農村能源消費的環境效應研究＊

師華定 齊永青 劉 韻

(1.中國環境科學研究院,北京100012;2.中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心,河北石家莊050021;3.中國人民大學環境學院,北京100872)

農村能源消費的環境效應研究＊

師華定1齊永青2劉 韻3

(1.中國環境科學研究院,北京100012;2.中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心,河北石家莊050021;3.中國人民大學環境學院,北京100872)

近年來,我國農村能源消費增長迅速,消費模式的轉變,傳統生物質能源與以煤炭為主的商品能源的消費格局發生變化,與此相關的環境問題日益突出,成為制約農村地區經濟—社會—環境和諧發展的重要因素之一,對農村地區應對氣候變化能力也產生嚴峻挑戰。本文分析了農村能源消費的變化與主要問題,利用農村能源消費的統計數據,采用排放系數法,估算了1980-2004年時段我國農村能源消費的CO2及主要污染物的排放量;比較了傳統生物質能源與煤炭為主的商品能源的消費特點與環境效應,指出基于我國農村地區存量巨大的生物質能資源的高效、可持續利用,是滿足我國農村地區能源消費需求,減少溫室氣體和污染物排放,改善農村環境,提高減緩和適應氣候變化能力的重要手段。并在此基礎上,對我國農村能源消費提出相應的政策導向建議,實現農村能源的可持續消費與利用。

氣候變化;農村能源消費;環境效應

改革開放以來,農村居民生活水平、居住條件普遍改善,能源消費總量、消費方式和消費結構發生顯著變化,傳統的以秸稈、薪柴為主的生物質能源地位下降,商品能源消費份額增加。然而,煤炭為主的商品能源使用過程中產生的廢棄物無法同傳統生物質燃料那樣被循環利用,由于農村能源消費分散性、基礎設施落后,此類廢棄物也無法同城市一樣進行集中處理,導致嚴重的農村環境問題。農村發展所帶來的能源需求的增長、能源消費模式和能源類型的轉變及其帶來的環境問題是中國必須面對的重大挑戰之一[1-3],深入了解農村能源消費特點、變化趨勢,是制定有關節能減排、結構調整政策的重要基礎。

本文對有關中國農村能源消費的統計數據和相關文獻資料進行了匯總,選用系數核算法,對我國農村能源消費的環境效應進行對比分析,對我國農村能源消費存在的問題和發展趨勢提出了政策建議。

1 農村能源消費現狀

1.1 商品能源消費

改革開放以來,中國農村經濟發展迅速,農村能源消費的數量、品種和結構也隨之發生了巨大變化。農村能源消費總量由1980年的328.0 MtCe上升到2006年的956.5 MtCe,增加了將近2倍。非商品能源消費量總體保持穩定,商品能源消費比重穩步上升并占據主導地位。1980年,生物質能占農村能源消費總量的70%,而到2006年生物質能消費下降到約30%;商品能源消費則從1980年的30%迅速增加到2006年的67.3%。從消費部門來看,農村能源消費主要用于農業生產和居民生活,農業生產用能占農村能源消費的比重由1980年的20.4%上升至2006年的47.6%,呈逐年上升的趨勢。可見,中國農村能源消費量的增加主要來自于商品能源消費的增加部分。農村商品能源包括煤炭、電力和成品油,其中煤炭消費量占2/3左右,與我國以煤炭為主的能源結構一致。

1.2 傳統能源消費

長期以來,秸稈和薪柴等生物質為主的傳統非商品能源占農村能源消費的主要地位,特別是生活耗能方面,以居民家庭炊事和冬季采暖為主,多為直接燃燒。改革開放初期,非商品能源占農村生活耗能的85%以上,隨著經濟水平提高和生活模式的改變,非商品能源比例不斷下降,2000年之后,穩定在50%左右(見圖1),秸稈消費的變化趨勢與非商品能源一致。雖然非商品能源消費比例不斷下降,但總量基本保持穩定,仍是重要的能源組成部分。

圖1 農村生活能源消費中非商品能源、秸稈消費比例變化Fig.1 Proportional change in energy consumption of non-commercial energy and straw in rural life(數據來源:中國農村能源年鑒1997[4],1998-1999[5],2000-2008[6])

