云南省咖啡生产碳足迹及其影响因素
2024-04-26王新华王硕
王新华 王硕
王新华，王 硕. 云南省咖啡生产碳足迹及其影响因素［J］. 湖北农业科学，2024，63（2）：19-24，78．
摘要：以云南省为研究区域，以咖啡产品为研究对象，核算云南省咖啡生产过程中的碳足迹，运用通径分析方法探究云南省咖啡生产过程中碳足迹的影响因素，同时阐明减缓碳足迹的可能性，提出咖啡生产过程中实现节水减排目标的建议，为更好地推进云南省咖啡产业低碳、绿色发展提供切实可行的参考。
关键词：咖啡；碳足迹；温室气体；通径分析；云南省
中图分类号：S571.2 文献标识码：A
文章编号：0439-8114（2024）02-0019-06
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.02.004 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Carbon footprint of coffee production in Yunnan Province and its influencing factors
WANG Xin-hua， WANG Shuo
（School of Water Resources， Yunnan Agricultural University， Kunming 650500， China）
Abstract： Taking Yunnan Province as the research area and coffee products as the research object， the carbon footprint of coffee production in Yunnan Province was calculated， the path analysis method to explore the influencing factors of carbon footprint in the coffee production process in Yunnan Province was used， the possibility of mitigating the carbon footprint was clarified， and suggestions for achieving water saving and emission reduction goals in the coffee production process were put forward， so as to provide a practical reference for better promoting the low-carbon and green development of the coffee industry in Yunnan Province.
Key words： coffee； carbon footprint； greenhouse gas； pathway analysis； Yunnan Province
气候变化是当今人类面临的最严峻的全球环境问题，在全球十大环境问题中温室效应高居榜首，温室气体的不断排放使全球气候不断恶化［1］。气候变化加快的主要原因是人类生产活动所引起的温室气体排放［2］。政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告指出，人类活动产生的温室气体对大自然的影响前所未有，引发全球许多地区的极端天气和极端事件；若不采取必要措施，到2100年全球地表温度至少升高2.1 ℃［3］。这已经远远超过《巴黎协定》设定的21世纪温控目标并会提前40年超过所设定的温控目标。
农业作为全球温室气体排放的主要来源，对气候变化有着不能忽略的影响［4］。据相关统计，农业活动产生的温室气体占全球温室气体排放的13.5%。农业是非CO2温室气体排放的主要来源［5］，其排放的非CO2温室气体占人为排放的非CO2温室气体总量的14%，其中84%的N2O和47%的CH4来自农业生产过程中的排放［6］。
