地区碳排放量测算

(3)水源地周边农村碳排放量变化情况

由图1可知,南水北调中线水源地周边农村碳排放总体呈增长趋势,其中2012—2015年增速略有下降,2016年大幅增加,2020—2022年下降较大。2014年前南水北调工程建设,周边区域大量移民,人口数量减少,碳排放量有所下降,南水北调中线工程运行的几年中,碳排放量相对较为稳定。但近年来,村庄居民生活水平提高、生活方式、能源结构变化使碳排放量增速减慢,特别是生活能源中电能的使用。随着农村居民生活水平的提高,在衣、食、住、行等方面均有较大改善,成为碳排放量居高不下的主要原因。此外,农药、化肥、农膜等大量使用量,也成为碳排放逐年增加的诱因,但近年来随着畜牧养殖规模缩小,畜牧业碳排放量减少,使总体碳排放量增长率下降。受疫情影响,2020—2022年居民在衣、食、住、行等方面消费大大降低,碳排放量发生较大变化。

3 南水北调中线水源地周边农村碳排放影响因素分析

3.1 碳排放量影响因素分解及测算

为了对碳排放量变化及影响因素分析,根据东京大学教授Yoichi Kaya 所创的KAYA 恒等式[19],采用对数平均权重Division指数法[20]从农业发展水平、农村能源结构、农村能源效率、农业产业机构、农村消费结构及农村碳排放强度等因素量化分析,公式表达为

(6)

公式中,E为碳排放量;NG为农业增加值;NP为农村人口规模;NX为农村能源消耗量;NGDP为农村总值 ,NJ为农村基本生活碳排放量。NG/NP代表农村农业发展水平;E/NX代表农村能源结构;NX/NG代表农村能源效率;NF/NGDP代表农村农业产业结构;NJ/NF代表农村消费结构;NGDP/NJ代表农村碳排放强度。为了简化计算和消除度量差异,统一采用产值。

由于LIMD中要素分解结果较为一致,为了对不同年份碳排放量影响因素计算,采用加和分解方法进行要素计算,即

(7)

根据不同年份碳排放与基年碳排放量差异,得出碳排放量受农业发展水平、农村能源结构、农村能源效率、农业产业机构、农村消费结构、农村人口规模及农村碳排放强度等因素影响,其表达式为

(8)

在对某个因素分析时,假定其他6个因素不变,仅该因素变化引起农村碳排放量E的变化,如△GP的含义是假定EN、XG、FG、GJ、JF、P这6个要素不变,仅有△GP引起的碳排放量变化,其公式表达为

(9)

利用上述方法,对南水北调中线水源地周边农村地区碳排放影响因素量化分析,得出各因素影响情况如图2。

图2 南水北调中线水源地周边农村地区碳排放影响因素变化情况

3.2 碳排放量影响因素结果分析

(1)地区农业发展水平、农村能源结构、农村消费结构呈现平稳增加,与农村碳排放趋势较为一致,这些也是影响碳排放主要因素。相比2005年,地区农业发展水平碳排放贡献率达到50.07%,对碳排放影响较大;由于农村能源结构变化不大,能源结构对碳排放贡献不大,碳排放贡献率为-4.34%;农村消费结构对碳排放量影响较大,成为影响碳排放的主要因素,碳排放量贡献率达到344.49%。由此发现,农村消费结构提升使碳排放量在未来一段时间将有较大提升,这也是南水北调中线水源地周边农村地区碳排放量居高不下的原因。

(2)农村能源效率、农业产业结构呈现下降趋势,与碳排放量趋势相反,对碳排放具有一定抑制作用。相比2005年,农村能源效率变化对碳排放贡献率达到-14.01%,呈抑制现象,其对碳排放抑制作用影响处于第3位,整体影响不大。农业产业结构贡献率达到-41.57%,说明农业产业结构调整对碳排放有较强抑制作用,未来应加快农业产业结构调整,提高农村能源效率,实现低碳经济发展和区域低碳发展。

(3)农村碳排放强度整体呈现出先降后增趋势,对碳排放的影响相对较小,对碳排放抑制作用居于第2位,其贡献率为-24.01%。为了实现低碳经济发展,提高南水北调中线水源地周边生态环境,确保生态安全,也应降低农村碳排放强度,降低区域碳排放量。

4 南水北调中线水源地周边农村地区低碳发展策略

通过对南水北调中线水源地周边农村地区碳排放量及影响因素分析,明确了碳排放量居高不下的原因,因此提出以下低碳发展策略,通过策略的实施,降低碳排放量,实现生态环境保护及地区经济的快速发展,形成高效循环发展模式。

4.1 加快农村地区农业产业结构升级,降低农药、化肥、地膜等使用量

提高农业的精细化、集约化和科学化生产,以质量要效益,实现精耕精种精作和“绿色、节能、高效、生态”等低碳农业发展,减少农业生产中一次性材料使用量,以最低投入实现最高的生产质量和水平。在村庄农业发展中,为改变村民的传统农业种植方式及农业种植模式,应大力推广订单农业、互联网农业、地理标志产品的种植等,如提高香花辣椒等品牌知名度及种植模式。加快农业产业结构升级,推广和使用低能耗及低投入的农业种植方式,利用滴灌等方式,降低农业生产中化学投入品的使用,利用生物治理方式改变传统的农业生产中化肥、农药、除草剂使用,实现农业的高效清洁生产,降低农业生产中各种碳排放。

