中国质量认证中心上海分中心 201206
摘要：牛奶因为富含蛋白质、脂肪、维生素和矿物质等营养物质而成为当下大众消费品，在老百姓的日常生活中扮演着重要的角色，其碳足迹的披露与分析有助于碳标识在日常生活中的推广和应用。
本文以华东某乳制品厂为例，按照国际通用的生命周期评价方法，以“摇篮到大门”为系统边界对某款950ml鲜牛奶产品进行碳足迹计算，分析原奶生产、饲料生产、包装生产，能源生产，原材料运输，产品生产等各个环节对鲜奶产品碳足迹的贡献，并与欧洲排放水平进行横向比较，从而挖掘鲜奶生产全生命周期过程中具有减排潜力的环节，促进企业采取相应措施减少其碳足迹。
关键词：生命周期；碳足迹；减排
一、产品碳足迹(PCF, Product Carbon Footprint)介绍
近年来，“碳足迹”这个术语越来越广泛地为全世界所熟知。碳足迹通常分为三个类型，即项目层面、组织层面、产品层面。产品碳足迹（Product Carbon Footprint, PCF）是指某个产品在其整个生命周期内的各种温室气体（GHG, Greenhouse Gas）排放之和，即从原材料获得、一直到生产（或提供服务）、分销、使用和处置/再生利用等所有阶段的GHG [1]。为积极应对气候变化，提高民众低碳消费意识，英国、日本、欧洲、中国台湾等多个国家或地区已开展了大量产品碳足迹计算和分析，产品多集中在如可乐、薯片、日用品等快速消费品。
近年来，国外不乏奶牛业温室气体排放相关的研究。根据研究显示，牛奶在原奶生产阶段产生的碳排放最多，这主要是奶牛自身排放甲烷等温室气体造成的[2-4]。本文以鲜牛奶为研究对象进行碳足迹分析意义重大。
二、研究方法
1.2.3.1.2.3.1.2.1.2.3.4.5.2.1功能单位
本研究对象功能单位定义为一盒950ml鲜奶被生产并运送至销售点。
2.2系统边界
本文鲜奶的系统边界被界定为包括所有上游原材料和能源的生产过程、产品生产过程以及原材料和产品的运输。不包括鲜奶产品的后期销售、消费、奶盒回收再利用。
在项目研究的初始阶段，所有原料辅料的生产过程都被包含在产品的生命周期模型中，但研究发现原材料如羊草的生产过程对产品生命周期总的GHG值的贡献小于1％，所以它最终被排除在系统边界之外。
本研究中，产品的系统边界属从“摇篮到大门”的类型，系统边界涵盖了如下过程：
三种主要原材料的生产：原奶，饲料和包装（塑料涂层纸板和塑料盖）;
能源的生产及运输；
950ml鲜奶的现场生产;
各原材料、辅料的公路运输和海路运输，以及最终产品的公路运输。
最终确定的系统边界如图1所示（虚线框代表被排除的原料生产过程）。
图1 950ml鲜牛奶生命周期系统边界图
2.3分配原则
整个产品系统中不仅有950ml鲜奶这一种产品产出，还有副产品：牛肉，因此本研究涉及到分配问题。由于原奶的主要功能是为人们提供可食用的蛋白质，因此原奶生产的温室气体排放量根据原奶和副产品对该单元过程蛋白质生产的贡献率分配。具体分配公式[5]如下：
式中，RMEDC为原奶排放量分配系数；RMO为原奶总产量，t/a；CTP为原奶蛋白质质量分数，%；CMP为小公犊的净肉率，%；CW为小公犊总重量，t/a；ELCMP为淘汰泌乳奶牛的净肉率，%；ELCW为淘汰泌乳奶牛总重量，t/a；BP为牛肉蛋白质质量分数，%。
2.4取舍准则
本研究的取舍准则为：如果某个过程对产品碳足迹的贡献小于1%，则此过程可以从系统边界中舍去。原料和辅料的运输，虽然它们对产品碳足迹的贡献均低于1%，但由于它们是产品的重要组成部分，故仍被包含在系统边界内。
2.5影响类型和计算方法
本文通过量化鲜奶产品整个生命周期的温室气体排放，表征其碳足迹，从全生命周期角度定量说明鲜奶产品对全球气候变化的影响。
本文中鲜奶产品碳足迹依据IPCC第四次评估报告(2007年)中的方法计算得到，最终结果以二氧化碳当量表示。
报告的温室气体对象主要包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化物（HFC）和全氟化碳（PFC），其中非二氧化碳温室气体利用全球增温潜势（GWP 100年）换算为二氧化碳当量。
2.6软件和数据库
本文使用通用型生命周期评价软件（eBalance）来建立鲜奶全生命周期（LCA）模型，计算分析其碳足迹结果。
