農村土地整治項目CO2排放及減排政策下的情景模擬

李茹茹, 趙華甫,2, 吳克寧,2, 李 樂

〔1.中國地質大學(北京) 土地科學技術學院， 北京100083； 2.國土資源部土地整治重點實驗室，北京100035； 3.山東省東營市國土資源局土地綜合整治服務中心, 山東 東營 257091〕

農村土地整治項目CO2排放及減排政策下的情景模擬

李茹茹1, 趙華甫1,2, 吳克寧1,2, 李 樂3

〔1.中國地質大學(北京) 土地科學技術學院， 北京100083； 2.國土資源部土地整治重點實驗室，北京100035； 3.山東省東營市國土資源局土地綜合整治服務中心, 山東 東營 257091〕

[目的] 揭示農村土地整治的CO2排放效應，為土地整理的碳排放研究提供科學參考。 [方法] 在項目預算書編制的基礎上，采用IPCC清單法，估算農村土地整治項目的CO2排放量，分析影響CO2排放的關鍵因子，模擬不同政策情景下農村土地整治項目CO2排放的變化情況。 [結果] 項目的CO2排放總量約5.50×105t，灌溉與排水工程所占比例最大; 水泥是最主要的碳源，占總排放量的92.07%，碳源材料的CO2排放量直接取決于該類材料的CO2排放系數及消耗量，間接取決于各單項工程的工程量和工程結構; 隨著相關節能減排政策力度的加大，減排量也會隨之增多。 [結論] 應在土地整治規劃設計中貫徹綠色、低碳、環保的設計理念，重視土地整治的生態效應；加大對水泥、電力、鋼鐵等能源密集型行業的節能減排力度，嚴格執行國家減排政策。

土地整治; CO2排放; 減排政策; 情景模擬

氣候變化，特別是全球氣候變暖是當今人類面臨的嚴峻挑戰，是國際社會公認的全球性環境問題。政府間氣候變化專門委員會(IPCC)指出，當前導致全球氣候變暖的主要原因是化石燃料的大量燃燒和非持久性的土地利用等人類活動[1-4]。近年來，我國學者對城市地區開展了大量碳循環和碳排放研究，但農村地區一直是研究的弱點，尤其是我國農村的低碳環境建設尚未受到高度重視。土地整治是按照土地利用總體規劃的要求，對田、水、路、林綜合整治，以提高耕地質量，增加有效耕地面積，改善農業生產生活條件和生態環境條件的過程[5-6]。它既可以通過調整土地利用結構[7-9]、轉變耕作方式[10]、改變土壤結構[11-13]等措施增加碳儲量，亦會在施工過程中由于原材料和機械的使用而產生大量溫室氣體[13-15]。目前，國內外對土地整治的碳排放研究尚不多見。魏鳳娟等[13]以能源消費為視角，從具體的土地整治項目預算編制表出發，匯總得到CO2排放總量，進而比較不同類型土地整治工程的CO2排放強度，提出碳減排建議。郭曉輝等[16]以能源消費和土地利用變化為視角，運用碳排放清單法，明確土地整治中的碳源/匯作用，提出碳減排建議。按照《全國土地整治規劃(2011—2015年)》的要求，2015年我國將建成2.67×107hm2高標準基本農田，2020年力爭建成5.33×107hm2，在這期間，全國將大力開展土地整治工作，使土地整治成為中國農村碳排放的重要誘因。因此，本研究以河南省南水北調渠首及沿線土地整理重大項目Ⅱ片區封丘縣項目(簡稱項目)為例，在項目預算書編制的基礎上，通過匯總土地整治過程中碳源材料的使用情況來測算其CO2排放量，進而依據國家相關節能減排政策及對項目CO2排放量的影響程度，篩選出關鍵減排因子，對不同情景下的土地整治CO2排放進行模擬，提出土地整治碳減排建議，以期降低農村碳排放量，維護農村生態環境。

