基于生命周期评价法对燕麦碳足迹的研究

徐淑娅，贺 婷，王晓龙，周海涛，王凤梧，付晓峰，赵世锋，曹丽霞，孙慧风，刘俊青，任长忠，胡新中

(1.陕西师范大学食品工程与营养科学学院，陕西西安 710119；2.河北省张家口市农业科学院，河北张家口 075000；3. 内蒙古乌兰察布市农业科学研究院，内蒙古乌兰察布 012000；4. 内蒙古农牧业科学院，内蒙古呼和浩特 010000；5. 吉林白城市农业科学院，吉林白城137000)

全球变暖已经成为日益严重的气候问题，我国向联合国气候变化框架公约(UNFCCC))递交的《国家自主贡献预案》承诺到 2030 年，我国碳排放强度将比 2005 年下降60%～65%[1]。中国作为二氧化碳排放和农业生产大国，农业碳排放量占全国碳排放总量的17%[2-4]。现阶段中国农业面临着草原面积退化、土地干旱和沙漠化、水资源污染和短缺、能源过度消耗和环境污染等一系列生态问题，这些问题都导致中国农业碳排放量大大增加，限制了中国农业的可持续发展，因此减少二氧化碳排放，发展低碳农业刻不容缓。

燕麦(AvenasativaL.)是中国第五大粮食作物，分为带稃型(皮燕麦)和裸粒型(裸燕麦)两大类[5]，世界各国的燕麦栽培品种以皮燕麦为主，多数饲用，少数食用，而中国以裸燕麦为主，多数食用，少数饲用[6]，因此本研究主要针对国内裸燕麦开展研究。燕麦作为世界公认的营养和保健价值最高的谷类作物之一，具有降低血压、血糖、控制血脂升高和改善胃肠道等功效[7-8]，受到大家广泛青睐。另外，燕麦具有耐寒、抗旱、耐贫瘠、耐适度盐碱和适应性强的特点[9]，加上近几年燕麦新品种选育和高效栽培模式的不断推广以及燕麦产业的发展[10]，燕麦在解决中国大范围旱地、瘠薄地、盐碱地和退化草原生态恢复与重建，以及耕地休闲季覆盖等方面表现出巨大优势，燕麦的规模化种植对解决中国农业面临的一系列生态问题具有重要作用[11]。但是，在燕麦产业蓬勃发展的同时，其对环境的影响却未见系统的研究报道，因此了解燕麦加工过程中的碳足迹情况，探究减排要素，实现经济收益与碳减排的同步发展，对中国农业和燕麦产业的可持续发展以及建立低碳食品体系具有重大意义。

国内外关于农田生态系统碳足迹的研究由来已久，国外多位学者对农业碳足迹和多种农作物的碳足迹进行了分析和评价。 Hillier等在苏格兰对农场调查数据分析结果显示，冬油菜、春燕麦、冬燕麦、豆类和冬小麦 5 种作物的碳足迹分别是436、310、388、125 和 764.9 kg Ce·hm-2[12-14]，即 1 598.67、1 136.67、1 422.67、458.33 和 2 804.63 kg CO2-eq·hm-2。国内农业碳足迹的报道也很多。宁夏平罗县玉米、水稻和小麦三种主要作物的碳足迹分别为931.03、1487.56和809.75 kg Ce·hm-2，即 3 413.78、5 454.39 和 2 969.08 kg CO2-eq·hm-2，施用化肥的碳足迹分别占总体碳足迹的75%、40%和66%，因此提高化肥利用率是降低平罗县农田碳足迹的关键[15]。根据农场面积估算出中国三种主要粮食作物(水稻、小麦和玉米)的碳足迹分别是6.0、 3.0和2.3 t CO2-eq·hm-2，合成氨碳足迹占总体碳足迹比例是 44%～79%，可通过减少氮肥的使用和发展集约化经营的大型农场来改善作物管理模式[16]。国内外关于农业碳足迹的研究对象主要是水稻、小麦、玉米三大主粮作物，研究内容多集中在区域碳足迹和粮食作物碳足迹及其时空分布特征上，国内关于燕麦碳足迹的研究却鲜有报道。由于燕麦种植数据不在中国统计年鉴之列，无法从政府相关部门获取公开数据，因此本研究基于北方燕麦主产区多点农户和企业实地调研数据，采用农业碳足迹理论和生命周期评价理论，对燕麦种植和加工过程中的碳足迹进行量化，更加符合农户种植的实际情况。通过对实地调研的数据进行核算，分析燕麦种植和加工过程中的碳足迹结构，准确全面地评估种植和加工环节的减排要素，制定科学有效的减排措施，以期为今后开展农产品碳足迹的系统研究和燕麦产业的可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

