基于多要素耦合的舟山农业空间低碳评估与规划

王 信，于 涵，施 雨，2，张沂頔

（1.同济大学建筑与城市规划学院，上海 200092；2.同济城市规划设计研究院有限公司，上海 200092；3.同济大学长江水环境教育部重点实验室，上海 200092）

农业是全球温室气体的重要来源，占全球人为源温室气体排放的17%～32%，其中占非二氧化碳温室气体排放的56%［1］。农业也是中国乡村主要产业之一，随着技术进步，我国农业生产规模和产量迅速提升，但也伴随着土地、水资源、电力、化石能源、化肥和农药等大量消耗，碳排放量巨大。在我国“2030碳达峰、2060碳中和”的战略目标下，研究农业空间碳排放特征和低碳规划具有重要意义。

农业空间中“水-能源-食物”等物质流之间的相互作用是其核心特征之一。联合国人居署于2019年发布了《中国长江三角洲地区净零碳乡村规划指南》［2］，其中第8条原则强调，净零碳乡村需要在农业生产中建立水-能源-食物和废物的循环。目前国家层面的碳排放研究理论与方法已经相对比较成熟，但是基于物质流的农业空间碳排放研究尚不完善［3-4］。当前的农业生产研究多聚焦于“水-能源-食物”关联，缺乏对生态系统的支持与反馈、土地占用、温室气体排放等因素的考虑。农业生产若要通过能源清洁化、供水低碳化，以及废弃物处理生态化实现低碳发展，需要进一步扩充关联研究的体系，建立“WEFLC”的分析框架，进而提出农业空间低碳规划［5］。

海岛地区更易受到气候变化影响，处于应对气候变化的前沿，有必要探索低碳发展和气候变化适应路径［6］。农业空间可分为农村生活、农业生产及乡村生态空间［7］。针对海岛地区，已有较多对生活空间低碳化的研究［8-9］，但与农业空间低碳相关的研究较少。海岛乡村的农业生产空间特征与大陆地区有明显差异，平坦的土地资源较少，难以实现规模化种植，主要走小规模、精品化路线，生产成本高，同时农业生产中渔业（捕捞、水产养殖、水产加工）占比相对较高［10］。海岛乡村碳排放也具有显著特征［11］，其低碳规划要素也与大陆地区存在较大差别［9］。

舟山是长江流域最大的群岛和港口，农业也是舟山乡村的重要产业之一。本文以舟山市为例，对该地区果蔬种植、畜牧养殖、水产品养殖等典型农业生产案例进行调研，基于“WEFLC”耦合关系对各类农业空间进行低碳评估和规划。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域

选择舟山市定海区乡村为研究对象（图1）。舟山市处于长三角核心区范围内，南北分别与宁波和上海相邻。定海区总面积1 444 km2，大部分陆地区域位于舟山本岛，陆地面积568.8 km2，拥有大小岛屿共128个，海域875.2 km2。全区下辖3个镇、10个街道，共有行政村79个，其中75个为农村社区，4个为城乡结合部。根据2020年人口普查，全区常住人口50.21万人，其中农村常住人口占比为24.09%，乡村居民主要从事农业、渔业、旅游业、建筑业、制造业，以及外出打工［12］。

图1 定海区区域位置Fig.1 Location of Dinghai District

定海区拥有海岸线400多公里，农田共77.09 km2，山林共220.83 km2，乡村兼具从事各类农业生产活动的条件。定海区主要农业产业有渔业养殖和捕捞、农业种植、畜牧业以及林业。其中渔业产值贡献比例最高并不断增长，2008—2019年从40%增加到60%左右，种植业占比稳定在30%左右，畜牧业产值2008到2019年从20%下降到8%左右，林业产值占比整体相对较低［12］，小于1%。因此分别选取Y生态家庭农场（图2a）、X养殖场（图2b）、S蔬菜专业合作社（图2d）、H牧场（图2c）作为典型案例进行研究。

图2 农场平面图（网格：50×50m）Fig.2 The floor plan of the farm(the grid is 50×50m)

1.2 研究方法

（1）分析框架构建

将土地要素、碳排放纳入“水-能源-食物”耦合关系（WEF）中。同时，将碳排放与食物生产作分别作为期望产出与非期望产出，建立了WEFLC耦合分析框架（图3）。

图3 农业生产空间中“WEFLC”关联示意图Fig.3 A diagram of the WEFLC nexus in agricultural production space

