不同類型的耕地整治工程碳排放比較研究

崔越+趙華甫+周璐瑤+王超+李雪

摘要：以北京市海淀區高標準基本農田為例，以減量化、因地制宜、生態設計、使用低碳材料為指導，在原工程設計的基礎上進行優化設計，并使用IPCC清單算法進行碳排放量的核算。多種方案比較，結果表明，針對項目研究區，采用噴灌方法，進行永久性路面改造是最低碳且最有效率的整治方式。同時提出優化整治建議，在整治中使用低碳材料，減少能源、資源的投入，實現生態型設計。

關鍵詞：土地整治工程；碳排放；IPCC清單算法；北京市海淀區

中圖分類號：F301.21；X24 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）06-1040-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.06.012

Abstract： Based on the projects design of a high-standard basic farmland in Haidian district in Beijing and guided by the principle of reducing， adaptation to local condition， ecological design and using low-carbon materials， the designs optimized and calculates the carbon emissions using IPCC inventory methods. By the comparison of different plans， the results showed that the plan choosing sprinkling irrigation and perpetual pavements was the most effective one which also caused least carbon emissions. Meanwhile， some suggestion on optimized farmland reclaimation were given such as using low-carbon materials， reducing the investment of energy and resources and doing some ecological designs.

Key words： farmland reclamation project； carbon emissions； IPCC inventory methods； Haidian district in Beijing

世界范圍內工業化、城鎮化進程引起的全球氣候變暖、溫室效應以及生態問題等是當今人們關注與研究的熱點。改革開放以來，中國經濟發展日新月異，但“高能耗、高消耗”的傳統經濟發展模式在為中國制造贏得聲譽的同時，也帶來資源破壞、生態惡化的隱憂。中國經濟發展以大量的土地資源開發為基礎，城市化、工業化大量占用了良田，需要通過土地整治，補充耕地損失，建設高標準農田。土地整治工作于20世紀90年代興起，最初以增加耕地數量為出發點[1]，隨著經濟的發展以及研究的進步，土地整治工作逐漸向綜合化、生態化、規范化、科技化和多樣化的方向發展[2]。到目前為止，研究者對土地整治工程的理論體系[3]、實踐與設計[4]、模式[5]等方面進行了研究。但在土地整治過程中，普遍采用的路面、溝渠等硬化，或大土方量客土與平整工作，其環境影響，尤其是碳排放效應尚不清楚，而這對土地的低碳利用與可持續發展的意義重大。“低碳”的理念是“生態文明”的重要特征[6]，低碳發展模式是“碳排放量生態環境代價、社會經濟成本最低、可持續性強”的發展模式[7]。對碳排放量的定量核算可用于衡量土地整治工程的低碳效益，但現今此方面的研究較少。在本項目中，對不同類型的土地整治工程進行碳排放的核算，并將工程進行后一年期內引起的碳排放一并納入核算體系，以此作為土地整治工程對后續農業生產活動的碳排放影響的考量。通過本次研究，將土地整治工程與碳排放量進行結合，對不同類型土地整治工程的碳排放量進行比較，以期得到更符合低碳理念的整治方案，為實踐提出優化建議，并為后續的研究提供依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 條件概述

海淀區位于北京城區和近郊區的西部和西北部，地跨北緯39°53′-40°09′，東經113°03′-116°23′。海淀區地勢西高東低，屬于溫帶濕潤季風氣候區。研究區位于海淀區5個高標準基本農田建設樣區之一的上莊鎮西辛立屯村，在海淀區的西北部，屬于山前平原，雨熱同期，農作物基本以小麥、玉米為主。項目區地勢平坦無起伏，基本無需進行土地平整工作，土壤類型為潮土，較適宜農作物生長，但土地分散經營且利用率不高，基礎設施建設不足，沒有布設防護林。區內無道路，適合進行一定的規模化經營。該項目區四周均有農村道路，東側地下埋有暗管，可引河水作為灌溉水源，灌溉設施條件差，有用于排水的農溝，可進行整理的空間較大。

