食品消費模式的碳足跡差異研究

蔣 璐,汪 瑞,劉蓓蓓,2*

食品消費模式的碳足跡差異研究

蔣 璐1,汪 瑞1,劉蓓蓓1,2*

(1.南京大學環境學院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,江蘇 南京 210023；2.南京大學—約翰斯×霍普金斯大學中美文化研究中心,江蘇 南京 210093)

為研究食品消費模式的碳足跡差異,基于生命周期評價方法,以水餃為例,評估了家庭手工、速凍零售、連鎖經營和個體經營四類消費模式在運輸、加工、包裝、存儲與烹飪環節的碳足跡差異.結果表明,水餃不同消費模式整體碳足跡由低到高分別為:家庭手工(1.85,kg CO2eq/kg,下同)、市內連鎖(1.86)、省內連鎖(1.89)、速凍零售(1.96)、個體經營(1.96)和鄰省連鎖(1.97).其中運輸環節碳足跡差異顯著(2.13%～7.80%),速凍零售模式最高,連鎖經營模式在中央廚房設置合理時展現出減排優勢.此外,討論了不同消費模式的食物損失與浪費環節碳足跡差異.研究指出,分片區設置中央廚房與配送中心、優化運輸路徑,減少全過程的食物損失與浪費等,將是居民食品消費系統碳減排的有效發力點.

碳足跡；食物系統；生命周期評價；食物損失與浪費

全球食物系統造成約三分之一的溫室氣體排放[1],僅食物系統的排放就可能阻礙《巴黎協定》將全球升溫限制在比工業化前水平高1.5°或2℃以內的目標的實現[2],是溫室氣體減排戰略的關鍵點.中國是全球食物系統碳排放量最大國家之一,2015年食物系統溫室氣體排放量達2.4Gt CO2eq[1],碳減排潛力巨大.如何在保障糧食安全的前提下推動食物系統減排與可持續性轉型,是當前食物系統面臨的主要挑戰[3].

鑒于居民消費能力的快速增長,食品消費成為碳排放增長的主要驅動因素,從消費端減少食品碳排放對于實現碳中和目標至關重要[4].現有食物系統消費端的減排策略主要強調飲食結構轉型的貢獻[5],然而食品消費模式改善也為食物系統消費端減排提供了潛在機遇.研究發現,消費選擇行為改變如選擇當地新鮮食物[6]、購買高效生產的食物以提高消費效率[7]具有較好的減排效果.通過比較餐包和雜貨店食品的碳足跡,發現盡管餐包的包裝增加了溫室氣體排放,但由于其流水線生產、直接面向消費者的供應鏈模式和減少的食物浪費,單位溫室氣體排放量比雜貨店食品減少了33%[8].此外,減少供應鏈上的食物浪費是食物系統減排的重要戰略[2].研究發現超過55%的預期氣候變暖可以通過消費模式改變以及消費者和零售層面減少食物浪費等行動來避免[9].盡管已有研究討論了消費模式關鍵環節改變的碳減排效益,但在針對食品在不同消費模式的整體碳足跡定量研究方面尚不充分,尚無同類食品不同消費模式的橫向并列比較研究,難以為消費層面碳減排策略制定提供系統性科學支撐.本研究將探究不同食品消費模式在運輸、加工、包裝、存儲與烹飪環節的碳足跡差異及其減排潛力.水餃作為歷史悠久、廣受歡迎的中國傳統美食,包含主食、蔬菜與肉類,營養結構豐富,且可作為一份整體餐食,基本覆蓋常見的食品消費模式,因此具有較好代表性.目前水餃的消費模式主要有家庭手工、速凍零售、連鎖經營和個體經營四類.本研究將以“從搖籃到餐桌”的系統邊界進行生命周期評價,探究水餃不同消費模式的碳足跡差異,旨在從餐飲行業與消費者的層面提出可能的減排方案.

