基于生命周期法的農產品供應鏈碳足跡分析

廖 晶，謝如鶴，瑭 杰，唐海洋，羅湖橋，陳梓博

（廣州大學工商管理學院，廣東 廣州 510006）

我國是世界上最大的農產品生產國和消費國，生鮮農產品的產量穩居世界第一位，在我國居民消費支出中，生鮮類食品的比例已達58.7%。根據國家統計局2016年發布的數據，我國鮮活農產品總產量為13億t，其中果蔬、蔬菜、肉類、水產類、蛋類、牛奶類等生鮮農產品的產量分別為28 351.10萬、79 779.71萬、8 537.76萬、6 901.25萬、3 094.86萬、3 602.20萬t，近10年保持4%左右的增長速度。然而，我國農產品的流通還處于傳統模式，其流通過程中的腐損率仍舊很高，為減少農產品損耗，提高農民收入，近幾年部分地區已經開始普及冷鏈流通模式。然而，隨著冷鏈物流的快速發展，冷鏈物流活動過程中產生的能耗對環境的影響也越來越顯著。冷鏈物流是將制冷業與交通運輸業相結合的產物，隨著日益完善的基礎設施和技術設備的增加，二氧化碳排放量也顯著增加，其對環境的影響不容忽視。

目前，國內外對農產品供應鏈碳排放的相關研究中，在農產品生產方面，張帆等［1］對果類農產品生命周期的碳足跡進行了核算，并以臍橙為例進行了測算。薛建福等［2］運用生命周期法分析了山西省小麥不同功能單位的碳足跡動態變化情況。張雄智等［3］采用生命周期法對華北平原的特定農產品面粉生產過程的碳足跡進行了計算。在農產品流通方面，Strut等［4］采用生命周期法對水產品的碳足跡進行了研究及評價。Benjaafar等［5］通過將碳足跡應用于供應鏈中并構建其測算模型，并以牛奶供應鏈為研究對象進行了實證分析。Carlsson-Kanyama［6］運用命周期法，以不同食品為研究對象對其不同環節中的碳排放量進行了測算，并對不同環節進行比較分析。劉倩晨［7］運用生命周期評價方法對冷鏈物流碳排放進行了計算，并以番茄為研究對象，計算了其各環節中的碳排放量。馬愛進等［8］采用生命周期理論，研究了食物生命周期并討論了其碳排放的核算范圍。蔡依平等［9］利用生命周期評估的方法對冷鏈物流碳足跡進行了計算分析。

綜上可見，研究大多對農產品的生產過程的碳足跡為研究對象或以單一的物流活動為研究對象，針對不同流通模式下的研究較少，相對于常溫流通模式，全程冷鏈流通模式下可以顯著減少農產品在物流過程中的損耗，同時還能節省損耗本身產生的碳排放量。從節省耕地視角，將損耗部分轉換成耕地，從而可間接減少生鮮農產品生產環節的碳排放，但冷鏈流通比常溫流通多制冷工藝環節，其制冷工藝本身也會產生碳排放，總體效果如何并沒有具體核算。鑒于此，本研究在總結前人對農產品流通碳足跡計算的基礎上，基于全生命周期法建立農產品供應鏈各個環節的碳足跡測度模型，其中包括常溫流通碳足跡測度模型和冷鏈鏈流通的碳足跡測度模型。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究主要采用生命周期法，針對農產品供應鏈不同環節構建模型，對其碳足跡進行測算分析，其中主要包括農產品的生產、采摘、流通加工、儲存、運輸、銷售、配送、消耗等各環節直接和間接的碳排放量。根據數據的可得性，本研究主要采取實驗測算、根據經驗估算、文獻搜集、實際調研等途徑獲取數據。

1.2 研究方法

以農產品供應鏈為研究對象，從我國目前農產品流通模式的實際情況出發，構建碳足跡模型，定量計算其生命周期各個過程的碳足跡，范圍包括生鮮農產品的生產商、批發商、零售商和消費者。其各個環節產生的碳排放主要包括直接排放和間接排放，其中直接碳排放是指在農產品供應鏈中各個環節直接能源消耗而產生的碳排放；而間接碳排放包括的內容非常廣泛，如人員體能的消耗、運營的消耗等造成的碳排放等。據此繪制其生命周期計算邊界圖如圖1所示。

