1 引言

国际气候组织公布,2005年在全球能源消耗中,仅交通运输就占了26%。在2009年的哥本哈根会议上,我国政府承诺,到2020年单位GDP碳排放将比2005年降低40%~45%。这一承诺意味着我国经济发展必将走上低碳化的道路,低碳经济将成为核心焦点。随着人们生活水平的提高,对食品质量的要求大幅度提高,对冷链的需求亦迅速增加。冷链固然提高了食品的安全性和新鲜度,但其对温度的控制又要消耗更多的能源,这与低碳经济的发展产生一定的矛盾。以新鲜番茄为例,研究表明,培养方式、包装方法以及配送方法均影响新鲜产品的碳排放[1,2]。各项研究结果由于地理位置、培养方法、生物多样性的原因,也有很大的差异。A. Anton等的研究指出,温室培养番茄的碳排放甚至取决于温室的建造及相关材料[3]。Carlsson-kanyama的研究表明,进口番茄的碳排放甚至小于当地生产的番茄的碳排放[4]。因此,评估其生命周期内的碳排放,可为基于生命周期的冷链物流减排提供依据。

2 冷链及冷链物流

冷链(Cold-chain)是指易腐品从原材料的获得,到产品加工、储藏、运输、配送,直到消费者手中,其各个环节和过程始终处于产品所规定的低温环境下,以保证物品质量、减少损耗、防止污染的特殊物流系统[5]。一个完整的冷链物流由低温加工、包装、预冷、低温储藏、低温配送、冷藏冷冻销售等构成,如图1所示。在我国,消费者从零售商的冷库买到商品带到自己家冰箱的过程多数并非冷链。国外很多超市在显眼的地方有保温袋出售,供消费者使用以保证在这段时间冷链的延续。

一般地,把冷链食品分为冷藏食品(表1中的冷藏食品和冰温食品)与冷冻食品(表1中的冷冻食品和超低温食品)两种。相应地,冷链可以分为冷藏链(0℃-8℃)和冷冻链(-18℃以下)[6]。

图1 冷链物流结构图   

表1 冷链食品分类

3 碳足迹计算方法

英国的碳信托(Carbon Trust)公司对碳足迹(carbon footprint)的定义是:用以确定和衡量每件产品或每一项活动的供应链流程步骤中温室气体(GHG)总排放碳当量的一种明确的方法和技术。目前常用的权威综合性定义是Thomas Wiedman的定义:碳足迹是社会活动或某一产品生命周期过程中产生的二氧化碳排放量。产品在整个生命周期中排放的温室气体除了二氧化碳(CO2),还有甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氢氟碳化物(HFCs)、全氟碳化物(PFCs)、六氟化硫(SF6)以及其他颗粒物质等。这些也都是PAS2050中规定要减排的温室气体。这些排放的温室气体总量用CO2当量表示,称为碳排放系数。即上述温室气体都被换算成CO2来表示,用来衡量各种生产活动对环境造成的影响。众所周知,CO2是导致地球变暖的主要原因。排放的CO2越多,碳足迹就越大,对环境的影响就越大。

产品的碳足迹计算,目前主要是以英国标准协会、碳信托公司和英国环境食品与农村事务部(Defra)联合发布的新标准PAS2050为依据的生命周期评估方法LCA(Life Cycle Assessment)。PAS2050《商品和服务生命周期温室气体排放评估规范》(Specification for the assessment of the life cycle greenhousegas emissions of goods and services)是一项独 立的标准 。PAS2050通过一种一致的方法来评估各种商品和服务在生命周期内的温室气体排放,旨在对温室气体排放的要求做出明确的规定。PAS2050包括产品全生命周期从原材料获取、生产、改变、运输、储存、使用到再利用或废弃整个过程中碳排放的计算。宗旨是帮助企业在管理自身生产过程中所形成的温室气体排放量的同时,最大限度减少整个产品系统(设计、生产、供应、使用等过程)的碳排放的机会,最终开发出碳足迹更小的新产品[7]。