1 數據與方法

1.1 研究邊界

以“從搖籃到餐桌”為系統邊界,核算家庭手工、速凍零售、連鎖經營以及個體經營四類消費模式的水餃在系統邊界內的碳足跡,包括原料生產、運輸、存儲、加工、包裝及烹飪環節,不考慮消費者的食物浪費、廚余垃圾與排泄(圖1).家庭手工模式中,原料從區域配送中心或批發市場運輸至超市/菜市場存儲、零售,消費者采購后運輸、存儲和烹飪.速凍零售模式中,原料從供應市場運輸至水餃加工廠進行生產加工與包裝,并運輸至超市零售,消費者采購后運輸、存儲及烹飪.連鎖經營模式中,原料從供應市場運輸至中央廚房進行集中生產,而后運輸至連鎖門店進行存儲、烹飪和零售,最后消費者前往門店用餐.該環節的確定參考了行業典型龍頭企業的運作模式——經中央廚房加工后將成品與半成品配送至門店.個體經營模式中,原料從區域配送中心或批發市場運輸至超市或菜市場零售,個體經營者進行運輸、存儲、烹飪和零售,最后消費者前往用餐.

功能單位為1kg 消費者所獲得的白菜豬肉水餃.根據調研結果,設置水餃中面粉、白菜與豬肉的比例為4:3:3.由于調料相關數據的缺失,且考慮到調料在水餃中成分占比相對較少,本研究選擇忽略水餃中調料的碳足跡.白菜豬肉水餃廣受歡迎且營養結構豐富,因此具有較好代表性.假設不同消費模式水餃的原料在農業投入環節相同.

圖1 不同水餃消費模式的研究框架

1.2 數據來源與處理

不同消費模式系統邊界內各環節碳排放因子數據(表1)以及食物損失與浪費數據(表2)均從文獻中獲得.鑒于中國在原料和餐飲烹飪方面的食物損失率數據的缺失,本文采用了部分國際數據.考慮到全球范圍內包括超市、批發市場和零售商在內的零售階段食物損失率的區域異質性很小[10],本文使用了美國的原料零售損失率.此外,通過對中國消費損失率、英國餐飲烹飪損失率以及消費損失率的比例換算,獲得了中國餐飲烹飪損失率,但這種方法引入了一定誤差.運輸距離、機器功率、存儲時間等數據通過調研獲取,具體見1.3節.

特別需要說明的是連鎖經營模式運輸距離數據采用基于Python爬蟲的網絡信息爬取獲得,該模式主要采用中央廚房的配送模式,具有獨立的場所用于集中制作成品或半成品,并利用其成熟的物流系統將其配送至各門店,具有較高生產效率和資源利用效率,可有效節約勞動力和生產空間[11],近年來在全世界成為食品行業的新趨勢[12].研究選取如意餛飩作為連鎖經營案例.如意餛飩作為中式快餐連鎖的龍頭企業,中央廚房模式發展成熟,具有良好代表性.連鎖門店相關數據來源于高德地圖.通過網絡信息爬取采集全國如意餛飩門店信息,數據節點截至2022年6月,并對不符合要求的數據進行篩除,篩選后共計獲得1521條數據.門店分布情況如圖2所示.

表1 生命周期內各環節碳排放因子數據

表2 生命周期內各環節食物損失與浪費數據

為探究連鎖經營模式中中央廚房設置與運輸距離差異的碳足跡影響,選取門店分布清晰、范圍廣的武漢中央廚房為研究對象,共包含378家門店.將門店劃分成三個片區:武漢市內門店166家、湖北省內(除武漢市)門店69家以及鄰省(陜西、四川、重慶、湖南、江西與河南)門店143家,分別為市內片區、省內片區與鄰省片區,門店分布情況如圖3所示.假設配送時配送車輛單次配送1家門店,考慮車輛回程.在ArcGIS中計算武漢中央廚房到各片區的平均距離.武漢中央廚房到市內片區的平均距離為26.16km,到省內片區的平均距離為158.88km,到鄰省片區的平均距離為517.75km.