（2）农场投入产出计算

投入包含农场用水、用能以及用地情况，数据由研究者通过实地调研、访谈农场管理者获得。产出分为期望产出、非期望产出以及综合产出，其中期望产出为由研究者通过调研获得农场年产值情况，非期望产出为农场产生碳排放情况。考虑到未来中国以及全球碳市场的建立，将期望产出减去非期望产出结合获得综合产出：

式（1）中，分别使用中国碳市场和全球碳市场价格进行计算。其中，中国碳市场价格选择上海碳交易市场42 CNY·（t CO2e）-1，全球碳市场交易价格选取欧盟碳交易市场56 EUR.（t CO2e）-1（折合人民币400 CNY·（t CO2e）-1）计算综合产出。

（3）碳排放计算方法

根据IPCC温室气体清单导则推荐方法，对碳排放量进行计算如下：

式（2）中，Cemission是农业生产中各类别活动的碳排放量，EFi表示第i种过程的排放因子，Activityi表示第i种过程的活动水平。温室气体CO2、CH4、N2O产生的总碳排放量折算成二氧化碳当量，即CO2e来表示。

农村生产活动进行的碳排放核算包含直接和间接排放（隐含在农业投入品中）两个方面。对于农耕种植活动来说，直接碳排放包括稻田CH4、肥料施用的N2O、能源使用的CO2；间接排放包括肥料、材料和耕作机械等主要投入品在生产过程中由能源消耗引起的CO2。对于畜牧和渔业养殖活动来说，直接碳排放包括动物肠道发酵产生的CH4、粪便管理产生的CH4和N2O、能源使用的CO2；间接碳排放包括饲料、医药和养殖设施等主要投入品在生产过程中因能源消耗而产生的CO2［13］。

Y生态家庭农场以及S蔬菜合作社均从事蔬菜、水果种植，不存在稻田CH4排放。H牧场采用堆肥发酵进行动物粪便管理。因此，考虑数据精度以及农场对低碳生产可控性，在计算碳排放包含农业生产中的直接排放，即农场运营中的用电、燃料、用水以及动植物本身产生的碳排放，以及部分间接排放，即化肥生产和使用、农场承担的运输排放，不包括外购饲料生产过程中的间接排放。计算使用的排放因子如表1所示。

表1 碳排放因子取值Tab.1 The value of carbon emission factor

（4）农业生产空间效率分析

对农业生产空间效率评价分为3个方面，一是碳排放强度，用单位产值碳排放来表示，即每一单位的期望产出伴随出现的非期望产出的量，从效率提升的角度来说，碳排放强度越低，表明农业生产过程中产生的负外部性越小。二是空间的产出效率，即单位用地上期望产出和非期望产出，用单位面积产值和单位面积碳排放来表示。三是综合空间效率，即单位用地上结合了期望产出和非期望产出的综合产出。计算方法如下：

（5）基于WEFLC框架的农业空间低碳规划探讨

结合各类案例的分析结果，平衡期望产出和非期望产出对各类农业生产提出低碳规划建议。基于WELFC耦合分析框架，设定保持食物产量（F）相对稳定的情况，提出为降低农业碳排放（C），实现农业空间低碳优化利用的方法［17］，进一步对框架中用水（W）、用能（E）以及用地（L）之间的耦合关系进行分析。在各个案例中分析其中一个变量的优化提升，对其他变量的影响，从而获得各类农业生产中最优的低碳规划建议。

2 结果与讨论

2.1 典型农业生产空间现状碳排放测算

（1）农耕种植：Y生态家庭农场

Y生态家庭农场占地面积约13.3万m2，如表2所示，其中大棚占2.70万m2，设备管理用房占0.06万m2，其余为露天农田。蔬菜产量约为70t·年—1，水果产量约为30t·年—1，每年产生碳排放量为36.99 tCO2e。农场使用“网上销售+本地配送”模式，设有储藏冷库，过剩产品用于小规模的畜牧养殖。每年共需消耗电力30 000 kW·h，用于灌溉、冷藏储存以及小部分生活用能，其中储藏冷库用电占比最大。灌溉用水从附近河道抽水，约为25 880 m3·年—1。农场使用全有机肥种植，施肥量约为70～90t·年—1，其中使用玉米秸秆自行堆肥生产有机肥10～20 t。

表2 Y生态家庭农场水、能、食、地以及碳排放信息表Tab.2 Information on water,energy,products,land use and carbon emission of the Y Eco-family Farm

