基于系统动力学的河南省农业碳排放研究

曹 斌，李炳军

（河南农业大学信息与管理科学学院，郑州 450046）

温室效应导致的气候变暖是人类社会经济可持续发展面临的严峻挑战，发展低碳经济和节能减排已成为全世界共识［1］。2021年3月15日，习近平总书记在主持召开的中央财经委员会第九次会议时发表了重要讲话，实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，要将碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局，拿出抓铁有痕的劲头，如期实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和的目标。目前，中国17%的温室气体、50%的CH4来自农业，农业碳排放成为中国碳排放的主要来源［2，3］，控制农业及其相关产业碳排放已成为中国实现《巴黎协定》减排承诺的重要一环［4］。

目前国内外关于碳排放的研究成果十分丰富，主要集中在以下几个方面：农业碳排放测算、因素分解、时空变化特征分析以及探究农业碳排放的具体影响因素。在农业碳排放测算和因素分解方面，大多数学者采用LMDI指数分解方法或Kaya恒等式对碳排放的驱动因素进行分解［5］。其中，Yun等［6］计算了中国各省市的农业碳排放量并利用LMDI模型对碳排放驱动因素进行分解，结果表明，经济因素增加碳排放，效率、劳动和结构因素减少碳排放。韦沁等［7］利用Kaya恒等式分析发现农业产业结构优化、农业人口整体减少等因素会抑制农业碳排放量增长，农业经济发展会增加农业碳排放量。胡婉玲等［8］通过LMDI指数分解法发现生产效率、农业产业结构和农村人口是3个碳减排因素，产业结构、地区经济发展水平和城镇化是3个碳增排因素。

在时空变化特征分析方面，吴义根等［9］从时空2个纬度分析了全国农业碳排放主导因素的阶段性特征和区域差异。吴义根等［9］不仅从时空维度分析了中国各省市农业碳排放量的时空分布规律，而且利用探索性空间数据分析方法研究了农业碳排放的空间关联效应。章胜勇等［10］将空间和非参数估计方法相结合，考察了中国农业碳排放的空间分异及其动态演进。

在探究某因素对农业碳排放具体影响方面，李成龙等［11］通过系统广义矩估计方法，分析得出机械型技术进步、生物型技术进步分别起到促进和抑制作用的结论。董明涛［12］使用灰色关联分析细致研究了农业碳排放与农业各产业的关联关系。Han等［13］通过耦合发展度模型、Tapio解耦评估模型，从多个视角考察了农业碳排放与农业经济之间的关系。韩金雨等［14］通过研究发现，食物消费结构升级与农业碳排放有一定的关联性，且存在一定的滞后性，但其影响程度和方向因食物种类而异。

从以上文献可以看出，现有研究主要以“机理—测算—影响因素—减碳措施”为研究脉络，对农业碳排放的影响因素分析主要使用LMDI方法、Kaya恒等式、回归分析、结构方程模型、Tapio脱钩模型等。而从系统的角度出发，对不同影响因素下区域碳排放的动态仿真及预测分析涉及较少。现阶段的研究中，徐磊等［15］利用系统动力学方法分析湖北省农业碳排放系统的反馈机理，考虑到河南省和湖北省碳排放影响因素的差异，现有研究农业碳排放的系统动力学模型并不能很好地符合河南省农业碳排放的现实情况。基于此，本研究利用系统动力学方法，建立河南省碳排放系统动力学仿真模型，研究河南省农业碳排放影响因素的作用机理，预测2022—2030年河南省农业碳排放的变化趋势，并对不同情景下的农业碳排放进行模拟预测，探寻低碳农业发展的方向和模式，为新时代制定具有针对性的碳减排政策提供理论依据。

1 研究区域与方法数据

1.1 研究区域

河南省地处中原腹地，是中国的农业大省，也是重要的粮食产区。2020年，第一产业生产总值5 353.74亿元，同比增长15.5%。粮食播种面积高达14 741.61 km2，粮食总产量达6 825.8万t。生猪、家禽、肉羊饲养量分别达到3 886.98万头、7亿只和1 965.12万只，均居全国前列。但随着农业经济的快速发展，农业实现减碳的压力逐渐加大，发展低碳农业的需求十分迅速。

1.2 研究方法与数据来源

系统动力学是福瑞斯特教授为研究生产管理、库存管理等企业问题，于1985年创立的系统仿真方法。系统动力学把系统的行为看成是由系统内部的信息反馈机制决定，主要研究系统内部要素的运行对系统的影响，通过建立系统动力学模型、仿真，以研究系统结构、功能和行为之间的动态关系，从而寻求较优的系统结构和功能的一种系统分析方法［16，17］，构建系统动力学模型主要有如下步骤［18］。

①明确系统模型建立的目的，确定系统边界。②分析系统结构，创建系统流程图并定义方程和参数。③检验模型。根据模型的仿真效果，不断改进系统的结构和参数，以检验模型的准确性。

本研究参考张俊荣等［19］的方法计算河南省农业碳排放。农业碳排放测算以及建立系统动力学模型所需基础数据来源于《河南统计年鉴》《中国能源统计年鉴》《中国农村统计年鉴》《中国国土资源年鉴》以及社会资料。

2 系统模型构建

2.1 建模的边界与目的

模型以河南省为空间边界，时间边界为2010—2030年。其中，2010—2021年为基期，2022—2030年为预测期，时间步长设定为1年。建模目的主要是为了分析影响农业碳排放各因素之间的反馈结构和因果关系，动态分析各因素变化对农业碳排放的影响机制，为更好地发展低碳农业提供指导。