1 研究區域與數據來源

項目區位于河南省封丘縣東部，地理坐標介于北緯34°55′37″—35°10′44″與東經114°28′11″—114°40′50″。該項目自2012年開始實施，總建設規模2.41×104hm2，共涉及9個鄉鎮177個行政村。項目區地處黃河故道，地貌復雜，地勢由西南向東北傾斜，引黃灌溉非常便利；屬暖溫帶大陸性季風氣候，年平均降水量615.1 mm，無霜期214 d；土壤為發育于黃河沉積物上的潮土土類，分為黃潮土、鹽化潮土2個亞類；地下水埋藏淺，水循環快，水質好，適合農田灌溉。

由于投資不足、年久失修等原因，項目區內的農業生產基礎設施在數量和質量上都不能滿足農業生產的需求，農業生產條件亟待改善。區內溝渠多為20世紀60—70年代修建的，年久失修，支斗渠損毀嚴重，不能滿足灌排要求；大多數機井井深較淺，井管淤堵，存在出砂現象，而且未配套水泵及電力；田間路、生產路多為土路，路面較窄且高低不平，晴通雨阻，村與村搭界處道路連通性差，不便于機械耕作收割和田間管理；電力設施經過農電網改造，為居民生活和農業生產提供了可靠的電力保證，隨著灌排設施的增加，電力機井的增多等，電力配套設施還需進一步延伸、拓展。本項目工程內容包括土地平整工程、灌溉與排水工程、田間道路工程、生態環境保持工程和其他工程五部分，建設期為1 a。共規劃土地平整5.70×105m3，機井3 766眼，渠道656 km，排水溝217 km，橋涵閘等水工建筑物2 579座，配電房526座，高壓線291 km，田間道路701 km，防護林25萬株，標志牌7 656座。

數據來源于項目可行性研究報告、年度規劃設計報告、項目第4年度預算書、《中國能源統計年鑒2014年》、《河南統計年鑒2014年》等。

2 估算方法

按照《IPCC國家溫室氣體清單指南2 006》，目前估算CO2排放量的方法主要包括實測法、質量平衡法和碳排放系數法。實測法計算較準確，但對試驗條件、試驗數據的收集處理和分析要求較高，難以大范圍推廣；質量平衡法成本較高，且對化學成分復雜的物質分析時，活動數據難以分類監測。考慮到土地整治在施工過程中需要消耗大量的鋼鐵、水泥、化石燃料等碳源材料，估算數據計算量大、難度高，因此采用碳排放系數法。計算模型為：

式中：C——CO2排放量；wi——第i種材料的CO2排放系數；Qi——第i種材料的消耗量。

結合土地整治項目預算表中機械及材料消耗情況，選取鋼鐵、水泥、石料、電力、汽油、柴油等6種材料作為主要碳源材料。

為了客觀估算碳源材料的CO2排放量，以方便不同時期、地區研究結果的對比，論文依據《IPCC國家溫室氣體清單指南2006年》推薦方法，選取2013年為標準年，通過查詢《河南統計年鑒2014》和《中國能源統計年鑒2014年》，計算項目區主要碳源材料的CO2排放系數(表1)。

通過與國內外相關參考文獻進行對比，發現本文中電力的CO2排放系數計算值略高于參考值，這主要是由于河南省是以煤炭為主的火力發電，火力發電供電量占總供電量的95%以上；其他碳源材料的CO2排放系數與參考值大多接近，表明計算結果較符合實際情況，具有一定的代表性。

表1 主要碳源材料CO2排放系數

注：電力的單位為kg/(kW.h)。

3 CO2排放估算與分析

3.1 CO2排放估算

土地整治是一個綜合復雜的系統工程，包括土地平整工程、灌溉與排水工程、田間道路工程、生態環境保持工程和其他工程5部分。

在土地整治施工過程中，CO2的排放主要來源于兩方面：為生產項目施工所需要的鋼鐵、水泥、石料等工業產品所產生的CO2以及在施工過程中由于機械運作所消耗的電力、汽油、柴油等所產生的CO2[13]。

為方便估算土地整治過程中CO2的排放量，將土地整治項目作為一個獨立的系統，根據工程預算人工及主要材料用量匯總表，按照單項工程統一匯總以上6種碳源材料的消耗量，進而利用計算模型得到土地整治項目的CO2排放量，模型計算結果詳見表2—3。

