基于生命周期法的生鮮農產品供應鏈碳足跡分析

繆小紅，周新年，倪 川，連 捷

(1.福建商學院，福建 福州 350016；2.福建農林大學 交通與土木工程學院，福建 福州 350002；3.福建農林大學 林學院，福建 福州 350002)

0 引言

我國作為全世界農業(yè)生產和農產品消費大國，生鮮農產品在我國農業(yè)產品中占有舉足輕重的地位[1]，目前采用的冷鏈技術能夠保證生鮮農產品在加工、儲存和運輸配送過程中的安全性和新鮮性，然而冷鏈過程中需加強對溫度的控制，這就增加了能源的消耗和溫室氣體CO2的排放.因而基于碳足跡的視角，分析評估生鮮農產品在生命周期的各個環(huán)節(jié)碳排放量，了解生鮮農產品在冷鏈過程中所形成的溫室氣體排放量，比較常溫模式下與冷鏈模式下碳足跡情況，為后期探索相應環(huán)節(jié)中減少溫室氣體排放的解決方法提供數據支撐[2].

1 碳足跡核算方法

1.1 生命周期法的介紹

在產品的整個生命周期中所產生的碳排放總和，即全生命周期內排放的CO2與其他溫室氣體的總量，稱為碳足跡，多用于評價對氣候變化的影響，一般以CO2當量形式表達.“碳足跡”越大，表明產品“碳”的消耗量就越多，從而使得地球變暖的元兇CO2量越多[3].確定系統(tǒng)邊界范圍是碳足跡研究過程中的首要任務，在現有關于農產品碳足跡核算的研究中，生命周期評價法，即LCA (Life Cycle Assessment)是最為常用的方法[4].

LCA法的優(yōu)點是可以清晰地了解產品生命周期里各環(huán)節(jié)的投入和排放情況，從而尋找出高投入和高排放環(huán)節(jié)，然而受到農產品生產過程中的復雜環(huán)境及條件等不確定因素影響，根據LCA法對系統(tǒng)邊界進行劃分后，得到的計算結果無法一致，導致目前尚未有統(tǒng)一的農產品碳排放的評估標準或方法，這成為制約我國農產品碳足跡研究的主要因素.

1.2 生命周期法的應用

LCA方法將產品或服務的每一個環(huán)節(jié)都列入評估體系之中，被稱為從“搖籃”到“墳墓”的方法.由此可知，農產品種植、生產加工、儲存、銷售、消費和廢棄等環(huán)節(jié)是生鮮農產品的完整生命周期過程.因此，界定碳足跡有效計算范圍是確定農產品生命周期內溫室氣體排放活動的關鍵環(huán)節(jié)，并可以為后期數據收集和碳足跡計算提供依據[5].

目前相關研究多以常溫物流活動或對農產品生產過程中產生的碳排放為對象，而對冷鏈流通模式下的碳排放研究較少.全程冷鏈物流模式與常溫物流模式相比，由于制冷設備的使用，使農產品在流通過程中的腐損率大幅度降低，從而減少因農產品損耗所產生的碳排放量.但考慮到冷鏈模式下的制冷環(huán)節(jié)也會產生碳排放，需進一步核算總體效果.因此，在學習和總結前人對農產品流通碳排放計算的基礎上，考慮常溫流通模式和冷鏈流通模式下的碳足跡測度，建立基于生命周期法的農產品碳足跡模型，并進行分析比較，該過程包括以下步驟：建立研究對象的生命周期流程圖→確定系統(tǒng)邊界→功能單位→收集數據→核算碳足跡→結果分析.

2 基于LCA的生鮮農產品碳足跡計算模型構建

2.1 生鮮農產品生命周期分析

對比分析冷鏈模式和常溫模式下的生鮮農產品物流方式，需同時滿足以下條件.

(1) 1個生鮮農產品的配送中心為多個顧客服務.