（2）农耕种植：S蔬菜专业合作社

S蔬菜专业合作社总占地面积约6万m2，如表3所示，实际种植面积4万m2，蔬菜产品以番茄、四季豆、土豆和黄瓜等蔬菜为主，一年两季，每年产生碳排放量34.35 tCO2e。灌溉用水来自围绕农场的人工开凿雨水沟，宽5～6m，深1.5m，同时起到防内涝的作用。主要耗电单元灌溉抽水和生活用电，生活用电占比40%。由于与菜贩通过长期预售合同合作，储存需求极小。小型机械农耕作业使用柴油和汽油，产品外运由菜贩承担。生产用肥包含化肥和有机肥，其中有机肥使用量为60 t·年—1，化肥使用量约为6t·年—1，暂未开展本地堆肥。

表3 S蔬菜专业合作社水、能、食、地以及碳排放信息表Tab.3 Information on water,energy,products,land use and carbon emission of the S Vegetable Co-operation

（3）畜牧养殖：H牧场

H牧场占地面积为20万m2，如表4所示，其中建筑面积5.6万m2，配套种植面积约10.4万m2。H牧场主要产品为生猪，产品由销售商自行拉运，同时生产种植作物，主要由牧场内员工食堂自行消纳。H牧场每年产生碳排放量为7 033.70 tCO2e。在能源消耗方面，H牧场每年共需消耗电力662万kW·h，主要来自国家电网以及自身沼气发电，其中沼气发电的产电量约为103.68万（kW·h）·年—1。耗电单元为猪舍保温、照明以及环保控制设施（臭气处理）。除此之外，牧场在饲料运输和猪舍保温环节都分别消耗柴油28.8万L和14.29万L。在水资源消耗方面，养殖环节使用自来水供牲畜饮用。除此之外，厂区内建有一座设计规模400m3·d—1的污水预处理设施，污水经厌氧和生化处理后2/3纳管进入污水厂，1/3用于厂区内农作物的灌溉。

表4 H牧场有限公司水、能、食、地以及碳排放信息表Tab.4 Information on water,energy,products,land use and carbon emission of the H Ranch Ltd.

在污废回收利用方面，牧场自设5个容积为120m3的智能高温畜禽粪便发酵罐，产生的有机肥部分用于厂区种植，其余约为3 000t·年—1销售给当地种植户。同时，牧场配有1台180kW的沼气发电机，回收利用污水处理阶段产生的沼气，污泥用作有机肥原料。

（4）水产养殖：X养殖场

X养殖场占地总面积40万m2，如表5所示，大棚占地面积8.7万m2，配套设施面积约8万m2，其余23.3万m2为露天混养池。养殖场总产量约为100万kg·年—1，每年产生碳排放量为1 844.51 tCO2e。养殖场用水量约为104万m3·年—1，抽取临近海水处理达到养殖标准后引入池塘，换水频率为3 d·次—1。由于养殖行业对于病害防控的高要求，养殖废水处理后排放，不进行回用。X养殖场的能源主要为电力消耗，用于池塘的曝气增氧。柴油发电机仅用于停电时应急，平均每年运转1～2次，发电量极小。养殖饲料和产品运输均由供应商或销售商负责。

表5 X养殖场水、能、食、地以及碳排放信息表Tab.5 Information on water,energy,products,land use and carbon emission of the X Shrimp Farm

2.2 典型农业生产空间低碳规划要素分析

（1）碳排放占比及强度分析

从碳排放强度（表6）来看，H牧场的单位产值碳排放最高，其次为X养殖场、S蔬菜专业合作社，碳排放强度最低为Y生态家庭农场。从碳排放总量及占比来看（图4），H牧场碳排总量最高，其次为X养殖场，蔬菜、水果种植产业的碳排放总量较低。

图4 4类典型农业生产碳排放总量对比及占比分析Fig.4 Comparison of total carbon emissions from four types of typical agricultural production and analysis of their proportions

表6 定海区4种典型农业生产活动的空间效率分析Tab.6 Efficiency of four typical agricultural production activities in Dinghai District

Y生态家庭农场主要碳排放来源于用电（42.54%）、燃料燃烧（34.86%），S蔬菜合作社碳排放主要来源于肥料施用（75.95%）以及用电（21.80）。同样是从事果蔬种植的农场，种植、运营模式会导致用水、用能、用地以及碳排放的差异。在肥料使用方面，Y家庭农场全部使用有机肥，S农场使用化肥和有机肥相结合的施肥方法，导致肥料碳排放较高。在运营模式方面，S农场的销售模式为供货商预定拿货，因此储藏需求很小，并且不存在送货运输需求。Y农场通过网上销售进行本地配送，需要使用大型冷库储存尚未销售的产品，并使用车辆进行产品外运活动，带来较高的燃料排放。