1.3 農村能源消費特點

改革開放以來的30年間,伴隨經濟的快速發展和生產、生活模式的轉變,中國農村能源消費表現出以下特點:

(1)能源消費總量迅速增加。1980-2006年間,增加了將近2倍,除傳統生物質能源消費量保持穩定外,商品能源消費迅速增加。

(2)生產用能和生活用能比例交替上升。上世紀80年代初期至2000年,鄉鎮企業生產規模迅速擴大,農村生產用能占總能耗的比例,由20.4%上升至44.8%[7],增加速度明顯高于生活用能。2000年后,農村居民生活水平提高,生活用能增加明顯,與生產用能增速保持基本一致。

(3)農村能源消費結構明顯變化。商品能源消費在1980-2006年間增加了一倍多。煤炭、電力、成品油等商品能源消費增加迅速,液化石油氣(LPG)等具有城市屬性的能源也出現在農村能源消費中。

2 農村能源消費的環境效應

我國農村地區能源消費分散,利用方式落后,低能效、廢棄物處理困難等諸多問題,使得農村能源消費特別是化石能源消費產生的有害廢棄物直接進入或長期蓄存于農村居民生活環境當中,導致能源消費引起的環境問題與城市相比較更加突出。

2.1 商品能源消費的環境效應分析

改革開放以來,我國農村能源消費中煤炭、電力、成品油等商品能源的比例不斷提高,其中煤炭是最主要的商品能源類型。煤炭燃燒排放的SO2、CO2、NOx、粉塵和固體廢渣等廢棄物數量十分巨大。與城市和工業的煤炭消費相比較,農村缺少必要的污染排放控制技術,燃煤污染物直接排放,給農村環境帶來顯著影響。

2.1.1 農村燃煤的CO2排放

從全球尺度看,CO2為主的溫室氣體增加導致的全球變暖,對農業生產穩定性和農村社會發展帶來諸多負面影響[8]。參考“2006年IPCC國家溫室氣體清單指南”中有關能源過程溫室氣體排放量的計算方法[9],農村煤炭消費產生的CO2排放系數可用以下公式計算:

f=C×M×44/12

式中,C為平均含碳量,為71.43%,以我國原煤折算標準煤的參考系數0.7143 kg ce/kg換算得到;M為平均氧化系數,主要由爐具類型、燃燒過程和居民使用習慣所決定,家庭爐具直接燃燒的氧化系數一般低于80%,北方冬季燃煤采暖鍋爐氧化系數約90%。農村生產活動的煤炭燃燒相對充分,綜合農村煤炭消費的整體情況,平均氧化系數定為80%較合理。CO2排放量的計算公式為:

CO2排放量(Mt)=煤炭消耗量(Mt)×f

根據中國農村能源統計年鑒中不同年份農村煤炭消費總量,計算得到了相應的CO2排放量(見表1)。

表1 1980-2004年農村煤炭消費產生的CO2排放量(Mt)Tab.1 CO2emissions in rural coal consumption during 1980-2004(Mt)

我國農村煤炭(原煤)消費量從1980年的91.1 Mt,增加到2004年的495.7 Mt,占同期我國煤炭總消費量的比例由10.8%,上升到18.3%,導致CO2排放量也相應增加,由1980年的190.96 Mt,增加到2004年的1 038.72 Mt(見表1)。

2.1.2 農村燃煤的SO2排放

煤炭中的硫元素,經過燃燒形成SO2,是導致酸雨的重要污染物,農村室內燃燒排放的SO2也是造成呼吸道疾病的重要原因。參考中國SO2排放清單研究中煤炭SO2排放因子的計算方法:

f=T×S×(1-R)

其中:T為SO2的轉換系數,為2.0;S是平均含硫量,為1.1%;R為煤的脫硫率,農村煤炭燃燒的脫硫率為0。SO2排放量的計算公式為:

SO2排放量(Mt)=煤炭消耗量(Mt)×f

2.1.3 農村燃煤的NOx與TSP(總懸浮物)排放

燃煤產生的NOx和TSP是重要的污染物,由于無法獲得具體的燃煤類型數據,本研究選用虞江萍等[10]確定的排放因子數值,NOx為1.88 g/kg,TSP為1.3 g/kg。利用煤炭消費量與相應的污染物排放因子計算農村煤炭消費產生的NOx和TSP排放量。

