龔卓炫,李楊楊,陳舒婷
(北京工商大學(xué),北京100048)
自20世紀(jì)60年代以來(lái),隨著栽培技術(shù)的改進(jìn)和化肥行業(yè)的發(fā)展,土地生產(chǎn)率明顯提高,玉米單產(chǎn)迅速增加[1]。如何全面評(píng)價(jià)玉米生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境負(fù)荷是未來(lái)玉米可持續(xù)發(fā)展中必須要解決的問(wèn)題。在全生命周期評(píng)價(jià)(Life Cycle Assessment,簡(jiǎn)稱LCA)之前的環(huán)境評(píng)估方法,大多都把重點(diǎn)放在了末端治理這個(gè)環(huán)節(jié),全生命周期的提出,是整合了一種產(chǎn)品從原料開(kāi)采直至最終處置各個(gè)階段的環(huán)境影響,完整地評(píng)價(jià)產(chǎn)品的環(huán)境影響程度。隨著環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高,LCA方法的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越重要。
LCA作為一種環(huán)境管理工具,不僅對(duì)當(dāng)前的環(huán)境沖突進(jìn)行有效的定量化分析和評(píng)價(jià),而且對(duì)產(chǎn)品及其“從搖籃到墳?zāi)埂比^(guò)程所涉及的環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行評(píng)價(jià),因而是“面向產(chǎn)品環(huán)境管理”的重要支持工具。IS01404標(biāo)準(zhǔn)將LCA技術(shù)框架分為目標(biāo)和范圍的確定、清單分析、影響評(píng)價(jià)和解釋4個(gè)階段。由于IS014040標(biāo)準(zhǔn)定義的LCA技術(shù)框架具有一定的承前性,現(xiàn)已被越來(lái)越多的國(guó)際和組織所接受。
eFootprint是在線的LCA數(shù)據(jù)填報(bào)和分析平臺(tái),可基于web完成供應(yīng)鏈的數(shù)據(jù)調(diào)查、數(shù)據(jù)庫(kù)集成、LCA建模和分析等工作。系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)庫(kù)中有大量的其他研究者已經(jīng)完成的、通過(guò)了數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)的某一物品的LCA分析數(shù)據(jù),為清單的建立提供了可靠的來(lái)源,縮短了上游數(shù)據(jù)的收集時(shí)間。模型還可以對(duì)所建的模型進(jìn)行計(jì)算并得出結(jié)果,從而輸出產(chǎn)品碳足跡、水足跡、環(huán)境足跡等報(bào)告,最終實(shí)現(xiàn)全供應(yīng)鏈的環(huán)境信息整合與協(xié)同改進(jìn)。
對(duì)LCA研究的目標(biāo)和范圍進(jìn)行界定,是LCA研究中的第一步,也是最關(guān)鍵的部分。本研究以吉林省中生產(chǎn)1 t玉米為功能單位。評(píng)價(jià)內(nèi)容在生產(chǎn)階段由于一些輔助材料用量較小,所產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷也較小,所以排除在評(píng)價(jià)范圍之外[2]。另外,生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備和固定資產(chǎn)的折舊維修也不在評(píng)價(jià)范圍內(nèi)[3]。玉米作為眾多行業(yè)的重要原材料,使用方法和途徑多種多樣,因此只研究到玉米的出售環(huán)節(jié),而不包括玉米的使用階段,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米 “從搖籃到大門(mén)”全過(guò)程所涉及的環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行評(píng)價(jià)。本研究的生命周期系統(tǒng)邊界包括原料收集和能源開(kāi)采、農(nóng)資環(huán)節(jié)和種植環(huán)節(jié)。玉米的生命周期評(píng)價(jià)系統(tǒng)邊界如圖1所示。
圖1 玉米生命周期評(píng)價(jià)系統(tǒng)邊界