圖2 如意餛飩門店分布情況

底圖審圖號GS(2019)1822號,下同

圖3 武漢中央廚房配送門店分布情況

1.3 碳足跡核算方法

食品不同消費模式碳足跡核算涉及生產、運輸、加工、包裝、存儲與烹飪階段.生產階段碳足跡主要來源于制造排放、場地排放、機械排放、電力運輸、腸道發酵以及糞便管理.運輸環節碳足跡主要包括生產商、供應商、零售商與消費者之間的配送過程中產生的碳排放量,考慮運輸所消耗的能源(汽油、柴油與電力)以及冷鏈運輸中的制冷劑泄漏.加工環節碳足跡來源于負責原料加工(切菜、絞肉、和面、包制)的專業設備所消耗的電力.包裝環節碳足跡考慮食品所用包裝材料的潛在碳排放.存儲環節碳足跡考慮制冷設備所消耗的能源以及制冷劑泄漏.烹飪環節碳足跡考慮烹飪所消耗的能源與現場排放.

在系統邊界內,食物損失與浪費涵蓋運輸損失、零售損失與加工損失.其中,運輸損失包括原料在運輸過程中的腐敗與溢出;零售損失涵蓋了未銷售部分和因超市/菜市場存儲不當導致的原料腐敗,以及連鎖經營與個體經營模式中由于需求預估過高導致的原料浪費;加工損失指在對原料進行加工時因切割、去皮、去骨等處理而產生的廢棄物.

各階段具體碳足跡核算方式如下:

(1)原料生產階段碳排放

原料生產階段的碳排放的計算公式如下:

式中:p為單位原料生產階段碳排放因子,kg CO2eq/kg;p為生產階段原料重量,kg.

(2)運輸階段碳排放

原料運輸階段的碳排放計算公式如下:

式中:t為運輸車輛碳排放因子,kg CO2eq/(kg·km);t為運輸階段原料重量,kg;t為運輸距離,根據潘佳玲[27]的研究,供應商到加工配送中心的平均距離為103.33km,加工配送中心到零售商的平均距離為80km;r為制冷劑泄露碳排放因子,kg CO2eq/km.豬肉、白菜、速凍水餃、中央廚房水餃使用冷藏車運輸,面粉使用常溫車運輸.

消費者、經營者出行碳排放計算公式如下:

式中:j為汽車排放因子,kg CO2eq/km;k為電瓶車排放因子,kg CO2eq/km;v為出行距離,原料采購平均距離為1.36km[28],消費者消費出行距離為0.45km[29];j為汽車出行概率;k為電瓶車出行概率.消費者原料采購出行電瓶車占比為10%,汽車占比為20%,其余為步行或自行車,不產生碳排放;經營者原料采購出行電瓶車占比為10%,汽車占比為60%[30].

(3)加工階段碳排放

連鎖經營中央廚房的加工階段的碳排放計算公式如下:

式中:1為切菜機加工的白菜重量,kg;2為絞肉機加工的豬肉重量,kg;3為和面機加工的面粉重量,kg;1為切菜機生產能力,為200kg/h;2為絞肉機生產能力,為350kg/h;3為和面機生產能力,為112.5kg/h;1為切菜機功率,為0.75kW;2為絞肉機功率,為2.2kW;3為和面機功率,為2.2kW;e為全國電網排放因子,kg CO2eq/(kW×h).以上數據均通過調研相關機器說明書獲得.

水餃加工廠的加工階段碳排放計算公式如下:

式中:4為水餃機加工的水餃重量,kg;4為水餃機生產能力,為400kg/h;4為水餃機功率,為1.75kW.以上數據均通過調研相關機器說明書獲得.

基于功率和時間的基礎假設是計算耗電量的常見方法,然而在實際情況中存在一定偏差.不充分考慮設備功率變化和待機時間可能導致對耗電量的高估,例如設備在啟動階段需要較高功率,而在正常運行期間功率可能降低.另一方面,忽略輔助設備和周邊設備功率貢獻則會低估耗電量.

(4)包裝階段碳排放

速凍水餃的塑料包裝的碳排放計算公式如下:

式中:a為塑料包裝碳排放系數,kg CO2eq/kg;a為塑料包裝重量,根據實驗測量,1kg速凍水餃的塑料包裝重量為0.06kg.

(5)存儲階段碳排放

超市/菜市場存儲白菜和豬肉階段的碳排放計算公式如下,面粉常溫保存:

式中:s為陳列柜碳排放系數,kg CO2eq/(d·kg);m:超市/菜市場存儲原料重量(白菜與豬肉),kg;m為超市/菜市場平均存儲時間,為0.76d[8].