2.1.4 農村燃煤的固體廢棄物排放

煤炭燃燒產生的固體廢棄物主要包括不可燃燒的灰分和未燃燒的C,我國煤炭平均灰分為23%,農村煤炭氧化率約為80%,即是說有20%的C以固體形式賦存在燃煤廢渣中,但由于絕大部分燃煤產生的固體廢棄物都得不到處理,而是與其他農村生活垃圾一樣,堆棄在農村居民點內部和鄰近地點,造成極大的環境污染。不考慮以TSP形式損失的部分,燃煤的固體廢棄物總量可用下面的公式計算:

表2 1980-2004年農村煤炭消費產生的SO2排放量(Mt)Tab.2 SO2emissions in rural coal consumption during 1980-2004(Mt)

表3 1980-2004年農村煤炭消費產生的NOx和TSP排放量(104t)Tab.3 NOxand TSP emissions in rural coal consumption during 1980-2004(104t)

f=H+C×(1-R)

其中,H為平均灰分(23%);C為平均含碳量(71.43%);R為煤炭氧化率(80%)。固廢總量計算公式為:

固體廢棄物總量(Mt)=煤炭消費量(Mt)×f

表4 1980-2004年農村煤炭消費產生的固體廢棄物排放量(Mt)Tab.4 Solid waste emissions in rural coal consumption during 1980-2004(Mt)

實際上,農村居民煤炭消費中很大部分為蜂窩煤、煤球等,其中粘土約為原煤重量的40%,產生的固體廢棄物要遠高于直接使用煤炭。但蜂窩煤或者由個體的小作坊生產,或者自制,很難統計其具體的使用量[11]。

2.1.5 農村燃煤的其它污染物排放

除CO2、SO2、NOx和固體廢棄物外,燃煤過程還會產生一氧化碳(CO)、3,4-苯并(a)芘(BaP)等有毒污染物。山西省農村家庭有93.8%的家庭冬季臥室BaP超標,最大值超標近154倍,97.9%廚房冬季BaP超標,最大值超標近558倍[12]。此外,受煤質影響,我國西南農村地區燃煤型氟中毒問題較為突出,居民氟骨癥患病率與燃煤時間和燃煤量都呈極顯著正相關[13]。

2.2 傳統非商品能源消費的環境效應分析

農村傳統非商品能源以秸稈和薪柴等生物質能直接燃燒為主,主要污染物包括懸浮顆粒物、SO2、CH4、NOx等[10,14-15]。與煤炭等商品能源不同,由于秸稈、薪柴等生物質燃料中的C來自于植物光合作用固定的CO2,因此生物質燃燒不會增加大氣中CO2的濃度,也不被計算進國家溫室氣體排放清單中。

由于所處地理位置、氣候條件、經濟水平、農村人口的差異,不同地區生物質燃料的消耗量及污染物排放量差異明顯,曹國良等計算了我國農村2000年生物質燃燒所排放的 SO2、NOx、NH3、CH4、EC、OC、VOC、CO 總量及各省市排放清單,其中山東省的排放量最高,其次為江蘇省、黑龍江省,主要因為華東和中南地區的農村人口密度高,而煤炭等商品能源的獲取相對困難,使得生物質燃料的消耗量大,各污染物的排放量也相應較高[14]。

表5 農村商品能源與傳統非商品能源消費特點對比Tab.5 Comparison of rural commercial energy and traditional non-commercial energy consumption

3 農村能源消費模式及環境效應分析

3.1 農村能源消費模式的轉變特點及存在的環境問題

我國農村能源消費正由傳統的溫飽型能源消費,向以農業產業化為特點的小康型現代能源消費模式轉變。在農村能源消費總量快速增加,能源結構明顯變化,商品能源消費比例不斷提高的情景下,農村能源消費存在的各類問題也愈發突出。

3.1.1 利用方式落后,能效低下

2005年城市居民直接用于燃料燃燒的人均商品能源消耗為257kce,農村居民為122kce,城市居民遠高于農村居民。但是,包括非商品能源消耗在內的農村居民年人均生活總能耗為653kce,高出城市居民人均能耗1.5倍[15]。在農村居民生活水平普遍低于城市居民的客觀現實下,其生活用能反而明顯高于城市居民,其根本原因在于農村能源利用效率低下。

