基于林浆纸供应链的隐含碳流与碳排放计量研究

赵庆建 温作民 张敏新

3.赫尔辛基大学森林科学系，芬兰 赫尔辛基 00014）摘要基于社会经济过程追踪和量化碳流动与碳排放已经成为国际前沿性研究课题。论文提出了基于供应链的多层次投入产出模型并在此基础上建立了隐含碳流与碳排放模型，针对典型林浆纸一体化案例企业进行了计算分析。首先，依据森林抚育、采伐、备料、制浆、造纸、分销、碱回收等生产经营和工藝过程对林浆纸工业供应链进行层次划分，基于列昂惕夫逆阵建立了多层次投入产出模型；其次，在供应链多层次投入产出模型基础上，建立了隐含碳流与碳排放模型；最后，结合林浆纸一体化案例企业生产运营数据，采用可视化工具对林浆纸供应链各层次和部门的隐含碳流与碳排放进行计算和描述，找出了热点碳排放源与碳流路径。研究结果表明：①基于供应链的隐含碳流与碳排放建模与计算能够将宏观市场需求变化、企业生产经营管理和微观生产工艺过程有机地结合起来，有效地探明市场需求对企业生产经营过程中隐含碳流与碳排放的影响，为实现企业级碳减排监测和管理建立了理论与方法基础。②通过对供应链进行多层次划分，并将投入产出模型映射到多层次供应链，实现了基于生产经营和工艺过程的碳流、碳排放追踪与计量。本文方法具有一定的普适性，只要寻找到合适的载体和路径，就可以从微观到宏观不同层次对碳流以及其他各类生态服务流展开有效的计量研究。③对于林浆纸这类高污染、高排放的行业和企业，本文的研究方法和研究结果有助于企业从生产系统优化、设备技术改造、新能源替代、低碳原材料使用等方面探索实现环境可持续发展的方法与路径，同时也为政府实施环境规制、制定碳减排政策等提供有效的技术支持。

关键词林浆纸供应链；投入产出分析；碳流；碳排放

中图分类号F301文献标识码A文章编号1002-2104（2018）08-0039-08DOI：10.12062/cpre.20180123

气候变化背景下，基于社会经济过程追踪和量化碳流动与碳排放已经成为国际前沿性研究课题和重大社会现实需求[1-2]。越来越多的研究人员针对工业园[3]、国际贸易[4]、工业生产过程[5]、全球经济网络[6]以及政府环境政策规制[7]等领域开展碳排放问题研究。作为复杂经济系统的一种重要存在形式，因其对环境的巨大影响，供应链的环境可持续性吸引了企业与研究者的目光[8-9]。同时，商业上的可持续性也要求企业开发和采用经济、环境以及社会可持续的实践活动，并促使企业将供应链生命周期评估、碳减排纳入战略管理的范畴[10-12]。但是由于供应链的时空动态性和复杂性特征，其环境性能评价的发展受到了极大的阻碍[13-14]。本文在对国内外林浆纸企业长期深入研究的基础上，对林浆纸供应链的复杂结构特点进行了分析，期望基于林浆纸供应链这个有效的载体实现对碳流与碳排放的建模与计算，为企业环境性能评估和可持续发展提供理论与技术支持。

1文献述评

林浆纸工业产品的生命周期过程包括森林抚育、木材收获、备料、制浆、造纸、产品分销和使用等多个阶段[15-16]。生产经营过程中所使用的能源主要来自电能和热能，由煤炭和其他辅助燃料产生；生产加工阶段主要包括备料、化机浆制浆、抄纸及涂布过程；产品的运输和使用分布于全国乃至全球范围。随着气候变化问题日益严峻，大型林浆纸企业生产运营对生态环境的影响受到越来越多的关注。总的来说，林浆纸工业碳排放源主要由三大部分组成：电力消耗、化石燃料和制浆造纸原材料。不同工厂之间的总排放量与吨纸排放量差距巨大，比如亚洲的浆纸工业吨纸碳排放率高于拉丁美洲的生产商65%，占到全球浆纸工业碳排放的41%。亚洲浆纸企业的碳排放很大部分来源于化石燃料的燃烧，而北美企业来自电力购买的碳排放占据了很大比例[17]。