燕麦属于喜阴凉低温类作物，多分布于北纬35～60°的欧亚大陆及北美洲的高纬度、高海拔、高寒地区[17]。燕麦多种植在干旱、半干旱地区，是靠天然降水生产的农作物。河北张家口坝下地区、坝上高寒山区以及蒙古高原大部分耕地为丘陵、山地或盐碱地，以温带大陆性气候为主，地势高、气温低、温差大、日照长、无霜期短，年降水量50～550mm，但降水量集中，雨热同期[18-19]。这种特殊的地理位置和天然的气候环境为燕麦的生长发育提供了充足的光照和养分，完全适宜燕麦的种植。中国是世界裸燕麦的故乡，最少有 3 000年的种植历史[20]。近几年，随着燕麦产业的发展，中国燕麦的种植面积逐年增加。“十二五”期间，中国燕麦种植面积稳定在70万hm2以上，其中裸燕麦种植面积约占燕麦总播种面积的92%，燕麦年总产量约80万t，国内共有100多家具有规模的燕麦加工企业，总加工量约80万t。目前，河北省年种植面积约15万hm2，主要集中于坝上地区，年产量约22万t；内蒙古年种植面积约20万hm2，主要集中于阴山南北地区，年产量约15万t，中国形成了以河北张家口、内蒙古呼和浩特、山西大同为中心的华北燕麦产业集群[21]。因此，本研究特意选取中国最大的燕麦集中产区(河北张家口市、内蒙古乌兰察布市和呼和浩特市)开展实地调研工作。

1.2 基本原理

本研究主要参照农业碳足迹和生命周期评价理论(life cycle assessment，LCA)对燕麦种植和加工过程中的碳足迹进行计算。“碳足迹”主要是指某一产品或者服务在生产加工、产品销售和废弃物处理的整个生命周期过程中的碳排放量[22]。农业碳足迹的形成主要来源于West 和 Lal 等对农田生态系统碳循环研究的成果[23-26]。国际标准化组织将生命周期评价理论定义为“对产品系统整个生命周期的投入、产出和潜在环境影响的编译和评价”[27]。当研究对象的系统边界易于划分、基础数据易于获取、碳足迹数据分析核算过程中允许一定的误差存在时，较适合采用LCA进行评价分析，因为LCA考虑到了产品整个生命周期过程中各个环节的相关碳足迹，有利于进行更加深入的核算和分析，因此常常用来研究微观层面的碳足迹[28]。

1.3 碳足迹计算方法和碳排放参数选择

1.3.1 燕麦种植环节碳足迹计算

E=∑Ei=∑Ti×δi

式中，Ei为第i类碳源的碳足迹，Ti为第i类碳源的量，δi为第i类碳源的排放系数(每个单位的 CO2当量)，E则为燕麦种植过程碳足迹总量，单位是kg CO2-eq·hm-2。

国外许多发达国家基于生命周期评价理论对于产品碳足迹的核算已有不少研究[29]，具备了较为前沿的理论和实践基础，而国内的研究才刚刚起步，尚未形成完备的体系，因此国内许多研究者多采用国外学者提供的碳排放系数来进行碳足迹的计算，但是不同国家、不同地区和不同产品的碳计量模型存在较大的差异，因此碳足迹系数也未能统一。本研究考虑到国内外粮食种植过程中种植规模、机械化程度、地形地势、自然气候以及农药化肥生产运输的差异性，在选取各个环节的碳排放系数时，优先选择国内的研究系数[30]，其次选取国外的研究系数，若同一个项目出现了多个系数值，则选取其权威值或平均值[31]，见表1。

