云南省咖啡生產碳足跡及其影響因素

王新華 王碩

王新華，王 碩. 云南省咖啡生產碳足跡及其影響因素［J］. 湖北農業科學，2024，63（2）：19-24，78．

摘要：以云南省為研究區域，以咖啡產品為研究對象，核算云南省咖啡生產過程中的碳足跡，運用通徑分析方法探究云南省咖啡生產過程中碳足跡的影響因素，同時闡明減緩碳足跡的可能性，提出咖啡生產過程中實現節水減排目標的建議，為更好地推進云南省咖啡產業低碳、綠色發展提供切實可行的參考。

關鍵詞：咖啡；碳足跡；溫室氣體；通徑分析；云南省

中圖分類號：S571.2? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）02-0019-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.02.004 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Carbon footprint of coffee production in Yunnan Province and its influencing factors

WANG Xin-hua， WANG Shuo

（School of Water Resources， Yunnan Agricultural University， Kunming? 650500， China）

Abstract： Taking Yunnan Province as the research area and coffee products as the research object， the carbon footprint of coffee production in Yunnan Province was calculated， the path analysis method to explore the influencing factors of carbon footprint in the coffee production process in Yunnan Province was used， the possibility of mitigating the carbon footprint was clarified， and suggestions for achieving water saving and emission reduction goals in the coffee production process were put forward， so as to provide a practical reference for better promoting the low-carbon and green development of the coffee industry in Yunnan Province.

Key words： coffee； carbon footprint； greenhouse gas； pathway analysis； Yunnan Province

氣候變化是當今人類面臨的最嚴峻的全球環境問題，在全球十大環境問題中溫室效應高居榜首，溫室氣體的不斷排放使全球氣候不斷惡化^［1］。氣候變化加快的主要原因是人類生產活動所引起的溫室氣體排放^［2］。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第六次評估報告指出，人類活動產生的溫室氣體對大自然的影響前所未有，引發全球許多地區的極端天氣和極端事件；若不采取必要措施，到2100年全球地表溫度至少升高2.1 ℃^［3］。這已經遠遠超過《巴黎協定》設定的21世紀溫控目標并會提前40年超過所設定的溫控目標。

農業作為全球溫室氣體排放的主要來源，對氣候變化有著不能忽略的影響^［4］。據相關統計，農業活動產生的溫室氣體占全球溫室氣體排放的13.5%。農業是非CO₂溫室氣體排放的主要來源^［5］，其排放的非CO₂溫室氣體占人為排放的非CO₂溫室氣體總量的14%，其中84%的N₂O和47%的CH₄來自農業生產過程中的排放^［6］。

咖啡是將咖啡豆用烘焙磨粉而成，和可可、茶作為全球主要的三大飲料。云南省依托自然地理條件和氣候環境的先天優勢，咖啡自引進以來被大面積種植^［7］。云南省是中國最大的咖啡種植地、貿易集散地和出口地，咖啡種植規模和產量都占全國的98%以上^［8］?？Х确N植規模的不斷擴大，也同時必然存在大量的農藥、化肥等高投入、高排放及其污染程度較高的種植模式，對全世界資源環境危害較大^［9］。雖然中國咖啡年平均消費水平不高，但是每年卻以30%的人均消費量遞增，中國有成為全球最有潛力的咖啡消費國。中國咖啡需求量持續上升，過度地使用農業生產資料也必將大大增加溫室氣體的排放，例如化肥、農藥、農膜等農資產品的投入不斷增加，在使用過程中會產生大量的CO₂排放，同時也會造成水污染。因此，對咖啡種植加工生命周期過程中溫室氣體排放及其耗水量進行科學評價，是中國及其咖啡產業的急切需求^［10］。

1 材料與方法

1.1 研究界限

本研究評估了云南省咖啡供應鏈中涉及的不同過程?；诋斍皩μ甲阚E的各類定義，咖啡碳足跡定義為從咖啡種植到使用階段之間產生的直接和間接溫室氣體排放量，包括咖啡種植加工過程、運輸過程、烘焙研磨等能源消耗帶來的溫室氣體排放。

