基于混合生命周期評價模型的我國食物系統水資源消耗及二氧化碳排放核算

劉金良，王長波 ＊，楊子彥，龐明月，王思雨

（1.南京航空航天大學經濟與管理學院能源軟科學研究中心，江蘇南京 211106；2.重慶大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室，重慶 400045）

引言

人類面臨水資源短缺、氣候變暖和糧食安全等嚴峻挑戰，而這三大挑戰之間又存在著緊密聯系。食物生產是水資源消耗和二氧化碳排放大戶。據測算，食物系統貢獻了人類92%的水足跡[1]，并產生19%～29%的碳排放[2]。據聯合國估計，全球人口在2050 年將達到97億[3]，相應的食物總需求將上漲35%～56%[4]。若延續當前的食物生產方式，食物系統水資源消耗和二氧化碳排放的進一步增加難以避免[5,6]。如何對食物系統進行節水減碳已成為迫切需要解決的問題。

水資源、二氧化碳排放和食物生產之間存在著千絲萬縷的關聯關系[7-9]。水的提取、處理和分配過程不可避免地產生大量二氧化碳排放[10]，而作為二氧化碳的主要排放部門，能源生產消耗了14%的水資源[9]，二者的這種關聯關系又集中體現于食物生產過程。2011 年在德國伯恩舉行的“水—能源—糧食安全紐帶關系”會議指出，僅考慮一種資源而調整相關政策可能會使整個環境置于更大的風險中[11]。因此，與僅評估單一指標相比，同時考慮水資源消耗和二氧化碳排放可以更全面地洞察食物系統的資源環境影響[12,13]。

水資源消耗和二氧化碳排放存在于食物生產的整個產業過程。以農作物生產為例，水資源消耗和二氧化碳排放不僅存在于農業種植過程（如灌溉水），同時隱含于化肥、農藥等農業資料的生產過程。因此，應從完整產業鏈視角對食物系統水資源消耗和二氧化碳排放進行核算，并解析二者關聯關系，以期從不同生產階段提出食物系統節水減碳措施。

由此，本文將構建統一系統邊界的核算框架，對食物系統（包括谷物、油料、蔬菜、水果和肉類）全產業鏈的水資源消耗及二氧化碳排放進行核算，解析二者關聯關系，并對比分析不同食物提供單位營養元素的資源環境影響。本文的主要貢獻和創新體現在以下三個方面：第一，采用統一系統邊界定量核算多種食物系統的水資源消耗和二氧化碳排放，增強核算結果的準確性和結果比較的可靠性；第二，基于細分部門解析食物系統水—碳關聯關系，有助于從全產業鏈視角制定精細化節水降碳措施；第三，基于提供單位營養元素的視角比較不同食物系統水資源消耗和二氧化碳排放，為考慮資源環境約束下的膳食選擇提供科學依據。

1 文獻綜述

既往有關食物系統水資源消耗和二氧化碳排放的研究較為豐富，既包括對單一資源環境影響的研究，也包括對二者關聯關系的研究。在資源環境影響核算方法上主要包括兩種：自下而上的生命周期評價模型（Life Cycle Assessment，LCA）和自上而下的環境投入產出模型（Environmental Input-Output，EIO）[9]。生命周期評價模型是核算單個產品“從搖籃到墳墓”整個生命周期環境足跡的一般方法，包括系統邊界定義、清單分析、影響評估和結果解釋等步驟。該方法由于在產品環境影響評價方面的精確性和針對性，已被廣泛應用于食物系統環境足跡的比較[14]?；谏芷谠u價模型，Xu 和Lan 比較了28 種動植物食物的碳足跡[15]，發現動物性食物的碳足跡顯著大于植物性食物的碳足跡。Frankowska 等應用生命周期評價法比較了英國8 種蔬菜的水和能源消耗，發現小胡瓜是整體環境影響最小的蔬菜，而空運和溫室是對蔬菜環境影響貢獻最大的環節[5]。然而，基于清單分析的生命周期評價模型在資源環境影響核算的過程中往往存在截斷誤差[16]。這是因為理論上任何產品（包括食物）涉及的上游產業鏈都是可以被無限追溯的，但由于人力物力所限往往需要將系統邊界進行主觀設定，因而給評價結果帶來不確定性。據有關學者研究，這種由于系統邊界不完整造成的截斷誤差，即對環境足跡的低估可能高達48%[17]。同時，這種截斷誤差也降低了不同研究之間的可比性。

