食物全生命周期溫室氣體排放特征分析

王曉齊曄

（清華大學公共管理學院，清華大學氣候政策研究中心，北京 100084）

全球農業生產過程的能源消費碳排放、甲烷和氮氧化物排放占溫室氣體排放總量的11% －14%，農業成為全球溫室氣體主要排放源［1］。農業生產目的是提供人類生存必須的食物，從食物生產到消費的全過程看，服務于農業生產的化肥等投入品生產和運輸過程，食物從田間到餐桌的運輸、儲藏、烹調過程均排放大量溫室氣體。

在氣候變化的大背景下，國際社會尤其是發達國家已開始關注食物全生命周期過程的溫室氣體排放。美國、英國食物全生命周期溫室氣體排放分別占各自排放量的15%、19%，人均年排放量分別為 3.1 tCO2－eq和 2.7 t CO2－eq，歐盟 25 國和澳大利亞比例高達 31%、30%［2－5］。國外研究顯示，食物全生命周期溫室氣體排放與飲食結構、消費習慣關系密切。飲食結構的影響源自不同類型食物的溫室氣體排放系數差別較大。美國環境工作小組計算了美國各種食物全生命周期溫室氣體排放，動物性食物溫室氣體排放系數遠高于植物性食物［6］。Berners-Lee研究顯示英國的飲食結構是造成溫室氣體排放較大的原因，提出若以奶制品替代肉類甚至向素食轉變可減少食物全生命周期排放的22% －26%［7］。隨著消費水平的提高，餐桌食物浪費與日俱增，全球有1/3的食物被浪費掉，相應帶來5%的不必要溫室氣體排放。國內尚未開展食物全生命周期溫室氣體排放的系統研究，從減緩氣候變化方面多集中在技術層面，探討減排途徑、減排潛力及農業增匯措施［8－9］。對影響食物全生命周期溫室氣體排放的主要影響因素、各因素之間的內在聯系及宏觀發展趨勢缺乏深刻認識。

本文系統分析了1996－2010年我國食物全生命周期溫室氣體排放特征，分別從食物生產和消費角度分析食物全生命周期溫室氣體排放增長的主要因素及潛在影響，旨在為政策制定和決策者提供參考依據。

1 研究方法及數據

1.1 食物全生命周期溫室氣體排放途徑

食物全生命周期溫室氣體排放類型包含化石能源相關CO2排放及投入品生產、農業生產過程的非能源相關CO2、CH4、N2O 排放（見圖 1）。

化石能源相關CO2排放來自農業投入品生產、農場/農戶生產、農產品及食品加工制造、分銷配銷過程的運輸冷藏、烹飪環節。農業投入品生產排放包括化肥、農藥、農業機械折舊、農膜、飼料生產過程排放。

農業生產過程非能源相關CO2排放來自化肥（尿素）施用過程;CH4排放來自水稻種植、畜禽養殖的腸胃發酵及糞便管理過程排放;N2O排放來自化肥施用、畜禽養殖糞便管理過程排放;此外，化肥（硝銨類）生產過程也排放N2O。

圖1 食物消費全生命周期溫室氣體排放途徑Fig.1 The greenhouse gases emission route of food consumption during the life circle

1.2 溫室氣體排放核算方法

1.2.1 能源相關CO2排放

能源相關CO2排放根據化石能源消耗量、能源結構及各類能源的CO2排放系數計算。各環節能源消耗相關溫室氣體計算方法如下:

式中:i表示食物全生命周期的農業投入品生產、農場/農戶生產、加工制造、分銷配銷、烹飪環節;Ei表示i環節化石能源消費量，tce;j表示各環節所消耗的能源類型;pj表示j能源消費量占比;fj表示j能源的CO2排放系數，tCO2/tce。

