基于生命周期法的生鲜农产品供应链碳足迹分析

缪小红，周新年，倪 川，连 捷

(1.福建商学院，福建 福州 350016；2.福建农林大学 交通与土木工程学院，福建 福州 350002；3.福建农林大学 林学院，福建 福州 350002)

0 引言

我国作为全世界农业生产和农产品消费大国，生鲜农产品在我国农业产品中占有举足轻重的地位[1]，目前采用的冷链技术能够保证生鲜农产品在加工、储存和运输配送过程中的安全性和新鲜性，然而冷链过程中需加强对温度的控制，这就增加了能源的消耗和温室气体CO2的排放.因而基于碳足迹的视角，分析评估生鲜农产品在生命周期的各个环节碳排放量，了解生鲜农产品在冷链过程中所形成的温室气体排放量，比较常温模式下与冷链模式下碳足迹情况，为后期探索相应环节中减少温室气体排放的解决方法提供数据支撑[2].

1 碳足迹核算方法

1.1 生命周期法的介绍

在产品的整个生命周期中所产生的碳排放总和，即全生命周期内排放的CO2与其他温室气体的总量，称为碳足迹，多用于评价对气候变化的影响，一般以CO2当量形式表达.“碳足迹”越大，表明产品“碳”的消耗量就越多，从而使得地球变暖的元凶CO2量越多[3].确定系统边界范围是碳足迹研究过程中的首要任务，在现有关于农产品碳足迹核算的研究中，生命周期评价法，即LCA (Life Cycle Assessment)是最为常用的方法[4].

LCA法的优点是可以清晰地了解产品生命周期里各环节的投入和排放情况，从而寻找出高投入和高排放环节，然而受到农产品生产过程中的复杂环境及条件等不确定因素影响，根据LCA法对系统边界进行划分后，得到的计算结果无法一致，导致目前尚未有统一的农产品碳排放的评估标准或方法，这成为制约我国农产品碳足迹研究的主要因素.

1.2 生命周期法的应用

LCA方法将产品或服务的每一个环节都列入评估体系之中，被称为从“摇篮”到“坟墓”的方法.由此可知，农产品种植、生产加工、储存、销售、消费和废弃等环节是生鲜农产品的完整生命周期过程.因此，界定碳足迹有效计算范围是确定农产品生命周期内温室气体排放活动的关键环节，并可以为后期数据收集和碳足迹计算提供依据[5].

目前相关研究多以常温物流活动或对农产品生产过程中产生的碳排放为对象，而对冷链流通模式下的碳排放研究较少.全程冷链物流模式与常温物流模式相比，由于制冷设备的使用，使农产品在流通过程中的腐损率大幅度降低，从而减少因农产品损耗所产生的碳排放量.但考虑到冷链模式下的制冷环节也会产生碳排放，需进一步核算总体效果.因此，在学习和总结前人对农产品流通碳排放计算的基础上，考虑常温流通模式和冷链流通模式下的碳足迹测度，建立基于生命周期法的农产品碳足迹模型，并进行分析比较，该过程包括以下步骤：建立研究对象的生命周期流程图→确定系统边界→功能单位→收集数据→核算碳足迹→结果分析.

2 基于LCA的生鲜农产品碳足迹计算模型构建

2.1 生鲜农产品生命周期分析

对比分析冷链模式和常温模式下的生鲜农产品物流方式，需同时满足以下条件.

(1) 1个生鲜农产品的配送中心为多个顾客服务.

(2) 市场上生鲜农产品的所需供给量是已知的，且所有客户都必须得到服务.

(3) 储存农产品所使用的仓库大小和耗能材料相同.

(4) 在不同模式下，运输车辆的属性相同，即使用的能源材料、车辆配送路线和载重量均相同.

以冷链物流模式下的生鲜农产品为研究对象，对其生命周期进行分析，测算供应链的各个环节碳排放.

首先，确立其生命周期流程图，如图1所示，了解农产品从生产到最终消费及废弃物处理过程对应的作业环节.

接着，选取碳足迹测算环节,确定系统研究边界，主要包括冷链过程中农业生产、运输、储存和预冷以及废弃时所产生的碳排放，计算如下：

C冷链=C生产+C运输+C预冷和储存+C废弃，

(1)

其中：C冷链为基于生鲜农产品冷链供应链下的碳排放量；C生产为农产品在产地生产过程产生的碳排放量；C运输为农产品从产地向消费者流动过程产生的碳排放量；C预冷和储存为生鲜农产品预冷和冷藏过程中的碳排放量；C废弃为农产品腐烂过程及废弃物处理产生的碳排放量.