不同于生命周期評價模型，環境投入產出模型是一種自上而下的核算方法，該模型基于投入產出表而構建，可實現對各部門產品上游完整產業鏈的追蹤，從而有效避免截斷誤差。環境投入產出模型通常以整個經濟系統為研究邊界，對經濟體中環境影響的存量和流量進行建模，從而實現對各部門環境足跡的核算[9]。例如，Xing 等應用環境投入產出模型核算了不同經濟部門的生態效率，并論證了農業部門在水資源消耗上的主要責任[18]。此外，環境投入產出模型也被應用于不同食物種類之間的比較?；诃h境投入產出模型，Reynolds 等核算了不同收入群體消費各類食物引起的水—能—碳足跡，并指出蔬菜水果替代禽肉類食物可以有效降低食物系統的環境影響[19]。盡管環境投入產出模型可以完整核算產業鏈上的環境足跡，但由于投入產出表只能反映部門平均環境強度水平，采用該方法評價具體產品的資源環境影響會造成聚合誤差，即用部門水平代表具體產品造成的不確定性[16]。

為克服截斷誤差和聚合誤差的不足，一些學者嘗試將兩種模型結合，構建混合生命周期評價模型，并應用于食物系統環境影響的評估[20,21]。然而，由于投入產出表缺乏食物部門劃分，當前研究仍難以實現對食物系統完整產業鏈上資源環境影響的追溯。此外，當前研究多考慮單一環境要素，缺乏對多要素之間關聯關系的深入探討，在食物類型上也較少關注谷物、蔬菜、油料、水果、肉類全譜系食物系統。

為對比分析不同食物系統水資源消耗及二氧化碳排放，同時充分運用投入產出分析在產業鏈追溯上的優勢，本文對投入產出表中農業部門進行拆分，編制包含23 個具體食物部門投入產出表，并基于此構建混合生命周期評價模型。運用該模型，本文計算了不同食物系統完全水資源消耗和二氧化碳排放強度，并分解了上游產業鏈中不同部門對資源環境影響的貢獻。最后，本文對不同食物系統提供單位營養元素的水資源消耗和二氧化碳排放進行對比，以期為環境目標約束下的居民膳食選擇提供參考。

2 方法與數據

2.1 研究邊界

本研究的地理邊界為中國大陸，不包括我國香港、澳門和臺灣地區。在研究對象上，因為大部分二次加工的食物（如面包、罐頭、飲料等）都是由初始動植物食物復合而成，為了避免重復計算，本文采取聯合國糧食及農業組織食物平衡表中對“食物生產”的定義，即“未經加工的初始動植物產品”[22]。本文考慮的食物包括主食（水稻、小麥、玉米、馬鈴薯）、油料（大豆、花生、油菜籽）、蔬菜（番茄、黃瓜、茄子、青椒、蘿卜、菜花、大白菜、豆角）、水果（蘋果、柑橘）和肉類（牛奶、雞蛋、雞肉、豬肉、牛肉、羊肉），共5 大類23 種。

在資源影響方面，本文僅考慮了食物系統水資源消耗。在環境影響方面，本文構建的混合生命周期評價模型需要全國各部門環境排放數據。由于目前難以獲得有效數據估算全國不同行業的甲烷和氧化亞氮排放，本文僅考慮食物系統的二氧化碳排放，并分析其與水資源消耗的協同節水減碳潛力。未來隨著環境統計數據的完善，還應進一步分析食物系統非二氧化碳溫室氣體排放。

