劉金良，王長波 ＊，楊子彥，龐明月，王思雨

（1.南京航空航天大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院能源軟科學(xué)研究中心，江蘇南京 211106；2.重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yán)峻挑戰(zhàn)，而這三大挑戰(zhàn)之間又存在著緊密聯(lián)系。食物生產(chǎn)是水資源消耗和二氧化碳排放大戶。據(jù)測算，食物系統(tǒng)貢獻(xiàn)了人類92%的水足跡[1]，并產(chǎn)生19%～29%的碳排放[2]。據(jù)聯(lián)合國估計(jì)，全球人口在2050 年將達(dá)到97億[3]，相應(yīng)的食物總需求將上漲35%～56%[4]。若延續(xù)當(dāng)前的食物生產(chǎn)方式，食物系統(tǒng)水資源消耗和二氧化碳排放的進(jìn)一步增加難以避免[5,6]。如何對食物系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)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(chǎn)之間存在著千絲萬縷的關(guān)聯(lián)關(guān)系[7-9]。水的提取、處理和分配過程不可避免地產(chǎn)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(chǎn)消耗了14%的水資源[9]，二者的這種關(guān)聯(lián)關(guān)系又集中體現(xiàn)于食物生產(chǎn)過程。2011 年在德國伯恩舉行的“水—能源—糧食安全紐帶關(guān)系”會議指出，僅考慮一種資源而調(diào)整相關(guān)政策可能會使整個環(huán)境置于更大的風(fēng)險(xiǎn)中[11]。因此，與僅評估單一指標(biāo)相比，同時(shí)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(tǒng)的資源環(huán)境影響[12,13]。

水資源消耗和二氧化碳排放存在于食物生產(chǎn)的整個產(chǎn)業(yè)過程。以農(nóng)作物生產(chǎn)為例，水資源消耗和二氧化碳排放不僅存在于農(nóng)業(yè)種植過程（如灌溉水），同時(shí)隱含于化肥、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)資料的生產(chǎn)過程。因此，應(yīng)從完整產(chǎn)業(yè)鏈視角對食物系統(tǒng)水資源消耗和二氧化碳排放進(jìn)行核算，并解析二者關(guān)聯(lián)關(guān)系，以期從不同生產(chǎn)階段提出食物系統(tǒng)節(jié)水減碳措施。

由此，本文將構(gòu)建統(tǒng)一系統(tǒng)邊界的核算框架，對食物系統(tǒng)（包括谷物、油料、蔬菜、水果和肉類）全產(chǎn)業(yè)鏈的水資源消耗及二氧化碳排放進(jìn)行核算，解析二者關(guān)聯(lián)關(guān)系，并對比分析不同食物提供單位營養(yǎng)元素的資源環(huán)境影響。本文的主要貢獻(xiàn)和創(chuàng)新體現(xiàn)在以下三個方面：第一，采用統(tǒng)一系統(tǒng)邊界定量核算多種食物系統(tǒng)的水資源消耗和二氧化碳排放，增強(qiáng)核算結(jié)果的準(zhǔn)確性和結(jié)果比較的可靠性；第二，基于細(xì)分部門解析食物系統(tǒng)水—碳關(guān)聯(lián)關(guān)系，有助于從全產(chǎn)業(yè)鏈視角制定精細(xì)化節(jié)水降碳措施；第三，基于提供單位營養(yǎng)元素的視角比較不同食物系統(tǒng)水資源消耗和二氧化碳排放，為考慮資源環(huán)境約束下的膳食選擇提供科學(xué)依據(jù)。