咖啡是将咖啡豆用烘焙磨粉而成，和可可、茶作为全球主要的三大饮料。云南省依托自然地理条件和气候环境的先天优势，咖啡自引进以来被大面积种植［7］。云南省是中国最大的咖啡种植地、贸易集散地和出口地，咖啡种植规模和产量都占全国的98%以上［8］。咖啡种植规模的不断擴大，也同时必然存在大量的农药、化肥等高投入、高排放及其污染程度较高的种植模式，对全世界资源环境危害较大［9］。虽然中国咖啡年平均消费水平不高，但是每年却以30%的人均消费量递增，中国有成为全球最有潜力的咖啡消费国。中国咖啡需求量持续上升，过度地使用农业生产资料也必将大大增加温室气体的排放，例如化肥、农药、农膜等农资产品的投入不断增加，在使用过程中会产生大量的CO2排放，同时也会造成水污染。因此，对咖啡种植加工生命周期过程中温室气体排放及其耗水量进行科学评价，是中国及其咖啡产业的急切需求［10］。
1 材料与方法
1.1 研究界限
本研究评估了云南省咖啡供应链中涉及的不同过程。基于当前对碳足迹的各类定义，咖啡碳足迹定义为从咖啡种植到使用阶段之间产生的直接和间接温室气体排放量，包括咖啡种植加工过程、运输过程、烘焙研磨等能源消耗带来的温室气体排放。
本研究的范围使用PAS2050：2011来定义。系统边界包括从咖啡种植到使用阶段的咖啡供应链：①咖啡种植阶段所投入的化肥、农药、石灰等农产品生产过程的CO2排放；田间施用氮肥直接和间接排放的N2O；农机具作业消耗柴油、灌溉耗电产生的CO2排放。②加工咖啡鲜果时能源消耗产生的CO2排放。③咖啡豆运输过程相关的CO2排放。④咖啡豆烘焙、包装、研磨过程能源消耗产生的CO2排放。根据PAS2050定义允许排除碳足迹元素，本研究至少分析了95%以上的总排放量，但对于碳足迹贡献小于1%的复杂流程被排除。云南省咖啡种植历史悠久，由于用于种植咖啡的土地已经进行了长时间的农业生产，因此没有包括土地利用变化的排放，遮阴条件和多年生作物碳储存也不包括在内。其他不包括的内容有加工和预加工的人力投入，员工往返工作地点的能源消耗。
功能单位的选取是碳足迹评估的基础，功能单位决定研究对象进行比较的尺度和计量基准。本研究功能单位是1 kg的咖啡豆，碳足迹的结果是以每千克咖啡豆的二氧化碳千克数来表示（kgCO2eq/kg咖啡豆）。
1.2 研究方法
1.2.1 咖啡种植环节碳足迹 咖啡在种植阶段的温室气体排放主要包括在种植过程中施用的氮肥、磷肥、钾肥、农药等农资生产过程中的CO2排放；施用氮肥导致N2O的直接排放和间接排放；灌溉用电量及农机具作业消耗柴油产生的CO2排放。
咖啡种植过程中温室气体的总排放量计算如式（1）所示：
式（1）中，CEC，i主要表示在单位面积范围内咖啡种植出现的温室气体排放量（kgCO2eq/hm2），取值用CO2当量（CO2eq）来表示；CEinput，fer为化肥、农药等投入生产的碳排放总和（kgCO2eq/hm2）；
咖啡种植过程的碳足迹为：
CFY=CE/Y （2）
式（2）中，CFY表示单位咖啡产量所出现的温室气体排放量（kg CO2eq/kg），Y表示咖啡单位面积产量（kg/hm2）。
式（3）中，i是各项农业产品投入的种类； AIi，fer表示第i类农业生产资料的投入数量（kg/hm2）； EFi，fer表示第i类农业生产资料、咖啡加工过程中所需物料进行排放的各项参数。
土壤N2O主要由施用氮肥引起，包括土壤中N2O经过硝化反硝化作用后的直接排放和大气氮沉降、淋溶径流导致的N2O排放，计算公式为：
根据《2006IPCC温室气体清单指南》，得到施用氮肥产生N2O直接和间接排放量的方法，计算公式如下：
式（5）至式（7）中，FN表示施用氮肥的具体数量（kg/hm2）；δN，D表示咖啡种植区域施入氮肥而产生N2O的直接排放因子；δN挥发和δN淋溶是土壤中由氮挥发后沉降的N2O和氮淋溶径流的N2O间接排放因子；44/28表示N转化成N2O的系数；FRAC挥发是肥料投入到土壤中氮挥发率（%）；FRAC淋溶是肥料投入土壤中氮淋溶和径流率（%）。
CEinput，ot?er=CEmac?ine+CEirrigation（8）