林浆纸供应链由多个不同部门组成，实质上生成了一个连通多个部门、具有多层次特性的物质流通网络，部门之间产品与服务的交换产生了碳转移。从供应链的角度分析各部门之间的关系，以提升生产效率，降低碳排放，是一个新的研究视角[18]。基于供应链，使用“从摇篮到大门”乃至“从摇篮到目的地”的方法对碳流、碳排放进行计量是一种有效的选择。意即计量每一道生产工序乃至每一部重要机器设备碳排放，包括产品制造、原材料运输、化石燃料的燃烧、电力购买以及母卷纸从工厂向全球数十乃至更多目的地的运输过程。这种计量方法能够提供对下至机器生产上至纸产品消费的多层次分析，为政府政策制

定、企业商业事务管理提供有效的分析工具。图1为林浆纸工业多层次供应链框架模型。

林浆纸供应链中的碳元素具有多种空间与形态的变化（见图2、图3）。碳元素最初来自原料林基地中森林的生长，经过供应链的不同环节，包括森林收获、运输、木片加工厂、制浆厂、造纸厂，最后到达全球各地的经销商仓库。从森林抚育到最终纸产品消费的过程也引起了碳形态上的一系列变化：从大气中的CO2到生物质，又通过供应链中各环节成品和半成品的生产流通、使用与处理回到大气中或以其他形态保存下来。供应链中还存在着虚拟碳流动的情形，如热电厂锅炉和碱回收工段产生的热电能源用于制浆造纸等各生产环节，从而减少了对外部能源的依赖和排放，但是它们之间并没有真正地发生碳的转移，称之为虚拟碳流（见图4）。

总结国内外大量文献可知，气候变化与商业可持续性双重压力驱动着政府和企业采取有力的碳减排行动，在微观层面上要求进一步明确生产经营过程中的碳排放机理，在宏观层面上要求对隐含碳流、碳排放的空间特征进行监测和管理。供应链包含了企业产品的生命周期，具有物质平衡和多层次时空特点，是隐含碳流、碳排放时空多尺度计量的一种有效载体和计量工具。基于供应链载体实现

生产经营过程中的隐含碳流、碳排放建模与计算对环境可持续性评估、热点碳排放源识别、设备技术效率提升以及相关政策制定具有重要的理论和实践指导意义。林浆纸供应链中隐含碳流、碳排放的计量需要解决以下三个问题：①林浆纸供应链体系中不同层次、不同部门及其之间关系的识别与甄别；②林浆纸供应链中各层次碳流入、流出和排放的量化；③不同层次各部门对于碳流贡献的相对重要性。这些问题的深入研究和解决往往需要借助于供应链网络结构建模与分析[19]。传统的工具是建立“流”的“树形结构”，但这很可能与现实不符，真实供应链中的“流”充满着“汇聚”和“分枝”，甚至“环”结构。在更宏观的视角上，深入研究林浆纸工业中的隐含碳流、碳排放有助于政府出台降低生产部门碳排放强度或改变消费部门消费模式的相关政策。当然这也受到企业的欢迎，因为这有助于提高企业生产效率，促进企业可持续发展。

2基于供应链的多层次投入产出模型

2.1方法与模型

考虑到本文的研究是基于林浆纸供应链开展的，涉及具体的生产工段和工艺过程，特提出相关定义如下：

定义1，部门：是指供应链中一个或多个生产经营单元组成的集合。每个部门对应一种资源。部门从上游生产活动获得产出，并将其作为资源投入到下游生产活动。本文中的部门是一个抽象的概念，与真实的企业生产经营部门并不一一对应。部门的划分依据主要是相近的生产工艺流程或者相近的地理位置，目的在于方便地进行计量分析。

