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基于EOD模式的田园综合体碳平衡初步研究  PDF

  • 杜胜男 1
  • 马郝佳 1
  • 刘静 2,3
  • 李娟英 1,4
  • 陈以芹 1
  • 何文辉 1,4,5
1. 上海海洋大学 海洋生态与环境学院,上海 201306; 2. 自然资源部大都市区国土空间生态修复工程技术创新中心,上海 200003; 3. 上海建设用地和土地整理事务中心,上海 200003; 4. 上海河湖生物链构建与资源化利用工程技术研究中心,上海 201702; 5. 上海太和水科技发展股份有限公司,上海 200433

中图分类号: F 327X 322

最近更新:2024-01-29

DOI: 10.12024/jsou.20230304126

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摘要

中国正在不断推进农村绿色经济转型与乡村振兴战略,田园综合体等各种以生态环境为导向的农业开发模式是乡村振兴建设的新途径,驱动农业固碳减排的同时,也带动着传统农业不断向现代农业发展的转变。以生态环境导向的开发(Ecology oriented development,EOD)模式的上海市金山区枫泾镇郊野村庄田园综合体为研究对象,在现场调研与数据统计的基础上,分析了园区内的碳输入和碳输出以及碳在园内各区域间的流动和储积;同时,根据碳源和碳汇清单的估算结果,分析了田园综合体各区的碳平衡特点。结果显示,上海市金山区郊野村庄田园综合体2021年碳平衡表现为净碳汇区,净碳汇量为152.09 tC,其中排放量为588.79 tC,碳固定量为740.88 tC。田园综合体内,作物种植区通过低碳有机种植模式成为净碳汇量最大的区域,净碳汇量为185.76 tC;水产养殖区通过高效的水草多级循环利用模式净碳汇量达62.20 tC;高空间利用率的立体农业区因农肥的碳排放量大表现为碳源区,净碳汇量为-10.81 tC;生产生活区是最大的碳源区,净碳汇量达-85.05 tC,人类文旅活动是其中最大的碳排放源。分析结合该田园综合体的碳流动,提出了发展高物质循环利用率、高空间利用率、低碳有机种植模式和农业科学管理4个农业降碳增汇的方向。

随着全球气候异常加剧,应对温室气体导致的气候变化已成为全球共识。作为世界上最大的碳排放国和负责任的大国,中国在气候峰会上做出了削减碳排放的庄严承诺,制定了2030碳达峰和2060碳中和的目标。双碳目标的实现需要经济和社会的系统性变革,而农业是支撑国民经济的基础产业,既是温室气体主要排放来源之一,又承担着关键的碳汇角色。农田生态系统每年的CO2排放量为15亿t,占全球排放量的30%

1。自1993年以来,中国农业碳排放总量和排放强度的年均增速分别为4.08%和2.38%2。因此,充分发挥农业减排固碳潜力是实现双碳目标的重要途3,也是现代农业发展的重要方4

在乡村振兴国家战略背景下,国家发改委推行的 EOD模式田园综合体,是将社会-经济-环境多维度结

5,利用生态资源促进绿色农业转型,践行低碳发展的现代农业典6。中国在不断推进农村绿色经济转型与乡村振兴战略的同时,田园综合体等各种以生态环境为导向的农业开发模式是乡村振兴建设的新途径,驱动农业固碳减排的同时,也带动着传统农业不断向现代农业发展的转变。国外对田园综合体的研究聚焦在发展模式和景观建设,致力于将乡村经济和景观保护融入田园综合体的规划和景观设计7-8,凭借完善的基础设施、公共服务以及政府大力支持,吸引消费者到农场消9。国内关于田园综合体的研究集中在两方面,一方面是发展模式,围绕乡村振10-13、农业发14-16和农村经17-18等展开;另一方面是田园综合体的规划设计,围绕综合发19-20和乡村景21-23展开。国内外对田园综合体的研究在模式和规划理论较多,而对于田园综合体中的减排固碳和生态产品的研究较少,尤其是田园综合体中的碳流动与碳平衡的研究几乎没有。

碳平衡核算是减排固碳的基础,小区域的碳平衡奠定了大区域碳中和的基

24。通过碳平衡核算找到降碳增汇的关键环节,有针对性地改进现代农业模式,并推广低碳农业生产体系,是现代农业实现降碳增汇的一大突破25。国内外学者对乡村及以上区域的农业碳平衡研究已有开展,主要集中在碳平衡计26-28、生态补29-30以及区域土地利用对碳平衡的影31-33等方面,大区域尺度碳平衡的基本概念和计算模型在应用边界和条件确定之后,原则上可以指导田园综合体碳平衡的计算。