LCA是一个评估一项产品、一个过程或活动在其整个生命周期内对环境影响的工具,被称作“从摇篮到坟墓”的分析。此评估方法包括四步:目标分析与范围界定、清单分析、影响评估和解释及不确定性评价[8]。LCA的目的是:对可替代的产品、过程或者服务的比较,或对某一给定产品或服务的可替代的生命周期比较,以便找到产品生命周期中可以最大限度进行改善的阶段。

目标分析和范围确定是LCA最重要的阶段,因为此阶段定义了研究的目的、研究主体、系统边界、功能单位以及相关研究假设。清单分析涉及原材料、能量消耗、排放以及废弃物的产生等原始数据的收集。基于研究目的和范围框架内的清单分析,LCA旨在理解和评估环境的影响。在此阶段,清单结果用来计算生命周期中各种类型的环境影响。最后,在解释与不确定性评估阶段,讨论清单结果和影响评估,识别显著的环境问题,以便结论与建议和研究的目标与范围一致。本研究只涉及这四个阶段的前两个阶段。

应用到冷链物流中,其碳足迹计算如下:

C冷链表示整个冷链的碳排放量,C生产表示生产过程中的碳排放量,其它类推。公式当中的C生产、C配送、C预冷和存储、C废弃,要根据具体的某一类冷链及其具体情况来选择、收集合适的数据并进行计算。

4 实证分析:以番茄为例

PAS2050规定,界定的生命周期边界一般包括:(1)原材料:农业的排放包括农耕牧渔中的温室气体排放,如施肥、改变土地利用、农作物和牲畜的排放等;(2)能源;(3)生产资料;(4)制造和供应;(5)运作处所;(6)运输;(7)仓储;(8)使用;(9)处置等。人力的耗费、员工到工作单位的运输、由动物提供的运输服务等活动都是排除的边界,在生命周期分析时不予考虑[7]。本研究以新鲜农产品中的新鲜番茄为例,对其进行生命周期分析。

4.1 目标分析与范围界定

研究的目的是通过新鲜番茄的生命周期分析,得到新鲜番茄碳足迹的相关数据。识别新鲜番茄生产和消费全过程对环境的影响,以便确定如何才能最有效地减少生鲜食品对环境的影响。

4.2 功能单位的确定

功能单位的目的是为研究提供一个可以参考的单位。对生鲜农产品生命周期进行分析,取产品的重量为功能单位。在本研究中,取10t西红柿为研究对象。

4.3 系统边界和假设

依据季节和地理位置的不同,我国番茄生产主要有温室和薄膜覆盖两种生产方式。运输方式有海运、火车运输和汽车运输。我国番茄的生产遍及全国,通过各种运输方式销往全国各地。但为了简化研究的系统边界,仅考虑山东为生产基地,上海为最终消费基地。

图2 番茄生命周期边界图   

新鲜番茄的生命周期如图2所示。为了使番茄质量标准化,假设番茄运输时全程保持在10℃的低温冷链环境下。一般情况下,从批发商到零售商的短途运输采用1-1.5t的小型货车,从生产地到批发商间的长途运输采用10t的重型货车或火车、轮船。本研究中,消费者造成的碳排放以及逆向运输排除在边界外。

4.4 数据收集

生命周期分析将资源使用、能量利用以及与研究系统相关的CO2释放定量化。本研究分析中涉及到的数据及其来源见表2。番茄在温室生产过程中的GHG排放对温室的类型和建设状况依赖性很大。因此,也有研究指出,改善温室的建造及相关材料,可以降低番茄在温室生产条件下的GHG排放(Anton et al.,2005)[3]。在此过程中,由于缺少资料,本论文不考虑农药、机器、建筑物和道路的生产或建设以及其他机器和番茄废弃物造成的环境影响。

