基于生命周期法的农产品供应链碳足迹分析

廖 晶，谢如鹤，瑭 杰，唐海洋，罗湖桥，陈梓博

（广州大学工商管理学院，广东 广州 510006）

我国是世界上最大的农产品生产国和消费国，生鲜农产品的产量稳居世界第一位，在我国居民消费支出中，生鲜类食品的比例已达58.7%。根据国家统计局2016年发布的数据，我国鲜活农产品总产量为13亿t，其中果蔬、蔬菜、肉类、水产类、蛋类、牛奶类等生鲜农产品的产量分别为28 351.10万、79 779.71万、8 537.76万、6 901.25万、3 094.86万、3 602.20万t，近10年保持4%左右的增长速度。然而，我国农产品的流通还处于传统模式，其流通过程中的腐损率仍旧很高，为减少农产品损耗，提高农民收入，近几年部分地区已经开始普及冷链流通模式。然而，随着冷链物流的快速发展，冷链物流活动过程中产生的能耗对环境的影响也越来越显著。冷链物流是将制冷业与交通运输业相结合的产物，随着日益完善的基础设施和技术设备的增加，二氧化碳排放量也显著增加，其对环境的影响不容忽视。

目前，国内外对农产品供应链碳排放的相关研究中，在农产品生产方面，张帆等［1］对果类农产品生命周期的碳足迹进行了核算，并以脐橙为例进行了测算。薛建福等［2］运用生命周期法分析了山西省小麦不同功能单位的碳足迹动态变化情况。张雄智等［3］采用生命周期法对华北平原的特定农产品面粉生产过程的碳足迹进行了计算。在农产品流通方面，Strut等［4］采用生命周期法对水产品的碳足迹进行了研究及评价。Benjaafar等［5］通过将碳足迹应用于供应链中并构建其测算模型，并以牛奶供应链为研究对象进行了实证分析。Carlsson-Kanyama［6］运用命周期法，以不同食品为研究对象对其不同环节中的碳排放量进行了测算，并对不同环节进行比较分析。刘倩晨［7］运用生命周期评价方法对冷链物流碳排放进行了计算，并以番茄为研究对象，计算了其各环节中的碳排放量。马爱进等［8］采用生命周期理论，研究了食物生命周期并讨论了其碳排放的核算范围。蔡依平等［9］利用生命周期评估的方法对冷链物流碳足迹进行了计算分析。

综上可见，研究大多对农产品的生产过程的碳足迹为研究对象或以单一的物流活动为研究对象，针对不同流通模式下的研究较少，相对于常温流通模式，全程冷链流通模式下可以显著减少农产品在物流过程中的损耗，同时还能节省损耗本身产生的碳排放量。从节省耕地视角，将损耗部分转换成耕地，从而可间接减少生鲜农产品生产环节的碳排放，但冷链流通比常温流通多制冷工艺环节，其制冷工艺本身也会产生碳排放，总体效果如何并没有具体核算。鉴于此，本研究在总结前人对农产品流通碳足迹计算的基础上，基于全生命周期法建立农产品供应链各个环节的碳足迹测度模型，其中包括常温流通碳足迹测度模型和冷链链流通的碳足迹测度模型。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究主要采用生命周期法，针对农产品供应链不同环节构建模型，对其碳足迹进行测算分析，其中主要包括农产品的生产、采摘、流通加工、储存、运输、销售、配送、消耗等各环节直接和间接的碳排放量。根据数据的可得性，本研究主要采取实验测算、根据经验估算、文献搜集、实际调研等途径获取数据。

1.2 研究方法

以农产品供应链为研究对象，从我国目前农产品流通模式的实际情况出发，构建碳足迹模型，定量计算其生命周期各个过程的碳足迹，范围包括生鲜农产品的生产商、批发商、零售商和消费者。其各个环节产生的碳排放主要包括直接排放和间接排放，其中直接碳排放是指在农产品供应链中各个环节直接能源消耗而产生的碳排放；而间接碳排放包括的内容非常广泛，如人员体能的消耗、运营的消耗等造成的碳排放等。据此绘制其生命周期计算边界图如图1所示。

