工业部门碳足迹研究进展与应用现状*

● 苗 壮，龙腾驹，张月池

（1. 西南财经大学 经济学院，四川 成都 610000；2. 西南财经大学 中国西部经济研究院，四川 成都 610000）

一、引言

全球气候变化是本世纪人类社会共同面对的最严峻的挑战之一。自工业革命以来，人类社会生产生活严重依赖于煤炭、石油等化石燃料，导致大量温室气体的产生，进而造成了超高温、洪涝等极端天气事件的频率和强度不断上升[1-2]。根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第四次评估报告，过去50 年地球的升温速度是过去100 年平均水平的两倍，世界各地气温已经达到有记录以来的最高水平，并且在南北极地区均出现极端高温天气，地球升温正以难以置信的速度接近灾难性气候临界点[3-4]。预计到2100 年，若不加以控制，地球可能升温4.8°C，人类生存将面临更大的难题[5]。为了应对全球气候变化的挑战，联合国气候变化大会通过巴黎协定，明确了全球共同追求的“硬指标”，即相较于工业化之前水平，全球平均升温不超过2°C，并尽全力控制在1.5°C 内[6]。各国都据此采取了积极行动：发达国家，如法国、德国等欧盟成员国出台了碳税、碳排放权交易等一系列减排策略[7-8]；美国颁布了《美国清洁能源安全法》并规定了到2025 年、2030 年以及2050 年的温室气体减排目标[9]。而对于发展中国家，以中国为例，明确提出在2030 年前和2060 年前分别实现“碳达峰”和“碳中和”，以实现低碳转型目标[10-11]。

工业部门既是生产生活耗能较多的部门，同时也是温室气体排放的最主要来源，其被广泛认为是实现碳中和难度最大的领域之一[12]。工业排放的温室气体主要来源不仅包含了生产过程中现场能源设施燃烧的化石燃料，还包括与能源消耗相关的化学、冶金和矿物转化过程的排放以及废物管理活动的排放[13]。根据IPCC《2022 气候变化：减缓气候变化》显示，工业部门的温室气体排放占全球总排放量的25% 左右[14]。美国能源部最新数据显示，2021 年美国工业部门温室气体排放量占其总排放量的1∕3，是最难脱碳的行业之一[15]。以中国为代表的发展中国家工业部门造成了约70%的环境污染和72%的温室气体排放[16]。因此，如何做好工业部门的节能减排工作对于控制气候变化至关重要。

在上述背景下，“碳足迹”概念应运而生并且其相关研究引起了普遍关注。不同于以往单一侧重生产端碳排放的观点，碳足迹涉及整个生命周期的排放[17]。基于生命周期理论，从地区、时间和空间等多重视角评估碳排放的全流程，并采取适当的方法进行宏观、中观和微观视角的分析，进而从根本出发，制订科学合理并有针对性的全流程碳减排计划。在当前全球以减缓气候变化、减少碳排放、实现碳中和为主要目标的战略背景下，深入研究碳足迹是实现可持续发展目标的现实关键。

本文总结了工业部门碳足迹研究的现状。在方法层面上，本文归纳了碳足迹的起源、碳足迹的核心概念，同时采用CiteSpace 分析对工业部门碳足迹研究的现状进行了量化分析，概括了工业部门碳足迹的研究进展。针对前人研究所存在的问题和挑战提出了对工业部门碳足迹未来发展方向的建议。

二、碳足迹研究进展

（一）碳足迹的起源

在过去的30 年间，足迹已成为衡量一个国家或地区在全生命周期中评价可持续发展水平的重要指标。1992 年，Rees 根据足迹的概念和可持续发展的思想首次提出了生态足迹（Ecological Footprint）的概念[18]，用来衡量一个地区对生态环境的利用水平和生态环境提供的功能。自生态足迹的概念兴起后，水足迹（Water Footprint）、能源足迹（Energy Footprint）等概念也逐渐步入研究的视野[19]，碳足迹（Carbon Footprint）也应运而生，并且在进入21 世纪后广泛受到学者的关注[20]。