（1）農業投入品生產能耗量及能源結構:假設技術鎖定，以“十一五”期間平均能耗水平推算1996－2005年各產品生產化石能源消費量。①農藥:生產1 t農藥能耗約3 tce［10］;②農膜:生產 1t聚乙烯消耗 1.009 t乙烯，521 kWh電力，“十一五”噸乙烯生產平均綜合能耗為1 007 kgce，即生產1t農膜能耗1.12 tce;③農業機械折舊:農業機械用材90%為鋼鐵，以鋼鐵能耗核算。農業機械鋼鐵用量由各類農機使用年限、數量及重量計算。“十一五”噸鋼綜合能耗707 kgce/t;④化肥:按氮、磷、鉀肥分別計算。磷、鉀肥生產以電力消耗為主，每生產1 t P2O5、1 t K2O分別消耗2 512 kWh、2 225 kWh。氮肥生產根據氮肥種類、大中小型企業比例及產品單耗、能源結構綜合估算1 t氮肥（折純）生產排放 6.49 tCO2［11］。根據各年氮、磷、鉀肥消費結構推算化肥生產溫室氣體排放［12］;⑤飼料:生產能耗包含在“農副食品加工業”統計中。

農藥、農膜生產能源結構對應能源統計的化學原料及化學制品制造業，農業機械折舊能源結構對應黑色金屬冶煉及壓延加工業。

（2）農場/農戶生產能耗量及能源結構:能源統計綜合能源平衡表的農、林、牧、漁業終端消費量。

（3）加工制造能耗量及能源結構:能源統計的農副食品加工業、食品制造業、飲料制造業、煙草制品業能源消費量。

（4）烹飪能耗量及能源結構:清華大學建筑節能中心數據，我國每平方米建筑面積每年用于炊事的能耗量為1.5 kgce。城市能源結構以天然氣為主，農村僅考慮商品能源消耗部分（不包括秸稈薪柴），能源結構對應能源統計綜合能源平衡表的農村生活用能。

（5）分銷配銷能耗量及能源結構:缺乏直接統計數據，采用“投入產出法”的直接消耗系數和完全消耗系數計算各環節能耗系數［13－14］。計算農林牧漁水利業、農副食品加工業、食品制造業、飲料制造業、煙草制品業5大行業（16個子行業）的交通運輸倉儲相關的能耗，能源結構以油品為主。

1.2.2 非能源相關CO2、CH4和N2O 排放

化肥施用過程 CO2、N2O排放、畜禽養殖腸胃發酵CH4排放、糞便管理過程CH4、N2O排放均采用IPCC溫室氣體排放清單推薦方法1核算［15］。我國水稻CH4排放，2000 年以前為5.79 t CH4，2000 年以后約為6.25 t CH4［16］。化肥生產 N2O排放:1 t硝銨（折純）生產排放 N2O約4.12 t CO2－eq［17］。1 t CH4溫室效應相當于 25 t CO2－eq，1 t N2O溫室效應相當于298 t CO2－eq排放。

能源數據來自2009－2011年的《中國能源統計年鑒》，農業生產數據來自1996－2011年《中國農業年鑒》。

2 結果

2.1 食物全生命周期溫室氣體排放特征分析

1996－2010年我國食物消費全生命周期溫室氣體排放情況見表1。我國食物全生命周期溫室氣體排放量從1 287 Mt CO2－eq增至 1 605 Mt CO2－eq，年均增長 1.6% 。總體上，我國人均食物全生命周期排放量相對較低。從1996年 1.05 t CO2－eq/人增至 2010 年為 1.20 t CO2－eq/人，遠低于英國人均排放的 2.7 t CO2－eq/人、美國的 3.1 － 5.1 t CO2－eq/人。

（1）從食物全生命周期環節角度分析，我國食物全生命周期溫室氣體排放在投入品生產環節和農場/農戶生產環節比例偏高，而食物分銷配銷及烹飪環節排放比例較低（見表2）。我國農業投入品生產環節排放占19% －21%，年均增速達2.5%，其中2010年化肥生產排放占17.8%，遠高于發達國家。美國投入品生產排放比重僅為8.5%，化肥生產排放占3.3%，英國化肥生產排放僅占1.7% －4% ，全球化肥生產排放占比在 4% 左右［1，4，18］;農場/農戶生產環節溫室氣體排放占食物全生命周期的64%，年均增長1%，美國、英國該環節排放均不到40%;分銷配銷環節排放占2.2%，烹飪排放占4.8%，遠低于發達國家水平;盡管加工制造環節排放占比與發達國家相當，但食物加工轉換率僅60%，遠低于發達國家90%以上的水平。