定义2，层次：基于部门和部门之间的物流关系考虑供应链系统的层次划分，定义系统的层次：L0，L1，…，Lt…，Ln。其中L0表示产品生命周期中的最后一个层次——产品层次。例如，纸和纸板产品在L0层，是在L1层中投入浆料等资源后的产出；浆料又来自于L2层中投入木片等资源后的产出。层次的划分需要充分考虑供应链中各部门的交互关系，联系紧密的部门及活动，如植物的育苗、扦插、施肥、抚育等放在同一层次。

从宏观视角，供应链的各层次间具有投入产出特性；从微观视角，每个层次各部门之间具有一定的数量化映射关系。投入产出指的是上一层次的相关部门投入资源进行生产活动，在本层次生产出中间或最终产品，中间产品有可能又作为资源投入新的生产活动生产出新的中间或最终产品。基于供应链的多层次投入产出如图5所示。

由列昂惕夫方程，有x=（I-A）-1y，其中，y为最终产品需求向量；x为总产出向量；A为直接消耗系数矩阵，其矩阵元素Apq表示部门p部门q之间的技术转换系数。L=（I-A）-1为列昂惕夫逆阵，其元素Lpq表示来自部门p的总产出（直接和间接）以满足部门q的单位产出需求。

使用列昂惕夫逆阵的幂级逼近[21-22]，可以得到：

L=（I-A）-1

=I+A+a2+…+Atlimt∞At=0（1）

考察L的幂级展开式各项，它们之间具有At=At-1A的关系。假设供应链各层次（L0，L1L2，…Lt）之间也具有关系At=At-1A，即上一层次各部门投入资源进行生产活动，其产品产出将作为原料再次投入到下一层次生产活动，则供应链的多层次投入产出模型可以基于列昂惕夫逆阵建立。

基于方程（1）可得到：

X=（I+A+A2+…+At）y

=y+Ay+A2y+…+Aty（2）

将列昂惕夫逆阵L的幂级展开式理解成在供应链多个层次上的投入产出关系，即得到如下命题：

命题1：为满足对最终产品的需求，资源的总投入等于该产品生产部门的直接资源投入与供应链上游各层次相关部门的间接资源投入之和。

由limt→∞At=0可知，目标层次距离越远，下游产品需求对该层次上部门资源的依赖性越小。从供应链的下游往上游方向，各层次投入的资源数量呈幂级减少。

2.2多层次碳排放和隐含碳流

针对生产经营活动的碳排放计量有两种模式，一种是基于生产侧的计量，是指直接计算生产部门的碳排放；第二种是基于消费侧的计量，是指基于消费品数量计算碳排放。目前温室气体排放核算体系是基于生产侧进行的[23]。基于生产侧计量的优点是直观明了，但是缺点也很明显，它反映不出市场变化、商品贸易波动等对碳排放所产生的逆向反馈作用。扩展的列昂惕夫投入产出模型是基于消费的碳排放计量方法。下面首先给出碳排放相关定义。

定义3，直接碳排放：是指为满足对最终产品或中间产品的需求，供应链上各层次相关部门在生产活动中直接产生的碳排放。基于直接碳排放，可以寻找供应链中的热点碳排放源，从而采取针对性的降排措施。

定义4，碳排放强度：指生产部门生产单位数量的产品所产生的直接碳排放数量。

用“：”表示所有部门，As：为一个向量，表示s部门与其他部门之间的投入产出系数矩阵；Dts表示Lt层s部门生产半成品的直接碳排放（D1s表示L1层s部门为满足L0层各部门对其产品的需求而产生的直接碳排放。L0各部门对L1层s部门产品的需求为As：y）。则直接碳排放可以表示为：

