方 愷

1 浙江大學公共管理學院, 杭州 310058 2 荷蘭萊頓大學環(huán)境科學學院, 萊頓 2333CC

環(huán)境足跡的核算與整合框架
——基于生命周期評價的視角

方 愷1,2,*

1 浙江大學公共管理學院, 杭州 310058 2 荷蘭萊頓大學環(huán)境科學學院, 萊頓 2333CC

環(huán)境足跡及其與生命周期評價(LCA)的關(guān)系是工業(yè)生態(tài)學關(guān)注的新熱點。從探討環(huán)境足跡與LCA的關(guān)系入手,以碳足跡、水足跡、土地足跡和材料足跡為例,分別對每一項足跡指標兩個版本的核算方法進行了比較。根據(jù)清單加和過程的特點,將所有足跡指標劃分為基于權(quán)重因子和基于特征因子兩類,總結(jié)了兩者的適用性和局限性。在此基礎(chǔ)上提出了一個環(huán)境足跡核算與整合的統(tǒng)一框架。該框架基于LCA視角建立,但對系統(tǒng)邊界和清單數(shù)據(jù)的要求相對靈活,因而也適用于生命周期不甚明確的情形。研究在一定程度上揭示了足跡指標的方法學實質(zhì),同時也為環(huán)境影響綜合評估提供了一條規(guī)范化的途徑。

環(huán)境足跡；生命周期評價(LCA)；清單加和；足跡整合

環(huán)境足跡是近年來可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域誕生的新概念[1]。隨著新興指標的涌現(xiàn),環(huán)境足跡的研究范圍和研究手段都日趨多樣化,形成了以分析人為環(huán)境效應(yīng)為導(dǎo)向的足跡家族指標體系[2]。一些工業(yè)生態(tài)學的研究方法,如生命周期評價(LCA)、投入產(chǎn)出分析(IOA)、物質(zhì)流分析(MFA),被廣泛地應(yīng)用于環(huán)境足跡定量核算。工業(yè)生態(tài)學家正逐步取代生態(tài)經(jīng)濟學家,成為環(huán)境足跡研究的新領(lǐng)軍群體。由國際工業(yè)生態(tài)學學會主辦的期刊JournalofIndustrialEcology更是于2014年推出了一期“足跡專刊”,圍繞足跡研究的若干前沿問題展開了深入而激烈的討論[3]。

同時也應(yīng)看到,一個具備較高共識度的環(huán)境足跡核算與整合框架尚未建立。究其原因,很重要的一點,目前不少研究僅僅從數(shù)學可行的角度來考慮指標的核算與整合,缺乏對不同足跡指標所代表的實際環(huán)境問題的認識。例如,有學者提出將所有足跡統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成以面積為單位的空間性指標,以便與傳統(tǒng)的生態(tài)足跡指標相累加。事實上,人類大量消費水、材料等非土地資源,這些資源消費量如果用面積來表征將喪失實際的環(huán)境關(guān)聯(lián)性,加之諸多環(huán)境排放(如持久性有機污染物)沒有明確對應(yīng)的單位面積自然消納速率參數(shù),因此,將所有環(huán)境足跡換算成土地面積既缺乏科學性,也不具備可操作性。

近年來,隨著LCA在環(huán)境足跡研究中的地位不斷強化,兩者關(guān)系成為工業(yè)生態(tài)學者關(guān)注的新熱點[10]。從目前研究來看,學者們主要持3種觀點：(1)環(huán)境足跡不斷吸收和借鑒了大量LCA的知識成果,是對LCA的繼承和發(fā)展[11]；(2)環(huán)境足跡只有完全納入現(xiàn)有LCA分析框架才能保證量化的科學性和準確性[12]；(3)環(huán)境足跡在研究目標、方法、尺度等方面與LCA存在本質(zhì)區(qū)別,但兩者可以相互補充共同用于環(huán)境評估[13]。厘清環(huán)境足跡與LCA的辯證關(guān)系,對于理解環(huán)境足跡的方法學實質(zhì)具有重要意義。為此,本文從探討環(huán)境足跡與LCA的關(guān)系入手,選取若干環(huán)境足跡指標深入分析和比較各自的核算方法,據(jù)此提出一個足跡核算與整合的統(tǒng)一框架,以期為環(huán)境足跡的定義、分類、核算和整合提供一條規(guī)范化的實現(xiàn)途徑。

