基于系統動力學的河南省農業碳排放研究

曹 斌，李炳軍

（河南農業大學信息與管理科學學院，鄭州 450046）

溫室效應導致的氣候變暖是人類社會經濟可持續發展面臨的嚴峻挑戰，發展低碳經濟和節能減排已成為全世界共識［1］。2021年3月15日，習近平總書記在主持召開的中央財經委員會第九次會議時發表了重要講話，實現碳達峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革，要將碳達峰、碳中和納入生態文明建設整體布局，拿出抓鐵有痕的勁頭，如期實現2030年前碳達峰、2060年前碳中和的目標。目前，中國17%的溫室氣體、50%的CH4來自農業，農業碳排放成為中國碳排放的主要來源［2，3］，控制農業及其相關產業碳排放已成為中國實現《巴黎協定》減排承諾的重要一環［4］。

目前國內外關于碳排放的研究成果十分豐富，主要集中在以下幾個方面：農業碳排放測算、因素分解、時空變化特征分析以及探究農業碳排放的具體影響因素。在農業碳排放測算和因素分解方面，大多數學者采用LMDI指數分解方法或Kaya恒等式對碳排放的驅動因素進行分解［5］。其中，Yun等［6］計算了中國各省市的農業碳排放量并利用LMDI模型對碳排放驅動因素進行分解，結果表明，經濟因素增加碳排放，效率、勞動和結構因素減少碳排放。韋沁等［7］利用Kaya恒等式分析發現農業產業結構優化、農業人口整體減少等因素會抑制農業碳排放量增長，農業經濟發展會增加農業碳排放量。胡婉玲等［8］通過LMDI指數分解法發現生產效率、農業產業結構和農村人口是3個碳減排因素，產業結構、地區經濟發展水平和城鎮化是3個碳增排因素。

在時空變化特征分析方面，吳義根等［9］從時空2個緯度分析了全國農業碳排放主導因素的階段性特征和區域差異。吳義根等［9］不僅從時空維度分析了中國各省市農業碳排放量的時空分布規律，而且利用探索性空間數據分析方法研究了農業碳排放的空間關聯效應。章勝勇等［10］將空間和非參數估計方法相結合，考察了中國農業碳排放的空間分異及其動態演進。

在探究某因素對農業碳排放具體影響方面，李成龍等［11］通過系統廣義矩估計方法，分析得出機械型技術進步、生物型技術進步分別起到促進和抑制作用的結論。董明濤［12］使用灰色關聯分析細致研究了農業碳排放與農業各產業的關聯關系。Han等［13］通過耦合發展度模型、Tapio解耦評估模型，從多個視角考察了農業碳排放與農業經濟之間的關系。韓金雨等［14］通過研究發現，食物消費結構升級與農業碳排放有一定的關聯性，且存在一定的滯后性，但其影響程度和方向因食物種類而異。

從以上文獻可以看出，現有研究主要以“機理—測算—影響因素—減碳措施”為研究脈絡，對農業碳排放的影響因素分析主要使用LMDI方法、Kaya恒等式、回歸分析、結構方程模型、Tapio脫鉤模型等。而從系統的角度出發，對不同影響因素下區域碳排放的動態仿真及預測分析涉及較少。現階段的研究中，徐磊等［15］利用系統動力學方法分析湖北省農業碳排放系統的反饋機理，考慮到河南省和湖北省碳排放影響因素的差異，現有研究農業碳排放的系統動力學模型并不能很好地符合河南省農業碳排放的現實情況。基于此，本研究利用系統動力學方法，建立河南省碳排放系統動力學仿真模型，研究河南省農業碳排放影響因素的作用機理，預測2022—2030年河南省農業碳排放的變化趨勢，并對不同情景下的農業碳排放進行模擬預測，探尋低碳農業發展的方向和模式，為新時代制定具有針對性的碳減排政策提供理論依據。

1 研究區域與方法數據

1.1 研究區域

河南省地處中原腹地，是中國的農業大省，也是重要的糧食產區。2020年，第一產業生產總值5 353.74億元，同比增長15.5%。糧食播種面積高達14 741.61 km2，糧食總產量達6 825.8萬t。生豬、家禽、肉羊飼養量分別達到3 886.98萬頭、7億只和1 965.12萬只，均居全國前列。但隨著農業經濟的快速發展，農業實現減碳的壓力逐漸加大，發展低碳農業的需求十分迅速。

1.2 研究方法與數據來源

系統動力學是福瑞斯特教授為研究生產管理、庫存管理等企業問題，于1985年創立的系統仿真方法。系統動力學把系統的行為看成是由系統內部的信息反饋機制決定，主要研究系統內部要素的運行對系統的影響，通過建立系統動力學模型、仿真，以研究系統結構、功能和行為之間的動態關系，從而尋求較優的系統結構和功能的一種系統分析方法［16，17］，構建系統動力學模型主要有如下步驟［18］。

①明確系統模型建立的目的，確定系統邊界。②分析系統結構，創建系統流程圖并定義方程和參數。③檢驗模型。根據模型的仿真效果，不斷改進系統的結構和參數，以檢驗模型的準確性。

本研究參考張俊榮等［19］的方法計算河南省農業碳排放。農業碳排放測算以及建立系統動力學模型所需基礎數據來源于《河南統計年鑒》《中國能源統計年鑒》《中國農村統計年鑒》《中國國土資源年鑒》以及社會資料。

2 系統模型構建

2.1 建模的邊界與目的

模型以河南省為空間邊界，時間邊界為2010—2030年。其中，2010—2021年為基期，2022—2030年為預測期，時間步長設定為1年。建模目的主要是為了分析影響農業碳排放各因素之間的反饋結構和因果關系，動態分析各因素變化對農業碳排放的影響機制，為更好地發展低碳農業提供指導。