1 文獻(xiàn)綜述

既往有關(guān)食物系統(tǒng)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(huán)境影響的研究，也包括對二者關(guān)聯(lián)關(guān)系的研究。在資源環(huán)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(jià)模型（Life Cycle Assessment，LCA）和自上而下的環(huán)境投入產(chǎn)出模型（Environmental Input-Output，EIO）[9]。生命周期評價(jià)模型是核算單個產(chǎn)品“從搖籃到墳?zāi)埂闭麄€生命周期環(huán)境足跡的一般方法，包括系統(tǒng)邊界定義、清單分析、影響評估和結(jié)果解釋等步驟。該方法由于在產(chǎn)品環(huán)境影響評價(jià)方面的精確性和針對性，已被廣泛應(yīng)用于食物系統(tǒng)環(huán)境足跡的比較[14]。基于生命周期評價(jià)模型，Xu 和Lan 比較了28 種動植物食物的碳足跡[15]，發(fā)現(xiàn)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(yīng)用生命周期評價(jià)法比較了英國8 種蔬菜的水和能源消耗，發(fā)現(xiàn)小胡瓜是整體環(huán)境影響最小的蔬菜，而空運(yùn)和溫室是對蔬菜環(huán)境影響貢獻(xiàn)最大的環(huán)節(jié)[5]。然而，基于清單分析的生命周期評價(jià)模型在資源環(huán)境影響核算的過程中往往存在截?cái)嗾`差[16]。這是因?yàn)槔碚撋先魏萎a(chǎn)品（包括食物）涉及的上游產(chǎn)業(yè)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(tǒng)邊界進(jìn)行主觀設(shè)定，因而給評價(jià)結(jié)果帶來不確定性。據(jù)有關(guān)學(xué)者研究，這種由于系統(tǒng)邊界不完整造成的截?cái)嗾`差，即對環(huán)境足跡的低估可能高達(dá)48%[17]。同時(shí)，這種截?cái)嗾`差也降低了不同研究之間的可比性。

不同于生命周期評價(jià)模型，環(huán)境投入產(chǎn)出模型是一種自上而下的核算方法，該模型基于投入產(chǎn)出表而構(gòu)建，可實(shí)現(xiàn)對各部門產(chǎn)品上游完整產(chǎn)業(yè)鏈的追蹤，從而有效避免截?cái)嗾`差。環(huán)境投入產(chǎn)出模型通常以整個經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)為研究邊界，對經(jīng)濟(jì)體中環(huán)境影響的存量和流量進(jìn)行建模，從而實(shí)現(xiàn)對各部門環(huán)境足跡的核算[9]。例如，Xing 等應(yīng)用環(huán)境投入產(chǎn)出模型核算了不同經(jīng)濟(jì)部門的生態(tài)效率，并論證了農(nóng)業(yè)部門在水資源消耗上的主要責(zé)任[18]。此外，環(huán)境投入產(chǎn)出模型也被應(yīng)用于不同食物種類之間的比較?；诃h(huán)境投入產(chǎn)出模型，Reynolds 等核算了不同收入群體消費(fèi)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(tǒng)的環(huán)境影響[19]。盡管環(huán)境投入產(chǎn)出模型可以完整核算產(chǎn)業(yè)鏈上的環(huán)境足跡，但由于投入產(chǎn)出表只能反映部門平均環(huán)境強(qiáng)度水平，采用該方法評價(jià)具體產(chǎn)品的資源環(huán)境影響會造成聚合誤差，即用部門水平代表具體產(chǎn)品造成的不確定性[16]。

為克服截?cái)嗾`差和聚合誤差的不足，一些學(xué)者嘗試將兩種模型結(jié)合，構(gòu)建混合生命周期評價(jià)模型，并應(yīng)用于食物系統(tǒng)環(huán)境影響的評估[20,21]。然而，由于投入產(chǎn)出表缺乏食物部門劃分，當(dāng)前研究仍難以實(shí)現(xiàn)對食物系統(tǒng)完整產(chǎn)業(yè)鏈上資源環(huán)境影響的追溯。此外，當(dāng)前研究多考慮單一環(huán)境要素，缺乏對多要素之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的深入探討，在食物類型上也較少關(guān)注谷物、蔬菜、油料、水果、肉類全譜系食物系統(tǒng)。

為對比分析不同食物系統(tǒng)水資源消耗及二氧化碳排放，同時(shí)充分運(yùn)用投入產(chǎn)出分析在產(chǎn)業(yè)鏈追溯上的優(yōu)勢，本文對投入產(chǎn)出表中農(nóng)業(yè)部門進(jìn)行拆分，編制包含23 個具體食物部門投入產(chǎn)出表，并基于此構(gòu)建混合生命周期評價(jià)模型。運(yùn)用該模型，本文計(jì)算了不同食物系統(tǒng)完全水資源消耗和二氧化碳排放強(qiáng)度，并分解了上游產(chǎn)業(yè)鏈中不同部門對資源環(huán)境影響的貢獻(xiàn)。最后，本文對不同食物系統(tǒng)提供單位營養(yǎng)元素的水資源消耗和二氧化碳排放進(jìn)行對比，以期為環(huán)境目標(biāo)約束下的居民膳食選擇提供參考。

