冷鏈物流系統(tǒng)碳足跡模型構(gòu)建與實(shí)證分析

(1 廣州大學(xué)冷鏈物流及標(biāo)準(zhǔn)化研究所 廣東 510006； 2 廣州城市職業(yè)學(xué)院 廣州 510405)

作為影響氣候環(huán)境問(wèn)題的關(guān)鍵因素之一，碳排放問(wèn)題日益成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。全球已有62個(gè)國(guó)家和地區(qū)實(shí)施或計(jì)劃建立碳交易市場(chǎng)機(jī)制。我國(guó)圍繞碳排放體系及減排低碳等發(fā)展活動(dòng)制訂了若干政策，明確指出應(yīng)發(fā)展低碳物流，降低貨物單位周轉(zhuǎn)量的CO2排放量。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)冷鏈物流領(lǐng)域碳排放問(wèn)題展開了研究。在冷鏈物流碳足跡度量方面，G. P. Cachon等[1]分析了碳足跡的計(jì)算方式并對(duì)碳足跡的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；N. Agatz等[2]就碳足跡對(duì)冷鏈物流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響因素進(jìn)行了分析，并界定了食品冷鏈物流碳足跡核算范圍；A. Carlsson-Kanyama[3]基于全生命周期評(píng)估測(cè)算了不同食品的碳足跡問(wèn)題；S. Benjaafar等[4]將碳足跡的測(cè)算方法應(yīng)用到供應(yīng)鏈具體分析中，并對(duì)牛奶碳足跡優(yōu)化的問(wèn)題提出了減排措施；蔡依平等[5]采用全生命周期評(píng)估測(cè)算了新鮮番茄的碳足跡，并提供了計(jì)算不同運(yùn)輸條件下碳足跡的方法；田麗娜[6]采用全生命周期評(píng)估測(cè)算了新鮮葡萄的碳足跡，得出了考慮碳足跡的單級(jí)冷鏈企業(yè)利潤(rùn)分配模型；李亞男等[7]以碳足跡和系統(tǒng)成本最小為目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建了冷鏈物流配送網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，并利用遺傳算法對(duì)復(fù)雜的車輛配送網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解。在碳排放權(quán)交易制度方面，M. Soysal等[8]提出在保證食品質(zhì)量安全的前提下應(yīng)協(xié)調(diào)好經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，建立“原材料-產(chǎn)品-碳排放權(quán)”投入產(chǎn)出結(jié)構(gòu)模型。在費(fèi)用方面，G. P. Cachon[9]認(rèn)為供應(yīng)鏈系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不能簡(jiǎn)單地以經(jīng)濟(jì)利益為單一目標(biāo)函數(shù)，而應(yīng)該權(quán)衡經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益的關(guān)系，在較低的碳稅制度下，碳足跡不會(huì)對(duì)系統(tǒng)成本造成太大的影響；但通過(guò)制定遞進(jìn)型的碳稅率，可縮減最大30%的碳足跡，而對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)總成本僅增加了約10%[10]。因此，合理的碳稅政策驅(qū)使冷鏈企業(yè)通過(guò)優(yōu)化運(yùn)營(yíng)方式或采用碳效率更高的技術(shù)來(lái)抵消碳稅所帶來(lái)的成本壓力，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益和環(huán)境效益的協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展。

上述研究側(cè)重于具體食品的碳足跡計(jì)算或考慮碳足跡的冷鏈物流路徑優(yōu)化、利潤(rùn)分配等，較少涉及冷鏈物流碳足跡模型的系統(tǒng)構(gòu)建。因此，本文在上述研究的基礎(chǔ)上提出冷鏈物流碳足跡的系統(tǒng)計(jì)算方法并構(gòu)建了冷鏈物流系統(tǒng)碳足跡模型。以香蕉為例，驗(yàn)證碳足跡模型的可行性，并分析了冷藏運(yùn)行速度、碳稅及腐損率對(duì)冷鏈物流系統(tǒng)總成本和碳足跡的影響。