(2) 市場上生鮮農產品的所需供給量是已知的，且所有客戶都必須得到服務.

(3) 儲存農產品所使用的倉庫大小和耗能材料相同.

(4) 在不同模式下，運輸車輛的屬性相同，即使用的能源材料、車輛配送路線和載重量均相同.

以冷鏈物流模式下的生鮮農產品為研究對象，對其生命周期進行分析，測算供應鏈的各個環(huán)節(jié)碳排放.

首先，確立其生命周期流程圖，如圖1所示，了解農產品從生產到最終消費及廢棄物處理過程對應的作業(yè)環(huán)節(jié).

接著，選取碳足跡測算環(huán)節(jié),確定系統(tǒng)研究邊界，主要包括冷鏈過程中農業(yè)生產、運輸、儲存和預冷以及廢棄時所產生的碳排放，計算如下：

C冷鏈=C生產+C運輸+C預冷和儲存+C廢棄，

(1)

其中：C冷鏈為基于生鮮農產品冷鏈供應鏈下的碳排放量；C生產為農產品在產地生產過程產生的碳排放量；C運輸為農產品從產地向消費者流動過程產生的碳排放量；C預冷和儲存為生鮮農產品預冷和冷藏過程中的碳排放量；C廢棄為農產品腐爛過程及廢棄物處理產生的碳排放量.

圖1 冷鏈模式下農產品生命周期碳足跡計算邊界

2.2 生產過程中的碳排放

生產過程中由于受到外界氣候等復雜環(huán)境因素的影響，碳排放量也會有所不同，數據測量和計算主要是通過實驗測量方法獲取，這需要經歷漫長而復雜的實際測算過程.

農產品生產過程需要考慮投入使用塑料膜等材料產生的碳排放，同時還需考慮化肥投入、農藥投入等使用后直接產生的溫室氣體排放量.計算如下：

(2)

(3)

在已知單位產量碳排放時，測算計算公式如下：

C生產=CFy×Qy，

(4)

其中:CFy為單位產量碳排放量；Qy為生鮮農產品總產量.

2.3 運輸過程的碳排放量

完成農產品空間轉移的運輸環(huán)節(jié)，是實現農產品從產地送到零售商手中的過程.常見的運輸方式有常溫運輸和冷藏運輸，其區(qū)別在于用到的運輸車輛不同.傳統(tǒng)常溫運輸車輛多采用運輸貨車加棉被的保溫方式進行農產品運送，其保鮮效果顯而易見是不夠理想的，為了更好地實現制冷保鮮效果，冷鏈運輸的車輛通常采用專門的冷藏車.兩種運輸方式的碳排放具有相似點和不同點，相似點是兩種模式下運輸車輛行駛過程中使用的油耗都會產生碳排放；不同點是冷鏈模式下冷藏車運輸過程中還需使用制冷設備，其在制冷時也會產生碳排放.

2.3.1 車輛行駛碳排放(C1)

行駛過程中，運輸車輛因燃料的使用而產生CO2等溫室氣體排放量，計算公式如下：

C1=Mij×ci×δi，

(5)

(6)

其中：C1為車輛行駛碳排放量；Mij為車輛j在行駛過程中使用i類型燃料量；ci為i類型燃料的單位發(fā)熱；δi為i類型能源的碳排放系數；Dij為車輛j的行駛距離；Fij為車輛j的平均油耗.

2.3.2 制冷碳排放(C2)

在冷鏈流通模式下，為了保證生鮮農產品低溫冷藏保鮮運輸，運輸車輛行駛過程中除了產生的運行能耗外，車輛所運行的制冷設備也會消耗能源，這里運用“轉換活動系數法”計算車輛制冷設備產生的碳排放.根據冷藏運輸環(huán)節(jié)制冷系統(tǒng)存在熱負荷值Q(n)[6]，得到制冷過程的碳排放計算公式如下：

(7)

其中：C2表示冷藏車制冷的碳排放量；δi為i種能源的碳排放系數；Ψi為i種能源的熱值.