2.2 系統構成

碳排放是一個復雜的過程，受到社會、經濟、人口、能源和環境等的多重影響。依據河南省農業碳排放發生的機制，碳排放系統主要由經濟子系統、人口子系統、土地子系統、能源子系統、碳排放子系統構成。子系統與系統元素之間存在聯系，主要的因果反饋回路見圖1。

圖1 河南省農業碳排放系統因果關系

回路1：農業碳排放強度→+節能減排成本→-GDP增加額→+GDP→+第一產業總投資→+農業公共投資調整因子→+保護性耕作技術系數→+免耕固碳→+固碳措施的減排效應→+碳排放減少量→-農業碳排放→+農業碳排放強度。

回路2：農業碳排放強度→+節能減排成本→-GDP增加額→+GDP→+第一產業總投資→+農業公共投資調整因子→+生物質能源開發技術系數→-能源強度→-煤碳排放系數→+煤燃燒→+農用化石能源直接排放→+能源碳排放→+碳排放增加量→+農業碳排放→+農業碳排放強度。

回路3：農業碳排放強度→+節能減排成本→-GDP增加額→+GDP→+第一產業總投資→+種植業投資→+化肥量→+農用化肥結構調整因子→-化肥生命周期隱含碳→+農用化學品隱含碳→+農用化學品碳排放→+碳排放增加量→+農業碳排放→+農業碳排放強度。

2.3 模型建立

根據系統結構、反饋機制以及反饋回路，繪制描述河南省農業碳排放系統存量圖，如圖2所示。主要變量及方程式見表1。

表1 主要變量及方程式

圖2 河南省農業碳排放系統存量

3 模型檢驗與模擬分析

3.1 模型檢驗

運用Vensim軟件，根據系統存量圖中所定義的數學模型和結構模型，本系統模擬時間為2010—2030年，并設置了起始時間2010年的部分初始值，不斷調整修正河南省農業碳排放系統動力學模型，使模擬結果接近河南省農業碳排放現狀。

本研究選取對農業碳排放影響較大的狀態變量進行檢驗。將各變量的模擬結果與歷史數據進行對比，得到各變量的誤差值，如表2所示。檢驗結果表明，該系統模型相對誤差率不超過5%，在誤差允許范圍內，這說明河南省農業碳排放系統動力學模型的模擬結果可靠，符合建模要求，可以用來模擬河南省農業碳排放的狀態以及變化趨勢，能夠通過調節關鍵參數進行仿真模擬試驗。

表2 河南省農業碳排放主要變量歷史性檢驗

3.2 基于模型的農業碳排放情景分析

農業碳排放主要與農用化學品的使用、農業結構、土地利用結構、技術進步等有關［21，22］，因此，本研究主要對農用公共投資、農業結構調整、能源強度調整3種政策進行情景模擬。根據表3中的情景對農業碳排放系統仿真，分別得到河南省2022—2030年的農業碳排放結果。

表3 情景模擬仿真方案

由圖3可知，農用公共投資的調整對農業碳排放起到了一定的抑制作用，農業總投資的增加提高了水土保持技術和生物質能源技術的發展水平，以更好地處理農業廢棄物，減少焚燒造成的污染，保護土壤環境。生物質能源和水土保持農業技術還可以通過減少二氧化碳排放來替代化石燃料，從而起到減少碳排放的作用。

圖3 農業公共投資對農業碳排放影響模擬結果

化肥結構的調整對農業碳排放具有重要作用，化肥是農業糧食生產中保護糧食生產的重要物質，農用化肥結構和農業碳排放強度有協同關系。由圖4可知，化肥中氮元素比例的減少使農業碳排放減少，從長遠來看，化肥中氮元素的比例下降對農業碳排放強度有正向的影響。此外，控制氮肥比重和優化化肥結構對糧食增產也有一定的效果。

圖4 農用化肥結構對農業碳排放影響模擬結果

能源強度體現了能源利用的經濟效益，能源消耗是農業碳排放的重要來源。由圖5可知，能源強度越低，農業碳排放強度就越小，能源強度與農業碳排放呈顯著正相關，因此，應該著重于提高能源利用效率和較少能源消耗從而達到減少農業碳排放的目的。

圖5 能源強度對農業碳排放影響模擬結果

4 小結與建議

本研究基于系統動力學模型，從系統的角度對河南省農業碳排放進行了模擬與仿真，動態研究了2022—2030年河南省農業碳排放當前狀態及不同情境下的未來發展趨勢。

1）按照當前狀態，農業碳排放在2022—2030年雖然一直保持下降，但下降速率十分緩慢，碳減排效果較差，因此必須采取措施抑制河南省的農業碳排放。

2）考慮增加農業公共投資在節能減排領域的比例，鼓勵、扶持綠色農業研發項目，重點投入在生物質替代能源的開發和保護性耕作技術的研究上，用綠色節能生物質能源來做替代能源，減少能源消耗，從而減少農業碳排放。

3）適當調整農業化肥結構，將內部調整為高效、低能耗、低污染狀態。目前河南省以種植業作為經濟重心，化肥、農藥等農業物質資料投入較高，成為農業的主要碳源。因此，河南省應加快調整農業結構，提高森林對經濟發展的貢獻率，減少垃圾、藥品等碳源的獲取，確保經濟快速發展，減少環境污染。

4）農村地區的碳排放應盡早納入政府碳排放重點管控范圍，提升全社會對農業碳排放管理的意識，從提高能源效率、優化工業和能源基礎設施等方面著手減少碳排放。