工業部門碳足跡研究進展與應用現狀*

● 苗 壯，龍騰駒，張月池

（1. 西南財經大學 經濟學院，四川 成都 610000；2. 西南財經大學 中國西部經濟研究院，四川 成都 610000）

一、引言

全球氣候變化是本世紀人類社會共同面對的最嚴峻的挑戰之一。自工業革命以來，人類社會生產生活嚴重依賴于煤炭、石油等化石燃料，導致大量溫室氣體的產生，進而造成了超高溫、洪澇等極端天氣事件的頻率和強度不斷上升[1-2]。根據聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第四次評估報告，過去50 年地球的升溫速度是過去100 年平均水平的兩倍，世界各地氣溫已經達到有記錄以來的最高水平，并且在南北極地區均出現極端高溫天氣，地球升溫正以難以置信的速度接近災難性氣候臨界點[3-4]。預計到2100 年，若不加以控制，地球可能升溫4.8°C，人類生存將面臨更大的難題[5]。為了應對全球氣候變化的挑戰，聯合國氣候變化大會通過巴黎協定，明確了全球共同追求的“硬指標”，即相較于工業化之前水平，全球平均升溫不超過2°C，并盡全力控制在1.5°C 內[6]。各國都據此采取了積極行動：發達國家，如法國、德國等歐盟成員國出臺了碳稅、碳排放權交易等一系列減排策略[7-8]；美國頒布了《美國清潔能源安全法》并規定了到2025 年、2030 年以及2050 年的溫室氣體減排目標[9]。而對于發展中國家，以中國為例，明確提出在2030 年前和2060 年前分別實現“碳達峰”和“碳中和”，以實現低碳轉型目標[10-11]。

工業部門既是生產生活耗能較多的部門，同時也是溫室氣體排放的最主要來源，其被廣泛認為是實現碳中和難度最大的領域之一[12]。工業排放的溫室氣體主要來源不僅包含了生產過程中現場能源設施燃燒的化石燃料，還包括與能源消耗相關的化學、冶金和礦物轉化過程的排放以及廢物管理活動的排放[13]。根據IPCC《2022 氣候變化：減緩氣候變化》顯示，工業部門的溫室氣體排放占全球總排放量的25% 左右[14]。美國能源部最新數據顯示，2021 年美國工業部門溫室氣體排放量占其總排放量的1∕3，是最難脫碳的行業之一[15]。以中國為代表的發展中國家工業部門造成了約70%的環境污染和72%的溫室氣體排放[16]。因此，如何做好工業部門的節能減排工作對于控制氣候變化至關重要。

在上述背景下，“碳足跡”概念應運而生并且其相關研究引起了普遍關注。不同于以往單一側重生產端碳排放的觀點，碳足跡涉及整個生命周期的排放[17]?；谏芷诶碚?，從地區、時間和空間等多重視角評估碳排放的全流程，并采取適當的方法進行宏觀、中觀和微觀視角的分析，進而從根本出發，制訂科學合理并有針對性的全流程碳減排計劃。在當前全球以減緩氣候變化、減少碳排放、實現碳中和為主要目標的戰略背景下，深入研究碳足跡是實現可持續發展目標的現實關鍵。

本文總結了工業部門碳足跡研究的現狀。在方法層面上，本文歸納了碳足跡的起源、碳足跡的核心概念，同時采用CiteSpace 分析對工業部門碳足跡研究的現狀進行了量化分析，概括了工業部門碳足跡的研究進展。針對前人研究所存在的問題和挑戰提出了對工業部門碳足跡未來發展方向的建議。

二、碳足跡研究進展

（一）碳足跡的起源

在過去的30 年間，足跡已成為衡量一個國家或地區在全生命周期中評價可持續發展水平的重要指標。1992 年，Rees 根據足跡的概念和可持續發展的思想首次提出了生態足跡（Ecological Footprint）的概念[18]，用來衡量一個地區對生態環境的利用水平和生態環境提供的功能。自生態足跡的概念興起后，水足跡（Water Footprint）、能源足跡（Energy Footprint）等概念也逐漸步入研究的視野[19]，碳足跡（Carbon Footprint）也應運而生，并且在進入21 世紀后廣泛受到學者的關注[20]。