随着碳排放研究的深入和碳核算的不断细化,探究田园综合体的碳平衡是实现农业低碳可持续发展的必然需求。因此,本文以发改委资助的第一批上海金山区枫泾镇郊野村庄田园综合体为研究对象,在分析田园综合体碳流动的基础上,进行了田园综合体内碳的源汇估算,并分析了园内各区域的碳平衡特征,最后结合各区碳排放特点提出了推进现代农业产业模式降碳增汇的几点建议,为区域协调推进碳减排工作提供参考,同时助力“双碳”目标与乡村振兴国家战略的实现。

1 田园综合体概况

本研究中的田园综合体位于上海市金山区枫泾镇,占地面积近75 hm2,距离市区40 km。该项目于2021年4月入选生态环境部与发改委联合发布的首批EOD试点,以耕地资源和现代农业设施为基础进行综合开发,倡导低碳和生态的理念,强调农业资源循环利用,将传统农业与现代农业相结合,是实施乡村振兴战略的重要示范。该模式的田园综合体集 “城市依托、产业主导、景田一体”3种模式于一体(图1),服务上海市民对郊野旅游体验、新鲜瓜果蔬菜采摘以及休闲垂钓等需求,依托在水体生态修复和清水养殖领域的特色优势,通过输出绿色有机食品,辅以游客观光、休闲垂钓、农家乐餐饮、瓜果采摘、精油花海观光等活动,实现农旅融合一体化低碳农业发展模式。

图1  金山区枫泾镇郊野村庄田园综合体规划平面图

Fig. 1  Planning plan of the Fengjing Town Countryside pastoral complex in Jinshan District

该田园综合体可分为清水养殖区(蓝色区域,生态净水与清水养殖,30 hm2)、作物种植区(浅绿色、橙色和紫色区域,虾稻共作、果基稻田、精油花海与香料花海,20 hm2)、立体农业区(深绿色区域,包括有机蔬菜与热带果树,20 hm2)等环境子系统的农业产业区;垂钓、采摘、观光等社会子系统的文旅产业区(白色区域,文旅产业,2.5 hm2);以及生态产品品尝、加工烹饪、打包等经济子系统的乡村科创区域和乡村民宿(红色区域、粉色区域,建设商业用地、智能装备农业展示,2.5 hm2)。环境-社会-经济3维子系统构成复合生态田园综合体,形成集种养、文旅和加工于一体的有机农业产业链。

2 田园综合体碳平衡分析

2.1 碳输入与碳输出

识别碳流动是评估碳平衡的基础,直接与大气交换的碳是垂直流动碳,其他形式的是水平流动

34。本研究中垂直流动碳来自绿色植物光合作用固碳(如清水养殖区的水草固碳、立体农业区的果蔬固碳、作物种植区的经济作物固碳以及虾稻共作的水稻固碳等)、水域碳沉降和储存吸收固碳(表1);水平方向上碳以电力、农药农肥等生产资料形式从外界输入到田园综合体中。在垂直碳输出端,通过植被呼吸、水域和土壤中的微生物呼吸释放气态碳;产品加工、农业和养殖业中的电力投入、农药农肥等生产资料输入碳以气态的形式进入大气或者固存到含碳产品中,制冷设备冷媒排放的碳以气态的形式直接进入大气;文旅活动和居民生活中的碳直接以气态的形式进入大气。水平方向以含碳产品和含碳废弃物的形式输出。

表1  田园综合体的碳输入与输出
Tab.1  Carbon input and output of the pastoral complex
流动方向 Directions of flow碳输入 Carbon input碳输出Carbon output

垂直碳流动

Vertical carbon flow

绿色植物光合作用 植物呼吸作用碳释放
水域碳沉降和储存 水域和土壤微生物呼吸作用碳释放
产品加工、农业和养殖业中的耗电碳释放
农药农肥等生产资料碳释放
制冷设备冷媒碳排放
文旅活动和居民生活碳排放