1 主要環(huán)境足跡核算方法的比較

碳足跡、水足跡、土地足跡和材料足跡是4項主要的環(huán)境足跡指標[3,14]。本文對其現(xiàn)有核算方法進行歸納與比較。為了保證研究思路的連貫性與稱謂的一致性,借鑒LCA的邏輯框架及術(shù)語,提出如下前提與假設(shè)：(1)清單分析和清單加和是各項環(huán)境足跡核算的關(guān)鍵步驟；(2)前者對人類經(jīng)濟系統(tǒng)(如產(chǎn)品、國家)與環(huán)境交換的物質(zhì)輸入(土地、水等資源)和輸出(廢氣、廢水等排放)進行數(shù)據(jù)匯編；(3)后者對清單分析的結(jié)果(以下簡稱清單結(jié)果,主要包括資源投入和環(huán)境排放)進行定量加和,從而最終形成單一的足跡指標；(4)清單分析在LCA、MFA等研究中已有廣泛討論,這里重點考查清單加和的類型及其特點。

對國內(nèi)外大量相關(guān)文獻的調(diào)研表明,上述4項環(huán)境足跡都至少存在兩個版本同時滿足上述前提假設(shè)(表1)。為加以區(qū)分,將兩個版本稱為環(huán)境足跡1.0版(以下簡稱EF1.0)和2.0版(以下簡稱EF2.0)。在EF1.0中,碳足跡和土地足跡分別相當于生態(tài)足跡的碳吸收和生物生產(chǎn)性土地利用部分,清單加和由清單結(jié)果乘以各自的權(quán)重因子實現(xiàn)；水足跡和材料足跡則由清單結(jié)果直接等權(quán)加和得到(權(quán)重系數(shù)為1)。以上4項EF1.0的核算過程均可表示為：

(1)

式中，Mi為i項清單結(jié)果；WFi為i項清單結(jié)果對應(yīng)的權(quán)重因子。

表1 主要環(huán)境足跡的核算方法

對EF2.0來說,清單加和也由清單結(jié)果乘以相應(yīng)系數(shù)并加和得到,這些系數(shù)有別于一般意義上的無量綱的權(quán)重因子。以碳足跡為例,其加和系數(shù)為最常見的特征因子——全球暖化潛勢(Global Warming Potential, GWP)。GWP由具有較高科學性和共識度的大氣環(huán)境機理模型測算得到[22],單位為kg CO2-eq/kg,反映了CH4、N2O等各類溫室氣體相對于CO2對氣候變化的貢獻。4項EF2.0的核算過程均可表示為：

(2)

式中,CFi為i項清單結(jié)果對應(yīng)的特征因子。

可見,EF1.0與EF2.0的數(shù)學結(jié)構(gòu)相似。與此同時,兩者在清單加和以及其他方面又存在明顯區(qū)別：

(1) 加和方式 為了不損害清單結(jié)果本身的物理含義,EF1.0采用權(quán)重因子進行清單加和(以下簡稱權(quán)重化)；由于等數(shù)量不同物質(zhì)之間的環(huán)境影響(如氣候變化、富營養(yǎng)化)往往呈現(xiàn)巨大差異,EF2.0不直接從量的角度匯總清單物質(zhì),而是采用特征因子進行清單加和(以下簡稱特征化)。

(2) 系統(tǒng)邊界EF1.0由非LCA學者提出,主要針對終端消費,缺乏對整個系統(tǒng)邊界的清晰界定；EF2.0大多由LCA學者提出,雖然也基于消費者負責的觀點,但是旨在反映所研究的人類經(jīng)濟系統(tǒng)(以下簡稱目標系統(tǒng))的全生命周期情況。

(3) 結(jié)果指向EF1.0表征人為驅(qū)動的資源投入或環(huán)境排放的絕對大??；EF2.0通常以某種物質(zhì)為參照,表征其他物質(zhì)相對于該物質(zhì)的潛在環(huán)境影響。

綜上可知,正如不存在一個普適性的環(huán)境足跡定義一樣,環(huán)境足跡與LCA的關(guān)系也很難簡單地用傳承、取代或互補來概括,因而必須對足跡指標進行分類討論。EF1.0與EF2.0兩類足跡指標都有一定的適用性和局限性?？偟膩碚f,EF1.0既可以基于LCA也可以基于非LCA方法,其研究結(jié)果主要用于測度資源消費方面的脅迫壓力、追蹤主要驅(qū)動因素,可以作為自然資源管理和清潔生產(chǎn)的政策依據(jù)；EF2.0遵循LCA的邏輯框架,盡管不一定嚴格涵蓋從搖籃到墳?zāi)沟娜芷?但顯然主要適用于系統(tǒng)邊界清晰、影響機理明確的環(huán)境排放方面的研究,其結(jié)果可以為科學評價目標系統(tǒng)的環(huán)境影響、合理確定優(yōu)先治理方向提供決策支持。

