南京居民食物消费系统中的碳变化与环境负荷*

卢 然 谢晟宇 谢 标 (南京师范大学环境学院，江苏 南京 210023)

食物消费系统造成了20%～50%的人为环境负荷[1-2]。当前，快速的城市化进程带来了食物生产消费的转变，并影响到了碳、氮、磷等元素的动态变化，而这些元素又与富营养化[3-4]或温室气体增多[5-6]等环境问题密切相关。

国家和区域尺度的食物消费系统元素变化研究起步较早。PATHAK等[7]研究指出，印度的碳排放有87%由食物生产造成。LE等[8]从法国农业食物系统的角度计算了牧地和农田的碳、氮、磷元素输入。高晶等[9]对比了城乡居民的食物消费结构，对食物消费引起的碳排放量进行了测算。卜海月等[10]研究了城乡差异、区域差异与食物碳消费间的关系。

近年来，国内学者已对多个城市完成了相应的食物碳消费研究。罗婷文等[11]3256研究指出，北京的食物碳消费结构将转变为以粮食和肉类为主。学者对昆明市的研究表明，相较于人均食物碳消费量，人口变化对食物碳消费总量的影响更大[12]1677。吴开亚等[13]164研究发现，上海市的食物碳消费总量在上升，但人均食物碳消费量呈下降趋势。闫祯等[14]1639计算了1988—2010年厦门市的食物碳消费情况，指出人口增长造成了食物碳消费总量增加。

国内的相关研究主要集中于食物消费结构以及消费过程中产生的废弃物对环境的影响，缺少食物消费过程中所造成的碳环境负荷的研究。本研究以南京市为例，对1993—2013年的居民食物消费进行调查分析，研究食物消费所造成的碳环境负荷，为解决城市化过程中产生的环境问题提供科学依据，促进南京市的可持续发展。

1 研究区域概况、数据及方法

1.1 南京市概况

南京市位于江苏省西南部，总面积6 587.02 km2，2018年末常住人口为843.62万人。城市与农村居民2018年人均食物消费支出分别为5 523、2 853元，占消费支出的16.5%与15.5%。2018年限额以上餐饮企业366个，从业人员54 599个，营业额154.294 2亿元，餐费收入136.431 3亿元[15]。2017年，国家发展和改革委员会下发《关于开展第三批国家低碳城市试点工作的通知》，南京市被列为第三批国家低碳城市试点。因此，选取南京市作为研究区域具有重要意义。

图1 食物消费系统中的碳流动模型Fig.1 The carbon flow in food consumption system

1.2 数据来源

本研究中的数据主要分为两部分：一是通过查询1994—2014年的南京统计年鉴、南京卫生年鉴以及实地调研，获取南京市城乡居民人均食物消费量、常住人口等基础数据；二是基于文献资料和调研数据选取的研究参数，包括食物含碳量、食物营养素含量、外出就餐频率等。

1.3 计算方法

1.3.1 碳流动模型

基于物质流分析法，遵循质量守恒定律，查阅相关文献并根据南京市的城市特点建立食物消费系统的碳流动模型(见图1)。该模型将城乡食物中的碳消费总量作为输入项，人体吸收、代谢排放与厨余垃圾等作为输出项，分析从食物消费至废弃物处理的全过程，计算了进入大气、水体和土壤中的环境负荷量。

1.3.2 食物碳消费量的计算

食物消费总碳量的计算公式[16]见式(1)：

(1)

式中：Wc为居民食物消费的总碳量，g；i为食物类型序号；n为食物类型总数；wc，i为食物类型i消费的碳量，g；Wi为食物类型i消费的总量，g；ri为食物类型i的含碳量(以碳质量分数计)，%。

计算中需要用到主要食物类型中的含碳量[11]3253，具体参考表1。

表1 主要食物类型的含碳量

1.3.3 食物消费的碳环境负荷计算

通过计算消费过程进入介质中的碳量，对食物消费系统中碳的环境负荷情况进行评价。进入大气的碳环境负荷=人体呼吸碳量+粪尿还田挥发碳量+污水处理排放碳量+污泥焚烧排放碳量+厨余垃圾填埋挥发碳量+污泥填埋挥发碳量；进入土壤的碳环境负荷=厨余垃圾填埋碳量+粪尿还田碳量+污泥填埋碳量；进入水体的碳环境负荷=未处理污水碳量+尾水碳量。相关计算方法参见文献[12]。食物碳环境负荷的计算参数参考文献[17]至文献[21]。