4.2 优化农村地区能源结构,提高能源利用效率,降低碳排放

目前,南水北调中线水源地周边农村地区仍以传统能源为主,农村产业发展中,也有大量的畜禽养殖,但规模化、集约化和标准化不足,对环境污染较大[21],必须推动畜禽废弃物的清洁化处理,充分利用大型养殖场建设集中的沼气设施对畜禽粪便处理,为周边村庄集中供气,并将沼渣和沼液作为农业生产中的肥料,提高资源循环利用效率,实现节能减排。对交通方便的散养户,应以政府为主导,采用“车辆流动收集方式”,将分散的动物粪便集中起来进行资源化再利用。

4.3 加快村庄、山体、水体改造,增加太阳能光伏板覆盖率

为降低居民日常生活中用电碳排放,应加快村庄太阳能改造,提高清洁能源利用能力。充分利用建筑屋顶,增加太阳能光伏板及建设凉亭等。在村庄公共服务设施及旅游设施建设时,把光伏建材产品纳入建筑设计中,利用太阳能光伏板建设屋顶及外墙。在村庄内部采用太阳能路灯,并在公共活动区域建设一些太阳能连廊、步道及平台,同时建设太阳能充电桩等。在对山体、水体改造时,在山地阳面建设“太阳能+果树种植”的现代农业模式,实现农业生产与发电之间的阳光共享,既增加内部通风及光照,又提高了产量和水果品质。同时利用村庄内部及周边坑塘,进行太阳能与水产养殖的一体化发展,形成“上可发电、下可养鱼”的模式,既能为水产养殖提供能源,也能将多余电能供其他居民使用。

4.4 加强废物利用,实现无废村庄建设

为降低农村碳排放,加快无废村庄建设,对各类垃圾回收利用,实现废弃物的减量化、无害化和资源化处理,减少废弃物处理带来的碳排放。对村庄监护分类处理,将建筑垃圾作为房屋、道路建设等回填材料,对于生活垃圾,全面推广垃圾分类处理,对塑料、易拉罐、纸等回收,对其他垃圾无害化处理及焚烧发电等,对于厨余垃圾集中回收作为沼气等原料或进行集中堆肥作为有机肥使用。对于农业生产中大量秸秆,进行分类回收、利用制作工艺品,同时也能作为畜牧养殖草料及生物质能发电等原材料。对农村污水进行生态化处理,通过生态湿地等多重过滤后作为农田灌溉等用水。

4.5 改善传统粗放式消费观念,树立低碳村庄建设意识

为降低农村地区碳排放,应改变农村地区传统粗放式消费方式,实现生活、居住等方式的低碳化。在村庄建设中节约和集约利用土地,加强村庄内部环境的绿化、美化和垃圾收集设施建设,提高村庄及周边生态环境资源的保护及利用,提高村民环保意识。在农房建设中,优先使用节能及可再生建筑材料,增加建筑自然通风、采光,并提高建筑保暖及隔热技术。大力发展农村公共交通,提高绿色出行,建立便捷及高覆盖率的农村公交系统,建设一些环丹江口水库骑行、步道等,在村庄内部建设集中太阳能充电设施,增加电动汽车、电动自行车的使用效率,同时在村庄内部及周边区域,建设太阳能道路,降低燃油汽车、摩托车的使用,鼓励游客及村民采用自行车及步行方式出行。在经济发展中也应树立低碳意识,以生态、低碳、绿色等产业发展为主,利用丹江口水库发展一些观光旅游、休闲农业、特色农业等。

5 结论

通过利用KAYA 恒等式对碳排放量测算,并利用Divisia 指数和LMDI法对碳排放影响因素分析发现,南水北调中线水源地周边农村地区碳排放量逐年增加且总量较高,农村碳排放强度整体呈现出先降后增趋势,村民生活方式、产业发展模式、村庄建设、能源结构等对碳排放影响较大,其中地区农业发展水平、农村能源结构、农村消费结构是影响碳排放的主要因素,农村能源效率、农业产业结构对碳排放有一定抑制,大量的碳排放对丹江口水库水质及水安全造成一定影响,在村庄未来发展中应加快农村地区农业产业结构升级,降低农药、化肥、地膜等使用量,实现农业的高效生产、清洁生产,并提高土壤固碳能力;同时优化农村地区能源结构,增加太阳能使用率及发电效率,并推进畜禽废弃物的清洁化处理及再利用,并采用不同方法对不同类型垃圾分类处理及回收利用,实现无废村庄建设;同时也要改善传统粗放式消费观念,树立低碳村庄建设意识,利用丹江口水库优势发展休闲旅游等产业,实现村庄低碳发展的同时,确保村庄环境保护和社会的和谐稳定发展。