（二）碳足跡的概念

碳足跡作為生態足跡中不可或缺的一部分，被運用于表示人類生產和消費全過程所涉及的溫室氣體排放總量。然而，當前學界對碳足跡的準確定義尚未達成共識，不同的學者對此存在不同的看法，表1 選取了學界對碳足跡主流的幾種定義，主要的差別集中在以下四方面：

表1 國內外相關文獻中的碳足跡定義

1. 碳足跡的評估對象

產品、活動與服務。

2. 碳足跡的范圍

碳足跡是僅包含CO2排放量，還是包含所有溫室氣體（如CH4、N2O 等）的CO2排放當量。

3. 碳足跡的邊界

目前學者雖然對全生命周期或生產活動全過程的直接排放和間接排放基本達成共識，但是對于間接排放的邊界范圍還未有定論。

4. 碳足跡的單位

碳足跡是效仿生態足跡以土地面積為單位（如m2等）[21]，還是以研究中更為常見的方式——質量為單位（如kg 等），以及兩者之間的換算仍具有爭論。

在當前全球貿易化的背景之下，碳足跡與碳稅、碳預算、碳抵消、低碳消費等密切相關，對碳足跡進行科學精準地評估是實現可持續發展目標的有效手段。而掌握碳足跡的定義又是對碳足跡進行評估的基礎。因此，為了發揮碳足跡評價對實現低碳社會的推動作用，需要統一概念并明確評價方法。結合國內外學者的研究進展，本文主要參考世界資源研究所（World Resource Institute,WRI）和世界可持續發展工商協會（World Business Council for Sustainable Development, WBCSD）對碳足跡提出的定義，即碳足跡是一種產品或一項活動在其全生命周期內的所有溫室氣體的直接排放和間接排放總和[26-27]。

三、基于CiteSpace 的工業部門碳足跡研究進展

本節采用CiteSpace 軟件對工業部門碳足跡相關文獻進行分析，旨在可視化碳足跡在工業部門的研究現狀、研究熱點和今后的發展趨勢，從而為未來工業部門碳足跡的進一步研究提供參考。

（一）數據來源

本文首先在CNKI 數據庫中選擇“期刊”類型的文獻，以主題為“工業”并包含“碳足跡”的詞條進行針對性檢索，檢索的時間范圍跨度為2009 年至2023 年，篩選“北大核心”和“CSSCI”期刊以確保獲得高質量文獻，共得到有效文獻323 篇。其次在Web of Science（WOS）核心數據庫中以“industrial”和“carbon footprint”等專業術語進行檢索，考慮時間范圍仍為2009 年至2023 年，篩選Article 和Review 類型文獻，共得到有效文獻400 篇。

（二）結果分析

1. 關鍵詞詞頻分析

對關鍵詞詞頻進行研究可以更直觀的展示一定時間內某一研究領域的研究熱點[28]。在CiteSpace 軟件中分別導入中英文文獻數據，時間跨度設定為2009—2023 年，時間切片設定為1年，節點類型選擇關鍵詞。工業部門碳足跡研究中，中英文文獻關鍵詞詞頻圖譜圖如圖1 和圖2所示，圖中字體大小與關鍵詞出現頻率成正比關系。

圖1 2009—2023年工業部門碳足跡研究中文文獻關鍵詞詞頻圖譜

圖2 2009—2023年工業部門碳足跡研究英文文獻關鍵詞詞頻圖譜

由圖1 所知，2009 年至2023 年，“碳足跡”出現的頻次最高，遠超于其他關鍵詞的頻次。其次，“生命周期評價”在工業部門碳足跡研究中也具有較高的頻次。上述具有較高頻次的關鍵詞大多側重于實現工業部門的可持續發展，并通過研究碳足跡、碳排放以及相應的低碳技術來應對氣候和環境變化。由圖2 可知，工業部門碳足跡研究英文文獻關鍵詞詞頻與中文文獻有相似之處，但出現的頻次差別較小。大多數文獻聚焦于足跡和溫室氣體排放以評價工業領域發展經濟所造成的環境負擔，出現頻次較高的關鍵詞有“carbon footprint”“footprint”“life cycle assessment”。此外，中國工業部門是碳足跡研究的重點區域。