2 碳足跡計算模型構建

圖1 農產品供應鏈碳足跡生命周期計算邊界

關于碳排放的計算規則和分析方法有很多，如生命周期法、投入產出法、PAS2050等。本研究采用全生命周期法測算農產品供應鏈的各個環節碳排放。模型假設：

（1）兩種不同物流模式的流通時間和距離一樣；

（2）對儲存庫面積、儲存時間農產品數量、運輸油耗、車輛運行速度等相同的情況進行對比。

式中，Z冷鏈為基于農產品供應鏈下冷鏈流通的碳排放量；Z常溫為基于農產品供應鏈下常溫流通的碳排放量；Z生產為產地生產農產品導致的碳排放量；Z配送為農產品從產地到消費者過程中的碳排放量；Z預冷和儲存為農產品預冷和冷藏過程中的碳排放量；Z儲存為農產品儲存過程中的碳排放量；Z廢棄為農產品腐爛過程及處理導致的碳排放量。

2.1 生產過程中的碳排放

對于生產環節的碳排放，由于受到氣候和客觀環境的影響，其中大部分是通過實驗測量方法進行測量和計算，但實際測算的難度和周期是漫長而復雜的［10-11］。農作物產生的碳排放量主要包括農業生產過程中使用的化肥投入、農藥投入、塑料膜、柴油投入、灌溉用電以及農田氧化亞氮（N2O）的直接排放。具體計算如下［12-17］：

式中，Z冷生產為生鮮農產品生產過程中的碳排放總量；n為生鮮農產品生產過程中的各種產品投入數量（化肥、塑料膜、農藥、柴油等）；Ii為生鮮農產生產過程中的第i種產品投入量；Ci為第i種產品投入的碳排放系數；GHG為農田N2O直接排放量；FN為純氮投入量；為N2O直接排放系數；為N2O與N2的分子量比重； 298為 N2O轉 換為百年尺度上相對全球增溫潛力；為C與CO2的分子量比重。

根 據 王 占 彪 等［13］、Cheng 等［14］、Yang等［19］的研究成果，本研究對單位產量碳排放進行測算，計算公式如下：

式中，CFy為單位產量碳排放量；Ty為生鮮農產品總產量。

2.2 運輸環節碳足跡模型

農產品物流中運輸是指農產品從產地到消費者手中。常溫流通模式和冷鏈流通模式都能實現物體的空間轉移，其不同點主要體現在運輸車輛的不同，常溫運輸的車輛多采用棉被車，也就是普通的運輸貨車加棉被的方式，而冷鏈運輸的車輛采用專門的冷藏車，具有制冷保鮮效果。因此運輸環節的碳排放主要來源于兩方面：一是車輛行駛過程中的油耗所產生的碳排放，這是兩種模式下都會產生的碳排放；二是冷藏車運輸過程中制冷設備制冷過程中的碳排放。

2.2.1 車輛行駛碳排放（Z1） 車輛行駛過程中因燃料的使用而產生CO2等溫室氣體的排放，計算公式如下：

式中，Z1為車輛行駛碳排放量；Mij為車輛j在行駛過程中使用i類型燃料量；ci為i類型燃料的單位發熱；為i類型能源的碳排放系數；Dij為車輛j的行駛距離；Fij為車輛j的平均油耗水平。

2.2.2 制冷碳排放（Z2） 由于冷鏈運輸，除了車輛行駛產生的能耗外，為了維持生鮮農產品冷藏保鮮運輸所需的溫度，制冷設備還會產生能耗，對制冷設備產生的碳排放計算，可運用“轉換活動系數法”。根據劉廣海等［20］的研究，建立了冷藏運輸環節制冷系統的熱負荷公式，其熱負荷公式Q(n)可以表示為：

