果蔬冷鏈物流碳排放測算及控制

胡百靈，趙子琪，姚冠新（博士生導師）

一、問題提出及文獻綜述

果蔬的易腐易蝕、分散性及難儲存等特點，導致果蔬需要全程冷鏈，果蔬自身也會進行光合作用，且生產端投入的生產資料易對環境造成污染，較其他產品產生了更多的碳排放，因此果蔬冷鏈物流低碳發展對我國實現節能減排目標、保障綠色有機果蔬供給具有重大意義。中國碳排放交易網數據顯示，排在前三位的排碳行業為工業、農業和交通運輸業，我國碳減排以工業為主，對農業及交通運輸業雖有涉及，但并沒有強有效的措施來監管和控制果蔬冷鏈物流的碳排放，這與我國在哥本哈根會議上承諾的“到2020年單位GDP二氧化碳強度減少40%～45%”的目標還有很大差距。因此，本文以果蔬冷鏈物流為研究對象，通過數學模型測算果蔬生產、配送等物流、倉儲加工環節的碳排放量，并分析碳稅及碳排放權交易的利弊，獲得基于我國國情的控制碳排放的方法。

針對果蔬物流的獨特性，學者們大多從果蔬冷鏈物流的碳足跡和低碳對果蔬冷鏈物流的影響兩方面進行研究。Carlsson-Kanyama[1]認為果蔬冷鏈物流碳排放主要來源于運輸和倉儲環節，最多的時候可分別達到39%和47%，與本文觀點一致，測算果蔬物流碳足跡的方法主要有生命周期法、系數相乘法、能源轉換法等。但研究控制果蔬冷鏈物流碳排放的文獻相對較少，大多學者都是從國家角度分析減排方法的優劣。崔軍[2]認為碳稅是推動國家低碳發展的有力工具，應早日納入國家政策體系；劉云澤[3]認為環境日益惡劣，在全球化的背景下，中國征收碳稅既可以節能減排，又可以增加國際競爭力，提升自身形象。另一部分學者結合發達國家的碳減排經驗，提出采用碳排放權交易的方式控排，并認為建立碳排放權交易市場是未來的主要方式之一，對減少溫室氣體帶來的危害、提升能源利用效率具有非常重要的作用，目前已有部分地區在試行，未來有望在全國普遍開展[4，5]。本文在比較分析上述兩種控排方法的基礎上，提出了基于我國國情的碳減排策略。

二、果蔬冷鏈物流碳排放測算

果蔬冷鏈物流是指以水果蔬菜為對象，通過果蔬生產、包裝、運輸、裝卸、倉儲加工、配送等環節最終將其送達消費者手中的過程。本文從果蔬類農產品碳排放較多的生產環節、配送環節、倉儲環節對果蔬冷鏈物流碳排放進行測算，通過搜集研究數據及參考相關文獻構建數學模型。并根據計算結果分析碳稅及碳排放權交易在果蔬冷鏈物流碳排放控制方面發揮的作用，以期找到一種最合適的方式來解決果蔬冷鏈物流碳排放過多的問題。

1.生產環節碳匯量C種。果蔬生產環節的碳匯量又稱為凈排放量，果蔬在種植過程中會產生碳排放，但又能吸收一部分碳，故凈碳排放量為兩者差值。

（1）果蔬生長環節碳排放Ce。包括六個部分：農用化肥產生的碳排放Ce1；施用農藥產生的碳排放Ce2；使用農膜產生的碳排放Ce3；農用機械燃燒柴油碳排放Ce4；翻耕果蔬土地產生的氧化亞氮排放Ce5；果蔬灌溉引起的碳排放量Ce6。各碳排放源產生的碳排放量由使用量及其系數相乘得到。可得：

化肥有磷肥、氮肥、鉀肥和復合肥四種，以H1i表示不同化肥的用量（t），i=1，2，3，4；H2為農藥使用量（kg）；H3為農膜使用量（t）；Lij表示農機運作距離，根據種植面積（km2）計算，為敘述方便，計算方法見第2小節；H5為果蔬種植面積（km2）；碳排放系數分別為A、B、D、E、F；H6為果蔬有效灌溉面積（km2）。相對的碳排放系數值見表1。

