全生命周期下農村土地整治碳核算及低碳整治策略

王智遠 李曉華 吳馨璨 王江艷 李佳芹

安順學院，貴州 安順 561000

0 引言

當前，全球氣候變暖日趨加劇。如何有效減少溫室氣體排放、減緩氣候變暖，推進綠色、低碳、循環發展，是新時期擺在世界各國面前的一項重要任務和緊迫課題。多個國家相繼加入應對氣候變化和降碳減排的行列，我國更是高度重視并積極探索降碳減排發展路徑，充分彰顯了大國擔當。黨的十九大報告指出，建設生態文明是中華民族永續發展的千年大計，體現了中華民族偉大復興百年夢想的戰略新高度［1］。黨的二十大報告提出，“推動綠色發展，促進人與自然和諧共生”“推進美麗中國建設，堅持山水林田湖草沙一體化保護和系統治理”“推進生態優先、綠色低碳發展”。

聯合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，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［2-3］。農村土地整治作為典型的土地利用活動，對自然界的碳循環過程有直接影響［4-5］。目前，關于農村土地整治的研究較多，但相關研究缺乏系統性。Polat 等［6］采用多目標抽樣法，對比分析土地整治前后能源消費結構的變化；Hiironen等［7］采用替代成本法，估算分析整治周期內能源消費變化導致的碳排放效應轉變；譚夢等［8］、鐘學斌等［9］采用線性規劃及抽樣分析法，研究整治區土壤及植被碳密度變化；張中秋等［10］采用定量分析方式，通過建立土地整治與能源碳效應關系來分析區域整治碳排放強度。已有研究大多局限于土地利用，關于土地整治碳效應及碳平衡的分析研究較為欠缺。因此，土地整治項目碳效應和碳平衡并推進土地低碳整治是當前研究的重點。筆者基于全生命周期視角，采用系數法、定額測算法及生態系統類型法，從土地利用結構調整、工程施工、土地利用方式轉變等方面對貴州省某土地整治項目進行碳效應及碳平衡的實證分析，并提出區域土地低碳整治舉措。

1 項目區概況

項目區位于貴州省安順市某鎮，地處東經101°19′41″～101°34′33″、北緯24°01′59″～24°14′55″，屬亞熱帶濕潤季風氣候區，氣候溫和，雨量充沛，年均氣溫18.3 ℃，年均日照時間1 310 h，年均降水量1 296 mm。項目區以黃壤土為主，土壤有機質質量分數超過5%，土壤受淋溶作用影響較強，鹽基飽和度低且酸度大。項目區土地利用情況如表1所示。

表1 項目區土地利用情況

2 數據來源與處理

研究數據來源于《2006 年IPCC 國家溫室氣體清單指南》［11］《中國能源統計年鑒》《***土地開發整理項目預算定額》《**鎮**等（2）個村土地整理項目初步設計報告》《**鎮**等（2）個村土地整理項目預算書》，以及土地整治項目碳效應測算相關文獻，主要包含項目區整治前后土地利用結構調整數據、農作物產量與種植面積、各類整治工程量、能源耗費量、不同整治要素碳效應系數等。

項目所用物料及能源量依據《**鎮**等（2）個村土地整理項目初步設計報告》中總工程量、機械臺班數并結合工程預算定額標準逐步換算求得，土壤、植被碳密度參數及各類能源、物料、農業生產投入的碳效應系數均參考已有研究成果，土地利用結構調整及農作物產量變化等數據通過對比分析項目實施前后的相關數據及預期報告獲得。

3 研究方法

3.1 全生命周期理論基本思想

全生命周期理論一般指對產品管理實現從需求、規劃、設計、生產、經銷、運行、使用、維修保養、回收再利用處置的全周期信息全覆蓋［12］。該理論注重對全過程要素的動態監管，能較大程度地加強對產品信息的掌控及提高生產策略調整的及時性與準確性。此次研究在一定程度上彌補了以往研究僅以項目施工等單要素層面為分析重點的缺陷，以農村土地整治全生命周期為研究視域，從全周期各階段不同碳效應要素出發來分析項目區土地整治碳效應及碳平衡，并對其低碳整治舉措進行研究。

