丁澤琦，黃澤濤，董曉穎，蘇 娟，杜松懷

（中國農(nóng)業(yè)大學，北京 海淀 100083）

“雙碳”目標與鄉(xiāng)村振興國家發(fā)展戰(zhàn)略下，農(nóng)村能源轉型面臨機遇與挑戰(zhàn)，循環(huán)農(nóng)業(yè)正日益成為當今農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要模式。庭院經(jīng)濟的主要特點是“小而全”，其形式多種多樣、因地制宜靈活發(fā)展的特點在我國現(xiàn)今農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。通過建設現(xiàn)代循環(huán)農(nóng)業(yè)的能源互聯(lián)網(wǎng)，構建因地制宜的供用能模式，可以更好地發(fā)展農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟，解決目前鄉(xiāng)村振興過程中存在的問題。

農(nóng)業(yè)庭院經(jīng)濟模式下，能源生產(chǎn)和用能模式及其負荷特性研究目前在能源領域仍處于起步階段。構建合理的供用能模式，掌握該模式下能源消耗與碳排放的關系，提出低碳節(jié)能運行策略更有助于新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的推廣與應用。因此，本文在黑龍江省撫遠市生徳庫村生產(chǎn)場景下，圍繞農(nóng)業(yè)庭院循環(huán)經(jīng)濟模式下的能源利用以及碳排放規(guī)律開展研究，建立農(nóng)業(yè)零碳循環(huán)經(jīng)濟生產(chǎn)場景下的典型供用能模式，提出該模式下碳排放計量方法并驗證零碳運行的可行性。

1 庭院循環(huán)經(jīng)濟供用能模式構建

庭院循環(huán)經(jīng)濟模式是目前我國最基礎、應用范圍最廣的循環(huán)農(nóng)業(yè)模式，尤其適用于我國北方地廣人稀的農(nóng)村地區(qū)，鞏固脫貧攻堅成果，助益其實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興。本文基于黑龍江省撫遠市生徳庫村，對村莊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基本現(xiàn)狀概況進行調研，厘清庭院循環(huán)經(jīng)濟模式內(nèi)能量流動關系，構建適合當?shù)氐耐ピ貉h(huán)經(jīng)濟供用能模式。

1.1 養(yǎng)殖型庭院循環(huán)經(jīng)濟供用能模式

以養(yǎng)殖型庭院循環(huán)經(jīng)濟模式為研究對象，根據(jù)其用能設備、供能方式、能量流動關系等建立其供用能模式[1-3]，如圖1 所示。整個系統(tǒng)的供能側包括風光儲發(fā)電系統(tǒng)和冷熱聯(lián)供系統(tǒng)。其中光儲互補發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池、電儲能設備構成，供熱系統(tǒng)主要由電采暖、燃氣鍋爐以及水泵等輔助設備構成。

圖1 養(yǎng)殖型庭院循環(huán)經(jīng)濟供用能模式

該系統(tǒng)中的電能主要包括具有間歇性、波動性特點的光伏發(fā)電的可再生能源發(fā)電單元、通過沼氣燃燒發(fā)電、市電等穩(wěn)定發(fā)電單元以及可充放電的電儲能設備。多樣的電能來源最終匯集到電能總線上，通過供電網(wǎng)絡滿足不同用能設備的電負荷需求。白天主要通過可再生能源發(fā)電單元供電，夜晚通過電儲能、沼氣發(fā)電供電。同時通過聯(lián)絡線與大電網(wǎng)銜接，采取“未消納部分上網(wǎng)，電力缺口由電網(wǎng)補充”的模式。

