胥 剛， 林慧龍， 翁秀秀， 常生華

(蘭州大學(xué) 草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院， 草業(yè)科學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心， 蘭州 730020)

0 引 言

近年來，我國農(nóng)業(yè)環(huán)境污染問題日益突出，尤其對大氣、土壤、水體有著較為明顯的環(huán)境負(fù)效應(yīng)[1]。另一方面，世界的農(nóng)產(chǎn)品綠色生產(chǎn)認(rèn)證越來越廣泛，貿(mào)易壁壘森嚴(yán)。這都促使我國農(nóng)業(yè)需要從數(shù)量增長過渡到質(zhì)量增長，農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)中消耗更少的資源和產(chǎn)生更小的環(huán)境排放變得越來越重要，潮流走向環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展的道路。我國的草業(yè)相對于種植業(yè)、林業(yè)更為年輕，它具有4個生產(chǎn)層，產(chǎn)業(yè)鏈長，各類牧草、奶制品、牛肉、羊肉等草畜產(chǎn)品和國外產(chǎn)品存在激烈的競爭關(guān)系，對于生產(chǎn)的環(huán)境影響管控需求更為迫切[2-4]。

草學(xué)作為新生的一級學(xué)科，其課程設(shè)置也在逐步探索完善，開設(shè)對于草畜產(chǎn)品生產(chǎn)的環(huán)境影響模擬評價實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握田野調(diào)查與分析、決策的能力，可以更好勝任今后草畜產(chǎn)品生產(chǎn)加工、市場營銷、生態(tài)經(jīng)濟(jì)分析等方面的專業(yè)工作[5-6]。同時該實(shí)驗(yàn)方法也可用于評價其他農(nóng)產(chǎn)品，因而可對相關(guān)農(nóng)業(yè)類、環(huán)境類專業(yè)開設(shè)，從而培養(yǎng)學(xué)生掌握農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)境影響評價方面的方法與技能。

1 實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)的背景及方法選擇

1.1 農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)境影響評價的時代需求

目前我國農(nóng)業(yè)資源環(huán)境遭受著外源性污染和內(nèi)源性污染的雙重壓力，已成為制約農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的約束瓶頸。據(jù)“第一次全國污染源普查公報(bào)”披露，農(nóng)業(yè)源污染物排放對水環(huán)境的影響較大，其化學(xué)需氧量排放量為1.32×107t，占化學(xué)需氧量排放總量的43.7%。農(nóng)業(yè)源也是總氮、總磷排放的主要來源，其排放量分別為2.70×106t和2.85×105t，分別占排放總量的57.2%和67.4%。

世界主要發(fā)達(dá)國家，為了輔助農(nóng)業(yè)政策制訂與開展清潔生產(chǎn)，尤其是引導(dǎo)人們綠色消費(fèi)，倡導(dǎo)社會大眾走環(huán)保節(jié)約的道路，均針對農(nóng)業(yè)行業(yè)或農(nóng)產(chǎn)品開展了生產(chǎn)環(huán)境認(rèn)證或分級，歐盟尤其是這方面工作的先行者。2013年4月9日，歐盟委員會發(fā)布了“建立綠色產(chǎn)品單一市場”公告和“更好促進(jìn)產(chǎn)品和組織環(huán)境績效信息”的提案，旨在建立產(chǎn)品環(huán)境足跡(Product Environmental Footprint，PEF)和組織環(huán)境足跡(Organization Environmental Footprint，OEF)的通用評價方法以及信息交流的基本原則，號召成員國、公司、私營組織參與3年試點(diǎn)計(jì)劃。同年5月，歐盟委員會發(fā)布“產(chǎn)品環(huán)境足跡(PEF)指南”，為相關(guān)工作的開展提供了準(zhǔn)則與方法綱要。該方案已進(jìn)行了2013～2016年間的推廣試用，共有280個自愿申請的產(chǎn)品或組織，范圍涉及農(nóng)業(yè)、零售、建造、化學(xué)、制造業(yè)等行業(yè)[7]。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有啤酒、咖啡、乳制品、肉類(牛肉、豬肉和羊肉)、魚、橄欖油、瓶裝水、意大利面、酒、寵物食品和動物飼料共11類農(nóng)產(chǎn)品參與了第二輪的試點(diǎn)工作[8]，在參試商品上印制了相應(yīng)的標(biāo)志(見圖1)。我國也開展了有機(jī)食品認(rèn)證、綠色食品認(rèn)證等工作，但主要是基于對農(nóng)產(chǎn)品中的有害殘留物測定，并未定量衡量整個生產(chǎn)過程對于環(huán)境的影響，也無法進(jìn)行系統(tǒng)分析與精準(zhǔn)改良。可以預(yù)見我國未來也需要開展相應(yīng)工作，一方面可以為農(nóng)業(yè)污染防治提供評價決策工具，另一方面則為了破除綠色貿(mào)易壁壘，更好地融入全球農(nóng)產(chǎn)品交易市場。