式中，Q(n)為制冷熱負荷；FK為車廂第k面內表面面積；為車廂第k面內表面對流交換熱系數；tik(n)為車廂第k面內表面溫度；qc(n)為農產品在冷藏運輸過程中的呼吸熱；La(n)為行駛過程中的通風及滲風過程的熱耗狀況；(cp)o為外環境的單位熱容；to(n)為行駛過程中的環境溫度；tr為冷藏廂內的空氣溫度。

根據其熱負荷計算方法，可得制冷的碳排放計算公式，即：

式中，Z2為冷藏車制冷的碳排放量；δi為i種能源的碳排放系數；為i種能源的熱值。

通過以上分析，可以發現冷鏈運輸過程中制冷產生的碳排放與行駛的時間呈正相關，車輛行駛時間越長，在運輸過程中制冷產生的碳排放量越多，行駛時間受到運輸距離的限制。分析了聯合車輛運輸過程碳排放和制冷碳排放的計算方式，其計算模型可以表示為：

2.3 儲存環節的碳排放

農產品從生產到消費，儲存主要發生在產地預冷、批發商儲存、零售商儲存、消費者儲存等環節，考慮到數據的可獲得性，本文主要研究產地預冷、農產品流通期間批發商、零售商的儲存，相對于常溫儲存環節，冷藏環境含制冷設備。

2.3.1 冷藏環節的碳排（Z31） 冷藏碳排放包括產地預冷、批發商儲存、零售商儲存、消費者儲存等環節。根據數據的可獲得性，運用碳排放系數法，分析計算其碳排放水平，計算公式如下：

2.3.2 常溫銷售環節碳排放（Z32） 常溫儲存能耗多少主要跟儲存時間有關，可直接對其碳排放量進行計算：

式中，Z32是農產品常溫儲存期間常溫庫碳排放量；為農產品常溫儲存時間；為儲存單位農產品碳排量。

2.4 廢棄處理的碳排放

農產品具有易腐性，本研究主要考慮農產品運輸和儲存過程中的貨損情況，研究不同物流模式下的腐爛過程碳排放及處理導致的碳排放。廢棄物的處理方式主要有集合、回收、堆肥、氧化消化、焚化、填埋和露天傾倒。本文主要研究的是填埋方式下農產品廢棄物厭氧化的碳排放，具體公式如下：

式中，Z廢棄為廢棄物厭氧分解期間的直接碳排放；Mf為處理單位廢棄物的碳排放量；Q0為生鮮農產品產量；γi為不同模式的腐損率。

綜上所有環節的折算，可得出不同流通模式下碳排放的測度模型。模型假設：

（1）只有1個配送中心，配送的產品為生鮮農產品；

（2）市場上對生鮮農產品的供給量已知；

（3）配送方式為兩種，一種是常溫流通模式，另一種是全程冷鏈流通模式，配送車的耗能材料、配送路線以及最大載重量相同；

（4）儲存庫的大小和耗能材料相同。

基于以上假設和現實生活中對生鮮農產品配送的模式，本研究對兩種不同的配送方式進行對比分析，具體計算模型如下：

3 實證分析

3.1 實例分析

廣州市從化區有較為成熟的荔枝種植-配送-銷售供應鏈網絡，能全面地反映荔枝產業供應鏈的模式。在充分調研的基礎上，將上述模型應用于從化區荔枝銷往廣州市區的案例，通過實際參數展開分析，對模型進行驗證。依據全生命周期評估法進行分析，荔枝供應鏈系統的碳足跡計算的邊界包括生產環節、流通加工環節、貯存環節、運輸環節、銷售環節、配送環節、消費者環節以及荔枝腐損帶來的碳排放，如圖2所示。通過設計實驗的方式，對5 t荔枝分別進行全程冷鏈流通和常溫流通各2 d，采用5 t車進行配送，運輸距離為83 km，發現荔枝的全程冷鏈2 d內的腐損率γ1為3%，而常溫流通2 d內的腐損率γ2為30%，其中常溫流通模式是用普通車運輸，無預冷環節，常溫銷售，無儲存環節，兩種運輸方式下的保鮮方式都是泡沫箱加冰，即Δγ=27%。本研究的數據獲取方法為實驗設計、文獻研究以及實際調研，其中主要環節的碳排放數據見表1。