系統(tǒng)中通過電采暖與燃氣鍋爐設備可生產(chǎn)較高品質的熱能，以滿足養(yǎng)殖集裝箱內(nèi)的供熱需求。資源循環(huán)利用主要體現(xiàn)為對動物排泄物的回收處理。動物排泄物隨污水排入堆肥系統(tǒng)，經(jīng)過發(fā)酵處理后產(chǎn)生沼氣。一部分沼氣通過發(fā)電機組產(chǎn)生電能隨供電系統(tǒng)供給系統(tǒng)中電負荷需求，另一部分沼氣通過燃氣鍋爐產(chǎn)生熱能供應系統(tǒng)熱負荷[4-5]。

1.2 種植型庭院循環(huán)經(jīng)濟供用能模式

種植型庭院循環(huán)經(jīng)濟供用能模式與養(yǎng)殖型相似，如圖2 所示。在前期調研中得知，生徳庫村種植型庭院循環(huán)經(jīng)濟模式所采用的日光溫室電負荷需求大，其距離風電機組近，故在供能側增加風電機組。

圖2 種植型庭院循環(huán)經(jīng)濟供用能模式

該系統(tǒng)中的電能來源主要包括光伏發(fā)電、風電機組的可再生能源發(fā)電單元、通過沼氣燃燒發(fā)電、市電等穩(wěn)定發(fā)電單元以及可充放電的電儲能設備。主要消耗電能的負荷由排風系統(tǒng)電機、照明系統(tǒng)、由水泵驅動的灌溉系統(tǒng)及由電采暖維持的溫度控制系統(tǒng)。白天主要通過光伏、風電等可再生能源發(fā)電單元供電，夜晚通過電儲能、沼氣發(fā)電供電。通過聯(lián)絡線與大電網(wǎng)銜接，可采取“未消納部分上網(wǎng)，電力缺口由電網(wǎng)補充”的模式。

種植型庭院循環(huán)經(jīng)濟的資源循環(huán)利用主要體現(xiàn)在對植物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物的回收處理。秸稈回收進入堆肥系統(tǒng)，經(jīng)過發(fā)酵處理后產(chǎn)生沼氣。堆肥系統(tǒng)產(chǎn)生的沼氣轉換為電能、熱能進入能量流動。產(chǎn)生的肥料可循環(huán)進下一輪次的生產(chǎn)中，實現(xiàn)廢棄物資源化。

2 庭院循環(huán)經(jīng)濟低碳運行與碳排放量計算

本章對上述模式下碳排放量與碳排放強度進行計算，探究其在實際循環(huán)經(jīng)濟生產(chǎn)場景下能否實現(xiàn)零碳運行。

2.1 碳排放量計算方法

本文采取的計算方法主要基于IPCC 法，結合生徳庫村的基礎數(shù)據(jù)，從農(nóng)業(yè)物質投入、種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)三方面入手，根據(jù)具體的碳源因子與相應的碳排放系數(shù)，對庭院循環(huán)經(jīng)濟模式中的碳排放量進行計算。構建農(nóng)業(yè)碳排放量與碳排放強度計算公式如下：

式中：E為農(nóng)業(yè)碳排放量，t，以有效表征溫室效應；ei為單個碳源因子的碳排放量，t；xi為各碳源因子的使用量依據(jù)碳源因子類型確定單位，詳見表2；fi為各碳源因子碳排放系數(shù)，農(nóng)業(yè)物質投入中單位多為t/kg，養(yǎng)殖業(yè)中單位為t/頭，用以表征單位碳源子的碳排放量；λ 為溫室氣體間轉換系數(shù)，為方便計算需要將不同溫室氣體乘以一定系數(shù)，統(tǒng)一轉換為CO2進行測量，具體見表1；Ep為農(nóng)業(yè)碳排放強度，主要表征種植業(yè)產(chǎn)生的碳排放量，t/hm2；m為種植業(yè)農(nóng)作物的種植面積，hm2。

2.2 碳匯與零碳運行模式

2.2.1 碳匯方式與吸收量計算

碳匯可以在人類生產(chǎn)生活環(huán)境中收集、吸收和固定CO2。廣義上的碳匯泛指以森林為代表的綠色植物的碳匯能力，即綠色植物通過光合作用吸收固定大氣中CO2的量。