本研究的范圍使用PAS2050：2011來定義。系統邊界包括從咖啡種植到使用階段的咖啡供應鏈：①咖啡種植階段所投入的化肥、農藥、石灰等農產品生產過程的CO₂排放；田間施用氮肥直接和間接排放的N₂O；農機具作業消耗柴油、灌溉耗電產生的CO₂排放。②加工咖啡鮮果時能源消耗產生的CO₂排放。③咖啡豆運輸過程相關的CO₂排放。④咖啡豆烘焙、包裝、研磨過程能源消耗產生的CO₂排放。根據PAS2050定義允許排除碳足跡元素，本研究至少分析了95%以上的總排放量，但對于碳足跡貢獻小于1%的復雜流程被排除。云南省咖啡種植歷史悠久，由于用于種植咖啡的土地已經進行了長時間的農業生產，因此沒有包括土地利用變化的排放，遮陰條件和多年生作物碳儲存也不包括在內。其他不包括的內容有加工和預加工的人力投入，員工往返工作地點的能源消耗。

功能單位的選取是碳足跡評估的基礎，功能單位決定研究對象進行比較的尺度和計量基準。本研究功能單位是1 kg的咖啡豆，碳足跡的結果是以每千克咖啡豆的二氧化碳千克數來表示（kgCO₂eq/kg咖啡豆）。

1.2 研究方法

1.2.1 咖啡種植環節碳足跡 咖啡在種植階段的溫室氣體排放主要包括在種植過程中施用的氮肥、磷肥、鉀肥、農藥等農資生產過程中的CO₂排放；施用氮肥導致N₂O的直接排放和間接排放；灌溉用電量及農機具作業消耗柴油產生的CO₂排放。

咖啡種植過程中溫室氣體的總排放量計算如式（1）所示：

式（1）中，CE_C，i主要表示在單位面積范圍內咖啡種植出現的溫室氣體排放量（kgCO₂eq/hm²），取值用CO₂當量（CO₂eq）來表示；CE_{input，fer}為化肥、農藥等投入生產的碳排放總和（kgCO₂eq/hm²）；

咖啡種植過程的碳足跡為：

CFY=CE/Y? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式（2）中，CFY表示單位咖啡產量所出現的溫室氣體排放量（kg CO₂eq/kg），Y表示咖啡單位面積產量（kg/hm²）。

式（3）中，i是各項農業產品投入的種類； AI_i，fer表示第i類農業生產資料的投入數量（kg/hm²）； EF_i，fer表示第i類農業生產資料、咖啡加工過程中所需物料進行排放的各項參數。

土壤N₂O主要由施用氮肥引起，包括土壤中N₂O經過硝化反硝化作用后的直接排放和大氣氮沉降、淋溶徑流導致的N₂O排放，計算公式為：

根據《2006IPCC溫室氣體清單指南》，得到施用氮肥產生N₂O直接和間接排放量的方法，計算公式如下：

式（5）至式（7）中，F_N表示施用氮肥的具體數量（kg/hm²）；δ_N，D表示咖啡種植區域施入氮肥而產生N₂O的直接排放因子；δ_N揮發和δ_N淋溶是土壤中由氮揮發后沉降的N₂O和氮淋溶徑流的N₂O間接排放因子；44/28表示N轉化成N₂O的系數；FRAC_揮發是肥料投入到土壤中氮揮發率（%）；FRAC_淋溶是肥料投入土壤中氮淋溶和徑流率（%）。

CE_{input，ot?er}=CE_mac?ine+CE_irrigation（8）

式（8）中，CE_mac?ine是咖啡種植過程中施用農機消耗柴油所產生的溫室氣體排放量（kg CO₂eq/hm²）；CE_irrigation是咖啡種植過程中灌溉耗電產生的溫室氣體排放量（kg CO₂eq/hm²）。

CE_mac?ine=P_mac?ine×ρ_diesel×EF_diesel（9）

CE_irrigation=P_electric×EF_electric（10）

式（9）、式（10）中，P_mac?ine為咖啡種植過程中使用農機消耗的柴油量（L/hm²）； ρ_diesel為柴油的密度（kg/L），取0.84；EF_diesel為柴油消耗的排放因子；P_electric為咖啡種植過程中灌溉用電量（（kW·h）/hm²）；EF_electri為電網排放因子。

1.2.2 咖啡生長施肥碳足跡 有機咖啡是指在生產過程中不使用合成的農藥以及化學肥料的咖啡，有機咖啡使用的肥料必須是100%的有機肥料。 在有機施肥模式中，3.0～4.5 t畜禽糞便可生產1 t有機肥料^［11］。根據畜禽平均排泄量以及咖啡種植園實際有機施肥量進行估算。動物糞便管理CH₄、N₂O排放是指在畜禽便施入到土壤前對動物糞便儲存和處理所產生的CH₄和N₂O^［12］。由于有機肥的種類較為繁多且管理方式復雜，因此統一選用《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》^［13］推薦的南方地區畜禽糞便管理CH₄和N₂O排放因子對畜禽糞便管理溫室氣體排放進行估算，計算公式為：

