生鮮肉類食品供應(yīng)鏈碳排放測算及動態(tài)優(yōu)化研究

陳 靜 王 姍 歐燦英 姜 旭*

(1.北京物資學院 物流學院，北京 101149；2. 北京市物流系統(tǒng)與技術(shù)重點實驗室，北京 101149)

全球氣候變暖對人類生活、經(jīng)濟發(fā)展構(gòu)成很大威脅，低碳發(fā)展的理念已受到廣泛關(guān)注，我國也將節(jié)能減排作為經(jīng)濟和社會發(fā)展的重大戰(zhàn)略任務(wù)。隨著生活質(zhì)量的提高，消費者對生鮮肉類產(chǎn)品有更多的需求，大大促進了生鮮肉類食品的生產(chǎn)。然而，生鮮肉類食品在其生產(chǎn)周期內(nèi)，由于各種活動的參與而造成大量的能源消耗、產(chǎn)生大量的碳排放。因此探索生鮮肉類食品供應(yīng)鏈的碳排放問題，并找出控制其產(chǎn)生環(huán)境污染的有效措施具有重要意義。

碳排放問題是近年國內(nèi)外研究熱點。Peters[1]認為測算某特定系統(tǒng)產(chǎn)生的碳排放時，應(yīng)根據(jù)研究對象的尺度采用相應(yīng)方法，同時要考慮成本及計算結(jié)果的準確性。劉廣海等[2]將碳排放引入到冷鏈物流的流通環(huán)節(jié)，構(gòu)建了考慮碳排放及成本的目標函數(shù)，并進行香蕉全程冷鏈分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)碳稅和腐損率對系統(tǒng)總成本和碳排放的影響最顯著。Mogensen等[3]研究了丹麥牛肉從生產(chǎn)到屠宰加工階段的環(huán)境績效，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放最多，而屠宰階段對動物副產(chǎn)品的回收足以抵消屠宰過程的碳排放。Saunders等[4]研究了新西蘭飼養(yǎng)場的綿羊運送到英國的過程中產(chǎn)生的碳排放，發(fā)現(xiàn)遠洋運輸環(huán)節(jié)比在英國本土養(yǎng)殖環(huán)節(jié)綿羊所產(chǎn)生的碳排放更少。James等[5]研究了食品供應(yīng)鏈不同環(huán)節(jié)的能源消耗對環(huán)境的影響，其研究重點是對食品冷鏈和氣候變化的關(guān)系進行分析。許茹楠等[6]研究了果蔬冷鏈的碳排放問題，發(fā)現(xiàn)運輸、冷藏環(huán)節(jié)產(chǎn)生的二氧化碳最多，并從燃料、制冷設(shè)備等的使用方面提出了改進措施。廖晶等[7]采用碳排放系數(shù)法及投入產(chǎn)出法構(gòu)建了雙渠道流通模式下荔枝全程冷鏈的碳排放測算模型，研究發(fā)現(xiàn)運輸環(huán)節(jié)是整條鏈產(chǎn)生碳排放最多的環(huán)節(jié)，且全程冷鏈下的碳排放總量與系統(tǒng)總成本均比斷鏈的情況下低。胡百靈等[8]對我國2007—2016年果蔬冷鏈物流的生產(chǎn)、配送及倉儲環(huán)節(jié)進行碳排放測算，發(fā)現(xiàn)我國果蔬冷鏈物流的碳排放逐年增加，并從征收碳稅和實施碳排放權(quán)交易政策角度提出了適合我國國情的碳減排方案。

已有研究對生鮮農(nóng)產(chǎn)品領(lǐng)域的碳排放多是針對畜牧產(chǎn)品的某一特定環(huán)節(jié)及果蔬冷鏈流通環(huán)節(jié)展開的研究，對生鮮肉食品供應(yīng)鏈系統(tǒng)的碳排放的研究甚少。因此，為深入探究生鮮肉食品供應(yīng)鏈系統(tǒng)的碳排放問題，本研究擬以生鮮肉類食品供應(yīng)鏈為研究對象，結(jié)合生命周期理論及系統(tǒng)動力學方法，以期為生鮮肉食品供應(yīng)鏈的碳排放優(yōu)化提供思路，提高供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的運作效率，促進供應(yīng)鏈系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

1 生鮮肉類食品供應(yīng)鏈構(gòu)成及碳排放影響因素分析

1.1 生鮮肉類食品供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)

生鮮肉類食品供應(yīng)鏈屬于典型的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈，是由具體肉類食品需求拉動的鏈條結(jié)構(gòu)，同時也具備肉類食品供應(yīng)鏈的明顯特征，是以生鮮肉的物質(zhì)流動為主要表現(xiàn)形式的冷鏈形式。本研究界定的生鮮肉類食品供應(yīng)鏈指的是從活體動物流通，到屠宰分割、加工，最終到銷售端成品轉(zhuǎn)移到消費者手中的全過程。

根據(jù)環(huán)節(jié)和組織載體的不同，生鮮肉類食品供應(yīng)鏈運作模式主要分為3 種類型，包括：連鎖經(jīng)營企業(yè)主導(dǎo)的供應(yīng)鏈，加工企業(yè)主導(dǎo)的供應(yīng)鏈，以及批發(fā)市場主導(dǎo)的供應(yīng)鏈。雖然目前市場存在多種模式，但主要圍繞著核心企業(yè)展開，而且供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)越多，造成的損耗越多，對環(huán)境造成的影響也越大。根據(jù)上述分析，本研究構(gòu)建生鮮肉類食品供應(yīng)鏈模式(圖1)。

如圖1所示，冷鏈保鮮作為貫穿生產(chǎn)加工直至消費者的核心要素，屬于構(gòu)成生鮮供應(yīng)鏈的物質(zhì)流動及碳排放產(chǎn)生的主要約束因素之一，其表現(xiàn)形式為生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)的低溫加工，倉儲配送環(huán)節(jié)的冷鏈儲藏、不同環(huán)節(jié)銜接過程的冷鏈運輸及配送以及批發(fā)零售環(huán)節(jié)的冷藏陳列。肉類食品供應(yīng)鏈的顯著特點在于達到低溫溫控，因此對于達到及保障溫控體系的設(shè)備、流程、環(huán)節(jié)以及相關(guān)要素成為下一步研究的關(guān)鍵。