2.2 食物投入產出表的編制

為獲得包含具體食物部門的投入產出表，本文首先通過澳大利亞悉尼大學工業生態虛擬實驗室平臺（Industrial Ecology Virtual Laboratory，IELab）編制了我國2017 年74 部門投入產出表[23,24]，該表包含較為詳細的農業部門，如谷物及其他作物種植業、蔬菜和園藝作物種植業，以及牲畜飼養業等。在此基礎上，本文將谷物及其他作物種植業，蔬菜和園藝作物種植業，水果、堅果、飲料和香料作物種植業，牲畜飼養業以及家禽飼養業5 個部門進一步拆分成5 大類共計23 個具體食物部門，拆分后的投入產出表共包含96個部門。拆分具體食物部門需要新部門的投入和消費數據，其中各類食物生產投入數據來源于《全國農產品成本收益資料匯編2018》[25]，食物消費數據主要參考《2018 全國農產品加工業年鑒》[26]、國家糧油信息中心、聯合國糧食及農業組織數據庫及前人研究[27,28]。以谷物種植業為例，具體拆分過程見圖1。

圖1 投入產出表部門拆分示意

2.3 食物系統資源環境強度核算

2.3.1 直接水資源消耗及二氧化碳排放核算

食物的直接水資源消耗指農作物灌溉、牲畜飲水等直接生產過程的水資源消耗，直接二氧化碳排放是指農機柴油消耗等能源燃燒過程產生的二氧化碳排放。在植物性食物生產的水資源消耗中，天然降水（即綠水）使用的成本微乎其微且環境負外部性較小，因此本文僅考慮了藍水消耗。植物性食物部門的水資源消耗可根據式（1）進行核算：

式中，Dwi表示植物部門i的直接水資源消耗總量；表示部門i每噸植物主產品的水資源消耗；表示植物部門i的產量。各類植物性食物單位產量水資源消耗系數可參考前人研究[29]。

動物性食物部門的直接水資源消耗可通過該部門單位動物飼養的水資源消耗和部門年動物出欄數進行計算。其中，單位動物飼養的水資源消耗參考《農產品成本收益資料匯編2018》[25]，年出欄數來源于國家統計局[30]。具體計算如式（2）所示：

式中，Dwj表示動物部門j的直接水資源消耗；表示動物部門j單位動物飼養的水資源消耗；表示動物部門j的出欄數。

食物部門的二氧化碳排放計算分為以下三步：首先通過《農產品成本收益資料匯編2018》獲得食物部門燃料動力費（假定為柴油）和煤費投入[25]，其次根據當年能源價格轉化為柴油和煤炭使用量，最后將能源使用量乘以二氧化碳排放系數[31]。具體公式如下：

式中，Dci表示部門i的直接二氧化碳排放；Fci表示部門i的燃料動力費；Pd表示2017 年柴油的平均價格；De表示柴油的二氧化碳排放系數；Cci表示食物部門i用于動物保暖、飼料加工保溫等環節產生的煤炭費用支出；Pc表示2017 年煤炭的平均價格；Co表示煤炭的二氧化碳排放系數；Pi表示部門i的產量或年出欄數。

食物部門之外的部門直接水資源消耗數據源于《2017 年中國水資源公報》[32]。由于該公報僅提供了農業、工業和服務業三大產業的水資源消耗，本文依據投入產出表中各部門從“水的生產和供應業”部門獲得的中間投入，將水資源消耗分配至各部門[33]。投入產出表中其他部門二氧化碳排放的計算主要包括能源燃燒和工業過程排放兩部分，其中能源燃燒的碳排放等于能源消耗量乘以碳排放系數，工業過程的二氧化碳排放由相關產品產量乘以單位產品排放系數獲得。具體計算公式和參數來源可參考課題組以往研究[34]。

2.3.2 直接水資源消耗和二氧化碳排放強度核算

基于各部門直接水資源消耗和二氧化碳排放，可分別計算包含食物部門在內的各部門直接水資源消耗和二氧化碳排放強度，見式（4）：

式中，Deii表示部門i的直接水資源消耗或二氧化碳排放強度；Dei表示前文核算的各部門直接水資源消耗或二氧化碳排放；Xi表示部門i的總產出。

2.3.3 完全水資源消耗及二氧化碳排放強度核算

完全水資源消耗和二氧化碳排放不僅包括直接水資源消耗和二氧化碳排放，而且包括隱含在化肥、農藥、農膜等上游工業品生產過程中的間接水資源消耗和二氧化碳排放。本文應用環境投入產出模型核算食物部門完全水資源消耗和二氧化碳排放強度。根據投入產出平衡關系可得式（5）：