（二）碳足迹的概念

碳足迹作为生态足迹中不可或缺的一部分，被运用于表示人类生产和消费全过程所涉及的温室气体排放总量。然而，当前学界对碳足迹的准确定义尚未达成共识，不同的学者对此存在不同的看法，表1 选取了学界对碳足迹主流的几种定义，主要的差别集中在以下四方面：

表1 国内外相关文献中的碳足迹定义

1. 碳足迹的评估对象

产品、活动与服务。

2. 碳足迹的范围

碳足迹是仅包含CO2排放量，还是包含所有温室气体（如CH4、N2O 等）的CO2排放当量。

3. 碳足迹的边界

目前学者虽然对全生命周期或生产活动全过程的直接排放和间接排放基本达成共识，但是对于间接排放的边界范围还未有定论。

4. 碳足迹的单位

碳足迹是效仿生态足迹以土地面积为单位（如m2等）[21]，还是以研究中更为常见的方式——质量为单位（如kg 等），以及两者之间的换算仍具有争论。

在当前全球贸易化的背景之下，碳足迹与碳税、碳预算、碳抵消、低碳消费等密切相关，对碳足迹进行科学精准地评估是实现可持续发展目标的有效手段。而掌握碳足迹的定义又是对碳足迹进行评估的基础。因此，为了发挥碳足迹评价对实现低碳社会的推动作用，需要统一概念并明确评价方法。结合国内外学者的研究进展，本文主要参考世界资源研究所（World Resource Institute,WRI）和世界可持续发展工商协会（World Business Council for Sustainable Development, WBCSD）对碳足迹提出的定义，即碳足迹是一种产品或一项活动在其全生命周期内的所有温室气体的直接排放和间接排放总和[26-27]。

三、基于CiteSpace 的工业部门碳足迹研究进展

本节采用CiteSpace 软件对工业部门碳足迹相关文献进行分析，旨在可视化碳足迹在工业部门的研究现状、研究热点和今后的发展趋势，从而为未来工业部门碳足迹的进一步研究提供参考。

（一）数据来源

本文首先在CNKI 数据库中选择“期刊”类型的文献，以主题为“工业”并包含“碳足迹”的词条进行针对性检索，检索的时间范围跨度为2009 年至2023 年，筛选“北大核心”和“CSSCI”期刊以确保获得高质量文献，共得到有效文献323 篇。其次在Web of Science（WOS）核心数据库中以“industrial”和“carbon footprint”等专业术语进行检索，考虑时间范围仍为2009 年至2023 年，筛选Article 和Review 类型文献，共得到有效文献400 篇。

（二）结果分析

1. 关键词词频分析

对关键词词频进行研究可以更直观的展示一定时间内某一研究领域的研究热点[28]。在CiteSpace 软件中分别导入中英文文献数据，时间跨度设定为2009—2023 年，时间切片设定为1年，节点类型选择关键词。工业部门碳足迹研究中，中英文文献关键词词频图谱图如图1 和图2所示，图中字体大小与关键词出现频率成正比关系。

图1 2009—2023年工业部门碳足迹研究中文文献关键词词频图谱

图2 2009—2023年工业部门碳足迹研究英文文献关键词词频图谱

由图1 所知，2009 年至2023 年，“碳足迹”出现的频次最高，远超于其他关键词的频次。其次，“生命周期评价”在工业部门碳足迹研究中也具有较高的频次。上述具有较高频次的关键词大多侧重于实现工业部门的可持续发展，并通过研究碳足迹、碳排放以及相应的低碳技术来应对气候和环境变化。由图2 可知，工业部门碳足迹研究英文文献关键词词频与中文文献有相似之处，但出现的频次差别较小。大多数文献聚焦于足迹和温室气体排放以评价工业领域发展经济所造成的环境负担，出现频次较高的关键词有“carbon footprint”“footprint”“life cycle assessment”。此外，中国工业部门是碳足迹研究的重点区域。

