東北地區農村生活能源結構變遷及其對區域污染物排放的影響

邢冉，沈國鋒，程和發，陶澍

北京大學城市與環境學院/地表過程分析與模擬教育部重點實驗室，北京 100871

能源是支撐社會發展的基礎，而居民炊事和取暖等日常活動所消耗的生活能源更是民生根本。城市和農村在能源來源和使用上存在較大差異（Zheng et al.，2014），2020年，中國仍有450多萬戶家庭用柴草作為主要的炊事燃料（國家統計局，2022a），這些家庭主要集中在農村地區。農村地區現代能源利用率較低，生物質能源仍然是農村居民生活能源的主要部分，占生活能源總量的60%左右（Wang et al.，2017；Tao et al.，2018；Wu et al.，2019）。生活源煤炭和秸稈等固體燃料不完全燃燒產生細顆粒物（PM2.5）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）等不完全燃燒產物，是區域大氣污染不容忽視的來源之一。文獻研究發現，生活源排放對區域大氣PM2.5的貢獻為10%—45%（Lai et al.，2019；Shen et al.，2019），而在北方地區的冬季，生活源的排放貢獻很突出。

隨著社會發展和人民生活水平的提升，居民生活能源的量和結構經歷著快速變遷，產生的環境效應也發生著變化。遼寧、吉林和黑龍江三省位于我國東北部，是中國冬季最寒冷的地區之一，全年取暖度日數為130 d以上（日均溫低于5 ℃）。與全國大部分農村地區能源消耗以做飯活動為主體不同，東北地區受氣候影響取暖需求強烈，取暖活動所消耗的能源與炊事能耗相當（Zheng et al.，2014）。受到取暖活動能源消耗的影響，東北農村的家庭能耗高于國內其他地區，且表現出以生物質能源為主體的能源結構特征（仇煥廣等，2015；Wang et al.，2017；Zou et al.，2019）。東北地區是中國的糧食主產區之一，糧食產量占全國的五分之一，且東北地區森林覆蓋率為40%以上，遠高于全國平均森林覆蓋率的23%（國家統計局，2022b）。豐富的生物質能源因為獲取方便和成本較低而成為了當地居民炊事和取暖活動最常用的燃料，生物質能源占比約為 60%—90%（李國柱等，2013；石祖梁等，2017）。東北農村家庭常用的火炕和小鍋爐由于固體燃料的大量燃用，產生的 PM2.524 h日均質量濃度約為 345 μg·m?3（Zhao et al.，2015），且秸稈燃用的 PM2.5濃度是燃煤的1—15倍（白莉等，2019），在冬季會造成較高的室內污染物濃度，進而對人體健康產生不利影響。

現有研究多是針對單一年份或宏觀統計的分析，缺乏針對東北地區基于微觀數據的年度變遷研究。掌握東北這個典型的高耗能和高生物質占比區域的能源變化情況和規律，探究區域生活電氣化水平及空氣質量影響程度，對于能源轉型相關政策的制定和區域可持續發展具有重要意義。因此，基于兩次實地調查獲取居民生活能源消耗情況的第一手數據，分析2002—2017年東北地區（不包括蒙東五盟市）的農村生活能源消費量和結構的變遷情況，估算主要空氣污染物的產生量，并對比分析區域內居民生活用能和品質差異，以期為農村地區能源綠色轉型發展提供基礎信息（國家能源局，2022）。

1 數據與方法

數據來源于兩次實地調查，分別為 2012年北京大學聯合國內數十家院校開展的全國農村直接生活能源情況調查，和在此基礎上以 2017年為基準年再次開展的全國生活能源調查。其中 2012年調查包含對5年前（2007年）和10年前（2002年）能源使用情況的回憶。調查方案及質量控制可參考Tao et al.（2018）和Shen et al.（2022）的研究。

1.1 抽樣方案

抽樣調查過程符合系統-隨機抽樣要求，在省和市級層面采用分層抽樣，地級市以下采用隨機抽樣方式，最終樣本單元為戶。東北地區2012年抽樣密度為0.4‰，2017年抽樣密度為0.3‰。2012年最終獲得有效問卷數分別為遼寧1731戶、吉林1665戶、黑龍江1258戶；2017年最終獲得有效問卷數分別為遼寧1921戶、吉林784戶、黑龍江1010戶。