水平碳流动

Horizontal carbon flow

电力 含碳产品
农肥 含碳废弃物
材料用具
鱼苗
虾苗

2.2 碳流动与碳储存

以有机或无机形式输入到田园综合体的碳将在物理、化学和生物作用下,在环境、经济和社会子系统之间流动并发生储积(图2)。固碳减排最显著的是环境子系统,首先,面积占比最大的清水养殖池塘底部种植的越冬水草,不仅可以作为碳汇存在,同时充当了水生动物(如小龙虾)的食物,减少了饲料鱼饵(1.5 kg饲料/kg水产

35,160 t水产品/年)等外部碳源投入;同时,水草对氮磷营养盐的原位吸收净化了池塘水质,省去了养殖尾水处理装置(养殖水量450 000 m3),显著降低了清水养殖区的碳排放36;部分水草沤肥和养殖粪便残渣等有机肥循环利用到作物种植区(果基稻田、虾稻共作、精油花海和香料花海),改良土壤性质的同时,也减少氮肥(106.7~208.1 kgN/hm2[37, 20 hm2)等外部农资碳源投入和土壤中N2O排38,物质多重循环利用不仅加强了碳流动,也起到了显著的碳减排作36。其次,作物种植区的精油花海和香料花海中的香蒲、薄荷等药用植物被移栽到田园综合体的所有角落,这些作物兼具防治病虫害的作用,因此减少了农药(1.6~3.3 kg/hm2[37, 20 hm2)碳的排放。果基稻田与虾稻共作模式中的果基能够提高土壤肥力,虾稻共作有利于提高土壤固碳能39。虾稻共作模式单位产值的碳足迹比水稻单作模式低81.4%,显著降低CH4的排40-41。立体农业区通过底部喂养小龙虾,中间种植有机果蔬,上部分布种植热带水果,突出产品特色的同时大大提高空间利用率,果蔬凋落为小龙虾提供食物,同时小龙虾粪便为果蔬种植提供肥料,减少小龙虾饲料投入的同时也降低了蔬菜和水果的肥料使用量,最大程度减少碳排放并利用田园综合体的碳储积潜力。

图2  田园综合体内的碳流动

Fig.2  Carbon flow in the pastoral complex

2.3 碳平衡分析

2.3.1 碳源估算

本研究基于IPCC的排放因子

42,即活动水平和相关活动的排放因子的乘积,来计算活动碳排放量(表2)。活动水平数据(2021年)来自该田园综合体的运营主体——上海开太鱼文化发展有限公司的官方披43,排放因子中电力排放因子来源于生态环境44,其他分别来源于Ecoinvent Database45和丁雨莲46的文献。

表2  上海市金山区郊野村庄田园综合体碳排放量估算
Tab.2  Calculation of carbon emission in the Fengjing Town Countryside pastoral complex in Jinshan District

区域

Area /hm2

活动

Activities

排放源

Emission sources

活动水平

Volume of activity

排放因子

Emission factors

二氧化碳排放量

Carbon Dioxide Emissions / tCO2e

碳排放量

Carbon emissions/tC

单位面积碳排放量Carbon emissions

per unit area /(tC/hm2

清水养殖区

Aquatic aquaculture area (30 hm2

耗电化石能源1197000 KWh0.581 tCO2e/MWh44695.46695.46189.676.32

立体农业区

Stereoscopic agriculture area

(20 hm2

耗电 化石能源 112000 KWh 0.581 tCO2/MWh44 65.07 1 044.01 284.73 14.24
造氧机 汽油 1500 L 3.246 kgCO2e/kg45 3.65
农药 化石能源 0.4 kg 16.61 kgCO2e/kg46 0.01
农肥 氧化亚氮 200.7 t 0.0178 tN2O/t N45 975.28

作物种植区

Crop growing area

(20 hm2

电力灌溉 化石能源 20 hm2 16.47 kgCO2e/hm2[46 0.33 73.68 20.09 1.00
农地翻耕 化石能源 0.1km2 319 kgCO2e/km2[46 0.03
机械 柴油 2000 L 3.211 kgCO2e/kg46 5.33
农药 化石能源 13.5 kg 16.61 kgCO2e/kg46 0.22
稻田甲烷 甲烷 10 hm2 241.00 kgCH4/hm2[46 67.24
牲口反刍 甲烷—山羊 2只/年 9.4 kgCH4/(只·年45 0.52