H牧场碳排放主要来源于用电（53.06%）、动物肠道（28.36%）以及燃料燃烧（16.72%）。电力主要用于猪舍保温、自动化控制系统以及工作人员生活，动物肠道排放通过农场管理方降低空间较小。燃料燃烧排放主要来源于饲料运输过程以及猪舍保温中的柴油消耗。H牧场已经利用部分生物质能进行沼气发电，占总用电消耗的13.54%。

X水产养殖场的碳排放主要来源于用水（58.76%）以及用电（41.24%）。用水排放主要来源于水产养殖中供排水处理以及运输，电力排放主要来源于全天运行的增氧曝气设备，以维持高密度养殖的富氧环境。

（2）空间产出效率分析

从空间产出效率（图5a）来看，单位面积产值排序为：H牧场＞X水产养殖场＞S蔬菜专业合作社＞Y生态家庭农场。即H牧场的单位面积上的期望产出效率最高，经济效益最高。而单位面积碳排放排序为：Y生态家庭农场＜S蔬菜专业合作社＜X水产养殖场＜H牧场，Y生态家庭农场的非期望产出强度最小，H牧场在农业生产中带来的碳排放最高。

从综合空间产出效率分析（图5b），4类典型农业生产活动的单位面积产值将会有所下降。按照目前的中国上海碳交易价格，H牧场、X水产养殖场、S蔬菜专业合作社、Y生态家庭农场单位面积产值将分别下降0.31%、0.16%、0.15%、0.08%。按照欧盟碳交易的价格，将分别下降2.93%、1.49%、1.37%、0.74%。牧场和水产养殖场的碳排放强度较高，参考市场平均利润率为25%，则碳排放成本参考欧盟价格可分别占利润的12%和6%左右。

由此可见，虽然H牧场的空间产出效率明显优于其他农业产业，但在未来碳市场真正建立完善后，将面临更大的低碳转型压力。X养殖场（养虾）在4类典型农业生产空间中，经济效益和环境效益平衡较好，但也有降碳空间。S蔬菜专业合作社、Y家庭农场的压力，来自于经济效益提升，以及降低化肥使用带来的碳排放。

2.3 典型农业空间低碳规划策略耦合分析

根据上文分析结果，H牧场能源排放较高，更需要关注能-地、能-食关系。X养殖场用水带来的排放较高，更需要关注水-能、水-食物关系。对于S蔬菜合作社，化肥施用排放占比较高，需要更加关注水-能、食-地关系。Y家庭农场排放主要来源于果蔬保存、运输中的能源消耗，需要关注能-地关系。因此，低碳规划策略从增加新能源使用、优化水资源利用以及加大有机肥利用3个方面展开。

2.3.1 增加新能源使用与土地、水的耦合

能源消耗量较大的农场为H牧场以及X养殖场，可考虑光伏等新能源的使用。以下分析中按照可安装光伏100W·m—2，发电量1（kW·h）·W—1·年—1，电价0.8 CNY·（kW·h）-1，减排因子0.69kgCO2e·（kW·h）—1估算［18］。具体分析如下：

（1）H牧场（图6c）：屋顶总面积约为14 300 m2，考虑屋顶设备和检修通道，按50%面积可安装光伏计算，则全年可以发电71.5万kW·h，减排493 tCO2e，占总排放量7%。H牧场2020年全年用电量为662万kW·h，而且每日用电负荷稳定，光伏发电量基本可以被本地消纳。同时猪舍的钢筋混凝土平屋顶无需进行结构改造，按照投资4 CNY·W—1计算，投资回收期为5年。

（2）X养殖场（图6b）：X养殖场的养虾大棚是标准化的单元，每个单元长65m，宽25m，屋檐高度2m，拱顶最高点3.5m，屋顶总面积为1 625m2。安装光伏面积按照60%计算，则全年可以发电9.75万kW·h，减排67 tCO2e。每个养殖大棚年耗电量2.27万kW·h，光伏发电量可本地消纳。养殖场全年总用电量145万kW·h，相当于15个大棚（共64个）的光伏全年发电量。大棚的钢结构需要重建以符合光伏安装承载力要求，按照投资7 CNY·W-1估算，投资回收期为8.75年。