2. 关键词聚类分析

通过关键词聚类图将关键词进行合理归纳分类，可以直接观察与工业部门碳足迹有关的研究主题。图3 和图4 分别展示了基于2009 年至2023 年中英文文献的关键词聚类图谱，关键词被分为10 个不同的聚类集群，反映了不同的研究重点，其中两图的Q 值均大于0.3，S 值均大于0.7，说明聚类具有科学性[28]。

图3 2009—2023年工业部门碳足迹研究中文文献关键词聚类图谱

图4 2009—2023年工业部门碳足迹研究英文文献关键词聚类图谱

由图3 可知工业部门碳足迹中文文献关键词聚类情况，聚类0 “碳排放”、聚类1 “碳排放”、聚类7 “水足迹”、聚类9 “全碳足迹”共同关注碳排放与足迹问题，聚类2 “生命周期评价”、聚类5 “投入产出”倾向于关注研究碳足迹的评估方法，聚类4 “低碳设计”、聚类8 “林浆纸一体化”探讨工业部门的可持续发展的实践和可能的缓解高碳排放的策略，聚类3 “碳达峰”、聚类6 “碳减排”给出了工业部门减少温室气体目标的重要性。由图4 可知英文文献聚类分析情况，大体情况和中文文献相似，聚类0 与聚类2 “input-output analysis”、侧重于研究方法，聚类1 “carbon emissions”、聚类3 “carbon footprint”、聚类5 “carbon dioxide”、聚类7 “greenhouse gas emissions”是关于工业部门碳排放的研究，聚类4 “sustainability”是针对工业部门可持续发展的研究，通过优化资源配置和控制污染实现该部门的可持续发展。聚类6 “wastewater”、聚类8 “energy use”、聚类9 “cane straw ash”是研究工业部门生产过程的资源利用研究。

通过时间线图，各个关键词聚类之间随时间推移的紧密联系、影响关系以及分布情况可以被描绘出来[28]。图5 和图6 展示了工业部门碳足迹关键词聚类时间线图谱，呈现了随时间演变，研究热点的演化进程。由图5 可知，对于工业部门碳足迹中文文献，自2009 年以来，“碳足迹”不仅研究持续时间最长，应用最为广泛，而且在不同时间节点上都保持着研究热度。与此同时，诸如“碳排放”“碳达峰”等关键词也在研究中占据着重要的位置。由图6 可知，“carbon emission”“life cycle assessment”“international trade”等关键词在研究中占据着显著地位，标志着它们作为工业部门碳足迹研究的热点，为后续研究奠定了重要理论和方法基础。而且，这些关键词在不同的时间段内都呈现出较高的热度，说明了它们在长时间内都保持着持续的研究兴趣。

图5 2009—2023年工业部门碳足迹研究中文文献关键词聚类时间线图

3. 突现词分析

突现词是特定领域突然出现并引起研究人员重点关注的词汇[28]。图7 和图8 分别为中英文文献工业部门碳足迹突现词分析，展示了工业部门碳足迹研究领域的历史演变以及当前的研究前沿和热点。如图7 所示，在中文文献中，“碳达峰”和“碳中和”成为近年来的热点话题，而双碳概念的迅速涌现，标志着全球范围内关于减少碳排放、达到碳排放峰值以及实现碳中和的讨论日益升温。未来，工业部门碳足迹的研究将聚焦于如何实现这些目标，以更加可持续的方式推动产业发展。由图8 可知，英文文献中“economic growth”突现强度较高，至今保持着较高热度，这表明在工业部门碳足迹研究中，经济增长与环境保护的平衡始终是一个重要而复杂的议题。不仅需要关心如何在经济增长的过程中实现碳排放的降低，还需要探讨如何在碳减排的前提下维持经济的可持续发展。这种平衡将需要跨学科的研究和合作，涉及政策、技术、市场等多个层面。