圖1 生鮮肉類食品供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)
Fig.1 Structure of fresh meat supply chain

1.2 生鮮肉類食品供應(yīng)鏈碳排放過程分析

在肉類生產(chǎn)階段，當活畜被運送至屠宰加工企業(yè)后，會按照一定流程進行操作。活體動物經(jīng)過致昏放血后，首先用熱水燙毛，進行打毛處理，置于 -15 ℃ 的速凍庫進行急凍處理約1～2 h，然后進行排酸冷卻，置于-1.5～7.0 ℃的排酸庫中12～24 h 降溫，后在0～4 ℃的環(huán)境下進行剔骨、分割加工等操作，完成生鮮肉類食品的生產(chǎn)。在這個過程中伴有設(shè)備及制冷系統(tǒng)的能源消耗、水的消耗、包裝材料的使用以及對廢棄物的處置，都會產(chǎn)生一定的碳排放。

在運輸階段，屠宰加工廠首先通過中間商購買活畜，然后將生產(chǎn)加工完成的生鮮肉食品運送至配送中心進行冷藏，最后根據(jù)各銷售點需求情況進行配送，完成生鮮肉食品供應(yīng)鏈的全程運輸。由于生鮮肉食品的保鮮期、貨架期較短，對時效性要求較高，所以無論是長途運輸還是短途配送，其運輸方式普遍采用公路運輸。此外，生鮮肉在冷鏈運輸過程中也會存在一定的損耗，根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院公開數(shù)據(jù)顯示，我國目前生鮮肉流通過程的腐損率為8%[9]。生鮮肉腐損過程中產(chǎn)生的溫室氣體大部分是甲烷，其排放量受甲烷生產(chǎn)潛力及生鮮肉腐損量的影響。故運輸階段產(chǎn)生碳排放的來源主要包括運輸及配送車輛的規(guī)格、油耗類型，冷鏈運輸過程中的制冷系統(tǒng)能耗，還有一部分是生鮮肉的腐損程度。

在倉儲階段，配送中心需要配備大型的冷庫等制冷設(shè)施對生鮮肉類食品進行冷藏，以保證冷鮮肉在倉儲過程中達到低溫要求并保持食物的新鮮度。冷庫的制冷系統(tǒng)需要消耗大量的能源，其中肉類食品的倉儲量、食品在冷庫的存放時間是影響碳排放的主要因素。

在銷售階段，生鮮肉類食品有一部分存放在開放的陳列柜供消費者購買，另一部分存放在庫房的存儲柜暫存，從而減少生鮮肉食品由于變質(zhì)而帶來的經(jīng)濟損失。該階段制冷設(shè)備及照明系統(tǒng)的能耗情況、銷售區(qū)域面積、空間利用率等因素是產(chǎn)生碳排放的主要來源。

1.3 生鮮肉類食品供應(yīng)鏈碳排放系統(tǒng)邊界確定

本研究主要以肉類食品的生產(chǎn)作為供應(yīng)鏈的起始端，以肉類食品的銷售陳列作為最終端開展研究，生鮮肉在該流通環(huán)節(jié)中的碳排放占比較高，同時也具備低碳優(yōu)化研究價值。結(jié)合上述特點，本研究對肉類食品供應(yīng)鏈碳排放影響因素進行分析并確定的系統(tǒng)邊界見圖2。

2 生鮮肉類食品供應(yīng)鏈碳排放的SD模型構(gòu)建

本研究將肉類食品供應(yīng)鏈劃分為生產(chǎn)子系統(tǒng)、運輸子系統(tǒng)以及倉儲子系統(tǒng)3個模塊來研究。由于肉類食品供應(yīng)鏈銷售環(huán)節(jié)碳排放的測量最終歸結(jié)為對電能的測量，過程比較簡單，直接測量電能的使用量，因此此環(huán)節(jié)不存在復(fù)雜的因果回路，所以不對銷售環(huán)節(jié)單獨建立因果關(guān)系圖。

圖2 生鮮肉類食品供應(yīng)鏈碳排放系統(tǒng)
Fig.2 Carbon emission system for fresh meat supply chain

2.1 碳排放系統(tǒng)因果關(guān)系分析

2.1.1生產(chǎn)子系統(tǒng)碳排放的因果關(guān)系圖

生產(chǎn)環(huán)節(jié)是生鮮肉食品供應(yīng)鏈的重要環(huán)節(jié)，在這一過程中加工設(shè)備、制冷系統(tǒng)需要消耗大量電能和水等能源，并產(chǎn)生動物副產(chǎn)品以及廢水等需要處置的廢棄物。該階段碳排放的因果關(guān)系見圖3。

圖3 生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)碳排放因果關(guān)系圖
Fig.3 Causal relationship of carbon emissions in production and processing

在該因果關(guān)系圖中包含 5 個正反饋回路和 5 個負反饋回路，其中生產(chǎn)量—利潤—科技投入—設(shè)備優(yōu)化投入/制冷技術(shù)投入/包裝技術(shù)投入/廢棄物處理技術(shù)投入/新能源發(fā)電方式投入—單位生產(chǎn)過程碳排放/單位制冷碳排放/單位包裝碳排放/單位廢棄物碳排放—生產(chǎn)量回路是正反饋回路。由于生產(chǎn)量的增加會帶來利潤的增加，有效降低了碳排放，從而對提高產(chǎn)量起到促進作用。

生產(chǎn)量—生產(chǎn)環(huán)節(jié)總碳排放總量—超出碳排放限額量—碳排放治理成本—利潤—科技投入—單位生產(chǎn)過程碳排放/單位制冷碳排放/單位包裝碳排放/單位廢棄物碳排放—生產(chǎn)量回路是負反饋回路，隨著肉類食品產(chǎn)量的增加，生產(chǎn)加工造成的碳排放隨之增加，企業(yè)會相應(yīng)的提高碳排放治理成本，對利潤產(chǎn)生一定的負效應(yīng)，而利潤的降低會對生產(chǎn)過程中的科技投入起到抑制作用，因而對環(huán)境所造成的污染就越多，刺激企業(yè)通過降低產(chǎn)量來降低生產(chǎn)過程帶來的環(huán)境影響。利潤—科技投入—成本—利潤回路是負反饋回路，隨著科技投入的增加使得成本增加，從而降低了利潤。