表2 單項工程CO2排放量統計

注：生態環境保持工程無碳源材料消耗； CO2排放量為零。

3.2 估算結果分析

3.2.1 單項工程CO2排放量對比 從表2可以看出，本項目CO2排放量約5.50×105t，工程內容包括土地平整工程、灌溉與排水工程、田間道路工程、生態環境保持工程和其他工程五部分。由于工程內容不同，各單項工程對碳源材料的消耗情況存在差異，由此產生的CO2排放量也不相同。灌溉與排水工程的CO2排放量最大(70.61%)，其次為田間道路工程(29.00%)，土地平整工程(0.38%)和其他工程(0.01%)的CO2排放量較小，生態環境保持工程無CO2排放。灌溉與排水工程內容復雜多樣，主要為修建鋼筋混凝土井管、鋼筋混凝土結構的橋涵閘等水工建筑物、混凝土硬化渠道、磚結構變壓器房、高低壓線路等，其CO2排放主要來源于水泥和石料，二者產生的CO2排放占該單項工程CO2排放的96.23%，其中水泥占90.51%，石料占5.71%。田間道路工程內容主要為修建混凝土路面的田間主道和泥結碎石路面的田間次道，其CO2排放主要來源于水泥和柴油，二者產生的CO2排放分別占該單項工程CO2排放的97.10%和2.26%。土地平整工程內容主要為推土機推土和汽車裝卸土方，在施工過程中僅消耗柴油，所產生的CO2排放量很小，僅占CO2排放總量的0.38%。其他工程內容主要為修建鋼筋混凝土結構的標志牌，其CO2排放主要來源于石料、水泥和鋼鐵，其中石料占47.52%，水泥占43.89%，鋼鐵占7.37%。生態環境保持工程內容主要為人工種植農田防護林，無碳源材料消耗，CO2排放量為零。

3.2.2 碳源材料CO2排放量對比 通過表3可以看出，在各碳源材料中水泥的CO2排放量所占比例最高(92.07%)，其次是石料(4.07%),柴油(1.51%)、電力(1.49%)、鋼鐵(0.76%)和汽油(0.10%)所占比例很小。碳源材料的CO2排放量不僅與CO2排放系數有關，還與消耗量有關。在土地整治項目工程內容中，混凝土結構的農橋、農涵、水閘等水工建筑物和混凝土道路需要消耗大量的水泥、石料(碎石、條石、塊石等)和鋼鐵(鋼筋、鍍鋅鋼管、扁鋼、角鋼、鋼模板等)

等碳源材料，這些材料在生產過程中會產生大量的CO2排放。從表2可以看出，水泥的消耗量最大(約5.7×105t)，其次是石料(約3.2×105t)、鋼鐵(約1 663 t)，三者的CO2排放系數由大到小依次為：鋼鐵(2.542 0 t/t)>水泥(0.905 0 t/t)>石料(0.072 0 t/t)。水泥因消耗量大、CO2排放系數較高而成為最主要的碳源，其CO2排放量所占比例最高，達到總量的92.07%；石料的CO2排放系數最低，但由于消耗量比較大，使其成為土地整治項目中繼水泥后的第2大碳源，其CO2排放量所占比例為總量的4.07%；鋼鐵的CO2排放系數最高，約為水泥的2.8倍、石料的35倍，但由于消耗量最少，為水泥的0.29%，石料的0.53%，使其CO2排放量僅占總量的0.76%。在施工過程中由于機械運作所消耗的電力、柴油、汽油等產生的CO2排放量占總排放量的3.10%。河南省處于華中電網，以煤炭為主的火力發電量占到總發電量的95%以上，在項目施工過程中攪拌機、鼓風機、照明等需要消耗大量電力，其產生的CO2排放量占到總排放量的1.49%。

柴油、汽油等燃料的消耗主要來源于推土機、汽車、起重機等施工機械的運行，二者排放的CO2量占總排放量的1.61%。

表3 主要碳源材料CO2排放量統計

4 未來減排情景模擬

通過以上分析發現，碳源材料的CO2排放量主要受消耗量和CO2排放系數的影響，而其CO2排放系數歸根結底受國家有關節能減排政策的約束和引導?？紤]到土地整治工程建設應滿足其建設標準和功能要求，本文的情景模擬在假設碳源材料消耗量不變的前提下，根據國家“十二五”、“十三五”節能減排目標，分析碳源材料CO2排放系數的變化對土地整治工程CO2排放的影響。以2013年為標準年，2015和2020年為目標年，研究設定了3個發展情景：基準情景、成長情景、促進情景，進而探討在2015和2020年不同減排政策背景下土地整治項目的CO2排放變化情況。