清單分析是對(duì)農(nóng)作物在其整個(gè)生命周期內(nèi)的原料消耗、能耗以及環(huán)境排放進(jìn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的量化過(guò)程,清單分析過(guò)程由數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)篩選與核算、制定計(jì)算方法以及清單分析結(jié)果等組成[4]。在本研究中,向模型里輸入對(duì)應(yīng)環(huán)節(jié)的消耗與投入、排放與廢棄的物質(zhì)和數(shù)量,模型便可對(duì)環(huán)境影響指標(biāo)進(jìn)行量化。
本研究所需要的資源消耗和排放清單數(shù)據(jù)來(lái)自于國(guó)內(nèi)相關(guān)報(bào)道或文獻(xiàn),這些數(shù)據(jù)大多是實(shí)地測(cè)量獲得,基本能代表東北玉米的實(shí)際生產(chǎn)情況。已有研究基于LCA的方法計(jì)算出了東北玉米生產(chǎn)過(guò)程的水足跡為11 LH2Oe/kg[6-8]。此外,從肥料折算來(lái)看,玉米種植過(guò)程中氮素平均施用量為268.5kg/hm2,P2O5為138 kg/hm2,K2O為102 kg/hm2[9]。為消除基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的單位不統(tǒng)一性,本研究由國(guó)家統(tǒng)計(jì)年鑒的數(shù)據(jù)計(jì)算出相同年份下東北省玉米單位面積的玉米產(chǎn)量,經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化即可填入模型中?;实纳嫌螖?shù)據(jù)可以從eFootprint平臺(tái)上的數(shù)據(jù)庫(kù)中得到,只需要向模型中輸入化肥的用量,模型便會(huì)把化肥的環(huán)境影響評(píng)價(jià)帶入到結(jié)果中。在種植環(huán)節(jié)中的排放物質(zhì)如N2O、NOX、CO2等排放量來(lái)自于李貞宇等的相關(guān)研究,主要的資源投入清單和排放清單如表1。
表1 東北玉米生命周期資源消耗與排放清單
影響評(píng)價(jià)是全生命周期評(píng)價(jià)的核心內(nèi)容,此過(guò)程是對(duì)清單中的數(shù)據(jù)分類后通過(guò)特征化、標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)評(píng)估3個(gè)過(guò)程對(duì)研究對(duì)象各生命階段的環(huán)境影響進(jìn)行定性或定量的分析,得到環(huán)境影響潛值,從而對(duì)東北省的玉米生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行分析[7]。
3.3.1 數(shù)據(jù)分類
首先要對(duì)清單數(shù)據(jù)中的輸入輸出因子進(jìn)行分類,這里根據(jù)清單中資源和污染物所產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷種類將它們能產(chǎn)生的潛在環(huán)境影響分為以下5個(gè)環(huán)境影響類型[8]:氣候變化(Climate change以下簡(jiǎn)稱為GWP)、初級(jí)能源消耗(Primary energy demand以下簡(jiǎn)稱為PED)、水資源消耗(Resource depletion-water以下簡(jiǎn)稱為WU)、酸化(Acidification以下簡(jiǎn)稱為AP)和富營(yíng)養(yǎng)化(Eutrophication以下簡(jiǎn)稱為EP)具體分類情況見(jiàn)表2。
3.3.2 特征化
特征化計(jì)算過(guò)程采用“當(dāng)量值”作為度量的尺度來(lái)衡量不同物質(zhì)對(duì)同一種環(huán)境污染類型的貢獻(xiàn)大小。利用當(dāng)量模型將造成某種環(huán)境影響類型的影響因子合并,得到新的環(huán)境影響貢獻(xiàn)值,進(jìn)而對(duì)每種環(huán)境影響因子造成的總的環(huán)境影響嚴(yán)重程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。特征化的目的是將影響類型中的各個(gè)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為同一物質(zhì),量化為相同的形態(tài)和單位[9]。比如酸化這一潛在環(huán)境影響類型是將所有可能產(chǎn)生酸化影響的物質(zhì)分別轉(zhuǎn)化為具有相同影響結(jié)果的SO2,之后加和得到一個(gè)總的SO2的量來(lái)代表酸化的程度。特征化計(jì)算過(guò)程可用下式計(jì)算[10]。
