南京居民食物消費系統中的碳變化與環境負荷*

盧 然 謝晟宇 謝 標 (南京師范大學環境學院，江蘇 南京 210023)

食物消費系統造成了20%～50%的人為環境負荷[1-2]。當前，快速的城市化進程帶來了食物生產消費的轉變，并影響到了碳、氮、磷等元素的動態變化，而這些元素又與富營養化[3-4]或溫室氣體增多[5-6]等環境問題密切相關。

國家和區域尺度的食物消費系統元素變化研究起步較早。PATHAK等[7]研究指出，印度的碳排放有87%由食物生產造成。LE等[8]從法國農業食物系統的角度計算了牧地和農田的碳、氮、磷元素輸入。高晶等[9]對比了城鄉居民的食物消費結構，對食物消費引起的碳排放量進行了測算。卜海月等[10]研究了城鄉差異、區域差異與食物碳消費間的關系。

近年來，國內學者已對多個城市完成了相應的食物碳消費研究。羅婷文等[11]3256研究指出，北京的食物碳消費結構將轉變為以糧食和肉類為主。學者對昆明市的研究表明，相較于人均食物碳消費量，人口變化對食物碳消費總量的影響更大[12]1677。吳開亞等[13]164研究發現，上海市的食物碳消費總量在上升，但人均食物碳消費量呈下降趨勢。閆禎等[14]1639計算了1988—2010年廈門市的食物碳消費情況，指出人口增長造成了食物碳消費總量增加。

國內的相關研究主要集中于食物消費結構以及消費過程中產生的廢棄物對環境的影響，缺少食物消費過程中所造成的碳環境負荷的研究。本研究以南京市為例，對1993—2013年的居民食物消費進行調查分析，研究食物消費所造成的碳環境負荷，為解決城市化過程中產生的環境問題提供科學依據，促進南京市的可持續發展。

1 研究區域概況、數據及方法

1.1 南京市概況

南京市位于江蘇省西南部，總面積6 587.02 km2，2018年末常住人口為843.62萬人。城市與農村居民2018年人均食物消費支出分別為5 523、2 853元，占消費支出的16.5%與15.5%。2018年限額以上餐飲企業366個，從業人員54 599個，營業額154.294 2億元，餐費收入136.431 3億元[15]。2017年，國家發展和改革委員會下發《關于開展第三批國家低碳城市試點工作的通知》，南京市被列為第三批國家低碳城市試點。因此，選取南京市作為研究區域具有重要意義。

圖1 食物消費系統中的碳流動模型Fig.1 The carbon flow in food consumption system

1.2 數據來源

本研究中的數據主要分為兩部分：一是通過查詢1994—2014年的南京統計年鑒、南京衛生年鑒以及實地調研，獲取南京市城鄉居民人均食物消費量、常住人口等基礎數據；二是基于文獻資料和調研數據選取的研究參數，包括食物含碳量、食物營養素含量、外出就餐頻率等。

1.3 計算方法

1.3.1 碳流動模型

基于物質流分析法，遵循質量守恒定律，查閱相關文獻并根據南京市的城市特點建立食物消費系統的碳流動模型(見圖1)。該模型將城鄉食物中的碳消費總量作為輸入項，人體吸收、代謝排放與廚余垃圾等作為輸出項，分析從食物消費至廢棄物處理的全過程，計算了進入大氣、水體和土壤中的環境負荷量。

1.3.2 食物碳消費量的計算

食物消費總碳量的計算公式[16]見式(1)：

(1)

式中：Wc為居民食物消費的總碳量，g；i為食物類型序號；n為食物類型總數；wc，i為食物類型i消費的碳量，g；Wi為食物類型i消費的總量，g；ri為食物類型i的含碳量(以碳質量分數計)，%。

計算中需要用到主要食物類型中的含碳量[11]3253，具體參考表1。

表1 主要食物類型的含碳量

1.3.3 食物消費的碳環境負荷計算

通過計算消費過程進入介質中的碳量，對食物消費系統中碳的環境負荷情況進行評價。進入大氣的碳環境負荷=人體呼吸碳量+糞尿還田揮發碳量+污水處理排放碳量+污泥焚燒排放碳量+廚余垃圾填埋揮發碳量+污泥填埋揮發碳量；進入土壤的碳環境負荷=廚余垃圾填埋碳量+糞尿還田碳量+污泥填埋碳量；進入水體的碳環境負荷=未處理污水碳量+尾水碳量。相關計算方法參見文獻[12]。食物碳環境負荷的計算參數參考文獻[17]至文獻[21]。