1.2 生命周期評價在農(nóng)業(yè)環(huán)境影響評價中的應(yīng)用

目前環(huán)境影響評價方法較為多樣，如碳足跡、水足跡、環(huán)境足跡、生態(tài)足跡，都被用來描述個人、組織、產(chǎn)品或服務(wù)對環(huán)境的影響。這些方法中大多數(shù)都是基于生命周期評價(Life Cycle Assessment，LCA)，其優(yōu)勢在于對環(huán)境影響的衡量不僅體現(xiàn)在生產(chǎn)過程，還包括原材料采集、運(yùn)輸、銷售、使用、維護(hù)和最終處置的整個生命周期，避免了環(huán)境影響在不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)之間的轉(zhuǎn)移，因而較為科學(xué)，目前的研究與應(yīng)用都比較廣泛[9-10]。同時生命周期評價還經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化(ISO)建設(shè)[11]，操作相對規(guī)范，結(jié)果也可用于相互比較。如歐盟的PEF即是基于生命周期評價的氣候變化、臭氧層破壞、生態(tài)/人體毒性、環(huán)境酸化、富營養(yǎng)化、資源枯竭、土地利用等14個類型的特征化指標(biāo)而建立。

所以只要掌握了生命周期評價的方法與流程，基于其評價結(jié)果，即可進(jìn)行生態(tài)設(shè)計(jì)、綠色農(nóng)產(chǎn)品認(rèn)證等延伸應(yīng)用。因而該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法采用生命周期評價，通過練習(xí)使學(xué)生主要掌握生命周期評價的原理與操作要點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

通過對實(shí)驗(yàn)課程背景的陳述，在教學(xué)中針對草學(xué)專業(yè)的學(xué)生，要求模擬定量評價1 kg紫花苜蓿鮮草從原料生產(chǎn)到出農(nóng)場這一階段的生命周期環(huán)境影響。

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

(1) 了解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境的相關(guān)性與重要性。

(2) 了解生命周期評價的原理。

(3) 培養(yǎng)學(xué)生開展田野與農(nóng)戶調(diào)查的能力。

(4) 掌握運(yùn)用生命周期評價軟件進(jìn)行建模、數(shù)據(jù)搜集、運(yùn)算與結(jié)果發(fā)布。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

生命周期評價衡量的是產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的資源環(huán)境效率，其原理為人類的各種生產(chǎn)消費(fèi)活動，在產(chǎn)品(實(shí)物或非實(shí)物或服務(wù))的生命周期過程，包括資源開采與原材料生產(chǎn)、零部件和產(chǎn)品制造、運(yùn)輸與分發(fā)、使用與維護(hù)、循環(huán)再生與最終廢棄等階段，都會直接或間接地消耗自然資源或產(chǎn)生環(huán)境排放。通過清單分析與中間流回溯，可全部還原為直接來自自然的資源與直接排放到環(huán)境的環(huán)境排放物質(zhì)(基準(zhǔn)流)。通過為人類關(guān)心環(huán)境問題而建立的環(huán)境影響模型，可以確定相關(guān)物質(zhì)及其影響效果(即特征化因子)。根據(jù)不同環(huán)境影響類型，對相關(guān)物質(zhì)進(jìn)行加和，并以基于效果參數(shù)的一種基準(zhǔn)物質(zhì)來表征最終的環(huán)境影響，從而全周期地、涵蓋各種環(huán)境影響類型地計(jì)算出某一活動或產(chǎn)品的環(huán)境影響水平。