1.2 問卷調查

家庭生活用能情況由調查員入戶面對面調查并填寫問卷獲得。調查問卷經過專家論證、現場預調研并反復修改。問卷包括家庭基本信息和能源使用信息兩方面內容，其中家庭基本信息涵蓋：住址、人口、性別、年齡、住房情況、工作性質、經濟狀況、能源開支等；能源使用信息包括：爐具的數量、位置和使用情況，各類能源（塊煤、蜂窩煤、泥煤、秸稈、玉米芯、薪柴、樹枝、畜糞、液化氣、沼氣、電、太陽能）的使用時間占比和部分能源（煤炭、液化氣和電）的使用量，及主要能耗活動做飯和取暖的情況。

1.3 固體燃料稱重

固體燃料尤其是生物質燃料用量是生活能源調查的重點和難點，本研究通過入戶稱量質量獲得農村居民固體燃料日消耗量。具體涉及到取暖和炊事活動所消耗的塊煤、蜂窩煤、泥煤、秸稈、玉米芯、劈柴、樹枝和畜糞等燃料。稱重由調查員入戶進行，在準備足量燃料（單一或組合燃料）的前提下，分兩次分別稱量24 h前、后的燃料質量，其差值為每日燃料消耗量，即24 h“戶×日”的用量。考慮到燃料消耗量的日變化差異，本研究中每戶連續稱量兩天（稱取3次）。

1.4 質量控制

調研隊伍經過嚴格篩選，并針對調研目的和調查方案對調研人員進行多層次培訓。問卷調查結果經過電話抽查和問卷篩查，并通過調查點GPS信息和拍攝部分現場照片監控調查過程，以保證信息質量。書面調查數據由第三方進行電子版錄入，采用雙盲錄入并進行機輔核對，錄入正確率在99%以上。

1.5 排放測算

選取PM2.5、SO2、NOx和CO作為代表性污染物，基于調查獲得的燃料消耗量結合排放因子進行污染物排放量的計算。特定污染物i在排放源的年排放量Ei（g）的核算公式如下（Du et al.，2018；Huang et al.，2014）：

式中：

Qj和EFij——第j種燃料的消耗量（kg）和第j種燃料的污染物i的排放因子（g·kg?1）。

1.6 不確定性分析

采用熱值為單位核算燃料總用量，其中各種燃料的單位熱值源于課題組現場測試結果，最終結果表達為戶均年用量。污染物排放因子來自課題組國內外研究，尤其是國內近些年排放研究所建立的生活源排放因子數據庫（http://inventory.pku.edu.cn/）。受各地燃料品質和爐灶類型差異的影響，燃料用量和污染物排放量的計算存在一定的不確定性。燃料消耗量和排放量的不確定性采用蒙特卡洛模擬（10000次），結果表達為四分位區間（25%—75%的范圍）。

2 結果與討論

2.1 居民能源消費量變化趨勢

東北農村居民生活能源消耗總量呈現下降的趨勢，從2002年的1125.7（四分位區間為1047.1—1221.0）PJ下降到 2017 年的 880.8（759.4—1048.7）PJ。與此同時，東北地區農村人均收入從 2300元增加到13100元，呈現與生活能源消耗量相反的變化趨勢。家庭是日常生活中炊事、取暖等活動發生的基本單元，戶均能源消耗相較于能源消耗總量更能反映出在社會經濟發展的過程中，人們對基本生活能源需求的變化。2002—2017年，能源消耗量不斷下降，從 2002年的 87.4（81.3—94.8）GJ/戶到2017年降到58.6（50.5—69.7）GJ/戶，降幅約33%（圖 1）。東北地區農村居民能源消耗量顯著高于中國其他地區（Zhou et al.，2008；Wang et al.，2017；Zou et al.，2019），這與該區域的能源結構（固體燃料依賴度高）及強取暖需求有關。炊事耗能量的下降是區域生活能源消耗量下降的重要原因，而同期取暖能源消耗的變化較小。2017年，東北地區農村居民炊事和取暖耗能分別為 30.8（27.2—40.6）GJ/戶和 27.8（23.6—31.3）GJ/戶。