（2）從溫室氣體排放類型看，能源相關CO2排放量從1996 年的 461 Mt CO2－eq增至 2010 年的 696 Mt CO2－eq，增長了51%，占食物全生命周期排放比例從36%提高到43%;CH4排放量基本穩定在408 Mt CO2－eq左右，占食物全生命周期排放量的25%;N2O排放量為490 Mt CO2－eq，占食物消費全生命周期排放量的31%，比1996年增長了19%。N2O排放增長主要來自氮肥施用，氮肥施用排放增長了32%。對比表2中溫室氣體類型構成，我國CO2排放占比遠低于發達國家。

（3）從溫室氣體直接排放源看，化肥和畜禽養殖兩大來源各占30%左右，水稻種植排放占10%。2010年化肥相關排放達518 Mt CO2－eq，呈快速增長態勢，比1996年增長了 32%;畜禽養殖排放相對穩定，2010年為 499 Mt CO2－eq。

2.2 不同類型食物溫室氣體排放效應分析

考慮投入品生產和農場/農戶生產環節，各類食物溫室氣體排放系數見圖2。隨著生產水平的提高，我國溫室氣體排放系數均呈下降趨勢。動物性食物的溫室氣體排放系數明顯高于植物性食物。動物性食物排放系數包含飼料糧消耗帶來的溫室氣體排放，各類食物飼料消耗量根據文獻資料計算［20－22］。2010年，肉類溫室氣體排放系數較高，為 6.41 kgCO2－eq/kg，以牛肉、羊肉排放系數較高。植物性食物以糧食作物最高1.11 kgCO2－eq/kg，蔬菜最低0.17 kgCO2－eq/kg。

與美國相比，除養殖水產、羊肉、肉類外，其他動物性食物溫室氣體排放系數均高于美國，主要是我國飼養水平與美國還有一定的差距，飼養周期相對較長［6］。肉類排放系數略低于美國是由于肉類消費結構不同造成的。美國肉類消費中47%為禽肉，29%為牛肉，24%為豬肉，1%為羊肉。而我國2010年肉類消費中63%為豬肉，禽肉占22%、牛肉占8%和羊肉占5%。我國肉類消費中高排放的牛羊肉占比僅13%，而美國為30%。

表1 1996－2010年食物全生命周期溫室氣體排放情況Tab.1 The greenhouse gases emission of food during the life circle in 1996－2010

表2 食物全生命周期溫室氣體排放構成國際比較Tab.2 International comparison of the greenhouse gases emission composition of food during the life circle

植物性食物中經濟作物、蔬菜的溫室氣體排放系數低于美國，主要是我國種植業農業機械化程度遠低于美國。由于我國水稻種植面積較大，水稻產量占糧食產量的36%，導致糧食作物排放系數高于美國（美國水稻種植面積僅5%左右）。

圖2 不同類型食物溫室氣體排放效應Fig.2 The greenhouse gases emission coefficient of different kinds of food

3 討論

盡管目前我國食物全生命周期人均溫室氣體排放相對較低，但未來的發展趨勢和排放貢獻不容忽視，面臨的問題更加錯綜復雜。我國人口是美國的4.3倍，耕地資源、水資源分別是美國的71%、99%，美國式的發展道路將帶來溫室氣體排放的劇增和資源的過度消耗。在這種情況下，需要理性的選擇適合我國國情的食物生產和消費的發展道路，調整發展戰略，而不能將農業溫室氣體減排的任務全部依賴于技術進步。

3.1 飲食結構轉變對溫室氣體排放的影響

我國食物消費中，肉類為主導的動物性食物消費量日趨增長，替代糧食消費作用明顯。1996－2009年，我國人均肉類消費從38 kg/人增至58 kg/人，同期糧食消費量從170 kg/人降至 151 kg/人。

表3對比了不同飲食結構情景下的溫室氣體排放變化。2009年基線情景下，我國人均食物消費總量683 kg/人，全生命周期溫室氣體排放為1 256 MtCO2－eq，動物性食物以20%的消費量占比貢獻了58%的溫室氣體排放，其中肉類排放占42%。2009年我國飼料糧消費量為164 kg/人，約排放 181 MtCO2－eq溫室氣體。