2.3 實(shí)驗(yàn)軟件

目前生命周期評價領(lǐng)域的專用軟件較多，如Simapro、GaBi、openLCA等，其原理及操作差異不大。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用的是中國本土化的生命周期分析軟件--由億科環(huán)境公司研制的eBalance，該軟件開發(fā)了中國生命周期核心數(shù)據(jù)庫(Chinese Reference Life Cycle Database，CLCD)，且加入了國際生命周期數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)，能為PEF這樣的評價項(xiàng)目提供數(shù)據(jù)支持[12]。同時軟件還設(shè)計(jì)了針對中國實(shí)際情況的歸一化方案與加權(quán)綜合方法，因而其分析結(jié)果更為客觀與準(zhǔn)確[13]。

2.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與操作步驟

實(shí)驗(yàn)按照ISO對于生命周期評價的界定，實(shí)驗(yàn)主要分為目標(biāo)與范圍定義、清單分析、生命周期影響評價、結(jié)果解釋4個步驟進(jìn)行。

2.4.1目標(biāo)與范圍定義

實(shí)驗(yàn)以評價1 kg紫花苜蓿鮮草生產(chǎn)的環(huán)境影響為目標(biāo)，教學(xué)中用不同的范圍定義對比來加深對概念的認(rèn)知。如果范圍定義為從原材料生產(chǎn)到紫花苜蓿鮮草運(yùn)出農(nóng)戶，則評價包含的主要過程為：原材料生產(chǎn)、紫花苜蓿鮮草種植、收獲；如果范圍定義為紫花苜蓿鮮草全生命周期環(huán)境影響分析，則評價包含的主要過程為：原材料生產(chǎn)、種植、收獲，此外還要包括運(yùn)輸、銷售使用及廢棄物處理或回收過程。不同的范圍定義，生命周期評價的過程不同，計(jì)算結(jié)果也會明顯不同。

2.4.2建模

范圍定義為1 kg紫花苜蓿鮮草從農(nóng)資生產(chǎn)到運(yùn)出農(nóng)戶(不含農(nóng)業(yè)設(shè)施、農(nóng)業(yè)機(jī)械等的制造)，根據(jù)主要生產(chǎn)過程，在實(shí)驗(yàn)機(jī)房計(jì)算機(jī)eBalance軟件中建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，結(jié)果如圖2所示。

圖2 1 kg紫花苜蓿鮮草生產(chǎn)環(huán)境影響的生命周期評價模型(eBalance)

2.4.3清單分析與數(shù)據(jù)搜集

實(shí)驗(yàn)以清單物質(zhì)分析、列表、搜集、錄入等步驟，模擬數(shù)據(jù)獲取的各種主要途徑，使學(xué)生掌握進(jìn)行生命周期評價清單分析的能力。以單元過程為基礎(chǔ)，具體列舉每一過程消耗的原始自然資源(如水)、中間物質(zhì)(如自來水)及產(chǎn)生的各種環(huán)境排放物，以表格形式列出，并留注計(jì)量單位、數(shù)量、生產(chǎn)者與生產(chǎn)地、來源等信息空格待填。1 kg紫花苜蓿鮮草生產(chǎn)需要的清單物質(zhì)數(shù)據(jù)，按來源主要分為3類：

(1) 優(yōu)先使用實(shí)景數(shù)據(jù)，即盡量測量或統(tǒng)計(jì)每一個單元過程的實(shí)際物質(zhì)消耗與排放。各種清單物質(zhì)的用量要與課時安排相結(jié)合，如課時充?；蚪虒W(xué)目標(biāo)需要，可開展實(shí)地調(diào)研。將學(xué)生分成數(shù)個小組，深入農(nóng)戶或公司，以問卷調(diào)查的形式，統(tǒng)計(jì)出相關(guān)清單數(shù)據(jù)。部分對結(jié)果敏感度較大，特別重要的清單數(shù)據(jù)，也可安排相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)際測量。