4.1 減排因子分析

由于石料的CO2排放系數小，且目前國家并未提出該行業的節能減排目標，使得產業升級改造的可能性不大；雖然噸鋼的CO2排放量相對較高，但由于使用量少，對CO2排放總量影響小，因此本文確定水泥、電力、柴油、汽油作為該項目的關鍵減排因子。

4.1.1 水泥因子 高彩玲等[17]對1990—2010年河南省水泥生產過程CO2排放量進行了估算，發現河南省水泥的CO2排放系數平均每年減少1.5%。工信部《關于水泥工業節能減排的指導意見》明確提出，到“十二五”末(2015年)，水泥綜合能耗小于93 kg/t。根據《中國能源統計年鑒2014》計算得到，河南省2013年水泥綜合能耗為103 kg/t。假設2013—2015年河南省水泥行業能源消耗熱量的結構比例不變，且2015年水泥綜合能耗(標準煤)為93 kg/t，則在國家節能減排目標的基本要求下2015年河南省水泥的CO2排放系數為0.817 0 t/t。按照《國家應對氣候變化規劃(2014—2020年)》的要求，2020年水泥行業CO2排放總量基本穩定在“十二五”末的水平。根據《河南統計年鑒2014》，河南省2013年水泥產量為1.68×108t，假設按照目前水泥產量增長趨勢不變，2015年河南省水泥產量達到1.86×108t，2020年達到2.44×108t。因此，在國家節能減排目標的基本要求下2020年河南省水泥的CO2排放系數為0.622 0 t/t。

4.1.2 電力因子 河南省2013年火力發電量占到總發電量的95.4%。根據《河南統計年鑒2014》和《中國能源統計年鑒2014》計算得到，河南省2006—2013年，電力的CO2排放系數平均每年減少0.5%。按照《河南省2014—2015年節能減排低碳發展行動方案》要求，到2015年，清潔能源發電量占總發電量的比例不低于7%。假設按照目前清潔能源代替比例增長速度，到2020年河南省清潔能源發電量占總發電量的比例不低于13%。因此，計算得到2015年河南省電力CO2排放系數為0.960 5 kg/(kW·h)，2020年為0.898 5 kg/(kW·h)。

4.1.3 柴油、汽油因子 生物柴油、燃料乙醇等生物質燃料與普通柴、汽油相比，具有碳排放量低、動力充分、熱效率高、運輸儲存安全的特點，可以在無需改動發動機的前提下與普通柴、汽油進行混合，是一種理想的清潔能源。

按照我國生物質能源替代石油的中長期發展目標，到2015年，中國生物質能源消費量有望占到整個化石燃料消費量的15%，到2020年，達到20%[18]。國內外學者[19]就生物質燃料的碳排放量展開了大量研究，發現相對于化石燃料，生物柴油和燃料乙醇能顯著減少CO2排放量。OECD[20]估算發現利用大豆生產生物柴油可以減少58%的CO2排放，利用玉米生產燃料乙醇可以減少54%的CO2排放。目前河南省主要采用大豆油、菜籽油下腳料等生產生物柴油，利用玉米生產燃料乙醇，參考OECD研究成果計算對應生物柴油和燃料乙醇的CO2排放系數分別為1.327 4和1.373 0 g/kg。

4.2 情景設置及分析

4.2.1 情景設置 根據上述分析，研究設置3種情景。

(1) 基準情景。以過去的發展特點為基礎，模擬目標年份，各減排因子按照經濟慣性發展所設計的可能情景，即假設未來特定年份各減排因子所在行業在市場引導下正常發展，無重大技術創新和新工藝引入。設定基準情景下水泥因子的CO2排放系數每年減少1.5%，即2015和2020年水泥因子的CO2排放系數分別為0.878 1和0.814 1 t/t ；電力因子的CO2排放系數每年減少0.5%，即2015年和2020年電力因子CO2排放系數分別為0.975 5和0.951 3 kg/(kW·h)；汽油、柴油無生物質燃料代替。