從歷史發展趨勢及我國未來農業發展規劃分析，我國肉類、蛋奶水產等消費量還將持續增長，正邁向以美國為代表的肉類高消費行列。若我國人均食物消費量保持不變，飲食結構向美國看齊，則溫室氣體排放激增至2 133 MtCO2－eq，其中動物性食物消費量占55%，貢獻了81%的溫室氣體排放量。動物性食物消費比例提高不僅增加畜禽養殖排放，還將帶來額外的化肥投入排放，隨著糧食產量需求的增加，化肥消費量呈增長趨勢，化肥相關溫室氣體比基線情景增長了41%。在趨勢情景下飼料糧消費量為 301 kg/人，排放 389 MtCO2－eq溫室氣體。

基線情景和潛在趨勢情景下的飲食結構與營養目標均不協調，肉類消費量高達《中國居民膳食指南（2011）》中平衡營養膳食寶塔上限的2－4倍。肉類過量消費極大地增加溫室氣體排放，且增加肥胖病、高血脂、冠心病、糖尿病甚至癌癥的患病幾率。按照平衡營養膳食的飲食結構，人均食物消費量685 kg/人，全生命周期溫室氣體排放1 198 MtCO2－eq，比基線情景低5%，比潛在趨勢情景低44%。動物性食物消費量比例比基線情景提高8%，而溫室氣體排放貢獻下降了3%。營養均衡情景下飼料糧消費量下降至為139 kg/人，排放156 MtCO2－eq溫室氣體。

3.2 農業生產方式轉變對溫室氣體排放的影響

我國農業發展依然遵循著美國“石油農業”的發展路徑，化肥高投入特征極為顯著，且增長趨勢未有緩解。我國單位耕地面積化肥施用量從1996年295 kg/hm2增加到2010年的457 kg/hm2，遠超國際公認安全線225 kg/hm2，是2009年美國的4.2倍。化肥高投入帶來巨大的溫室氣體排放;另一方面，農業本是具有固碳功能的典型的低碳產業，但化肥的大量施用導致土壤自然肥力不斷下降，有機質含量下降，農業固碳功能不斷減弱，農業逐漸由“碳匯”變成“碳源”。因此，恢復農業低碳本質，探索一條可持續的農業生產和食物供應的發展道路，從生產方式上實現根本轉變。世界范圍內也已經開始反思“石油農業”發展模式帶來的環境影響，有機農業發展模式開始興起。

有機農業在減少農業溫室氣體排放和增加土壤碳匯方面均具有顯著優勢，這與溫室氣體減排和低碳發展的要求不謀而合。有機農業摒棄了化肥、農藥、生長調節劑和畜禽飼料添加劑等，減少了投入品生產的能源相關CO2排放，同時減少化肥施用過程的N2O排放;有機農業是將畜牧業和種植業有機結合的系統，將畜牧業產生的糞便廢棄物作為種植業有價值的肥料，采用有機肥、有機飼料滿足作物、畜禽的營養需求，達到減少CO2、CH4、N2O的效果。已有實踐證明，采用有機農業生產方式的農場和養殖場溫室氣體排放量比傳統農業減少14% －18%;而單位重量有機農產品溫室氣體排放比傳統農業減少6% －41%［23］;盡管是長期漫長的過程，有機農業在維持或增加土壤有機質含量方面效果顯著。美國有機農場土壤有機質含量比傳統農場高 14%［24］。

表3 不同飲食結構情景下食物全生命周期溫室氣體排放情況Tab.3 The greenhouse gases emission of food during the life circle under different diet structure scenarios

從現有傳統農業模式向有機農業生產方式轉變面臨一定挑戰。Badgley對293個農場的模擬結果顯示，有機農業產量是傳統農業的92%，但對于水資源缺乏的地區，133個研究結果顯示出有機農業產量比傳統農業高出80%［25］。部分農場調查顯示有機農業產量是傳統農業的54%－98%，巨大的差異暗示著需要更好的技術轉移來實現有機農業的產量的提升［23］。因此，在有機農業耕作技術提高的基礎上，利用少量的產量損失換取溫室氣體和污染排放的減少及土壤質量改善是完全值得的。

全球目前0.9%的耕地面積采用有機農業模式，歐盟5.1%、美國1%，2010年全球有機食品銷售產值達到590億美元，比2000年增長了2倍［26］。對有機食物的需求逐漸增長，源自于健康的飲食需求，由此可見，有機農業在未來發展中大有可為。