式中，X為總產出向量；A為直接消耗系數矩陣，其每列元素表示該部門生產單位產出所需其他部門的投入量；Y為最終需求向量。

對式（5）進行移項可得式（6）：

式中，I為單位矩陣；(I-A)-1為列昂惕夫逆矩陣，衡量了某部門最終需求增加一單位時國民經濟各部門投入的增加值。

根據直接水資源消耗強度和直接二氧化碳排放強度，可得完全水資源消耗和二氧化碳排放強度，如式（7）所示：

式中，Tei為完全水資源消耗或二氧化碳排放強度向量；Dei為直接水資源消耗或二氧化碳排放強度向量。

2.3.4 間接水資源消耗及二氧化碳排放強度核算

間接水資源消耗和二氧化碳排放指食物生產在上游產業鏈上產生的水資源消耗和二氧化碳排放。間接水資源消耗（二氧化碳排放）強度（Iei）為完全水資源消耗（二氧化碳排放）強度與直接水資源消耗（二氧化碳排放）強度之差，計算公式如下：

2.3.5 價值型強度與實物型強度的轉換

為更直觀地展示食物系統資源環境強度，本文根據《農產品成本收益資料匯編2018》中的產品單價[25]，將強度單位從價值型變為重量型。以完全水資源消耗為例，計算方法見式（9）：

2.4 單位營養元素資源環境影響核算

以人體所需的主要營養元素為標準，本文選取了蛋白質、脂肪、維生素C 和碳水化合物作為營養元素資源環境影響的測算基礎。參考《中國食物成分表》中單位重量食物的營養元素含量數據，可根據式（10）計算食物系統提供單位營養元素的完全水資源消耗或二氧化碳排放：

式中，Neij為食物i提供一單位第j種營養元素的完全水資源消耗或二氧化碳排放；nij為單位重量的食物i提供第j種營養元素的數量。

3 結果和討論

3.1 食物系統水資源消耗強度

圖2 所示為23 種食物的水資源消耗強度，不同食物之間的水資源消耗強度差異明顯。其中，肉類食物的平均水資源消耗強度（319.83 m3/t）最高，分別約為主食類食物（168.13 m3/t）、油料類食物（128.67 m3/t）、水果類食物（63.37 m3/t）和蔬菜類食物（21.38 m3/t）的1.9 倍、2.5 倍、5.0 倍和15.0 倍，這一結果與前人研究相符[29,35]。食物系統的直接和間接水資源消耗較為接近，平均占比分別為54.1%和45.9%。

圖2 食物系統完全水資源消耗強度

具體分析不同肉類食物發現，紅肉類食物（羊肉、牛肉、豬肉、牛奶）的水資源消耗強度是白肉類食物（雞肉、雞蛋）水資源消耗強度的2.3 倍。其中，羊肉的水足跡最高（926.0 m3/t），是其他肉類食物的2.2～22.0 倍。而牛奶的水足跡最低，僅為40.26 m3/t。造成這種差異的一個重要原因是各類食物系統的飼料轉化效率不同[29,36,37]，每生產1kg羊肉需要21kg谷物飼料，是同重量牛肉的1.6倍、豬肉的3.6倍和雞肉的9.1倍[38]。降低飼料生產水資源消耗，提高紅肉類食物的飼料轉化效率是降低其水資源消耗的重要途徑。從水資源消耗結構來看，肉類食物平均80.1%的水資源消耗來自動物飲水、場地清洗等直接用水。因此，亟須通過推廣節水飲水裝置等措施促進肉類食物的節水化生產。

在主食類食物中，馬鈴薯的生命周期水資源消耗為8.97 m3/t，僅分別占水稻、小麥和玉米水資源消耗的2.6%、3.5%和15.5%，這為我國在2017 年推行的馬鈴薯主糧化戰略提供了新的依據[39]。從水資源消耗結構看，馬鈴薯生產的水資源消耗中有74.8%來自間接水資源消耗，而水稻、玉米、小麥三類谷物類食物的水資源消耗以直接水資源消耗為主，分別占全部水資源消耗的90.8%、88.2%和77.8%。因此，對于水稻、玉米和小麥而言，針對性推廣噴灌、滴灌技術，提升直接用水效率，是促進主食類食物生產系統可持續發展的重要手段[40,41]。