2.1.2運輸子系統(tǒng)碳排放的因果關(guān)系圖

生鮮肉食品供應(yīng)鏈各節(jié)點的流通都包含運輸過程，其中運輸路徑、運輸工具、運輸過程中燃油類型、制冷系統(tǒng)能耗對碳排放的影響不容忽視。該環(huán)節(jié)碳排放的因果關(guān)系見圖4。

圖4 運輸環(huán)節(jié)碳排放因果關(guān)系圖
Fig.4 Causal relationship of carbon emissions in transportation

該因果關(guān)系圖中包含 4 個正反饋回路和 3 個負反饋回路，其中運輸量—利潤—運輸系統(tǒng)投入—運輸工具投入/信息共享系統(tǒng)投入/流程優(yōu)化投入/溫控及制冷技術(shù)投入—運輸工具能耗碳排放系數(shù)/裝載率/運輸線路和距離/單位制冷能耗—單位行駛碳排放/單位制冷碳排放—運輸量回路是正反饋回路，運輸量的增加會帶來利潤的增加，從而對運輸系統(tǒng)的投入增加，產(chǎn)生的碳排放量減少，低碳環(huán)保的運輸促進了運輸過程的高效運行。運輸量—運輸環(huán)節(jié)碳排放總量—超出碳排放限額量—碳排放治理成本—利潤—運輸系統(tǒng)投入—單位行駛碳排放/單位制冷碳排放—運輸量回路是負反饋回路，隨著運輸量的增加，帶來了更多的碳排放，需要投入更多治理環(huán)境的成本，從而導(dǎo)致利潤的降低，那么對運輸系統(tǒng)的投入就會降低，最終會通過控制運輸量達到環(huán)境效益的平衡。利潤—運輸系統(tǒng)投入—成本—利潤回路是負反饋回路，隨著投資的增加使得成本增加，從而減少了運輸企業(yè)的利潤。

2.1.3倉儲子系統(tǒng)碳排放的因果關(guān)系圖

肉類食品倉儲環(huán)節(jié)主要是冷藏、冷凍設(shè)備耗能從而產(chǎn)生的碳排放，影響碳排放的因素包括倉儲環(huán)節(jié)的倉儲量、冷藏冷凍設(shè)備的空間布局、制冷技術(shù)能耗以及能源消耗類型。該環(huán)節(jié)碳排放的因果關(guān)系見圖5。

圖5 倉儲環(huán)節(jié)碳排放因果關(guān)系圖
Fig.5 Causal relationship of carbon emissions in storage

該因果關(guān)系圖包含 4 個正反饋回路和 1 個負反饋回路，其中供應(yīng)鏈競爭力—利潤—科技創(chuàng)新與管理投入—溫控及制冷技術(shù)投入/空間布局規(guī)劃投入/新能源發(fā)電比例—單位產(chǎn)品能耗—倉儲系統(tǒng)單位碳排放—供應(yīng)鏈競爭力回路是正反饋回路，該回路反映了供應(yīng)鏈系統(tǒng)競爭力越強，其盈利水平越高，促使企業(yè)擴大對倉儲系統(tǒng)的科技創(chuàng)新及管理的投入，使得產(chǎn)品單位時間內(nèi)的能耗降低，則產(chǎn)生的碳排放也降低，進而促進了倉儲系統(tǒng)競爭力的增強。供應(yīng)鏈競爭力—倉儲系統(tǒng)碳排放總量—超出碳排放限額量—碳排放治理成本—供應(yīng)鏈競爭力回路是正反饋回路，該回路反映了供應(yīng)鏈系統(tǒng)競爭力越高，企業(yè)碳排放水平越低，其治理碳排放的成本就越低，有利于穩(wěn)固倉儲系統(tǒng)的競爭力。利潤—科技創(chuàng)新與管理投入—成本—利潤回路是負反饋回路，該回路說明隨著企業(yè)盈利水平的提高，可增加企業(yè)對科技創(chuàng)新與管理的投入，促使企業(yè)增加成本，反過來抑制盈利水平的提高。企業(yè)在正負反饋的引導(dǎo)下反復(fù)循環(huán)，保證了倉儲系統(tǒng)的平衡發(fā)展。

2.2 模型存量流量圖

根據(jù)因果回路圖，利用Vensim軟件得到系統(tǒng)各變量間的存量流量圖，即生鮮肉類食品供應(yīng)鏈碳排放的SD模型(圖6)。模型自左至右、自上而下分別為肉類食品供應(yīng)鏈中測算碳排放的生產(chǎn)、運輸、倉儲和銷售過程，各環(huán)節(jié)的碳排放匯總至中間的肉類食品供應(yīng)鏈碳排放部分，這幾個子模塊相互聯(lián)系、環(huán)環(huán)相扣，又各成系統(tǒng)。

2.3 參數(shù)選擇

生鮮肉類食品供應(yīng)鏈碳排放的SD模型參數(shù)分為4類，分別為：狀態(tài)變量、速率變量、常量和輔助變量。其中生產(chǎn)、運輸、倉儲、銷售過程碳排放量累積以及供應(yīng)鏈碳排放累積等為狀態(tài)變量，表示碳排放的累積過程；生產(chǎn)、運輸、倉儲、銷售過程碳排放增加量以及利潤增加、減少量為速率變量，是使上述狀態(tài)變量發(fā)生變化的因素；肉類食品生產(chǎn)、運輸、倉儲、銷售過程碳排放量以及碳排放成本等變量為輔助變量，描述了狀態(tài)變量和速率變量之間的信息傳遞；相關(guān)變量的碳排放系數(shù)、車輛規(guī)格及單位能耗、設(shè)備熱傳導(dǎo)率等變量為常量。