2.4 儲存環(huán)節(jié)的碳排放

在農產品生命周期中，對冷鏈模式和常溫模式碳足跡進行分析，儲存環(huán)節(jié)的碳排放分為冷鏈模式的預冷包裝和常溫存儲過程.

2.4.1 冷藏環(huán)節(jié)的碳排放(C31)

農產品產地預冷、零售商儲存以及消費者的儲存是農產品的主要儲存活動環(huán)節(jié).本研究選取位于銷售前期并較為方便獲取數據的產地預冷、零售商的儲存環(huán)節(jié)進行研究，與常溫儲存環(huán)節(jié)相比，運用碳排放系數法分析計算其碳排放水平.冷藏儲存需考慮制冷設備的投入，計算公式如下：

(8)

2.4.2 常溫模式下儲存環(huán)節(jié)的碳排放(C32)

儲存時間是與常溫儲存能耗直接相關的因素，因此對其碳排放量進行如下計算：

(9)

2.5 處理廢棄農產品的碳排放

分析在常溫和冷藏模式下腐爛過程及廢棄物處理過程發(fā)生的碳排放時，結合農產品的易腐性特征，考慮其在運輸和儲存環(huán)節(jié)的貨損情況.本研究針對填埋方式處理廢棄農產品過程的碳排放進行研究，其計算公式如下：

C廢棄=Q0×λi×Mf，

(10)

其中：C廢棄為廢棄物厭氧分解期間的直接碳排放；Mf為處理單位廢棄物的碳排放量；Q0為生鮮農產品產量；λi為不同模式下的農產品腐損率.

2.6 碳排放模型

綜合以上各環(huán)節(jié)的分析，得出不同流通模式下碳排放的測度模型.具體計算模型如下：

C冷鏈=C生產+C1+C31+C廢棄=

Q0×λi×Mf，

(11)

C常溫=C生產+C2+C32+C廢棄=

(12)

3 實證分析

3.1 實例分析

福建省羅源縣位于北緯26°23′～26°39′，東經119°07′～119°54′，屬福州市轄縣，地處福建省東北沿海，東面與霞浦東沖半島隔海相望，西南與福州市、閩侯縣相接，南面與連江縣相鄰，北面與寧德市、古田縣接壤，地理環(huán)境優(yōu)越，且全年氣候溫暖濕潤，使當地產出的草莓產量高，而且甘甜怡人、個頭碩大，具有抗病能力強等特點.因此，充分利用當地氣候資源，開發(fā)草莓生產，搭建較為成熟的草莓種植→運輸→銷售供應鏈網絡.在充分調研的基礎上，將上述模型應用于福建省羅源縣草莓供應鏈，結合實際數據進行分析.采用LCA方法，測算草莓生命周期內各環(huán)節(jié)的碳排放量，已知草莓最佳存儲溫度為0～10 ℃，運輸車輛載重量為5 000 kg，產地到零售商的運輸距離為90 km.對草莓在生產環(huán)節(jié)、運輸環(huán)節(jié)、儲存環(huán)節(jié)等在銷售前端各環(huán)節(jié)產生的直接和間接的碳排放量進行研究，通過實驗得出主要活動相關數據，如表1所列.

表1 模型相關參數對應數值

3.1.1 生產環(huán)節(jié)的碳排放

草莓適宜種植的溫度是17～25 ℃.因此，草莓可在塑料大棚中無需溫度控制進行種植，在草莓種植過程中產生的單位碳排放約為221 g/kg，由公式(4)可得5 t草莓生產過程碳排放總量1 105 kg.