1 問(wèn)題描述

冷鏈物流系統(tǒng)碳足跡是指在冷鏈物流活動(dòng)各環(huán)節(jié)中直接及間接引起的溫室氣體排放量，單位為CO2質(zhì)量當(dāng)量[11]。冷鏈物流的不同環(huán)節(jié)，由于作業(yè)方式和工具使用不同等干擾因素，碳足跡存在較大差異。冷鏈物流環(huán)節(jié)較多，且我國(guó)冷鏈物流活動(dòng)大多缺乏有效管理和控制，給冷鏈物流系統(tǒng)碳足跡的計(jì)算造成了一定困難。在冷鏈物流活動(dòng)中，能源類型及利用效率所導(dǎo)致的碳足跡有較大差異。如車輛行駛過(guò)程中使用不同類型的燃料，碳足跡的減排量可達(dá)57%～81.2%[12]。冷庫(kù)、冷藏運(yùn)輸裝備等冷藏設(shè)施設(shè)備的制造工藝及保溫性能會(huì)對(duì)總碳足跡產(chǎn)生影響；外部環(huán)境同樣會(huì)影響冷鏈過(guò)程中設(shè)備的制冷效率，不同季節(jié)、不同貨物能耗均不相同[13]。此外，對(duì)冷鏈物流有效的管理，提高冷鏈物流運(yùn)作效率和設(shè)施設(shè)備的使用效率，亦能有效降低能耗，減少不必要的碳足跡。本文以目前國(guó)內(nèi)最常見的生產(chǎn)商(產(chǎn)地)-批發(fā)商(配送中心)-零售商(商超)構(gòu)成的易腐食品三級(jí)冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)為主要研究對(duì)象，系統(tǒng)性地研究冷鏈物流碳足跡模型。

2 冷鏈物流系統(tǒng)碳足跡模型構(gòu)建

2.1 模型假設(shè)

為簡(jiǎn)化模型便于計(jì)算分析，對(duì)建立的模型做出如下假設(shè)：

1)易腐食品產(chǎn)地、數(shù)量、生產(chǎn)量等信息可方便獲取，易腐食品的市場(chǎng)需求、數(shù)量明確，批發(fā)商、冷鏈物流中心可供選擇；

2)易腐食品流通全程采用冷鏈，假定運(yùn)輸速度恒定，碳足跡、產(chǎn)品品質(zhì)與時(shí)間相關(guān)聯(lián)；

3)零售市場(chǎng)需求可得到充分滿足，不斷貨；

4)模型的目標(biāo)為在總成本最小的前提下碳足跡最小，兩者需同時(shí)考慮。

2.2 碳足跡變量確定

2.3 約束條件

當(dāng)批發(fā)商j處于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)時(shí)，將易腐食品由產(chǎn)地i運(yùn)往批發(fā)商j處，則有：

Xij≤Yj，?i∈I,j∈J

(1)

易腐食品可由不同產(chǎn)地運(yùn)往不同的批發(fā)商處，因此，可構(gòu)建多重運(yùn)輸模型：

(2)

其中，批發(fā)商j處于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，銷售商k存在市場(chǎng)需求時(shí)，則有：

Xjk≤Yj,?j∈J,k∈K

(3)

如將易腐食品從不同的批發(fā)商處配送至k地，則有：

(4)

產(chǎn)地、批發(fā)商、零售商之間周轉(zhuǎn)量應(yīng)在各自能力范圍之內(nèi)：

(5)

(6)

若產(chǎn)地i的產(chǎn)量與運(yùn)量相等，則產(chǎn)地庫(kù)存為0，則有：

(7)

(8)

對(duì)于批發(fā)商，庫(kù)存≤從產(chǎn)地運(yùn)達(dá)的貨物量，滿足庫(kù)存需求且不高于自身的庫(kù)存水平：

(9)