圖1 2002—2017年東北農村地區生活能源消耗量Figure 1 Residential energy consumption in rural areas of northeast China from 2002 to 2017

2.2 居民生活能源結構變遷

東北地區的能源消耗更多的受到自身驅動，相較于京津冀和山東等地區，其受到的政策影響更少，而相較于江浙滬等地區又更少地受到經濟發展的影響（Shen et al.，2022）。在2002—2017年能源總量整體下降的情況下，不同能源消耗量的變化使得能源結構逐漸調整（圖2）。2002年家庭能源消耗以生物質能源為主，包括薪柴、秸稈和玉米芯、茅草、畜糞等其他生物質在內，相對占比達到81.9%。其中薪柴和秸稈是能源消耗量最大的兩部分，分別為29.3 GJ/戶和30.1 GJ/戶，占據能源消耗總量的67.6%。電和氣僅為1.8 GJ/戶和0.6 GJ/戶，占比不足3%。作為主要的商品能源，煤炭消耗量為13.4 GJ/戶，占比為15.3%。在往后15年間，不同類型能源的消耗量變化存在一定的差異性，其總體趨勢是薪柴和秸稈等生物質能源大幅度減少，而煤炭、電和氣等商品能源則明顯增加，與已有研究的結果相仿（Wu et al.，2019；Zou et al.，2019；李國柱等，2013）。2017年，煤炭消耗量增加到30.6 GJ/戶，占據能源消耗總量的52.2%。電和氣作為主要的清潔能源，分別增加到5.8 GJ/戶和2.5 GJ/戶，占比為14.2%。而生物質能源下降到19.7 GJ/戶，占比為 33.6%。在 15年期間，戶均生物質消耗量減少53.9 GJ，占能源減少總量的99%。

圖2 2002—2017年東北農村地區生活能源結構變遷Figure 2 Changes in residential energy structure in rural areas of northeast China from 2002 to 2017

能源結構的變化在不同能源活動中存在明顯差異。東北地區冬季相對寒冷且漫長，與城市地區的集中供暖不同，絕大部分農村家庭仍舊依靠燒炕、爐子、暖氣等自取暖方式滿足熱舒適需求。2002年炊事和取暖的能源結構相仿，都是以秸稈和薪柴等生物質能源為主，輔以煤炭、電和氣。2017年，隨著生物質能耗量的不斷減小和煤炭能源的不斷增加，取暖能源結構變化為以煤炭為主（占比84.4%），消耗量為26.0 GJ/戶。生物質能源占比為13.7%，其在取暖活動中的用途除了作為引燃物之外，更重要的是用來燒炕取暖。燒炕是東北地區非常傳統且具有地方特色的取暖方式，現今仍被很多家庭使用。雖然部分農村地區已經有家庭利用電熱炕、暖氣炕等取代傳統的火炕，但占比仍舊較小，電力僅占取暖耗能的1.6%。炊事活動的能源結構變化更為顯著，且電氣化趨勢突出。在炊事活動中，電和氣消耗量分別增加到5.3 GJ/戶和2.5 GJ/戶，占比增加到28.1%。已有研究證明，盡管取暖和炊事能源消耗具有一定的關聯性，取暖能源清潔化轉型要比炊事能源轉型難度更大（Tao et al.，2018）。東北地區的高取暖需求在一定程度上也影響了炊事能源結構的變遷，2017年炊事活動中仍舊有16.5%的煤炭和55.5%的生物質，固體燃料使用的占比高于其他地區（Wang et al.，2017；Zou et al.，2019）。