森林在全球碳平衡中起到了至關重要的作用，森林提供的碳匯指其在生長過程中固定的大氣中的CO2量，其碳匯功能十分強大，可以有效縮減CO2排放量，具有改善溫室效應的作用[6-7]。森林碳匯量可以用森林固碳量代替。666.7 m2森林每天可以吸收67 kg CO2，即每年吸收24 455 kg CO2。

2.2.2 庭院循環(huán)經(jīng)濟模式零碳運行方式

伴隨著農(nóng)業(yè)物質投入、化石燃料燃燒、種植業(yè)土地面積增加等相關碳源因子的增加，農(nóng)業(yè)發(fā)展在獲得巨大動力的同時也帶來了大量的碳排放。庭院循環(huán)經(jīng)濟模式借助極少的林地面積即可實現(xiàn)碳中和，其未來在農(nóng)業(yè)碳減排方面的潛力空間不可小覷。結合農(nóng)業(yè)減排相關經(jīng)驗及研究成果，庭院循環(huán)經(jīng)濟模式未來可以在如下方面采取新的碳減排策略，進一步從源頭減少碳排放。

電能替代。在農(nóng)業(yè)能源轉型過程中，須突出開發(fā)利用當?shù)靥柲?、風能等可再生能源，減少化石燃料的使用消耗。本文結合生徳庫村庭院循環(huán)經(jīng)濟模式，因地制宜地考慮利用光伏、風電等新能源進行供能，從根源減少化石燃料的燃燒。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域，實現(xiàn)電能替代的一大方式是農(nóng)業(yè)機械電氣化。當前，農(nóng)機仍大多以內(nèi)燃機為驅動，燃燒柴油為動力。柴油中含有大量燃燒不完全產(chǎn)生的雜質和有害物質污染空氣，有害氣體的排放還會使土地酸化，破壞綠色植被，導致農(nóng)業(yè)產(chǎn)量下降，品質變差，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展。隨著新能源以及儲能電池的發(fā)展，未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用的機械必然以電能作為主要能源，這也是今后農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)的發(fā)展方向，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械電氣化具有極高的碳減排潛力。

耕作方式。耕作方式也是主要的碳源因子之一。經(jīng)過研究測算發(fā)現(xiàn)免耕、精耕或者少耕所導致的1 hm2農(nóng)田碳排放量分別為 5.8 kg、7.9 kg，而同樣面積時間內(nèi)傳統(tǒng)耕種方式產(chǎn)生的碳排放量為35.30 kg。

采取切實可行的技術也可進行有效的節(jié)能減排。例如對大區(qū)域采取測土配方施肥技術，對于缺少的微量元素選擇精確合適的肥料進行補充，可有效減少區(qū)域的施肥量。

養(yǎng)殖種類。研究表明，反芻類動物以纖維狀植物為食，胃里的微生物幫助其消化植物飼料時，會產(chǎn)生大量的氣體，牛、羊等反芻類動物在排泄時會排出大量的體內(nèi)廢氣，主要包括CO2、CH4等，一頭奶牛一天排出的廢氣中含有500 L CH4氣體，極大程度提高了碳排放量[8]。反之，養(yǎng)殖豬、雞等非反芻類動物的碳排放要更低，據(jù)估算，一頭奶牛排放的溫室氣體大約相當于74 頭豬。故改變養(yǎng)殖種類，更多的養(yǎng)殖非反芻類動物可以有效減少碳排放量，助力碳中和的實現(xiàn)。

資源循環(huán)。庭院循環(huán)經(jīng)濟模式中利用堆肥系統(tǒng)實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，將廢棄物資源化。利用堆肥系統(tǒng)獲得的化肥，可在源頭減少化肥生產(chǎn)時產(chǎn)生的碳排放，同時減少成本，提升經(jīng)濟效益。