1.2 數據來源

研究所需基礎數據來源于項目可行性研究報告以及預算書等。高標準基本農田整治項目有關資料由北京華源厚土土地整理規劃設計有限公司提供，研究在其整治方案的基礎上進行優化設計。

2 不同土地整治工程設計方法

2.1 設計原則

在進行土地整治工程設計時，遵循減量化、生態設計、因地制宜、使用低碳材料的原則。“減量化”要求合理減少土地整治工程中的各項投入，實現資源、能源的節約利用與高效使用，摒棄大量消耗、大量廢棄的傳統整治模式，以實現土地整治工程的經濟、生態過程的和諧循環[8]；生態設計要求設計從系統性、全局性的角度出發，著眼于對“山水林田湖”生命共同體的整治，使整治工程不再局限于田塊，同時，生態設計還要求將生態的理念貫徹于整治的全過程，從設計、施工再到后期管護及其所帶來的影響，均需遵循生態的理念；因地制宜原則要求順應當地的地形地貌條件，在盡量少做改動的基礎上完成土地整治工程，對當地的地形地貌以及生態系統的擾動降低到最小程度；土地整治過程中，需要投入大量材料，在材料的選擇過程中，應當遵循盡量使用低碳材料的原則，而且整治工程項目所在地的材料應作為首選，以降低整治過程所帶來的碳排放量，實現節能減排。

2.2 分工程設計

1）平田整地工程。在土地平整工程中，田塊的平整程度、面積、方向、長度、形狀等因素均可影響施工強度，影響土地的利用效率，影響機械耕作效率，進而影響碳排放量。結合研究區的概況，本項目所選的樣區內土地平坦，基本無需進行土地平整。項目區形狀近似矩形，長約500 m，寬約280 m，能夠滿足機耕要求。但由于研究區土地破碎化較為嚴重，影響機耕效率，土地利用率低，因此需要進行地塊的合并。

依據減量化原則以及因地制宜原則，項目區田塊無需進行大規模土地平整工作，但灌溉與排水工程以及道路工程的實施會對田塊面積造成影響。羅丹[9]的研究指出田塊面積通過影響機械耕作效率來影響耕作過程中的碳排放量。研究其對碳排放的影響時，可以從耗油量方面考慮與計算。田塊面積較小時，耕作效率低，耕作同樣面積的土地耗時長，耗油量高，面積達到一定規模則反之。

2）灌溉與排水工程。在土地整治工程中，灌溉與排水工程在施工過程以及后續的農業生產過程中均會引起大量的碳排放。其影響碳排放量的因素主要包括灌溉方式、灌排設施等，其中灌溉方式會通過影響農業活動用水量影響用電量，從而間接影響碳排放量；灌溉排水的溝渠布設方式會影響用水量和灌溉排水工作本身的效率，進而間接影響碳排放量；灌排設施所使用的材料會直接影響碳排放量。在灌溉與排水工程方面，主要考慮灌溉方式，以及對應的材料使用量、用電量三方面，并對相應碳排放量進行量化計算。

依據設計原則，結合項目研究區規模較小、距水源較近的特點，排除渠灌這一占地較多、對水資源利用率低且工程量較大的設計方式，采用以下3種設計方式。一為原工程設計的低壓管道灌溉，在這種設計方式中，主要考慮灌水效率，項目區內密集布設30套給水栓；二為改進后的低壓管道灌溉，在這種設計方式中，綜合考慮效率與減量化設計，在滿足灌溉的基礎上，減少給水栓數量，采取安管與毛渠相結合的灌溉方式；三為半固定式噴灌的方式進行灌溉，此方法在后續的農業生產活動中節水效果顯著。