1.2.3 咖啡加工過程碳足跡 咖啡鮮果在加工過程中會產生大量廢水，廢水中有機物分解產生甲烷（CH₄）。使用IPCC指南提供的方法進行計算：

式（15）中，CF_CH4為廢水中有機物分解產生的溫室氣體排放量（kgCO₂eq/kg）；25為在100年的尺度甲烷相對于CO₂在全世界范圍內的增溫具體趨勢。

CF_process=Σ_i，jP_process，j×EF_{process，j}（16）

式（16）中，j表示消耗的能源類型；CF_process為咖啡加工過程溫室氣體的排放量（kgCO₂eq/kg）； EF_process，j為能源消耗的溫室氣體排放因子；P_process，j為咖啡加工時所需要的能源。

1.2.4 能源消耗碳足跡 咖啡能源消耗環節的碳足跡包括：①烘焙咖啡豆時烘干機、大型烘焙設備中消耗的電力產生的溫室氣體；②對熟咖啡豆進行研磨時研磨機消耗的電力產生的溫室氣體；③生產包裝咖啡的包裝袋所產生的溫室氣體；④咖啡豆的運輸產生的溫室氣體排放量。

CF_energy=EF_energy，j×Q_{energy，j}（17）

式（17）中，CF_energy為咖啡產品能源消耗碳足跡（kgCO₂eq/kg）；j表示不同類型的能源；EF_energy，j為消耗能源產品的溫室氣體排放因子；Q_{energy，j}為能源排放量。

1.2.5 咖啡碳足跡總量 咖啡碳足跡包括咖啡種植過程中的碳足跡、收獲后進行咖啡加工處理能源消耗的碳足跡以及運輸咖啡的碳足跡?？偺甲阚E除以咖啡豆產量即可得到咖啡的單位碳足跡。

式（18）中，CF為咖啡產品的碳足跡。

2 數據來源

2.1 云南省咖啡產品生產相關數據

對云南省咖啡主產區普洱市、保山市、臨滄市和德宏州4個地區的咖啡種植園進行了調查，分析了4個地區咖啡種植加工過程中各項農資的投入和產出情況，調研內容包括咖啡產量、面積、生產過程中農資（柴油、肥料、農藥、灌溉耗電等）投入量等活動水平數據?？Х燃庸るA段是在加工廠完成的，用電量沒有直接來源，采用間接推算的方法得到，咖啡鮮果加工需要脫皮脫膠機和脫殼機來完成^［14］，已知脫膠機功率4.5 （kW·h）/t和脫殼機2 kW/h，以及兩種機器單位時間加工咖啡鮮果數量，得到咖啡加工階段的耗電量。在咖啡烘焙研磨階段與加工階段相同，已知機器功率，根據單位時間咖啡豆消耗量得到咖啡產品的耗電量。對于咖啡運輸過程中的碳排放，默認運輸距離為100 km，調研基本情況見表1和表2。

2.2 云南省咖啡產品活動水平排放因子數據

咖啡碳足跡核算需要的數據包括各農資投入品的碳排放參數以及制作咖啡過程能源消耗的參數。中國大部分氮磷鉀肥的溫室氣體排放系數普遍為歐美水平的2倍左右，利用國外數據估算將嚴重低估中國化肥生產帶來的溫室氣體排放量^{［15，16］}。因此，能源消耗、化肥生產等農資投入相關的溫室氣體排放因子首先采用國內現有的研究結果。不同農資投入的碳排放因子見表3。

2.3 云南省氣象數據

本研究采用的氣象數據來自中國氣象科學數據共享服務網（http：//data.cma. cn/）。選取云南省咖啡4個主產區周邊的8個氣象站點的逐月地面氣象觀測數據，其中包括日最高氣溫（℃）、日最低氣溫（℃）、平均風速（m/s）、濕度（%）、降水量（mm）以及日照時數（h），各氣象站點分布如圖1所示。

3 碳足跡核算結果

從咖啡生命周期的碳足跡構成看出，咖啡生產過程中的碳排放主要集中在四個階段：種植階段、加工階段、烘焙研磨階段和運輸階段^［17］。種植階段的碳足跡最大，其次為加工階段，再是烘焙研磨階段，運輸階段的碳足跡在四個階段中最?。ū?）。