eBalance软件除了引用欧洲生命周期参考数据库（ELCD）和瑞士的Ecoinvent数据库，还引用了中国生命周期核心数据库（CLCD-China），相比其它国外公司开发的LCA软件，部分数据的中国化、本土化使得其全生命周期过程分析的结论更真实、准确，更符合产品地域特色。
2.7数据质量要求
为满足数据质量要求，本研究遵循以下原则：
?数据完整性：依据取舍原则
?数据代表性：生产商、技术、地域以及时间上的代表性
?模型一致性：采用的方法和系统边界一致性的程度
研究过程中首选来自生产商和供应商直接提供的初级数据。当初级数据不可得时，尽量选择代表区域平均和特定技术条件下的二次数据，二次数据大部分选择来自Ecoinvent数据库，ELCD的数据。对于发生在本地生产过程使用的电力，采用了CLCD华东电网混合电力的数据。
三、过程描述
4.1.1.2.1.鲜牛奶生产流程图
图2 鲜牛奶现场生产流程图
本研究包含原奶生产、饲料生产、包装生产、能源、运输等过程涉及的温室气体排放。
原奶生产是在该奶制品公司旗下的牧场完成，与原奶生产相关的温室气体排放包括： 1）奶牛肠道发酵排放；2）粪便的温室气体排放；3）奶牛场能源消耗的温室气体排放；4）与运输有关的温室气体排放。
饲料生产相关的温室气体排放包括：1）饲料生产过程的温室气体排放；2）与运输有关的温室气体排放。
包装现场生产要经过压层、印刷和切割三道工序，用到两种主要原材料，即塑料涂层纸板（纸基和聚乙烯PE）和希赛瓶盖（盒盖为聚丙烯PP和聚乙烯PE）。其温室气体排放包括：1）原材料生产过程的温室气体排放；2）包装材料加工过程能源消耗的温室气体排放；3）与运输有关的温室气体排放。
鲜奶全生命周期过程中使用的能源包括电网电力、柴油、天然气、自来水等，能源生产过程的温室气体排放包括电网电力生产、自来水生产、柴油生产、天然气生产等过程涉及的温室气体排放。
鲜奶产品全生命周期涉及的运输包括海洋运输和公路运输，海洋运输排放主要指包装原材料和部分饲料原材料的运输产生的温室气体排放，公路运输主要指包装产品运输、部分饲料运输，原奶运输、鲜奶产品运输至销售点等过程产生的温室气体排放。
四、结果和分析
通过实地走访调研奶源地、包装生产地获取初级数据及从数据库选取二级数据，本研究计算得到950ml鲜牛奶的碳足迹结果。
4.1产品各生产过程碳足迹贡献分析
根据第三章中描述的过程以及各过程的数据收集，建模计算得到950ml鲜牛奶整个生命周期各阶段碳足迹（PCF）情况如表1，图3为各阶段对总PCF的贡献比。
图3 各生产过程PCF贡献比
根据表1的结果显示，950ml鲜牛奶生命周期碳足迹结果为：1.277kgCO2-eq/盒。其中，950ml鲜牛奶现场生产阶段碳排放为0.1761kgCO2-eq，只占产品生命周期碳排放的10.10%；主要原材料生产过程，即原奶生产、饲料生产和包装生产这三个过程的GHG值之和为1.0695kgCO2-eq，占产品生命周期的83.75%，它们均包含了各自生产过程的原辅料运输；最终产品运输的GHG值为0.03101kgCO2-eq，占产品生命周期的2.6%。分析以上结果：
（一）原材料生产过程的碳排放占比最大：
950ml鲜牛奶的原材料生产过程包括原奶现场生产、饲料生产和包装生产，它们的碳排放值分别为0.6573kgCO2-eq、0.3291kgCO2-eq和0.0831kgCO2-eq，分别占到950ml鲜牛奶生命周期碳排放的53.00%、27.40%和7.00%。
（1）原奶生产环节的碳排放占整个产品生命周期排放的53%，主要因为奶牛为反刍动物，其肠道发酵、粪便处理过程会使得奶牛养殖系统产生大量直接或间接温室气体，导致其碳排放贡献最大；
（2）饲料生产环节的碳排放值也较大，约占整个产品生命周期排放的27.4%，这可能是因为本次研究没有调查饲料的现场生产和加工过程，采用的是Ecoinvent数据库的汇总过程数据集，与实际生产过程有一定出入；
（3）包装生产过程碳排放量相对较少，仅占整个产品生命周期排放的7.00%。由于本研究未涉及包装原材料的生产过程，采用的是Ecoinvent数据库的汇总过程数据集，与实际生产过程有一定出入；
