中国农业食物系统能源碳排放趋势分析*

张向阳, 张玉梅**, 冯晓龙, 樊胜根, 陈志钢

(1.中国农业科学院农业经济与发展研究所 北京 100081; 2.中国农业大学全球食物经济与政策研究院 北京 100083;3.浙江大学中国农村发展研究院 杭州 310058)

人类活动导致的气候变化已经严重影响到社会和自然生态系统的稳定与发展, 化石能源燃烧排放的温室气体是造成全球温度升高的主要原因。FAO数据显示, 2017年中国的温室气体排放量为134亿t二氧化碳当量(本文碳排放量均指二氧化碳排放当量), 占当年全球总量的26.4%, 其中能源活动排放达到106亿t, 占全国总排放的78.9%, 占世界能源活动排放的28.7%。2020年国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话,指出中国将提高国家自主贡献力度, 采取更加有力的政策和措施, 二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值, 努力争取2060年前实现碳中和。能源减排是重中之重, 需要所有行业的共同努力。在此过程中,厘清各个行业的能源活动碳排放量尤为必要。

近些年, 由于农业及其产业链不断延长, 国际上通常采用农业食物系统的概念, 涵盖农林牧渔业、农产品加工业、与农业和农产品加工业相关的中间投入品生产、相关的运输仓储业、批发零售业和住宿、餐饮等行业。中国的农业食物系统也发生了深刻变革, 农业生产向机械化、化学化和电气化发展, 在提高农业生产效率的同时, 使得农业消耗的能源也在增加。农业消耗能源总量从2000年的4233万t标准煤增加到2018年的8781万t标准煤,增长近一倍。FAO数据显示, 中国农业生产活动中使用农用机械和渔用机械产生的碳排放从2000年的9849万t增长到2018年的1.24亿t, 增长25.9%。除此之外, 随着土地集约化和三产融合速度加快, 农业产业链的延长, 农业食物系统的能源消耗不断增加, 并带来碳排放的增加。

从全球范围看, 农业食物系统的碳排放占全部活动碳排放的1/3, 其中能源活动碳排放不容忽视。Poore等、Rosenzweig等利用荟萃分析研究了全球农业食物系统的碳排放, 发现全球食物产业链会产生108亿～191亿t碳排放, 占总碳排放的21%～37%, 其中, 产前的化肥农药等投入品生产和产后农产品加工等环节消耗的能源合计产生26亿～52亿t碳排放。目前关于中国农业食物系统能源活动碳排放的研究较少。在统计方面, 历次《气候变化国家信息通报》中将农业、服务业和居民生活的能源活动归入能源活动下属的其他行业。目前一些学者开展了农业食物系统能源消耗的研究, 如Cao等分析了1978-2004年中国农业内部的种植业和畜牧业两部门活动的直接和间接的能源消耗; Song等分析了2002-2012年农业食物系统的能源消耗以及内部各部门的能源消耗情况, 研究发现农业食物系统消耗的能源数量增加, 但没有研究其能源碳排放。总体来看, 目前的研究很难全面了解农业食物系统能源活动带来的碳排放量。

本文基于投入产出法, 利用中国历年投入产出表与分行业能源消耗量数据, 研究农业食物系统转型中能源碳排放的变化趋势, 及其内部各行业的分布特征。能源碳排放主要产生二氧化碳和甲烷等温室气体, 本研究的碳排放指二氧化碳排放当量。本文的贡献如下: 一是通过分析1997-2018年农业食物系统能源活动的碳排放量, 准确把握其演变规律;二是充分考虑农业的产前与产后环节, 不仅核算了农业食物系统内部生产过程中直接消耗能源所产生的碳排放, 而且将投入品生产过程的间接能源消耗所产生的碳排放纳入核算范围, 核算更加全面; 三是通过基于农业食物系统中各部门的能源活动碳排放特征, 为制定减排措施和实现绿色低碳转型提供决策依据。

1 方法与数据

1.1 研究方法

本文采用投入产出法核算农业食物系统能源活动的碳排放。Leontief将投入产出表的经济分析框架应用到环境分析。近年来, 投入产出法被广泛用来核算温室气体排放, 其优点是通过测算投入产出经济系数, 定量分析行业间的完全经济联系,更全面地反映各个行业间的经济联系。在投入产出表的基础上, 结合不同行业的能源消耗量数据, 不仅可以测算各行业的直接碳排放量, 还可以通过产业链回溯, 计算各行业的间接碳排放量。本文采用投入产出法研究1997-2018年农业食物系统能源活动的碳排放变化趋势及其在不同部门的分布特征。

