冷鏈物流系統碳足跡模型構建與實證分析

(1 廣州大學冷鏈物流及標準化研究所 廣東 510006； 2 廣州城市職業學院 廣州 510405)

作為影響氣候環境問題的關鍵因素之一，碳排放問題日益成為國內外研究的熱點。全球已有62個國家和地區實施或計劃建立碳交易市場機制。我國圍繞碳排放體系及減排低碳等發展活動制訂了若干政策，明確指出應發展低碳物流，降低貨物單位周轉量的CO2排放量。國內外眾多學者對冷鏈物流領域碳排放問題展開了研究。在冷鏈物流碳足跡度量方面，G. P. Cachon等[1]分析了碳足跡的計算方式并對碳足跡的目標函數進行了優化；N. Agatz等[2]就碳足跡對冷鏈物流系統結構的影響因素進行了分析，并界定了食品冷鏈物流碳足跡核算范圍；A. Carlsson-Kanyama[3]基于全生命周期評估測算了不同食品的碳足跡問題；S. Benjaafar等[4]將碳足跡的測算方法應用到供應鏈具體分析中，并對牛奶碳足跡優化的問題提出了減排措施；蔡依平等[5]采用全生命周期評估測算了新鮮番茄的碳足跡，并提供了計算不同運輸條件下碳足跡的方法；田麗娜[6]采用全生命周期評估測算了新鮮葡萄的碳足跡，得出了考慮碳足跡的單級冷鏈企業利潤分配模型；李亞男等[7]以碳足跡和系統成本最小為目標函數，構建了冷鏈物流配送網絡優化模型，并利用遺傳算法對復雜的車輛配送網絡結構進行求解。在碳排放權交易制度方面，M. Soysal等[8]提出在保證食品質量安全的前提下應協調好經濟和環境效益，建立“原材料-產品-碳排放權”投入產出結構模型。在費用方面，G. P. Cachon[9]認為供應鏈系統設計時，不能簡單地以經濟利益為單一目標函數，而應該權衡經濟和環境效益的關系，在較低的碳稅制度下，碳足跡不會對系統成本造成太大的影響；但通過制定遞進型的碳稅率，可縮減最大30%的碳足跡，而對應的系統運營總成本僅增加了約10%[10]。因此，合理的碳稅政策驅使冷鏈企業通過優化運營方式或采用碳效率更高的技術來抵消碳稅所帶來的成本壓力，實現經濟利益和環境效益的協調持續發展。

上述研究側重于具體食品的碳足跡計算或考慮碳足跡的冷鏈物流路徑優化、利潤分配等，較少涉及冷鏈物流碳足跡模型的系統構建。因此，本文在上述研究的基礎上提出冷鏈物流碳足跡的系統計算方法并構建了冷鏈物流系統碳足跡模型。以香蕉為例，驗證碳足跡模型的可行性，并分析了冷藏運行速度、碳稅及腐損率對冷鏈物流系統總成本和碳足跡的影響。

1 問題描述

冷鏈物流系統碳足跡是指在冷鏈物流活動各環節中直接及間接引起的溫室氣體排放量，單位為CO2質量當量[11]。冷鏈物流的不同環節，由于作業方式和工具使用不同等干擾因素，碳足跡存在較大差異。冷鏈物流環節較多，且我國冷鏈物流活動大多缺乏有效管理和控制，給冷鏈物流系統碳足跡的計算造成了一定困難。在冷鏈物流活動中，能源類型及利用效率所導致的碳足跡有較大差異。如車輛行駛過程中使用不同類型的燃料，碳足跡的減排量可達57%～81.2%[12]。冷庫、冷藏運輸裝備等冷藏設施設備的制造工藝及保溫性能會對總碳足跡產生影響；外部環境同樣會影響冷鏈過程中設備的制冷效率，不同季節、不同貨物能耗均不相同[13]。此外，對冷鏈物流有效的管理，提高冷鏈物流運作效率和設施設備的使用效率，亦能有效降低能耗，減少不必要的碳足跡。本文以目前國內最常見的生產商(產地)-批發商(配送中心)-零售商(商超)構成的易腐食品三級冷鏈物流網絡為主要研究對象，系統性地研究冷鏈物流碳足跡模型。

2 冷鏈物流系統碳足跡模型構建

2.1 模型假設

為簡化模型便于計算分析，對建立的模型做出如下假設：

1)易腐食品產地、數量、生產量等信息可方便獲取，易腐食品的市場需求、數量明確，批發商、冷鏈物流中心可供選擇；

2)易腐食品流通全程采用冷鏈，假定運輸速度恒定，碳足跡、產品品質與時間相關聯；

3)零售市場需求可得到充分滿足，不斷貨；

4)模型的目標為在總成本最小的前提下碳足跡最小，兩者需同時考慮。

2.2 碳足跡變量確定

2.3 約束條件

當批發商j處于運營狀態時，將易腐食品由產地i運往批發商j處，則有：

Xij≤Yj，?i∈I,j∈J

(1)

