崔越+趙華甫+周璐瑤+王超+李雪

摘要：以北京市海淀區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田為例，以減量化、因地制宜、生態(tài)設(shè)計、使用低碳材料為指導(dǎo)，在原工程設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并使用IPCC清單算法進(jìn)行碳排放量的核算。多種方案比較，結(jié)果表明，針對項(xiàng)目研究區(qū)，采用噴灌方法，進(jìn)行永久性路面改造是最低碳且最有效率的整治方式。同時提出優(yōu)化整治建議，在整治中使用低碳材料，減少能源、資源的投入，實(shí)現(xiàn)生態(tài)型設(shè)計。

關(guān)鍵詞：土地整治工程；碳排放；IPCC清單算法；北京市海淀區(qū)

中圖分類號：F301.21；X24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）06-1040-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.06.012

Abstract： Based on the projects design of a high-standard basic farmland in Haidian district in Beijing and guided by the principle of reducing， adaptation to local condition， ecological design and using low-carbon materials， the designs optimized and calculates the carbon emissions using IPCC inventory methods. By the comparison of different plans， the results showed that the plan choosing sprinkling irrigation and perpetual pavements was the most effective one which also caused least carbon emissions. Meanwhile， some suggestion on optimized farmland reclaimation were given such as using low-carbon materials， reducing the investment of energy and resources and doing some ecological designs.

Key words： farmland reclamation project； carbon emissions； IPCC inventory methods； Haidian district in Beijing

世界范圍內(nèi)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程引起的全球氣候變暖、溫室效應(yīng)以及生態(tài)問題等是當(dāng)今人們關(guān)注與研究的熱點(diǎn)。改革開放以來，中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展日新月異，但“高能耗、高消耗”的傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式在為中國制造贏得聲譽(yù)的同時，也帶來資源破壞、生態(tài)惡化的隱憂。中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展以大量的土地資源開發(fā)為基礎(chǔ)，城市化、工業(yè)化大量占用了良田，需要通過土地整治，補(bǔ)充耕地?fù)p失，建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田。土地整治工作于20世紀(jì)90年代興起，最初以增加耕地數(shù)量為出發(fā)點(diǎn)[1]，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及研究的進(jìn)步，土地整治工作逐漸向綜合化、生態(tài)化、規(guī)范化、科技化和多樣化的方向發(fā)展[2]。到目前為止，研究者對土地整治工程的理論體系[3]、實(shí)踐與設(shè)計[4]、模式[5]等方面進(jìn)行了研究。但在土地整治過程中，普遍采用的路面、溝渠等硬化，或大土方量客土與平整工作，其環(huán)境影響，尤其是碳排放效應(yīng)尚不清楚，而這對土地的低碳利用與可持續(xù)發(fā)展的意義重大。“低碳”的理念是“生態(tài)文明”的重要特征[6]，低碳發(fā)展模式是“碳排放量生態(tài)環(huán)境代價、社會經(jīng)濟(jì)成本最低、可持續(xù)性強(qiáng)”的發(fā)展模式[7]。對碳排放量的定量核算可用于衡量土地整治工程的低碳效益，但現(xiàn)今此方面的研究較少。在本項(xiàng)目中，對不同類型的土地整治工程進(jìn)行碳排放的核算，并將工程進(jìn)行后一年期內(nèi)引起的碳排放一并納入核算體系，以此作為土地整治工程對后續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的碳排放影響的考量。通過本次研究，將土地整治工程與碳排放量進(jìn)行結(jié)合，對不同類型土地整治工程的碳排放量進(jìn)行比較，以期得到更符合低碳理念的整治方案，為實(shí)踐提出優(yōu)化建議，并為后續(xù)的研究提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 條件概述