2. 關鍵詞聚類分析

通過關鍵詞聚類圖將關鍵詞進行合理歸納分類，可以直接觀察與工業部門碳足跡有關的研究主題。圖3 和圖4 分別展示了基于2009 年至2023 年中英文文獻的關鍵詞聚類圖譜，關鍵詞被分為10 個不同的聚類集群，反映了不同的研究重點，其中兩圖的Q 值均大于0.3，S 值均大于0.7，說明聚類具有科學性[28]。

圖3 2009—2023年工業部門碳足跡研究中文文獻關鍵詞聚類圖譜

圖4 2009—2023年工業部門碳足跡研究英文文獻關鍵詞聚類圖譜

由圖3 可知工業部門碳足跡中文文獻關鍵詞聚類情況，聚類0 “碳排放”、聚類1 “碳排放”、聚類7 “水足跡”、聚類9 “全碳足跡”共同關注碳排放與足跡問題，聚類2 “生命周期評價”、聚類5 “投入產出”傾向于關注研究碳足跡的評估方法，聚類4 “低碳設計”、聚類8 “林漿紙一體化”探討工業部門的可持續發展的實踐和可能的緩解高碳排放的策略，聚類3 “碳達峰”、聚類6 “碳減排”給出了工業部門減少溫室氣體目標的重要性。由圖4 可知英文文獻聚類分析情況，大體情況和中文文獻相似，聚類0 與聚類2 “input-output analysis”、側重于研究方法，聚類1 “carbon emissions”、聚類3 “carbon footprint”、聚類5 “carbon dioxide”、聚類7 “greenhouse gas emissions”是關于工業部門碳排放的研究，聚類4 “sustainability”是針對工業部門可持續發展的研究，通過優化資源配置和控制污染實現該部門的可持續發展。聚類6 “wastewater”、聚類8 “energy use”、聚類9 “cane straw ash”是研究工業部門生產過程的資源利用研究。

通過時間線圖，各個關鍵詞聚類之間隨時間推移的緊密聯系、影響關系以及分布情況可以被描繪出來[28]。圖5 和圖6 展示了工業部門碳足跡關鍵詞聚類時間線圖譜，呈現了隨時間演變，研究熱點的演化進程。由圖5 可知，對于工業部門碳足跡中文文獻，自2009 年以來，“碳足跡”不僅研究持續時間最長，應用最為廣泛，而且在不同時間節點上都保持著研究熱度。與此同時，諸如“碳排放”“碳達峰”等關鍵詞也在研究中占據著重要的位置。由圖6 可知，“carbon emission”“life cycle assessment”“international trade”等關鍵詞在研究中占據著顯著地位，標志著它們作為工業部門碳足跡研究的熱點，為后續研究奠定了重要理論和方法基礎。而且，這些關鍵詞在不同的時間段內都呈現出較高的熱度，說明了它們在長時間內都保持著持續的研究興趣。

圖5 2009—2023年工業部門碳足跡研究中文文獻關鍵詞聚類時間線圖

3. 突現詞分析

突現詞是特定領域突然出現并引起研究人員重點關注的詞匯[28]。圖7 和圖8 分別為中英文文獻工業部門碳足跡突現詞分析，展示了工業部門碳足跡研究領域的歷史演變以及當前的研究前沿和熱點。如圖7 所示，在中文文獻中，“碳達峰”和“碳中和”成為近年來的熱點話題，而雙碳概念的迅速涌現，標志著全球范圍內關于減少碳排放、達到碳排放峰值以及實現碳中和的討論日益升溫。未來，工業部門碳足跡的研究將聚焦于如何實現這些目標，以更加可持續的方式推動產業發展。由圖8 可知，英文文獻中“economic growth”突現強度較高，至今保持著較高熱度，這表明在工業部門碳足跡研究中，經濟增長與環境保護的平衡始終是一個重要而復雜的議題。不僅需要關心如何在經濟增長的過程中實現碳排放的降低，還需要探討如何在碳減排的前提下維持經濟的可持續發展。這種平衡將需要跨學科的研究和合作，涉及政策、技術、市場等多個層面。