總之,EF1.0與EF2.0之間存在明顯差異,將諸如屬于EF1.0的水足跡和屬于EF2.0的碳足跡混在一起整合[7],會導(dǎo)致前提假設(shè)不一致、賬戶重復(fù)核算等問題,這也是目前不少足跡整合研究存在的一個缺陷。

2 環(huán)境足跡核算與整合框架

應(yīng)當指出,清單分析和清單加和不是環(huán)境足跡核算的全部內(nèi)容。根據(jù)國際標準化組織ISO14040技術(shù)規(guī)范[23],一個完整的LCA應(yīng)當包括目的與范圍定義、生命周期清單分析(LCI)、生命周期影響評價(LCIA)和結(jié)果解釋4個階段?；趯Νh(huán)境足跡現(xiàn)有核算方法的分析,并參考LCA的階段劃分,本文提出一個以EF2.0為對象的環(huán)境足跡核算與整合的統(tǒng)一框架(圖1)。其中,核算子框架包括目的與范圍定義、清單分析、特征化清單加和及結(jié)果解釋；整合子框架包括環(huán)境足跡的標準化、權(quán)重化及結(jié)果解釋。該框架與LCA既有聯(lián)系又有區(qū)別：一方面,清單分析對應(yīng)LCI,特征化、標準化和權(quán)重化對應(yīng)LCIA,又可統(tǒng)稱為后清單分析；另一方面,兩者對系統(tǒng)邊界和清單數(shù)據(jù)等的要求有所不同,該框架同樣適用于生命周期不甚明確的情形,同時LCA研究實際上也并非一定遵循上述4個階段(如EcoDesign、LCSA)。

圖1 基于LCA視角的環(huán)境足跡核算與整合框架Fig.1 An LCA-look-alikes framework for quantification and integration of environmental footprints

2.1 環(huán)境足跡核算子框架

2.1.1 目的與范圍定義

目的與范圍定義雖然不被足跡研究者所重視,但在LCA研究中占有重要地位,在IOA、MFA等方法中也有類似的步驟。因此,本文將目的與范圍定義作為環(huán)境足跡規(guī)范化核算的第一步,旨在明確研究的目標系統(tǒng)及潛在受眾,定義系統(tǒng)邊界,以及確定清單物質(zhì)種類(列表)等。目標系統(tǒng)以微觀的產(chǎn)品和宏觀的國家較為常見,不過從個人到全球的各尺度均可進行環(huán)境足跡研究[24]。系統(tǒng)邊界除了典型的從搖籃到墳?zāi)沟娜芷谕?還可以從搖籃到大門、大門到大門、大門到墳?zāi)沟?甚至可以是其中的某些特定階段(如原料開采、終端消費)。

2.1.2 清單分析

清單分析是對系統(tǒng)邊界內(nèi)的資源投入和(或)環(huán)境排放數(shù)據(jù)進行收集、審核和計算,匯總清單物質(zhì)列表的各種輸入和輸出,以便作為下一步環(huán)境影響評估的依據(jù)。值得注意的是,LCA并不是清單分析的唯一方法,其他如經(jīng)濟系統(tǒng)物質(zhì)流分析(Economy-wide MFA, EW-MFA)和環(huán)境投入產(chǎn)出分析(Environmental IOA, EIOA)中皆有類似清單分析的步驟。無論具體采用何種方法,清單結(jié)果均可表示為：

(3)

式中,Mik為k項人類活動所引發(fā)的清單物質(zhì)i的輸入或輸出。

2.1.3 特征化清單加和

特征化旨在評估目標系統(tǒng)的潛在環(huán)境影響,其實質(zhì)是一個將清單結(jié)果定量排序并加和的過程[25]。特征化清單加和是環(huán)境足跡核算最為關(guān)鍵的一步。特征因子一般以環(huán)境、資源和人體健康等領(lǐng)域的最新科學發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ),借助機理模型(如USEtox、EUTREND)進行計算[22],而這部分本身并不屬于LCA的范疇[26]。此外,對清單結(jié)果特征化也非LCA所獨有,在風險評價等領(lǐng)域也有類似的處理方法。不論采用何種特征因子,特征化清單加和均可表示為：

(4)