速凍零售、個體經營、家庭手工儲存階段的碳排放計算公式如下:

式中:s為水餃重量,kg;s為速凍水餃平均存儲時間,d.假設水餃店存儲原料平均時間為1d;超市存儲速凍水餃平均時間為10d;消費者存儲原料平均時間為1d,存儲速凍水餃平均時間為10d.由于存儲環節碳排放在全生命周期內占比很小,數據假設對結果的影響可忽略不計.

(6)烹飪階段碳排放

烹飪階段的碳排放計算公式如下:

式中:5為加工單位質量白菜碳排放因子,kg CO2eq/ kg;5為白菜重量,kg;6為加工單位質量豬肉碳排放因子,kg CO2eq/kg;6為豬肉重量,kg;7為加工單位質量面粉碳排放因子,kg CO2eq/kg;7為面粉重量,kg.

2 結果與分析

2.1 不同消費模式總體碳足跡差異

消費者獲得1kg白菜豬肉水餃的碳足跡從低到高分別為:家庭手工、市內連鎖、省內連鎖、速凍零售、個體經營和鄰省連鎖(圖4).市內連鎖碳足跡很低,表明中央廚房模式在運輸距離適當的情況下具有良好的減排潛力.此外,速凍零售相比其他消費模式運輸距離較長、所使用的塑料包裝材料較多,因此即使速凍零售產生的食物損失與浪費最少,總體碳足跡仍然較大.

圖4 不同消費模式的碳足跡差異

不同消費模式的水餃各環節碳足跡占比具有明顯差異(圖5),盡管絕大部分的碳排放是從原料生產與烹飪階段產生.家庭手工運輸(4.33%)與存儲(0.05%)環節產生的二氧化碳占比很小.類似的,個體經營模式的原料生產(56.34%)與烹飪(41.02%)環節產生了系統邊界內絕大部分的碳排放.市內連鎖、省內連鎖和鄰省連鎖運輸環節碳足跡差異較大,分別為2.13%、3.73%和7.80%.與其他模式相比,速凍零售原料生產(50.86%)與烹飪(36.07%)環節的碳足跡占比較低,運輸(6.89%)與包裝(5.17%)的環境影響不容忽視.此外,由于速凍零售的冷鏈環節更長、存儲時間更久,存儲環節碳足跡顯著高于其他幾類消費模式.

圖5 不同消費模式的各環節碳足跡占比

2.2 不同消費模式運輸環節碳足跡差異分析

為清晰直觀地了解水餃的不同運輸方式對環境造成的影響差異,假設系統邊界內不發生食物損失與浪費,分別計算4種類型水餃的碳足跡.結果表明,不同類型水餃在運輸環節碳足跡的差異顯著,從低到高分別為市內連鎖、個體經營、省內連鎖、家庭手工、速凍零售以及鄰省連鎖(圖6).

市內連鎖經營運輸碳足跡最小,這意味著當中央廚房設置合理時,連鎖門店集中配送的模式具有一定優越性.一般來說,連鎖門店的配送車輛載貨量高,且根據門店坐標進行配送路徑優化,因此可提升配送效率并產生較少運輸碳足跡.但配送路程的增加會減少這種優勢.

速凍零售的運輸路程最長,因此其運輸碳足跡最大.此外,配送距離越長,對存儲冷凍條件要求就更高,所需投入的資源的提高也將帶來更多的碳排放.此外,家庭手工水餃的運輸距離最短,但碳排放并不低,這是由于相比水餃店的集中大規模采購,消費者個體出行行為具有較高碳足跡.

圖6 水餃不同運輸方式的碳足跡差異

2.3 不同消費模式食物損失與浪費環節碳足跡差異分析

不同消費模式的水餃在食物損失與浪費環節的碳足跡具有顯著差異,在總量的占比從低到高分別為速凍零售(6.07%)、家庭手工(9.69%)、連鎖經營(12.04%～13.61%)與個體經營(16.55%).

速凍零售模式在食物損失與浪費方面表現最佳,因其直接與供應商簽訂采購協議避免了零售環節的損失,同時全覆蓋的冷鏈系統也進一步減少了損失.