2 方法與數(shù)據(jù)

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(qū)。在研究對象上，因?yàn)榇蟛糠侄渭庸さ氖澄铮ㄈ缑姘?、罐頭、飲料等）都是由初始動植物食物復(fù)合而成，為了避免重復(fù)計(jì)算，本文采取聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織食物平衡表中對“食物生產(chǎn)”的定義，即“未經(jīng)加工的初始動植物產(chǎn)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(tǒng)水資源消耗。在環(huán)境影響方面，本文構(gòu)建的混合生命周期評價(jià)模型需要全國各部門環(huán)境排放數(shù)據(jù)。由于目前難以獲得有效數(shù)據(jù)估算全國不同行業(yè)的甲烷和氧化亞氮排放，本文僅考慮食物系統(tǒng)的二氧化碳排放，并分析其與水資源消耗的協(xié)同節(jié)水減碳潛力。未來隨著環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的完善，還應(yīng)進(jìn)一步分析食物系統(tǒng)非二氧化碳溫室氣體排放。

2.2 食物投入產(chǎn)出表的編制

為獲得包含具體食物部門的投入產(chǎn)出表，本文首先通過澳大利亞悉尼大學(xué)工業(yè)生態(tài)虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺（Industrial Ecology Virtual Laboratory，IELab）編制了我國2017 年74 部門投入產(chǎn)出表[23,24]，該表包含較為詳細(xì)的農(nóng)業(yè)部門，如谷物及其他作物種植業(yè)、蔬菜和園藝作物種植業(yè)，以及牲畜飼養(yǎng)業(yè)等。在此基礎(chǔ)上，本文將谷物及其他作物種植業(yè)，蔬菜和園藝作物種植業(yè)，水果、堅(jiān)果、飲料和香料作物種植業(yè)，牲畜飼養(yǎng)業(yè)以及家禽飼養(yǎng)業(yè)5 個部門進(jìn)一步拆分成5 大類共計(jì)23 個具體食物部門，拆分后的投入產(chǎn)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(fèi)數(shù)據(jù)，其中各類食物生產(chǎn)投入數(shù)據(jù)來源于《全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編2018》[25]，食物消費(fèi)數(shù)據(jù)主要參考《2018 全國農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)年鑒》[26]、國家糧油信息中心、聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織數(shù)據(jù)庫及前人研究[27,28]。以谷物種植業(yè)為例，具體拆分過程見圖1。

圖1 投入產(chǎn)出表部門拆分示意

2.3 食物系統(tǒng)資源環(huán)境強(qiáng)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(nóng)作物灌溉、牲畜飲水等直接生產(chǎn)過程的水資源消耗，直接二氧化碳排放是指農(nóng)機(jī)柴油消耗等能源燃燒過程產(chǎn)生的二氧化碳排放。在植物性食物生產(chǎn)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(huán)境負(fù)外部性較小，因此本文僅考慮了藍(lán)水消耗。植物性食物部門的水資源消耗可根據(jù)式（1）進(jìn)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(chǎn)品的水資源消耗；表示植物部門i的產(chǎn)量。各類植物性食物單位產(chǎn)量水資源消耗系數(shù)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(yǎng)的水資源消耗和部門年動物出欄數(shù)進(jìn)行計(jì)算。其中，單位動物飼養(yǎng)的水資源消耗參考《農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編2018》[25]，年出欄數(shù)來源于國家統(tǒng)計(jì)局[30]。具體計(jì)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(yǎng)的水資源消耗；表示動物部門j的出欄數(shù)。