易腐食品可由不同產地運往不同的批發商處，因此，可構建多重運輸模型：

(2)

其中，批發商j處于運營狀態，銷售商k存在市場需求時，則有：

Xjk≤Yj,?j∈J,k∈K

(3)

如將易腐食品從不同的批發商處配送至k地，則有：

(4)

產地、批發商、零售商之間周轉量應在各自能力范圍之內：

(5)

(6)

若產地i的產量與運量相等，則產地庫存為0，則有：

(7)

(8)

對于批發商，庫存≤從產地運達的貨物量，滿足庫存需求且不高于自身的庫存水平：

(9)

(10)

(11)

因易腐食品在流通過程中不可避免的存在一定的腐損，為滿足市場需求，供貨量應大于市場需求量。

(12)

在運輸方面，車輛運輸時間在簡化后可由下式計算：

(13)

此時，若冷藏車在運輸過程中保持勻速行駛，其速度與碳排放量之間關系可表達為[13]：

(14)

式中：a、b、c為常數，其他約束條件為：

2.4 碳足跡模型構建

在冷鏈物流系統實際運作時，總成本和碳足跡不應分別以單因素最優為目標進行分析，這也是本模型與以往研究的最大差異。采用加權求和法針對成本目標和碳足跡目標進行求解，即碳足跡目標與成本目標處于統一的衡量標準體系中，引入碳稅價格CCO2作為參數變量，表示在碳足跡制度下，冷鏈物流系統因碳足跡帶來的社會成本支出，主要包括生產過程、配送中心處理過程及運輸過程中產生的碳足跡對環境等帶來的影響而產生的成本。從而將原有的基于成本和碳足跡的多目標模型轉化為單目標模型優化問題。對應的目標優化函數為：

3 實證分析

3.1 實例分析

G城市有較為成熟的香蕉種植-配送-銷售冷鏈物流網絡，能夠全面地反映香蕉產業的冷鏈物流模式。在充分調研的基礎上，以G市實際參數為例展開分析。其中，香蕉冷鏈物流系統是由5個種植生產地、3個批發商、4個零售商構成的多級冷鏈物流系統網絡。根據全生命周期評估法分析，香蕉冷鏈物流系統的碳足跡計算邊界包括產地、配送中心和冷藏運輸環節以及香蕉腐損帶來的碳足跡，如圖1所示。具體主要環節的碳足跡數據和不同速度下香蕉冷鏈物流碳足跡分別如表1、表2所示。

圖1 香蕉冷鏈物流主要碳足跡環節Fig.1 The main carbon footprint of banana cold chain logistics

活動類型碳足跡×10-3/kgCO2產地碳足跡—221[15]批發商電能消耗0.2124廢棄處理—41.21[16]

表2 不同速度下香蕉冷藏運輸環節碳足跡Tab.2 Carbon footprint at different transport speeds

目前，香蕉產業主要有農戶、合作社和企業三種種植模式，不同的香蕉生產力下供應成本不同。批發商的價格也會根據市場行情及配送中心的運營成本等動態調整批發價格。研究中，香蕉5個產地、3個批發商、4個零售需求方的相關數據如表3～表5所示。最終的市場售價又會受到若干外界因素的影響，如運費、運輸距離等。批發商到零售商的運費、運輸距離相關數據如表6～表8所示。

表3 不同產地生產能力與生產成本關系Tab.3 The relationship between production capacity and cost in different producing areas

表4 不同批發商的相關數據Tab.4 Different distribution center data

表5 市場需求狀況Tab.5 Market demand data

表6 產地I到批發商J的單位運輸費用/(元/km)

表7 批發商J到零售商K的單位運輸費用/(元/km)Tab.7 Unit costs from distribution to market

表8 批發商J到零售商K的距離(單位：km)Tab.8 Distance from distribution center to target market

3.2 結果分析

根據香蕉冷鏈物流的全生命周期分析，利用數值分析軟件對模型進行優化求解，并將上述具體相關參數代入模型進行運算。在考慮碳足跡的情況下，應該以冷鏈物流系統總成本最小為目標時，即系統最小成本為354.74萬元時，總碳足跡為148.62 t，此時對應的冷藏車行駛速度為90 km/h；當冷鏈物流系統的碳足跡最小為145.21 t時，對應的系統總成本為369.21萬元，此時冷藏車的行駛速度為80 km/h。綜合分析，從冷鏈物流系統的經濟效益角度考慮，當車輛行駛速度為90 km/h時，冷鏈物流系統成本最低，可獲得較多的經濟效益；從社會效益和環境效益的角度分析，冷藏車的行駛速度為80 km/h時，冷鏈物流系統對環境的影響最小。