相較肉類和主食類食物而言，油料、水果和蔬菜類食物的水資源消耗強度較低，節水空間相對有限。在油料作物中，油菜籽的完全水資源消耗強度最低，僅為27.9 m3/t，是大豆的13.6%和花生的18.2%。通過育種等手段改善菜籽油品質，推廣以菜籽油為基礎的調和油可以降低油料食物的水資源消耗。在水果中，柑橘的生命周期水資源消耗是蘋果的1.73 倍。因此，在水資源緊缺區域應控制柑橘種植業過度發展，緩解水資源局勢。在蔬菜中，大白菜具有最低的水資源消耗強度，僅為9.35 m3/t，在水資源短缺區域優先發展白菜種植業，不僅可滿足蔬菜需求，也可以降低食物系統水資源消耗。從水資源消耗結構看，蔬菜水果平均70.4%的水資源消耗來源于間接水資源消耗。因此，推廣綠色有機蔬菜水果種植，控制上游農藥、化肥等工業品投入，不僅能改善居民膳食健康，也是實現節水的有效途徑。

3.2 食物系統二氧化碳排放強度

同樣的，不同食物系統二氧化碳排放強度差異明顯，平均排放強度由高到低分別為肉類（318.17 kg CO2/t）、水果類（195.94 kg CO2/t）、主食類（101.46 kg CO2/t）、蔬菜類（98.31 kg CO2/t）和油料類食物（73.69 kg CO2/t）。由于能量在每個營養水平上都會產生損失[15]，作為植物產品的下一級產品，動物性食物的平均二氧化碳排放是植物性食物的3.0 倍。從排放結構看，與水資源消耗強度不同，食物系統平均直接二氧化碳排放僅占完全排放的19.2%，間接排放占比高達80.9%（圖3），因此食物系統減碳不能局限于食物生產本身，更應該關注產業鏈上的二氧化碳減排。

圖3 食物系統完全二氧化碳排放強度

在動物性食物中，紅肉類食物的平均二氧化碳排放是白肉類食物的3.0 倍，發展以禽肉為基礎的肉產品加工業，引導消費者擴大禽肉消費是一種更環保的選擇。具體來看，羊肉是完全二氧化碳排放強度最高的食物（741.0 kg CO2/t）。需要引導消費者擴大牛肉、豬肉等替代品的消費，減少食物系統的碳排放。從碳排放結構來看，羊肉的直接碳排放占總排放的56.4%，羊肉的減排工作需要更多從改良羊肉生產的品種選育和運輸管理入手，以減少生產過程的直接碳排放。對牛肉、豬肉、雞肉、雞蛋和牛奶而言，直接碳排放分別僅占總排放的4.1%～40.4%，其碳減排工作更應著眼于飼料、取暖等上游產品投入隱含的碳排放。

不同于動物性食物，植物性食物碳排放強度的差異較小。在水果類食物中，柑橘的二氧化碳排放是蘋果的1.53 倍。從排放結構來看，柑橘的直接二氧化碳排放占51.3%，柑橘減排需要關注灌溉機械用能等產生的直接排放。主食類食物中，馬鈴薯的二氧化碳排放為44.65 kg CO2/t，僅分別為水稻、小麥、玉米的33.1%、32.0%和51.4%，因而馬鈴薯主糧化戰略在主食系統減碳中可以扮演重要角色。從碳排放結構看，主食類食物平均93.7%的排放為間接排放，因此控制農藥化肥等上游工業品投入對主食系統的減排工作意義重大。在油料類食物中，三種食物的二氧化碳排放強度及排放結構差異較小，平均93.2%來自間接CO2排放。在蔬菜中，大白菜（28.9 kg CO2/t）和胡蘿卜（45.6 kg CO2/t）的二氧化碳排放強度較低，增加其在蔬菜消費中的比例有利于食物系統減排。由于蔬菜生產過程中消耗柴油較少，其碳排放主要來自上游，間接碳排放平均占比為89.3%，因此減排必須關注化肥農藥等上游產品的系統減排。