食物部門的二氧化碳排放計(jì)算分為以下三步：首先通過《農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編2018》獲得食物部門燃料動力費(fèi)（假定為柴油）和煤費(fèi)投入[25]，其次根據(jù)當(dāng)年能源價(jià)格轉(zhuǎn)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(shù)[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(fèi)；Pd表示2017 年柴油的平均價(jià)格；De表示柴油的二氧化碳排放系數(shù)；Cci表示食物部門i用于動物保暖、飼料加工保溫等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的煤炭費(fèi)用支出；Pc表示2017 年煤炭的平均價(jià)格；Co表示煤炭的二氧化碳排放系數(shù)；Pi表示部門i的產(chǎn)量或年出欄數(shù)。

食物部門之外的部門直接水資源消耗數(shù)據(jù)源于《2017 年中國水資源公報(bào)》[32]。由于該公報(bào)僅提供了農(nóng)業(yè)、工業(yè)和服務(wù)業(yè)三大產(chǎn)業(yè)的水資源消耗，本文依據(jù)投入產(chǎn)出表中各部門從“水的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)”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(chǎn)出表中其他部門二氧化碳排放的計(jì)算主要包括能源燃燒和工業(yè)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(shù)，工業(yè)過程的二氧化碳排放由相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)量乘以單位產(chǎn)品排放系數(shù)獲得。具體計(jì)算公式和參數(shù)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(qiáng)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(jì)算包含食物部門在內(nèi)的各部門直接水資源消耗和二氧化碳排放強(qiáng)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(qiáng)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(chǎn)出。

2.3.3 完全水資源消耗及二氧化碳排放強(qiáng)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(nóng)藥、農(nóng)膜等上游工業(yè)品生產(chǎn)過程中的間接水資源消耗和二氧化碳排放。本文應(yīng)用環(huán)境投入產(chǎn)出模型核算食物部門完全水資源消耗和二氧化碳排放強(qiáng)度。根據(jù)投入產(chǎn)出平衡關(guān)系可得式（5）：

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

對式（5）進(jìn)行移項(xiàng)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(shí)國民經(jīng)濟(jì)各部門投入的增加值。

根據(jù)直接水資源消耗強(qiáng)度和直接二氧化碳排放強(qiáng)度，可得完全水資源消耗和二氧化碳排放強(qiáng)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(qiáng)度向量；Dei為直接水資源消耗或二氧化碳排放強(qiáng)度向量。

2.3.4 間接水資源消耗及二氧化碳排放強(qiáng)度核算

間接水資源消耗和二氧化碳排放指食物生產(chǎn)在上游產(chǎn)業(yè)鏈上產(chǎn)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(qiáng)度（Iei）為完全水資源消耗（二氧化碳排放）強(qiáng)度與直接水資源消耗（二氧化碳排放）強(qiáng)度之差，計(jì)算公式如下：

2.3.5 價(jià)值型強(qiáng)度與實(shí)物型強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換

為更直觀地展示食物系統(tǒng)資源環(huán)境強(qiáng)度，本文根據(jù)《農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編2018》中的產(chǎn)品單價(jià)[25]，將強(qiáng)度單位從價(jià)值型變?yōu)橹亓啃?。以完全水資源消耗為例，計(jì)算方法見式（9）：

2.4 單位營養(yǎng)元素資源環(huán)境影響核算

以人體所需的主要營養(yǎng)元素為標(biāo)準(zhǔn)，本文選取了蛋白質(zhì)、脂肪、維生素C 和碳水化合物作為營養(yǎng)元素資源環(huán)境影響的測算基礎(chǔ)。參考《中國食物成分表》中單位重量食物的營養(yǎng)元素含量數(shù)據(jù)，可根據(jù)式（10）計(jì)算食物系統(tǒng)提供單位營養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)元素的數(shù)量。

3 結(jié)果和討論

3.1 食物系統(tǒng)水資源消耗強(qiáng)度

圖2 所示為23 種食物的水資源消耗強(qiáng)度，不同食物之間的水資源消耗強(qiáng)度差異明顯。其中，肉類食物的平均水資源消耗強(qiáng)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(jié)果與前人研究相符[29,35]。食物系統(tǒng)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(tǒng)完全水資源消耗強(qiáng)度