圖2 荔枝供應鏈主要碳排放環節

表1 荔枝全程冷鏈物流中主要環節碳足跡

3.2 結果分析

將數據代入上述模型中，全程冷鏈流通模式下2 d內的碳足跡為2 468.49 kg，常溫流通模式下2 d內碳足跡為2 651.48 kg。從環境效應出發，荔枝的流通模式應采用全程冷鏈；從經濟效應出發，冷鏈流通模式下的荔枝貨架期更長，腐爛率更低。

3.2.1 不同流通模式的碳足跡對比分析 因全程冷鏈的腐損率γ1小于常溫物流的腐損率γ2，則Z1廢棄小于Z2廢棄。因腐損減少的部分可以折算成耕地使用功能，從而間接減少碳排放，即增加產量Q0Δγ，其中 Δγ=（γ2-γ1），從而節省生產所產生的碳排放Z′生產=Q0ΔγCFy；同時，因腐爛過程及其處理也會產生碳排放，即冷鏈物流也減少了腐爛過程及其處理產生的碳排放Z′廢棄=Q0,既農產品供應鏈在不同流通方式下碳排放的差值如下：

將數據代入上述模型中，常溫流通與冷鏈流通的碳足跡之差為Z=182.99 kg。從節省耕地視角，采用冷鏈物流流通模式，可以節省耕地并轉換土地使用功能從而間接減少碳排放，雖然冷鏈物流設施設備本身與普通物流相比碳排放高，但總體上冷鏈物流的碳排放量還是比常溫流通模式下的碳排放量小。從環境效應出發，應完善相關低碳政策，提高農產品冷鏈物流的流通率。

3.2.2 貨物腐損率對碳足跡的影響 假設其他參數不變，全程冷鏈物流腐損率變化的情況下，得到荔枝在不同運輸模式下碳足跡差值Z與腐損率的變化關系，如圖3所示。隨著全程冷鏈物流流通過程中的腐損率上升，其碳排放總量呈上升趨勢，當荔枝在冷鏈物流流通過中的腐損率從0上升到18%時，全程冷鏈的碳足跡從2 429.16 kg上升到2 665.15 kg，而差值Z從222.32 kg降到-13.67 kg,從環境效應出發，應盡可能降低荔枝流通過程中的腐損率,采取全程冷鏈才能有效延長其貨架期，實現減排。

圖3 不同腐損率下的碳足跡

4 結論與討論

（1）在農產品供應鏈各環節中，與其他環節相比較，預冷包裝環節的碳足跡占比較大，其次是生產環節。通過分析相同環境下不同運輸模式的碳足跡發現，全程冷鏈流通模式的碳足跡為2 468.49 kg，常溫流通模式下2 d內的碳足跡為2 651.48 kg。該結果可為有效測量不同農產品流通模式下的碳足跡提供依據。

（2）對不同流通模式碳足跡對比及腐損率對碳足跡的影響進行分析，發現全程冷鏈流通模式的碳足跡比常溫流通模式的碳足跡小，其差值為182.99 kg；而全程冷鏈的腐損率增加時可使得其碳足跡增加，當其腐損率達到18%時，其碳足跡比常溫流通模式的碳足跡要大。由此可見，通過控制全程冷鏈的腐損率，既可以控制食品質量的下降，保障食品安全，還可以減少碳足跡，實現低碳運輸，具有良好的社會效應和環境效應。

（3）本研究結合不同流通模式的特點，綜合碳足跡計算的相關原理方法，運用生命周期法構建了農產品在不同流通模式下不同環節碳足跡計算的概念模型，為生鮮農產品采用冷鏈運輸的必要性提供支撐，同時為優化低碳冷鏈的運行提供數據計算的依據。

（4）目前我國生鮮農產品的流通率不足30%，常常出現斷鏈現象，今后可對斷鏈碳足跡、常溫碳足跡以及全程冷鏈碳足跡進行對比分析，從而更加客觀地測算農產品供應鏈的碳足跡，優化碳足跡測算模型。