海淀區(qū)位于北京城區(qū)和近郊區(qū)的西部和西北部，地跨北緯39°53′-40°09′，東經(jīng)113°03′-116°23′。海淀區(qū)地勢西高東低，屬于溫帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。研究區(qū)位于海淀區(qū)5個高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)樣區(qū)之一的上莊鎮(zhèn)西辛立屯村，在海淀區(qū)的西北部，屬于山前平原，雨熱同期，農(nóng)作物基本以小麥、玉米為主。項(xiàng)目區(qū)地勢平坦無起伏，基本無需進(jìn)行土地平整工作，土壤類型為潮土，較適宜農(nóng)作物生長，但土地分散經(jīng)營且利用率不高，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不足，沒有布設(shè)防護(hù)林。區(qū)內(nèi)無道路，適合進(jìn)行一定的規(guī)?；?jīng)營。該項(xiàng)目區(qū)四周均有農(nóng)村道路，東側(cè)地下埋有暗管，可引河水作為灌溉水源，灌溉設(shè)施條件差，有用于排水的農(nóng)溝，可進(jìn)行整理的空間較大。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于項(xiàng)目可行性研究報告以及預(yù)算書等。高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田整治項(xiàng)目有關(guān)資料由北京華源厚土土地整理規(guī)劃設(shè)計有限公司提供，研究在其整治方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

2 不同土地整治工程設(shè)計方法

2.1 設(shè)計原則

在進(jìn)行土地整治工程設(shè)計時，遵循減量化、生態(tài)設(shè)計、因地制宜、使用低碳材料的原則?！皽p量化”要求合理減少土地整治工程中的各項(xiàng)投入，實(shí)現(xiàn)資源、能源的節(jié)約利用與高效使用，摒棄大量消耗、大量廢棄的傳統(tǒng)整治模式，以實(shí)現(xiàn)土地整治工程的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)過程的和諧循環(huán)[8]；生態(tài)設(shè)計要求設(shè)計從系統(tǒng)性、全局性的角度出發(fā)，著眼于對“山水林田湖”生命共同體的整治，使整治工程不再局限于田塊，同時，生態(tài)設(shè)計還要求將生態(tài)的理念貫徹于整治的全過程，從設(shè)計、施工再到后期管護(hù)及其所帶來的影響，均需遵循生態(tài)的理念；因地制宜原則要求順應(yīng)當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛矖l件，在盡量少做改動的基礎(chǔ)上完成土地整治工程，對當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛惨约吧鷳B(tài)系統(tǒng)的擾動降低到最小程度；土地整治過程中，需要投入大量材料，在材料的選擇過程中，應(yīng)當(dāng)遵循盡量使用低碳材料的原則，而且整治工程項(xiàng)目所在地的材料應(yīng)作為首選，以降低整治過程所帶來的碳排放量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

2.2 分工程設(shè)計

1）平田整地工程。在土地平整工程中，田塊的平整程度、面積、方向、長度、形狀等因素均可影響施工強(qiáng)度，影響土地的利用效率，影響機(jī)械耕作效率，進(jìn)而影響碳排放量。結(jié)合研究區(qū)的概況，本項(xiàng)目所選的樣區(qū)內(nèi)土地平坦，基本無需進(jìn)行土地平整。項(xiàng)目區(qū)形狀近似矩形，長約500 m，寬約280 m，能夠滿足機(jī)耕要求。但由于研究區(qū)土地破碎化較為嚴(yán)重，影響機(jī)耕效率，土地利用率低，因此需要進(jìn)行地塊的合并。

依據(jù)減量化原則以及因地制宜原則，項(xiàng)目區(qū)田塊無需進(jìn)行大規(guī)模土地平整工作，但灌溉與排水工程以及道路工程的實(shí)施會對田塊面積造成影響。羅丹[9]的研究指出田塊面積通過影響機(jī)械耕作效率來影響耕作過程中的碳排放量。研究其對碳排放的影響時，可以從耗油量方面考慮與計算。田塊面積較小時，耕作效率低，耕作同樣面積的土地耗時長，耗油量高，面積達(dá)到一定規(guī)模則反之。

2）灌溉與排水工程。在土地整治工程中，灌溉與排水工程在施工過程以及后續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中均會引起大量的碳排放。其影響碳排放量的因素主要包括灌溉方式、灌排設(shè)施等，其中灌溉方式會通過影響農(nóng)業(yè)活動用水量影響用電量，從而間接影響碳排放量；灌溉排水的溝渠布設(shè)方式會影響用水量和灌溉排水工作本身的效率，進(jìn)而間接影響碳排放量；灌排設(shè)施所使用的材料會直接影響碳排放量。在灌溉與排水工程方面，主要考慮灌溉方式，以及對應(yīng)的材料使用量、用電量三方面，并對相應(yīng)碳排放量進(jìn)行量化計算。