個體經營模式的食物損失與浪費最為嚴重,其中除了運輸和加工損失外,超市/菜市場的零售損失和備貨冗余導致的零售損失也是主要原因.由于商品過期、存儲條件不佳、庫存過多、質量問題以及不適當的庫存周轉等因素[31],超市/菜市場的零售階段不可避免地產生食物損失.此外,預測需求并據此進行備貨可以有效減少零售損失,但許多餐館經營者由于負擔能力問題和商業資源的缺乏而難以利用相關技術進行創新[32].

運輸環節的食物損失對碳排的影響相對復雜,冷鏈可以通過延長食品保質期來減少食物損失帶來的碳排放,但是冷鏈自身的能源消耗與制冷劑泄漏也會產生碳排放[33],因此在使用冷鏈以減少食物損失的同時,需對其產生的碳排放進行系統權衡.研究表明,在當前的食品需求水平下,減少食物損失所產生的碳排放超過了冷鏈擴張過程中能源消耗增加所產生的碳排放.如果中國的肉類、牛奶和水產品冷鏈實現全覆蓋,可使其碳足跡分別減少約51.93%、3.16%和84.17%[33].因此,大力推廣綠色、節能、低碳的冷鏈物流可以通過減少運輸環節的食物損失來達到減少碳排放的效果.

2.4 減排建議

2.4.1 減少食物損失與浪費《中華人民共和國反食品浪費法》于2021年4月29日起正式實施,表明減少食物浪費、保障糧食安全的重要地位.食品消費在生命周期各階段均伴隨著嚴重的食物損失和浪費,因此需在每個階段采取措施以減少這種損失和浪費,從而降低食品消費碳足跡.以世界資源研究所發表的《減少糧食損失和浪費:制定全球行動議程》報告為基礎[34],結合水餃全生命周期的食物損失與浪費特征,可能的減排路徑如下:

(1)原料存儲條件改善,減少收獲后損失.提供清潔、涼爽、干燥的存儲條件;采用低成本的儲存和處理技術,防止變質并延長貨架壽命[34].

(2)運輸路徑優化,冷鏈引入,減少運輸損失.利用技術創新改善信息流動優化食品運輸;引入節能、清潔、低碳的冷鏈.

(3)超市、菜市場庫存管理優化.完善溫度管理、產品處理和庫存周轉;優化庫存管理系統,并增加供應商合同的靈活性.

(4)餐飲經營者合理預測消費需求.根據歷史趨勢進行庫存管理;減少生產過剩,并重新利用多余食物[34].

目前解決食物損失與浪費問題還存在一些障礙.許多政府機構的職能與食物損失或浪費密切相關,但部門間協調仍需加強[23].

2.4.2 分片區設置中央廚房與配送中心、優化運輸路徑 不同運輸方式的碳足跡差異顯著,減排潛力較大.原料運輸與連鎖門店配送可以通過運輸路徑優化與配送中心選址優化減少運輸成本與碳排放.在條件允許的情況下,分片區設置中央廚房或配送中心、建立多層次的配送網絡[35],可以顯著減少配送路程與碳排放,實現經濟效益和環境效益的統一.

然而在物流配送路徑優化設計中,考慮碳足跡的路徑的總成本往往要高于不考慮碳足跡的情況[35-36],考慮碳排放需要付出一定的經濟成本,因此需要政策進行調控.政府應加強企業監管,提高企業的綠色物流意識;考慮出臺一系列補貼政策,鼓勵企業主動將碳排放因素考慮在配送路徑選擇中.

2.4.3 選擇環保的烹飪方法、燃料和炊具 液體或氣體燃料在大多數情況下比固體燃料更環保.此外,改進炊具的性能、改進預處理工藝和回收利用也可以增加烹飪環節的環境效益[37].

2.4.4 包裝的減量化、綠色化與循環利用 在保證食物質量在運輸和存儲的過程中不下降的情況下,建議減少包裝的使用量;使用綠色、環保、易降解的包裝材料;建立包裝盒回收機制等.

2.4.5 消費者低碳生活 作為保護環境的主體,消費者應提高環境保護意識,將低碳出行和節約糧食貫徹到日常生活中.此外,社會媒體應加強反對食物浪費的宣傳力度,促進社會規范改變,使節約糧食成為一種社會公德.