(2) 成長情景。以完成國家節能減排目標為目的，模擬目標年份，各減排因子按照各自行業的節能減排目標所設計的可能情景。設定成長情景下2015和2020年水泥因子的CO2排放系數分別為0.817 0和0.622 0 t/t，電力因子的CO2排放系數分別為0.960 5和0.898 5 kg/(kW·h)，柴油、汽油因子中生物質燃料的代替比例分別為15%和20%。

(3) 促進情景。加大各種節能減排技術的推廣力度，模擬目標年份，各減排因子在達到國家節能減排要求的前提下超額完成20%所設計的可能情景。設定促進情景下2015和2020年水泥因子的CO2排放系數分別為0.680 8和0.518 3 t/t，電力因子的CO2排放系數分別為0.800 4和0.748 8 kg/(kW·h)，柴油、汽油因子中生物質燃料的代替比例分別為18%和24%。

4.2.2 情景分析 從表4可以看出，在相應目標年，促進情景下的CO2排放量最少，其次為成長情景和基準情景；在不同節能減排政策的約束下，各情景2020年CO2排放量均少于2015年?；鶞是榫跋?，CO2排放量減少幅度較小，與標準年相比，2015年減少2.76%，2020年減少9.29%；成長情景下，CO2排放量減少幅度明顯增加，與標準年相比，2015年減少9.13%，2020年減少29.11%，說明在國家節能減排目標的約束下土地整治項目的CO2排放量總體可以得到有效控制；促進情景下，CO2排放量減少幅度進一步提升，表明隨著相關節能減排政策力度的加大，減排量也會隨之減少。

比不同情景下各減排因子對CO2排放量的影響(表5)可以發現，水泥因子仍然對CO2減排量起著決定性作用，由它引起的減排量占總減排量的98%以上，而電力、汽油、柴油的影響卻比較微弱。這主要是由于在土地整治項目施工過程中需要消耗大量的水泥，且與其他因子相比水泥因子的減排潛力大，水泥行業在國家節能減排政策的要求下所承擔的責任也大于電力和生物質燃料代替。因此，國家對水泥行業應加大低碳、低能耗生產技術和工藝的推廣，加強行業節能減排目標的考核。

表4 項目區不同情景下CO2排放量計算結果

注：2013—2015年減排比例為2015年CO2減排量占2013年CO2排放量的比例； 2013—2020年減排比例為2020年CO2減排量占2013年CO2排放量的比例。

表5 項目區不同情景下減排因子對CO2排放量的影響

5 結論與建議

5.1 結 論

(1) 項目CO2排放總量約5.50×105t，在各單項工程中，灌溉與排水工程的CO2排放量最大(70.61%)，其次為田間道路工程(29.00%)，土地平整工程(0.38%)和其他工程(0.01%)的CO2排放量較小，生態環境保持工程無CO2排放。各單項工程的CO2排放量不僅與所消耗材料的CO2排放系數有關，還與消耗量有關。土地整治項目的目標不同，將導致各單項工程的工程量結構發生變化，從而引起CO2排放量的變化。

(2) 在各碳源材料中水泥的CO2排放量所占比例最高(92.07%)，其次是石料(4.07%),電力(1.49%)、柴油(1.51%)、鋼鐵(0.76%)和汽油(0.10%)所占比例很小。碳源材料的CO2排放量直接取決于該類材料的CO2排放系數及消耗量，間接取決于各單項工程的工程量和工程結構。

(3) 通過對不同力度節能減排政策的模擬，發現隨著相關節能減排政策力度的加大，減排量也會隨之減少。在相應目標年，促進情景下的CO2排放量最少，其次為成長情景和基準情景；在不同節能減排政策的約束下，各情景2020年CO2排放量均少于2015年。水泥因子對CO2減排量起著決定性作用，因此，國家對水泥行業應加大低碳、低能耗生產技術和工藝的推廣，加強行業節能減排目標的考核。