依據(jù)設(shè)計原則，結(jié)合項(xiàng)目研究區(qū)規(guī)模較小、距水源較近的特點(diǎn)，排除渠灌這一占地較多、對水資源利用率低且工程量較大的設(shè)計方式，采用以下3種設(shè)計方式。一為原工程設(shè)計的低壓管道灌溉，在這種設(shè)計方式中，主要考慮灌水效率，項(xiàng)目區(qū)內(nèi)密集布設(shè)30套給水栓；二為改進(jìn)后的低壓管道灌溉，在這種設(shè)計方式中，綜合考慮效率與減量化設(shè)計，在滿足灌溉的基礎(chǔ)上，減少給水栓數(shù)量，采取安管與毛渠相結(jié)合的灌溉方式；三為半固定式噴灌的方式進(jìn)行灌溉，此方法在后續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中節(jié)水效果顯著。

3）道路工程。在土地整治工程中，道路工程能夠分割田塊，方便通行，但若對道路過分硬化，則容易提高工程的碳排放量，并且造成生境破碎與連通性降低。項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)有道路素土路面與混凝土路面混雜，對通行效率等有不利影響，故亟待進(jìn)行整治。原工程設(shè)計中將道路改為混凝土路面，僅滿足了通車及田間耕作的需要，而未充分考慮相應(yīng)的生態(tài)效益。在不改變原有道路功能的基礎(chǔ)上，本著減量化、因地制宜、使用低碳材料的原則，與田塊大小、形狀、溝渠布設(shè)全面協(xié)調(diào)，合理規(guī)劃，科學(xué)布置[10]。充分尊重原有道路布局，通過優(yōu)化設(shè)計，盡量避免占用耕地。道路盡量采用透水性好、生產(chǎn)碳排放量小、使用年限較長的材料，實(shí)現(xiàn)資源利用最大化，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和工程實(shí)施過程中碳排放最小化。

3種設(shè)計方案如下。原有工程設(shè)計中，該項(xiàng)目區(qū)東側(cè)道路為6 m寬C20混凝土道路，西側(cè)道路為1.5 m寬C20混凝土道路，南側(cè)為4 m寬C20混凝土路，北側(cè)為6 m寬C20混凝土道路；第一種優(yōu)化設(shè)計出于對通車效率以及低碳效應(yīng)的綜合考慮，改變西側(cè)1.5 m寬混凝土鋪面為素土夯實(shí)路基、碎石路面鋪裝；第二種優(yōu)化設(shè)計中，改變研究區(qū)內(nèi)混凝土鋪面為永久路面鋪裝；在第三種優(yōu)化設(shè)計中，針對不同道路寬度與功能差異，改變原有4 m道路兩側(cè)0.3 m為素土路面，原有6 m道路中央0.5 m為素土路面，其上可生長草本植物，以增強(qiáng)生態(tài)效益，同時有效增加道路工程的碳吸收效益。

4）其他工程。在其他工程方面，防護(hù)林的設(shè)置對碳排放量影響較大。依據(jù)景觀生態(tài)學(xué)的要求，在布設(shè)防護(hù)林時，應(yīng)當(dāng)盡可能地選擇當(dāng)?shù)貥浞N，以保證生態(tài)穩(wěn)定性，節(jié)約費(fèi)用并減少在運(yùn)輸過程中的碳排放量。因此，在針對本項(xiàng)目研究區(qū)的防護(hù)林布設(shè)中，可以選擇楊樹這一樹種。

根據(jù)土地整理規(guī)程要求，研究區(qū)防護(hù)林可作如下布設(shè)，在研究區(qū)北側(cè)和東側(cè)各種植1行楊樹，在西側(cè)和南側(cè)各種植3行防風(fēng)林。

防護(hù)林在土地整理過程中的碳排放量受樹齡、樹種等多方面影響，針對性數(shù)據(jù)較少，碳排放量核算難度大；又因?yàn)樵谕恋卣眄?xiàng)目進(jìn)行過程中，防護(hù)林在節(jié)能減排方面做出正貢獻(xiàn)，所以在進(jìn)行方案組合時，可不將這一因素考慮在內(nèi)。

