食物系統碳足跡研究進展*

薛佳敏,徐明崗,2,張建杰**

(1.山西農業大學資源環境學院 太原 030031;2.山西農業大學生態環境產業技術研究院/土壤環境與養分資源山西省重點實驗室 太原 030031)

氣候變化已經成為人類的一個重大挑戰[1]。人類活動使大氣中溫室氣體(greenhouse gases,GHG)排放急劇增加,導致全球氣溫升高、海平面上升以及極端天氣現象出現頻繁等一系列氣候問題[1]。為了應對全球氣候變化,聯合國大會先后通過了《聯合國氣候變化框架公約》《京都議定書》和《巴黎協定》等一系列應對氣候變化的措施,進一步明確了將全球平均氣溫較工業化前水平升高控制在2 ℃以內。中國積極參與全球氣候治理,于2007 年發布《中國應對氣候變化國家方案》;2020 年中國承諾力爭2030 年前實現碳達峰,2060 年前實現碳中和,即“雙碳”行動[2],為實現全球溫室氣體減排貢獻中國智慧,提供中國解決方案。

食物系統包括農業(種植業和畜牧業)的生產及運輸,食品的生產、加工運輸全過程的人類活動和生產關系的總和[3]。源于全球農業、林業和其他土地利用的溫室氣體排放占全球溫室氣體總排放量的20%～25%[4]。在農業生產過程中,伴隨著大量的能源消耗和農資投入[5],均會產生大量溫室氣體,全球溫室氣體中60%的氧化亞氮(N2O)與甲烷(CH4)源自于農業生產[6],且二者的增溫潛勢分別是二氧化碳(CO2)的23 倍和296 倍[6]。此外,食物系統排放了全球1/3 的GHG[3],其中,CO2、CH4和N2O 排放量分別占全球人為源CO2、CH4和N2O 排放的26%、63%和59%[6],如果不實施額外的政策,預計到2030 年,其碳排放量將會持續增加,這表明食物系統的碳減排已迫在眉睫,同時其對緩解全球氣候變化至關重要[7]。

目前食物系統碳足跡研究主要定量了食物鏈中不同環節的溫室氣體排放,研究多見于農業(種植業和畜牧業)生產和消費端等各個環節的碳足跡核算,缺乏對“作物-畜牧-食品加工-食物消費”整個鏈條碳足跡的分析?；诖?本文綜述了食物系統碳足跡的研究進展,分析了已有研究取得的成效與不足,并就未來如何進行食物系統碳足跡的研究提出了見解。

1 食物系統碳足跡的概念及研究意義

碳足跡源自Rees 1992 年提出的生態足跡概念[8],Wiedmann 等[9]將碳足跡定義為衡量由直接或間接活動引起或在產品的生命階段累積的CO2排放總量的指標,N2O、CH4也是重要的溫室氣體,因此N2O、CH4根據不同的增溫潛勢統一轉換成CO2當量(CO2-eq)[9]。在實際研究中,研究者為解決不同科學問題,所劃分的系統邊界和考慮的核算項目有所不同[10-11],包含種植[12]、畜牧[13]、食物消費[14]等,食物系統碳足跡的概念模型見圖1。

圖1 食物系統不同環節的碳排放Fig.1 Carbon emissions from different parts of the food system

通過定量食物系統不同環節的碳足跡,可以明確食物系統及其各子系統的碳排放特征,有助于更好地理解食物系統對環境和氣候的影響;其次,通過識別碳排放的關鍵環節與主要問題,為可持續食物系統和氣候變化政策制定提供科學基礎,對于緩解全球氣候變化具有重要的科學意義,同時也有助于推動食物系統朝著更環保和可持續的方向發展。

2 食物系統碳足跡的計算方法

食物系統碳足跡計算方法目前主要有生命周期分析法(Life Cycle Assessment,LCA)、投入產出分析法(Input-Output Assessment,IOA)、聯合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)計算法、混合生命周期評價法(IOA-LCA)[15]以及消費者生活方式方法(Consumer Lifestyle Approach,CLA)。其中LCA 法在之前的研究中更多應用于宏觀研究,但近年LCA 在微觀研究的應用越來越多,該方法考慮了各個生產環節的詳細計算過程[16],結果可信度較高;IOA 包含了食物系統不同生產過程中的隱含碳排放,但其計算過程較粗略,導致計算結果與實際結果存有一定的偏差[17],容易忽視食物系統不同生產過程碳排放來源的排放差異[18],更適合應用于宏觀尺度的研究[19];IOA-LCA保留了LCA 和IOA 的優點,同時降低了碳排放核算過程的復雜程度[18],但由于計算和評估過程繁瑣、對相關研究人員的理論和實踐水平要求較高,因此應用較少[20];IPCC 計算法考慮了所有溫室氣體排放源、闡述了其排放原理,但其選用的排放因子具有地域差異性,對結果的影響程度不一,多用于核算區域或國家中一個或多個部門的溫室氣體排放[18];CLA 可以有效地將外部環境變量、個體因素、家庭特征和消費者行為選擇等有機融合起來,多應用于家庭碳足跡的定量[21-22](表1)。相較于其他計算方法,LCA雖然需要較多的基礎數據,但能夠定量食物供應鏈過程產生的溫室氣體的總量,包括從種植、養殖、加工和食物消費過程中所產生的溫室氣體[26],結果可信度高(表1),因此成為國際公認的主流碳足跡核算方法[27]。主要計算步驟如下:

表1 碳足跡計算方法比較Table 1 Comparison of carbon footprint calculation methods

1)明確系統邊界。系統邊界由研究目標決定,合理的系統邊界可以用于確定研究對象,進而厘清碳足跡核算的關鍵過程。為了明確中國糧食作物的減排途徑,Zhang 等[28]分析了水稻(Oryza sativa)、玉米(Zea mays)和小麥(Triticum aestivum)從播種到收獲的碳排放特征,明確了減少氮肥施用是主要的減排路徑;Buratti 等[29]通過定量“農資投入-畜禽養殖-糞尿管理”整個鏈條的碳足跡,評估了傳統肉牛生產模式與有機肉牛生產模式的環境效應;而金欣鵬等[3]學者將食物系統核算邊界分為農業生產活動(作物和畜牧生產)、土地利用變化、食物供應部門(加工、包裝、運輸、消費等) 3 個環節,通過碳足跡定量不同環節產生的環境效應。

2)編制排放清單。明確研究對象在整個生命周期中所涉及的與碳排放有關的階段,對各個階段的碳排放進行定量計算并匯總,用于識別關鍵問題。在作物生產中,氮肥的生產及使用是主要的碳排放源[12,30];反芻動物養殖過程中,腸道CH4排放是主要碳排放環節[29],糞便管理則是非反芻動物養殖過程中的主要碳排放環節[31];而在食物的生產、加工運輸以及包裝過程中,食品加工活動是其主要碳排放源[3]。

3)分析碳排放核算結果并提出減排措施。建立核算結果與研究目標之間的聯系,并根據核算結果結合技術實現成本提出有效的減排措施,進而指導如何有效降低碳足跡。

3 食物系統碳足跡研究進展

食物系統碳足跡是環境科學和可持續發展領域的重要課題之一,有助于了解從農業生產到食物消費對氣候變化的影響。近年來,食物系統碳足跡的熱點主要集中在: 1)種植業氮肥施用、N2O 排放[30]與耕作管理環節[32];2)畜牧業飼料管理、腸道發酵與糞便管理過程[13,29];3)食物消費過程中食物浪費[33]與飲食結構環節[34]等方面(圖2)。

圖2 食物系統碳足跡研究時間線[52]Fig.2 Food system carbon footprint research timeline[52]

3.1 種植業

種植業生產過程中農資投入對碳足跡具有重要影響。無論是大田作物[53]還是經濟作物[12],氮肥的生產及使用均是主要的碳排放來源,因此有學者以碳足跡為指標,明確了水稻氮肥施用的臨界值為225 kg(N)?hm?2[54],有機肥替代化肥或研發施用新型肥料是降低農田碳排放的重要措施[55]。農田管理措施也會改變農田生態系統碳排放強度,在保證產量的前提下通過優化耕作和種植模式可以實現碳減排。李萍等[56]在山西的研究結果表明,作物生產中秸稈覆蓋免耕是當地最優的耕作管理措施,較秸稈還田旋耕、秸稈覆蓋免耕處理的碳足跡平均分別低8.9%和8.1%;姜振輝等[32]分析了晚稻種植與春玉米-晚稻輪作體系的碳足跡,表明輪作比單作種植的碳足跡降低了497 kg(CO2-eq)?hm?2;姜超強等[57]研究結果也證明了這一點。在禾本科作物與豆科作物間作體系中,通過豆科作物的生物固氮作用,也能有效減少化學氮肥施用產生的碳足跡[58]。此外農場經營規模也是影響碳足跡的重要因素,整體上大型規模農場的碳排放和經濟效益都優于小型規模農場[59-60]。食物系統碳足跡在種植業的研究,除了更多地集中在分析農資投入與田間管理措施等因素之外,農場規模等社會因素對碳足跡的影響也逐漸開始受到學者的關注。