2 结果与分析

2.1 南京市城乡居民食物消费量变化

1993—2013年南京城市居民人均食物消费总量由309.40 kg/a上升至316.29 kg/a，变化幅度较小。1993年的食物消费结构中植物性食物占比81.93%，动物性食物占比18.07%，2013年两者占比分别为73.30%与26.70%(见图2)。9种主要食物消费类型中，粮食消费量占比逐渐减少，其他食物消费量占比均有所增加。与1993年相比，2013年植物油、蔬菜、水果、猪肉、牛羊肉、蛋类、奶制品和水产品的占比分别增加了0.28百分点、4.70百分点、1.74百分点、0.43百分点、0.48百分点、0.11百分点、5.77百分点和1.56百分点。

图2 1993—2013年南京市城市居民食物消费结构Fig.2 Food consumption structure of urban residents in Nanjing from 1993 to 2013

1993—2013年南京农村居民人均食物消费总量由536.42 kg/a降低至361.95 kg/a，变化幅度较大。植物性食物消费占比由1993年的96.00%减少为2013年的83.48%，动物性食物消费由1993年的4.00%增加到2013年的16.52%(见图3)，动物性食物消费总量也有所增加。粮食和蔬菜的消费量减少较为明显，豆类、植物油、水果、猪牛羊肉、禽肉、蛋类和水产品的消费量占比分别增加了1.85百分点、1.84百分点、3.88百分点、3.68百分点、3.73百分点、2.26百分点和2.85百分点。

图3 1993—2013年南京市农村居民食物消费结构Fig.3 Food consumption structure of rural residents in Nanjing from 1993 to 2013

城市与农村居民的食物消费结构都在不断改变，两者的共同点是粮食消费量占比均有所下降，其余多种食物类型消费量占比增加，这表明随着经济水平提升，居民倾向于改善自身的食物消费结构，增加动物性食物消费量。但是，由于动物性食物的碳排放高于植物性食物[18]，这种改变可能对环境造成不利影响。两者的不同点在于，城市居民的食物消费结构趋向于多元化，且仍处在发展之中，城市居民在水果等食物类型上拥有更多的消费量。农村居民的消费结构则以几种食物(粮食、蔬菜等)为主，消费结构在2005年之后变化幅度不大，农村居民粮食、蔬菜人均消费量均高于城市居民。

2.2 南京市食物碳消费量变化

南京市城市居民人均食物碳消费量整体上先增加后减少(见图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，造成了食物消费结构的变化和消费量的增加。2002—2013年，人均食物碳消费量由63.11 kg/a减少至54.44 kg/a。这是由于城市居民开始注重饮食健康化，不再单纯增加肉类消费，进一步改善了食物消费结构。农村居民人均食物碳消费量变化可以分为差异较大的两个阶段：2000年之前为第一阶段，人均食物碳消费量波动上升，最大值为133.79 kg/a。2000—2013年为第二阶段，由133.79 kg/a下降到87.15 kg/a。综合而言，南京市居民人均食物碳消费量总体下降。

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

人均食物碳消费中下降最多的是粮食类，但从整体上看，南京市全市依旧以植物性食物碳消费为主(见图5)。2013年城乡人均食物碳消费量相比1993年有所减少，这与北京市[11]3254、上海市[13]163和厦门市[14]1639等地的研究结果类似。城市人均食物碳消费年均减少率为0.19%，农村为1.38%，农村地区减少率大于城市的情况也与昆明市[12]1678、安徽省[17]等地的研究结果吻合。

1993—2013年农村人均食物碳消费量始终高于城市，这是因为含碳量高的粮食在农村饮食结构中占比较大。由于粮食的减少速率远大于其他类型食物的增速，导致了2000年后农村人均食物碳消费量出现较大幅度下降。而在城市，粮食的减少速率与其他食物增速近乎持平，因此人均食物碳消费整体变化不大。由此可见，食物消费结构的变化是南京市人均食物碳消费量变化的主要原因。