式（8）中，CEmac?ine是咖啡种植过程中施用农机消耗柴油所产生的温室气体排放量（kg CO2eq/hm2）；CEirrigation是咖啡种植过程中灌溉耗电产生的温室气体排放量（kg CO2eq/hm2）。
CEmac?ine=Pmac?ine×ρdiesel×EFdiesel（9）
CEirrigation=Pelectric×EFelectric（10）
式（9）、式（10）中，Pmac?ine为咖啡种植过程中使用农机消耗的柴油量（L/hm2）； ρdiesel为柴油的密度（kg/L），取0.84；EFdiesel为柴油消耗的排放因子；Pelectric为咖啡种植过程中灌溉用电量（（kW·h）/hm2）；EFelectri为电网排放因子。
1.2.2 咖啡生長施肥碳足迹 有机咖啡是指在生产过程中不使用合成的农药以及化学肥料的咖啡，有机咖啡使用的肥料必须是100%的有机肥料。 在有机施肥模式中，3.0～4.5 t畜禽粪便可生产1 t有机肥料［11］。根据畜禽平均排泄量以及咖啡种植园实际有机施肥量进行估算。动物粪便管理CH4、N2O排放是指在畜禽便施入到土壤前对动物粪便储存和处理所产生的CH4和N2O［12］。由于有机肥的种类较为繁多且管理方式复杂，因此统一选用《省级温室气体清单编制指南（试行）》［13］推荐的南方地区畜禽粪便管理CH4和N2O排放因子对畜禽粪便管理温室气体排放进行估算，计算公式为：
1.2.3 咖啡加工过程碳足迹 咖啡鲜果在加工过程中会产生大量废水，废水中有机物分解产生甲烷（CH4）。使用IPCC指南提供的方法进行计算：
式（15）中，CFCH4为废水中有机物分解产生的温室气体排放量（kgCO2eq/kg）；25为在100年的尺度甲烷相对于CO2在全世界范围内的增温具体趋势。
CFprocess=Σi，jPprocess，j×EFprocess，j（16）
式（16）中，j表示消耗的能源类型；CFprocess为咖啡加工过程温室气体的排放量（kgCO2eq/kg）； EFprocess，j为能源消耗的温室气体排放因子；Pprocess，j为咖啡加工时所需要的能源。
1.2.4 能源消耗碳足迹 咖啡能源消耗环节的碳足迹包括：①烘焙咖啡豆时烘干机、大型烘焙设备中消耗的电力产生的温室气体；②对熟咖啡豆进行研磨时研磨机消耗的电力产生的温室气体；③生产包装咖啡的包装袋所产生的温室气体；④咖啡豆的运输产生的温室气体排放量。
CFenergy=EFenergy，j×Qenergy，j（17）
式（17）中，CFenergy为咖啡产品能源消耗碳足迹（kgCO2eq/kg）；j表示不同类型的能源；EFenergy，j为消耗能源产品的温室气体排放因子；Qenergy，j为能源排放量。
1.2.5 咖啡碳足迹总量 咖啡碳足迹包括咖啡种植过程中的碳足迹、收获后进行咖啡加工处理能源消耗的碳足迹以及运输咖啡的碳足迹。总碳足迹除以咖啡豆产量即可得到咖啡的单位碳足迹。
式（18）中，CF为咖啡产品的碳足迹。
2 数据来源
2.1 云南省咖啡产品生产相关数据
对云南省咖啡主产区普洱市、保山市、临沧市和德宏州4个地区的咖啡种植园进行了调查，分析了4个地区咖啡种植加工过程中各项农资的投入和产出情况，调研内容包括咖啡产量、面积、生产过程中农资（柴油、肥料、农药、灌溉耗电等）投入量等活动水平数据。咖啡加工阶段是在加工厂完成的，用电量没有直接来源，采用间接推算的方法得到，咖啡鲜果加工需要脱皮脱胶机和脱壳机来完成［14］，已知脱胶机功率4.5 （kW·h）/t和脱壳机2 kW/h，以及两种机器单位时间加工咖啡鲜果数量，得到咖啡加工阶段的耗电量。在咖啡烘焙研磨阶段与加工阶段相同，已知机器功率，根据单位时间咖啡豆消耗量得到咖啡产品的耗电量。对于咖啡运输过程中的碳排放，默认运输距离为100 km，调研基本情况见表1和表2。
2.2 云南省咖啡产品活动水平排放因子数据
咖啡碳足迹核算需要的数据包括各农资投入品的碳排放参数以及制作咖啡过程能源消耗的参数。中国大部分氮磷钾肥的温室气体排放系数普遍为欧美水平的2倍左右，利用国外数据估算将严重低估中国化肥生产带来的温室气体排放量［15，16］。因此，能源消耗、化肥生产等农资投入相关的温室气体排放因子首先采用国内现有的研究结果。不同农资投入的碳排放因子见表3。