3.2 畜牧業

改革開放以來,中國畜牧業生產規模和生產方式迅速轉型,集約化養殖快速發展,對溫室氣體排放產生了重要影響[47,61],溫室氣體排放總量從233 Tg 增加到520 Tg[35]。全球情況也不容樂觀,預計到2050年畜牧生產碳排放持續增加[62]。畜牧生產中反芻動物的碳排放主要來自于腸道發酵[29],而糞便管理是單胃動物生產體系的主要碳排放源[31],且反芻動物產生的溫室氣體多于單胃動物[63],因此畜禽養殖結構也是造成環境問題的主要因素。在滿足需求的前提下,優化畜禽結構和飼料成分可減少腸道CH4排放[29]。畜禽糞便處理方式也是影響畜牧生產碳足跡的因素之一[64],Sobhi 等[65]通過對牛糞使用反應器發酵后,奶牛養殖場碳足跡減少17.2%。因此采用合理的畜禽糞便處理方式可以達到碳減排效果。而通過加強農牧結合不僅能減少溫室氣體排放[48,66],還可以增加土壤碳儲量并加強固碳作用[48,67]。Li 等[48]研究表明農牧結合系統的碳足跡強度較單一生豬養殖系統能夠減少1381.33 kg(CO2-eq)?hm?2?a?1;陳曉煒等[67]的研究則表明“鮮食玉米-奶牛-糞便還田”種養循環模式的碳足跡較分離模式降低了34.44%。近年來,也有學者將碳足跡作為關鍵指標,定量評價畜產品貿易對進口國和出口國的環境影響[68],盡管可以通過進口滿足我國牛奶的消費需求,但出口國溫室氣體排放會相應增加,不利于《巴黎協定》的實施。

3.3 食物消費

在全球食物消費需求持續增長的同時,食物浪費現象也越來越嚴重,全球每年大約有11.8 億t 食物被浪費[69],在中國由于食物浪費產生的碳足跡約占食物消費環節溫室氣體排放總量的68%。我國人均食物浪費產生的碳足跡為40 kg(CO2-eq)·a?1,主要與消費結構相關[70]。北京市全年浪費食物產生的碳足跡為192.51×104～208.52×104t CO2-eq,其中蔬菜類浪費最高,其次為肉類和主食類[33]。膳食結構也是影響碳足跡的重要因素,全球食物生產的溫室氣體排放中57%來自于動物源食物[69],動物源食物的碳足跡約為10.8 kg(CO2-eq)?kg?1,為植物源食物的12 倍[34],顯著高于植物源食物碳足跡[49]。Tilman 等[71]在全球尺度量化了不同飲食結構與溫室氣體排放之間的關系,并預測如果采用地中海、魚類和素食飲食結構,在2050 年人均碳排放分別可以減少30%、45%和55%。因此優化膳食結構的同時減少食物浪費,整體上可以減少食物消費環節的碳足跡[50]。有學者以中國“食物生產-消費”系統為研究對象,發現在滿足飲食消費需求的前提下,通過優化膳食結構、減少食物浪費以及適當進口可以實現溫室氣體減排[51],同時還可以大幅降低資源環境代價。

4 食物系統碳足跡未來研究內容及熱點

4.1 從可持續食物系統的視角定量碳足跡

目前食物系統碳足跡研究主要集中在農業生產環節,缺乏食物系統及其各環節的溫室氣體排放情況;在產后食物供應部門排放核算研究中,仍存在核算項目和研究邊界不清等問題[3],難以滿足應對全球氣候變化背景下的碳減排需求。因此需要從可持續食物系統視角出發,一方面研究“種植-畜牧-食品加工-運輸-食品消費”全鏈條的碳足跡,明確各環節在整個食物鏈的碳排放比重,進而明確整個食物系統的減排路徑;另一方面,從健康的食物消費角度出發,以碳足跡為關鍵指標重塑食物系統,從而降低整個食物系統的碳排放[72]。此外,進一步將碳足跡與養分、水、土地利用等指標結合,通過多指標關聯分析法明確食物系統對全球資源環境的貢獻以及減排路徑,從而促進全球可持續發展目標的實現[73]。

4.2 加強農村生活的碳足跡研究工作

農村生活雖不包含在食物系統的鏈條中,但一方面鄉村振興戰略提出的“產業興旺、生態宜居、鄉風文明、治理有效、生活富?！?0 字方針與農村居民生活息息相關;另一方面,農村地區的家庭消費碳足跡對于實現可持續發展至關重要,改革開放以來,中國農村地區的消費模式都發生了很大的變化,作為鄉村振興的主戰場,5.6 億農村人口消費行為的劇烈變化導致碳足跡也發生了實質性的變化[24],因此在關注食物系統碳足跡時,也要加強農村生活碳足跡的研究工作。以北京農村地區為例,1995—2011年農村生活碳排放從362 萬t 增加到902 萬t,增加了1.5 倍[74]。相對于食物系統碳足跡研究,農村生活碳足跡研究較少[25,75-76],且鮮有研究以碳足跡為評價指標,將食物系統和農村生活結合作為整體來評估對環境的影響,并分析彼此之間的聯系。因此將農村生活的碳排放納入到核算體系中,一方面有利于分析農村生產和生活的碳排放熱點,有助于制定針對性的政策和措施,推動鄉村振興戰略的落實;還可以指導資源的優化配置和利用,有助于提高資源的效益和實現長期可持續發展。