3.3 環境影響的上游產業鏈分布

為解析隱含于食物系統上游產業鏈中水資源消耗和二氧化碳排放來源，并指導節水減碳政策的制定，本文對環境影響的部門貢獻進行了分析。為了方便結果展示，本文綜合了五類食物系統的平均水平。同時，由于產業鏈中涉及的部門種類繁多，本文僅展示對環境足跡貢獻最大的前十個部門，并對農業相關部門進行了合并。

由圖4 可知，農業部門(Ag.)是各類食物系統間接水資源消耗的最大貢獻部門，占全部間接水資源消耗的88.0%～94.6%。因此，提高農業本身的用水效率對減少食物系統水資源消耗至關重要。其他較大的間接水資源消耗部門包括其他化學產品部門（Oc.）、電力生產和供應業（El.）及基礎化工原料制造業（Ba.），三者占比之和可達1.66%～3.55%。隨著農業生產對化肥、農藥等生產資料的依賴性越來越強，隱含在化工部門（Oc.和Ba.）中的水資源消耗不容忽視。近年來，化肥生產部門在食物系統中的節水責任已經受到眾多學者的關注[35,42]，本文進一步表明，化肥和農藥生產部門是食物系統上游關鍵的水資源消耗部門。同時，由于農業機械化和養殖集約化的發展，食物系統對電力部門的依賴性越來越強?；鹆Πl電循環冷卻消耗了大量水資源，改善發電行業的水資源利用效率對于食物系統節水具有重要意義。此外，塑料制品行業（Pl.）在產業鏈上游的水資源消耗中貢獻突出，主要源于大量農用薄膜的使用[43,44]。最后，水生產和供應行業（Wa.）和醫藥產品行業（Mp.）也貢獻了一定的食物系統的水資源消耗。屠宰和肉類加工部門（Sl.）被證明是美國食物供應鏈上最大的用水部門[45]，但在我國貢獻相對較小。

圖4 食物系統間接水資源消耗的部門結構

在間接二氧化碳排放方面，不同于水資源消耗，農業部門對食物系統上游產業鏈排放的貢獻并不突出，但上游產業鏈中的碳排放仍集中在幾個重點工業部門（圖5）。其中，電力生產和供應部門（El.）、基礎化工原料制造業（Ba.）、非金屬礦產品行業（No.）和交通運輸業（Tr.）是各類食品系統上游排放中貢獻最大的四個部門，占總排放量的67.4%～80.3%。由于我國仍以煤炭發電為主，電力生產和供應業是產業鏈上的最大排放來源，占食物系統間接排放的38.0%～59.9%。作為化肥和農藥上游生產部門的基礎化工原料制造業和非金屬礦產品行業也貢獻了大量的二氧化碳排放。不難發現，食物系統上游產業鏈水資源消耗和二氧化碳排放主要集中在電力行業和化肥生產相關部門，因而這些部門存在的協同節水減碳潛力不容忽視。促進食物系統節水減碳可以從提高發電和化肥生產相關部門的環境效率，降低農業部門對化肥等化工產品的依賴，提升食物生產部門的用電效率等方面入手。

圖5 食物系統間接二氧化碳排放的部門結構

此外，交通運輸業（Tr.）隱含的二氧化碳排放平均占比達到8.19%，也不容忽視[13,46]。減少運輸業的碳排放可以從優化運輸路徑和改良運輸方式兩種途徑入手。一方面，對于水果蔬菜等鮮食類食物，推廣“社區支持農業”和“食物本地化”不僅有利于改進食物健康，同時可以減少地區間運輸產生的額外碳排放。另一方面，對于常規食物，減少空運等高碳排放運輸方式的使用可以有效降低運輸過程產生的碳排放。由于需要保持溫室和畜牧養殖場的溫度，熱力生產和供應部門（He.）也貢獻了4.4%～5.3%的二氧化碳排放。此外，其他化學產品（Oc.），石油、焦化產品和核燃料加工產品行業（Pc.）和化肥制造業（Fe.）的低碳化水平也對食物系統減碳產生影響。