2 結果與分析

2.1 南京市城鄉居民食物消費量變化

1993—2013年南京城市居民人均食物消費總量由309.40 kg/a上升至316.29 kg/a，變化幅度較小。1993年的食物消費結構中植物性食物占比81.93%，動物性食物占比18.07%，2013年兩者占比分別為73.30%與26.70%(見圖2)。9種主要食物消費類型中，糧食消費量占比逐漸減少，其他食物消費量占比均有所增加。與1993年相比，2013年植物油、蔬菜、水果、豬肉、牛羊肉、蛋類、奶制品和水產品的占比分別增加了0.28百分點、4.70百分點、1.74百分點、0.43百分點、0.48百分點、0.11百分點、5.77百分點和1.56百分點。

圖2 1993—2013年南京市城市居民食物消費結構Fig.2 Food consumption structure of urban residents in Nanjing from 1993 to 2013

1993—2013年南京農村居民人均食物消費總量由536.42 kg/a降低至361.95 kg/a，變化幅度較大。植物性食物消費占比由1993年的96.00%減少為2013年的83.48%，動物性食物消費由1993年的4.00%增加到2013年的16.52%(見圖3)，動物性食物消費總量也有所增加。糧食和蔬菜的消費量減少較為明顯，豆類、植物油、水果、豬牛羊肉、禽肉、蛋類和水產品的消費量占比分別增加了1.85百分點、1.84百分點、3.88百分點、3.68百分點、3.73百分點、2.26百分點和2.85百分點。

圖3 1993—2013年南京市農村居民食物消費結構Fig.3 Food consumption structure of rural residents in Nanjing from 1993 to 2013

城市與農村居民的食物消費結構都在不斷改變，兩者的共同點是糧食消費量占比均有所下降，其余多種食物類型消費量占比增加，這表明隨著經濟水平提升，居民傾向于改善自身的食物消費結構，增加動物性食物消費量。但是，由于動物性食物的碳排放高于植物性食物[18]，這種改變可能對環境造成不利影響。兩者的不同點在于，城市居民的食物消費結構趨向于多元化，且仍處在發展之中，城市居民在水果等食物類型上擁有更多的消費量。農村居民的消費結構則以幾種食物(糧食、蔬菜等)為主，消費結構在2005年之后變化幅度不大，農村居民糧食、蔬菜人均消費量均高于城市居民。

2.2 南京市食物碳消費量變化

南京市城市居民人均食物碳消費量整體上先增加后減少(見圖4)。1993—2002年，由56.64 kg/a增至63.11 kg/a，上升的原因是人均收入增加，造成了食物消費結構的變化和消費量的增加。2002—2013年，人均食物碳消費量由63.11 kg/a減少至54.44 kg/a。這是由于城市居民開始注重飲食健康化，不再單純增加肉類消費，進一步改善了食物消費結構。農村居民人均食物碳消費量變化可以分為差異較大的兩個階段：2000年之前為第一階段，人均食物碳消費量波動上升，最大值為133.79 kg/a。2000—2013年為第二階段，由133.79 kg/a下降到87.15 kg/a。綜合而言，南京市居民人均食物碳消費量總體下降。

圖4 1993—2013年南京市居民人均食物碳消費量Fig.4 Per capita food carbon consumption of urban and rural residents in Nanjing from 1993 to 2013

人均食物碳消費中下降最多的是糧食類，但從整體上看，南京市全市依舊以植物性食物碳消費為主(見圖5)。2013年城鄉人均食物碳消費量相比1993年有所減少，這與北京市[11]3254、上海市[13]163和廈門市[14]1639等地的研究結果類似。城市人均食物碳消費年均減少率為0.19%，農村為1.38%，農村地區減少率大于城市的情況也與昆明市[12]1678、安徽省[17]等地的研究結果吻合。