具體分析不同肉類食物發(fā)現(xiàn)，紅肉類食物（羊肉、牛肉、豬肉、牛奶）的水資源消耗強(qiáng)度是白肉類食物（雞肉、雞蛋）水資源消耗強(qiáng)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(tǒng)的飼料轉(zhuǎn)化效率不同[29,36,37]，每生產(chǎn)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(chǎn)水資源消耗，提高紅肉類食物的飼料轉(zhuǎn)化效率是降低其水資源消耗的重要途徑。從水資源消耗結(jié)構(gòu)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(jié)水飲水裝置等措施促進(jìn)肉類食物的節(jié)水化生產(chǎn)。

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(zhàn)略提供了新的依據(jù)[39]。從水資源消耗結(jié)構(gòu)看，馬鈴薯生產(chǎn)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(shù)，提升直接用水效率，是促進(jìn)主食類食物生產(chǎn)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)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(qiáng)度較低，節(jié)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(qiáng)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(zhì)，推廣以菜籽油為基礎(chǔ)的調(diào)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(qū)域應(yīng)控制柑橘種植業(yè)過度發(fā)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(qiáng)度，僅為9.35 m3/t，在水資源短缺區(qū)域優(yōu)先發(fā)展白菜種植業(yè)，不僅可滿足蔬菜需求，也可以降低食物系統(tǒng)水資源消耗。從水資源消耗結(jié)構(gòu)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(jī)蔬菜水果種植，控制上游農(nóng)藥、化肥等工業(yè)品投入，不僅能改善居民膳食健康，也是實(shí)現(xiàn)節(jié)水的有效途徑。

3.2 食物系統(tǒng)二氧化碳排放強(qiáng)度

同樣的，不同食物系統(tǒng)二氧化碳排放強(qiáng)度差異明顯，平均排放強(qiáng)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(yǎng)水平上都會產(chǎn)生損失[15]，作為植物產(chǎn)品的下一級產(chǎn)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(jié)構(gòu)看，與水資源消耗強(qiáng)度不同，食物系統(tǒng)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(dá)80.9%（圖3），因此食物系統(tǒng)減碳不能局限于食物生產(chǎn)本身，更應(yīng)該關(guān)注產(chǎn)業(yè)鏈上的二氧化碳減排。

圖3 食物系統(tǒng)完全二氧化碳排放強(qiáng)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(fā)展以禽肉為基礎(chǔ)的肉產(chǎn)品加工業(yè)，引導(dǎo)消費(fèi)者擴(kuò)大禽肉消費(fèi)是一種更環(huán)保的選擇。具體來看，羊肉是完全二氧化碳排放強(qiáng)度最高的食物（741.0 kg CO2/t）。需要引導(dǎo)消費(fèi)者擴(kuò)大牛肉、豬肉等替代品的消費(fèi)，減少食物系統(tǒng)的碳排放。從碳排放結(jié)構(gòu)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(chǎn)的品種選育和運(yùn)輸管理入手，以減少生產(chǎn)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(yīng)著眼于飼料、取暖等上游產(chǎn)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(qiáng)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(jié)構(gòu)來看，柑橘的直接二氧化碳排放占51.3%，柑橘減排需要關(guān)注灌溉機(jī)械用能等產(chǎn)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(zhàn)略在主食系統(tǒng)減碳中可以扮演重要角色。從碳排放結(jié)構(gòu)看，主食類食物平均93.7%的排放為間接排放，因此控制農(nóng)藥化肥等上游工業(yè)品投入對主食系統(tǒng)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(qiáng)度及排放結(jié)構(gòu)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(qiáng)度較低，增加其在蔬菜消費(fèi)中的比例有利于食物系統(tǒng)減排。由于蔬菜生產(chǎn)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(guān)注化肥農(nóng)藥等上游產(chǎn)品的系統(tǒng)減排。

3.3 環(huán)境影響的上游產(chǎn)業(yè)鏈分布

為解析隱含于食物系統(tǒng)上游產(chǎn)業(yè)鏈中水資源消耗和二氧化碳排放來源，并指導(dǎo)節(jié)水減碳政策的制定，本文對環(huán)境影響的部門貢獻(xiàn)進(jìn)行了分析。為了方便結(jié)果展示，本文綜合了五類食物系統(tǒng)的平均水平。同時(shí)，由于產(chǎn)業(yè)鏈中涉及的部門種類繁多，本文僅展示對環(huán)境足跡貢獻(xiàn)最大的前十個部門，并對農(nóng)業(yè)相關(guān)部門進(jìn)行了合并。