投入产出法可以表示为:

式中: X 是代表部门总产出的列向量; A是直接消耗系数矩阵, 表示某一产品部门在单位总产出下直接消耗各产品部门的产品或服务总额; Y是国内最终需求量的列向量, 国内最终需求量可以表示为居民消费、政府消费、固定资本形成总额、存货变动额和净出口的总和。为此, 式(1)可转化为:

式中: ( I-A)是Leontief逆矩阵, 也称为完全消耗系数矩阵, 表示某一部门每提供一个单位的最终产品,需要直接和间接消耗(即完全消耗)各部门的产品或服务 总 额; Y、 Y、 Y、 Y和 Y分 别表示 居 民消费、政府消费、固定资本形成总额、存货变动额和净出口的列向量。最终碳排放可以表示为:

式中: C为部门的碳排放量, 不仅包括各行业直接消耗能源的碳排放量, 而且包括中间投入品生产过程中消耗的能源所产生的碳排放量; F为各行业能源排放强度, 即每单位产出消耗的能源排放的二氧化碳当量, 可表示为:

式中: U 表示各行业消耗的各种能源数量; E F表示各种能源的碳排放系数, 如使用1 t煤排放的二氧化碳当量数, 本文共收集了原油、燃料油、汽油、煤油、原煤、焦炭、柴油、天然气和电力共9种能源的碳排放系数; U ×EF表示各行业为生产最终产品消耗能源所排放的二氧化碳当量; Q表示各行业的总产出。

1.2 数据来源

本文主要用到3类数据, 分别是投入产出表、分行业能源消耗量和不同能源的碳排放系数, 用来核算各行业的能源活动的碳排放量, 尤其是核算农业食物系统的能源活动的碳排放量。利用国家统计局公开发布的1997年、2002年、2007年、2012年、2017年和2018年共计6个年份的投入产出表来核算1997-2018年中国农业食物系统能源活动的碳排放量。投入产出表中行业数量从1997年的124部门不断扩展到2018年的149部门, 更加细致地刻画了不同经济部门间的经济数量依存关系。分行业能源消耗量数据主要来源于1998-2019年《中国能源统计年鉴》及《中国统计年鉴》, 在《中国能源统计年鉴》中, 统计了46个行业历年对原油、燃料油、汽油、煤油、煤、焦炭、柴油、天然气和电力等能源的消耗量。能源的碳排放系数主要来源于刘宇等的文献。由于完全消耗系数矩阵通过产业链回溯, 将二次能源的消耗回溯到相应的一次能源, 为避免重复计算, 本文仅考虑煤、原油和天然气等一次能源的碳排放, 消耗1万t煤排放1.98万t二氧化碳当量, 消耗1万t原油排放3.07万t二氧化碳当量,消耗1亿m天然气排放21.8万t二氧化碳当量。

为了投入产出表与《中国能源统计年鉴》中行业数量和内容一致, 将行业合并为41个, 如将2018年投入产出表中农业、林业、畜牧业、渔业和农、林、牧、渔服务业等5个部门合并为农业。农业食物系统包含农业、食品加工业(农副食品加工业, 食品制造业, 酒、饮料和精制茶制造业, 烟草制品业)及与农业相关的运输仓储(交通运输、仓储和邮政业)、批发零售业和餐饮等行业。

2 结果与分析

2.1 中国农业食物系统转型的能源消耗特征分析

改革开放以来, 中国经济社会发生了巨大变化,经济水平不断提高, 居民收入增长显著。为满足人民日益增长的食物消费需求, 中国农产品综合生产能力大幅度提升, 粮食产量连续17年攀升, 从2000年的4.6亿t增长到2020年的6.7亿t, 增长45.7%,肉、蛋、奶供给量大幅增加。这些成就得益于改革开放以来, 尤其是2000年以来, 农业现代化程度显著提高, 具体表现在农业机械化水平的提升和化肥、农药等投入品的大量使用。截至2020年, 全国农作物耕种收机械化率达71%, 农业机械总动力从2000年的5.25亿kW增加到2020年的10.56亿kW, 增长近一倍; 农用柴油消耗从2000年的1405万t增加到2019年的1934万t, 增长37.7%; 化肥施用折纯量和生产量也大幅上升, 2000-2020年化肥施用折纯量和农用氮磷钾化肥产量分别从4146万t和3186万t上升到5251万t和5496万t, 分别增长26.7%和72.5% (图1)。