Dts=gsAs：y（3）

其中，gs为s部门的碳排放强度，表示单位数量产品产出所产生的直接碳排放，其大小取决于具体的设备技术与生产工艺水平。

基于列昂惕夫逆阵的幂级展开式，可以得到排放乘子矩阵：

M=g（I-A）-1

=g（I+A+A2+…+At）（4）

将M表示成：

M=m11…m1n

mu1…mun（5）

其中，mpq表示部门q的单位产品产出引起的部门p的总排放。M左乘产品需求向量，得到总排放，即：

My=g（I+A+A2+…+At）y

=gy+gAy+gA2y+…+gAty

=D0+D1+…+Dt（6）

其中，g表示各部门的直接排放强度向量，Dt表示第t层的相关部门直接碳排放之和。

由方程（5），可得到如下命题：

命题2：为满足对最终产品y的需求，总的碳排放等于供应链上各层次相關参与部门的直接碳排放之和，具体参与部门取决于各层次上部门之间的投入产出映射关系。

由命题2，得到如下推论：

推论1：为满足对供应链Lt层s部门产品产出的需求，总的碳排放等于s部门产品产出的直接碳排放与上游各层次所有相关部门的直接碳排放之和。

用公式表示为：

Tts=∑t∑sDts（7）

由推论1可知，供应链中间部门的减排同样重要，但是它们往往受到较少的关注，中间部门提高生产效率，可以减少对上游部门产出的需求，从而减少上游的碳排放。

定义5，隐含碳流：是指为满足对最终或者中间产品的需求，以碳元素的形式隐含在资源中，流入到某个部门的碳流。隐含碳流的大小取决于资源的数量及其碳元素的占比。某部门的隐含碳流在供应链中可能流向不同的路径，各支流路径中碳元素的占比取决于实际生产经营活动中的物理和化学变化。

由定义5，可得到如下推论：

推论2：基于供应链的多层次投入产出关系，可以由下游某部门的产品需求追溯到上游相关部门的隐含碳流。

假设最终产品需求向量为y，为满足市场对产品的需求，则在Lt层s部门的隐含碳流为：

Ets=mtsAs：At-2y（8）

其中，mts表示Lt层s部门对应资源的碳元素含量。

2.3数据来源

本文对国内外林浆纸一体化企业进行了长期深入研究。先后调研了斯道拉恩索（Stora Enso）公司芬兰总部及中国（广西）公司、芬兰UPM公司、印尼APP中国（广西）公司和多家国内林浆纸企业以及各公司的原料林基地；考察了林浆纸一体化运作模式，获取了丰富的企业生产经营资料；同时，也取得了相关森林资源卫星遥感数据。调研结果表明林浆纸供应链中包含了多个碳排放巨大的环节，如森林收获、备料、制浆、纸浆漂白、碱回收、苛化、石灰锻烧以及废物处理等生产经营过程。本文以斯道拉恩索（广西）公司[20]作为具体研究案例，对其生产经营过程中可能产生的隐含碳流与碳排放进行建模和计算。

斯道拉恩索（广西）公司浆纸工厂位于广西省北海市，于2017年投产。公司年设计生产规模为90万t漂白桉木化学浆，其中45万t作为原料用于高档文化纸和包装纸板的生产，45万t制成浆板后作为商品浆出售；一条年产45万t高档包装卡纸板生产线，生产液体包装纸板和涂布白卡纸；一条年产45万t干法静电复印纸、胶板印刷纸、铜板纸等高档文化纸生产线。公司生产活动的主要原材料来自原料林基地出产的桉木、从市场购入的漂白针叶木浆板和漂白阔叶木化机浆，以及石灰石、硫酸钙、苛性钠、硫酸钠、淀粉、覆膜、胶乳等各类化工药品。公司的主要能源需求有原煤、重油、液化气、树皮和电。

3计算结果

3.1林浆纸供应链中的隐含碳流与碳排放

林浆纸供应链中的隐含碳流与碳排放的计算在物质流基础上进行，其主要依据是各层次投入与产出的物料平衡[24]。以单位质量的纸产品需求为计算基准，按照供应链的逆向进行计算。首先，基于各层次部门间的投入产出映射矩阵，充分考虑损失率，计算得到各部门的资源消耗量；其次，基于各类资源的碳元素含量，进一步计算出各部门的隐含碳流与碳排放数量。隐含碳流与碳排放的计量需要充分考虑供应链中复杂的物理与化学变化[25-26]。