5.2 農村土地整治減排建議

(1) 目前中國土地整治多以增加耕地面積、提高耕地質量為目標，忽視了土地整治的生態效應。因此，應堅持以“低排放，高產出，經濟可行”為原則，貫徹綠色、低碳、環保的設計理念，在保障工程使用功能、工程質量不降低的前提下減少CO2排放量。具體措施包括： ① 積極推行“金井模式”等低碳土地整治措施，從源頭上控制碳源材料的消耗； ② 優化單體結構，減少高CO2排放系數材料消耗。 ③ 增加田塊單元面積，合理布置田間道路網體系，縮短村莊至地塊的耕作半徑，提高農業生產管護效率； ④ 多部門整合資金，合理布局工程，避免重復建設和低利用建設造成的資金浪費和CO2排放； ⑤ 完善土地整治預算編制，加強預算編制的科學性、合理性和規范性，確保物盡其用，從而減少不必要的材料消耗； ⑥ 加強后期維護管理，提高工程質量，延長工程服務壽命。

(2) 加大水泥、電力、鋼鐵等能源密集型行業的節能減排力度，嚴格執行國家減排政策。具體措施包括： ① 改進生產工藝，開發新品種。如優化水泥工業的生料和混合材比例，引進國外綠色、低碳水泥代替傳統水泥； ② 加大清潔能源的使用。如使用生物質燃料代替傳統化石能源，增加區域電網中核電、水電的供電量，減少火力發電供電比例； ③ 通過技術創新，積極推進產業轉型。中國鋼鐵業面臨較為嚴峻的碳排放形式，加強企業內部管理、優化產業結構、淘汰落后產能、推進技術創新和加大節能技術使用力度是行業減排的關鍵。

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CO2Emission in Rural Land Reclamation and Scenario Simulation Under Emission Reduction Policies

LI Ruru1， ZHAO Huafu1,2， WU Kening1,2， LI Le3

〔1.CollegeofLandScienceandTechnology,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing)Beijing100083,China; 2.KeyLaboratoryofLandRegulationMinistryofLandandResources,Beijing100035,China; 3.ServiceCenterofLandComprehensiveImprovementofLandResourcesBureau,Dongying，Shandong257091,China〕

[Objective] The effects of rural land reclamation on CO2emission were analyzed to provide reference for relevant research in carbon emission. [Methods] Based on the project budget, the CO2emission was estimated and the key impacting factors were analysed using IPCC inventory methods. Scenarios of CO2emission changes in rural land reclamation under different policies were simulated and regulations of low carbonization land reclamation were proposed. [Results] The result showed that the total CO2emission of this project was estimated to be about 5.50×105t, the engineering works of irrigation and drainage had the largest proportion. The cement was the main carbon source, accounting for 92.07% of total emissions. The CO2emission of carbon source materials directly depended on the CO2emission coefficient and consumption of this materials, indirectly depended on the quantities and structure of the projects. With the implement of relevant emission reduction policies, CO2emissions would be reduced. [Conclusion] It is concluded that the concept of green, low carbon, environmental protection should be implemented in rural land reclamation planning and design, and the ecological effect of it should be more attention to. Energy conservation and emissions reduction for those energy intensive industries such as cement, electricity and steel, should be enhanced, and in these fields, national emission reduction policies should be implemented strictly.

land reclamation; CO2emission; emission reduction policies; scenario simulation

2016-03-28

2016-05-24

北京市科學技術委員會生物燃氣及循環農業科技促進培育專項“改為高標準農田信息化監控與利用決策技術”(17952015004)

李茹茹(1989—),女(漢族),河南省新鄉市人,碩士研究生,主要研究方向為土地整治與土地利用評價。E-mail:lrr_cugb@126.com。

趙華甫(1978—),男(漢族),河南省唐河縣人,博士,副教授,主要從事土地資源評價與管理研究。E-mail:huafuzhao@163.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.030

A

1000-288X(2016)06-0177-07

F301.24, X24

文獻參數： 李茹茹, 趙華甫, 吳克寧, 等.農村土地整治項目CO2排放及減排政策下的情景模擬[J].水土保持通報，2016,36(6)：177-183.