图1 冷链模式下农产品生命周期碳足迹计算边界

2.2 生产过程中的碳排放

生产过程中由于受到外界气候等复杂环境因素的影响，碳排放量也会有所不同，数据测量和计算主要是通过实验测量方法获取，这需要经历漫长而复杂的实际测算过程.

农产品生产过程需要考虑投入使用塑料膜等材料产生的碳排放，同时还需考虑化肥投入、农药投入等使用后直接产生的温室气体排放量.计算如下：

(2)

(3)

在已知单位产量碳排放时，测算计算公式如下：

C生产=CFy×Qy，

(4)

其中:CFy为单位产量碳排放量；Qy为生鲜农产品总产量.

2.3 运输过程的碳排放量

完成农产品空间转移的运输环节，是实现农产品从产地送到零售商手中的过程.常见的运输方式有常温运输和冷藏运输，其区别在于用到的运输车辆不同.传统常温运输车辆多采用运输货车加棉被的保温方式进行农产品运送，其保鲜效果显而易见是不够理想的，为了更好地实现制冷保鲜效果，冷链运输的车辆通常采用专门的冷藏车.两种运输方式的碳排放具有相似点和不同点，相似点是两种模式下运输车辆行驶过程中使用的油耗都会产生碳排放；不同点是冷链模式下冷藏车运输过程中还需使用制冷设备，其在制冷时也会产生碳排放.

2.3.1 车辆行驶碳排放(C1)

行驶过程中，运输车辆因燃料的使用而产生CO2等温室气体排放量，计算公式如下：

C1=Mij×ci×δi，

(5)

(6)

其中：C1为车辆行驶碳排放量；Mij为车辆j在行驶过程中使用i类型燃料量；ci为i类型燃料的单位发热；δi为i类型能源的碳排放系数；Dij为车辆j的行驶距离；Fij为车辆j的平均油耗.

2.3.2 制冷碳排放(C2)

在冷链流通模式下，为了保证生鲜农产品低温冷藏保鲜运输，运输车辆行驶过程中除了产生的运行能耗外，车辆所运行的制冷设备也会消耗能源，这里运用“转换活动系数法”计算车辆制冷设备产生的碳排放.根据冷藏运输环节制冷系统存在热负荷值Q(n)[6]，得到制冷过程的碳排放计算公式如下：

(7)

其中：C2表示冷藏车制冷的碳排放量；δi为i种能源的碳排放系数；Ψi为i种能源的热值.

2.4 储存环节的碳排放

在农产品生命周期中，对冷链模式和常温模式碳足迹进行分析，储存环节的碳排放分为冷链模式的预冷包装和常温存储过程.

2.4.1 冷藏环节的碳排放(C31)

农产品产地预冷、零售商储存以及消费者的储存是农产品的主要储存活动环节.本研究选取位于销售前期并较为方便获取数据的产地预冷、零售商的储存环节进行研究，与常温储存环节相比，运用碳排放系数法分析计算其碳排放水平.冷藏储存需考虑制冷设备的投入，计算公式如下：

(8)

2.4.2 常温模式下储存环节的碳排放(C32)

储存时间是与常温储存能耗直接相关的因素，因此对其碳排放量进行如下计算：

(9)

2.5 处理废弃农产品的碳排放

分析在常温和冷藏模式下腐烂过程及废弃物处理过程发生的碳排放时，结合农产品的易腐性特征，考虑其在运输和储存环节的货损情况.本研究针对填埋方式处理废弃农产品过程的碳排放进行研究，其计算公式如下：

C废弃=Q0×λi×Mf，

(10)

其中：C废弃为废弃物厌氧分解期间的直接碳排放；Mf为处理单位废弃物的碳排放量；Q0为生鲜农产品产量；λi为不同模式下的农产品腐损率.

2.6 碳排放模型

综合以上各环节的分析，得出不同流通模式下碳排放的测度模型.具体计算模型如下：

C冷链=C生产+C1+C31+C废弃=

Q0×λi×Mf，

(11)

C常温=C生产+C2+C32+C废弃=

(12)

3 实证分析

3.1 实例分析

福建省罗源县位于北纬26°23′～26°39′，东经119°07′～119°54′，属福州市辖县，地处福建省东北沿海，东面与霞浦东冲半岛隔海相望，西南与福州市、闽侯县相接，南面与连江县相邻，北面与宁德市、古田县接壤，地理环境优越，且全年气候温暖湿润，使当地产出的草莓产量高，而且甘甜怡人、个头硕大，具有抗病能力强等特点.因此，充分利用当地气候资源，开发草莓生产，搭建较为成熟的草莓种植→运输→销售供应链网络.在充分调研的基础上，将上述模型应用于福建省罗源县草莓供应链，结合实际数据进行分析.采用LCA方法，测算草莓生命周期内各环节的碳排放量，已知草莓最佳存储温度为0～10 ℃，运输车辆载重量为5 000 kg，产地到零售商的运输距离为90 km.对草莓在生产环节、运输环节、储存环节等在销售前端各环节产生的直接和间接的碳排放量进行研究，通过实验得出主要活动相关数据，如表1所列.