3.2 研究思路與技術路線

此次研究采用文獻研究法分析總結國內外關于土地整治碳效應及碳平衡測算原理與方法的研究現狀、取得的成果及存在的不足；采用定額測算法、系數法、生態系統類型法等建構農村土地整治項目碳效應測算方法體系，并采用案例分析法對其進行實證檢驗；通過方法體系構建及實證分析，提出研究區域土地低碳整治優化策略。主要分析思路和技術路線如圖1所示。

圖1 分析思路和技術路線

3.3 農村土地整治碳效應測算方法

3.3.1 土地利用結構碳效應測算方法

采用生態系統類型法，基于土地整治對區域土地利用類型的改變程度進行土地利用結構碳效應測算分析。此次研究項目以小區域土地整理工程為核心，不涉及碳密度性質的改變，因而從項目預期設計中的土地利用類型變化來分析土地利用結構碳效應，通過整治地類面積變化及相應土壤與植被碳密度測算土地利用結構調整下區域碳儲量的變化。測算公式為

式（1）中：Cv為項目區土地整治前后碳儲量變化總量，Ca為項目區土地整治后碳儲量，Cb為項目區土地整治前碳儲量，Si為第i種地類整治前后的變化面積，Csi及Cpi為第i種土地利用類型土壤碳密度和植被碳密度。項目區各土地利用類型的土壤及植被碳密度參數參照已有類似區域研究數據［13-14］確定。

3.3.2 工程施工碳效應測算方法

農村土地整治工程施工對項目區碳循環影響最為劇烈，其一是工程施工的機械能源投入，其二是項目區建設物料的使用，其三是機械臺班及其他單項工程中的人員活動。通過定額標準測算相應要素碳排放量：機械能源包括汽油、柴油、電力，在其使用及生產中都會產生一定量的碳排放；建設物料包括水泥、鋼材、塊石等，此類物料在生產過程中通過耗費能源等要素產生碳排放，在此將其轉化為物料碳排放系數進行測算；對于人工活動碳排放主要體現在呼吸及相關工作方面，在此通過相關研究系數進行計算。測算公式為

式（2）中：Ce為農村土地整治項目工程施工碳排放總量，Uei、Umi為整治項目第i種能源及物料的耗費量，Cei、Cmi為整治項目第i種能源及物料的碳排放系數，P為整治項目施工所投入人工量，Pc為人員碳排放系數。此次研究所使用的能源、物料及人員碳排放系數參考已有相關研究數據［14-16］整理求得。

3.3.3 土地利用方式碳效應測算方法

農村土地整治對項目區土地利用方式碳效應的影響主要體現在以下兩方面：①整治工程提高區域土地利用效率、改善種植方式及條件，從而影響區域農田生態系統碳循環；②整治后，對基礎設施等條件改善之后的土地追加農業生產要素投入，如機械、農膜等，此過程將產生一定碳排放。針對農田生態系統碳匯，此次研究結合項目區整治前后相關農作物產量及其種植面積的變化進行測算。測算公式為

式（3）中：Cc為項目區農作物總變化產量的碳匯量，Yi為項目區第i種農作物變化產量，Cci為項目區第i種農作物單位產量碳匯量；Wi、Hi、CRi為第i種農作物平均含水率、經濟系數及碳吸收率。相關參數參考已有的文獻數據［14，16-17］。

針對農業耕種活動碳排放，此次研究通過測算整治后各類農耕要素投入（如化肥、農藥等）的數據，結合相應碳排放系數計算最終農業耕種碳排放。測算公式為

式（4）中：Cf為項目區整治后農業耕種活動碳排放總量，Cfi為項目區第i類農耕要素碳排放量，Fi為第i類農耕要素投入量，Fci為第i類農耕要素碳排放系數。相關系數通過借鑒已有相關研究確定［16，18］。