式中,EFj為j項環(huán)境足跡；CFij為i項清單結(jié)果對j類環(huán)境影響的特征因子。

2.1.4 結(jié)果解釋

結(jié)合所定義目的與范圍,對環(huán)境足跡的核算結(jié)果進行分析和解讀。不難看出,由上述幾個步驟得到的環(huán)境足跡實際屬于EF2.0的范疇,適合評價人類活動、特別是排放活動所產(chǎn)生的特定環(huán)境影響,從而為橫向比較不同系統(tǒng)以及探索環(huán)境影響降低途徑提供技術(shù)支持。需要指出,這里核算的環(huán)境足跡并不完全等同于LCIA中的影響類型指標,原因在于第二步清單分析既可以采用LCI,也可能因為數(shù)據(jù)限制和實際需要,靈活截取供應(yīng)鏈的某段進行不完全生命周期分析。因此,本文提出的環(huán)境足跡核算子框架較之LCIA有著更為廣泛的適用性。

2.2 環(huán)境足跡整合子框架

2.2.1 環(huán)境足跡標準化

各項環(huán)境足跡之間由于計量單位的不同而不具備可比性。通過引入?yún)⒄障到y(tǒng),建立標準化基準,可以解決這一問題。對于氣候變化、臭氧層損耗等全球性環(huán)境影響,一般以全球尺度為參照；對于富營養(yǎng)化、光化學煙霧等區(qū)域性環(huán)境影響,通常以某一區(qū)域(如歐盟、中國)為參照[27]。上述核算子框架同樣適用于參照系統(tǒng)的環(huán)境足跡核算。無論選取何種參照系統(tǒng),目標系統(tǒng)的環(huán)境足跡標準化均可表示為：

(5)

式中，NEFj為j項標準化的目標系統(tǒng)環(huán)境足跡(以下簡稱標準足跡)；EFref,j為參照系統(tǒng)的j項環(huán)境足跡；Mref,i為參照系統(tǒng)的i項清單結(jié)果。

2.2.2 標準足跡權(quán)重化

不同標準足跡之間可以比較大小,但并不意味著等數(shù)值的兩項足跡一定具有相同的環(huán)境危害[25]。為了解決標準化結(jié)果缺乏環(huán)境關(guān)聯(lián)的問題,需要先對各項環(huán)境足跡的危害性排序,然后進行指標加和,該過程即為權(quán)重化。權(quán)重因子的確定主要有貨幣估價法、目標距離法、面板法和替代法等[28],反映了利益相關(guān)方或?qū)＜覍η鍐挝镔|(zhì)重要性的主觀認識。作為環(huán)境足跡整合的關(guān)鍵步驟,權(quán)重化的過程可表示為：

(6)

式中，CIEF為環(huán)境足跡綜合指數(shù)(以下簡稱足跡指數(shù))；WFj為j項標準足跡對應(yīng)的權(quán)重因子。

2.2.3 結(jié)果解釋

通過分析和解讀環(huán)境足跡的整合結(jié)果,得出最終結(jié)論并提出政策建議。環(huán)境足跡整合子框架旨在克服單一類型環(huán)境足跡的局限,為決策者評價和比較各尺度經(jīng)濟系統(tǒng)的綜合環(huán)境影響提供了一個集成的足跡指數(shù),從而有助于可持續(xù)生產(chǎn)和消費模式的建立；同時,研究結(jié)果也為足跡研究者、特別是不具備LCA知識背景的研究者提供了一個可資借鑒的整合范式。需要指出,足跡整合與清單加和存在本質(zhì)區(qū)別：后者可以基于科學的特征化模型；而對前者來說,這樣一個貫穿不同環(huán)境影響類型的復(fù)雜機理模型并不存在。因此,即便理論上EF1.0也如EF2.0一樣,可以通過標準化和權(quán)重化進行整合,但實際上意義不大：①EF1.0采用權(quán)重化進行清單加和,導(dǎo)致不同指標之間可能存在重復(fù)計算,從而削弱足跡整合的科學基礎(chǔ)；②各項EF1.0進行足跡整合相當于二次加權(quán),將進一步增加整合結(jié)果的不確定性。正因為如此,在核算階段特征化可以取代權(quán)重化,而在整合階段則無法實現(xiàn)。還應(yīng)指出,特征因子盡管在科學性方面優(yōu)于權(quán)重因子,但多少仍含有一些主觀因素,基于100 a時間跨度(而非其他時間跨度)計算GWP即為一例。