表1 不同操作對應的碳排放系數

（2）果蔬生長環節吸收的碳量Ca。根據孟成民等[6]的觀點，在種植果蔬時果蔬本身也能吸收一部分碳，吸收的碳源總量與果蔬產量、經濟系數、碳吸收率有密切關系，如下式：

其中：i 表示水果蔬菜的種類，假設總共有J 種，i=1，2，…，J；Cai為第i種果蔬生長環節吸收的碳量；σi是i 果蔬利用光合作用合成單位重量有機物所吸收的碳，即碳吸收率（kgCE/t）；yi為i 果蔬的經濟產量（t）；θi為其經濟系數。果蔬碳吸收率及經濟系數如表2所示。

表2 果蔬碳吸收率及經濟系數

綜上，C種=Ce-Ca可以表達為：

2007～2016年我國蔬菜播種面積（khm2）約占農作物總種植面積（khm2）的12.3%，水果約占7.36%，蔬菜每年平均產量為68925.19 萬噸，水果每年平均產量為23293.979萬噸。果蔬生產環節的碳排放量如表3所示，表中細節數據以水果為例。

2.配送環節碳排放C配。由汽車動力能源碳排放C1和制冷能源碳排放C2構成。即：

根據相關研究[7]，C1可表示為：

其中：Ei為配送過程中各能源消耗量；ηi為各能源的標準煤轉化系數；ωi為能源i 的碳排放系數（kg-co2/kg）；i=（煤炭，柴油，汽油，天然氣）。以百公里耗油30L、燃燒柴油的福田奧鈴M4 冷鏈車為例，取ωi=3.1，ηi=1.4571，可得C1=0.3×3.1×1.4571Lij，Lij為配送點i與j之間的距離。C2可表示為：

其中：V1表示冷藏車車廂體熱負荷（kcal/h）；V2表示開關門的熱負荷（kcal/h）；tj-ti為配送點i與j之間的時間差（h）；tj2-tj1為到達配送點j裝卸貨的時間長（h）。冷藏車或冷凍車車廂熱負荷V1可表示為：

其中：a為常數；R表示熱傳導率［kcal（/h·m2·℃）］；S=表示制冷范圍的平均表面積（m2），S1為車箱體外表面積，S2為車箱體內表面積，Δ T為車內外溫度差。冷藏冷凍車裝卸貨開關門時產生的熱負荷表示為：

表3 我國2007～2016年果蔬生產環節碳排放量

其中：V 表示車廂體積。γ是車廂門開關頻次系數，開門頻次分為5 個等級：不開門時，γ=0.25；1 小時內開1～2次門，γ=0.5；1小時內開2～3次門，γ=1；每多開一次，γ增加0.5，以此類推可得到γ的值。

冷鏈車車廂外表面為5995×2340×3350mm，外表面積S1為8390.11m2，車廂內表面為4085×2100×2100mm，內表面積S2為3872.4m2，則制冷范圍的平均表面積 S==5700m2，體積為18014.85m3，冷藏車廂由專門的玻璃鋼材料制成，鋼的熱傳導率一般在之間，取平均值50.3作為其熱傳導率，車廂開門頻次系數γ=0.5，則：

《2017～2022年中國冷鏈物流產業競爭格局及發展趨勢研究報告》中的數據顯示，目前我國冷鏈物流的比例在逐年增加，果蔬、肉類、水產品冷鏈流通率分別達到5%、15%、23%，冷藏運輸率分別達到15%、30%、40%，冷鏈物流的規模快速增長。截至2016年年底，我國冷庫總量達到4015 萬噸（約為10037 萬立方米），國內冷藏車年度銷量為2.61 萬輛，冷藏車保有量超過11 萬輛。果蔬最適宜的保存溫度為0～10℃，為計算方便，取中間值5℃作為車廂內溫度，車廂外溫度隨時間和地區變化較大，取平均值20℃，因此Δ T=15℃。我國2007～2016年果蔬配送環節碳排放量如表4所示。