3.2.1不同冷藏車行駛速度下的系統總成本和碳足跡分析

由圖2可知，冷藏運輸速度與系統總成本和碳足跡存在一定的關系，且車速與碳足跡間近似呈二次函數關系。一定速度范圍內，系統總成本和碳足跡均隨著運輸速度的增加呈下降趨勢，且存在某個最優值，使目標函數最優。即當冷藏車速度為90 km/h，系統最小成本為354.74萬元；當冷藏速度為80 km/h時，總碳足跡為145.21 t。

圖2 不同車速下的系統總成本和碳足跡Fig.2 Total cost and carbon footprint under different vehicle speeds

當企業追求利益最大化(即總成本最少)時，可將車速調整為90 km/h；如果企業注重環保效益，將車速調整為80 km/h，此時碳足跡最少。當車輛運輸速度約為55 km/h時，由于普通道路擁堵系數高，各方面不確定因素多，使系統總成本比高速行駛時高得多。

3.2.2碳稅對冷鏈物流系統總成本影響分析

結合冷藏車不同的行駛速度，分析了不同碳稅價格下的冷鏈物流系統總成本，整個冷鏈物流系統總成本隨車速的變化如圖3所示。在相同行駛狀態下，碳稅價格的變化對系統總成本影響較小，但碳稅價格的增長會給企業帶來額外的成本支出。當碳稅價格上漲，企業運營成本增加，為了維持相應的利潤水平，企業會相應減少碳足跡，表明政府可以按不同發展水平制定不同的碳稅減少企業碳足跡，從而調節經濟利益和環境效益平衡。而企業可通過持續優化運營成本和采用碳效率更高的技術來吸收碳稅成本。

圖3 系統總成本隨車速的變化Fig.3 Total cost changes with vehide speed

3.2.3不同腐損率下的冷鏈物流系統總成本和碳足跡分析

考慮不同腐損率α對冷鏈物流系統總成本和碳足跡的影響，如圖4所示。隨著冷藏運輸過程中香蕉腐損率的上升，冷鏈物流系統的總成本和總碳足跡均呈上升趨勢，且總成本和總碳足跡的變化趨勢相近、幅度也相對應。由圖4可知，當腐損率從0升至18%時，系統總成本從291.84萬元增至392.70萬元，系統的總碳足跡則從121.57 t升至164.49 t，兩者漲幅均近35%。從成本和碳足跡優化的角度來看，應盡可能降低食品腐損率，而這又需要冷鏈企業投入更多的基礎設施建設和技術成本等，因此合理控制食品腐損程度對于降低成本和減少碳足跡至關重要。

圖4 不同腐損率下的系統總成本和碳足跡Fig.4 Total cost and carbon footprint under different corruption rates

4 結論

1)在冷鏈物流各環節中，相比其他環節，冷藏運輸環節的碳足跡占比最大，在不考慮具體設備類型的情況下，運輸速度是影響碳足跡的關鍵因素。通過分析運輸速度與系統總成本和碳足跡的關系，得出最優經濟(系統總成本最小)運行速度為90 km/h，最環保(碳足跡最小)運行速度為80 km/h。該結果可為冷鏈物流環境效益和經濟利益的最大化協同設計和實施提供支撐。

2)碳稅和腐損率對系統總成本和碳足跡的影響顯著。碳稅價格的增長會給企業帶來額外的成本支出，即當碳稅從0元/t升至200元/t時，相應平均總成本增加0.8%；而腐損率的增加可使系統總成本和碳足跡增長的幅度高達35%。因此，通過降低腐損率控制食品質量對降低成本和減少碳足跡問題具有良好的經濟和環保效益。

3)本次碳足跡測算是在全程冷鏈物流的條件下進行的，但目前我國冷鏈流通率仍不足30%，因此，今后可從全程冷鏈與斷鏈的角度對比分析，并結合不同易腐食品冷鏈物流狀況，逐步完善冷鏈物流碳足跡模型，為更加客觀測算冷鏈物流碳足跡提供數據支撐。

本文受廣東省科技支撐計劃重點項目(2017B020206006，2016B020205004，2017B090907028)資助。(The project was supported by the Guangdong Province Science and Technology Support Program Key Projects (No.2017B020206006, No.2016B020205004, No.2017B090907028).)