圖7 2009—2023年工業部門碳足跡研究中文文獻突現詞圖譜

圖8 2009—2023年工業部門碳足跡研究英文文獻突現詞圖譜

四、碳足跡在工業部門的應用現狀

本節首先探討工業部門碳足跡的系統邊界，采用SWOT 分析比較各方法的優缺點。其次，系統概述了碳足跡在工業部門的幾個關鍵行業中的應用情況，總結各學者為實現工業部門減排提出的建議。

（一）工業部門碳足跡的系統邊界

碳足跡系統邊界的確定是評估碳足跡的重要環節，不同的系統邊界將在極大程度上影響碳足跡的核算結果。在工業部門碳足跡的系統邊界中，不同的學者考慮的情況都有所不同。按照國家以及《溫室氣體議定書：企業核算與報告準則》對碳足跡的范圍分類[29]，具體而言分為三個范圍，如表2 所示。

表2 工業部門碳足跡評估系統邊界

本文認為，根據生命周期理論和碳足跡的內涵，工業部門碳足跡的系統邊界應包含范圍一、范圍二及范圍三全部內容，覆蓋上游、中游及下游的全生命周期過程。

（二）工業部門碳足跡的測量方法

工業部門碳足跡核算方法主要有生命周期評價法（Life Cycle Analysis, LCA）、投入產出分析法（Input-Output Analysis, IOA）與混合生命周期評價（Hybrid-LCA, HLCA），前兩種方法的視角和側重點不同，第三種方法是前兩種方法的結合。

1. 生命周期評價法

生命周期評價法是基于“自下而上”過程的分析方法，考慮了生產從“搖籃”到“墳墓”全過程的溫室氣體排放，包括產品的生產、使用、廢棄以及再回收利用的整個生命周期[30]。當核算的對象為微觀特定對象時，如農產品、工業產品等，并且核算對象的系統邊界較為容易劃定時，可以使用LCA 方法來同時考慮直接碳排放和間接碳排放[31]。如圖9 的SWOT 分析所示，從優點方面來看，基于過程分析的LCA 更加準確，更適合用于特定產品的碳足跡計算，可以幫助政府和企業探尋特定產品的更綠色的碳減排方式。但是不同系統的邊界和獲取宏觀數據的難度限制了該方法的應用[32]。

圖9 基于SWOT分析LCA

2. 投入產出法

投入產出法是“自上而下”的代表計算方法，該方法大多從宏觀層面考慮碳足跡，以投入產出表為基礎對一個或多個地區或部門為滿足自身消費而引起的碳足跡進行分析，評估各個區域或部門需要肩負的碳減排實際責任[32]?；谕度氘a出法的碳足跡評估方法可以定量描述經濟系統中各部門之間的投入產出關系，反映直接和間接的碳排放。然而，該方法無法從微觀層面測量特定對象的碳足跡。同時，數據的準確性與滯后性和投入產出表的編制都會造成分析的誤差，上述缺陷都一定程度限制了投入產出法的使用[32]。圖10展示了使用SWOT 分析法總結歸納的投入產出法的優勢、劣勢、機會和威脅。具體而言，IOA 可分為單區域投入產出法（SRIO）和多區域投入產出法（MRIO）。

圖10 基于SWOT分析IOA

SRIO 是首個利用投入產出表研究一個國家或地區最終消費相關碳足跡的方法，通常用以評價一個國家或區域因最終需求而產生的溫室氣體排放等導致的環境影響。SRIO 使傳統IOA 法中涉及的數據更簡單，計算過程更方便[32]。然而，SRIO 是在不同地區不存在技術差異的前提下使用的，忽略了其他國家和地區的技術差異對碳足跡的影響，這顯然與全球化和貿易國際化相沖突。貿易過程和供應鏈中國家之間的中間使用和最終消費的進出口溫室氣體排放不能全面反映在SRIO 模型中，從而降低了研究的科學性和準確性。在經濟全球化的趨勢下，MRIO 解決SRIO 模型所面臨的生產技術無差異問題。同時，MRIO在SRIO 的基礎上，根據實際情況要求各國的投入產出結構、隱含碳和大氣污染物排放量，克服了技術異質性和加工貿易的問題，提高了計算的準確性[32-33]。通過對足跡家族的深入研究，MRIO 已被廣泛采用，并被證實是最有效的IOA 方法[34]。