(10)

(11)

因易腐食品在流通過(guò)程中不可避免的存在一定的腐損，為滿足市場(chǎng)需求，供貨量應(yīng)大于市場(chǎng)需求量。

(12)

在運(yùn)輸方面，車輛運(yùn)輸時(shí)間在簡(jiǎn)化后可由下式計(jì)算：

(13)

此時(shí)，若冷藏車在運(yùn)輸過(guò)程中保持勻速行駛，其速度與碳排放量之間關(guān)系可表達(dá)為[13]：

(14)

式中：a、b、c為常數(shù)，其他約束條件為：

2.4 碳足跡模型構(gòu)建

在冷鏈物流系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)作時(shí)，總成本和碳足跡不應(yīng)分別以單因素最優(yōu)為目標(biāo)進(jìn)行分析，這也是本模型與以往研究的最大差異。采用加權(quán)求和法針對(duì)成本目標(biāo)和碳足跡目標(biāo)進(jìn)行求解，即碳足跡目標(biāo)與成本目標(biāo)處于統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)體系中，引入碳稅價(jià)格CCO2作為參數(shù)變量，表示在碳足跡制度下，冷鏈物流系統(tǒng)因碳足跡帶來(lái)的社會(huì)成本支出，主要包括生產(chǎn)過(guò)程、配送中心處理過(guò)程及運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的碳足跡對(duì)環(huán)境等帶來(lái)的影響而產(chǎn)生的成本。從而將原有的基于成本和碳足跡的多目標(biāo)模型轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)模型優(yōu)化問(wèn)題。對(duì)應(yīng)的目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)為：

3 實(shí)證分析

3.1 實(shí)例分析

G城市有較為成熟的香蕉種植-配送-銷售冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)，能夠全面地反映香蕉產(chǎn)業(yè)的冷鏈物流模式。在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，以G市實(shí)際參數(shù)為例展開分析。其中，香蕉冷鏈物流系統(tǒng)是由5個(gè)種植生產(chǎn)地、3個(gè)批發(fā)商、4個(gè)零售商構(gòu)成的多級(jí)冷鏈物流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)全生命周期評(píng)估法分析，香蕉冷鏈物流系統(tǒng)的碳足跡計(jì)算邊界包括產(chǎn)地、配送中心和冷藏運(yùn)輸環(huán)節(jié)以及香蕉腐損帶來(lái)的碳足跡，如圖1所示。具體主要環(huán)節(jié)的碳足跡數(shù)據(jù)和不同速度下香蕉冷鏈物流碳足跡分別如表1、表2所示。

圖1 香蕉冷鏈物流主要碳足跡環(huán)節(jié)Fig.1 The main carbon footprint of banana cold chain logistics

活動(dòng)類型碳足跡×10-3/kgCO2產(chǎn)地碳足跡—221[15]批發(fā)商電能消耗0.2124廢棄處理—41.21[16]

表2 不同速度下香蕉冷藏運(yùn)輸環(huán)節(jié)碳足跡Tab.2 Carbon footprint at different transport speeds

目前，香蕉產(chǎn)業(yè)主要有農(nóng)戶、合作社和企業(yè)三種種植模式，不同的香蕉生產(chǎn)力下供應(yīng)成本不同。批發(fā)商的價(jià)格也會(huì)根據(jù)市場(chǎng)行情及配送中心的運(yùn)營(yíng)成本等動(dòng)態(tài)調(diào)整批發(fā)價(jià)格。研究中，香蕉5個(gè)產(chǎn)地、3個(gè)批發(fā)商、4個(gè)零售需求方的相關(guān)數(shù)據(jù)如表3～表5所示。最終的市場(chǎng)售價(jià)又會(huì)受到若干外界因素的影響，如運(yùn)費(fèi)、運(yùn)輸距離等。批發(fā)商到零售商的運(yùn)費(fèi)、運(yùn)輸距離相關(guān)數(shù)據(jù)如表6～表8所示。