3）道路工程。在土地整治工程中，道路工程能夠分割田塊，方便通行，但若對道路過分硬化，則容易提高工程的碳排放量，并且造成生境破碎與連通性降低。項目區現有道路素土路面與混凝土路面混雜，對通行效率等有不利影響，故亟待進行整治。原工程設計中將道路改為混凝土路面，僅滿足了通車及田間耕作的需要，而未充分考慮相應的生態效益。在不改變原有道路功能的基礎上，本著減量化、因地制宜、使用低碳材料的原則，與田塊大小、形狀、溝渠布設全面協調，合理規劃，科學布置[10]。充分尊重原有道路布局，通過優化設計，盡量避免占用耕地。道路盡量采用透水性好、生產碳排放量小、使用年限較長的材料，實現資源利用最大化，實現生產和工程實施過程中碳排放最小化。

3種設計方案如下。原有工程設計中，該項目區東側道路為6 m寬C20混凝土道路，西側道路為1.5 m寬C20混凝土道路，南側為4 m寬C20混凝土路，北側為6 m寬C20混凝土道路；第一種優化設計出于對通車效率以及低碳效應的綜合考慮，改變西側1.5 m寬混凝土鋪面為素土夯實路基、碎石路面鋪裝；第二種優化設計中，改變研究區內混凝土鋪面為永久路面鋪裝；在第三種優化設計中，針對不同道路寬度與功能差異，改變原有4 m道路兩側0.3 m為素土路面，原有6 m道路中央0.5 m為素土路面，其上可生長草本植物，以增強生態效益，同時有效增加道路工程的碳吸收效益。

4）其他工程。在其他工程方面，防護林的設置對碳排放量影響較大。依據景觀生態學的要求，在布設防護林時，應當盡可能地選擇當地樹種，以保證生態穩定性，節約費用并減少在運輸過程中的碳排放量。因此，在針對本項目研究區的防護林布設中，可以選擇楊樹這一樹種。

根據土地整理規程要求，研究區防護林可作如下布設，在研究區北側和東側各種植1行楊樹，在西側和南側各種植3行防風林。

防護林在土地整理過程中的碳排放量受樹齡、樹種等多方面影響，針對性數據較少，碳排放量核算難度大；又因為在土地整理項目進行過程中，防護林在節能減排方面做出正貢獻，所以在進行方案組合時，可不將這一因素考慮在內。

將分工程的設計進行組合，可得到不同類型的土地整治工程方案，方案組合如表1所示。

3 碳排放計算方法

3.1 碳排放系數法

目前，國內外估算碳排放的方法有清單編制法[11]、實測法[12]、物料衡算法[13]等，各種方法各有所長，計算結果可能也有所不同。

按照《IPCC國家溫室氣體清單指南2006》[14]，同時考慮到土地整理在施工過程中需要消耗大量的水泥、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對土地整理的各項工程進行碳排放量的核算，加和得到整個項目的碳排放量。計算公式如下：

C=■Wi·Qi

式中，C表示CO2排放量；Wi表示第i種材料的CO2排放系數；Qi表示第i種材料的消耗量。其中，主要材料的碳排放系數[15-20]見表2。

在計算過程中，部分使用材料的碳排放系數無法直接計算得出，可以采用它與其他材料的比例關系求得其碳排放量，例如在使用瀝青對道路材料進行改良時，其碳排放系數無法直接求得，根據吳軍偉[21]的研究可得出與混凝土路面對比，永久性瀝青的碳排放量僅為后者的28.7%，由此可以進行碳排放量的折算。

3.2 核算范圍

土地整治工程是一項綜合性、系統性工程，而不僅僅是四項工程的簡單拼接，它不僅在整治過程中會對碳排放造成影響，而且會對后續的農業生產方式造成影響，進而影響碳排放量。因此本研究在對不同方案進行碳排放量的核算時，將由土地整治而直接引起的農業生產方式變化所導致的碳排放量也納入核算體系，以完善土地整治工程的后續影響評價。同時，由于不同的設計方式造成了整治工程的使用年限以及后期管護方式不同。因此，在本次研究中，將土地整治工程所直接導致的碳排放量平均到每一年，以便于進行不同設計之間的比較。