臨滄市、普洱市、保山市和德宏州四個地區在種植階段碳足跡的均值為2.94 kgCO₂eq/kg，其中臨滄市最大，保山市次之，再是普洱市，最后為德宏州，四個地區在種植階段的碳排放足跡分別為3.18、3.04、2.90、2.65 kgCO₂eq/kg；四個地區在加工階段碳足跡大小排序為德宏州（0.33 kgCO₂eq/kg）、普洱市（0.31 kgCO₂eq/kg）、保山市（0.28 kgCO₂eq/kg）、臨滄市（0.27 kgCO₂eq/kg）。而在烘焙研磨階段和運輸階段，由于各地區烘焙工藝和運輸形式相同，這兩個階段的碳足跡分別為0.26、0.09 kgCO₂eq/kg。

4 咖啡碳足跡的影響因素

咖啡產品的碳足跡受多個因素共同影響，其中氣象因素包括降水量、氣溫、濕度、風速、日照時數，對咖啡定植期耗水（蒸散發）量、光合作用及產量均有一定的影響^［18］。農業生產投入因素包括化肥的使用、用電量、柴油及農藥使用量對咖啡碳足跡影響較大。為明確咖啡產品中各因素對碳足跡的影響程度，采用通徑分析法分析咖啡產品中各因素對碳足跡的直接影響和間接影響^{［19，20］}。

在通徑分析法的分析過程中，設因變量為咖啡產品的碳足跡，自變量設為日照時數（X₁），年降水量（X₂）、平均氣溫（X₃）、相對濕度（X₄）、風速（X₅）、用電量（X₆）、機械柴油用量（X₇）、農藥使用量（X₈）以及化肥施用量（X₉）。

從表5中可以看出，在氣象影響因素中，年降水量（X₂）對咖啡生產碳足跡的影響最大，其總通徑系數為0.948，年降水量對咖啡生產碳足跡的影響為正影響，降水量增多，咖啡生產中的碳排放量增多。降水雖然在一定程度上會促進咖啡生長，提高咖啡產量，但是降水控制著土壤濕度，促進土壤的反硝化作用，促進N₂O的排放，從而使得農田碳排放增加。日照時數、平均氣溫與風速也與咖啡生產的碳足跡成正向關系，因為日照時間長，氣溫升高會導致CO₂和N₂O濃度升高。相對濕度與咖啡生產碳足跡之間存在負向關系，濕度一定程度上可以促進咖啡生長，提高咖啡產量，單位碳足跡從而降低。

在農業生產要素投入中，用電量對碳足跡的影響為負，總通徑系數為-0.749。說明用電量可以替代柴油、石油等能源的消耗，從而減少碳排放量?；室约稗r藥與碳足跡之間呈正相關關系，即柴油、化肥和農藥投入量越大，咖啡生產碳足跡越大。近年來，為了改善土壤肥力，提高作物生產率，使得化肥在農業生產中的用量不斷增加，進而增加了碳排放。在生產過程中，大量消耗化石燃料，成為農作物種植過程中最重要的非直接碳排放源。農藥使用量也會使咖啡生產碳足跡增大。農藥是高能耗產品，化石燃料既是生產農藥的原料也是能源燃料，化石燃料燃燒會產生大量的溫室氣體排放。機械柴油使用量的總通徑系數為0.113，影響為正向。隨著農業機械化的不斷發展，農機在農業生產中扮演著重要的角色，起到降本增效、提高勞動生產效率的作用。而農機使用的過程中需要消耗柴油，造成溫室氣體的排放，是碳足跡的主要排放源之一。

5 小結與討論

5.1 小結

本研究測算了咖啡生產過程中的碳足跡，探討了碳足跡的影響因素，包括自然因素與農業生產因素對咖啡生產碳足跡的影響及程度，得出以下主要結論。

1）云南省咖啡生產過程的單位碳足跡為3.59 kgCO₂eq/kg，在種植、加工、烘焙研磨和運輸四個階段中，種植階段的碳足跡水平最高，為2.94 kgCO₂eq/kg，運輸階段最低，為0.09 kgCO₂eq/kg。