表4 我國2007～2016年果蔬配送環節碳排放量

3.倉儲環節碳排放C倉。倉儲是果蔬類農產品物流的重要環節和各環節的銜接點，果蔬從采摘到消費者手中，至少40%的時間是在靜止冷凍（藏）儲存中。倉儲除了儲存的基本功能，還包括進貨、包裝、入庫、撿貨、出庫等功能，是一個動態流通的中轉站，除了供自己及特定情況使用，還負責對外出售。因此，倉儲環節低碳對整個物流低碳有重要作用。

果蔬倉儲是指配送中心或第三方果蔬使用專用儲存倉庫對果蔬進行冷凍（藏），與冷藏車配送不同的是冷庫面積更大，需要大型的制冷設備和照明設備，存儲時間更長，碳排放可能是配送車的幾十倍甚至幾百倍。其碳排放主要來源于：機械設備、制冷設備、照明設備產生的能源碳排放；腐爛果蔬及堆積過密產生的多余碳排放。當然，果蔬有一定的吸碳能力。

（1）能源碳排放C能。包括：冷庫制冷產生的碳排放；叉車、堆垛機、傳動帶等倉庫工具產生的碳排放；照明、滅菌燈等產生的碳排放。由于果蔬倉庫都是固定式的，所以照明燈能源消耗以電能為主，我國電能的碳排放系數為1.483kgCO2/kwh。

其中：C2是冷庫制冷產生的碳排放；L總是倉庫叉車、堆垛機運行的總路程；E 表示照明、殺菌等消耗的電能（kwh）。

（2）腐爛果蔬的碳排放C廢。周轉不及時及訂貨策略不當會形成多余的庫存，部分果蔬因過密的堆垛造成空氣不流通，影響制冷效果，導致果蔬因腐爛而被填埋、焚燒或堆肥。廢棄的果蔬處理都會造成碳排放。根據康友才[8]的研究，廢棄果蔬碳排放可以采用如下公式計算：

其中：M廢表示因腐爛變質而被棄埋的果蔬質量；OX為氧化因子，其在廢棄物管理非常精細的國家可以取值為0.1，在尚不完善的我國暫且不計入計算，取值為0；φ表示甲烷生產潛力，由甲烷修正因子CH4、可降解的有機碳的比例DOC、經異化的可降解的有機碳比例DOCN、甲烷在腐爛果蔬填埋氣體中的比例N 相乘得到。根據IPCC 對發展中國家的建議缺省值，上述變量值可分別取0.4，1，0.77，0.5。因此：

由于倉庫機械運行距離沒有完整的統計數據，但是《中國統計年鑒》中有關于倉儲板塊的能源消耗量，包括電力及柴油等使用，因此本文以統計年鑒數據對倉儲碳排放進行計算，結果如表5所示。

表5 我國2007～2016年果蔬倉儲環節碳排放量

三、果蔬冷鏈物流碳排放控制研究

我國果蔬冷鏈物流碳排放量從2007年的321.57 萬噸增長到2016年的410.10 萬噸，碳排放量平均每年增長9.84 萬噸；2008年碳排放增長率為4.06%，而2016年碳排放增長率達到1.43%，碳排放增長率平均每年下降0.29%，雖然每年的增長率在逐漸下降，但總量在不斷增加。因此，要想在2020年達到節能減排的目標，必須對果蔬冷鏈物流領域采取有效的控制措施。

我國控制碳排放的方法可分為征收碳稅、碳排放權交易和兩者結合三種。征收碳稅主要是通過調控價格來控制碳排放，而碳排放權交易是通過市場機制管控數量來控制碳排放。本文基于兩種控制方法耦合，以經濟學知識為研究背景，分析兩種方法的成本收益曲線，并根據我國果蔬冷鏈物流的實際發展情況，為果蔬冷鏈物流碳排放控制提供參考。