图5 1993—2013年南京市城乡居民人均食物碳消费结构Fig.5 Food carbon consumption structure of urban and rural residents in Nanjing from 1993 to 2013

2.3 南京市食物碳消费的输入输出变化

1993—2013年南京市的居民食物碳消费总量呈波动变化，总体呈上升趋势(见表2)。最小值为1995年的41.73万t/a，最大值为2006年的52.32万t/a。

城市居民食物碳消费变化可分为3个阶段： 1993—2006年为第1阶段，食物碳消费量呈上升趋势；第2阶段为 2006—2007年，此阶段碳消费量大幅度下降，可能是因为统计标准发生了变化；第3阶段是2007—2013年，此阶段总体平稳上升。上升的原因是快速的城市化进程导致了城市人口大量增加，食物消费量也随之增加。农村居民的食物碳消费总量由30.98万t/a降低至17.73万t/a，并在2000年之后基本呈逐年下降趋势。由于城市的增长速率高于农村的下降速率，因此南京市食物碳消费量总体呈现上升趋势。

表2 食物消费系统碳的输入输出变化

食物消费系统中的碳主要依靠呼吸等方式进入外部环境，少部分则是被人体吸收，或形成厨余垃圾，通过填埋等方式进入环境。呼吸排放、粪尿排泄、人体呼吸、厨余垃圾输出的碳大体呈上升趋势， 2013年的输出量相比1993年分别增加了3.96万、0.14万、0.46万、1.61万t/a。随着居民食物消费模式的变化，以及食物浪费情况的增多，厨余垃圾的碳输出增长明显，将成为危害环境的重要原因之一。

2.4 南京市食物消费的碳环境负荷

1993年食物消费引起的碳环境负荷为40.82万t/a，随后总体保持增长，并波动上升至46.50万t/a(见图6)。其中，进入大气的比例由93.64%下降至91.75%，进入水体的比例由0.55%下降至0.48%，进入土壤的比例有所增加，从5.81%提高到了7.76%。

图6 1993—2013年南京市食物消费的碳环境负荷Fig.6 Carbon environmental load of food consumption in Nanjing from 1993 to 2013

大气碳环境负荷由38.23万t/a增加至42.67万t/a(见图7)，且一直保持在总环境负荷的90%以上，其主要来源于人体呼吸、粪尿还田、厨余填埋填埋、污水处理、污泥填埋以及焚烧造成的挥发。研究发现，污泥填埋、厨余垃圾填埋和污水处理环节的气体挥发量增长最为明显。填埋气体挥发包括污泥填埋挥发和厨余垃圾填埋挥发，随着南京市城市建设的不断发展，污水及厨余垃圾总量连年上升，然而大部分的厨余垃圾以及污泥往往只进行简单的填埋，它们在对土壤产生影响的同时，产生大量的CH4和CO2等温室气体，甚至会通过渗滤液等方式进入水体。

图7 1993—2013年南京市大气碳环境负荷Fig.7 Carbon environmental load of food consumption in the atmosphere of Nanjing from 1993 to 2013

进入水体的碳环境负荷总体先减少后增加，由1993年的0.23万t/a下降至1999年的0.14万t/a，随后又波动上升到2013年的0.22万t/a(见图8)。通过分析水体碳环境负荷的构成可以发现，未处理污水碳量的比例在不断降低，说明南京市的污水处理量正逐渐增加。对南京某污水处理厂的调研发现，污水处理工艺上的不足，导致了尾水中碳负荷量的增加。

图8 1993—2013年南京市水体碳环境负荷Fig.8 Carbon environmental load of food consumption in the water of Nanjing from 1993 to 2013