图7 2009—2023年工业部门碳足迹研究中文文献突现词图谱

图8 2009—2023年工业部门碳足迹研究英文文献突现词图谱

四、碳足迹在工业部门的应用现状

本节首先探讨工业部门碳足迹的系统边界，采用SWOT 分析比较各方法的优缺点。其次，系统概述了碳足迹在工业部门的几个关键行业中的应用情况，总结各学者为实现工业部门减排提出的建议。

（一）工业部门碳足迹的系统边界

碳足迹系统边界的确定是评估碳足迹的重要环节，不同的系统边界将在极大程度上影响碳足迹的核算结果。在工业部门碳足迹的系统边界中，不同的学者考虑的情况都有所不同。按照国家以及《温室气体议定书：企业核算与报告准则》对碳足迹的范围分类[29]，具体而言分为三个范围，如表2 所示。

表2 工业部门碳足迹评估系统边界

本文认为，根据生命周期理论和碳足迹的内涵，工业部门碳足迹的系统边界应包含范围一、范围二及范围三全部内容，覆盖上游、中游及下游的全生命周期过程。

（二）工业部门碳足迹的测量方法

工业部门碳足迹核算方法主要有生命周期评价法（Life Cycle Analysis, LCA）、投入产出分析法（Input-Output Analysis, IOA）与混合生命周期评价（Hybrid-LCA, HLCA），前两种方法的视角和侧重点不同，第三种方法是前两种方法的结合。

1. 生命周期评价法

生命周期评价法是基于“自下而上”过程的分析方法，考虑了生产从“摇篮”到“坟墓”全过程的温室气体排放，包括产品的生产、使用、废弃以及再回收利用的整个生命周期[30]。当核算的对象为微观特定对象时，如农产品、工业产品等，并且核算对象的系统边界较为容易划定时，可以使用LCA 方法来同时考虑直接碳排放和间接碳排放[31]。如图9 的SWOT 分析所示，从优点方面来看，基于过程分析的LCA 更加准确，更适合用于特定产品的碳足迹计算，可以帮助政府和企业探寻特定产品的更绿色的碳减排方式。但是不同系统的边界和获取宏观数据的难度限制了该方法的应用[32]。

图9 基于SWOT分析LCA

2. 投入产出法

投入产出法是“自上而下”的代表计算方法，该方法大多从宏观层面考虑碳足迹，以投入产出表为基础对一个或多个地区或部门为满足自身消费而引起的碳足迹进行分析，评估各个区域或部门需要肩负的碳减排实际责任[32]。基于投入产出法的碳足迹评估方法可以定量描述经济系统中各部门之间的投入产出关系，反映直接和间接的碳排放。然而，该方法无法从微观层面测量特定对象的碳足迹。同时，数据的准确性与滞后性和投入产出表的编制都会造成分析的误差，上述缺陷都一定程度限制了投入产出法的使用[32]。图10展示了使用SWOT 分析法总结归纳的投入产出法的优势、劣势、机会和威胁。具体而言，IOA 可分为单区域投入产出法（SRIO）和多区域投入产出法（MRIO）。

图10 基于SWOT分析IOA

SRIO 是首个利用投入产出表研究一个国家或地区最终消费相关碳足迹的方法，通常用以评价一个国家或区域因最终需求而产生的温室气体排放等导致的环境影响。SRIO 使传统IOA 法中涉及的数据更简单，计算过程更方便[32]。然而，SRIO 是在不同地区不存在技术差异的前提下使用的，忽略了其他国家和地区的技术差异对碳足迹的影响，这显然与全球化和贸易国际化相冲突。贸易过程和供应链中国家之间的中间使用和最终消费的进出口温室气体排放不能全面反映在SRIO 模型中，从而降低了研究的科学性和准确性。在经济全球化的趋势下，MRIO 解决SRIO 模型所面临的生产技术无差异问题。同时，MRIO在SRIO 的基础上，根据实际情况要求各国的投入产出结构、隐含碳和大气污染物排放量，克服了技术异质性和加工贸易的问题，提高了计算的准确性[32-33]。通过对足迹家族的深入研究，MRIO 已被广泛采用，并被证实是最有效的IOA 方法[34]。