图1 2000-2020年中国农业投入品数量Fig.1 Agricultural inputs in China during 2000-2020

农业生产力的提高使人民群众实现了从“吃饱”到“吃好”的跨越, 对方便快捷的加工食品的需求也明显增加。农业下游产业迅速发展, 通过农产品加工、冷库存储、异地运输等方式, 实现跨地区跨季节的农产品与食物供给。具体来看, 农产品加工规模不断扩大, 产值从2002年的1.4万亿元增长到2018年的11.6万亿元, 增长了7.3倍; 农产品用于加工的比重从29.8%增长到50.6%。农产品运输量逐年上升,农产品物流总额从2010年的2.2万亿元增长到2018年的3.9万亿元, 增长77.3%; 2018年农产品电商零售额达2305亿元, 同比增长33.8%。居民收入增长, 在外就餐比例上升, 2010年, 在外食物消费支出比重达21.2%, 餐饮行业迅猛发展, 营业额从2000年的442.6亿元增长到2018年的5622.9亿元,增长了11.7倍。农业及上下游产业的发展, 推动了国民经济的增长, 创造了更多的就业岗位。Zhang等研究发现2017年农业食物系统的增加值和就业比例分别为16.2%和33.1%, 远超过以传统第一产业测算的7.9%和27.0%, 但与此同时, 其能源消耗也在增加。

1978年以来, 经济发展使能源消耗量逐年上升,中国能源消耗总量从2000年的14.7亿t标准煤增加到2018年的47.2亿t标准煤, 增长2.2倍,年均增长6.7%。国家统计局数据显示, 农业食物系统中各部门消耗的能源显著增加, 以农业和食品加工业为例,农业消耗能源从4233万t (2000年)标准煤增长到8781万t标准煤, 增长一倍,年均增长4.1%; 食品加工业消耗能源从3918万t标准煤增长到7510万t标准煤, 增长91.7%,年均增长3.7%。从能源消耗的使用结构来看(表1), 农业主要以柴油、煤和电力为主,且煤比重有所降低, 电力比重上升, 2018年柴油、煤和电力消耗分别占36.8%、29.0%和26.3%; 食品加工业的消耗能源以电力和天然气为主, 2018年, 电力消耗占比72.1%, 天然气为16.9%。

表1 1997—2018年农业和食品加工业消耗的能源及结构Table 1 Energy consumption and structure of agricultural and food processing industries in China from 1997 to 2018

近年来, 能源利用效率不断提高(表2)。以2005年可比价计算, 中国全部行业平均每万元GDP能源消耗量从2002年的1.20 t标准煤下降到2018年的0.83 t标准煤, 累计下降30.1%。分部门来看, 农业的能源利用效率从2007年的峰值0.32 t (标准煤)·万元(GDP)下降到2018年的0.24 t (标准煤)·万元(GDP),累计下降25.0%; 食品加工业的能源利用效率从2007年的峰值0.56 t (标准煤)·万元(GDP)下降到2018年的0.36 t (标准煤)·万元(GDP), 累计下降35.7%, 其中2017年下降幅度较大, 从2012年的0.45 t (标准煤)·万元(GDP)下降到0.33 t (标准煤)·万元(GDP), 下降26.7%。

表2 2002—2018年农业食物系统各部门能源利用效率Table 2 Efficiency of energy utilization of agrifood systems by subsectors in China from 2000 to 2018

2.2 中国能源活动碳排放量

投入产出法利用完全消耗系数, 不仅能测算各行业的直接碳排放量, 还能通过产业链计算各行业的间接碳排放量, 因此, 利用投入产出法计算得到的碳排放量会大于直接法的计算结果。以农业能源消耗的碳排放为例(图2), 2018年, 投入产出法计算得到的碳排放为1.7亿t, 而直接法计算得到的仅为1.0亿t, 前者是后者的1.7倍, 多出的部分是因为农业投入品, 如化肥等生产过程中使用能源产生的碳排放。