1.3.2 燕麦加工环节碳足迹计算

计算公式同种植环节，其中电力和天然气的碳排放系数分别为0.85 kg CO2-eq·kWh-1和2.09 kg CO2-eq·kg-1。

1.4 数据来源

本研究数据主要包括燕麦种植和加工两个 环节。

表1 粮食作物的碳排放系数Table 1 Coefficients of carbon dioxide emissions from cereal crops

种植环节的数据主要在华北燕麦主产区10个县20余个乡镇，通过与农户一对一的问卷调查形式获取。燕麦的种植过程主要包括翻耕、播种(拌种霜)、施肥、除草、喷药、灌溉、收获等过程[32]，因而调研问卷包含了农户2017 年燕麦的种植面积、种子来源、产量、生育期、化肥用量、有机肥用量、农药用量、农机作业油耗量(翻耕、播种、施肥、收获等环节)、灌溉电能消耗量、耕作方式(翻耕、少免耕)、秸秆处理方式、人工和牲畜用量等方面内容。一共收集了58个农户样本，包含了21个燕麦种植大户和37个种植散户(种植规模小于 6.67×104m2的为种植散户，大于等于6.67×104m2的为种植大户)。由于燕麦易感染黑穗病，调研农户多采用给种子拌种霜的方式预防，少数种植大户为保持土壤肥力、响应绿色农业和有机农业的号召，选择采用传统喷洒高度白酒来替代拌种霜。关于耕作方式，少数散户采用传统牲畜与人力耕种，大多散户和大户采用现代农业机械化耕作。燕麦的秸秆主要用来喂牛，只有极少部分还田和焚烧，本研究忽略不计。

加工环节数据选择河北西麦食品有限公司、汕头市金味食品工业有限公司、内蒙古阴山优麦食品有限公司、内蒙古三主粮实业股份有限公司、内蒙古塞主粮食品科技开发有限公司、河北康希燕麦食品有限公司、金维他(张北)食品有限公司、宏昊食品开发有限公司、张家口北燕燕麦食品开发有限公司、兴和县同恒粮油贸易有限责任公司、内蒙古凉城世纪粮行有限公司、内蒙古尚仓燕麦生物科技有限责任公司、广西贺州西麦生物食品有限公司、广州赢特保健食品有限公司、谷之禅张家口食品有限公司、张家口市益民康杂粮销售有限公司16家燕麦加工企业为研究对象，通过与企业相关负责人一对一的问卷访谈形式，在北方燕麦主产区以及三个南方燕麦加工企业进行调研。调研问卷包含了公司2017年主要燕麦产品、燕麦原料品种来源、产量、产率、用工、加工和包装机械电耗、天然气用量以及销售覆盖面等方面内容。

1.5 数据分析和处理

使用Microsoft Office Excel 2010统计软件进行数据处理，统计分析采用SPSS 22.0进行。采用方差分析和相关显著性检测来检验燕麦种植散户和大户之间的差异，并对燕麦投入类型与碳足迹的相关性进行分析。

2 结果与分析

2.1 燕麦种植环节碳足迹清单

调研结果表明，我国燕麦主产区的燕麦种植和加工在两类农户间存在较大差异，且同一地区农户间种植规模、产量和产品加工的农业投入也有很大的差异(表2)。调研的农户中，64%属于燕麦种植散户，36%属于燕麦种植大户。散户的种植面积多为0.2～2.0 hm2，主要采用传统种植模式；大户种植面积多为10～100 hm2，主要采用现代机械化种植模式。

经计算，整个燕麦种植过程中，单位面积的碳足迹总量为800.29±263.77 kg CO2-eq·hm-2，由于化肥和农药投入较少，燕麦单位面积的碳足迹显著低于水稻、小麦等农作物(表3)；而单位产量的碳足迹总量为0.380±0.125 t CO2-eq·t-1，因为燕麦单位面积产量为2 105.66 kg·hm-2，远低于水稻、玉米和小麦三大主粮作物[33]，导致其单位产量的碳足迹与三大主粮作物相比，差距明显缩小[11-15]。

燕麦种植散户单位面积碳足迹为648.54±875.31 kg CO2-eq·hm-2，比燕麦种植平均水平低19.00%；单位产量的碳足迹为0.422±0.570 t CO2-eq·t-1，比平均水平高11.10%，主要原因是散户种植多以旱田为主，单产较低，仅为 1 536.79±808.56 kg·hm-2。散户碳足迹主要集中在化肥(氮肥、磷肥)、机械、劳动力和农业灌溉四大部分。化肥单位面积的碳足迹为197.67±61.84 kg CO2-eq·hm-2，占总量的30.48%；其次是机械投入占23.07%；劳动力(人工和耕牛)与灌溉所占比例分别为21.33%和 21.80%。燕麦种植散户碳足迹份额由大到小依次为化肥、机械、劳动力、灌溉、除草剂和杀菌剂。