3.4 單位營養元素的環境影響分析

為避免營養密度差異對比較不同食物系統環境影響的干擾，本文核算了不同食物系統提供主要營養元素含量（蛋白質、脂肪、維生素C 和碳水化合物）的水資源消耗和二氧化碳排放。為方便結果表達，本文對水資源消耗和二氧化碳排放結果分別進行了標準化處理，即將各類食物系統中兩類環境強度最高的數值設為1，其他食物系統環境強度則以此進行標準化處理，最終各類食物系統的水資源和碳排放強度均在0到1 之間。如圖6 所示，各類食物提供單位營養元素的環境成本具有明顯差異，但總體上各類食物系統兩種環境成本的相對位次較為接近。

在蛋白質提供方面，動物性食物提供每千克蛋白質的水資源消耗和二氧化碳排放分別為21.47m3和8.12kg，分別是植物性食物的1.21 倍和1.25 倍（圖6a）。因此，動物性食物提供單位蛋白質的環境成本更高。具體到不同肉類，紅肉類的平均水資源和二氧化碳排放強度分別是白肉類的2.18 倍和3.13 倍，主要原因是白肉類動物的蛋白轉化率較高[47]。因此，從紅肉類食品轉向白肉類食品消費有利于食物系統的可持續發展。與之前研究類似[13,48]，筆者發現大豆和雞蛋提供單位蛋白質的環境影響較小。每提供1kg 蛋白質，兩者僅分別消耗水7.61 m3和11.32 m3，產生二氧化碳排放2.46 kg 和2.92 kg。一些學者提出應以植物蛋白或蛋基蛋白產品部分替代肉蛋白產品[47]，本文結果從環境成本的角度證明了此方案的優越性。同時，本文再次證明了用牛奶替代紅肉消費的方案不能有效減少食物系統二氧化碳排放[49]，但如果考慮到牛奶在節水上的巨大潛力，以牛奶蛋白質代替肉類蛋白質仍是更具有環保潛力的膳食選擇。

在脂肪供應上，主食、蔬菜和水果類食物的脂肪含量很少，因此本文不加考慮。與蛋白質供應類似，動物性食物在脂肪供應上也比植物性食物具有更高的資源環境影響[15,49]，動物性食物提供單位脂肪的平均水資源消耗強度和平均碳排放強度分別是植物性食物的2.83 倍和3.03 倍（圖6b）。其中，牛肉對環境的負面影響最大，其次是羊肉。由于豬肉具有豐富的脂肪含量，其提供單位脂肪的環境負擔相對較小。在植物性食物中，花生提供單位脂肪的環境強度最低，具有節水減碳的絕對優勢。因此，花生生產及其深加工行業應該得到重視。

蔬菜是居民維生素C 的主要來源[5,50]，從環境成本看，蔬菜提供維生素C 的水資源消耗和二氧化碳排放僅分別為其他食物的20%和34.2%（圖6c）。其中，豆角和大白菜在節水減碳方面表現突出，提供每克維生素C 的水資源消耗僅分別為0.10 m3和0.30 m3，并分別產生0.21kg 和0.35kg 二氧化碳排放。由于單位面積大白菜產量是豆角的兩倍，考慮到有限的土地資源，推廣大白菜生產和消費的環境效益最高。此外，馬鈴薯提供每克維生素C 的水資源消耗和二氧化碳排放僅為0.44m3和0.81kg，不僅遠低于其他主食，也低于大多數蔬菜，再次凸顯了“馬鈴薯主糧化”戰略的環保意義。此外，由于維生素C 含量較低，蘋果和花生提供維生素C 的環境影響較大。