（二）950ml鲜牛奶现场生产过程的碳排放占比较小：
现场生产过程除了原材料的直接投入和运输外，其他均为能源的消耗。调查期内，由于鲜奶的生产线负荷高，生产效率高，所以单位产品能耗低，故PCF值小。
（三）产品运输阶段碳排放占比最小：
产品运输阶段PCF值仅为0.003101kgCO2-eq，占比为2.6%，因为该阶段的碳排放主要来自运输用冷藏车制冷剂的使用和汽车尾气，所占比重较小。
4.2原奶生产过程碳排放贡献分析
原奶是950ml鲜牛奶生产的主要原材料，在其整个生命周期的PCF贡献最大。在这一生产过程中，饲料作为该过程的主要原材料投入，应将饲料生产过程的碳排放合并计入原奶生产过程。表2列出了生产1kg按脂肪和蛋白质校正的原奶（FPCRM）的碳排放情况表：
表2 1kg按脂肪和蛋白质校正的原奶（FPCRM）生产过程PCF值
表2显示，生产 1 kg原奶（FPCRM）的碳排放量为1.038 kgCO2-eq（按脂肪和蛋白质进行校正的原奶）。
全球平均的混合饲养模式原奶（FPCT）排放量1.63kgCO2-eq[5]，英国2011年全脂牛奶（4%乳脂率）平均碳足迹1.309kg CO2-eq[8]，本文研究对象原奶的碳排放与前两者相比，分别低36.3%和20.7%。
本文中按脂肪和蛋白质进行校正的单位原奶碳排放量比全球平均水平低很多，主要是因为：①牧场养殖的奶牛年均产原奶量为9.8t/头，远高于亚洲奶牛产奶平均水平，与欧洲先进水平相当，故奶牛肠道发酵产甲烷排放系数较小，则奶牛场年奶牛肠道发酵甲烷排放总量少，单位FPCRM的碳排放较小；
②根据牧场奶牛的年产奶量和体质量来确定其甲烷排放因子是不准确的，按照IPCC第10章10.3节方法一中本研究所选择的排放因子代表的是北美洲区域的平均值，与牧场的实际饲养情况有所差异，如果可行，应该鼓励采用更加具体的区域产奶量数据，在数据可获的情况下建议采用IPCC第10章10.3节方法2来计算，其中包括饲料摄取总能量、饲料消化率等数据。
③本研究未将奶牛场粪便处理和田间施用的氧化亚氮排放纳入计算范围，根据文献可知，该部分排放贡献大于1%；
④本研究未将农药生产和饲料作物种植过程能耗使用产生温室气体排放纳入饲料生产过程温室气体排放计算范围，根据梁龙研究论文中种植过程的能耗[6]，如果考虑该部分排放则原奶单产排放量将有所增加；
⑤本研究未实测温室气体排放因子，采用联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）给出的估算值，若能收集更多奶牛养殖相关初级数据，生产 1 kg 按脂肪和蛋白质校正的原奶（FPCRM）的碳排放量值的不确定性将减少10%以上。本文中1 kg 的原奶（FPCRM）的碳排放量（原奶根据脂肪和蛋白质进行校正）与全球平均、英国等水平差距将减小。
该生产过程中原材料的运输产生的碳排放为0.1056kgCO2-eq，对该过程GHG贡献为10.17%，其中苜蓿草的货船运输占到9.90%，这是因为苜蓿草是进口产品，运输距离长。若采用国内同类产品替代则运输的碳排放会削减一大部分。
饲料生产环节的碳排放量为0.3464kgCO2-eq，占比为33.37%，是原奶生产阶段除奶牛自身温室气体排放外第二大排放环节。饲料生产环节的温室气体排放包括饲料原材料产生的排放，饲料加工过程和运输环节能源消耗产生的排放，不同来源的饲料和饲料精加工程度直接影响饲料生产温室气体排放量，从而影响单位原奶温室气体排放。所以如果可行，应尽可能获取饲料环节相关原始初级数据。
原奶生产过程碳排放的现场贡献最大，PCF值为0.4821kgCO2-eq，占该过程碳排放的46.43%。表3列出了原奶生产中现场贡献的碳足迹情况，包括奶牛肠道发酵甲烷排放、粪便甲烷和氧化亚氮排放、柴油燃烧的碳排放等，其中柴油燃烧采用了上海本地的排放因子。图4为原奶生产过程中现场贡献的碳足迹贡献比。
图4 原奶生产过程中现场贡献的PCF贡献比
从图4可以看出，原奶生产现场贡献的碳排放中，主要是奶牛肠道发酵和粪便CH4的排放，占到89.39%。而粪便N2O的贡献率仅为6.11%，这可能是因为调查中没有考虑粪便处理的N2O排放，粪便处理的N2O是奶牛场N2O排放的主要来源，在数据可得的情况下，应包含此部分数据。表3中可知，奶牛肠道发酵和粪便温室气体排放总量为0.4658kgCO2-eq，占950ml鲜牛奶全生命周期碳足迹（1.277kgCO2-eq）的36.48%，可见奶牛肠道发酵和粪便的温室气体排放是最重要的环节。