將分工程的設(shè)計進(jìn)行組合，可得到不同類型的土地整治工程方案，方案組合如表1所示。

3 碳排放計算方法

3.1 碳排放系數(shù)法

目前，國內(nèi)外估算碳排放的方法有清單編制法[11]、實(shí)測法[12]、物料衡算法[13]等，各種方法各有所長，計算結(jié)果可能也有所不同。

按照《IPCC國家溫室氣體清單指南2006》[14]，同時考慮到土地整理在施工過程中需要消耗大量的水泥、化石燃料等碳源材料，估算數(shù)據(jù)計算量大、難度高，因此采用碳排放系數(shù)法對土地整理的各項(xiàng)工程進(jìn)行碳排放量的核算，加和得到整個項(xiàng)目的碳排放量。計算公式如下：

C=■Wi·Qi

式中，C表示CO2排放量；Wi表示第i種材料的CO2排放系數(shù)；Qi表示第i種材料的消耗量。其中，主要材料的碳排放系數(shù)[15-20]見表2。

在計算過程中，部分使用材料的碳排放系數(shù)無法直接計算得出，可以采用它與其他材料的比例關(guān)系求得其碳排放量，例如在使用瀝青對道路材料進(jìn)行改良時，其碳排放系數(shù)無法直接求得，根據(jù)吳軍偉[21]的研究可得出與混凝土路面對比，永久性瀝青的碳排放量僅為后者的28.7%，由此可以進(jìn)行碳排放量的折算。

3.2 核算范圍

土地整治工程是一項(xiàng)綜合性、系統(tǒng)性工程，而不僅僅是四項(xiàng)工程的簡單拼接，它不僅在整治過程中會對碳排放造成影響，而且會對后續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式造成影響，進(jìn)而影響碳排放量。因此本研究在對不同方案進(jìn)行碳排放量的核算時，將由土地整治而直接引起的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式變化所導(dǎo)致的碳排放量也納入核算體系，以完善土地整治工程的后續(xù)影響評價。同時，由于不同的設(shè)計方式造成了整治工程的使用年限以及后期管護(hù)方式不同。因此，在本次研究中，將土地整治工程所直接導(dǎo)致的碳排放量平均到每一年，以便于進(jìn)行不同設(shè)計之間的比較。

4 碳排放量核算結(jié)果與分析

對不同工程的不同設(shè)計以及不同類型的土地整治工程分別進(jìn)行碳排放量的核算，結(jié)果如表3、表4所示。

1）由表3可知，在土地整治過程中，平田整地工程與灌溉排水工程所占的碳排放量比重最大，二者之和達(dá)90%以上，但這部分碳排放量中，大部分并非直接是由土地整治施工過程帶來的，而是由后續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程所致，主要的碳排放量來自機(jī)械耕作消耗的水電。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是因?yàn)檠芯繀^(qū)較小，土地整治工程的施工量較少，對能源以及材料的消耗不如后續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程帶來的碳排放量大。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程對碳排放帶來的影響不容小覷，土地整治工程必須考慮到其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所帶來的影響。

2）由表4可知，按照“減量化，生態(tài)設(shè)計，因地制宜，使用低碳材料”的原則進(jìn)行土地整治方案設(shè)計，均可使得碳排放量減少。其中，方案七的設(shè)計方式所引起的碳排放量減少幅度最大。方案七采用了噴灌的灌溉方式，并使用永久性路面對原有的道路進(jìn)行優(yōu)化，同時布設(shè)了農(nóng)田防護(hù)林，充分踐行了新型土地整治設(shè)計原則。

3）分析數(shù)據(jù)可以得知，使用碎石進(jìn)行路面鋪裝所引起的單條路面碳排放量最小，但對本項(xiàng)目研究區(qū)而言，出于對通車效率的考慮，在路面優(yōu)化設(shè)計一中并未將所有路面都改為碎石路面。而優(yōu)化設(shè)計二中使用瀝青進(jìn)行永久性路面改造，既能保證通車效率，又比混凝土路面帶來更少的碳排放量，還能有效延長整治工程的使用壽命。優(yōu)化設(shè)計二中碳排放量的減少幅度大主要是由改動對象較多、使用年限長造成的。如果優(yōu)化設(shè)計二、三相結(jié)合，所導(dǎo)致的碳排放量更小。但是在實(shí)際施工過程中，瀝青材料所需要的投資較高，因此可以對部分道路適當(dāng)降低通車效率要求，選擇碳排放量更低、投資更少的碎石路面進(jìn)行鋪裝，而對于通車要求較高的路段，可采用與素土路面合理結(jié)合的形式進(jìn)行鋪設(shè)。