3.1.2 能源消費方式落后,環境問題突出

商品能源消費,特別是煤炭的消費,導致了嚴重的環境問題(見表5)。傳統上,東部典型農村的能源消耗絕大部分來自于農作物秸稈的直接燃燒,用于解決日常生活和冬季采暖。秸稈燃燒產生的草木灰,通常作為農家肥施到耕地中,一般農戶的自產秸稈可基本滿足家庭能源需求,很少購買商品能源。“秸稈—燃料(飼料)—肥料”構成了較合理的物質循環過程。隨著經濟水平的提高,農村冬季采暖的燃料已經逐漸由過去的秸稈、薪柴為主,向以煤炭為主轉變。其結果是,不僅煤炭燃燒后的固體廢棄物無法利用,導致環境污染,同時農村煤炭利用效率低,單位有效熱值的CO2排放遠高于城市。另一方面,由于農村居民生活燃煤主要在室內進行,懸浮顆粒物、SO2、CO等污染物,導致了嚴重的室內環境問題[8]。

由表5可見,煤炭等高排放、高污染的商品能源顯然不能滿足農村環境友好的可持續發展需要。秸稈、薪柴等傳統生物質能直接利用存在諸如環境衛生條件差、利用方式落后、能效低等問題,但污染物排放較少,無IPCC標準的CO2排放,可實現排放物、殘余物在農村“生產—生態系統”中循環等優點。因此,利用秸稈存量巨大的優勢,開發適合農村地區的生物質能資源高效、可持續利用方式,是滿足農村地區能源消費需求,節能減排,改善農村環境,提高減緩和適應氣候變化的能力的重要手段。

3.2 未來農村能源消費變化趨勢

研究表明,能源消費與經濟收入有密切關系,伴隨經濟水平的提高,我國農村居民的生活消費支出和能源消耗呈正相關增長,農戶的收入越高,對能源的舒適性、便利性、衛生特性的要求越高,商品能源消費需求越高,今后到2020年,被認為是我國農村經濟水平跳躍式增長的重要時期,因此,農村能源消費總量的迅速增長是無法避免的[16]。

從中國農村經濟社會發展以及能源需求增長趨勢角度看,不論是單純依靠傳統的秸稈、薪柴消費方式,還是增加煤炭使用量,均很難滿足農村可持續發展以及環境保護的雙重需要。一方面,大部分地區的農村居民都必然要淘汰傳統的生物質能直接燃燒的利用模式,轉向對方便、清潔、高效的能源需求。另一方面,對農村居民而言,適應其生活模式的改變,方便獲取、廉價和高效是其對能源消費的普遍追求。

綜合我國農村地區能源消費狀況及未來趨勢,未來農村能源消費必須同時滿足以下需求:滿足農村地區不斷增長的能源消費需求;實現能源消費過程中的溫室氣體和污染物減排;改善農村環境,提高減緩和適應氣候變化的能力。在能源消費總量不斷增加的情況下,要滿足上述需求,可通過合理利用農村地區的豐富可再生資源,優化物質循環過程,減少溫室氣體和污染物排放,實現改善農村環境,減緩和適應氣候變化的總體發展目標。

可再生能源的使用可提高能源利用效率,降低CO2等溫室氣體排放排放;可再生能源能夠替代常規能源,滿足農村地區對能源需求的增加,起到改善能源結構和節能減排的雙重目標。當前,沼氣池的推廣和配套模式的不斷發展,秸稈等農業廢棄物生物質資源的高效利用模式的開發以及太陽能熱水器的推廣使用等,均對提高能效,減少污染物排放,改善農村環境起到了積極的促進作用[17,18]。據國家發展與改革委員會制定的《可再生能源中長期發展規劃》估算,到2020年,全國可再生能源開發利用量相當于6億t標準煤,其中,沼氣年利用量相當于240億m3天然氣,燃料乙醇和生物柴油年用量相當于1 000萬t石油。此外,建立以可再生能源為主的新能源綜合利用模式,可優化農村“社會—農業生態”系統的物質循環過程,帶來顯著的環境效益。達到2020年可再生能源發展目標時,可再生能源利用相當于減少SO2約800萬t/a,NOx約300萬t/a,煙塵約400萬t/a,減少CO2排放約12億t/a,節水約20億m3/a,可使約3億畝林地免遭破壞[3]。因此,開發利用可再生能源是保護農村環境、應對氣候變化問題的重要措施,其對優化農村能源結構、能源消費模式、減排溫室氣體等具有十分重要的作用。