生产生活区

Production and

living area

(5 hm2

耗电 化石能源 171000 KWh 0.5810 tCO2/MWh44 99.35 345.77 94.30 18.86
耗水 污水排放 15000 t 0.2100 kgCO2e/m3[45 3.15
制冷设备 冷媒逸散 2 kg 0.05 kgHFCS/kg45 100.00
居民生活排污 甲烷 85人×300天 0.0196 kgCH4/(人·天45 13.66
文旅活动 二氧化碳 2 万人次/年 2.36 kgCO2/(人·天46 129.32
总计 Total 2 158.91 588.79 7.85

本田园综合体2021年度共排放2 158.91 tCO2e,计588.79 tC,单位面积碳排放量为7.85 tC/hm2 。田园综合体单位面积碳排放量高于普通村

34(图3a,6.79 tC/hm2 ),但显著低于水产养47 (14.04 tC/hm2 )、温室果蔬培48(9.07 tC/hm2 )、蔬菜大棚种48(10.38 tC/hm2 )以及水稻单49(8.52 tC/hm2 )等单一农业模式。田园综合体中各区的碳排放量由高到低为:生产生活区>立体农业区>清水养殖区>作物种植区。单位面积碳排放量最大的是生产生活区,文旅活动是其最大的排放源,碳排放量贡献达37.40%, 其次是制冷设备导致的冷媒逸散和生产生活耗电导致的碳排放,贡献分别达到28.92%和28.73%(表2)。立体农业区的高空间利用率和高种植密度导致单位面积碳排放量较大,主要来自农肥的N2O排放,占到该区碳排放量的93.42%。清水养殖区的造氧机的电力碳排放是唯一的碳排放源,沉水植物种植和多级循环利用使该区域无饲料投入和尾水处理等碳排放源,因此单位面积碳排放量远低于我国水产养47。单位面积碳排放量最小的是作物种植区,排放源种类虽多,但是电力灌溉、机械投入及农药使用量少。

图3  不同模式下单位面积碳排放量与碳固定量

Fig.3  Carbon emission and carbon fixation per unit area under different models

基于对田园综合体碳排放量的估算,进一步计算了本田园综合体的碳排放强度(碳排放量/生产产值),田园综合体的碳排放强度为0.018 1 kg CO2e/元,中国农业碳排放强度(0.093 3 kg CO2e/

50)是本田园综合体的碳排放强度的5.2倍,中国水产养殖业(0.037 1 kg CO2e/47)是本田园综合体的碳排放强度的2.1倍,田园综合体的低碳排放强度与其高效的循环利用模式和整体的统筹管理是密不可分的。

2.3.2 碳汇估算

本研究碳汇估算通过活动水平与碳固定系数的乘积来计算碳固定

46表3),活动水平数据(2021年)来自该田园综合体的运营主体——上海开太鱼文化发展有限公司的官方披43,碳固定系数来自丁雨莲46,田大伦51和解绶启52的研究。

表3  上海市金山区郊野村庄田园综合体碳汇估算
Tab.3  Calculation of carbon sink in the Fengjing Town Countryside pastoral complex in Jinshan District
区域Partition

活动

Activities

活动水平

Volume of activity

碳固定量系数

Carbon fixation factor

碳固定量

Carbon fixation / tC

单位面积碳固定量

Carbon fixed per unit area/(tC /hm2

清水养殖区

Aquatic aquaculture area

(30 hm2

水域固碳 30 hm2 0.62 t/hm2[46] 18.6 251.87 8.40
水草固碳 20.68 hm2 10.19 t/hm2[51] 210.73
水产品移出 移出鱼145 t 14%[52] 20.3
移出虾18.2 t 11.08%[52] 2.02
移出蟹 2 t 11.10%[52] 0.22

立体农业区

Stereoscopic agriculture area (20 hm2

林地固碳 20 hm2 13.696 t/hm2[46] 273.92 273.92 13.70

作物种植区

Crop growing area(20 hm2

农田固碳 20 hm2 4.656 t/hm2[46] 93.12 205.85 10.29
秸秆还田 150 t 0.692 t/t[46] 103.80
水稻 11.5 t 42.4%[46] 4.88
油菜 9 t 45%[46] 4.05