燕麦种植大户单位面积碳足迹为801.93±814.05 kg CO2-eq·hm-2，单位产量的碳足迹为0.380±0.386 t CO2-eq·t-1；二者与平均水平不相上下，主要原因是种植大户的种植规模大，平均种植面积高达162.63±359.85 hm2，远远大于散户。种植大户碳足迹主要集中在灌溉电耗上，其单位面积碳足迹为453.27±636.38 kg CO2-eq·hm-2，占总量的56.52%。大户多建设有较完备的灌溉系统，但由于华北燕麦种植主产区降水量小，河流数量少且地势高，打井深度达百米以上，以至于灌溉电耗成为燕麦种植大户的主要碳排 放源。

表2 燕麦种植环节调查数据Table 2 Survey data of oat planting

表中数据为平均值±标准差。同一行不同小写字母表示不同投入类型散户和大户之间差异达0.05的显著水平。

The data in the table are average ± standard deviations. Different lowercase letters in the same columns indicate a significant difference between retail investors and large investors of different investment types at 0.05 level.

表3 燕麦种植过程的碳足迹Table 3 Carbon dioxide emission measurement results during oat planting process

表中数据为平均值±标准差。同一行不同小写字母表示不同投入类型散户和大户碳足迹之间差异达0.05的显著水平。

The data in the table are average±standard deviation.Different lowercase letters inthe same columns represent a significant difference between the carbon footprint of individual investors and large investors of different investment types at 0.05 level.

2.2 燕麦种植环节碳足迹影响因素的分析

燕麦种植过程中的碳足迹受多种因素的影响。对各项农资投入量与燕麦种植碳足迹进行相关分析表明，碳足迹与种植面积、除草剂、杀菌剂、机械投入柴油、人工与耕牛均无显著相关性(P> 0.05)，而与产量、氮肥、磷肥、灌溉耗电均呈显著正相关(P<0.05)(表4)。其中，灌溉耗电与碳足迹的相关系数最大，为0.979，可见灌溉耗电对燕麦种植过程中碳足迹的影响程度较大。

表4 各项农资投入量与燕麦种植碳足迹相关性分析Table 4 Correlation analysis between the various agricultural inputs and the carbon footprint of oat planting

2.3 燕麦加工环节碳的足迹

目前,中国主要的燕麦加工产品是燕麦粉、燕麦片和燕麦米，其中燕麦粉占产品总量50%左右，燕麦片约占25%，燕麦米约占15%，其他高附加值产品如饮料、保健产品、化妆品等约占10%[21]。就生产流程而言，燕麦粉主要经过除杂、润麦、烘炒灭酶、磨粉和包装等过程，燕麦片则需要打芒、清理分级、灭酶、切粒、汽蒸、压片、干燥、灭菌、包装等。燕麦粉与燕麦片涉及的能耗包括电力、天然气或者液化气；燕麦米的加工流程较简单，主要是清理、打磨、包装，能耗主要是电耗[34]。本次调研企业加工的燕麦产品也包括一些燕麦饮料、包子、面皮、化妆品等深加工产品，数量较少，未形成规模，本研究暂不涉及。

由表5可以看出，单位质量燕麦粉、燕麦片、燕麦米的碳足迹分别是69.67±5.77、130.62±10.86、50.76±4.81 kg CO2-eq·t-1。燕麦片的碳足迹是燕麦加工环节调研对象中最大的，约占燕麦加工产品的52.03%。燕麦片加工过程中的加热灭菌灭酶、汽蒸涉及到天然气的使用，整个过程中天然气的碳足迹是其能耗的1.14倍。燕麦粉加工过程也需要烘炒灭酶，炒制过程的电耗较高，其电耗的碳足迹高于其他两种产品。燕麦米的碳足迹最小，主要是因为其加工流程较简单，不涉及别的能源消耗。总体来看，磨粉、烘炒灭酶、压片、碾米是燕麦加工过程中电耗的主要来源，包装过程的电耗较少，天然气的使用成为燕麦加工过程中影响碳足迹的主要因素。

表5 燕麦初加工产品单位质量产品的碳足迹Table 5 Carbon emission of oat primary processing product per unit mass product