4 結論與建議

改革開放以來,中國農村能源消費的數量、品種和結構也隨之發生了巨大變化,能源消費總量在1980年基礎上增加了將近2倍,主要是以煤炭為主的商品能源消費增加,能源消費結構也因此發生顯著變化,長期構成我國農村能源消費主體的秸稈、薪柴等傳統生物質能的重要性已經被商品能源取代,這種轉變是農村居民經濟條件改善和生活方式的城市化所決定的。用排放系數法計算了我國農村1980-2004年煤炭燃燒排放的CO2及主要污染物SO2、NOx、TSP和固體廢渣的總量。我國農村煤炭消費量從1980年的91.1 Mt,增加到2004年的495.7 Mt,占同期我國煤炭總消費量的比例由10.8%,上升到18.3%,導致CO2排放量也相應增加,由1980年的190.96 Mt,增加到2004年的1 038.72 Mt。通過比較當前我國農村商品和非商品能源的消費現狀及未來趨勢,綜合中國農村經濟社會發展需求,不論是單純依靠傳統的秸稈、薪柴消費方式,還是增加煤炭使用量,均很難滿足未來農村可持續發展以及環境保護的雙重需要。

基于上述情形,且我國農村地區的經濟、社會將長期處于高速發展階段,在保障居民生產生活耗能需求的增加的同時,未來農村能源消費結構調整及政策制定必須考慮以下兩個方面:①環境友好,通過提高能效水平和改善能源結構,加強能源消費副產物(廢棄物)的資源化利用,控制因耗能增加導致的農村環境問題,改善環境條件;②構建低碳的能源消費模式,提高商品能源的能效水平,充分開發生物質能、太陽能等可再生能源。由于我國農村地區居民相對分散的居住和能耗模式,以戶為主的生物質能、太陽能利用潛力巨大。特別是傳統上生物質能利用歷史悠久,未來應通過合理利用農村地區的豐富的、以生物質為主的可再生資源,優化物質循環過程,減少溫室氣體和污染物排放,來實現改善農村環境,減緩和適應氣候變化的總體發展目標。結合近年來節能爐灶、沼氣等項目的推廣經驗,以政府為主導,政策明確、補貼到位是實現農村地區能源消費模式改善的基本條件。

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Research of Environmental Effects about Rural Energy Consumption

SHI Hua-ding1QI Yong-qing2LIU Yun3
(1.Chinese Research Academy of Environmental Science,Beijing 100012,China;2.Center for Agricultural Resources Research Institute of Genetics and Developmental Biology,CAS,Shijiazhuang Hebei 050021,China;3.School of Environment&Natural Resources in Renmin University of China,Beijing 100872,China)

In recent years,China’s rural energy consumption has grown rapidly.Meanwhile,change of consumption patterns,and change of traditional biomass and coal-based energy consumption pattern,lead to the related environmental problems in rural areas,which becomes increasingly prominent factors to restrict the harmonious development of economy-society-environment in rural areas,and challenges the ability to response climate change.This paper analyzed the change and major problemsof rural energy consumption,assessed the emission of CO2and other contaminations during year 1980-2004 with the method of emission factor based on the statistical data,compared the consumption characteristics and environmental effects of traditional biomass and coal-based energy consumption,and pointed out that efficient,sustainable use of biomass energy is an important tool to solve the needs of energy consumption in rural areas,to reduce greenhouse gases and pollutant emissions,to improve the quality of rural environment,and to improve the ability of mitigation and adaptation to climate change.And on this basis,the paper proposes appropriate policy-oriented recommendationsfor China’s rural energy consumption to achieve sustainable rural energy consumption and utilization.

climate change;energy consumption in rural areas;environmental effects

F323.214

A

1002-2104(2010)08-0148-06

10.3969/j.issn.1002-2104.2010.08.027

2010-03-16

師華定,博士,助研,主要研究方向為氣候變化、土地退化與生態遙感。

＊國合會項目“改善農村環境適應氣候變化潛力分析研究”(項目編號:SPN/08/103-CCCPF)資助。

(編輯:田 紅)