4 碳排放量核算結果與分析

對不同工程的不同設計以及不同類型的土地整治工程分別進行碳排放量的核算，結果如表3、表4所示。

1）由表3可知，在土地整治過程中，平田整地工程與灌溉排水工程所占的碳排放量比重最大，二者之和達90%以上，但這部分碳排放量中，大部分并非直接是由土地整治施工過程帶來的，而是由后續的農業生產過程所致，主要的碳排放量來自機械耕作消耗的水電。之所以出現這種現象，是因為研究區較小，土地整治工程的施工量較少，對能源以及材料的消耗不如后續的農業生產過程帶來的碳排放量大。因此，農業生產過程對碳排放帶來的影響不容小覷，土地整治工程必須考慮到其對農業生產所帶來的影響。

2）由表4可知，按照“減量化，生態設計，因地制宜，使用低碳材料”的原則進行土地整治方案設計，均可使得碳排放量減少。其中，方案七的設計方式所引起的碳排放量減少幅度最大。方案七采用了噴灌的灌溉方式，并使用永久性路面對原有的道路進行優化，同時布設了農田防護林，充分踐行了新型土地整治設計原則。

3）分析數據可以得知，使用碎石進行路面鋪裝所引起的單條路面碳排放量最小，但對本項目研究區而言，出于對通車效率的考慮，在路面優化設計一中并未將所有路面都改為碎石路面。而優化設計二中使用瀝青進行永久性路面改造，既能保證通車效率，又比混凝土路面帶來更少的碳排放量，還能有效延長整治工程的使用壽命。優化設計二中碳排放量的減少幅度大主要是由改動對象較多、使用年限長造成的。如果優化設計二、三相結合，所導致的碳排放量更小。但是在實際施工過程中，瀝青材料所需要的投資較高，因此可以對部分道路適當降低通車效率要求，選擇碳排放量更低、投資更少的碎石路面進行鋪裝，而對于通車要求較高的路段，可采用與素土路面合理結合的形式進行鋪設。

4）從表4中不同方案的碳排放量比較歸納可以得出，改變灌溉方式所引起的碳排放量減少幅度也較大。這是因為噴灌在節水方面效果顯著，而節水又可以帶來電力的節約，因此對碳排放的減少貢獻較大，但與低壓管道灌溉相比，噴灌的能耗較大，需要的投資較高，因此二者的優劣選擇，還需根據具體項目區的情況進行具體分析。

5）由數據分析，就整治工程本身，灌溉排水工程以及道路工程對碳排放量的影響較大，尤其是道路工程，對整治過程本身的碳排放量貢獻較大，究其原因，是由于根據因地制宜原則的指導以及本項目區的具體狀況，研究中并未進行工程量較大的土地平整工作以及溝渠建設等大型整治區所需要的工程。由不同設計方式碳排放量的不同分析得知，更為低碳的材料的使用對降低碳排放量的影響顯著。進行減量化設計與生態設計，減少不必要的路面硬化，既能保證一定的通行效率，又能降低碳排放量，促進生態系統的良性循環。如果能將減少原材料的投入、使用低碳材料與進行生態設計結合起來，則減碳效果會更加顯著。

5 小結與討論

5.1 小結

1）結合研究區自身的特點，在保證效率的前提下，就低碳發展模式而言，選擇最為低碳的方案七更為合適，但方案七中的噴灌方式以及永久性路面材料的使用都是需要大量投資才能得以實現，因此在具體進行土地整治時，也可合理降低效率要求，選擇使用低壓管道灌溉，并以碎石材料進行路面鋪裝，同時配合生態設計，使實施效果更佳。

2）土地整治在設計施工的過程當中，應當合理減少能源、資源的投入，在保證實現土地高效利用目的的基礎上，減少能源資源的消耗量，真正節約、高效地使用各種能源與資源，實現節能減排與發展的雙贏。