表3 不同產(chǎn)地生產(chǎn)能力與生產(chǎn)成本關(guān)系Tab.3 The relationship between production capacity and cost in different producing areas

表4 不同批發(fā)商的相關(guān)數(shù)據(jù)Tab.4 Different distribution center data

表5 市場(chǎng)需求狀況Tab.5 Market demand data

表6 產(chǎn)地I到批發(fā)商J的單位運(yùn)輸費(fèi)用/(元/km)

表7 批發(fā)商J到零售商K的單位運(yùn)輸費(fèi)用/(元/km)Tab.7 Unit costs from distribution to market

表8 批發(fā)商J到零售商K的距離(單位：km)Tab.8 Distance from distribution center to target market

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)香蕉冷鏈物流的全生命周期分析，利用數(shù)值分析軟件對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化求解，并將上述具體相關(guān)參數(shù)代入模型進(jìn)行運(yùn)算。在考慮碳足跡的情況下，應(yīng)該以冷鏈物流系統(tǒng)總成本最小為目標(biāo)時(shí)，即系統(tǒng)最小成本為354.74萬(wàn)元時(shí)，總碳足跡為148.62 t，此時(shí)對(duì)應(yīng)的冷藏車行駛速度為90 km/h；當(dāng)冷鏈物流系統(tǒng)的碳足跡最小為145.21 t時(shí)，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)總成本為369.21萬(wàn)元，此時(shí)冷藏車的行駛速度為80 km/h。綜合分析，從冷鏈物流系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益角度考慮，當(dāng)車輛行駛速度為90 km/h時(shí)，冷鏈物流系統(tǒng)成本最低，可獲得較多的經(jīng)濟(jì)效益；從社會(huì)效益和環(huán)境效益的角度分析，冷藏車的行駛速度為80 km/h時(shí)，冷鏈物流系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響最小。

3.2.1不同冷藏車行駛速度下的系統(tǒng)總成本和碳足跡分析

由圖2可知，冷藏運(yùn)輸速度與系統(tǒng)總成本和碳足跡存在一定的關(guān)系，且車速與碳足跡間近似呈二次函數(shù)關(guān)系。一定速度范圍內(nèi)，系統(tǒng)總成本和碳足跡均隨著運(yùn)輸速度的增加呈下降趨勢(shì)，且存在某個(gè)最優(yōu)值，使目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)。即當(dāng)冷藏車速度為90 km/h，系統(tǒng)最小成本為354.74萬(wàn)元；當(dāng)冷藏速度為80 km/h時(shí)，總碳足跡為145.21 t。

圖2 不同車速下的系統(tǒng)總成本和碳足跡Fig.2 Total cost and carbon footprint under different vehicle speeds

當(dāng)企業(yè)追求利益最大化(即總成本最少)時(shí)，可將車速調(diào)整為90 km/h；如果企業(yè)注重環(huán)保效益，將車速調(diào)整為80 km/h，此時(shí)碳足跡最少。當(dāng)車輛運(yùn)輸速度約為55 km/h時(shí)，由于普通道路擁堵系數(shù)高，各方面不確定因素多，使系統(tǒng)總成本比高速行駛時(shí)高得多。

3.2.2碳稅對(duì)冷鏈物流系統(tǒng)總成本影響分析

結(jié)合冷藏車不同的行駛速度，分析了不同碳稅價(jià)格下的冷鏈物流系統(tǒng)總成本，整個(gè)冷鏈物流系統(tǒng)總成本隨車速的變化如圖3所示。在相同行駛狀態(tài)下，碳稅價(jià)格的變化對(duì)系統(tǒng)總成本影響較小，但碳稅價(jià)格的增長(zhǎng)會(huì)給企業(yè)帶來(lái)額外的成本支出。當(dāng)碳稅價(jià)格上漲，企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本增加，為了維持相應(yīng)的利潤(rùn)水平，企業(yè)會(huì)相應(yīng)減少碳足跡，表明政府可以按不同發(fā)展水平制定不同的碳稅減少企業(yè)碳足跡，從而調(diào)節(jié)經(jīng)濟(jì)利益和環(huán)境效益平衡。而企業(yè)可通過(guò)持續(xù)優(yōu)化運(yùn)營(yíng)成本和采用碳效率更高的技術(shù)來(lái)吸收碳稅成本。