利用種植型庭院循環(huán)經(jīng)濟模式中產(chǎn)生的秸稈生物質化的特點，對其進行熱解氣化發(fā)電，可滿足一部分負荷需求，對發(fā)展區(qū)域綠色能源建設提供助力，同時可有效實現(xiàn)農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟和碳減排[9-10]。

2.3 算例分析

在農(nóng)業(yè)物質投入中，依照IPCC 建議的排放因子和關鍵因子，其主要的碳源因子為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的化肥、農(nóng)藥，日光溫室搭建過程中鋪設的農(nóng)膜等，排出的溫室氣體種類為CO2。在庭院循環(huán)經(jīng)濟模式的背景下，種植業(yè)方面，生徳庫村日光溫室中主要種植的農(nóng)作物為黃瓜、西紅柿等蔬菜，排出的溫室氣體種類為CO2。養(yǎng)殖業(yè)方面，集裝箱養(yǎng)殖主要品種為豬，豬的養(yǎng)殖過程中釋放的溫室氣體種類為CH4和N2O，其與CO2的轉換系數(shù)分別為25 和298。各碳源因子碳排放系數(shù)清單如表1 所示。

表1 碳源因子清單

本文主要按照每戶持有一個日光溫室，一個養(yǎng)殖集裝箱進行計算。根據(jù)實地調研與生徳庫村庭院循環(huán)經(jīng)濟模式規(guī)劃設計，種植型庭院循環(huán)經(jīng)濟所采用的日光溫室種植面積約為6.7 hm2。根據(jù)種植經(jīng)驗與參考文獻，666.7 m2地年投入化肥為4000 kg，農(nóng)藥20 kg，農(nóng)膜340 kg。養(yǎng)殖型庭院循環(huán)經(jīng)濟所用的養(yǎng)殖集裝箱，每年飼養(yǎng)出欄成豬25 頭。歸納各碳源因子實際投入量如表2 所示。

表2 各碳源因子實際投入量

農(nóng)業(yè)物質投入和養(yǎng)殖業(yè)方面的碳排放，按照式（1）計算，種植業(yè)方面的碳排放，按照式（2）計算，算得庭院循環(huán)經(jīng)濟模式下年碳排放量為23 636.5 kg。

由前文調研的碳匯方式可知，666.7 m2森林每天可以吸收666.7 kg CO2，即每年吸收24455 kg CO2。即每戶庭院循環(huán)經(jīng)濟模式需要666.7 m2森林即可實現(xiàn)碳中和。證明本文提出的庭院循環(huán)經(jīng)濟模式和構建的供用能模式在實現(xiàn)經(jīng)濟效益的同時可有效實現(xiàn)低碳運行。

3 總結與展望

庭院循環(huán)經(jīng)濟模式作為一種主要的循環(huán)農(nóng)業(yè)模式，能滿足農(nóng)業(yè)能源轉型的需要，帶來經(jīng)濟、環(huán)境、社會等多重效益。本文基于黑龍江省撫遠市生徳庫村農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場景下，開展了庭院循環(huán)經(jīng)濟模式結構及其供用能模式設計和負荷建模，構建的供用能模式實現(xiàn)了能量與資源的高效利用。以構建的供用能模式為基礎，提出結合IPCC 法和實地測量法的庭院循環(huán)經(jīng)濟模式碳排放量計算方法，對年尺度下的模式內(nèi)碳排放量進行計算，提出森林碳匯方案與零碳運行策略，實現(xiàn)庭院循環(huán)經(jīng)濟模式零碳運行。

本文在計算凈碳排放量時，對人類活動及社會發(fā)展的影響沒有進行充分的考慮，且目前的研究所舉的方法較為復雜，實地測量法所得數(shù)據(jù)不精確、不全面，對于如何精確計算庭院經(jīng)濟模式下的凈碳排放量有待進一步研究。