4）從表4中不同方案的碳排放量比較歸納可以得出，改變灌溉方式所引起的碳排放量減少幅度也較大。這是因?yàn)閲姽嘣诠?jié)水方面效果顯著，而節(jié)水又可以帶來電力的節(jié)約，因此對碳排放的減少貢獻(xiàn)較大，但與低壓管道灌溉相比，噴灌的能耗較大，需要的投資較高，因此二者的優(yōu)劣選擇，還需根據(jù)具體項(xiàng)目區(qū)的情況進(jìn)行具體分析。

5）由數(shù)據(jù)分析，就整治工程本身，灌溉排水工程以及道路工程對碳排放量的影響較大，尤其是道路工程，對整治過程本身的碳排放量貢獻(xiàn)較大，究其原因，是由于根據(jù)因地制宜原則的指導(dǎo)以及本項(xiàng)目區(qū)的具體狀況，研究中并未進(jìn)行工程量較大的土地平整工作以及溝渠建設(shè)等大型整治區(qū)所需要的工程。由不同設(shè)計方式碳排放量的不同分析得知，更為低碳的材料的使用對降低碳排放量的影響顯著。進(jìn)行減量化設(shè)計與生態(tài)設(shè)計，減少不必要的路面硬化，既能保證一定的通行效率，又能降低碳排放量，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。如果能將減少原材料的投入、使用低碳材料與進(jìn)行生態(tài)設(shè)計結(jié)合起來，則減碳效果會更加顯著。

5 小結(jié)與討論

5.1 小結(jié)

1）結(jié)合研究區(qū)自身的特點(diǎn)，在保證效率的前提下，就低碳發(fā)展模式而言，選擇最為低碳的方案七更為合適，但方案七中的噴灌方式以及永久性路面材料的使用都是需要大量投資才能得以實(shí)現(xiàn)，因此在具體進(jìn)行土地整治時，也可合理降低效率要求，選擇使用低壓管道灌溉，并以碎石材料進(jìn)行路面鋪裝，同時配合生態(tài)設(shè)計，使實(shí)施效果更佳。

2）土地整治在設(shè)計施工的過程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)合理減少能源、資源的投入，在保證實(shí)現(xiàn)土地高效利用目的的基礎(chǔ)上，減少能源資源的消耗量，真正節(jié)約、高效地使用各種能源與資源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排與發(fā)展的雙贏。

3）土地整治工程應(yīng)當(dāng)遵循因地制宜的原則，盡量避免大興土木，進(jìn)行生態(tài)型設(shè)計，選用更為適合的鄉(xiāng)土材料，從系統(tǒng)的角度進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，促進(jìn)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)形成良性循環(huán)。

5.2 討論

1）本研究所選擇的項(xiàng)目區(qū)有其地理位置特點(diǎn)以及自身?xiàng)l件特性，如無需進(jìn)行平田整地，不宜進(jìn)行大型水利工程設(shè)施建設(shè)等，因此，針對其所做出的土地整治方案并非完全通用，但根據(jù)研究所得出的優(yōu)化設(shè)計思路具有一定的普適性。

2）在進(jìn)行碳排放量的核算時，更多地考慮整治工程中的材料選擇以及工程對后續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動帶來的影響，但對整治工程中的施工過程帶來的碳排放量考慮較少，可能導(dǎo)致結(jié)果與實(shí)際情況略有出入。

3）使用IPCC清單算法進(jìn)行核算，但在計算過程中采用了通用參考系數(shù)，對地域不同所帶來的微小差異忽略不計。在進(jìn)行永久性路面鋪裝的碳排放量核算時，未考慮不同地區(qū)的微小差異，可能導(dǎo)致結(jié)果與實(shí)際情況略有出入。實(shí)際操作時，應(yīng)秉承因地制宜原則，使研究成果本土化后再進(jìn)行運(yùn)用。

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