3.1.2 運輸環(huán)節(jié)的碳排放

能源消耗直接影響配送環(huán)節(jié)的碳排放量，該研究中運輸車輛使用的能源均為柴油[10]，由BP中國碳排放可知1 L柴油的碳排放量為2 630 g，從生產商到零售商的運輸方式是公路運輸.根據實驗數據可計算兩種模式下運輸過程的單位碳排放[11]分別為0.03716 g/(kg·km)和0.08177 g/(kg·km)，分別計算其運輸碳排放總量.

由公式(5)可知：

C1=Mij×ci×δi=

5×0.03716×90=16.722(kg).

由公式(7)可知,

5×0.08177×90=36.795(kg).

3.1.3 存儲過程的碳排放

由于草莓極易腐爛，為了保持新鮮，必須在采摘后的12小時內進行預冷，預冷是通過迫使冷空氣快速移動經過草莓堆來實現的，達到迅速去除田間熱量的效果.預冷及存儲過程中產生的碳排放取決于溫度控制過程產生的用電能耗.草莓儲藏溫度也是由電力控制，根據我國冷藏庫電耗標準0.3 kWh/(t·d)[12]，計算存儲過程產生的單位碳排放為0.2652 g/(kg·d)，將數據代入公式(8)，可得

5×(2×0.2652+230.658+8.3214)=

2.652+1194.747=1197.399(kg).

3.1.4 常溫儲存環(huán)節(jié)碳排放

計算常溫儲存過程產生的碳排放時，將表1中數據代入公式(9)，可得

5000×(2×25.59+230.658)=

1409.19(kg).

3.1.5 廢棄環(huán)節(jié)的排放

根據公式(10)可知:

常溫模式下，

C廢棄=Q0×λ2×Mf=

5×30%×41.21=61815=61.815(kg).

冷鏈模式下,

C廢棄=Q0×λ1×Mf=

5×3%×41.21=6181.5=6.1815(kg).

3.2 結果分析

根據以上模型，將相應數據代入公式(11)和(12)，計算可得，在全程冷鏈流通模式下2天內產生的碳排放量為2 345.3 kg，常溫模式下產生的碳排放量為2 592.7 kg.可以看出，采用冷鏈物流模式產生的碳排放量更少，該結果可為有效測量農產品不同流通模式下的碳足跡提供參考依據，同時，全程冷鏈模式下可大大降低草莓變質率，延長儲存時間，更有利于環(huán)境保護和降低草莓營運成本.

與常溫下的腐損率相比，全程冷鏈的草莓腐損率λ1遠小于常溫模式下的腐損率λ2，可見冷鏈C廢棄小于常溫C廢棄，如將減少的腐損部分，即減少的碳排放折算成生產耕地使用功能，則相當于增產Q0△λ.其中△λ=λ2-λ1，從而節(jié)省的總碳排放量即為草莓在不同模式下碳排放的差值△C=C冷鏈-C常溫，將數據代入模型中，代入模型中，可得知草莓在常溫流通與冷鏈物流的碳排放之差為247.4kg，比例下降9.54%.由此可以看出，雖然冷鏈模式下設施設備投入使用成本較常溫模式成本高，但總體產生的碳排放量比常溫模式下的碳排放總量少.因此從環(huán)境保護角度出發(fā)，采用全程冷鏈不僅降低農產品腐損率，還響應國家低碳相關政策，實現低碳物流.

4 結束語

在低碳經濟背景下，為落實農產品物流節(jié)能減排的行動，在農產品物流快速發(fā)展的同時不得不平衡產品運營與環(huán)境的矛盾.通過采用生命周期評價法，分析草莓在生產、配送、儲存和預冷過程中每個環(huán)節(jié)的碳足跡，對草莓在常溫和冷鏈模式下流通過程的碳排放量進行計算，分析在冷鏈物流過程得到不同活動的碳排放系數，根據兩種模式下的計算結果可以得出，冷鏈模式有助于減少流通過程產生的溫室氣體的排放，降低能源消耗，同時保障食品安全，具有良好的社會效應和環(huán)境效應.