3. 混合生命周期评价

混合生命周期评价是一种综合了IOA 模型和基于过程的生命周期评估的完整系统边界评估方法，同时具备了LCA 准确性和IOA 全面性的优点，能够更好地理解环境和经济之间的关系。混合生命周期法既可以保持结果的准确性并且可以消除误差[32]。因此，混合生命周期评价被广泛运用在工业领域的碳足迹的计算中，然而，Yang 等却认为混合生命周期评价不一定比LCA 更准确，其准确性取决于引入的IOA 模型，发现使用高度聚合的IOA 模型有高估的风险，并且可能导致比不完整的流程模型产生的截断误差更大的相对误差[35]。

（三）碳足迹在工业部门重点行业的应用

作为国民经济不可或缺的一部分，工业部门由经济中的各个工业相关领域或产业组成，它们以相似的生产特点和经济活动为基础，通常生产和制造相似类型的产品或提供相关的服务。从行业角度来看，工业部门的碳足迹主要来自电力、钢铁、石油化工等重点工业行业[36]。上述行业不仅直接排放温室气体，还通过间接排放对气候变化产生影响。

首先，电力行业在工业部门中的作用举足轻重，工业部门使用电力来操作工业电机和机械、照明、计算机和办公设备，以及设施供暖、制冷和通风设备，相关过程使用燃煤、燃气等化石燃料会释放大量CO2、N2O 等温室气体。此外，电力行业还涉及能源的开采、运输和储存等环节，相关过程也会产生温室气体排放。大量的文献研究了电力行业不同层级的碳足迹，刘韵等建立了企业电力碳足迹的核算体系[37]；柳君波等和宁礼哲等计算了中国省级层面的电力行业碳足迹，发现北方地区的碳足迹普遍大于南方地区[38-39]；方恺等测算了全球层面电力部门的碳足迹[40]。

由于电力行业的碳足迹是工业部门的主要贡献者之一，因此，不少学者根据其研究从不同角度提出了电力行业减少碳足迹的建议。首先，建议在工业部门电力行业进行新能源发电。方恺等在研究了不同电力类型的碳足迹后，建议使用水电和核电代替传统燃煤与燃油电[40]；王斯一等在比较了燃煤发电与生物发电企业的碳足迹后认为生物清洁发电在追求低碳经济过程中更有潜力[41]。Lu 等测算了太阳能发电的国家级碳足迹后大力推荐其在电力行业的使用[42]。其次，陈明星等推荐使用生物质能、水力、太阳能和风能发电以减少碳足迹实现碳中和[43]。最后，提高电力使用效率，减少消耗可以促进碳足迹的减少。Mittal 等和Messagie 等发现电力使用能效的提升可以减少电力的使用，从而降低碳足迹[44-45]；Mitchell 和York发现提高电力效率1∕4 到1∕3 相当于电力使用的减少，是降低碳足迹的重要方法之一[46]。

钢铁行业是制造业最大的碳足迹来源，成为全球脱碳的当务之急。钢铁行业生产过程中，高温炼铁和炼钢、回收废钢等过程产生的大量温室气体也不容忽视，科学精准评估钢铁行业的碳足迹有助于推动钢铁生产以及工业部门的绿色发展[47]。钢铁行业碳足迹评估多从微观角度出发，刘宏强等和宋晓聪等计算了钢铁行业产品全过程的碳足迹，确定了中游生产过程仍然是钢铁行业碳足迹排放集中区[48-49]。高成康等和张玥等从企业的角度研究了钢铁行业的碳足迹，化石能源在生产过程中的消耗是钢铁行业碳足迹产生的主要原因[25,50]。

在实现钢铁行业减碳方面，应该由能源替代，提高工艺方面以及优化材料结构入手，王雨婷和李毅仁等提出在钢铁行业实施以氢能为中心的能源结构变革以减少排放，同时提高技术创新[51-52]，这一结论与Lv 等相同[53]。与此同时，在下游消费阶段减少钢材消耗，刘夏青等建议根据下游推动上游的生产迭代[54]，通过减少消费从而降低碳足迹。