本研究中狀態(tài)變量、速率變量經(jīng)由計算得到；輔助變量及常量的數(shù)據(jù)主要來源于行業(yè)實地調(diào)研及借鑒《IPCC 2006年國家溫室氣體排放清單指南》、《GB/T 2589—2008綜合能耗計算通則》、《2050中國能源和碳排放報告》等權(quán)威數(shù)據(jù)庫。

模型關(guān)鍵變量及參數(shù)的碳排放相關(guān)指標見表1。

2.4 變量表達式

本研究依據(jù)PAS 2050的核算標準來收集具體數(shù)據(jù)，參照生命周期評價法中的計算原理及《GB/T2589—2008綜合能耗計算通則》中提供的相關(guān)物質(zhì)活動數(shù)據(jù)，將其應(yīng)用到肉類食品供應(yīng)鏈過程中。根據(jù)收集到的活動數(shù)據(jù)和碳排放系數(shù)的信息，計算出相關(guān)的碳排放總量。其計算基本公式為：

碳排放量=能源消耗數(shù)據(jù)×能源碳排放系數(shù)

以上式為基礎(chǔ)，結(jié)合相關(guān)變量間的關(guān)系，確定生鮮肉類食品供應(yīng)鏈碳排放的系統(tǒng)動力學模型的相關(guān)變量表達式。

表1 關(guān)鍵變量碳排放相關(guān)指標
Table 1 Carbon emission related indicators for key variables

項目Item指標Index具體數(shù)值A(chǔ)ccurate value來源Source電能 Electric energy碳排放系數(shù)1.28 kg/(kW·h)(華北區(qū)域)[10]水 Water轉(zhuǎn)標準煤系數(shù)0.085 7[11]標準煤 Standard coal轉(zhuǎn)二氧化碳系數(shù)2.505 1 kg/kg[12]包裝材料 Packaging material廢棄二氧化碳排放2.75 kg/kg[16]動物副產(chǎn)品 By-products of animals廢棄物處置碳排放0.157 kg/kg[3]小型貨車 2 t Small truck噸公里能耗0.246 1 kg/(t·km)[13]冷藏廂式貨車 8 t Refrigerated van噸公里能耗0.166 3 kg/(t·km)[13]重型貨車 10 t Heavy truck噸公里能耗0.177 2 kg/(t·km)[13]火車 Train噸公里能耗0.010 13 kg/(t·km) [13]汽油 Gasoline平均低位發(fā)熱量43 070 kJ/kg[11]柴油 Diesel平均低位發(fā)熱量42 652 kJ/kg[11]玻璃鋼 Glass fiber reinforced plastics熱傳導(dǎo)率41.9～58.6 kcal/(h·m2·℃)[8]銷售柜 Sales cabinet平均單位面積日耗電量4.055 (kW·h)/m2[17]碳排放成本 The cost of carbon emissions單位碳排放成本20 元/ t[18]甲烷生產(chǎn)潛力Methane production potential甲烷修正因子0.4[19]可降解的有機碳比例0.21[19]經(jīng)異化可降解的有機碳比例0.77[19]占損耗肉類處理氣體比例0.5[19]

3 實證研究

3.1 案例背景

研究對象以主營預(yù)冷鮮凍豬分割肉、雞分割肉、熟肉制品等為主的M食品企業(yè)組成的生鮮肉類食品供應(yīng)鏈。對該企業(yè)進行實地走訪調(diào)研以及查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)該企業(yè)通過向當?shù)仞B(yǎng)殖場收購生豬，再將經(jīng)生產(chǎn)加工的冷鮮肉送往北京市的冷鏈配送中心，由配送中心再銷往各大商超及零售店。

在2013—2018年該企業(yè)生鮮肉的產(chǎn)量分別為132.13、149.90、123.92、130.67、152.93和164.90萬t；銷量分別為130.65、148.52、122.72、129.08、151.90和163.18萬t。企業(yè)生產(chǎn)過程中設(shè)備相關(guān)參數(shù)為：打毛機(200型)7.50 kW，生產(chǎn)能力30.0 s/只；剔骨機(MAG—120)功率3.00 kW，生產(chǎn)能力600.0 kg/h；分割機(BDG—600D帶鋸) 功率5.50 kW，生產(chǎn)能力600.0 kg/h；剛剛屠宰完的胴體在速凍庫急凍1 h，在排酸庫冷卻12 h，其中速凍庫、排酸庫每日能耗分別為12.75、10.00 kW，每日工作按10 h計算；水消耗約8.1 t/t；1 kg生鮮肉大約需要49.85 g塑料包裝；廢棄物約占動物胴體重量的10%。已知當?shù)仞B(yǎng)殖廠到該企業(yè)的距離為21.4 km，從該企業(yè)到北京市冷藏配送中心的公路運輸距離約406.1 km，配送中心到當?shù)卮笮蜕坛木嚯x為29.6 km。生鮮肉在配送中心冷藏時間為2 d；運輸?shù)竭B鎖超市后，約20%的肉擺放于陳列柜1 d，其余存放在存儲柜，待銷售完及時從暫存柜供應(yīng)，其在存儲柜的周期約4 d；已知陳列柜、存儲柜空間利用率約85%，陳列區(qū)、存儲區(qū)的高度分別為0.28、1.20 m。運輸環(huán)節(jié)相關(guān)活動數(shù)據(jù)見表2。

表2 運輸環(huán)節(jié)物質(zhì)活動數(shù)據(jù)Table 2 Material activity data of transportation links

3.2 模型檢驗

本研究主要以2013—2018年該條供應(yīng)鏈產(chǎn)生的碳排放累積量作為檢驗指標，對模型的有效性進行驗證。根據(jù)生鮮肉食品供應(yīng)鏈企業(yè)實際運行情況以及《GB/T2589—2008綜合能耗計算通則》、《中國能源年鑒》中的相關(guān)碳排放系數(shù)等數(shù)據(jù)作為仿真的初始數(shù)據(jù)，得出肉類食品供應(yīng)鏈碳排放的相關(guān)數(shù)據(jù)，將其與實際碳排放累積量進行對比(表3)。從表3看出，仿真值和實際值的最大誤差為5.33%，最小誤差為1.78%，均處于≤10%的范圍內(nèi)，說明模型的擬合程度較高，能有效反映肉類食品供應(yīng)鏈碳排放的實際情況，適合進行模擬仿真分析。