由圖4 可知，農(nóng)業(yè)部門(Ag.)是各類食物系統(tǒng)間接水資源消耗的最大貢獻(xiàn)部門，占全部間接水資源消耗的88.0%～94.6%。因此，提高農(nóng)業(yè)本身的用水效率對減少食物系統(tǒng)水資源消耗至關(guān)重要。其他較大的間接水資源消耗部門包括其他化學(xué)產(chǎn)品部門（Oc.）、電力生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)（El.）及基礎(chǔ)化工原料制造業(yè)（Ba.），三者占比之和可達(dá)1.66%～3.55%。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對化肥、農(nóng)藥等生產(chǎn)資料的依賴性越來越強(qiáng)，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(chǎn)部門在食物系統(tǒng)中的節(jié)水責(zé)任已經(jīng)受到眾多學(xué)者的關(guān)注[35,42]，本文進(jìn)一步表明，化肥和農(nóng)藥生產(chǎn)部門是食物系統(tǒng)上游關(guān)鍵的水資源消耗部門。同時(shí)，由于農(nóng)業(yè)機(jī)械化和養(yǎng)殖集約化的發(fā)展，食物系統(tǒng)對電力部門的依賴性越來越強(qiáng)?；鹆Πl(fā)電循環(huán)冷卻消耗了大量水資源，改善發(fā)電行業(yè)的水資源利用效率對于食物系統(tǒng)節(jié)水具有重要意義。此外，塑料制品行業(yè)（Pl.）在產(chǎn)業(yè)鏈上游的水資源消耗中貢獻(xiàn)突出，主要源于大量農(nóng)用薄膜的使用[43,44]。最后，水生產(chǎn)和供應(yīng)行業(yè)（Wa.）和醫(yī)藥產(chǎn)品行業(yè)（Mp.）也貢獻(xiàn)了一定的食物系統(tǒng)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(yīng)鏈上最大的用水部門[45]，但在我國貢獻(xiàn)相對較小。

圖4 食物系統(tǒng)間接水資源消耗的部門結(jié)構(gòu)

在間接二氧化碳排放方面，不同于水資源消耗，農(nóng)業(yè)部門對食物系統(tǒng)上游產(chǎn)業(yè)鏈排放的貢獻(xiàn)并不突出，但上游產(chǎn)業(yè)鏈中的碳排放仍集中在幾個重點(diǎn)工業(yè)部門（圖5）。其中，電力生產(chǎn)和供應(yīng)部門（El.）、基礎(chǔ)化工原料制造業(yè)（Ba.）、非金屬礦產(chǎn)品行業(yè)（No.）和交通運(yùn)輸業(yè)（Tr.）是各類食品系統(tǒng)上游排放中貢獻(xiàn)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(fā)電為主，電力生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)是產(chǎn)業(yè)鏈上的最大排放來源，占食物系統(tǒng)間接排放的38.0%～59.9%。作為化肥和農(nóng)藥上游生產(chǎn)部門的基礎(chǔ)化工原料制造業(yè)和非金屬礦產(chǎn)品行業(yè)也貢獻(xiàn)了大量的二氧化碳排放。不難發(fā)現(xiàn)，食物系統(tǒng)上游產(chǎn)業(yè)鏈水資源消耗和二氧化碳排放主要集中在電力行業(yè)和化肥生產(chǎn)相關(guān)部門，因而這些部門存在的協(xié)同節(jié)水減碳潛力不容忽視。促進(jìn)食物系統(tǒng)節(jié)水減碳可以從提高發(fā)電和化肥生產(chǎn)相關(guān)部門的環(huán)境效率，降低農(nóng)業(yè)部門對化肥等化工產(chǎn)品的依賴，提升食物生產(chǎn)部門的用電效率等方面入手。

圖5 食物系統(tǒng)間接二氧化碳排放的部門結(jié)構(gòu)