表2 環(huán)境影響分類
式(1)中,EP(j)為研究對(duì)象對(duì)第j種潛在環(huán)境影響的貢獻(xiàn)值;EP(j)i為第i種物質(zhì)對(duì)第j種物質(zhì)潛在環(huán)境影響的貢獻(xiàn)值;Q(j)i為第i種物質(zhì)產(chǎn)生第j種環(huán)境影響的消耗量或排放量;EF(j)i為第i種物質(zhì)對(duì)第j種環(huán)境影響的當(dāng)量因子。
eFootprint軟件中內(nèi)置有各種物質(zhì)對(duì)某一潛在環(huán)境影響類型的當(dāng)量值。本研究的特征化計(jì)算過(guò)程可由軟件計(jì)算完成。匯總可得玉米生命周期環(huán)境影響特征化結(jié)果,其結(jié)果如表3。
表3 玉米生命周期環(huán)境影響特征化結(jié)果
3.3.3 標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)評(píng)估
經(jīng)過(guò)特征化后可以得每種環(huán)境影響的負(fù)荷值,這樣僅僅得到了一個(gè)絕對(duì)總量,但仍難以看出該環(huán)境影響問(wèn)題的嚴(yán)重程度。在特征化的基礎(chǔ)上,對(duì)數(shù)據(jù)除以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化參考因子,得到一個(gè)無(wú)量綱的量。這個(gè)量的大小便可以反映環(huán)境影響的嚴(yán)重程度,并使得不同環(huán)境影響類別之間具有一定的可比性[11,12]。其基準(zhǔn)值可以是特定范圍內(nèi)總的排放量或者總的資源消耗量,也可以是特定范圍內(nèi)的人均排放量或資源消耗量等等。加權(quán)是為了解決不同環(huán)境問(wèn)題和干擾之間需要進(jìn)行利益的權(quán)衡,通常利用價(jià)值的選擇和認(rèn)為主觀因素推導(dǎo)得出的各個(gè)環(huán)境影響類別的相對(duì)重要性。標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)處理的潛在環(huán)境影響公式為:
式(2)中,NEP(j)為標(biāo)準(zhǔn)化后的潛在環(huán)境影響;W(j)為第j種環(huán)境影響類型的權(quán)重;EP(j)為環(huán)境影響類型j的潛在環(huán)境影響;ER(j)為影響類型j的參考基準(zhǔn)值。
本研究采用2000年世界人均環(huán)境影響潛值作為環(huán)境影響基準(zhǔn)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)處理。環(huán)境影響指數(shù)基準(zhǔn)值及權(quán)重的具體數(shù)值見(jiàn)表4,具體歸一化結(jié)果如表5。
表4 2000年部分世界人均環(huán)境影響潛值
表5 玉米生產(chǎn)生命周期環(huán)境影響潛值歸一化結(jié)果
此結(jié)果表明,東北省生產(chǎn)1 t的玉米過(guò)程中所產(chǎn)生的氣候變化環(huán)境影響類型是2000年世界人均環(huán)境影響潛值的0.7%;初級(jí)能源消耗環(huán)境影響類型是2000年世界人均環(huán)境影響潛值的0.025%;水資源消耗是2000年世界人均環(huán)境影響潛值的3%;酸化是2000年世界人均環(huán)境影響潛值的0.79%;富營(yíng)養(yǎng)化是2000年世界人均環(huán)境影響潛值的15%。占比的大小可以反映出環(huán)境負(fù)荷的嚴(yán)重程度。環(huán)境影響潛力大小依次是富營(yíng)養(yǎng)化、水資源消耗、環(huán)境酸化、氣候變化和初級(jí)能源消耗。其中,富營(yíng)養(yǎng)化潛力在環(huán)境影響總潛力的占比達(dá)到76.6%,是最為突出的環(huán)境負(fù)荷。其次是水資源消耗,在環(huán)境影響總潛力的占比為16%,酸化和全球變暖占比分別為4%和3.6%,初級(jí)能源消耗占比較小,僅有0.1%。這一比例說(shuō)明富營(yíng)養(yǎng)化是玉米生產(chǎn)過(guò)程中最為主要的污染形式。
3.5.1 氣候變化(GWP)
氣候變化包括種植環(huán)節(jié)中直接排放的CO2、SO2、氮氧化物,還有農(nóng)資環(huán)節(jié)中化肥、柴油生產(chǎn)過(guò)程中間接產(chǎn)生的能導(dǎo)致氣候變化的物質(zhì)。由圖2可知,對(duì)氣候變化貢獻(xiàn)最大的是農(nóng)資環(huán)節(jié)中各種化肥生產(chǎn)的生產(chǎn)過(guò)程,占到了總氣候變化潛力的62.3%,其次是種植環(huán)節(jié),占總氣候變化潛力的35%。氣候變化潛值在總的環(huán)境負(fù)荷中占比約5%,欲降低整個(gè)過(guò)程的環(huán)境負(fù)荷,從氣候變化入手的改變潛力不大。