（3）Y农场（图6a）：考虑到Y农场的冷藏用电以及运输能源消耗，也可安装一定比例的光伏，并更换新能源运输车辆。若在大棚安装光伏，本地消纳比例较低，重建钢结构将对土地造成压力，不符合基本农田的国土空间管理要求。因此，种植大棚目前不宜大规模安装光伏，可结合农场现有600m2农业设施管理用房的屋顶安装，50%安装比例下，每年可发电约3万kW·h，可满足农场每年3万kW·h的用电需求，减排20.7 tCO2e。设施管理用房无需进行结构改造，按照投资4 CNY·W—1计算，投资回收期约为5年。

图6 农业空间光伏安装建议Fig·6 The space of agricultural spaces recommended for photovoltaic installation

总体来说，在H牧场猪舍厂房屋顶、X养殖场部分养殖大棚、Y农场的设施管理用房安装光伏，经济效益和减排效益明显，且无需额外消耗土地和水资源。

2.3.2 水资源利用优化与土地、能源的耦合

（1）X养殖场：通过技术改进将换水频率从每1—3 d·次—1改成3—5 d·次—1，换水总量将减少50%。一方面能可减少50%来自远海输水、废水处理的能耗以及饵料投入，减排约为541.95 tCO2e，另一方面，减少水处理量可以将原有水处理设施占用的土地用于食品生产，提升期望产出。

（2）S蔬菜合作社以及Y家庭农场：定海的年降雨量较大，2019年降水量达到2 125.1mm［19］，但是全年分布不均。合理建设一定规模的雨水蓄积设施，可减少抽水灌溉的距离，从而降低能耗，同时起到防涝的作用。但蓄水明沟要占用较大比例的土地，如S蔬菜合作社蓄水沟占总用地面积的7.5%，因此可根据灌溉、防涝需求合理确定规模和选址。

2.3.3加大有机肥利用与土地、能源的耦合

（1）S蔬菜专业合作社：由于化肥的碳排放效应为有机肥的30倍，虽然S蔬菜合作社化肥使用仅占比10%，但导致肥料排放占比为75.95%，远高于Y家庭农场全有机肥种植的22.59%。若在农场通过堆肥自制有机肥，将增加土地占用，也无法完全满足施肥需求。需要引入采用占地面积小的堆肥技术和设备，降低堆肥对土地的压力。

（2）H牧场：果蔬农场可通过与周边畜禽养殖农场的协作，通过有机肥的就近采购，既解决有机肥生产的占地问题，也可减少有机肥长距离运输过程中的能源消耗碳排放。

3 结论

以浙江省舟山市定海区乡村为例，开展了基于“WEFLC”耦合分析的海岛典型农业空间评估与低碳规划研究。主要结论如下：

（1）将传统的“水-能-食”线性关系转变为“WEFLC”循环关系，为降低非期望产出（碳排放），在期望产出（食品产量）不变或者增加的条件下，重点考虑农业生产投入中水-能-地的相关关系，实现资源的高效利用。

（2）4种农业生产模式投入和产出具有较大差异。单位面积产值（期望产出）和单位面积碳排放（非期望产出）均为：H牧场＞X养殖场＞S蔬菜合作社＞Y家庭农场，单位产值碳排放为：Y家庭农场＜S蔬菜合作社＜X养殖场＜H牧场。

（3）在碳市场机制下，H牧场的综合单位面积产值将会下降，利润下降明显，减排压力较大；X养殖场的期望产出和非期望产出较为均衡，在提升用能、用水的情况下较为适合海岛地区发展；S蔬菜合作社、Y家庭农场减排压力不大，但需要通过产业升级提升期望产出。

（4）利用农业设施的屋顶安装光伏，适用于养猪和养虾产业，对用水、用地压力较小，且经济效益较好；对家庭农场和蔬菜合作社，可能会带来土地占用，降低作物产量，且投资较大，建议在有较大用能需求的情况下适当设置。

（5）水产养殖可以通过提高用水效率，降低水处理、输送带来的能源消耗，同时降低用地压力。农业种植可通过雨水沟保证用水安全，同时降低用水能耗，但会增加占地面积，需要根据需求进行设置。

（6）在种植基地内和周边利用秸秆等废物制作有机肥，可减少化肥使用、运输，从而降低农业种植碳排放，但将产生额外占地。建议结合新能源，使用高效的堆肥发酵设备，或就近采购周边畜禽养殖场生产的有机肥。

作者贡献声明：

王信：论文的构思者及负责人，指导论文构思、论文写作修改。

于涵：参与实地调研，完成论文绘图分析以及论文修改。

施雨：参与论文构思，完成论文数据分析、初稿写作及修改。

张沂頔：参与实地调研，完成数据整理、论文写作及修改。