2.2 系统构成

碳排放是一个复杂的过程，受到社会、经济、人口、能源和环境等的多重影响。依据河南省农业碳排放发生的机制，碳排放系统主要由经济子系统、人口子系统、土地子系统、能源子系统、碳排放子系统构成。子系统与系统元素之间存在联系，主要的因果反馈回路见图1。

图1 河南省农业碳排放系统因果关系

回路1：农业碳排放强度→+节能减排成本→-GDP增加额→+GDP→+第一产业总投资→+农业公共投资调整因子→+保护性耕作技术系数→+免耕固碳→+固碳措施的减排效应→+碳排放减少量→-农业碳排放→+农业碳排放强度。

回路2：农业碳排放强度→+节能减排成本→-GDP增加额→+GDP→+第一产业总投资→+农业公共投资调整因子→+生物质能源开发技术系数→-能源强度→-煤碳排放系数→+煤燃烧→+农用化石能源直接排放→+能源碳排放→+碳排放增加量→+农业碳排放→+农业碳排放强度。

回路3：农业碳排放强度→+节能减排成本→-GDP增加额→+GDP→+第一产业总投资→+种植业投资→+化肥量→+农用化肥结构调整因子→-化肥生命周期隐含碳→+农用化学品隐含碳→+农用化学品碳排放→+碳排放增加量→+农业碳排放→+农业碳排放强度。

2.3 模型建立

根据系统结构、反馈机制以及反馈回路，绘制描述河南省农业碳排放系统存量图，如图2所示。主要变量及方程式见表1。

表1 主要变量及方程式

图2 河南省农业碳排放系统存量

3 模型检验与模拟分析

3.1 模型检验

运用Vensim软件，根据系统存量图中所定义的数学模型和结构模型，本系统模拟时间为2010—2030年，并设置了起始时间2010年的部分初始值，不断调整修正河南省农业碳排放系统动力学模型，使模拟结果接近河南省农业碳排放现状。

本研究选取对农业碳排放影响较大的状态变量进行检验。将各变量的模拟结果与历史数据进行对比，得到各变量的误差值，如表2所示。检验结果表明，该系统模型相对误差率不超过5%，在误差允许范围内，这说明河南省农业碳排放系统动力学模型的模拟结果可靠，符合建模要求，可以用来模拟河南省农业碳排放的状态以及变化趋势，能够通过调节关键参数进行仿真模拟试验。

表2 河南省农业碳排放主要变量历史性检验

3.2 基于模型的农业碳排放情景分析

农业碳排放主要与农用化学品的使用、农业结构、土地利用结构、技术进步等有关［21，22］，因此，本研究主要对农用公共投资、农业结构调整、能源强度调整3种政策进行情景模拟。根据表3中的情景对农业碳排放系统仿真，分别得到河南省2022—2030年的农业碳排放结果。

表3 情景模拟仿真方案

由图3可知，农用公共投资的调整对农业碳排放起到了一定的抑制作用，农业总投资的增加提高了水土保持技术和生物质能源技术的发展水平，以更好地处理农业废弃物，减少焚烧造成的污染，保护土壤环境。生物质能源和水土保持农业技术还可以通过减少二氧化碳排放来替代化石燃料，从而起到减少碳排放的作用。

图3 农业公共投资对农业碳排放影响模拟结果

化肥结构的调整对农业碳排放具有重要作用，化肥是农业粮食生产中保护粮食生产的重要物质，农用化肥结构和农业碳排放强度有协同关系。由图4可知，化肥中氮元素比例的减少使农业碳排放减少，从长远来看，化肥中氮元素的比例下降对农业碳排放强度有正向的影响。此外，控制氮肥比重和优化化肥结构对粮食增产也有一定的效果。

图4 农用化肥结构对农业碳排放影响模拟结果

能源强度体现了能源利用的经济效益，能源消耗是农业碳排放的重要来源。由图5可知，能源强度越低，农业碳排放强度就越小，能源强度与农业碳排放呈显著正相关，因此，应该着重于提高能源利用效率和较少能源消耗从而达到减少农业碳排放的目的。

图5 能源强度对农业碳排放影响模拟结果

4 小结与建议

本研究基于系统动力学模型，从系统的角度对河南省农业碳排放进行了模拟与仿真，动态研究了2022—2030年河南省农业碳排放当前状态及不同情境下的未来发展趋势。

1）按照当前状态，农业碳排放在2022—2030年虽然一直保持下降，但下降速率十分缓慢，碳减排效果较差，因此必须采取措施抑制河南省的农业碳排放。

2）考虑增加农业公共投资在节能减排领域的比例，鼓励、扶持绿色农业研发项目，重点投入在生物质替代能源的开发和保护性耕作技术的研究上，用绿色节能生物质能源来做替代能源，减少能源消耗，从而减少农业碳排放。

3）适当调整农业化肥结构，将内部调整为高效、低能耗、低污染状态。目前河南省以种植业作为经济重心，化肥、农药等农业物质资料投入较高，成为农业的主要碳源。因此，河南省应加快调整农业结构，提高森林对经济发展的贡献率，减少垃圾、药品等碳源的获取，确保经济快速发展，减少环境污染。

4）农村地区的碳排放应尽早纳入政府碳排放重点管控范围，提升全社会对农业碳排放管理的意识，从提高能源效率、优化工业和能源基础设施等方面着手减少碳排放。