与此同时，石油化工行业一直是工业部门碳足迹的主要来源之一，产生大量的温室气体。石油化工行业是工业部门国民经济生产原材料的基础保障，根据美国能源部2022 年工业报告显示，石油化工行业约占美国工业部门所有能源使用和排放的40%。同时，IEA 报告欧盟95%以上的工业产品原材料的生产都依赖于石油化工行业的原材料以及产品。因此对石油化工行业碳足迹进行研究是工业部门碳足迹评估的基础。不少学者基于该背景下研究了石油化工行业的碳足迹并提出了建议，于涵等对碳酸二甲酯碳足迹进行分析，建议从源头原料替代和生产过程技术提高实现碳减排[55]；Galán-Martín 等建议石化行业向可再生途径进行转变以减少碳足迹[56]；孙潇磊等认为沥青产品碳足迹减少的主要措施在于循环利用[57]，但Geels 却认为在石油化工行业不应该片面追求循环利用、使用生物原料等办法，而是应该更加注重于创新（如使用氢作为燃料）[58]。

除了这些重点工业行业产生的碳足迹会直接影响到大气中的温室效应，其他行业如水泥[59]等产生的温室气体排放也会对全球气候变化产生重要影响。采用碳足迹技术对这些工业部门重要行业进行评估，有助于提供有力的政策建议促进工业减排，以实现双碳目标。

五、结论与展望

随着全球气候变化的加剧和可持续发展的迫切需要，碳足迹评价已成为各国衡量可持续发展、碳排放以及人类对自然环境影响的重要工具，其有着丰富的内涵。而作为国民生产过程温室气体排放最多的工业部门，其温室气体减排是全球实现可持续发展、达成巴黎协定目标的关键。因此，对工业部门碳足迹进行研究有助于确定工业部门可持续发展的路径，可以引导工业部门采取更加低碳和环保的生产方式，从而推动工业部门采用清洁能源、提升能源利用效率等，以实现减少工业部门温室气体排放的目标。

然而，对工业部门碳足迹的研究还有必要进一步完善。第一，虽然目前学界大多倾向于从全生命周期来阐述碳足迹，但对碳足迹定义需要进一步统一，如是否包括所有的温室气体，这将对碳足迹的分析计算产生较大影响。第二，多区域全生命周期流程的本土碳排放数据库尚待完善，中国工业部门领域碳排放量大、来源广泛，现有数据库难以支撑工业部门全生命周期的碳足迹评估。第三，碳足迹评估方法体系有待确定。虽然现有三种不同的主流方法，但各有缺陷。因此，建立针对不同行业、不同地区的标准化评估方法面临较大挑战。第四，工业部门碳足迹研究对于实践的引导还有待欠缺，碳足迹支撑工业部门低碳化方案的实施案例较少，如何利用研究理论和相关结果指导实践操作是一个需要深思熟虑的难题。

尽管面对这些挑战，工业部门碳足迹仍然有着积极的研究前景。首先，随着不断加深的国际合作对碳足迹领域的进一步探索，有助于统一碳足迹的定义、推动科学标准的碳足迹评估体系的建立，确保不同碳足迹评估在不同场景的使用和比较。其次，工业部门碳足迹的研究可以为工业部门技术革新提供新的方向，电动化、水氢技术等创新方案的研究都对工业部门碳足迹减少的实践应用具有重要的实际指导意义。最后，工业部门碳足迹的研究也将为各国政府有关碳减排公共政策的提出提供参考，完善碳税、碳排放权交易等政策，将甲烷等其他温室气体纳入交易体系，对促进工业部门低碳生产具有重要的现实意义。

在当前研究背景下，虽然目前工业部门碳足迹的研究面临诸多挑战，但更具有广泛的研究前景。在未来达成统一的碳足迹定义、系统边界及评估方法体系后，学术界和实务界可以更好理解和管理工业部门碳排放，利用研究中的绿色技术驱动工业部门的绿色低碳转型以及双碳目标实现。