3.3 食物浪費導致不必要的溫室氣體排放

FAO報告顯示全球有1/3的食物被浪費掉。由于食物的易腐壞性，食物浪費一方面來自分銷配銷過程，以低收入發展中國家為代表;另一方面來自餐桌浪費，以歐洲、北美中高等水平收入國家為代表［27］。

食物浪費帶來不必要的溫室氣體排放。分銷配銷環節的食物浪費意味著額外增加了投入品生產、農場/農戶生產兩大環節溫室氣體排放，而餐桌浪費則額外增加了包含五大環節在內的食物全生命周期溫室氣體排放。英國每年餐桌食物浪費 530萬 t，帶來的溫室氣體排放20 MtCO2－eq，占全國的 3%;歐盟食物浪費降低一半可減少5%的溫室氣體排放［28］。

目前，我國食物浪費表現為分銷配銷損失和餐桌浪費的復合形式。我國易腐食品冷鏈運輸發展的滯后，導致食物分銷配銷過程中損失巨大。水果、蔬菜等農副產品損失率高達25% －30%，而美國僅為1% －2%，日本在5%左右［29］。我國每年糧食產后僅儲藏、運輸、加工等環節損失浪費總量達350億kg以上，相當于2億畝耕地的產量。另一方面，我國餐桌食物浪費現象也與日俱增，全國餐飲業餐桌上的浪費從2004年600億元飆升至2010年的2 000億元，2010年餐桌浪費損失金額占當年食物消費總支出的3.2%。食物浪費導致的不必要的溫室氣體排放不容忽視。

4 結論與建議

2010年，我國食物全生命周期溫室氣體排放1 605 MtCO2－eq，比1996年增長了25%。從排放環節看，農場/農戶生產環節增長緩慢，排放占食物全生命周期排放的65%，農業投入品生產環節排放占21%，呈快速增長態勢;從溫室氣體類型看，能源相關CO2排放占43%，CH4排放占25%，N2O排放占31%。CH4排放相對穩定，N2O排放增長主要來自氮肥施用量的增長;從溫室氣體直接排放源看，化肥和畜禽養殖排放各占30%左右，化肥相關排放呈快速增長態勢，畜禽養殖排放相對穩定。各類型食物溫室氣體排放系數以肉類最高，分別是糧食作物的7倍、蔬菜的38倍。

我國人均食物全生命周期溫室氣體排放為1.20 tCO2－eq/人，遠低于發達國家。但我國目前食物生產和消費的三大趨勢將進一步增加溫室氣體排放。一是飲食結構的轉變，以肉類為代表的動物性食物消費增長為特征導致溫室氣體排放增加。我國在人均食物攝入量不變的情況下，飲食結構與美國一致，溫室氣體排放量增長70%。并且為滿足動物性食物生產需要消耗大量的飼料糧，從而增加44%化肥施用投入;二是以化肥高投入為典型特征的傳統農業生產模式，帶來大量的溫室氣體排放。我國僅化肥投入就貢獻了食物全生命周期排放的32%，并且導致農業固碳功能不斷減弱;三是我國食物浪費嚴重，分銷配銷過程損失巨大，餐桌浪費現象與日俱增，帶來不必要的溫室氣體排放。

上述三大趨勢除增加溫室氣體排放外，同時也帶來其他一系列的問題。飲食結構轉變增加肥胖病、高血脂、冠心病、糖尿病甚至癌癥的患病幾率;化肥高投入的傳統農業生產方式導致土壤、水體面源污染嚴重，農產品安全受到威脅;食物浪費導致資源過度消耗，并且成為危及國家糧食安全主要因素。因此，我國食品生產和消費不能單純依靠技術的提高減少資源的消耗和溫室氣體的排放，發展方式不能照搬美國模式。應當理性的選擇適合我國國情的食物生產和消費的發展道路。從消費觀念上倡導健康消費，轉變食物消費方式，實現均衡營養膳食，減少不必要的肉類消費，避免肉類生產盲目增長;生產方式上逐步實現從傳統農業向有機農業的轉變;加強宣傳引導，最大限度減少食物餐桌浪費，同時加強食物物流環節基礎設施建設，將分銷配銷過程的損耗降至最低。通過食物生產和消費方式的轉變與技術進步相結合，構建出適于我國的綠色、低碳、可持續的農業發展模式。

（編輯:劉照勝）

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