土壤碳环境负荷主要源于污泥填埋、厨余垃圾填埋以及粪尿还田，总体呈增长趋势，由1993年的2.37万t/a提高到2013年的3.61万t/a(见图9)，增加了52.32%。增长的原因是食物消费增加以及可能存在的浪费造成了厨余垃圾的剧增。同时，研究发现南京市对厨余垃圾的处理水平不足，以填埋为主。这种处理方式操作简单，但会占用大量土地资源，且会造成二次污染，导致大量有机碳进入土壤。要降低环境负荷，可以从减少食物浪费以及厨余垃圾循环利用等方面入手，将厨余垃圾用作饲料或是还田，重新投入作物生产系统和养殖系统中，提高资源的循环利用率。

图9 1993—2013年南京市土壤碳环境负荷Fig.9 Carbon environmental load of food consumption in the soil of Nanjing from 1993 to 2013

表3 不同地区相关研究结果比较

3 讨 论

对比其他地区的食物消费情况，上海市[13]163人均食物消费量降低，与1980年相比，2007年的粮食消费减少了20.43%，其余食物消费比例小幅增加。闫祯等[14]1638对厦门市的研究表明，全市人均食物消费量降低，粮食和蔬菜的人均食物碳消费量显著下降。张莲莲等[19]对东营市的研究发现，粮食的人均消费减少但仍是主体，其余的食物消费量总体在增加，城市居民人均粮食消费比例小于农村，而蔬菜等消费比例大于农村。南京市居民食物消费量以及消费结构的变化等与上述地区趋向一致，粮食消费所占比例与上海市、厦门市等地相当，而蔬菜、水果、肉类等的比例低于上海市，高于东营市等新兴城市，这体现出了不同地区的经济发展水平对当地居民消费倾向的影响。

对相关研究中的人均食物碳消费情况进行对比，发现人均食物碳消费量总体呈下降趋势，这表明各地居民在食物消费结构转变方向上趋于一致。不同城市人均碳消费年变化速率的不同，体现了经济水平和城市化水平的差异，农村地区的减少率普遍大于城市(见表3)，可能是因为城乡地区发展速度不均衡。以东营市为例的新兴城市中，城市居民的食物碳消费略微上升，且明显低于北京市等发达城市，这可能是因为东营市的城市化进程和经济发展落后于发达城市。

1993—2013年，南京市居民食物碳消费量总体上升，而人均食物碳消费处于总体下降状态。这说明在食物消费对碳环境负荷的影响提高的同时，对人均食物碳消费造成的影响反而下降了。

比较厦门市[14]1640、昆明市[12]1679和南京市食物消费造成的碳环境负荷情况，厦门市1991—2010年间进入环境中的碳总量增长了68%。昆明市由食物消费造成的碳环境负荷从1990年的31.14万t/a波动变化至2013年的30.89万t/a。两地均是进入大气的碳环境负荷比例最高而进入水体的比例最低。3个地区进入土壤的碳环境负荷都在逐年稳定增加，造成这一情况的原因是经济水平提高，居民食物消费结构改善，导致厨余垃圾量显著增加，而相应的处理措施却没有得到发展。

4 结论与建议

(1) 1993—2013年南京城市居民人均食物消费量小幅上升，农村下降明显。农村食物消费类型以粮食、蔬菜为主，两种食物的人均消费量均高于城市居民，而城市居民则在水果等食物类型上拥有更多的消费量，形成多元化消费结构。

(2) 农村人均食物碳消费量高于城市，在2000年之后基本呈下降趋势。城市人均食物碳消费量在2002年后有小幅下降。这种变化的主要原因是食物消费结构的改善。南京市人均食物碳消费量整体下降且农村地区下降速率超过城市的趋势与其他地区情况类似，不同地区经济发展水平以及城市化规模上的不同，造成了各自变化速率的不同。

(3) 南京市居民食物碳消费量处于波动变化中。食物消费系统的碳输出在4种排放方式上都有不同程度的增加，且厨余垃圾的碳输出增长明显。

(4) 食物消费进入环境介质中的碳环境负荷总体呈增长趋势，进入水体和大气中的比例下降，进入土壤中的比例上升。为降低南京市的碳环境负荷，应改进厨余垃圾和污水的处理工艺，开展节约食物的宣传，减少食物浪费情况；应提高资源循环利用效率和废弃物处理水平。作为第三批国家低碳城市试点，南京市需要采取针对性措施鼓励低碳消费，发展低碳农业。