基于林浆纸供应链的主要生产经营和工艺过程对供应链进行层次和部门划分，并计算隐含碳流与碳排放。碳的形态随着供应链层次的改变而变化。由图5可知，在林浆纸供应链中由于下游纸产品需求的拉动使得隐含碳流由上游向下游流动，并在每个层次相关部门的生产活动中产生碳排放。

根据调研，斯道拉恩索公司主要生产纸和商品浆板两大类产品，基于上述计算模型，以1 000 t 纸和500 t 商品浆的产品需求为准，计算供应链中各部门的隐含碳流和直接碳排放，标记在图6上。需要说明的是，根据供应链多层次投入产出关系，最终产品的需求会引起上游相关部门的碳排放；同理，产品的使用也会引起下游相关部门的碳排放，如纸产品的分销、使用、废物处理环节都会产生相应的碳排放，其结果可由排放强度、产品向量以及投入产出矩阵的乘积计算得到。图6的计算过程和结果解释了林浆纸供应链中碳的生命周期及其在各层次上的变化情况。图中箭头上的数据表示为满足最终产品需求而在网络上产生的隐含碳流量以及各部门的直接碳排放量（以1 000 t 纸和500 t 商品浆的需求为标准，单位为t）。虚线箭头表示热电能源供应引起的虚拟碳流。由图6可知，林浆纸供应链中碳的来源主要包括大气中的CO2、石化能源、煤炭、重油等辅助燃料、造纸用填料、石灰石等；碳的排放环节主要包括石化能源消耗、树枝树根腐烂、原煤燃烧、树皮木屑燃烧、重油等辅助燃料燃烧、黑液燃烧、石灰石锻烧、制浆废气排放、废物处理等[27]。

3.2热点碳排放源与碳流路径

热点碳排放源是指为满足市场对单位最终消费品的需求，在整个供应链中产生直接碳排放较高的部门。被认定为热点碳排放源则表明具有较低的环境效率，是重点关注的对象。由图6计算结果，可得到林浆纸供应链中的热点碳排放源（见表1）。林浆纸企业的碳减排需要重点关注碱回收、热电站动力锅炉燃烧、废纸填埋燃烧和制浆等四个热点碳排放源，这四个排放源的碳排放之和占总排放的比例接近70%。考虑到树皮木屑生物质燃料排放、树枝树根生物质腐烂排放以及建材制造等生物质燃烧排放和建材长生命周期等因素，将它们排除在外，以上四个排放源的碳排放之和占林浆纸供应链的总排放比例仍然接近60%。

由推论2和公式（7）可知，供应链层次数量越大，上游的资源投入对层次距离较远的下游产品产出影响越小。但是这并不意味着对供应链下游产品的需求所引起的上游相关部门的碳排放会很小。由表1可知，情形可能恰恰相反：为满足市场对供应链下游产品的需求，将在上游相关部门产生大量的碳排放。

熱点碳流路径是指由隐含碳流较高并且直接排放量较大的多个相邻部门串联组成的一段通路。热点碳流路径上的部门都是供应链中重要的生产经营环节，分布于产品生命周期的不同阶段，揭示了碳元素的主要形态变化与主要流向。

在整个供应链中，碳流路径的总数量取决于供应链的层次数量和各相邻层次间不同部门的投入产出映射关系。假设供应链共划分为n层，每层有n个部门，则总的碳流路径的数量级为nn，如果n是一个较大的数字，其结果是相当庞大的。当供应链的结构非常复杂时，需要借助于网络建模与分析工具进行处理[28]。

生产实际中，我们比较关心碳排放量较大的路段，而非整条路径，以便精准地实施设备技术提升或工艺流程改造措施，有效降低该路段的碳排放。由图6计算结果，得到林浆纸供应链中的热点碳流路段（见表2）。对热点碳流路径进行深入研究有助于揭示碳生命周期中的空间分布变化以及碳转移规律，为碳排放交易、碳补偿等相关管理制度与政策的制定提供技术支持[29-30]。