3.4 農村土地整治碳平衡測算方法

項目區不同程度碳效應要素在時間的推移下不斷循環、中和，最終實現區域整治碳平衡，這也是小區域土地整治對國家“雙碳”目標下碳中和目標的一種詮釋。此次研究采用熵值法，以年度為單位，結合以上4種碳效應分析結果來測算項目區土地整治碳平衡所需要的時間尺度，以此反映區域土地整治生態碳循環擾動強度。測算公式為

式（5）中：Tb為項目區土地整治碳平衡時間尺度，Ce為農村土地整治項目工程施工碳排放總量，Cv為項目區整治前后碳儲量變化總量，Cc為項目區農作物總變化產量的碳匯量，Cf為項目區整治后農業耕種活動碳排放總量。

4 農村土地整治碳效應測算及分析

4.1 土地利用結構調整碳效應

根據土地利用類型變化情況及上述相關測算方法，求得項目區整治土地利用結構碳效應值（未納入整治項目的地類未進行分析），具體如表2 所示。該項目所造成的土地利用結構碳效應總量為1 231.24 t。耕地面積總量增加32.44 hm2，相應土壤及植被碳儲量增加3 347.81 t，以旱地為主，其土壤及植被碳儲量增加2 248.73 t；農村道路修建增加1.01 hm2，相應土壤及植被碳儲量增加36.27 t；水域及水利設施用地未進行調整，其碳效應值變化為0；其他土地面積減少33.45 hm2，以田塊歸并下田坎減少為主，相應土壤及植被碳儲量減少2 152.84 t。項目區土地整治后的碳匯效應與不同碳密度性質的地類變化緊密相關。當項目區以耕地與植被碳密度較大的地類增加為主時，相應的碳匯效應整體增加；而當交通運輸用地增加時，其碳儲量變化不明顯。

表2 項目區整治前后土壤及植被碳儲量變化情況t

4.2 工程施工碳效應

由表3 可知，項目區整治工程施工總碳排放量為2 339.61 t，其中能源消耗包括汽油（0.01 t）、柴油（3.67 t）及電力（3.50 t）使用碳排放，物料使用包含塊石（19.97 t）、碎石（6.75 t）、鋼材（1.99 t）、水泥（786.09 t）、細砂（5.65 t）及標準磚（1 156.54 t）碳排放，項目區人工（355.44 t）碳排放。在工程施工碳排放中，土地平整工程產生碳排放94.21 t，灌溉與排水工程產生碳排放1 077.16 t，田間道路工程產生碳排放1 168.24 t。其中，土地平整工程重點在于人工挖方及填平，其碳排放以人工為主（69.77 t），其機械及物料投入相對于其他兩類工程較少；灌溉與排水工程則以水泥及標準磚使用為主，這部分工程注重磚臺及水泥建面的構筑，其碳排放量分別為286.59 t、669.53 t；田間道路工程仍以水泥及標準磚使用為主，但其標準磚使用碳效應值低于灌溉及排水工程。

表3 項目區各類工程施工要素投入情況及碳排放效應

4.3 土地利用方式轉變碳效應

4.3.1 農田生態系統碳匯

項目實施在增加耕地面積的同時改善了區域耕種條件，提高了土地利用效率，優化了農業生產布局。這部分碳效應主要表現為農作物產量增加帶來的碳吸收。項目區主要農作物包括水稻、玉米、甘薯及蔬菜，整治前種植面積分別為92.33、124.61、74.77、49.85 hm2；整治后項目區增加耕地32.44 hm（2包括原耕地整理種植結構調整部分），整治后總種植面積由原來的341.56 hm2變為391.65 hm2，同時土地耕種條件改善使作物產量得到了提高（每667 m2水稻產量提高5 kg、玉米產量提高11 kg、甘薯產量提高13 kg、蔬菜產量提高7 kg）。根據前述農作物含水率、經濟系數及相關碳吸收率測算農田生態系統碳匯總量為324.5 t，如表4所示。