3.3 碳排放測度

根據(jù)模型運行結(jié)果，得到生鮮肉從生產(chǎn)直至銷售環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放情況見圖7。

表3 2013—2018年供應(yīng)鏈碳排放累積的 仿真值和實際值對比Table 3 Comparison of simulated and actual values of carbon emissions accumulation in the supply chain in 2013-2018

圖7 生鮮肉供應(yīng)鏈各項活動碳排放累積及所占比例情況
Fig.7 Cumulative carbon emissions and proportion of activities in the fresh meat supply chain

從該肉類食品供應(yīng)鏈來看，1 t生鮮肉產(chǎn)生的碳排放為166.97 kg，其中運輸環(huán)節(jié)的碳排放是系統(tǒng)碳排放的主要來源，考慮到生鮮肉在流通過程的損耗與其流通時間有關(guān)，且經(jīng)測算肉類腐損產(chǎn)生的碳排放為0.01 kg，在運輸環(huán)節(jié)不足1%，故將生鮮肉損耗產(chǎn)生的碳排放合并到長途運輸階段，則活畜運輸、長途運輸、短途配送這幾個流通環(huán)節(jié)分別占系統(tǒng)總碳排放的2.13%、45.73%、4.51%，整個運輸環(huán)節(jié)約占系統(tǒng)總碳排放的50%。由于運輸環(huán)節(jié)涵蓋整條供應(yīng)鏈，既包含長途運輸，又有中短途運輸及配送，運輸距離遠導(dǎo)致行駛過程能耗大；且運輸過程中要始終保證食品處于低溫環(huán)境，其制冷系統(tǒng)能耗也較大，因此該環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放最多。

生產(chǎn)環(huán)節(jié)是除運輸環(huán)節(jié)之外的主要碳排放環(huán)節(jié)，約占系統(tǒng)總碳排放的30%。由于該環(huán)節(jié)需要在低溫環(huán)境下進行，制冷系統(tǒng)需要消耗一定的電能，加工過程中的打毛機、剔骨機、分割機等機械設(shè)備也需要消耗大量電能，對生鮮肉的清潔處理也需要消耗大量的水，生鮮肉加工完成后還需要一定的包裝材料使用，此外，動物副產(chǎn)品的廢棄物需要進行焚燒處置等，這些過程都會造成大量碳排放，因此產(chǎn)生的碳排放也較多。

生鮮肉在倉儲環(huán)節(jié)、銷售環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放相對于其他環(huán)節(jié)較少，分別約占總碳排放量的9%、10%，產(chǎn)生碳排放的來源主要是消耗電能。由于倉儲環(huán)節(jié)生鮮肉的存放量大，周轉(zhuǎn)效率較高，在冷庫的冷藏時間較短，分攤到1 t生鮮肉上消耗的電量就比較少，因此產(chǎn)生的碳排放較少。生鮮肉在零售店的存放需要保持較低的溫度，需要陳列柜及存儲柜的制冷系統(tǒng)耗能以實現(xiàn)低溫存儲，確保肉類品質(zhì)，且存儲時間較長，因此分攤到1 t生鮮肉上消耗的電能與倉儲環(huán)節(jié)相當，從而產(chǎn)生一定的碳排放。

3.4 模型情景變動分析

3.4.1改變長途運輸方式和降低車輛單位能耗

根據(jù)實地調(diào)研情況發(fā)現(xiàn)M食品企業(yè)將生產(chǎn)加工完成的生鮮肉采用重型(載重10 t)貨車運送到北京市，而貨車相對于鐵路運輸所產(chǎn)生的碳排放更多。根據(jù)圖7可知，長途運輸階段在整個運輸環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放最多。在長途運輸中，鐵路運輸不受天氣的影響，且相對于公路運輸來說，運輸量更大，費用更低。冷藏集裝箱是專門運輸魚蝦、肉類、新鮮水果等易腐食品的運輸工具，因此該生鮮肉的長途運輸可考慮鐵路冷藏集裝箱運輸。

目前我國鐵路冷藏集裝箱一般采用45英尺柴電一體式國際標準冷藏集裝箱，其外部、內(nèi)部尺寸分別為13 716 mm×2 438 mm×2 896 mm、12 716 mm×2 294 mm×2 554 mm，總重30 480 kg，自重7 000 ～7 180 kg，采用R404a制冷劑，漏熱率≤41.3 kcal/h·℃[14]。中國碳排放交易網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，中國市場平均的鐵路運輸碳排放系數(shù)為0.010 13 kg/t·km。長途運輸方式改變前后模型相關(guān)參數(shù)變動見表4。

表4 公路與鐵路長途運輸關(guān)鍵參數(shù)對比Table 4 Comparison of key parameters of long-distance transportation between highway and railway

此外，由于運輸過程產(chǎn)生碳排放的主要來源是車輛的燃油消耗，如果車輛單位能耗降低，則必定會減少環(huán)境污染。生物柴油是目前新能源研制和開發(fā)的熱點，運輸過程的單位能耗遠小于普通柴油。根據(jù)印崧等[15]的研究，生物柴油的碳排放為101 g/kW·h，大約為普通柴油的25%。在相同里程下，燃油碳排放系數(shù)與單位能耗按同比例變化。故以燃燒生物柴油為最理想狀態(tài)，將燃油單位能耗分別降低5%、15%、25%。本研究模擬“改變長途運輸方式”和“降低運輸車量單位能耗”2種情形，以“改變長途運輸方式”設(shè)置為情景M，以柴油單位能耗降低5%、15%、25%分別設(shè)置為情景N-1、N-2、N-3，以2018年為初始情形觀察供應(yīng)鏈運輸環(huán)節(jié)及供應(yīng)鏈系統(tǒng)碳排放量的變化情況，運行結(jié)果見圖8。

圖8 長途運輸方式和單位能耗改變前后各環(huán)節(jié)碳排放占供應(yīng)鏈碳排放的比例
Fig.8 The proportion of carbon emissions in the supply chain before and after the change in long-distance transportation mode and unit energy consumption