表2 清单分析中的活动及数据  

不同的生产方式造成的碳排放差异很大。我国山东与日本基本处于同一纬度,气候差别不大。而且由于缺乏生产过程中的实际数据,因此,这里借鉴日本国家农业环境科学研究所(NIAES)2003年公布的番茄生产造成的碳排放数据为本文的碳排放数据来源。番茄的废弃处理假设为填埋。

5 碳足迹计算结果与分析

5.1 生产过程的排放

山东省大部分地区处于北纬35°到北纬38°,地处中国东部、黄河下游,东临渤海与黄海,与朝鲜半岛、日本列岛隔海相望,北与辽东半岛相对,西北与河北省接壤,西南与河南省、安徽省、江苏省毗邻。山东气候属暖温带季风气候类型。降水集中、雨热同季,春秋短暂、冬夏较长。光、热、水等自然条件配合较好,适宜多种农作物生长,是重要的农业大省,又是气候年际变化大的省份。

番茄的种植在外界温度低于5℃-8℃时,需要人工升温;当外界温度高于25℃-35℃时,需要人工制冷[16]。因此,在夏秋季时番茄可以在塑料大棚中自然生长,其他季节需要在温室这种温控条件下生长,以保障全年供应。

对于温室中种植的番茄(包括采摘和拣选),其生产过程造成的CO2的排放约为810kg/t,塑料薄膜覆盖生产的番茄为202kg/(t番茄在运输和存储过程中的损耗按5%计算)[9]。温室生产因为在冬天和春天,保持温室温度需要消耗更多的燃料。因此,温室种植的方式对环境的影响很大。

5.2 配送过程的排放

配送过程中的排放主要取决于配送过程中的能源消耗量。假设海运、货车运输均使用柴油。1kg柴油的CO2排放为3 060g,1L柴油的CO2排放为2 630g[10,11]。

生产商到批发商的运输方式有两种:海运和公路运输。根据表2的数据进行计算,过程如下:

生产商到批发商:海运:0.021 0 kg/t·km+0.004 7 L/t·km×2.63kg/L=0.033 36kg/t·km;公路(10t货车):(0.285 7 +0.025 0)L/km×2.63kg/L=0.817 14kg/t·km。

批发商到零售商(1-1.5t货车):(0.166 7+0.020 0)L/km×2.63kg/L=0.491 02kg/t·km。

5.3 预冷、存储、废弃造成的排放

预冷主要指在原产地将刚收获的农产品的中心温度快速降低到适宜贮藏或运输的温度,即将温度降低到接近产品冰点又不冻结的状态,除去采后所携带的田间热量。若将未经预冷的、带有田间热量的果蔬直接送入冷库,则需要很大的制冷量,会增加制冷机的负荷并影响整个贮藏环境的温度。根据计算,当温度为20℃的果蔬入库时,所需排出的热量为0℃果蔬入库时的40~50倍[19]。因此,预冷是冷链开始的第一步。预冷和存储造成的CO2排放主要是对预冷和存储进行温度控制过程中的耗电。发电方式不同,温室气体排放量不完全相等。文章计算的依据采用已有研究数据:1kwh电的CO2排放为785g[20]。废弃处理造成的CO2排放取41.21kg/t[15]。因此,新鲜番茄生命周期过程中各环节CO2排放量见表3。

表3 新鲜番茄生命周期各项活动CO2排放  

从山东青岛到上海番茄批发市场的航运距离为500km,公路运输距离为770km。从上海最大的农产品批发市场到零售商的距离假设为100km。批发商处的冷藏存储共为10d,塑料薄膜生产。取10t番茄为研究对象。番茄密度取0.78×103kg/m[21],10t番茄大约12.82m3。根据表3计算得到,采用海运时10t番茄的碳足迹为3 317.25kg;采用公路运输时,10t番茄的碳足迹为9 226.13kg。这时,海运造成的碳足迹为公路运输的36%。如图3所示。