表4 項目區農作物種植變化碳匯效應

4.3.2 農業耕種活動碳排放

項目實施改善了區域生產耕種條件、增加了耕種面積，從而產生區域農業生產灌溉面積及其他要素投入的年際變化，如化肥、農藥、農膜等的使用，同時農業機械化程度也隨之變化。根據項目區實地調查及村域相關農業統計數據，結合農業要素區域投入標準，近似測算整治區農耕要素總體年際變化量，并通過整治前后一至二年測算數據對比分析整治項目對區域農耕活動碳效應影響程度。此外，對相關數據測算單位進行歸并統一以運用相應測算系數，從而盡可能準確地核算碳排放效應。項目區整治后相關農耕要素規模變化分別為灌溉面積增加43.18 hm2、農藥施用量減少538.03 kg、化肥施用量減少16 770.53 kg、農膜使用增加4 189.01 kg、農業機械投入增加37 851.94 kW·h。總體來看，項目區年際耕種活動呈碳源效應，以農膜使用碳排放為主，化肥施用主要呈減少趨勢，具體如表5所示。

表5 項目區整治前后農業耕種要素投入及碳排放變化

5 農村土地整治碳平衡分析

由表6 可知，以上述土地利用結構碳效應、工程施工碳效應、土地利用方式碳效應三方面的測算分析為依據進行項目區碳平衡測算分析，采用熵值法求得該項目區生態系統整治后所需要花費達碳平衡的時間尺度為3.67 a。

表6 項目區整治碳平衡測算

通過分析可以了解該農村土地整治項目對項目區碳系統的擾動程度，3.67 a 的平衡時間尺度相對于其他大多數以5 a 起步的碳平衡整治區域較短，說明其擾動程度較好，這受其工程性質的影響。對于工程施工這一主要碳排放源，相關大排放量的要素投入較少，尤其體現在能源方面，如汽油、柴油等，整體上能夠減少機械施工碳排放；對于土地利用結構調整碳儲量變化，該項目預期設計中著重增加耕地面積，雖然在較大程度上減少了田間坎道，但是長遠來看小田并大田下的農田結構優化會推動區域土壤及植被碳儲量的整體增加；對于項目后期運行，在提高農作物產量及改善種植結構的情況下盡可能減少農業耕種的碳循環影響。

6 結論及建議

在此研究中，項目區土地利用結構碳儲量1 231.24 t，工程施工碳排放2 339.61 t，農田生態系統固碳324.50 t，農業耕種碳排放22.35 t，項目區整治后達碳平衡需要3.67 a。以項目全生命周期不同階段為架構，以區域低碳整治優化為落腳點，注重工程施工短期效應及后期項目管護長期效應測算農村土地整治碳效應和分析碳平衡的研究方式十分有效。結合土地整治碳效應測算結果，從整治項目全生命周期出發，以初期立項設計—中期實施—后期運行管護的邏輯尺度對區域低碳土地整治提出以下建議。

在項目初期立項及設計階段，有關部門應強化土地整治項目立項標準對其固碳增匯潛力的要求，同時將項目區整治土壤、植被碳儲量變化及項目整治碳效應、碳平衡核算作為可行性研究中的重要環節和指標，優化項目遴選標準，優先選擇具有較好固碳增匯潛力的整治項目。此外，還應在設計階段深化對項目區碳匯主要載體的結構優化及其修復與保護，尤其注重耕地、園地、草地等地類的整治優化，盡可能增加耕地的結構碳匯效應。

在項目中期實施階段，有關部門在工程施工過程中應倡導使用清潔能源及綠色建材，同時探索就地取材、就地生產等物料獲取方式，盡可能減少運輸環節碳排放；應優化工程施工技術，減少高碳排能源及物料的投入使用；應優化整治項目工程結構，縮減需要大拆大建等對區域環境影響較為劇烈的項目工程量；應強調因地制宜施工，結合項目區實際，合理安排資金、物料及人員投入。

在項目后期運行及管護階段，有關部門應推進作物種植結構優化、耕種方式及技術改善，發展立體農業等耕種方式；應調整項目驗收及考核標準，著重考核整治項目減碳增匯效應，為后續相關區域土地整治項目的選擇及設計提供一定依據；應完善項目運行管護體系，推進項目低碳可持續運行。