圖8的結(jié)果表明，改變長途運輸方式相較于降低運輸車輛的單位能耗對碳排放的影響更為顯著，在該情形下供應(yīng)鏈運輸環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放所占比例從原來的52.37%減少至16.22%。運輸車輛的單位能耗改變對碳排放的影響在上圖中雖然沒有明顯，但使用新型可再生燃油是未來發(fā)展的趨勢，國家也在大力提倡。表5通過比較幾次模擬情景變動的數(shù)據(jù)，更為直觀地探索長途運輸方式和運輸車輛單位能耗改變對供應(yīng)鏈碳排放的影響情況。

表5 2018年降低車輛單位能耗或改變長途運輸方式前后供應(yīng)鏈碳排放對比情況Table 5 Comparison of carbon emissions in the supply chain before and after reducing vehicle energy consumption or changing long-distance transportation modes in 2018

結(jié)果表明，采用鐵路長途運輸對供應(yīng)鏈碳排放的影響最為顯著，全年可降低碳排放約41%；當運輸車輛的單位能耗降低25%，全年可實現(xiàn)降低碳排放量約13%。長途運輸變公路為鐵路、運輸車輛單位能耗降低25%能夠有效降低環(huán)境污染，取得更好的節(jié)能減排的效果，對于資金的有效利用、新型可再生燃油的順利推廣具有重要意義。

3.4.2優(yōu)化設(shè)備效率、廢棄物回收利用及降低制冷系統(tǒng)能耗

生鮮肉的生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放主要是制冷系統(tǒng)及生產(chǎn)加工設(shè)備的電能消耗，水、包裝材料的消耗以及對廢棄的動物副產(chǎn)品的處置造成的。根據(jù)模型測算結(jié)果(圖9)，水和包裝在生產(chǎn)環(huán)節(jié)的碳排放所占比例很小，產(chǎn)生的碳排放約占生產(chǎn)環(huán)節(jié)碳排放的1%，故從其他幾方面入手，考慮對生產(chǎn)環(huán)節(jié)的碳排放進行優(yōu)化分析。

圖9 生產(chǎn)環(huán)節(jié)各能源消耗產(chǎn)生的碳排放量及占比情況
Fig.9 Carbon emissions and ratios of energy consumption in the production process

生產(chǎn)設(shè)備的功率直接影響電能的消耗量，在相同時間內(nèi)設(shè)備功率提升可生產(chǎn)更多的肉類食品，分攤到每噸肉所消耗的電量更少，從而可以實現(xiàn)碳排放量的降低。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，M食品企業(yè)的剔骨機、分割機設(shè)備有優(yōu)化空間，設(shè)備效率優(yōu)化前后的主要參數(shù)變動情況見表6。

將變動的參數(shù)代入模型，同樣以2018年為初始情形，對比研究剔骨機效率優(yōu)化、分割機效率優(yōu)化與2種設(shè)備同時優(yōu)化情況下該肉類食品供應(yīng)鏈生產(chǎn)環(huán)節(jié)各種設(shè)備耗電產(chǎn)生的碳排放及生產(chǎn)環(huán)節(jié)各能源消耗所產(chǎn)生碳排放的比例變動情況，具體見表7。

表6 設(shè)備效率優(yōu)化前后主要技術(shù)參數(shù)變動情況Table 6 Changes in main technical parameters before and after optimization of equipment efficiency

表7 優(yōu)化設(shè)備效率前后生產(chǎn)環(huán)節(jié)碳排放及占供應(yīng)鏈碳排放比例情況Table 7 Carbon emissions and the proportion of supply chain in the production chain before and after the change in equipment efficiency

根據(jù)表7可知，剔骨機效率提升、分割機效率提升均能適當降低該條供應(yīng)鏈的碳排放，但只有在剔骨機、分割機效率同時提高時，生鮮肉生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放量明顯減少，2018年該條供應(yīng)鏈生產(chǎn)環(huán)節(jié)約產(chǎn)生7.38萬t CO2，占整條供應(yīng)鏈的27.53%，比優(yōu)化前降低4 400 t CO2。說明對設(shè)備的效率優(yōu)化是有效控制碳排放的重要方向。

屠宰加工環(huán)節(jié)對動物副產(chǎn)品的妥善處理也會降低環(huán)境污染。動物副產(chǎn)品包含可食用的副產(chǎn)品、可回收利用的副產(chǎn)品以及必須焚燒或填埋處理的的副產(chǎn)品。調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)，對于屠宰后的動物副產(chǎn)品，企業(yè)沒有進行有效的回收處理。如果動物脂肪不被燃燒，而是經(jīng)過再回收加工成生物柴油或沼氣，則會大大降低屠宰加工環(huán)節(jié)所造成的環(huán)境污染。故本研究模擬當部分廢棄物回收利用(廢棄物部分焚燒)時，其在生產(chǎn)環(huán)節(jié)各能源消耗產(chǎn)生的碳排放及供應(yīng)鏈整體碳排放的變化情況。根據(jù)調(diào)研情況分析，可回收的動物副產(chǎn)品包括生產(chǎn)沼氣、柴油，還有部分經(jīng)加工后可食用，這些約占廢棄物總量的1/2，將改變的參數(shù)代入模型，以2018年碳排放為初始情形，得出仿真前后變化的具體情況見圖10及表8。

根據(jù)上述供應(yīng)鏈生產(chǎn)環(huán)節(jié)內(nèi)各能源碳排放變化及供應(yīng)鏈碳排放變化的數(shù)據(jù)可知，當回收部分動物副產(chǎn)品用于生產(chǎn)沼氣或生物柴油時，生產(chǎn)環(huán)節(jié)碳排放由改變前的7.82萬t減少至6.53萬t，改變后該供應(yīng)鏈在2018年產(chǎn)生的碳排放約25.97萬t，較改變前約降低5個百分點，因此可大大減少二氧化碳的產(chǎn)生。該結(jié)果說明可回收動物副產(chǎn)品的再利用對實現(xiàn)該條生鮮肉供應(yīng)鏈碳排放的優(yōu)化控制具有顯著效果。