此外，交通運(yùn)輸業(yè)（Tr.）隱含的二氧化碳排放平均占比達(dá)到8.19%，也不容忽視[13,46]。減少運(yùn)輸業(yè)的碳排放可以從優(yōu)化運(yùn)輸路徑和改良運(yùn)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(qū)支持農(nóng)業(yè)”和“食物本地化”不僅有利于改進(jìn)食物健康，同時(shí)可以減少地區(qū)間運(yùn)輸產(chǎn)生的額外碳排放。另一方面，對于常規(guī)食物，減少空運(yùn)等高碳排放運(yùn)輸方式的使用可以有效降低運(yùn)輸過程產(chǎn)生的碳排放。由于需要保持溫室和畜牧養(yǎng)殖場的溫度，熱力生產(chǎn)和供應(yīng)部門（He.）也貢獻(xiàn)了4.4%～5.3%的二氧化碳排放。此外，其他化學(xué)產(chǎn)品（Oc.），石油、焦化產(chǎn)品和核燃料加工產(chǎn)品行業(yè)（Pc.）和化肥制造業(yè)（Fe.）的低碳化水平也對食物系統(tǒng)減碳產(chǎn)生影響。

3.4 單位營養(yǎng)元素的環(huán)境影響分析

為避免營養(yǎng)密度差異對比較不同食物系統(tǒng)環(huán)境影響的干擾，本文核算了不同食物系統(tǒng)提供主要營養(yǎng)元素含量（蛋白質(zhì)、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(jié)果表達(dá)，本文對水資源消耗和二氧化碳排放結(jié)果分別進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理，即將各類食物系統(tǒng)中兩類環(huán)境強(qiáng)度最高的數(shù)值設(shè)為1，其他食物系統(tǒng)環(huán)境強(qiáng)度則以此進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，最終各類食物系統(tǒng)的水資源和碳排放強(qiáng)度均在0到1 之間。如圖6 所示，各類食物提供單位營養(yǎng)元素的環(huán)境成本具有明顯差異，但總體上各類食物系統(tǒng)兩種環(huán)境成本的相對位次較為接近。

在蛋白質(zhì)提供方面，動物性食物提供每千克蛋白質(zhì)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(zhì)的環(huán)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(qiáng)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(zhuǎn)化率較高[47]。因此，從紅肉類食品轉(zhuǎn)向白肉類食品消費(fèi)有利于食物系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。與之前研究類似[13,48]，筆者發(fā)現(xiàn)大豆和雞蛋提供單位蛋白質(zhì)的環(huán)境影響較小。每提供1kg 蛋白質(zhì)，兩者僅分別消耗水7.61 m3和11.32 m3，產(chǎn)生二氧化碳排放2.46 kg 和2.92 kg。一些學(xué)者提出應(yīng)以植物蛋白或蛋基蛋白產(chǎn)品部分替代肉蛋白產(chǎn)品[47]，本文結(jié)果從環(huán)境成本的角度證明了此方案的優(yōu)越性。同時(shí)，本文再次證明了用牛奶替代紅肉消費(fèi)的方案不能有效減少食物系統(tǒng)二氧化碳排放[49]，但如果考慮到牛奶在節(jié)水上的巨大潛力，以牛奶蛋白質(zhì)代替肉類蛋白質(zhì)仍是更具有環(huán)保潛力的膳食選擇。

在脂肪供應(yīng)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(zhì)供應(yīng)類似，動物性食物在脂肪供應(yīng)上也比植物性食物具有更高的資源環(huán)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(qiáng)度和平均碳排放強(qiáng)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(huán)境的負(fù)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(huán)境負(fù)擔(dān)相對較小。在植物性食物中，花生提供單位脂肪的環(huán)境強(qiáng)度最低，具有節(jié)水減碳的絕對優(yōu)勢。因此，花生生產(chǎn)及其深加工行業(yè)應(yīng)該得到重視。

蔬菜是居民維生素C 的主要來源[5,50]，從環(huán)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(jié)水減碳方面表現(xiàn)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(chǎn)生0.21kg 和0.35kg 二氧化碳排放。由于單位面積大白菜產(chǎn)量是豆角的兩倍，考慮到有限的土地資源，推廣大白菜生產(chǎn)和消費(fèi)的環(huán)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(yuǎn)低于其他主食，也低于大多數(shù)蔬菜，再次凸顯了“馬鈴薯主糧化”戰(zhàn)略的環(huán)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(huán)境影響較大。