1993—2013年農村人均食物碳消費量始終高于城市，這是因為含碳量高的糧食在農村飲食結構中占比較大。由于糧食的減少速率遠大于其他類型食物的增速，導致了2000年后農村人均食物碳消費量出現較大幅度下降。而在城市，糧食的減少速率與其他食物增速近乎持平，因此人均食物碳消費整體變化不大。由此可見，食物消費結構的變化是南京市人均食物碳消費量變化的主要原因。

圖5 1993—2013年南京市城鄉居民人均食物碳消費結構Fig.5 Food carbon consumption structure of urban and rural residents in Nanjing from 1993 to 2013

2.3 南京市食物碳消費的輸入輸出變化

1993—2013年南京市的居民食物碳消費總量呈波動變化，總體呈上升趨勢(見表2)。最小值為1995年的41.73萬t/a，最大值為2006年的52.32萬t/a。

城市居民食物碳消費變化可分為3個階段： 1993—2006年為第1階段，食物碳消費量呈上升趨勢；第2階段為 2006—2007年，此階段碳消費量大幅度下降，可能是因為統計標準發生了變化；第3階段是2007—2013年，此階段總體平穩上升。上升的原因是快速的城市化進程導致了城市人口大量增加，食物消費量也隨之增加。農村居民的食物碳消費總量由30.98萬t/a降低至17.73萬t/a，并在2000年之后基本呈逐年下降趨勢。由于城市的增長速率高于農村的下降速率，因此南京市食物碳消費量總體呈現上升趨勢。

表2 食物消費系統碳的輸入輸出變化

食物消費系統中的碳主要依靠呼吸等方式進入外部環境，少部分則是被人體吸收，或形成廚余垃圾，通過填埋等方式進入環境。呼吸排放、糞尿排泄、人體呼吸、廚余垃圾輸出的碳大體呈上升趨勢， 2013年的輸出量相比1993年分別增加了3.96萬、0.14萬、0.46萬、1.61萬t/a。隨著居民食物消費模式的變化，以及食物浪費情況的增多，廚余垃圾的碳輸出增長明顯，將成為危害環境的重要原因之一。

2.4 南京市食物消費的碳環境負荷

1993年食物消費引起的碳環境負荷為40.82萬t/a，隨后總體保持增長，并波動上升至46.50萬t/a(見圖6)。其中，進入大氣的比例由93.64%下降至91.75%，進入水體的比例由0.55%下降至0.48%，進入土壤的比例有所增加，從5.81%提高到了7.76%。

圖6 1993—2013年南京市食物消費的碳環境負荷Fig.6 Carbon environmental load of food consumption in Nanjing from 1993 to 2013

大氣碳環境負荷由38.23萬t/a增加至42.67萬t/a(見圖7)，且一直保持在總環境負荷的90%以上，其主要來源于人體呼吸、糞尿還田、廚余填埋填埋、污水處理、污泥填埋以及焚燒造成的揮發。研究發現，污泥填埋、廚余垃圾填埋和污水處理環節的氣體揮發量增長最為明顯。填埋氣體揮發包括污泥填埋揮發和廚余垃圾填埋揮發，隨著南京市城市建設的不斷發展，污水及廚余垃圾總量連年上升，然而大部分的廚余垃圾以及污泥往往只進行簡單的填埋，它們在對土壤產生影響的同時，產生大量的CH4和CO2等溫室氣體，甚至會通過滲濾液等方式進入水體。

圖7 1993—2013年南京市大氣碳環境負荷Fig.7 Carbon environmental load of food consumption in the atmosphere of Nanjing from 1993 to 2013

進入水體的碳環境負荷總體先減少后增加，由1993年的0.23萬t/a下降至1999年的0.14萬t/a，隨后又波動上升到2013年的0.22萬t/a(見圖8)。通過分析水體碳環境負荷的構成可以發現，未處理污水碳量的比例在不斷降低，說明南京市的污水處理量正逐漸增加。對南京某污水處理廠的調研發現，污水處理工藝上的不足，導致了尾水中碳負荷量的增加。

圖8 1993—2013年南京市水體碳環境負荷Fig.8 Carbon environmental load of food consumption in the water of Nanjing from 1993 to 2013