3.5.2 初級(jí)能源消耗(PED)
初級(jí)能源消耗在總的環(huán)境影響潛力中占比0.1%,說(shuō)明玉米種植產(chǎn)業(yè)不是能源密集型產(chǎn)業(yè)。圖3表明其中大部分的能源消耗來(lái)自于化肥的生產(chǎn)過(guò)程。種植過(guò)程中所消耗的初級(jí)能源受限于種植規(guī)模生產(chǎn)技術(shù),故如何降低化肥產(chǎn)業(yè)的能耗是減少玉米生產(chǎn)過(guò)程初級(jí)能源消耗的關(guān)鍵。
圖2 東北地區(qū)玉米各環(huán)節(jié)氣候變化潛力
圖3 東北地區(qū)玉米各環(huán)節(jié)初級(jí)能源消耗潛力
3.5.3 水資源消耗(WU)
由圖4所示,種植環(huán)節(jié)消耗的水占玉米全生命周期需水量的47%。有研究表明,作物生長(zhǎng)時(shí)的水足跡大小與作物品種有很大關(guān)系。對(duì)比三大谷物類作物(小麥、玉米和水稻)的單位重量水足跡可以看出:玉米的重量水足跡最低,為0.83 m3/kg,其后依次為小麥(1.09 m3/kg)和水稻(1.30 m3/kg)[13]。水資源消耗在總環(huán)境負(fù)荷中占比21%,作為第二大環(huán)境影響類型,如何降低水的需求量,提高水的利用率是緩解水資源短缺的重要課題。常用的措施有通過(guò)農(nóng)藝、生物和工程等多種節(jié)水措施提高作物水分生產(chǎn)力,如推廣節(jié)水灌溉技術(shù)(噴灌、微灌等)以提高灌溉水的利用率、采用地膜覆蓋等農(nóng)藝措施減少土壤無(wú)效蒸發(fā)、通過(guò)生物措施提高作物耐旱水平等[14]。
3.5.4 酸化(AP)
由圖5所示,種植環(huán)節(jié)的酸化環(huán)境負(fù)荷占總過(guò)程酸化潛力值的9%,化肥生產(chǎn)的酸化環(huán)境負(fù)荷占總過(guò)程酸化潛力值的89%。對(duì)環(huán)境酸化的貢獻(xiàn)最為突出的是化肥的生產(chǎn)過(guò)程中排出的大量酸性氣體如NH3、SO2等。不同的化肥所產(chǎn)生的酸化效應(yīng)基本和其用量成正比關(guān)系。其中復(fù)合肥的用量最多為78 kg/t,所產(chǎn)生的酸化效應(yīng)占總環(huán)境負(fù)荷的46%。氮肥和磷肥的用量為44 kg/t和28 kg/t,酸化效應(yīng)所占比例依次為26%和17%。另外玉米生產(chǎn)過(guò)程的酸化環(huán)境負(fù)荷對(duì)整個(gè)環(huán)境負(fù)荷貢獻(xiàn)值為5%。說(shuō)明酸化不是最主要的環(huán)境影響類型。
圖4 東北地區(qū)玉米各環(huán)節(jié)水資源消耗潛力
圖5 東北地區(qū)玉米各環(huán)節(jié)酸化潛力
3.5.5 富營(yíng)養(yǎng)化(EP)
由圖6可知,種植環(huán)節(jié)產(chǎn)生的富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng)占總富營(yíng)養(yǎng)化潛力的86%,占玉米生產(chǎn)全過(guò)程中產(chǎn)生的總環(huán)境負(fù)荷的70%。相較于其他過(guò)程所產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷類型,只有通過(guò)降低種植環(huán)節(jié)排放的氣體才能有效地改善玉米生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響。已有研究表明,隨著施加氮肥量的增加,各類環(huán)境影響均呈指數(shù)上升趨勢(shì)。因此,降低農(nóng)田水肥投入并提高其利用效率是夏玉米生命周期環(huán)境影響控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié),它不僅有助于直接減少農(nóng)田氮素?fù)p失及其污染影響,也有助于間接減少上游生產(chǎn)環(huán)節(jié)資源消耗與污染物排放影響[15]。
圖6 東北地區(qū)玉米各環(huán)節(jié)富營(yíng)養(yǎng)化潛力