2 碳足迹计算模型构建

图1 农产品供应链碳足迹生命周期计算边界

关于碳排放的计算规则和分析方法有很多，如生命周期法、投入产出法、PAS2050等。本研究采用全生命周期法测算农产品供应链的各个环节碳排放。模型假设：

（1）两种不同物流模式的流通时间和距离一样；

（2）对储存库面积、储存时间农产品数量、运输油耗、车辆运行速度等相同的情况进行对比。

式中，Z冷链为基于农产品供应链下冷链流通的碳排放量；Z常温为基于农产品供应链下常温流通的碳排放量；Z生产为产地生产农产品导致的碳排放量；Z配送为农产品从产地到消费者过程中的碳排放量；Z预冷和储存为农产品预冷和冷藏过程中的碳排放量；Z储存为农产品储存过程中的碳排放量；Z废弃为农产品腐烂过程及处理导致的碳排放量。

2.1 生产过程中的碳排放

对于生产环节的碳排放，由于受到气候和客观环境的影响，其中大部分是通过实验测量方法进行测量和计算，但实际测算的难度和周期是漫长而复杂的［10-11］。农作物产生的碳排放量主要包括农业生产过程中使用的化肥投入、农药投入、塑料膜、柴油投入、灌溉用电以及农田氧化亚氮（N2O）的直接排放。具体计算如下［12-17］：

式中，Z冷生产为生鲜农产品生产过程中的碳排放总量；n为生鲜农产品生产过程中的各种产品投入数量（化肥、塑料膜、农药、柴油等）；Ii为生鲜农产生产过程中的第i种产品投入量；Ci为第i种产品投入的碳排放系数；GHG为农田N2O直接排放量；FN为纯氮投入量；为N2O直接排放系数；为N2O与N2的分子量比重； 298为 N2O转 换为百年尺度上相对全球增温潜力；为C与CO2的分子量比重。

根 据 王 占 彪 等［13］、Cheng 等［14］、Yang等［19］的研究成果，本研究对单位产量碳排放进行测算，计算公式如下：

式中，CFy为单位产量碳排放量；Ty为生鲜农产品总产量。

2.2 运输环节碳足迹模型

农产品物流中运输是指农产品从产地到消费者手中。常温流通模式和冷链流通模式都能实现物体的空间转移，其不同点主要体现在运输车辆的不同，常温运输的车辆多采用棉被车，也就是普通的运输货车加棉被的方式，而冷链运输的车辆采用专门的冷藏车，具有制冷保鲜效果。因此运输环节的碳排放主要来源于两方面：一是车辆行驶过程中的油耗所产生的碳排放，这是两种模式下都会产生的碳排放；二是冷藏车运输过程中制冷设备制冷过程中的碳排放。

2.2.1 车辆行驶碳排放（Z1） 车辆行驶过程中因燃料的使用而产生CO2等温室气体的排放，计算公式如下：

式中，Z1为车辆行驶碳排放量；Mij为车辆j在行驶过程中使用i类型燃料量；ci为i类型燃料的单位发热；为i类型能源的碳排放系数；Dij为车辆j的行驶距离；Fij为车辆j的平均油耗水平。

2.2.2 制冷碳排放（Z2） 由于冷链运输，除了车辆行驶产生的能耗外，为了维持生鲜农产品冷藏保鲜运输所需的温度，制冷设备还会产生能耗，对制冷设备产生的碳排放计算，可运用“转换活动系数法”。根据刘广海等［20］的研究，建立了冷藏运输环节制冷系统的热负荷公式，其热负荷公式Q(n)可以表示为：