3. 混合生命周期評價

混合生命周期評價是一種綜合了IOA 模型和基于過程的生命周期評估的完整系統邊界評估方法，同時具備了LCA 準確性和IOA 全面性的優點，能夠更好地理解環境和經濟之間的關系?；旌仙芷诜瓤梢员３纸Y果的準確性并且可以消除誤差[32]。因此，混合生命周期評價被廣泛運用在工業領域的碳足跡的計算中，然而，Yang 等卻認為混合生命周期評價不一定比LCA 更準確，其準確性取決于引入的IOA 模型，發現使用高度聚合的IOA 模型有高估的風險，并且可能導致比不完整的流程模型產生的截斷誤差更大的相對誤差[35]。

（三）碳足跡在工業部門重點行業的應用

作為國民經濟不可或缺的一部分，工業部門由經濟中的各個工業相關領域或產業組成，它們以相似的生產特點和經濟活動為基礎，通常生產和制造相似類型的產品或提供相關的服務。從行業角度來看，工業部門的碳足跡主要來自電力、鋼鐵、石油化工等重點工業行業[36]。上述行業不僅直接排放溫室氣體，還通過間接排放對氣候變化產生影響。

首先，電力行業在工業部門中的作用舉足輕重，工業部門使用電力來操作工業電機和機械、照明、計算機和辦公設備，以及設施供暖、制冷和通風設備，相關過程使用燃煤、燃氣等化石燃料會釋放大量CO2、N2O 等溫室氣體。此外，電力行業還涉及能源的開采、運輸和儲存等環節，相關過程也會產生溫室氣體排放。大量的文獻研究了電力行業不同層級的碳足跡，劉韻等建立了企業電力碳足跡的核算體系[37]；柳君波等和寧禮哲等計算了中國省級層面的電力行業碳足跡，發現北方地區的碳足跡普遍大于南方地區[38-39]；方愷等測算了全球層面電力部門的碳足跡[40]。

由于電力行業的碳足跡是工業部門的主要貢獻者之一，因此，不少學者根據其研究從不同角度提出了電力行業減少碳足跡的建議。首先，建議在工業部門電力行業進行新能源發電。方愷等在研究了不同電力類型的碳足跡后，建議使用水電和核電代替傳統燃煤與燃油電[40]；王斯一等在比較了燃煤發電與生物發電企業的碳足跡后認為生物清潔發電在追求低碳經濟過程中更有潛力[41]。Lu 等測算了太陽能發電的國家級碳足跡后大力推薦其在電力行業的使用[42]。其次，陳明星等推薦使用生物質能、水力、太陽能和風能發電以減少碳足跡實現碳中和[43]。最后，提高電力使用效率，減少消耗可以促進碳足跡的減少。Mittal 等和Messagie 等發現電力使用能效的提升可以減少電力的使用，從而降低碳足跡[44-45]；Mitchell 和York發現提高電力效率1∕4 到1∕3 相當于電力使用的減少，是降低碳足跡的重要方法之一[46]。

鋼鐵行業是制造業最大的碳足跡來源，成為全球脫碳的當務之急。鋼鐵行業生產過程中，高溫煉鐵和煉鋼、回收廢鋼等過程產生的大量溫室氣體也不容忽視，科學精準評估鋼鐵行業的碳足跡有助于推動鋼鐵生產以及工業部門的綠色發展[47]。鋼鐵行業碳足跡評估多從微觀角度出發，劉宏強等和宋曉聰等計算了鋼鐵行業產品全過程的碳足跡，確定了中游生產過程仍然是鋼鐵行業碳足跡排放集中區[48-49]。高成康等和張玥等從企業的角度研究了鋼鐵行業的碳足跡，化石能源在生產過程中的消耗是鋼鐵行業碳足跡產生的主要原因[25,50]。

在實現鋼鐵行業減碳方面，應該由能源替代，提高工藝方面以及優化材料結構入手，王雨婷和李毅仁等提出在鋼鐵行業實施以氫能為中心的能源結構變革以減少排放，同時提高技術創新[51-52]，這一結論與Lv 等相同[53]。與此同時，在下游消費階段減少鋼材消耗，劉夏青等建議根據下游推動上游的生產迭代[54]，通過減少消費從而降低碳足跡。