4结论与讨论

气候变化背景下，面向企业的碳减排已经成为研究人员和政府共同关心的课题。本文以林浆纸供应链为载体，研究企业生产经营过程中碳的流动与排放特点。利用列昂惕夫逆阵建立了基于供应链的多层次投入产出模型以及隐含碳流与碳排放模型；结合案例企业，计算得到林浆纸供应链中各部门的隐含碳流与碳排放。主要结论如下：

（1）基于供应链的隐含碳流与碳排放计量将宏观市场需求变化、企业生产经营管理和微观生产工艺过程有机

表1热点碳排放源（以1 000 t 纸、500 t商品浆为准）

Tab.1Hotspot sources of carbon emissions

（1 000 tons of paper， 500 tons of pulp）/t

序号部门直接碳排放说明1碱回收781黑液燃烧，重油燃烧，石灰石分解2热电站

动力锅炉765煤炭燃烧，天然气燃烧，生物质燃烧3废纸处理418填埋、焚烧处理4制浆185废气排放，废渣废水排放5森林收获639/104化石燃料燃烧、树枝樹根腐烂。如排除树枝树根腐烂造成的碳排放，则为104 t

表2热点碳流路段

Tab.2Hotspot trajectories of carbon flows/t

序号碳流路段说明1制浆—蒸发—燃烧制浆、燃烧工段产生大量碳排放2森林收获—备料—

动力锅炉森林收获、动力锅炉工段产生

大量碳排放3分销使用—废物处理分销区域及分销量决定了碳的流向地结合起来，为实现企业级碳减排的监测和管理提供了一种有效的工具。

（2）通过将投入产出模型映射到多层次供应链，实现了基于生产经营和工艺过程的碳流、碳排放追踪与计量。本文方法具有一定的普适性，只要深入理解其运行机理和空间扩散规律，就可以对各类生产经营活动中的各类生态系统服务流进行量化研究。

（3）对于林浆纸这类高污染、高排放的行业和企业，本文的研究方法和研究结果有助于企业从设备技术改造、生产工艺效率提升等方面探索实现环境可持续发展的方法与路径，同时也为政府碳减排、碳排放交易等相关政策的制定等提供有效的技术支持。

本文的研究还可以从以下方面进一步拓展：

（1）层次和部门的细化。论文中部门的概念是在宏观层面上进行划分的，是多个相关工艺流程、工序的组合。为进一步细化，可以将部门进一步分解为关键工艺流程、重要设备等。如在林浆纸工业中，将碱法蒸煮制浆部门进一步细化为蒸煮器、洗浆机、筛浆机、除渣器、漂白机、蒸发器、冷凝器、黑液燃烧炉、苛化器、石灰转窑等设备或工段。具体的设备或工序之间存在一定的物料转移映射关系，这种关系同样可以采用投入产出矩阵加以描述。部门的分解与过程细化有助于详细并有针对性地优化控制并提升大型仪器设备的环境效率。考虑到仪器设备工艺水平和技术效率不同，投入产出比不是恒定不变的，通过提高仪器设备工艺水平和技术效率可以提高投入产出比，降低单位产出排放率，从而减少总排放。

（2）政府环境规制对企业碳绩效的影响评价。从政府的视角出发，为实现碳减排可能采取多种环境规制措施，如碳排放总量约束、碳税、碳交易、强制采用低碳技术等；从企业的视角出发，会依据生产经营实际情况，采取综合性优化措施，既遵循政府规制要求降低碳排放，又要减少经济损失。基于生产经营和工艺过程的隐含碳流与碳排放计量研究能够为企业碳绩效评价提供有力的技术支持。

（3）供应链全球化引起的碳排放转移。林浆纸供应链中的碳排放转移充分体现于最终纸产品需求的全球化。基于供应链的隐含碳流与碳排放计量研究可以为揭示全球林纸产品贸易背景下的碳转移问题做出基础的技术上的贡献。由推论和图6可知，最终纸产品的国际需求量、市场价格变化将引起上游生产部门和原材料供应部门所在国家或地区总排放的变化，具体计算方法可以从生产地与分销地之间、分销地与消费区域之间的关系入手，建立映射矩阵，实现数量化计算与分析。

（编辑：王爱萍）

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