式中，Q(n)为制冷热负荷；FK为车厢第k面内表面面积；为车厢第k面内表面对流交换热系数；tik(n)为车厢第k面内表面温度；qc(n)为农产品在冷藏运输过程中的呼吸热；La(n)为行驶过程中的通风及渗风过程的热耗状况；(cp)o为外环境的单位热容；to(n)为行驶过程中的环境温度；tr为冷藏厢内的空气温度。

根据其热负荷计算方法，可得制冷的碳排放计算公式，即：

式中，Z2为冷藏车制冷的碳排放量；δi为i种能源的碳排放系数；为i种能源的热值。

通过以上分析，可以发现冷链运输过程中制冷产生的碳排放与行驶的时间呈正相关，车辆行驶时间越长，在运输过程中制冷产生的碳排放量越多，行驶时间受到运输距离的限制。分析了联合车辆运输过程碳排放和制冷碳排放的计算方式，其计算模型可以表示为：

2.3 储存环节的碳排放

农产品从生产到消费，储存主要发生在产地预冷、批发商储存、零售商储存、消费者储存等环节，考虑到数据的可获得性，本文主要研究产地预冷、农产品流通期间批发商、零售商的储存，相对于常温储存环节，冷藏环境含制冷设备。

2.3.1 冷藏环节的碳排（Z31） 冷藏碳排放包括产地预冷、批发商储存、零售商储存、消费者储存等环节。根据数据的可获得性，运用碳排放系数法，分析计算其碳排放水平，计算公式如下：

2.3.2 常温销售环节碳排放（Z32） 常温储存能耗多少主要跟储存时间有关，可直接对其碳排放量进行计算：

式中，Z32是农产品常温储存期间常温库碳排放量；为农产品常温储存时间；为储存单位农产品碳排量。

2.4 废弃处理的碳排放

农产品具有易腐性，本研究主要考虑农产品运输和储存过程中的货损情况，研究不同物流模式下的腐烂过程碳排放及处理导致的碳排放。废弃物的处理方式主要有集合、回收、堆肥、氧化消化、焚化、填埋和露天倾倒。本文主要研究的是填埋方式下农产品废弃物厌氧化的碳排放，具体公式如下：

式中，Z废弃为废弃物厌氧分解期间的直接碳排放；Mf为处理单位废弃物的碳排放量；Q0为生鲜农产品产量；γi为不同模式的腐损率。

综上所有环节的折算，可得出不同流通模式下碳排放的测度模型。模型假设：

（1）只有1个配送中心，配送的产品为生鲜农产品；

（2）市场上对生鲜农产品的供给量已知；

（3）配送方式为两种，一种是常温流通模式，另一种是全程冷链流通模式，配送车的耗能材料、配送路线以及最大载重量相同；

（4）储存库的大小和耗能材料相同。

基于以上假设和现实生活中对生鲜农产品配送的模式，本研究对两种不同的配送方式进行对比分析，具体计算模型如下：

3 实证分析

3.1 实例分析

广州市从化区有较为成熟的荔枝种植-配送-销售供应链网络，能全面地反映荔枝产业供应链的模式。在充分调研的基础上，将上述模型应用于从化区荔枝销往广州市区的案例，通过实际参数展开分析，对模型进行验证。依据全生命周期评估法进行分析，荔枝供应链系统的碳足迹计算的边界包括生产环节、流通加工环节、贮存环节、运输环节、销售环节、配送环节、消费者环节以及荔枝腐损带来的碳排放，如图2所示。通过设计实验的方式，对5 t荔枝分别进行全程冷链流通和常温流通各2 d，采用5 t车进行配送，运输距离为83 km，发现荔枝的全程冷链2 d内的腐损率γ1为3%，而常温流通2 d内的腐损率γ2为30%，其中常温流通模式是用普通车运输，无预冷环节，常温销售，无储存环节，两种运输方式下的保鲜方式都是泡沫箱加冰，即Δγ=27%。本研究的数据获取方法为实验设计、文献研究以及实际调研，其中主要环节的碳排放数据见表1。