4.3 開展多尺度的食物系統碳足跡研究

目前食物系統碳足跡研究更多集中在宏觀層面,微觀層面的研究相對較為缺乏。宏觀尺度的食物系統碳足跡研究有助于揭示碳排放空間分布規律,為政策制定提供支撐。Cheng 等[77]研究了中國國家與省域尺度主要作物生產過程的碳足跡,明確了區域農業生產碳排放特征,分析了作物生產對氣候變化的貢獻,有助于制定我國溫室氣體緩解方案;而微觀尺度有助于定量農業生產技術對碳排放的直接影響,如李萍等[56]在農田尺度比較了不同田間耕作管理措施的碳足跡,發現采用秸稈覆蓋免耕是有效的減排措施。

今后應采取“自上而下”和“自下而上”的研究思路,將多尺度的食物系統碳足跡研究工作相結合,為食物系統碳減排提出綜合實現路徑?！白韵露稀备鶕半p碳”行動等目標,設置不同區域的碳排放閾值,在微觀尺度通過優化技術實現減排目標;“自下而上”則是通過碳足跡方法定量微觀尺度的碳足跡特征,發現生產實際中存在的問題,在宏觀尺度分析評估碳足跡的環境效應,在宏觀層面為減排政策的制定提供決策依據。

4.4 考慮農業碳匯對碳足跡的影響

農業具有碳源與碳匯的雙重屬性。IPCC 第6 次評估報告預測2050 年農業、林業和土地利用可提供20%～30%的碳減排潛力,農業是短期內可能實現大量減少CO2排放的唯一部門[78]。據估算我國2000—2050 年土壤固碳總潛力為400 億～440 億t CO2-eq[79],對于實現“雙碳”目標有著至關重要的作用。但目前現有食物系統碳足跡的研究多關注碳排放的測算,忽略了農業的碳匯作用,可能導致碳排放量被高估。因此在定量碳足跡時,建議將農業碳匯納入到核算體系中,通過計算農業凈碳排放更為準確地反映食物系統碳足跡的大小。

4.5 完善食物系統碳足跡參數核算體系

中國幅員遼闊,不同地區資源稟賦、自然環境條件迥異,碳足跡核算參數有較大差異,參數選用對結果有較大的影響。以畜牧生產系統為例,Chen 等[31]估算2010 年我國畜牧業碳足跡為1283.7×106kg CO2-eq,而Wang 等[80]同一時期估算的結果為55 564×106kg CO2-eq,差異較大,主要原因是系統邊界與參數選擇的不一致。后續應基于不同地區的自然和農業生產條件,建立一套分地區、分產業的碳足跡核算參數體系,以保證更為準確的碳足跡評估。中華人民共和國農業農村部與中華人民共和國國家發展和改革委員會聯合印發了《農業農村減排固碳實施方案》,明確了將完善農業農村減排固碳的監測指標、關鍵參數、核算方法,開展CH4、N2O 排放和農田、漁業固碳等定位監測[81]。但參數變異性較大,可能需要經過多年的監測、整理分析才可獲取一個相對穩定的結果,需通過設置基礎研究專項開展監測工作,不斷完善我國食物系統碳足跡核算參數體系。

5 結論

食物系統在全球碳排放中占據相當大的份額,種植業、畜牧業與食品加工業都涉及能源消耗與溫室氣體排放,對全球碳足跡有重大貢獻,對實現全球可持續發展目標構成挑戰。

食物系統碳足跡研究為減少溫室氣體排放和構建可持續食物系統提供了重要的科學支撐。但目前多集中于通過定量各單獨環節的碳足跡反映對環境的影響,未來需要加強分析食物鏈各環節之間影響碳足跡的互饋機制,強化碳足跡與資源(養分、水、土地利用)、經濟與社會指標之間的關聯分析;應充分考慮農業生態系統的碳匯作用,并進一步完善食物系統碳足跡指標與參數的監測體系建設,為應對全球氣候變化與實現可持續目標方面提供科學依據。

在研究思路上要結合“自上而下”與“自下而上”的研究方法,將國家行動與落地實現有機結合,從而助力農業綠色發展、“雙碳”行動與鄉村振興戰略的實施。此外,建議將農村生活碳足跡與食物系統碳足跡一并納入到核算體系,這對改善人居環境與生態環境具有重要的指導意義。