图2 1997—2018年投入产出法和直接法计算的农业生产活动的能源碳排放量Fig.2 Carbon emissions of agricultural energy consumption using input-output method and direct method from 1997 to 2018

中国能源活动带来的碳排放总量显著增加。中国经济增长与能源消费高度依赖。2000-2018年,中国国内生产总值从10万亿元增长到92万亿元, 按可比价计算,年均增长9.2%。同期能源消耗量大幅上升, 从14.7亿t标准煤上升到47.2亿t标准煤, 增长2.2倍,年均增长5.7%。投入产出法的测算结果显示(图3), 1997-2018年, 中国能源活动碳排放总量从32.4亿t上升到104.0亿t, 主要来自于非农业食物系统部门, 如建筑业、交通运输业等行业。近年来, 能源活动碳排放增幅明显放缓, 得益于能源效率的提高和能源结构的调整, 能源碳排放强度下降。值得注意的是, 由于不同研究在计算能源活动碳排放时, 采用的计算方法和能源碳排放系数以及其他因素可能存在差异, 计算结果有所差异。本文计算得到的能源活动碳排放量介于国际两大权威机构国际能源署(IEA)和联合国粮农组织(FAO)测算结果之间, 如2017年, 利用投入产出法计算的结果99.6亿t, 介于IEA数据92.5亿t与FAO数据106.1亿t之间, 结果较为可信。

图3 1997—2018年中国能源活动碳排放量Fig.3 Carbon emissions from energy use in China during 1997-2018

2.3 中国农业食物系统碳排放

中国农业食物系统能源活动的碳排放在整个能源活动碳排放中比重逐年降低(图3)。农业食物系统能源活动的碳排放量从1997年的5.3亿t上升到2018年的6.7亿t, 增长26.4%,年均增长1.1%; 而非农业食物系统能源活动的碳排放量在此期间从27.1亿t上升到2018年的97.3亿t, 增长2.6倍,年均增长6.3% (图3), 后者的增速远高于前者。农业食物系统能源活动的碳排放量在整个中国能源活动碳排放总量中所占的比重逐年下降, 从1997年的16.3%下降到2018年的6.4% (图3)。

以2018年为例(图4), 农业食物系统中农业活动的能源消耗产生碳排放1.7亿t, 食品加工业的碳排放4.2亿t, 餐饮排放2712.5万t, 与农业相关的批发零售和运输仓储分别排放2570.4万t和2075.2万t。其中食品加工业是农业食物系统能源活动碳排放的主要来源, 占农业食物系统能源活动碳排放量的62.73%, 占中国全部能源活动碳排放量的4.01%; 农业生产活动是农业食物系统能源活动碳排放的第二来源, 占农业食物系统能源排放的26.21%, 在中国能源活动碳排放中占1.67%; 餐饮、与农业相关的批发零售和运输仓储分别占农业食物系统能源碳排放的4.07%、3.86%和3.12%, 分别占到中国能源活动碳排放量的0.26%、0.24%和0.20%。

1997-2018年, 农业食物系统能源活动碳排放量呈先上升后下降趋势, 2012年达到峰值8.8亿t, 之后由于能源利用效率的提高而逐渐降低(图4)。农业食物系统中各部门的能源活动碳排放增长速度差异较大, 与农业相关的批发零售业的碳排放增长最快, 餐饮行业次之, 而农业能源活动的碳排放呈减少趋势。具体来看, 批发零售业的商品销售额从1997年的5.5万亿元增长到2018年的69.0万亿元, 增长11.5倍, 批发零售业的发展增加了能源消费, 导致与农业相关的批发零售的能源活动碳排放量从1997年的343.5万t增长到2018年的2570.4万t, 增长6.5倍,年均增长10.1%。餐饮行业营业额从2000年的528.5亿元增长到2018年的5622.9亿元, 增长9.6倍, 餐饮行业的能源活动碳排放量也随之呈快速增长趋势, 从1997年的472.3万t增长到2018年的2712.5万t, 增长4.7倍,年均增长8.7%。1997-2018年, 中国货物运输量从127.8亿t增长到515.0亿t, 增长了3.0倍, 货物运输平均运距从300.2 km增加到397.2 km, 使得同期与农业相关的运输仓储的能源活动碳排放量从701.1万t增长到2075.2万t, 增长2.0倍,年均增长5.3%。同期, 食品加工业的能源碳排放从2.6亿t增加到4.2亿t, 增长61.5%,年均增长2.3%。与此相反, 由于农业活动的能源消耗结构优化, 碳排放量呈下降趋势, 从1997年的2.5亿t下降到2018年的1.7亿t, 累计下降32.0%,年均下降1.8%。