图2 荔枝供应链主要碳排放环节

表1 荔枝全程冷链物流中主要环节碳足迹

3.2 结果分析

将数据代入上述模型中，全程冷链流通模式下2 d内的碳足迹为2 468.49 kg，常温流通模式下2 d内碳足迹为2 651.48 kg。从环境效应出发，荔枝的流通模式应采用全程冷链；从经济效应出发，冷链流通模式下的荔枝货架期更长，腐烂率更低。

3.2.1 不同流通模式的碳足迹对比分析 因全程冷链的腐损率γ1小于常温物流的腐损率γ2，则Z1废弃小于Z2废弃。因腐损减少的部分可以折算成耕地使用功能，从而间接减少碳排放，即增加产量Q0Δγ，其中 Δγ=（γ2-γ1），从而节省生产所产生的碳排放Z´生产=Q0ΔγCFy；同时，因腐烂过程及其处理也会产生碳排放，即冷链物流也减少了腐烂过程及其处理产生的碳排放Z´废弃=Q0,既农产品供应链在不同流通方式下碳排放的差值如下：

将数据代入上述模型中，常温流通与冷链流通的碳足迹之差为Z=182.99 kg。从节省耕地视角，采用冷链物流流通模式，可以节省耕地并转换土地使用功能从而间接减少碳排放，虽然冷链物流设施设备本身与普通物流相比碳排放高，但总体上冷链物流的碳排放量还是比常温流通模式下的碳排放量小。从环境效应出发，应完善相关低碳政策，提高农产品冷链物流的流通率。

3.2.2 货物腐损率对碳足迹的影响 假设其他参数不变，全程冷链物流腐损率变化的情况下，得到荔枝在不同运输模式下碳足迹差值Z与腐损率的变化关系，如图3所示。随着全程冷链物流流通过程中的腐损率上升，其碳排放总量呈上升趋势，当荔枝在冷链物流流通过中的腐损率从0上升到18%时，全程冷链的碳足迹从2 429.16 kg上升到2 665.15 kg，而差值Z从222.32 kg降到-13.67 kg,从环境效应出发，应尽可能降低荔枝流通过程中的腐损率,采取全程冷链才能有效延长其货架期，实现减排。

图3 不同腐损率下的碳足迹

4 结论与讨论

（1）在农产品供应链各环节中，与其他环节相比较，预冷包装环节的碳足迹占比较大，其次是生产环节。通过分析相同环境下不同运输模式的碳足迹发现，全程冷链流通模式的碳足迹为2 468.49 kg，常温流通模式下2 d内的碳足迹为2 651.48 kg。该结果可为有效测量不同农产品流通模式下的碳足迹提供依据。

（2）对不同流通模式碳足迹对比及腐损率对碳足迹的影响进行分析，发现全程冷链流通模式的碳足迹比常温流通模式的碳足迹小，其差值为182.99 kg；而全程冷链的腐损率增加时可使得其碳足迹增加，当其腐损率达到18%时，其碳足迹比常温流通模式的碳足迹要大。由此可见，通过控制全程冷链的腐损率，既可以控制食品质量的下降，保障食品安全，还可以减少碳足迹，实现低碳运输，具有良好的社会效应和环境效应。

（3）本研究结合不同流通模式的特点，综合碳足迹计算的相关原理方法，运用生命周期法构建了农产品在不同流通模式下不同环节碳足迹计算的概念模型，为生鲜农产品采用冷链运输的必要性提供支撑，同时为优化低碳冷链的运行提供数据计算的依据。

（4）目前我国生鲜农产品的流通率不足30%，常常出现断链现象，今后可对断链碳足迹、常温碳足迹以及全程冷链碳足迹进行对比分析，从而更加客观地测算农产品供应链的碳足迹，优化碳足迹测算模型。