圖3 系統(tǒng)總成本隨車速的變化Fig.3 Total cost changes with vehide speed

3.2.3不同腐損率下的冷鏈物流系統(tǒng)總成本和碳足跡分析

考慮不同腐損率α對(duì)冷鏈物流系統(tǒng)總成本和碳足跡的影響，如圖4所示。隨著冷藏運(yùn)輸過(guò)程中香蕉腐損率的上升，冷鏈物流系統(tǒng)的總成本和總碳足跡均呈上升趨勢(shì)，且總成本和總碳足跡的變化趨勢(shì)相近、幅度也相對(duì)應(yīng)。由圖4可知，當(dāng)腐損率從0升至18%時(shí)，系統(tǒng)總成本從291.84萬(wàn)元增至392.70萬(wàn)元，系統(tǒng)的總碳足跡則從121.57 t升至164.49 t，兩者漲幅均近35%。從成本和碳足跡優(yōu)化的角度來(lái)看，應(yīng)盡可能降低食品腐損率，而這又需要冷鏈企業(yè)投入更多的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和技術(shù)成本等，因此合理控制食品腐損程度對(duì)于降低成本和減少碳足跡至關(guān)重要。

圖4 不同腐損率下的系統(tǒng)總成本和碳足跡Fig.4 Total cost and carbon footprint under different corruption rates

4 結(jié)論

1)在冷鏈物流各環(huán)節(jié)中，相比其他環(huán)節(jié)，冷藏運(yùn)輸環(huán)節(jié)的碳足跡占比最大，在不考慮具體設(shè)備類型的情況下，運(yùn)輸速度是影響碳足跡的關(guān)鍵因素。通過(guò)分析運(yùn)輸速度與系統(tǒng)總成本和碳足跡的關(guān)系，得出最優(yōu)經(jīng)濟(jì)(系統(tǒng)總成本最小)運(yùn)行速度為90 km/h，最環(huán)保(碳足跡最小)運(yùn)行速度為80 km/h。該結(jié)果可為冷鏈物流環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)利益的最大化協(xié)同設(shè)計(jì)和實(shí)施提供支撐。

2)碳稅和腐損率對(duì)系統(tǒng)總成本和碳足跡的影響顯著。碳稅價(jià)格的增長(zhǎng)會(huì)給企業(yè)帶來(lái)額外的成本支出，即當(dāng)碳稅從0元/t升至200元/t時(shí)，相應(yīng)平均總成本增加0.8%；而腐損率的增加可使系統(tǒng)總成本和碳足跡增長(zhǎng)的幅度高達(dá)35%。因此，通過(guò)降低腐損率控制食品質(zhì)量對(duì)降低成本和減少碳足跡問(wèn)題具有良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。

3)本次碳足跡測(cè)算是在全程冷鏈物流的條件下進(jìn)行的，但目前我國(guó)冷鏈流通率仍不足30%，因此，今后可從全程冷鏈與斷鏈的角度對(duì)比分析，并結(jié)合不同易腐食品冷鏈物流狀況，逐步完善冷鏈物流碳足跡模型，為更加客觀測(cè)算冷鏈物流碳足跡提供數(shù)據(jù)支撐。

本文受廣東省科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2017B020206006，2016B020205004，2017B090907028)資助。(The project was supported by the Guangdong Province Science and Technology Support Program Key Projects (No.2017B020206006, No.2016B020205004, No.2017B090907028).)