图4表示塑料薄膜生产方式下,公路运输和海运随距离的变化所带来的碳排放的差异。当运输距离为1 000km时,海运造成的碳排放是公路运输的27.3%;当运输距离为1 500km时,海运造成的碳排放是公路运输的22.2%;当运输距离为2 000km时,海运造成的碳排放是公路运输的19.3%。随着运输距离的增加,海运造成的碳排放以递减的方式小于公路运输造成的碳排放。由此可见,运输方式对减少番茄生命周期碳排放的重要作用。

如果采用温室生产,其他条件不变,采用海运,10t番茄的碳足迹为9 397.25kg,是其他条件相同时塑料薄膜培育番茄的2.83倍;采用公路运输,10t番茄的碳足迹为15 306.13kg,是其他条件相同时塑料薄膜培育番茄的1.66倍。这时,海运造成的碳足迹为公路运输的61%。由此可见,生产方式的转变使得海运这种运输方式的优越性明显降低。这是因为温室生产的碳排放量远远大于塑料薄膜生产的碳排放量,从而缩小了运输方式差异所带来的碳排放差异。

图3 新鲜番茄生命周期冷链各项活动CO2累计排放   

图4 新鲜番茄生命周期冷链不同运输方式下CO2排放量比较   

由于温室生产的碳排放量非常高,番茄温室生产的全生命周期碳排放普遍高于塑料薄膜生产造成的碳排放。由此,通过番茄生产方式、生产过程的转换来减少番茄的碳排放是重要的方式。然而,采用塑料薄膜生产番茄在冬季和春天由于温度的关系不可行。因此,可以考虑从其他满足番茄塑料薄膜生产所需温度的地区进行生产或进口。这时,要将长途运输造成的碳排放和生产造成的碳排放进行比较。从环境角度来看,不论国内生产还是进口,海运是最合适的运输方式。

新鲜番茄生命周期分析表明,整个系统对环境有负面影响,并且影响的大小取决于生产和配送的方式。采用塑料薄膜生产番茄时排放最小,但在冬季和春季不能进行,因此研究建议适当改变生产区域和配送方式,来减少能源消耗和温室气体的排放。

6 结论与建议

上述分析可知,新鲜番茄生产过程薄膜生产和温室生产每吨的CO2排放量分别是202kg和810kg。生产方式对番茄生命周期的CO2排放影响非常大。从温室生产转换成塑料薄膜生产,将大大降低番茄生命周期的CO2排放。因此,在北方地区,夏天和秋天(温度不低于5℃-8℃且不高于25℃-35℃时)选择当地生产蔬菜,冬季和春季(不满足上述温度要求)在南方地区生产或进口蔬菜,是减少CO2排放最好的选择。

配送过程中,海运造成的CO2排放是0.033 36kg/t·km,公路运输是0.817 14kg/t·km(10t货车),0.491 02kg/t·km(1-1.5t货车)。从山东 青岛到上 海 ,海运10t番茄的碳 足迹为3 317.25kg;公路运输10t番茄的碳足迹为9 226.13kg。这时,海运造成的碳足迹为公路运输的36%。因此,配送尽量选择海运。

预冷和存储过程CO2排放量为0.086 04kg/m3·d。废弃等过程的CO2排放为41.21kg/t。减少这两种过程的CO2排放量主要依靠制冷专业和废弃物处理等相关专业的先进技术和手段。

研究结果表明,从温室生产转换成塑料薄膜生产将大大降低番茄生命周期的CO2排放。同时,配送尽量选择海运。这样的培养和配送过程节省了能源、减少了番茄生命周期对环境的负担,有助于减少环境污染和减缓全球变暖的趋势。

采用生命周期评价法,对冷链食品的碳足迹进行计算,可分析冷链物流过程中每个环节的碳排放量,为优化低碳冷链的运营提供数值计算的依据。