3 讨 论

本研究中燕麦种植环节，单位面积的碳足迹为800.29 kg CO2-eq·hm-2，显著低于三大主粮作物，也低于Hillier等在苏格兰开展春燕麦、冬燕麦碳足迹研究的结果[11-15]。但燕麦单位产量的碳足迹为0.380 t CO2-eq·t-1，虽然仍低于多数的研究结果，但是差距已经不是特别明显。燕麦种植过程中，单位面积碳足迹显著低于其他作物的主要原因是化肥、农药等的投入较少。就化肥一项而言，本研究燕麦化肥使用量为127.50 kg·hm-2，与罗婷计算的水稻种植散户和大户化肥合计量3 953.98、2 606.36 kg·hm-2相差甚远[30]。燕麦生产过程投入较少，且多种植在高寒干旱贫瘠的丘陵、山地或盐碱地，加上种植过程中多数未形成配套的栽培管理方式，农户对不同品种特性等尚不熟悉，导致燕麦生产加工中面临着产量低、品质差的问题，不能为加工环节提供优质原料[21]，也造成燕麦单位产量碳足迹较高。燕麦种植过程中，大部分散户选择传统的人畜力耕作方式，虽少数散户采用机械化种植，但其受传统农业精耕细作的影响较大，使得其翻耕、灌溉(大多无灌溉设施)次数以及化肥的施用量普遍多于大户，加上种植规模小、品种单一，农户田间管理劳作日期长，造成农业机具使用单一且能耗大的现状[35]；种植大户和合作社多由年轻人管理，多数与当地农业科研推广单位有交流和合作，采用现代栽培的优良品种，能因地制宜规模化种植和科学管理，还有配套的灌溉设施，实施多种作物轮作，保持了土壤的肥力，大大提高了燕麦的产量。随着燕麦合作社不断兼并土地，以及“机械化+化学化=农业现代化”种植模式[36]的发展，燕麦产区一家一户的种植方式逐渐转向机械化操作，因此影响燕麦种植过程碳足迹的主要因素将由散户的化肥、机械油耗、劳动力向大户的灌溉电耗转变，灌溉电耗将成为今后燕麦种植过程中主要碳排放源。总之，本研究中燕麦种植过程中具有较大的节能减排潜力，提高产量、控制灌溉电耗是燕麦节能减排的重中之重。

本研究中，加工单位质量燕麦粉、燕麦片、燕麦米的电耗量分别是81.97± 6.79、71.79± 4.79、59.72±5.66 kW h·t-1。王罗云根据七条不同小麦制粉工艺流程的生产线，计算得到小麦面粉加工工艺的平均电耗为 74.65 kW h·t-1[37]，比本研究燕麦粉的电耗低了 8.95%，主要原因是燕麦磨粉需要进行烘炒，进而增加了电耗。按照一般出米率，100 kg稻谷可出糙米 77～78 kg、标准米 60～65 kg、出精米 55 kg左右。目前，稻米加工企业吨米电耗为 55 kW h以上[38]，比本研究燕麦米电耗低7.90%。据李维强对全国大米加工精度与产率的统计分析，当糙米出米率降低0.3%～0.5%时，碾米电耗量可增加1.5%～ 2.3%[39]。本研究调研中燕麦米的糙米出米率在80%左右，标准米出米率在68%左右，精度低于大米，电耗却高于大米，主要是因为燕麦米杂物较多，品种不一。有的企业在燕麦去皮前也进行灭酶处理，加大了碾米过程的电耗。在燕麦加工企业调研过程中，发现燕麦加工企业数量少、规模小，多数企业都没有自己的科研团队和食品质量检测实验室，而且加工技术单一，设备也比较落后，加剧了燕麦加工过程中的能源消耗，增加了加工过程的碳足迹。因此，燕麦片加工过程中天然气的能耗及燕麦粉灭酶烘炒和燕麦米除杂过程的电耗成为燕麦加工环节碳足迹的主要影响 因素。

本研究根据调研数据粗略地对燕麦种植、加工环节的碳足迹进行了量化分析，结合生命周期各阶段的减排潜力，认为燕麦种植要因地制宜，培育出适应不同环境种植的品种，建立规范化的种植基地，引用先进技术，提高产量，保证品质，同时注重土壤的保护和利用，扬长避短，打造有机绿色农业，有效利用燕麦抗旱、抗盐碱的生理机制，寻找适合当地燕麦灌溉的节水技术，提高农业水分利用效率；在产品加工方面，积极引导消费者科学合理消费，在改变消费者片面追求精细白的过度消费倾向的同时，相关企业要对产品适度加工，满足品质、营养、节能的要求，并提倡龙头企业的带动作用，促进燕麦加工企业的结构优化、中高端产品的研发和燕麦传统食品的工业化进程，提高加工环节的能源利用效率，加强大规模机械化生产和副产品研发与再利用。

致谢：感谢国家燕麦荞麦产业技术体系(CARS-08-E)经费支持，以及体系各试验站、张家口市农业科学院、乌兰察布市农业科学研究所和内蒙古农牧业科学院的科研人员对调研数据采集给予的大力支持与帮助。