2.3 云南省气象数据
本研究采用的气象数据来自中国气象科学数据共享服务网（http：//data.cma. cn/）。选取云南省咖啡4个主产区周边的8个气象站点的逐月地面气象观测数据，其中包括日最高气温（℃）、日最低气温（℃）、平均风速（m/s）、湿度（%）、降水量（mm）以及日照时数（h），各气象站点分布如图1所示。
3 碳足迹核算结果
从咖啡生命周期的碳足迹构成看出，咖啡生产过程中的碳排放主要集中在四个阶段：种植阶段、加工阶段、烘焙研磨阶段和运输阶段［17］。种植阶段的碳足迹最大，其次为加工阶段，再是烘焙研磨阶段，运输阶段的碳足迹在四个阶段中最小（表4）。
临沧市、普洱市、保山市和德宏州四个地区在种植阶段碳足迹的均值为2.94 kgCO2eq/kg，其中临沧市最大，保山市次之，再是普洱市，最后为德宏州，四个地区在种植阶段的碳排放足迹分别为3.18、3.04、2.90、2.65 kgCO2eq/kg；四个地区在加工阶段碳足迹大小排序为德宏州（0.33 kgCO2eq/kg）、普洱市（0.31 kgCO2eq/kg）、保山市（0.28 kgCO2eq/kg）、临沧市（0.27 kgCO2eq/kg）。而在烘焙研磨阶段和运输阶段，由于各地区烘焙工艺和运输形式相同，这两个阶段的碳足迹分别为0.26、0.09 kgCO2eq/kg。
4 咖啡碳足迹的影响因素
咖啡产品的碳足迹受多个因素共同影响，其中气象因素包括降水量、气温、湿度、风速、日照时数，对咖啡定植期耗水（蒸散发）量、光合作用及产量均有一定的影响［18］。农业生产投入因素包括化肥的使用、用电量、柴油及农药使用量对咖啡碳足迹影响较大。为明确咖啡产品中各因素对碳足迹的影响程度，采用通径分析法分析咖啡产品中各因素对碳足迹的直接影响和间接影响［19，20］。
在通径分析法的分析过程中，设因变量为咖啡产品的碳足迹，自变量设为日照时数（X1），年降水量（X2）、平均气温（X3）、相对湿度（X4）、风速（X5）、用电量（X6）、机械柴油用量（X7）、农药使用量（X8）以及化肥施用量（X9）。
从表5中可以看出，在气象影响因素中，年降水量（X2）对咖啡生产碳足迹的影响最大，其总通径系数为0.948，年降水量对咖啡生产碳足迹的影响为正影响，降水量增多，咖啡生产中的碳排放量增多。降水虽然在一定程度上会促进咖啡生长，提高咖啡产量，但是降水控制着土壤湿度，促进土壤的反硝化作用，促进N2O的排放，从而使得农田碳排放增加。日照时数、平均气温与风速也与咖啡生产的碳足迹成正向关系，因为日照时间长，气温升高会导致CO2和N2O浓度升高。相对湿度与咖啡生产碳足迹之间存在负向关系，湿度一定程度上可以促进咖啡生长，提高咖啡产量，单位碳足迹从而降低。
在农业生产要素投入中，用电量对碳足迹的影响为负，总通径系数为-0.749。说明用电量可以替代柴油、石油等能源的消耗，从而减少碳排放量。化肥以及农药与碳足迹之间呈正相关关系，即柴油、化肥和农药投入量越大，咖啡生产碳足迹越大。近年来，为了改善土壤肥力，提高作物生产率，使得化肥在农业生产中的用量不断增加，进而增加了碳排放。在生产过程中，大量消耗化石燃料，成为农作物种植过程中最重要的非直接碳排放源。农药使用量也会使咖啡生产碳足迹增大。农药是高能耗产品，化石燃料既是生产农药的原料也是能源燃料，化石燃料燃烧会产生大量的温室气体排放。机械柴油使用量的总通径系数为0.113，影响为正向。随着农业机械化的不断发展，农机在农业生产中扮演着重要的角色，起到降本增效、提高劳动生产效率的作用。而农机使用的过程中需要消耗柴油，造成温室气体的排放，是碳足迹的主要排放源之一。
5 小结与讨论
5.1 小结
本研究测算了咖啡生产过程中的碳足迹，探讨了碳足迹的影响因素，包括自然因素与农业生产因素对咖啡生产碳足迹的影响及程度，得出以下主要结论。
1）云南省咖啡生产过程的单位碳足迹为3.59 kgCO2eq/kg，在种植、加工、烘焙研磨和运输四个阶段中，种植阶段的碳足迹水平最高，为2.94 kgCO2eq/kg，运输阶段最低，为0.09 kgCO2eq/kg。
