【碳减排】情景条件界定低碳可控环境农业中最大能耗阈值以推动食物系统转型

受控环境农业（CEA）涵盖从单层垂直农场到全自动化多层植物工厂等多种形式，凭借在非农业用地集约化种植、减少农药和水资源使用、降低气候风险等优势，成为应对极端天气和土地竞争、保障全球粮食安全的重要路径。然而，CEA面临高额初始资本和运营成本的制约，其能源密集型特征（尤其是人工照明和环境控制）使其成为碳排放的主要来源，当前在能源、粮食安全与气候减缓之间存在显著权衡。 

消费者对可持续性的认知是CEA推广的关键驱动力，因此降低单位作物年能源利用效率（EUP，单位：千瓦时/千克）等关键绩效指标至关重要。现有评估多依赖生命周期评估（LCA）和通用关键绩效指标，但CEA的环境影响高度依赖情境因素，如种植作物类型、生产方式、选址及低碳能源可获得性等。为填补这一研究空白，本研究提出“最大能耗阈值（MET）”概念，通过整合贸易数据、排放因子和社会经济路径，量化不同国家和未来情景下CEA的低碳运营边界，为农食品系统转型提供决策依据。 

1. 当前情境下CEA的低碳适用场景

基于当前电网排放因子和贸易模式，CEA在特定情境下具备低碳优势（图1）。叶菜类蔬菜（如生菜）、短货架期水果（如草莓）在低电网排放因子的内陆国家种植时，最有可能实现能源-粮食-气候的良性权衡。

室内农场的平均EUP普遍高于多数国家的MET，仅在少数场景下例外：埃塞俄比亚、刚果、刚果民主共和国等国因大量依赖水电和传统生物质能源，电网排放因子极低，成为室内农场的理想选址；巴拉圭作为内陆国家，因远离贸易伙伴，进口运输成本高，也具备室内农场发展潜力。草莓等短货架期作物需空运进口，其避免的高额空运碳排放使MET显著提高，CEA替代此类进口作物时更易满足低碳要求。

温室种植方面，寒冷气候地区（如美国明尼苏达州、华盛顿州）的半封闭温室因光照不足、热量损耗大，EUP可能高于全室内农场；而新加坡等土地稀缺国家采用液压旋转温室种植生菜，EUP可低至0.021千瓦时/千克，低于当地MET，兼具粮食安全和低碳效益。

图1

2.低碳能源情景对MET的影响

未来低碳能源情景会放宽MET要求，但仍需优化CEA能源效率（图2）。在“光伏供电”情景下，由于光伏技术的排放因子高于水电，巴拉圭等当前电网排放极低的国家，MET会显著降低，运营要求更为严格；而电网排放因子较高的国家，光伏供电可扩大MET的四分位距和全球中位数，提升CEA低碳可行性。 

在“2050年区域电网”情景下（基于SSP2-Base路径），各国MET呈现新的分布特征。部分已具备低电网排放的国家（如巴拉圭），因继承了拉丁美洲区域的较高排放因子，MET反而降低，当前情景成为其最佳发展窗口期；而随着全球电网可再生能源占比提升，更多国家的CEA运营要求将得到放松。不同共享社会经济路径（SSP）中，SSP2情景的MET最为保守，而更严格的减排目标（如SSP1-NDC）会进一步降低电网排放因子，提升MET，使CEA更易满足低碳要求。

图2

3.农田恢复情景下高能耗作物的CEA潜力 

对于小麦、大豆等高能耗、高热量主粮作物，CEA替代传统农业的低碳潜力需结合农田恢复的碳封存收益（图3）。这类作物需占用大量耕地，CEA可通过非耕地集约化种植，释放传统农田用于原生植被恢复，产生显著碳汇。

当前多数国家的小麦、大豆CEA平均EUP高于MET，但少数例外场景具备可行性：刚果民主共和国、洪都拉斯、哥伦比亚等热带国家，拥有极高的自然植被净初级生产力和较低的电网排放因子，是小麦CEA的潜在适宜区；巴拿马等国在大豆CEA方面具备发展潜力。延长光伏板技术寿命（如至50年）可降低其排放因子，进一步放松MET要求，提升CEA的低碳可行性。

需注意的是，农田恢复的碳机会成本计算可采用“地域核算”或“消费核算”视角，不同视角下的MET存在差异，部分国家在消费核算视角下会呈现更宽松的运营要求。

图3

4. MET的政策应用与实施建议 

MET可作为CEA低碳发展的客观基准，为政策制定和行业发展提供指导（图4）。政策层面可通过分级管理激励可持续运营：EUP低于MET的CEA项目，可获得规模化生产许可、碳信用货币化资格和优惠电价；EUP在MET至125%区间的，可获得试点生产许可和可持续实践补贴；EUP超过MET150%的，应限制生产规模，仅允许实验室或小规模试点。

 行业层面，CEA运营商需根据作物类型和选址优化技术方案：叶菜类适合在低排放内陆国家发展，短货架期作物可重点替代空运进口，主粮作物需结合农田恢复情景谨慎布局。未来需进一步细化区域贸易数据，提升MET计算精度；同时建立多利益相关方协作机制，通过政策激励确保CEA替代的农田真正用于生态恢复，避免土地闲置或转作他用。 

图4

编辑：陈琳榕/  审核：陈伟