2.3 生活源大氣污染物排放

隨著家庭能源消費量和結構的改變，其產生的污染物排放及相應的室內外空氣質量影響也會發生變化。能源結構的優化對于污染物排放具有減緩作用（萬文玉等，2017），隨著炊事和取暖用能的電氣化水平提升，生活源排放的一次污染物總體呈現逐年下降的趨勢。本研究測算結果表明，東北農村地區的生活源PM2.5排放量從2002年的7.46×105t減少到2017年的5.28×105t，CO排放量由5.52×106t下降到3.55×106t，下降幅度分別為29%和36%。SO2和NOx的排放量也分別下降了13%和31%。

研究期內整個區域的農村人口減少了10%，戶均污染物排放因能源結構變化也產生顯著的下降（圖 3）。PM2.5和 CO的戶均排放量在 2002—2017年期間下降了45%和39%。SO2和NOx的戶均排放量下降分別為26%和42%。如前所述，在東北地區，炊事活動中的生物質大量的被高效且低排放的電和氣等現代能源取代，而取暖活動中以生物質為主的能源結構逐漸轉變為以煤炭為主。取暖活動的污染物排放量在早期僅略高于炊事活動，但在2017年已顯著高于炊事燃料的排放。已有研究證明，煤炭和秸稈等固體燃料是污染物排放的主要來源（Yang et al.，2018；Zhou et al.，2017）。2002 年，生物質燃燒排放是該區域居民生活源污染物排放的主要來源，例如生物質排放貢獻了 84%的一次 PM2.5，其中秸稈排放占比達到41%。伴隨著煤炭消耗的增大和生物質消耗的減小，到2017年，民用煤炭排放已是該區域生活源污染物排放的主要來源，其貢獻了70%的SO2和65%的PM2.5。液化氣和沼氣等氣體燃料由于使用量較小且相對清潔，其對生活源污染物的貢獻占比不足1%。

圖3 2002—2017年東北農村地區生活源污染物排放量及來源占比Figure 3 Residential pollutant emissions and proportion of pollutant sources in rural areas of northeast China from 2002?2017

由于東北農村居民大多采用煤炭爐子、暖氣、燒炕等方式進行自取暖，且很多家庭仍舊使用開放性的柴火灶進行炊事活動，燃燒過程產生的煙塵等污染物會有相當一部分泄露到室內，直接影響室內空氣質量（Zhang et al.，2019）。部分家庭在寒冷的冬季會利用塑料布等材料通過密閉封窗的方式減少室內熱空氣的損失，但此舉也會因為減少了室內外空氣的流通和交換而導致污染物長期存蓄在室內，加劇對人體健康的不利影響。雖然在本研究中沒有進行室內空氣的監測，但是已有文獻指出在東北地區的農村家庭，尤其是冬季，室內固體燃料的使用造成嚴重的室內空氣污染（Zhao et al.，2015；白莉等，2019）。

2.4 區域內居民生活用能和品質差異

受到氣候和居民經濟條件等因素影響，區域內居民能源消費存在一定的差異性（圖4）。2002年，黑龍江省的戶均生活能耗量為 99.5 GJ/戶，明顯高于遼寧和吉林兩省。在2002—2017年間，各省家庭能源消耗總量總體均呈現下降趨勢，但黑龍江省降幅最大。2017年黑龍江、遼寧和吉林省的農村居民戶均能耗量分別是68.5 GJ/戶，54.2 GJ/戶和49.6 GJ/戶。家庭炊事能源消耗量比較接近，取暖能源是造成區域內居民生活能源消耗量差異的主要原因。戶均能源消耗量，尤其是取暖能耗，與取暖度日數（HDD）有顯著的正相關關系。地處中國最北部的黑龍江省冬季寒冷漫長，居民平均取暖日為160 d以上，這是造成其生活源能耗高于遼寧和吉林的重要原因。2017年，黑龍江省農村居民戶均取暖能耗量為38.0 GJ/戶，遼寧和吉林分別為30.2 GJ/戶和21.1 GJ/戶，分別占到三地居民生活能源總消耗的55%，56%和42%。本調查研究發現，2017年遼寧、吉林和黑龍江省的農村家庭規模約為 2.8人、2.8人和2.6人，戶均能源消耗量在東北地區與家庭規模沒有顯著的相關性。已有很多研究證明家庭規模小型化會顯著增加人均生活用能（Yang et al.，2018；沈可等，2018），且會降低現代能源的占比（Han et al.，2018；Zou et al.，2019）。而在家庭戶級層面，生活能源消耗更多地受到收入、房屋狀況、家庭結構等因素的影響（王麗瓊等，2018；Sana et al.，2020；Ma et al.，2022），家庭規模影響較小。如周暉等（2003）對于家庭用電的研究發現，在控制家庭收入、住房面積等變量后，家庭規模的作用不再顯著。