與此同時，石油化工行業一直是工業部門碳足跡的主要來源之一，產生大量的溫室氣體。石油化工行業是工業部門國民經濟生產原材料的基礎保障，根據美國能源部2022 年工業報告顯示，石油化工行業約占美國工業部門所有能源使用和排放的40%。同時，IEA 報告歐盟95%以上的工業產品原材料的生產都依賴于石油化工行業的原材料以及產品。因此對石油化工行業碳足跡進行研究是工業部門碳足跡評估的基礎。不少學者基于該背景下研究了石油化工行業的碳足跡并提出了建議，于涵等對碳酸二甲酯碳足跡進行分析，建議從源頭原料替代和生產過程技術提高實現碳減排[55]；Galán-Martín 等建議石化行業向可再生途徑進行轉變以減少碳足跡[56]；孫瀟磊等認為瀝青產品碳足跡減少的主要措施在于循環利用[57]，但Geels 卻認為在石油化工行業不應該片面追求循環利用、使用生物原料等辦法，而是應該更加注重于創新（如使用氫作為燃料）[58]。

除了這些重點工業行業產生的碳足跡會直接影響到大氣中的溫室效應，其他行業如水泥[59]等產生的溫室氣體排放也會對全球氣候變化產生重要影響。采用碳足跡技術對這些工業部門重要行業進行評估，有助于提供有力的政策建議促進工業減排，以實現雙碳目標。

五、結論與展望

隨著全球氣候變化的加劇和可持續發展的迫切需要，碳足跡評價已成為各國衡量可持續發展、碳排放以及人類對自然環境影響的重要工具，其有著豐富的內涵。而作為國民生產過程溫室氣體排放最多的工業部門，其溫室氣體減排是全球實現可持續發展、達成巴黎協定目標的關鍵。因此，對工業部門碳足跡進行研究有助于確定工業部門可持續發展的路徑，可以引導工業部門采取更加低碳和環保的生產方式，從而推動工業部門采用清潔能源、提升能源利用效率等，以實現減少工業部門溫室氣體排放的目標。

然而，對工業部門碳足跡的研究還有必要進一步完善。第一，雖然目前學界大多傾向于從全生命周期來闡述碳足跡，但對碳足跡定義需要進一步統一，如是否包括所有的溫室氣體，這將對碳足跡的分析計算產生較大影響。第二，多區域全生命周期流程的本土碳排放數據庫尚待完善，中國工業部門領域碳排放量大、來源廣泛，現有數據庫難以支撐工業部門全生命周期的碳足跡評估。第三，碳足跡評估方法體系有待確定。雖然現有三種不同的主流方法，但各有缺陷。因此，建立針對不同行業、不同地區的標準化評估方法面臨較大挑戰。第四，工業部門碳足跡研究對于實踐的引導還有待欠缺，碳足跡支撐工業部門低碳化方案的實施案例較少，如何利用研究理論和相關結果指導實踐操作是一個需要深思熟慮的難題。

盡管面對這些挑戰，工業部門碳足跡仍然有著積極的研究前景。首先，隨著不斷加深的國際合作對碳足跡領域的進一步探索，有助于統一碳足跡的定義、推動科學標準的碳足跡評估體系的建立，確保不同碳足跡評估在不同場景的使用和比較。其次，工業部門碳足跡的研究可以為工業部門技術革新提供新的方向，電動化、水氫技術等創新方案的研究都對工業部門碳足跡減少的實踐應用具有重要的實際指導意義。最后，工業部門碳足跡的研究也將為各國政府有關碳減排公共政策的提出提供參考，完善碳稅、碳排放權交易等政策，將甲烷等其他溫室氣體納入交易體系，對促進工業部門低碳生產具有重要的現實意義。

在當前研究背景下，雖然目前工業部門碳足跡的研究面臨諸多挑戰，但更具有廣泛的研究前景。在未來達成統一的碳足跡定義、系統邊界及評估方法體系后，學術界和實務界可以更好理解和管理工業部門碳排放，利用研究中的綠色技術驅動工業部門的綠色低碳轉型以及雙碳目標實現。