3 結論

3.1 水餃不同消費模式碳足跡從低到高分別為:家庭手工(1.85,kg CO2eq/kg,下同)、市內連鎖(1.86)、省內連鎖(1.89)、速凍零售(1.96)、個體經營(1.96)和鄰省連鎖(1.97).原料生產與烹飪環節產生大部分的碳排放,其次是運輸環節.食物損失與運輸方式是造成碳足跡差異的兩個重要因素.

3.2 運輸環節碳足跡具有顯著差異,從低到高分別為市內連鎖(0.04)、個體經營(0.05)、省內連鎖(0.07)、家庭手工(0.08)、速凍零售(0.10)以及鄰省連鎖(0.15).結果表明,當中央廚房設置合理時,連鎖門店集中配送的模式具有一定優越性.

3.3 因食物損失與浪費而產生的碳足跡占比從低到高分別為速凍零售(6.07%)、家庭手工(9.69%)、水餃連鎖(12.04%～13.61%)、個體經營(16.55%).各環節食物損失與浪費減排潛力較大.

3.4 運輸路徑優化、配送中心選址優化、分片區設置中央廚房或配送中心、建立多層次的配送網絡可有效減少運輸環節碳足跡.政府應推廣綠色、節能、低碳的冷鏈物流,考慮出臺補貼政策,鼓勵企業主動將碳排放因素考慮在配送路徑選擇中.減少食物損失與浪費具有較好減排潛力:改善原料存儲條件,減少原料損失;優化運輸路徑,引入冷鏈,減少運輸損失;優化超市、菜市場庫存管理;餐飲經營時合理預測訂單需求;進行有效的食物回收.此外,需推動包裝減量化、綠色化與循環使用,推廣環保烹飪方法、燃料和炊具,以及鼓勵消費者低碳生活.

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Differences in carbon footprint of food consumption patterns.

JIANG Lu1, WANG Rui1, LIU Bei-bei1,2*

(1.State Key Laboratory of Pollution Control & Resource Reuse, School of Environment, Nanjing University, Nanjing 210023, China；2.The Johns Hopkins University-Nanjing University Center for Chinese and American Studies, Nanjing 210093, China)., 2023,43(12)：6755～6762

To analyze the carbon footprints of different food consumption patterns, taking dumplings as study objects, a life cycle assessment (LCA) from “cradle to table” was used to evaluate the carbon footprint of four consumption patterns, namely, home-made, frozen retail, chain-store operation and individual operation. The carbon footprints of transportation, storage, processing, packaging, distribution sectors were estimated. Results showed that, the carbon footprints of different dumplings’ consumption patterns increase in sequence from homemade(1.85, kg CO2eq/kg, the same below), chain-store operation (intra-city) (1.86), chain-store operation (cross-city) (1.89), frozen retail (1.96), individual operation (1.96), to chain-store operation (cross-province) (1.97). The carbon footprint of transportation sector varied widely (2.13%～7.80%), with the frozen retail pattern reaching the highest, while the chain-store operation pattern being the lowest when central kitchens for centralized distribution were reasonably well established. The study also explored the discrepancy in the carbon footprints of food waste and loss across different consumption patterns. It is suggested that establishing regional central kitchens and distribution centres, optimizing transportation routes, and reducing food loss and waste throughout the entire process will be key points to reduce carbon emissions in the residential food consumption system.

carbon footprint；food systems；life cycle assessment (LCA)；food loss and waste

X24

A

1000-6923(2023)12-6755-08

蔣 璐,汪 瑞,劉蓓蓓.食品消費模式的碳足跡差異研究 [J]. 中國環境科學, 2023,43(12):6755-6762.

Jiang L, Wang R, Liu B B.Differences in carbon footprint of food consumption patterns [J]. China Environmental Science, 2023,43(12):6755-6762.

2023-04-28

國家自然科學基金資助項目(72174085);江蘇自然科學基金資助項目(BK20221448)

* 責任作者, 教授, Lbeibei@nju.edu.cn

蔣 璐(2000-),女,江蘇常州人,南京大學碩士研究生,主要從事農食系統的可持續管理研究.發表論文1篇.1056912735@qq.com.