4.3运输过程对产品碳排放的贡献
运输包括了各生产过程原料、辅料、能源的运输，以及产品最终运往销售点的运输，表4中列出了950ml鲜牛奶全生命周期中各运输过程的碳足迹及其对产品碳排放的贡献率，图5和图6中显示分别显示了运输过程碳足迹总和对产品全生命周期碳足迹贡献率和各运输过程占总运输量的碳排放贡献率。
图5 运输过程对产品全生命周期碳足迹贡献率
图6 各运输过程对总运输碳足迹贡献率
图5中可知运输过程碳足迹占产品全生命周期碳足迹的12..89%，其中主要包括苜蓿草的货船运输、950ml鲜奶的运输和原奶的运输等。图6中可以看出，苜蓿草运输的碳足迹值最大，因为苜蓿草为进口产品，运输距离远，若能用国内同类产品代替则该部分碳足迹值会减少。950ml鲜奶运输的碳足迹次之，其中还包括了制冷剂的消耗，主要用于950ml鲜奶的冷藏。
五、结论和建议
1）950ml鲜牛奶全生命周期的碳足迹为1.277kgCO2-eq，奶牛场生产 1 kg 的原奶（FPCRM）的碳排放量为1.038 kgCO2-eq（原奶根据脂肪和蛋白质进行校正）。其碳排放水平与全球平均水平相比偏低，主要是本研究计算过程中很多因素进行了简化考虑。
牧场奶牛养殖系统中，奶牛肠道发酵是温室气体最大的排放环节，排放量为0.4658kgCO2-eq，占950ml鲜牛奶全生命周期碳足迹的36.48%。为了得到更接近本地化的数据，应收集更适用更具体的本地化奶牛养殖数据，包括饲料摄取的总能量、饲料消化率、饲料的组成情况等。
2）饲料生产是温室气体第二大排放环节，占950ml鲜牛奶全生命周期碳排量的33.37%，包括精饲料（其中40%玉米饲料，40%大麦饲料，20%大豆饲料）、青贮饲料（全部为玉米青贮饲料）和苜蓿草。
3）运输过程碳足迹占产品全生命周期碳足迹的12.89%，其中主要包括苜蓿草的货船运输、950ml鲜牛奶的运输和原奶的运输等。其中，苜蓿草运输的碳足迹值最大，因为苜蓿草为进口产品，运输距离远，若能用国内同类产品代替则该部分碳足迹值会减少。950ml鲜牛奶运输的碳足迹次之，其中还包括了制冷剂的消耗，主要用于950ml鲜牛奶的冷藏。
4）原奶生产环节碳足迹计算过程中涉及到排放分配问题，即主产品牛奶和牛肉之间的碳排放分配，如果将温室气体排放量全部算作原奶排放，而不进行分配，那么每生产1 kg 按脂肪和蛋白质校正的原奶的排放量将会增加6.5%。由于奶牛场的主要产品是原奶，副产品牛肉的比例非常少，因此不分配排放量造成的原奶排放量的差异比较小。本文排放量分配方法与联合国粮农组织的评估方法一致，都是基于蛋白质生产分配，也有研究者根据质量生产、能量生产或经济价值来分配。如按质量生产分配，牛奶的分配系数取0.966[7]，与本研究按蛋白质生产分配的系数 0.925也较为接近。
5）本研究中，950ml鲜牛奶现场生产、原奶现场生产和包装现场生产的数据由工厂提供，数据质量可靠。能源生产、原辅料和产品运输的数据采用了具有良好的技术和地域代表性的数据。饲料生产、包装原材料生产的数据采用了数据库次级数据，建议今后的研究中，尽可能获得原始初级数据，这将大大降低结果的不确定性。
6）从鲜奶全生命周期碳排放分布来看，原奶生产环节碳排放占比最大，而其中饲料又对原奶生产环节温室气体排放贡献较大，饲料的选择又影响肠道发酵、粪便管理等温室气体排放，全生命周期各个阶段相互影响和制约。
7）若要降低鲜奶全生命周期碳足迹，不应关注某一减排措施对单一环节温室气体排放的减量贡献，而应系统全面地考虑该措施对产品碳足迹总量的影响，避免出现碳泄露或转移的情况。建议开展不同减排措施的生命周期评估，以获得对产品碳足迹减量更有效的措施。
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论文作者:黄丽君
论文发表刊物:《科技新时代》2019年7期
论文发表时间:2019/9/11
标签：温室论文; 足迹论文; 生命周期论文; 生产过程论文; 气体论文; 饲料论文; 产品论文; 《科技新时代》2019年7期论文;