(2) 中間流產(chǎn)品如燃油、自來水、化肥等制成品，由于各項(xiàng)資源消耗與環(huán)境排放實(shí)驗(yàn)課難以一一測量統(tǒng)計(jì)，則選用軟件自帶的中國生命周期參考數(shù)據(jù)庫，它內(nèi)置了化肥、電力、燃油等大宗原材料、能源、化學(xué)品以及其上游資源開采、運(yùn)輸和廢棄物處置等數(shù)據(jù)，可使用物質(zhì)名錄管理器在單元過程中直接進(jìn)行添加。

(3) 少量數(shù)據(jù)如實(shí)景難以獲取，內(nèi)置數(shù)據(jù)庫也未包含，如田間各種溫室氣體的排放，則查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，取生產(chǎn)條件近似的數(shù)據(jù)做適當(dāng)修正后使用，盡量補(bǔ)充完善。各項(xiàng)數(shù)據(jù)填入后，進(jìn)行完整性和物料平衡檢查。

2.4.4生命周期影響評價

通過對特征化方案的選擇與計(jì)算，使學(xué)生了解環(huán)境影響類型與特征化指標(biāo)的關(guān)系，掌握操作方法。模型中各單元過程的清單數(shù)據(jù)添加完成后，從LCAI指標(biāo)管理器中選擇并運(yùn)算特征化方案，查看結(jié)果并在試驗(yàn)紙上記錄(見表1)。特征化操作后一般了解歸一化方案與綜合指標(biāo)的用途、計(jì)算原理與操作。

表1 1 kg紫花苜蓿鮮草生產(chǎn)的環(huán)境影響特征化結(jié)果示意

2.4.5結(jié)果分析與應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對1 kg紫花苜蓿鮮草生產(chǎn)的環(huán)境影響結(jié)果進(jìn)行貢獻(xiàn)分析、敏感度分析、方案對比分析，并嘗試對結(jié)果進(jìn)行延伸應(yīng)用。

(1) 貢獻(xiàn)分析。分析各生產(chǎn)過程或投入對各特征化指標(biāo)的貢獻(xiàn)率，從而辨識環(huán)境問題出現(xiàn)的主要環(huán)節(jié)和原因(見圖3)。

圖3 對農(nóng)資生產(chǎn)的溫室氣體排放(kg CO2-eq)貢獻(xiàn)分析結(jié)果示意

(2) 敏感度分析。分析清單數(shù)據(jù)變動對各特征化指標(biāo)結(jié)果的靈敏性，從而辨識減少紫花苜蓿鮮草生產(chǎn)環(huán)境影響的最有效改進(jìn)點(diǎn)，進(jìn)行生產(chǎn)管理改進(jìn)或生態(tài)生產(chǎn)設(shè)計(jì)。

(3) 方案對比分析。實(shí)驗(yàn)可進(jìn)行多方案設(shè)計(jì)，如企業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)戶生產(chǎn)、有機(jī)生產(chǎn)與普通生產(chǎn)的方案對比，從而得出不同生產(chǎn)模式的環(huán)境效能。

(4) 生命周期評價結(jié)果延伸應(yīng)用?？筛鶕?jù)實(shí)驗(yàn)學(xué)時，編制紫花苜蓿鮮草生產(chǎn)的生命周期環(huán)境影響分析報(bào)告，掌握報(bào)告撰寫的方法與要點(diǎn)。對比借鑒PEF的認(rèn)證，開展紫花苜蓿鮮草的環(huán)境足跡認(rèn)證或綠色產(chǎn)品認(rèn)證，標(biāo)識本實(shí)驗(yàn)的紫花苜蓿鮮草PEF等級。

3 結(jié) 語

農(nóng)產(chǎn)品各類有害殘留物的測定，已經(jīng)形成了各種較為成熟的實(shí)驗(yàn)方法，但已屬于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的末端檢測與質(zhì)量監(jiān)控，無法追溯與量化反映各種生產(chǎn)過程與措施帶來的環(huán)境影響[14-16]。相對而言本實(shí)驗(yàn)屬于宏觀尺度的系統(tǒng)評價，用以定性衡量人類因農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)造成的資源消耗和環(huán)境損害，更具有環(huán)境足跡的辨識、工藝改進(jìn)、生態(tài)設(shè)計(jì)等方面的應(yīng)用前景，模型設(shè)計(jì)-調(diào)研及數(shù)據(jù)獲取-計(jì)算-決策-應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)流程，可以加深學(xué)生對于農(nóng)業(yè)與環(huán)境關(guān)聯(lián)的認(rèn)知，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。實(shí)驗(yàn)同時也相當(dāng)于一個小型的研究題目，還可以激發(fā)學(xué)生的科研興趣。該實(shí)驗(yàn)不但適用于草學(xué)專業(yè)，也可被農(nóng)業(yè)管理類、農(nóng)業(yè)環(huán)境類等相關(guān)專業(yè)教學(xué)使用。