1.基于征收碳稅（CTI）的碳排放量控制方法。碳稅是針對化石能源燃燒、有機物腐爛變質、不按規定生產等產生的二氧化碳征收的稅，果蔬冷鏈物流所要征收的碳稅環節主要包括運輸配送產生的二氧化碳、倉儲產生的二氧化碳及使用化肥等農資品產生的二氧化碳。征收碳稅的理論基礎主要有四種，分別是：生產與消費端自身利益與環境保護沖突的環境負外部性理論；為改善社會效益與環境保護利益的不一致性，重新分配環境資源，將環境外部性轉化為內部的庇古稅理論；利用價格杠桿促使企業向保護環境面改進發展的污染者付費原則；認為征收碳稅既可以減少環境污染又可以增加政府收入，有利于資源再分配的雙重紅利理論。

2.基于碳排放權交易（CTII）的碳排放量控制方法。碳排放權交易采用固定碳排放額的方式，通過市場機制對碳排放權進行自由交易，有償排放二氧化碳等溫室氣體，以達到控制碳排放進而減少環境污染的目的。我國的碳排放權交易目前還屬于自愿市場，只在北京、上海、廣州等地試行。與碳稅的理論基礎不同，碳排放權交易主要依賴于科斯定理，其認為環境是大家的共有財產，應秉持公平分配的原則，針對固定配額之外的碳排放像商品一樣交易，以此懲罰重污染戶，獎勵開發新能源的企業或個人。

3.兩種控制方法耦合的實際應用。耦合政策又稱復合政策，即將碳稅與碳排放權交易結合使用的減排手段，其共同點是目標一致，都是為了減少碳排放量。區別在于：碳稅通過政府來調控企業等主體行為，使之朝著降低碳排放、保護環境、減少生產成本的目標發展；碳排放權交易通過市場機制對社會資源進行分配。上述兩種方法的優缺點見表6。

表6 碳稅與碳排放權交易的優缺點比較

由于兩種方法各有優劣，基于我國碳減排發展現狀，選擇耦合政策來控制果蔬冷鏈物流的碳排放。此外，還應繼續普及國家“雙創”的政策，同時提升農戶、生產合作社、流通加工企業及消費者的低碳意識。

根據經濟學分析，如果政府、果蔬物流企業等之間不存在博弈，且信息完全透明對稱，則無論使用碳稅還是碳交易效果都一樣。然而現實中兩者并非信息對稱，政府往往從長遠的社會利益考慮，站在頂層設計方針策略，而企業則會在政策背景下根據自身利益來設定最優生產計劃，因此使用碳稅還是碳交易的社會影響就存在差異。

經濟學中用MSB 表示邊際社會效益，MAC 表示邊際控制成本，S表示產量減少量，企業的邊際社會效益與邊際控制成本曲線呈相反的走勢，兩條線相交的點即O 點，表示社會效益最大。應用在果蔬冷鏈物流碳減排控制中，該點之前表示控制碳排放的成本每增加一單位，社會效益就會增加一單位，只不過增加的速率逐漸變緩，該點之后，效益就會下滑，因此O 點是最佳控制碳排放點，也是最佳收益點。假設控制碳排放收益曲線為W（Q），控制碳排放的成本曲線為C（Q），則成本收益曲線走勢如圖1和圖2所示，其中Q為控制碳排放量。

圖1 經濟學邊際成本收益曲線

圖2 碳排放控制成本收益曲線

控制果蔬冷鏈物流碳排放時要兼顧企業和社會效益最優，因此要實現收益與成本差值的最大化，基于一些不可預見性因素，將收益和成本函數各增加一個擾動項α、β。控制碳排放的碳排放權交易和碳稅的差值記為δ，系統擾動項記為ε。

不確定狀態下控制碳排放的最優目標函數如下：MaxW（Q，α）-C（Q，β），假設以價格為調節手段的碳稅最優目標為：φ=MaxW（，α）-C（，β），而以市場主導的碳排放權交易最優目標函數為：ω=MaxW（，α）-C（，β），則δ=［W（，α）-C（，β）］-［W（，α）-C（，β）］。