图4 1997—2018年中国农业食物系统能源活动碳排放量(a)和结构(b)Fig.4 Carbon emissions from agrifood systems (a) and its structure (b) in China during 1997-2018

农业食物系统中各部门的能源活动碳排放结构发生了较大变化。农业活动能源的碳排放比重在逐年缩小, 从47.5%下降到26.2%, 下降21.3个百分点;食品加工业的占比大幅提升, 从49.6%提高到62.7%, 提高13.1个百分点, 成为农业食物系统能源活动碳排放的最重要来源; 与农业相关的批发零售、运输仓储以及餐饮的比重也随着经济发展水平的提高逐年增长, 分别从0.7%、1.3%和0.9%提高到3.9%、3.1%和4.1%, 这3个行业能源活动碳排放的总比重从2.9%提升到11.1%, 提高8.2个百分点。

3 结论与政策建议

改革开放以来, 中国农业产业发展迅速, 农业产业链不断延长, 由此带来的能源消耗及产生的碳排放也不断增加。本文利用投入产出法测算了1997-2018年我国农业食物系统能源活动的碳排放, 厘清了农业食物系统能源活动碳排放对中国全部能源活动碳排放的贡献及其结构分布特征。研究发现: 1) 随中国经济发展, 能源消耗总量从2000年的14.7亿t标准煤增加到2018年的47.2亿t标准煤,增长2.2倍。在此期间, 农业产业链延长, 农业食物系统的能源消耗不断增加, 农业和食品加工业消耗能源分别从2000年的4233万t 和3918万t 标准煤增长到2018年的8781万t和7510万t标准煤, 均增长近一倍。2) 2018年农业直接使用能源的碳排放量仅1.0亿t, 但整个农业食物系统能源活动的碳排放为6.7亿t。在1997-2018年, 随着农业食物系统转型发展, 农业食物系统能源活动碳排放量增长了26.4%, 但其增速远低于非农业食物系统能源碳排放增速, 使得农业食物系统在能源活动碳排放中比重逐年下降, 2018年为6.4%。3)在农业食物系统中,食品加工业碳排放大幅增加, 成为最主要的碳排放来源, 2018年其碳排放为4.2亿t, 占农业食物系统能源活动碳排放量的62.7%; 与农业相关的批发零售、运输仓储和餐饮的碳排放也在持续增长, 2018年合计碳排放为7358万t, 占农业食物系统能源活动碳排放量的11.1%; 农业活动由于能源效率提高, 碳排放量降低, 2018年排放1.7亿t, 但仍占农业食物系统能源活动碳排放的26.2%。

农业食物系统能源活动的减排不容忽视, 应从产业链各环节着手, 促进农业食物系统的绿色转型发展。分行业来看, 虽然农业能源活动碳排放量降低, 但仍有减排空间, 一是农业机械要更加重视绿色环保, 在农业机械化水平不断提升的同时, 要促进农业机械向新能源转型, 减少农用柴油使用, 加大对节能环保型农业机械补贴、研发和推广; 二是减少化肥农药等中间投入品在生产过程中的碳排放, 促进农业生产的绿色转型, 在保障粮食安全的前提下, 加强农业生产领域的低碳绿色技术的研发推广应用,如绿色肥料和农药的研发。食品加工业已成为农业食物系统能源活动碳排放量的最主要来源, 在食品加工业规模不断扩大的形势下, 应进一步提高能源利用效率, 积极调整能源使用结构, 加大清洁能源使用力度; 食品加工要向绿色化转型, 建立低碳、低耗、循环、高效的绿色加工体系, 减少中间投入品的消耗, 提倡就地加工, 减少产地和加工地之间的运输距离, 减少无效能源消耗与碳排放。与农业相关的批发零售、运输仓储和餐饮的碳排放量在农业食物系统能源活动碳排放中占比持续增加, 应当引起重视。与农业相关的运输仓储应通过优化农产品运输路线、提高新能源交通比重、优化仓储库存量等措施降低食物流通环节的能源消耗; 餐饮行业可通过提高清洁能源使用比例, 最大化降低能源消耗。