農業(yè)循環(huán)經濟生產場景下供用能模式與低碳運行研究

丁澤琦，黃澤濤，董曉穎，蘇 娟，杜松懷

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

農業(yè)庭院經濟模式下，能源生產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業(yè)生產模式的推廣與應用。因此，本文在黑龍江省撫遠市生徳庫村生產場景下，圍繞農業(yè)庭院循環(huán)經濟模式下的能源利用以及碳排放規(guī)律開展研究，建立農業(yè)零碳循環(huán)經濟生產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)經濟供用能模式構建

庭院循環(huán)經濟模式是目前我國最基礎、應用范圍最廣的循環(huán)農業(yè)模式，尤其適用于我國北方地廣人稀的農村地區(qū)，鞏固脫貧攻堅成果，助益其實現鄉(xiāng)村振興。本文基于黑龍江省撫遠市生徳庫村，對村莊農業(yè)生產基本現狀概況進行調研，厘清庭院循環(huán)經濟模式內能量流動關系，構建適合當地的庭院循環(huán)經濟供用能模式。

1.1 養(yǎng)殖型庭院循環(huán)經濟供用能模式

以養(yǎng)殖型庭院循環(huán)經濟模式為研究對象，根據其用能設備、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)絡線與大電網銜接，采取“未消納部分上網，電力缺口由電網補充”的模式。

系統(tǒng)中通過電采暖與燃氣鍋爐設備可生產較高品質的熱能，以滿足養(yǎng)殖集裝箱內的供熱需求。資源循環(huán)利用主要體現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)，經過發(fā)酵處理后產生沼氣。一部分沼氣通過發(fā)電機組產生電能隨供電系統(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生熱能供應系統(tǒng)熱負荷[4-5]。

1.2 種植型庭院循環(huán)經濟供用能模式

種植型庭院循環(huán)經濟供用能模式與養(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)絡線與大電網銜接，可采取“未消納部分上網，電力缺口由電網補充”的模式。

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

2 庭院循環(huán)經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)經濟生產場景下能否實現零碳運行。

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據，從農業(yè)物質投入、種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)三方面入手，根據具體的碳源因子與相應的碳排放系數，對庭院循環(huán)經濟模式中的碳排放量進行計算。構建農業(yè)碳排放量與碳排放強度計算公式如下：

式中：E為農業(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，農業(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，為方便計算需要將不同溫室氣體乘以一定系數，統(tǒng)一轉換為CO2進行測量，具體見表1；Ep為農業(yè)碳排放強度，主要表征種植業(yè)產生的碳排放量，t/hm2；m為種植業(yè)農作物的種植面積，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)經濟模式零碳運行方式

伴隨著農業(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)經濟模式借助極少的林地面積即可實現碳中和，其未來在農業(yè)碳減排方面的潛力空間不可小覷。結合農業(yè)減排相關經驗及研究成果，庭院循環(huán)經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。在農業(yè)能源轉型過程中，須突出開發(fā)利用當地太陽能、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。

在農業(yè)生產領域，實現電能替代的一大方式是農業(yè)機械電氣化。當前，農機仍大多以內燃機為驅動，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，導致農業(yè)產量下降，品質變差，影響農業(yè)生產發(fā)展。隨著新能源以及儲能電池的發(fā)展，未來農業(yè)生產使用的機械必然以電能作為主要能源，這也是今后農業(yè)機械生產的發(fā)展方向，實現農業(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。經過研究測算發(fā)現免耕、精耕或者少耕所導致的1 hm2農田碳排放量分別為 5.8 kg、7.9 kg，而同樣面積時間內傳統(tǒng)耕種方式產生的碳排放量為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。

資源循環(huán)。庭院循環(huán)經濟模式中利用堆肥系統(tǒng)實現資源的循環(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時產生的碳排放，同時減少成本，提升經濟效益。

利用種植型庭院循環(huán)經濟模式中產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，同時可有效實現農業(yè)循環(huán)經濟和碳減排[9-10]。

2.3 算例分析

在農業(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業(yè)生產中使用的化肥、農藥，日光溫室搭建過程中鋪設的農膜等，排出的溫室氣體種類為CO2。在庭院循環(huán)經濟模式的背景下，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的轉換系數分別為25 和298。各碳源因子碳排放系數清單如表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。根據實地調研與生徳庫村庭院循環(huán)經濟模式規(guī)劃設計，種植型庭院循環(huán)經濟所采用的日光溫室種植面積約為6.7 hm2。根據種植經驗與參考文獻，666.7 m2地年投入化肥為4000 kg，農藥20 kg，農膜340 kg。養(yǎng)殖型庭院循環(huán)經濟所用的養(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)經濟模式需要666.7 m2森林即可實現碳中和。證明本文提出的庭院循環(huán)經濟模式和構建的供用能模式在實現經濟效益的同時可有效實現低碳運行。

3 總結與展望

庭院循環(huán)經濟模式作為一種主要的循環(huán)農業(yè)模式，能滿足農業(yè)能源轉型的需要，帶來經濟、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業(yè)生產場景下，開展了庭院循環(huán)經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)經濟模式碳排放量計算方法，對年尺度下的模式內碳排放量進行計算，提出森林碳匯方案與零碳運行策略，實現庭院循環(huán)經濟模式零碳運行。

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，實地測量法所得數據不精確、不全面，對于如何精確計算庭院經濟模式下的凈碳排放量有待進一步研究。