圖6 食物系統(tǒng)提供單位營養(yǎng)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(huán)境優(yōu)勢。本文發(fā)現(xiàn)，雖然馬鈴薯在單位碳水化合物的二氧化碳排放上優(yōu)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(yuǎn)低于歐美國家1/3～2/3 的加工比例[53]。我國仍需不斷改進(jìn)馬鈴薯育種和加工技術(shù)，以改善其口感，推廣馬鈴薯主食化消費(fèi)。

4 結(jié)論與建議

4.1 主要結(jié)論

通過構(gòu)建混合生命周期評價(jià)模型，本文對食物系統(tǒng)生命周期水資源消耗和二氧化碳排放進(jìn)行系統(tǒng)核算，分析了間接水資源消耗和二氧化碳排放的部門結(jié)構(gòu)，并對比分析了各類食物系統(tǒng)提供單位營養(yǎng)元素的資源環(huán)境成本。本文得出以下主要結(jié)論：

（1）食物系統(tǒng)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(qiáng)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(jié)構(gòu)上，食物系統(tǒng)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(tǒng)節(jié)水減碳不僅需要關(guān)注食物生產(chǎn)過程的直接水資源消耗和二氧化碳排放，隱含在上游產(chǎn)業(yè)鏈的資源環(huán)境影響也不容忽視。

（3）食物系統(tǒng)間接水資源消耗主要來自農(nóng)業(yè)部門，占總間接消耗的89.0%～94.6%。電力生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)、基礎(chǔ)化工原料制造業(yè)、非金屬礦產(chǎn)品業(yè)和運(yùn)輸業(yè)是對間接二氧化碳排放貢獻(xiàn)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(chǎn)和供應(yīng)業(yè)和基礎(chǔ)化工原料制造業(yè)在食物系統(tǒng)上游具有協(xié)調(diào)節(jié)水降碳潛力。

（4）在蛋白質(zhì)供應(yīng)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(yīng)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(huán)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(yīng)中，主食作物尤其是馬鈴薯的節(jié)水優(yōu)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(jù)研究結(jié)果，本文從以下幾個方面提出食物系統(tǒng)節(jié)水降碳建議：

（1）由于食物系統(tǒng)的水資源消耗主要為直接用水，因此應(yīng)該結(jié)合不同地區(qū)水資源壓力狀況，統(tǒng)籌優(yōu)化水資源密集型食物生產(chǎn)的空間布局。同時(shí)，推進(jìn)農(nóng)田灌溉改造和節(jié)水養(yǎng)殖技術(shù)，減少食物系統(tǒng)直接水資源消耗。相反，食物系統(tǒng)的二氧化碳排放主要來源于上游產(chǎn)業(yè)鏈，因而其系統(tǒng)減排有賴于化肥、農(nóng)藥、飼料等上游生產(chǎn)部門二氧化碳排放的減少。

（2）在食物系統(tǒng)上游產(chǎn)業(yè)鏈中，電力生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)與基礎(chǔ)化學(xué)原料制造業(yè)同時(shí)產(chǎn)生了大量的水資源消耗和二氧化碳排放，隱含著協(xié)同節(jié)水減碳空間。因此，通過秸稈還田等方式減少化肥使用，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)減少灌溉用電，或加快電力和基礎(chǔ)化學(xué)原料制造業(yè)低碳轉(zhuǎn)型，可實(shí)現(xiàn)食物系統(tǒng)上游產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同節(jié)水降碳。

（3）以營養(yǎng)元素的環(huán)境成本為參考，優(yōu)化居民膳食結(jié)構(gòu)。在制定《居民膳食指南》時(shí)考慮食物系統(tǒng)的資源和環(huán)境影響，引導(dǎo)居民減少紅肉類等資源環(huán)境影響密集型食物的過度消費(fèi)。鼓勵蛋基蛋白、植物蛋白等替代品生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，以替代環(huán)境成本較高的肉類蛋白。同時(shí)，鑒于馬鈴薯在維生素C 和碳水化合物供應(yīng)上的環(huán)境優(yōu)勢，應(yīng)該堅(jiān)定推進(jìn)馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略。通過改良育種和加工技術(shù)擴(kuò)大馬鈴薯在主食消費(fèi)中的比例，減少主食生產(chǎn)造成的環(huán)境影響。