土壤碳環境負荷主要源于污泥填埋、廚余垃圾填埋以及糞尿還田，總體呈增長趨勢，由1993年的2.37萬t/a提高到2013年的3.61萬t/a(見圖9)，增加了52.32%。增長的原因是食物消費增加以及可能存在的浪費造成了廚余垃圾的劇增。同時，研究發現南京市對廚余垃圾的處理水平不足，以填埋為主。這種處理方式操作簡單，但會占用大量土地資源，且會造成二次污染，導致大量有機碳進入土壤。要降低環境負荷，可以從減少食物浪費以及廚余垃圾循環利用等方面入手，將廚余垃圾用作飼料或是還田，重新投入作物生產系統和養殖系統中，提高資源的循環利用率。

圖9 1993—2013年南京市土壤碳環境負荷Fig.9 Carbon environmental load of food consumption in the soil of Nanjing from 1993 to 2013

表3 不同地區相關研究結果比較

3 討 論

對比其他地區的食物消費情況，上海市[13]163人均食物消費量降低，與1980年相比，2007年的糧食消費減少了20.43%，其余食物消費比例小幅增加。閆禎等[14]1638對廈門市的研究表明，全市人均食物消費量降低，糧食和蔬菜的人均食物碳消費量顯著下降。張蓮蓮等[19]對東營市的研究發現，糧食的人均消費減少但仍是主體，其余的食物消費量總體在增加，城市居民人均糧食消費比例小于農村，而蔬菜等消費比例大于農村。南京市居民食物消費量以及消費結構的變化等與上述地區趨向一致，糧食消費所占比例與上海市、廈門市等地相當，而蔬菜、水果、肉類等的比例低于上海市，高于東營市等新興城市，這體現出了不同地區的經濟發展水平對當地居民消費傾向的影響。

對相關研究中的人均食物碳消費情況進行對比，發現人均食物碳消費量總體呈下降趨勢，這表明各地居民在食物消費結構轉變方向上趨于一致。不同城市人均碳消費年變化速率的不同，體現了經濟水平和城市化水平的差異，農村地區的減少率普遍大于城市(見表3)，可能是因為城鄉地區發展速度不均衡。以東營市為例的新興城市中，城市居民的食物碳消費略微上升，且明顯低于北京市等發達城市，這可能是因為東營市的城市化進程和經濟發展落后于發達城市。

1993—2013年，南京市居民食物碳消費量總體上升，而人均食物碳消費處于總體下降狀態。這說明在食物消費對碳環境負荷的影響提高的同時，對人均食物碳消費造成的影響反而下降了。

比較廈門市[14]1640、昆明市[12]1679和南京市食物消費造成的碳環境負荷情況，廈門市1991—2010年間進入環境中的碳總量增長了68%。昆明市由食物消費造成的碳環境負荷從1990年的31.14萬t/a波動變化至2013年的30.89萬t/a。兩地均是進入大氣的碳環境負荷比例最高而進入水體的比例最低。3個地區進入土壤的碳環境負荷都在逐年穩定增加，造成這一情況的原因是經濟水平提高，居民食物消費結構改善，導致廚余垃圾量顯著增加，而相應的處理措施卻沒有得到發展。

4 結論與建議

(1) 1993—2013年南京城市居民人均食物消費量小幅上升，農村下降明顯。農村食物消費類型以糧食、蔬菜為主，兩種食物的人均消費量均高于城市居民，而城市居民則在水果等食物類型上擁有更多的消費量，形成多元化消費結構。

(2) 農村人均食物碳消費量高于城市，在2000年之后基本呈下降趨勢。城市人均食物碳消費量在2002年后有小幅下降。這種變化的主要原因是食物消費結構的改善。南京市人均食物碳消費量整體下降且農村地區下降速率超過城市的趨勢與其他地區情況類似，不同地區經濟發展水平以及城市化規模上的不同，造成了各自變化速率的不同。

(3) 南京市居民食物碳消費量處于波動變化中。食物消費系統的碳輸出在4種排放方式上都有不同程度的增加，且廚余垃圾的碳輸出增長明顯。

(4) 食物消費進入環境介質中的碳環境負荷總體呈增長趨勢，進入水體和大氣中的比例下降，進入土壤中的比例上升。為降低南京市的碳環境負荷，應改進廚余垃圾和污水的處理工藝，開展節約食物的宣傳，減少食物浪費情況；應提高資源循環利用效率和廢棄物處理水平。作為第三批國家低碳城市試點，南京市需要采取針對性措施鼓勵低碳消費，發展低碳農業。