表1 模型相关参数对应数值

3.1.1 生产环节的碳排放

草莓适宜种植的温度是17～25 ℃.因此，草莓可在塑料大棚中无需温度控制进行种植，在草莓种植过程中产生的单位碳排放约为221 g/kg，由公式(4)可得5 t草莓生产过程碳排放总量1 105 kg.

3.1.2 运输环节的碳排放

能源消耗直接影响配送环节的碳排放量，该研究中运输车辆使用的能源均为柴油[10]，由BP中国碳排放可知1 L柴油的碳排放量为2 630 g，从生产商到零售商的运输方式是公路运输.根据实验数据可计算两种模式下运输过程的单位碳排放[11]分别为0.03716 g/(kg·km)和0.08177 g/(kg·km)，分别计算其运输碳排放总量.

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 存储过程的碳排放

由于草莓极易腐烂，为了保持新鲜，必须在采摘后的12小时内进行预冷，预冷是通过迫使冷空气快速移动经过草莓堆来实现的，达到迅速去除田间热量的效果.预冷及存储过程中产生的碳排放取决于温度控制过程产生的用电能耗.草莓储藏温度也是由电力控制，根据我国冷藏库电耗标准0.3 kWh/(t·d)[12]，计算存储过程产生的单位碳排放为0.2652 g/(kg·d)，将数据代入公式(8)，可得

5×(2×0.2652+230.658+8.3214)=

2.652+1194.747=1197.399(kg).

3.1.4 常温储存环节碳排放

计算常温储存过程产生的碳排放时，将表1中数据代入公式(9)，可得

5000×(2×25.59+230.658)=

1409.19(kg).

3.1.5 废弃环节的排放

根据公式(10)可知:

常温模式下，

C废弃=Q0×λ2×Mf=

5×30%×41.21=61815=61.815(kg).

冷链模式下,

C废弃=Q0×λ1×Mf=

5×3%×41.21=6181.5=6.1815(kg).

3.2 结果分析

根据以上模型，将相应数据代入公式(11)和(12)，计算可得，在全程冷链流通模式下2天内产生的碳排放量为2 345.3 kg，常温模式下产生的碳排放量为2 592.7 kg.可以看出，采用冷链物流模式产生的碳排放量更少，该结果可为有效测量农产品不同流通模式下的碳足迹提供参考依据，同时，全程冷链模式下可大大降低草莓变质率，延长储存时间，更有利于环境保护和降低草莓营运成本.

与常温下的腐损率相比，全程冷链的草莓腐损率λ1远小于常温模式下的腐损率λ2，可见冷链C废弃小于常温C废弃，如将减少的腐损部分，即减少的碳排放折算成生产耕地使用功能，则相当于增产Q0△λ.其中△λ=λ2-λ1，从而节省的总碳排放量即为草莓在不同模式下碳排放的差值△C=C冷链-C常温，将数据代入模型中，代入模型中，可得知草莓在常温流通与冷链物流的碳排放之差为247.4kg，比例下降9.54%.由此可以看出，虽然冷链模式下设施设备投入使用成本较常温模式成本高，但总体产生的碳排放量比常温模式下的碳排放总量少.因此从环境保护角度出发，采用全程冷链不仅降低农产品腐损率，还响应国家低碳相关政策，实现低碳物流.

4 结束语

在低碳经济背景下，为落实农产品物流节能减排的行动，在农产品物流快速发展的同时不得不平衡产品运营与环境的矛盾.通过采用生命周期评价法，分析草莓在生产、配送、储存和预冷过程中每个环节的碳足迹，对草莓在常温和冷链模式下流通过程的碳排放量进行计算，分析在冷链物流过程得到不同活动的碳排放系数，根据两种模式下的计算结果可以得出，冷链模式有助于减少流通过程产生的温室气体的排放，降低能源消耗，同时保障食品安全，具有良好的社会效应和环境效应.