圖6 食物系統提供單位營養元素的水資源消耗和二氧化碳排放

在碳水化合物提供方面，由于肉類食物的碳水化合物含量很小，本文未加考慮。平均而言，蔬菜類食物的水資源消耗和二氧化碳排放分別是主食類食物的2.0 和9.1 倍（圖6d），蔬菜類在提供碳水化合物上不具備環境優勢。本文發現，雖然馬鈴薯在單位碳水化合物的二氧化碳排放上優勢并不明顯，但單位碳水化合物的水資源消耗僅為其他主食類食物的19.9%。因此，推廣馬鈴薯作為第四主食滿足碳水化合物需求可以有效緩解水資源緊張局勢。然而，目前中國馬鈴薯主要用于新鮮蔬菜[51]，主食加工比例僅為10%左右[52]，遠低于歐美國家1/3～2/3 的加工比例[53]。我國仍需不斷改進馬鈴薯育種和加工技術，以改善其口感，推廣馬鈴薯主食化消費。

4 結論與建議

4.1 主要結論

通過構建混合生命周期評價模型，本文對食物系統生命周期水資源消耗和二氧化碳排放進行系統核算，分析了間接水資源消耗和二氧化碳排放的部門結構，并對比分析了各類食物系統提供單位營養元素的資源環境成本。本文得出以下主要結論：

（1）食物系統之間水資源消耗和二氧化碳排放差異明顯，動物性食物的水資源消耗和二氧化碳排放強度分別是植物性食物的1.9～15 倍和1.9～2.7 倍。在肉類食物中，紅肉類食物的水資源消耗和二氧化碳排放分別是白肉類食物的2.27 倍和3.0 倍。

（2）在結構上，食物系統直接水資源消耗平均占完全水資源消耗的54.1%，直接二氧化碳排放平均僅占完全二氧化碳排放的19.2%。因而食物系統節水減碳不僅需要關注食物生產過程的直接水資源消耗和二氧化碳排放，隱含在上游產業鏈的資源環境影響也不容忽視。

（3）食物系統間接水資源消耗主要來自農業部門，占總間接消耗的89.0%～94.6%。電力生產和供應業、基礎化工原料制造業、非金屬礦產品業和運輸業是對間接二氧化碳排放貢獻最大的四個部門，占總間接排放量的67.4%～80.3%。其中，電力生產和供應業和基礎化工原料制造業在食物系統上游具有協調節水降碳潛力。

（4）在蛋白質供應上，動物性食物的平均水資源消耗和二氧化碳排放分別是植物性食物的1.21 倍和1.25倍。在脂肪供應上，動物性食物的平均水資源消耗和二氧化碳排放分別是植物性食物的2.83 倍和3.03 倍。蔬菜提供維生素C 的環境成本最低，平均水資源消耗和二氧化碳排放僅分別為其他食物的20%和34.2%。而在單位碳水化合物供應中，主食作物尤其是馬鈴薯的節水優勢非常顯著，水資源消耗僅為其他主食的19.9%。

4.2 對策建議

根據研究結果，本文從以下幾個方面提出食物系統節水降碳建議：

（1）由于食物系統的水資源消耗主要為直接用水，因此應該結合不同地區水資源壓力狀況，統籌優化水資源密集型食物生產的空間布局。同時，推進農田灌溉改造和節水養殖技術，減少食物系統直接水資源消耗。相反，食物系統的二氧化碳排放主要來源于上游產業鏈，因而其系統減排有賴于化肥、農藥、飼料等上游生產部門二氧化碳排放的減少。

（2）在食物系統上游產業鏈中，電力生產和供應業與基礎化學原料制造業同時產生了大量的水資源消耗和二氧化碳排放，隱含著協同節水減碳空間。因此，通過秸稈還田等方式減少化肥使用，發展節水農業減少灌溉用電，或加快電力和基礎化學原料制造業低碳轉型，可實現食物系統上游產業鏈的協同節水降碳。

（3）以營養元素的環境成本為參考，優化居民膳食結構。在制定《居民膳食指南》時考慮食物系統的資源和環境影響，引導居民減少紅肉類等資源環境影響密集型食物的過度消費。鼓勵蛋基蛋白、植物蛋白等替代品生產技術的發展，以替代環境成本較高的肉類蛋白。同時，鑒于馬鈴薯在維生素C 和碳水化合物供應上的環境優勢，應該堅定推進馬鈴薯主糧化戰略。通過改良育種和加工技術擴大馬鈴薯在主食消費中的比例，減少主食生產造成的環境影響。