3 結(jié)語

以環(huán)境足跡為主題的文獻成果紛繁復(fù)雜,不少研究觀點迥異甚至相互沖突。本文借鑒LCA的邏輯框架及術(shù)語,在歸納和比較主要環(huán)境足跡核算方法的基礎(chǔ)上,將足跡指標劃分為基于權(quán)重因子加和的EF1.0和基于特征因子加和的EF2.0,并進一步構(gòu)建了以EF2.0為對象的環(huán)境足跡核算與整合統(tǒng)一框架,為決策者全面評估綜合環(huán)境影響提供了一條規(guī)范化的途徑。該框架雖然基于LCA視角建立,但對系統(tǒng)邊界和清單數(shù)據(jù)的要求相對靈活,因而也適用于生命周期不甚明確的情形。為足跡研究者、特別是非LCA背景學者深入理解足跡指標的方法學實質(zhì)提供了新視角。

作為對環(huán)境足跡這一新興領(lǐng)域的一次理論探索和總結(jié),本文提出的核算與整合框架尚停留在概念化和公式化階段。下一步需要對該框架進行應(yīng)用和檢驗,其中關(guān)于特征化、標準化和權(quán)重化因子計算可分別參見文獻[22,27-28]。相比于LCA、IOA、MFA等工業(yè)生態(tài)學的其他分支,環(huán)境足跡無論在理論基礎(chǔ)、學科體系還是研究范式上都有很大的差距。

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A framework for quantification and integration of environmental footprints: From the perspective of life cycle assessment

FANG Kai1,2,*

1SchoolofPublicAffairs,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China2InstituteofEnvironmentalSciences,LeidenUniversity,Leiden2333CC,TheNetherlands

Over the past few years, there has been a growing interest in environmental footprints and their relationship to life cycle assessment (LCA), particularly in the field of industrial ecology. Environmental footprints and LCA have much in common, and it is clear that the strengths of LCA in assessing environmental impacts would allow many footprint topics to be addressed under an LCA look-alike framework. This paper starts with the idea of bringing clarity to the nexus between environmental footprints and LCA, an area that remains ambiguous and thus poses an obstacle to the robustness of footprint methods. Methods for accounting for environmental footprints have been reviewed using a selection of existing footprint indicators, including the carbon footprint, the water footprint, the land footprint, and the material footprint. The results demonstrate that each of the four footprints has two versions that apply weighting factors and characterization factors to inventory aggregation, respectively. The distinction between weighting factors and characterization factors is distinct. The former reect the relative importance they are assigned in a study based on stated or revealed preferences and judgments, whereas the latter are derived from science-based mechanism models that communicate the relative contributions of inventory results to specific impact categories. Consequently, two broad categories of environmental footprints are identified, namely, Version 1.0 (hereafterEF1.0) and Version 2.0 (hereafterEF2.0).EF1.0andEF2.0differ in aspects other than the way they address inventory aggregation. Whereas the two footprint categories have own pros and cons, we argue that onlyEF2.0has the potential to constitute an integrated footprint family due to the risks of double counting and double weighting in theEF1.0model. Inspired by the results of two decades of intense debate in the LCA community, this paper establishes a unifying framework consisting of a four-step sub-framework for the accounting of environmental footprints and a three-step sub-framework for the integration of environmental footprints. Although this framework follows the general logic of LCA, it allows for wider applicability than current LCA frameworks as it can be implemented in contexts where there is no clear life cycle or even without an LCA. This paper proposes a composite index for environmental footprints, with the aim of providing decision makers with a holistic picture of the overall environmental impacts of investigated systems at multiple scales, ranging from individual products to the whole world. Our study offers novel insights into the fundamental nature of environmental footprints, particularly for those without LCA expertise. More importantly, it may serve as a starting point for clearing the footprint jungle, and for sparking discussion between research communities that are currently quite disparate, such as those of LCA, the water footprint, and the ecological footprint.

environmental footprints; life cycle assessment (LCA); inventory aggregation; footprint integration

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目；浙江省軟科學研究計劃資助項目(2017C35003)；錢江人才計劃資助項目

2015- 07- 31;

2016- 03- 24

10.5846/stxb201507311610

*通訊作者Corresponding author.E-mail: fangk@zju.edu.cn

方愷.環(huán)境足跡的核算與整合框架——基于生命周期評價的視角.生態(tài)學報,2016,36(22):7228- 7234.

Fang K.A framework for quantification and integration of environmental footprints: From the perspective of life cycle assessment.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7228- 7234.