根據Weitzman[9]和俞業夔等[10]的推導，可得：

其中：W″＜0，C″＞0。從上式可知，如果控制碳排放量收益函數曲線的斜率|W″|比控制碳排放量成本函數曲線的斜率|C″|小，則δ＞0，即φ＞ω，說明碳稅比碳排放權交易更適合中國情境下的碳減排政策。反之，則表明碳排放權交易政策更適合。

短期來看，碳排放權交易市場機制有待完善，國際上關于碳排放的金融衍生產品發展迅速，而我國還在研究階段，并未開放；碳配額是根據歷史推算法還是Redhat 軟件包管理器（Redhat Package manager，RPM）機制計算，目前沒有科學定論；任何市場都要有完善的法律或規章制度保駕護航，我國碳排放權交易還在試行階段，缺少相應的數據、案例等作為參考依據，也沒有成立專門的部門負責監督管理碳排放權交易市場；目前我國碳減排的重點集中在工業，對果蔬類農產品企業和物流等流通企業并未采取強制性措施，果蔬冷鏈物流領域的邊際收益變化率比較穩定，即|W″|＜|C″|；短期內我國控制碳排放量的邊際成本要比邊際收益高。因此，近幾年果蔬冷鏈物流領域比較適合通過征收碳稅來進行碳減排。

長期來看，隨著低碳減排政策的普遍實施和低碳意識的逐漸深入，農業和流通業也將成為工業等重污染行業之后的重點控排對象。只有齊抓共管，才能實現全國乃至全球的環境保護目標；否則，人類生存空間將受到威脅，我國也將因為控排措施不當受到國際輿論壓力。我國能源結構近年來不斷調整，大到專業的果蔬物流企業，小到果蔬專業合作社及農戶，都在實施低碳環保措施，清潔能源及先進技術不斷推動企業創新，優化投入產出過程，果蔬冷鏈物流碳減排的邊際成本曲線整體將呈現穩定的趨勢，此時的|W″|＞|C″|。因此，長期來看碳排放權交易比碳稅更適合果蔬冷鏈物流領域發展。

以上分析表明，建立碳排放權交易市場不是一蹴而就的，至少近幾年條件還未成熟，但我國降低碳排放的目標是急迫的，因此需要從征收碳稅開始，逐漸過渡到碳排放權交易市場，這樣既培養了國民的低碳意識，又為建立交易平臺準備了時間。

四、結論與展望

本文通過構建數學模型，以我國2007～2016年十年的果蔬冷鏈物流為研究對象，對碳排放較多的生產環節、配送環節及倉儲環節進行碳排放測算，分析征收碳稅和實施碳排放的優劣，在此基礎上得出適合我國國情的碳減排方法，最終得出以下結論：①2007～2016年我國果蔬冷鏈物流碳排放逐年增加，最高可達410.10 萬噸，2015年之前碳排放增長率不斷降低，2015年之后卻不降反增，說明控制碳排放的方式遇到了瓶頸，亟需找到正確的減排方法。②碳稅與碳排放權交易在控制果蔬冷鏈物流碳排放方面各有優劣，基于經濟學成本收益分析，要想實現控制碳排放的成本收益最大化，需要采用耦合政策控制碳排放。③我國短期內果蔬冷鏈物流邊際收益變化率比較穩定，此時|W″|＜|C″|，說明前期適合采用碳稅控制碳排放。而經過碳稅的調整，δ＜0，此時|W″|＞|C″|，我國控制碳排放的條件也更加成熟，此時，適合采用碳排放權交易的方式控排。因此，綜合來看，我國果蔬冷鏈物流碳排放適合采用碳稅與碳排放權交易耦合的政策進行控制。

本文還存在以下問題值得進一步研究：①我國常用系數法來測算能源消耗產生的碳排放量，缺乏準確性，果蔬冷鏈物流碳排放測算方法創新及準確性的后續研究值得商榷。②果蔬冷鏈物流碳排放控制過程較為復雜，部分目標無法量化，優化果蔬冷鏈物流碳排放的定量控制將是未來的研究重點。