圖10 廢棄物完全焚燒與部分焚燒情況下生產(chǎn)環(huán)節(jié)內(nèi)各能源消耗的碳排放比例
Fig.10 Proportion of carbon emissions from energy consumption in production during complete incineration and partial incineration of waste

表8 2018年廢棄物完全焚燒與部分焚燒情況下生產(chǎn)環(huán)節(jié)及供應(yīng)鏈產(chǎn)生碳排放變化情況
Table 8 Changes in carbon emissions from production and supply chain during complete incineration and partial incineration of waste in 2018

項目Item生產(chǎn)環(huán)節(jié)碳排放/萬tCarbon emissionsduring production供應(yīng)鏈碳排放/萬tCarbon emissions insupply chain占供應(yīng)鏈百分比/%Percentage ofsupply chain變化百分比/%Changement ofpercentage廢棄物完全焚燒Complete waste incineration7.8227.2528.70-廢棄物部分焚燒Partial waste incineration6.5325.9725.144.70

此外，根據(jù)圖9各能源消耗產(chǎn)生的碳排放占生產(chǎn)環(huán)節(jié)的比例可知，制冷系統(tǒng)的能耗也是生產(chǎn)加工過程中造成環(huán)境污染的主要來源，降低制冷能耗可有效降低制冷過程產(chǎn)生的碳排放。已知當前市場上有A類型的更為高效低能耗的制冷系統(tǒng)；若企業(yè)能保證其利益的情況下加大一定的科技投入，采用A型制冷系統(tǒng)，則會對該階段的環(huán)境改善起到一定的促進作用。故本研究模擬當急凍庫和排酸庫的制冷系統(tǒng)換為A型的制冷系統(tǒng)情景，該情景下主要參數(shù)變動情況如下表9所示，將變動的參數(shù)代入模型，同樣以2018年的碳排放為初始情形，觀察制冷能耗改變前后生產(chǎn)環(huán)節(jié)及供應(yīng)鏈系統(tǒng)的碳排放變化，結(jié)果見圖11和表10。

表9 制冷系統(tǒng)能耗改變前后主要參數(shù)變動情況Table 9 Changes of main parameters before and after changing the energy consumption of the refrigeration system

圖11 制冷能耗改變前后生產(chǎn)環(huán)節(jié)內(nèi)各能源消耗的碳排放比例
Fig.11 Carbon emission ratio of each energy consumption in the production link before and after the change of refrigeration energy consumption

表10 制冷能耗改變前后生產(chǎn)環(huán)節(jié)及供應(yīng)鏈產(chǎn)生碳排放變化情況
Table 10 Changes in carbon emissions from production and supply chain before and after the change in refrigeration energy consumption

項目Item生產(chǎn)環(huán)節(jié)碳排放/萬tCarbon emissionsduring production供應(yīng)鏈碳排放/萬tCarbon emissions insupply chain占供應(yīng)鏈比例/%Percentage ofsupply chain改變量/萬tAmount ofchange不改變制冷系統(tǒng)能耗No change in energy consumption of the refrigeration system7.8227.2528.70-降低制冷系統(tǒng)能耗Reducing energy consumption of the refrigeration systems7.6127.0428.140.21

根據(jù)上述分析發(fā)現(xiàn)，1 t生鮮肉在該供應(yīng)鏈生產(chǎn)環(huán)節(jié)的制冷過程產(chǎn)生的碳排放比例由之前的28.8%減少至26.9%；在2018年生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放約7.61萬t，供應(yīng)鏈系統(tǒng)產(chǎn)生的碳排放約27.04萬t，較改變前可降低2 100 t。說明降低制冷系統(tǒng)能耗在一定程度上可有效減少該供應(yīng)鏈造成的環(huán)境污染。

3.4.3降低設(shè)備功率與提高空間利用率

倉儲、銷售環(huán)節(jié)的碳排放主要是由于生鮮肉冷藏耗電產(chǎn)生的，因此，針對倉儲、銷售過程碳排放的優(yōu)化重點在于使其電能消耗的降低。

倉儲環(huán)節(jié)碳排放主要由倉儲量、消耗的電量以及電力碳排放系數(shù)來決定，倉儲量受供應(yīng)量及銷售量的影響，是不可控因素；電力碳排放系數(shù)是固定的常量，也無法改變；若減少在固定周期內(nèi)消耗的電量，需要降低冷庫單位能耗，單位能耗受冷庫容積的影響，容積越大，冷庫能耗越高，由于現(xiàn)實中無法改變冷庫容積，因此也是不可控因素。本研究對該肉類食品供應(yīng)鏈碳排放的測算研究中，倉儲環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放最少，其產(chǎn)生的環(huán)境影響最小，若對其進行優(yōu)化，可考慮從冷庫建設(shè)方面入手，對其空間布局規(guī)劃及利用率的提高方面進行改善。

銷售環(huán)節(jié)的碳排放主要來自食品在存儲柜、陳列柜存放時的電量消耗。調(diào)研發(fā)現(xiàn)超市采用的是風冷式冷鮮柜，制冷效果較好，但是比較費電，若采取直冷式冷鮮柜更省電。調(diào)研得知零售店采用直冷式冰箱最低消耗功率是340 W，折合成單位面積的日耗電量，則由原來的4.055 (kW·h)/d降低為3.563 (kW·h)/d；此外，對生鮮肉在該環(huán)節(jié)的碳排放產(chǎn)生影響的因素還有陳列柜、存儲柜的空間利用率，由于初始空間利用率為0.85，假設(shè)陳列柜、存儲柜的空間利用率均提高0.05，則單位重量的生鮮肉產(chǎn)生的碳排放將會有所降低。降低設(shè)備功率、提高空間利用率2種方式與改變前3種情境下銷售環(huán)節(jié)碳排放及供應(yīng)鏈碳排放情況見表11及表12。

表11 改變設(shè)備功率與空間利用率前后銷售環(huán)節(jié)各設(shè)備碳排放變化情況Table 11 Changes in carbon emissions of various equipment in the sales process before and after changing equipment power and space utilization kg