生产生活区

Production and living area (5 hm2

草地固碳 2.66 hm2 3.477 t/hm2[46] 9.25 9.25 1.85
总计 Total 740.88 9.88

本田园综合体2021年共计固定740.88 tC,单位面积碳固定量为9.88 tC/hm2,低于开发程度低、碳排放源少、原生植被覆盖率大的普通村

34(图3b ,19.98 tC/hm2 );但高于蔬菜大48(8.42 tC/hm2 )、温室蔬菜培48(8.29 tC/hm2 )、养殖池52(7.49 tC/hm2 )和普通耕53(7.03 tC/hm2 )等单一农业模式。各区的单位面积碳固定量表现为立体农业区>作物种植区>清水养殖区>生产生活区。立体农业区单位面积碳固定量最大,同样与高空间利用率导致的高密度植被分布密切相关;其次是作物种植区,单位面积碳固定量是普通耕地种植的1.46倍,秸秆还田措施是其中一重要固碳措施,碳固定量贡献达50.43%。清水养殖区的单位面积碳固定量是普通养殖池塘的1.2倍,主要碳固定量贡献来自于池塘底部可以越冬的沉水植物种植,水草光合作用对清水养殖区碳固定量贡献达83.67%。

2.3.3 碳平衡分析

根据以上碳源(表2)与碳汇(表3)的估算结果,上海市金山区郊野村庄田园综合体碳排放量为588.79 tC,碳固定量为740.88 tC,碳固定量是碳排放量的1.25倍,说明该区域呈现净碳汇(净碳汇量为152.09 tC)趋势(图4),目前生态环境与人类活动契合良好,这与该田园综合体统筹区域规划以及科学管理密不可分。

图4  田园综合体各区净碳汇量

Fig.4  Net carbon sink in each district of the pastoral complex

相较于田园综合体的整体良好的碳平衡状态,综合体内各区碳平衡表现区别较大(图4)。作物种植区和水产养殖区呈现为净碳汇区,净碳汇量最大的是作物种植区,单位面积碳排放量最少、碳固定量最大的低碳有机种植模式使其碳平衡表现最好,净碳汇量达185.76 tC,而水产养殖区通过高效的水草多级循环利用模式实现净碳汇量62.20 tC。立体农业区和生产生活区是碳源区域,高空间利用率的立体农业区净碳汇量为-10.81 tC,农肥投入导致的碳排放量是其成为碳源区的主要原因,优化作物种植区农肥管理措施可帮助其达到碳平衡。生产生活区是最大的碳源区域,区内草地的碳固定量远不能抵消人类生活生产文旅活动和制冷设备等造成的碳排放量,因此,降低人类碳足迹是必要举措。

3 结论与展望

本文以上海市金山区枫泾镇郊野村庄田园综合体为例,解析了田园综合体的碳流动,并基于调研和官方数据进行了源汇估算和碳平衡分析。主要结论如下:(1)上海市金山区郊野村庄田园综合体2021年碳平衡表现为净碳汇区,净碳汇量为152.09 tC,其中碳排放量为588.79 tC,碳固定量为740.88 tC,碳固定量是碳排放量的1.26倍,表明该田园综合体土地利用模式合理,农业管理措施助力了该区域低碳发展。(2)田园综合体内各分区中碳平衡差异较大,碳平衡表现最好的是作物种植区,低碳有机的种植模式助力作物种植区的高净碳汇量;水产养殖区通过高效的水草多级循环利用模式也呈现为净碳汇区;立体农业区和生产生活区是碳源区,高空间利用率的立体农业区但因农肥碳排放量大表现为碳源区域,生产生活区降低人类碳足迹势在必行。(3)田园综合体环境整体良好的碳平衡与各区域协作运行、功能互补息息相关,如清水养殖区水草多级循环利用模式、立体农业区的小龙虾-蔬菜-水果高空间利用率和作物种植区的全有机模式都是其降碳增汇的关键节点。

基于以上结论,为进一步推进低碳田园综合体发展提出以下建议:(1)进一步深化特色碳汇研究,如加强果基稻田、稻蟹共作和秸秆还田等低碳农业管理、清水养殖模式、高空间利用率的立体农业等特色农业模式的碳汇研究,进行精确的固碳能力以及相关影响因素研究;(2)推动绿色农业和低碳农产品的认证、监管、服务全产业链管控体系,将产品碳排放量列入产品标签,助力我国绿色低碳农业产品的上市及推广;(3)加快田园综合体标准化建设,聚焦农村绿色发展和农业固碳增效,推进农业生态、经济、社会效益三者协同与农业可持续发展,实现“双碳”目标与乡村振兴共举。

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