知識結(jié)構(gòu)偏陳舊，無法完全滿足高速發(fā)展的社會需求一直是我國高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的顯著弱點(diǎn)[17]。及時追蹤社會需求，緊盯科研發(fā)展動向，轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化科研成果到實(shí)驗(yàn)教學(xué)，設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)方案，使學(xué)生畢業(yè)后開展相關(guān)專業(yè)工作能更加得心應(yīng)手，將是加強(qiáng)這一薄弱環(huán)節(jié)的有效途徑。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 中華人民共和國農(nóng)業(yè)部. 農(nóng)業(yè)部關(guān)于打好農(nóng)業(yè)面源污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的實(shí)施意見[EB/OL]. (2015-04-13)[2017-02-08].http://www.moa.gov.cn/zwllm/zwdt/201504/t20150413_4524372.htm.

[2] Herrero M, Havlík P, Valin H,etal. Biomass use, production, feed efficiencies, and greenhouse gas emissions from global livestock systems[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2013, 110(52):20888-20893.

[3] Baldini C, Gardoni D, Guarino M. A critical review of the recent evolution of life cycle assessment applied to milk production[J]. Journal of Cleaner Production, 2017, 140:421-435.

[4] 任繼周. 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)通論[M]. 合肥：安徽教育出版社，2004：36-44.

[5] 常生華, 侯扶江. 草業(yè)科學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與思考[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2013, 32(7):161-164.

[6] 常生華, 陳先江, 王召鋒, 等. 加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，提高草業(yè)科學(xué)本科生綜合能力[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2015，32(8):187-189.

[7] European Commission.Single Market for Green Products Initiative[EB/OL].(2016-06-20)[2017-02-08].http://ec.europa.eu/environment/eussd/smgp/index.htm.

[8] European Commission.The Environmental Footprint Pilots[EB/OL]. (2016-09-29)[2017-02-08].http://ec.europa.eu/environment/eussd/smgp/ef_pilots.htm#pef.

[9] 馬 雪, 王洪濤. 生命周期評價在國內(nèi)的研究與應(yīng)用進(jìn)展分析[J]. 化學(xué)工程與裝備,2015(2):164-166.

[10] 易湘茜, 潘劍宇, 陳 華, 等. 生命周期評價在農(nóng)副產(chǎn)品和食品工業(yè)中的應(yīng)用[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013(7): 1493-1498.

[11] International Organization for Standardization (ISO). EN ISO 14040, Environment management-Life Cycle Assessment-Principles and Framework[S]. 2006.

[12] 劉夏璐, 王洪濤, 陳 建, 等. 中國生命周期參考數(shù)據(jù)庫的建立方法與基礎(chǔ)模型[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(10):2136-2144.

[13] 侯 萍, 王洪濤, 朱永光, 等. 中國資源能源稀缺度因子及其在生命周期評價中的應(yīng)用[J]. 自然資源學(xué)報(bào),2012,27(9):1572-1579.

[14] 鄧 娜, 蔣嬌蓮, 廖嬋娟. 農(nóng)業(yè)安全特色的安全工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù), 2015,13(2)：68-70.

[15] 張荷麗, 劉淑娜.《農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量分析與檢測》專業(yè)化學(xué)類實(shí)驗(yàn)課程體系的研究與實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)室科學(xué), 2006(6):102-103.

[16] 王紀(jì)陽, 羅紅輝, 蘇青云, 等. 雙道原子熒光光譜法同時測定農(nóng)產(chǎn)品中的砷和汞[J]. 光譜實(shí)驗(yàn)室, 2005, 22(5):1108-1110.

[17] 張運(yùn)楚, 姜愛民, 徐紅東, 等. 高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中創(chuàng)新教育現(xiàn)狀與對策[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2016, 35(2):224-228.