表12 改變設(shè)備功率與空間利用率前后供應(yīng)鏈年碳排放變化情況Table 12 Changes in annual carbon emissions in the supply chain before and after changing equipment power and space utilization

上表數(shù)據(jù)顯示，改變設(shè)備功率或空間利用率，均可降低生鮮肉銷售環(huán)節(jié)的碳排放量，其中設(shè)備功率的改變對碳排放的控制更加明顯，銷售環(huán)節(jié)碳排放由之前的16.77 kg降低至14.74 kg。根據(jù)2018年163.18萬t的銷量來看，該供應(yīng)鏈產(chǎn)生的碳排放降低了1.25%，折合成碳排放量約降低3 400 t，而提高空間利用率所減少的碳排放量也達到了1 600 t，說明提高冷藏設(shè)備的空間利用率、降低設(shè)備功率是減少該條供應(yīng)鏈造成的環(huán)境污染的有效對策。

3.5 碳排放優(yōu)化建議

結(jié)合目前我國肉類食品供應(yīng)鏈的現(xiàn)狀和系統(tǒng)動力學的模擬結(jié)果，本研究從以下幾方面給出肉類食品供應(yīng)鏈的碳減排措施與建議。

首先，肉類食品運輸過程應(yīng)合理規(guī)劃運輸方式，尋找可替代公路運輸?shù)墓ぞ?，充分發(fā)揮鐵路運輸運量大、能耗低的優(yōu)勢；優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，推廣清潔能源的使用，實現(xiàn)這一目標還需相關(guān)部門積極鼓勵科研單位對可替代的清潔能源的研發(fā)，不斷推動低碳能源技術(shù)的創(chuàng)新體系建設(shè)；針對當前我國肉類食品冷鏈流通率低、損耗大的問題，政府有必要出臺和完善相關(guān)政策法規(guī)，推動冷鏈運輸活動的標準化運行，加強宏觀調(diào)控，從根本上保障肉類食品運輸?shù)牡吞蓟l(fā)展。

其次，在生鮮肉生產(chǎn)環(huán)節(jié)應(yīng)當改進生產(chǎn)加工工藝，實施清潔生產(chǎn)，提高設(shè)備工作效率，這樣可以在相同的時間內(nèi)生產(chǎn)更多的肉類食品，從而降低單位食品消耗能源所造成的環(huán)境污染；同時，在保證企業(yè)經(jīng)濟利益的條件下更換高效低能耗的制冷設(shè)備，從一定程度上減少能源消耗；此外，對可回收的動物副產(chǎn)品進行綜合利用，能抵消屠宰加工過程的部分碳排放并提高企業(yè)經(jīng)濟效益，促進經(jīng)濟與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

最后，對于生鮮肉的倉儲及銷售環(huán)節(jié)，冷庫及冷藏設(shè)備能耗是其產(chǎn)生碳排放的主要來源，能耗水平越高，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的碳排放也就越高，因此要合理規(guī)劃冷藏設(shè)備的空間布局，提高其空間利用率，最大限度的降低碳排放量，減少環(huán)境污染；加大對冷藏設(shè)施溫控和制冷技術(shù)的投入，既能保證生鮮肉冷藏所需的溫度又能減少能源的消耗，從而實現(xiàn)碳排放的優(yōu)化。

4 結(jié) 論

本研究基于肉類食品供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)碳排放的來源及影響因素，綜合采用生命周期評價、系統(tǒng)動力學模型仿真等多種方法，界定了肉類食品供應(yīng)鏈碳排放的系統(tǒng)邊界，構(gòu)建了肉類食品供應(yīng)鏈碳排放的系統(tǒng)動力學模型，在此基礎(chǔ)上圍繞某一典型的生鮮肉供應(yīng)鏈展開了深入研究，探討生鮮肉供應(yīng)鏈的碳排放及其優(yōu)化問題。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1)1 t生鮮肉在該供應(yīng)鏈產(chǎn)生的碳排放約166.97 kg，其中運輸環(huán)節(jié)貢獻達52.37%，生產(chǎn)環(huán)節(jié)碳排放達28.68%，銷售和倉儲環(huán)節(jié)碳排放約18.94%，而運輸環(huán)節(jié)的活畜運輸、長途運輸、短途配送分別占系統(tǒng)總碳排放的2.13%、45.73%、4.51%；2)針對各環(huán)節(jié)，分別從“改變長途運輸方式和降低車輛單位能耗”、“優(yōu)化設(shè)備效率及、廢棄物回收利用及降低制冷系統(tǒng)能耗”、“降低設(shè)備功率與提高空間利用率”幾方面進行情景變動分析，發(fā)現(xiàn)供應(yīng)鏈運輸環(huán)節(jié)改變長途運輸方式、生產(chǎn)環(huán)節(jié)對廢棄物的回收利用及優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)備效率、銷售環(huán)節(jié)降低設(shè)備功率取得的碳排放優(yōu)化效果最佳，在這幾種情景下的2018年供應(yīng)鏈碳排放分別為16.05、25.97、26.81和26.91萬t，較改變前的27.25萬t可分別降低41.10%、4.70%、1.61%和1.25%；3)從長遠看，運輸環(huán)節(jié)開發(fā)可再生的清潔能源已成為大勢所趨，國家正大力提倡，且模擬結(jié)果表明，燃燒生物柴油可降低供應(yīng)鏈碳排放的13.10%，減排效果也較為顯著，有助于清潔型可再生燃料的順利推廣及能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整；4)此外，生產(chǎn)環(huán)節(jié)降低制冷系統(tǒng)能耗、倉儲及銷售環(huán)節(jié)提高設(shè)備空間利用率可分別使供應(yīng)鏈年碳排放降低2 100、1 600 t，雖優(yōu)化效果沒有其他措施明顯，但更容易實施，是促進生鮮肉供應(yīng)鏈低碳化運行的有效對策。

目前電子商務(wù)在我國發(fā)展越來越成熟，冷鮮食品的流通方式也越來越多樣化，針對冷鮮食品時效性要求高的特點，未來可從不同渠道出發(fā)，研究流通模式對生鮮肉食品碳排放的影響，形成普適性更強的肉類食品供應(yīng)鏈碳排放測算及優(yōu)化體系。