2）在空間分布上，臨滄市、保山市、普洱市和德宏州四個地區中，咖啡生產的單位碳足跡的排序為臨滄市（3.18 kgCO₂eq/kg）>保山市（3.04 kgCO₂eq/kg）>普洱市（2.90 kgCO₂eq/kg）>德宏州（2.65 kgCO₂eq/kg）。

3）在氣象因素中，各因素對咖啡產品碳足跡的影響程度由大到小為年降水量（X₂）、相對濕度（X₄）、風速（X₅）、平均氣溫（X₃）、日照時數（X₁）；在農業生產投入因素對碳足跡影響程度由大到小為用電量（X₆）、機械柴油用量（X₇）、農藥使用量（X₈）、化肥施用量（X₉）。

5.2 討論

云南省咖啡生產碳足跡具有減緩的可能性。提高化肥利用率，減少化肥、農藥投入量，可減緩因化肥施用以及農藥噴灑導致的碳排放；同時，提高機械化水平，推進農機裝備轉型升級，降低農機使用時柴油的消耗量，提升柴油的利用率，可以減少咖啡生產過程中溫室氣體排放，降低碳足跡；實施咖啡種植保護性耕作技術，不僅可以提高咖啡產量，還可以增加土壤肥力，改變土壤理化性狀，減少土壤中水分的蒸發及化肥的使用量，促進咖啡產業可持續發展。

1）降低咖啡種植區域化肥施入量，提升化肥有效利用效率。在種植區域內咖啡種植碳足跡影響最大的是化肥施入具體額度，并且能夠提升碳足跡的具體數量，表示化肥施入具體額度的遞增造成碳足跡數量的增加。同時，傳統種植模式下，部分咖啡生產農戶在種植咖啡施肥時具有相應的不確定和隨機性。這不僅會在某種意義上造成肥料浪費，還會促進碳足跡額度提升，導致環境資源被破壞。因此，云南省咖啡種植者要在施肥過程中采取科學合理的施肥方式，有效降低咖啡種植過程中碳足跡水平，減少碳排放，減輕環境壓力的整體目標。

有機綠色標準示范園種植模式下主要利用測土配方施肥技術，能夠有效利用肥料，提升肥料利用率。測土配方施入能夠在某種程度上符合咖啡生長發育和種植區域對肥料需肥及供肥的相關要求，能夠運用測試土壤及肥料田間試驗數據，對咖啡種植示范園供肥特點進行系統研究?？Х确N植過程的需肥規律和需肥效應，提出有機肥料中氮肥、磷肥及鉀肥最適宜的肥料配比及其施入額度，利用測土配方施肥技術，能夠在一定程度上符合咖啡種植肥料施入額度，提升施入肥料的利用效率，確保環境不被破壞，實現降低咖啡種植碳足跡的目標。

2）在咖啡種植區域利用農機節油技術，提升咖啡種植機械化作業水平。在所調查區域咖啡有機綠色標準示范園內采用機械化作業，能降低勞動力成本，提高種植區域土壤利用效率，提升土壤水分，對于咖啡種植過程中最為有效，最大限度提升種植區域咖啡出苗率，提高種植區域單位面積產量，提高咖啡生產者經濟效益。在采用機械化的基礎上，同時也提升了柴油的使用率，造成碳排放提升。而且農業機械柴油使用過程中造成的碳足跡在咖啡種植過程中總碳比重中占比較高，是云南省咖啡種植占據第二位的碳排放源，但相對來說控制較為容易，可以采取一定的技術手段降低柴油使用率，例如在政府推廣機械化作業的基礎上，利用節油技術降低柴油消耗。

3）構建咖啡深加工生產管理體系。首先，要根據具體情況構建科學合理的咖啡精品深加工生產管理體系，其中主要包括完善管理制度和責任管理體系，確保不同工作人員都能明確自身工作職責，在制度允許范圍內投入更多的時間和精力，降低咖啡加工過程中碳排放和安全問題出現概率。其次，采用更先進的精品深加工設備?？Х燃庸み^程中可以根據實際需要積極引進一些市場上先進的生態咖啡生產設施，為咖啡精品深加工奠定堅實的基礎。

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收稿日期：2023-03-10

基金項目：云南咖啡種植加工過程的水足跡及碳足跡核算（2022J0302）

作者簡介：王新華（1975-），男，河南登封人，副教授，研究方向為水文與水資源管理，（電話）15911740263（電子信箱）453620381@qq.com；

王 碩（1996-），男，河南濮陽人，碩士，研究方向為水文與水資源管理，（電話）17729700666（電子信箱）929768040@qq.com。