2）在空间分布上，临沧市、保山市、普洱市和德宏州四个地区中，咖啡生产的单位碳足迹的排序为临沧市（3.18 kgCO2eq/kg）>保山市（3.04 kgCO2eq/kg）>普洱市（2.90 kgCO2eq/kg）>德宏州（2.65 kgCO2eq/kg）。
3）在气象因素中，各因素對咖啡产品碳足迹的影响程度由大到小为年降水量（X2）、相对湿度（X4）、风速（X5）、平均气温（X3）、日照时数（X1）；在农业生产投入因素对碳足迹影响程度由大到小为用电量（X6）、机械柴油用量（X7）、农药使用量（X8）、化肥施用量（X9）。
5.2 讨论
云南省咖啡生产碳足迹具有减缓的可能性。提高化肥利用率，减少化肥、农药投入量，可减缓因化肥施用以及农药喷洒导致的碳排放；同时，提高机械化水平，推进农机装备转型升级，降低农机使用时柴油的消耗量，提升柴油的利用率，可以减少咖啡生产过程中温室气体排放，降低碳足迹；实施咖啡种植保护性耕作技术，不仅可以提高咖啡产量，还可以增加土壤肥力，改变土壤理化性状，减少土壤中水分的蒸发及化肥的使用量，促进咖啡产业可持续发展。
1）降低咖啡种植区域化肥施入量，提升化肥有效利用效率。在种植区域内咖啡种植碳足迹影响最大的是化肥施入具体额度，并且能够提升碳足迹的具体数量，表示化肥施入具体额度的递增造成碳足迹数量的增加。同时，传统种植模式下，部分咖啡生产农户在种植咖啡施肥时具有相应的不确定和随机性。这不仅会在某种意义上造成肥料浪费，还会促进碳足迹额度提升，导致环境资源被破坏。因此，云南省咖啡种植者要在施肥过程中采取科学合理的施肥方式，有效降低咖啡种植过程中碳足迹水平，减少碳排放，减轻环境压力的整体目标。
有机绿色标准示范园种植模式下主要利用测土配方施肥技术，能够有效利用肥料，提升肥料利用率。测土配方施入能够在某种程度上符合咖啡生长发育和种植区域对肥料需肥及供肥的相关要求，能够运用测试土壤及肥料田间试验数据，对咖啡种植示范园供肥特点进行系统研究。咖啡种植过程的需肥规律和需肥效应，提出有机肥料中氮肥、磷肥及钾肥最适宜的肥料配比及其施入额度，利用测土配方施肥技术，能够在一定程度上符合咖啡种植肥料施入额度，提升施入肥料的利用效率，确保环境不被破坏，实现降低咖啡种植碳足迹的目标。
2）在咖啡种植区域利用农机节油技术，提升咖啡种植机械化作业水平。在所调查区域咖啡有机绿色标准示范园内采用机械化作业，能降低劳动力成本，提高种植区域土壤利用效率，提升土壤水分，对于咖啡种植过程中最为有效，最大限度提升种植区域咖啡出苗率，提高种植区域单位面积产量，提高咖啡生产者经济效益。在采用机械化的基础上，同时也提升了柴油的使用率，造成碳排放提升。而且农业机械柴油使用过程中造成的碳足迹在咖啡种植过程中总碳比重中占比较高，是云南省咖啡种植占据第二位的碳排放源，但相对来说控制较为容易，可以采取一定的技术手段降低柴油使用率，例如在政府推广机械化作业的基础上，利用节油技术降低柴油消耗。
3）构建咖啡深加工生产管理体系。首先，要根据具体情况构建科学合理的咖啡精品深加工生产管理体系，其中主要包括完善管理制度和责任管理体系，确保不同工作人员都能明确自身工作职责，在制度允许范围内投入更多的时间和精力，降低咖啡加工过程中碳排放和安全问题出现概率。其次，采用更先进的精品深加工设备。咖啡加工过程中可以根据实际需要积极引进一些市场上先进的生态咖啡生产设施，为咖啡精品深加工奠定坚实的基础。
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收稿日期：2023-03-10
基金项目：云南咖啡种植加工过程的水足迹及碳足迹核算（2022J0302）
作者简介：王新华（1975-），男，河南登封人，副教授，研究方向为水文与水资源管理，（电话）15911740263（电子信箱）453620381@qq.com；
王 硕（1996-），男，河南濮阳人，硕士，研究方向为水文与水资源管理，（电话）17729700666（电子信箱）929768040@qq.com。