3）土地整治工程應當遵循因地制宜的原則，盡量避免大興土木，進行生態型設計，選用更為適合的鄉土材料，從系統的角度進行規劃設計，促進當地的生態系統形成良性循環。

5.2 討論

1）本研究所選擇的項目區有其地理位置特點以及自身條件特性，如無需進行平田整地，不宜進行大型水利工程設施建設等，因此，針對其所做出的土地整治方案并非完全通用，但根據研究所得出的優化設計思路具有一定的普適性。

2）在進行碳排放量的核算時，更多地考慮整治工程中的材料選擇以及工程對后續農業生產活動帶來的影響，但對整治工程中的施工過程帶來的碳排放量考慮較少，可能導致結果與實際情況略有出入。

3）使用IPCC清單算法進行核算，但在計算過程中采用了通用參考系數，對地域不同所帶來的微小差異忽略不計。在進行永久性路面鋪裝的碳排放量核算時，未考慮不同地區的微小差異，可能導致結果與實際情況略有出入。實際操作時，應秉承因地制宜原則，使研究成果本土化后再進行運用。

參考文獻：

[1] 張正峰，趙 偉.土地整理的生態環境效應分析[J].農業工程學報，2007，23（8）：281-285.

[2] 張正峰.國外可持續土地整理的發展特征及對我國的啟示[J].生態經濟，2007（10）：144-147.

[3] 李 展，彭補拙.江蘇省吳江市土地整理理論與實踐研究[J].資源科學，2000，22（3）：70-73.

[4] 吳次芳，陳美球.鄉村土地整理的若干技術問題探討[J].中國土地科學，1997，11（4）：41-45.

[5] 馮廣京.我國農地整理模式初步研究[J].中國土地，1997（6）：14-20.

[6] 鄧小華，周 婧.“低碳”內涵的國際貿易相關問題研究[J].國際商務-對外經濟貿易大學學報，2011（5）：35-42.

[7] 王 莉，陳 浮，陳海燕，等.低碳經濟和土地集約利用的脫鉤分析體系研究—以江蘇省昆山經濟開發區為例[J].水土保持研究，2012，19（4）：218-222.

[8] 梁流濤.基于循環經濟的土地可持續利用模式探討[J].資源節約與保護，2010（3）：56-57.

[9] 羅 丹.基于地塊面積的土地整理耕作效率研究[D].北京：中國農業大學，2012.

[10] 趙華甫，吳克寧，王自威，等.中國東北典型黑土區土地整理規劃設計模式[J].資源科學，2011，33（5）：929-934.

[11] IPCC.2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventorise[M].JAPAN：IGES，2008.

[12] 張德英，張麗霞.碳源排碳量估算辦法研究進展[J].內蒙古林業科技，2005（1）：20-23.

[13] IPCC，OECD，IEA. Revised 1996 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventorise[M].UK：Bracknell，1997.

[14] IPCC. Summary for Policymakers of Climate Change 2007：The Physical Science Basis[M].Cambridge：Cambridge University Press，2007.

[15] 高彩玲，高 歌，張 華，等.河南省水泥生產過程中CO2排放量估算[J].資源開發與市場，2012，28（8）：696-698.

[16] 中國能源中長期發展戰略研究項目組.中國能源中長期（2030、2050）發展戰略研究：可再生能源卷[M].北京：科學出版社，2011.

[17] 陳瑜琦，王 靜，蔡玉梅.發展燃料乙醇和生物柴油的碳排放效應綜述[J].可再生能源，2015，33（2）：257-266.

[18] OECD. Biofuels Support Policies：An Economic Assessment[M].Paris：Organization for Economic Cooperation and Development（OECD），2008.

[19] 2014年中國區域電網基準線排放因子（BM計算結果修改）[EB/OL].2015-05-12.http：//www.tanjiaoyi.com/article-9530-1.html.

[20] 潘根興，李戀卿，張旭輝.土壤有機碳庫與全球變化研究的若干前沿問題[J].南京農業大學學報，2002，25（3）：100-109.

[21] 吳軍偉.道路工程碳排放量計算與分析模型的發展與應用[J].科技研究，2011，7（7）：248-250，274.