圖4 2002—2017年遼寧省、吉林省和黑龍江省農村地區家庭能源消費量和結構Figure 4 Household energy consumption (a) and structure (b) in rural areas of Liaoning, Jilin and Heilongjiang provinces from 2002 to 2017

在區域層面，前述分析指出電和氣等現代能源對傳統生物質能源的取代是戶均能源消耗量下降的主要原因。而在區域內居民生活能源消費差異中，戶均能耗量與現代能源的占比有顯著負相關關系（r= ?0.900，P=0.001），2017年，吉林省農村居民生活能源中現代能源占比為 18%，高于遼寧（17%）和黑龍江（10%），且吉林省的戶均能源消耗量是3個省中最低的。基于統計年鑒中市級層面的農村地區人均可支配收入和本研究調查數據，發現人均收入水平與家庭商品能源占比呈正相關（r=0.431，P=0.009），即隨著居民生活水平的改善，商品能源占比也呈現增加的趨勢。2017年，生活能源中商品能源的占比由高到低依次為遼寧（72%）、黑龍江（66%）和吉林（61%），與農村人均收入的趨勢相同。遼寧省的商品能源占比相比于 2002年的20%增加了52%，增幅最大。2002年，包括薪柴和秸稈、玉米芯等在內的傳統生物質能源是三省居民生活能源的主要能源，占能源總量的比重超過80%。雖然隨著能源轉型，2017年傳統生物質的占比已明顯下降，但仍是居民生活源的重要來源，占到生活源總能耗的30%—40%。3個省的薪柴消耗量占比相差不大，但秸稈占比存在顯著差異。基于統計年鑒中市級層面的糧食產量和本研究調查數據，發現人均糧食產量與農作物秸稈占能源總量的比重具有顯著正相關關系（r=0.516，P=0.001）。各種糧食作物的副產物如秸稈、玉米芯等因為獲取方便和成本較低的優勢而被廣泛作為能源利用，2017年秸稈占吉林省家庭能源消耗總量的17%，高于其他兩個省份。

3 結論

本研究基于兩次實地調研，計算并分析了東北農村地區 2002—2017年生活消費量和結構的變遷，并初步核算了生活能源燃用產生的主要污染物排放量，對區域內用能差異進行比較，研究發現：

東北農村生活能源消耗量總體上呈現下降趨勢，從 2002年的 87.4（81.3—94.8）GJ/戶到 2017年降到58.6（50.5—69.7）GJ/戶，降幅約33%。生活能源結構的變遷主要表現在生物質能源的減少和煤炭、電、氣能源的增加。2017年，煤炭和生物質能源是東北生活能源的主體，占比分別為52.2%和33.6%，電和氣占比14.2%。能源結構的改變使得研究期內生活源能耗產生的各種污染物的排放量呈現顯著下降，PM2.5的戶均排放量下降了45%。生活源污染物的主要來源由生物質變為民用煤炭，2017年民用煤炭貢獻了70%的SO2和65%的PM2.5。2017年，戶均生活能耗量呈現黑龍江>遼寧>吉林的趨勢，取暖能耗差異是造成三省能耗量不同的主要原因。

2002—2017年，東北農村地區的炊事活動表現出明顯的電氣化趨勢，生物質燃料的占比仍舊較高。區域高取暖需求和取暖活動對煤炭的依賴在一定程度上影響了炊事能源結構的改變，也成為生活源排放的主要來源。隨著家庭收入和生活水平的提高，充分合理的利用當地豐富的生物質資源，保障居民熱舒適性的同時進行取暖活動的能源結構優化對于東北地區的區域能源轉型和可持續發展具有重要意義。