為了更詳細(xì)地比較玉米在種植過(guò)程中所產(chǎn)生的排放物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的貢獻(xiàn)率,從eFootprint軟件中導(dǎo)出了具體的排放物特征化數(shù)值,此數(shù)值的計(jì)算過(guò)程如公式(1)。由表6可知,NH3揮發(fā)是種植環(huán)節(jié)中最主要的導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化的因素,對(duì)總的富營(yíng)養(yǎng)化影響類型的貢獻(xiàn)率為41%??偭椎呢暙I(xiàn)率為34%。這表明了富營(yíng)養(yǎng)化的原因是種植過(guò)程中含氮磷化肥的大量使用而隨之產(chǎn)生NH3揮發(fā)以及總磷的排放。有人研究了在4個(gè)氮肥處理量分別為0、100、200、300 kg/(hm2·a)時(shí),1 t玉米生命周期富營(yíng)養(yǎng)化的總潛力依次為0.61、1.22、3.19和5.16 kg(以PO-4當(dāng)量計(jì))。說(shuō)明氮肥的使用量對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化潛力的影響是巨大的。因此,降低農(nóng)田水肥投入率以及提高肥料的利用率是降低玉米生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境負(fù)荷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
表6 玉米在種植環(huán)節(jié)中排放物的特征化值
由于此結(jié)果尚不能反映出東北省玉米種植過(guò)程在行業(yè)中的水平。為了進(jìn)一步探究東北省玉米生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境影響程度,將上述得到的結(jié)果與已有的河南省玉米全生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較,從而確定東北地區(qū)是否在玉米種植上具有優(yōu)勢(shì)性。本研究河南省玉米生命周期評(píng)價(jià)的特征化結(jié)果[16]經(jīng)過(guò)相同的標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)處理后得到的環(huán)境影響潛值與本研究的結(jié)果進(jìn)行比較,比較結(jié)果如圖7。
圖7 東北地區(qū)和河南省玉米LCA環(huán)境影響潛值比較
從圖7可以看出,在所研究的5種環(huán)境影響類型中,東北地區(qū)玉米種植過(guò)程有4種類型均低于河南省玉米的環(huán)境影響。其中東北地區(qū)的氣候變化、初級(jí)能源消耗、水資源消耗潛值、酸化潛值、富營(yíng)養(yǎng)化潛值分別是河南省的0.78、1.83、0.8、0.2、0.43倍。東北地區(qū)的玉米在酸化和富營(yíng)養(yǎng)化上的環(huán)境負(fù)荷水平上顯著低于河南地區(qū)是由于黑土地的土壤性狀好、肥力高,是適宜農(nóng)耕的優(yōu)越土地[17],單位面積產(chǎn)量遠(yuǎn)高于其他地區(qū),生產(chǎn)相同重量的玉米時(shí)施加的化肥少,因此氨和其他的污染性氣體排放量少于河南省地區(qū)。雖然河南省玉米的初級(jí)能源消耗這一環(huán)境影響類型是東北地區(qū)的1.83倍,但初級(jí)能源消耗在總環(huán)境影響潛力中占比很小,兩者在總的環(huán)境負(fù)荷中都可以忽略不計(jì)??偟膩?lái)看,東北地區(qū)玉米生產(chǎn)過(guò)程環(huán)境負(fù)荷總潛力為0.24,是河南省總潛力值0.532的45%。說(shuō)明在東北地區(qū)大規(guī)模種植玉米是更綠色的選擇。
(1)本研究選取的個(gè)環(huán)境影響類型對(duì)整個(gè)過(guò)程所產(chǎn)生的總潛力占比分別是:富營(yíng)養(yǎng)化77%、水資源消耗15.5%、酸化4%、氣候變化3.6%和初級(jí)能源消耗0.1%。說(shuō)明富營(yíng)養(yǎng)化是玉米生產(chǎn)過(guò)程中最為主要的污染形式。
(2)對(duì)產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化作用的各個(gè)因素進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),種植環(huán)節(jié)產(chǎn)生的富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng)占總富營(yíng)養(yǎng)化潛力的86%,占玉米生產(chǎn)全過(guò)程中產(chǎn)生的總環(huán)境負(fù)荷的70%。其中,NH3揮發(fā)和總磷的排放是種植環(huán)節(jié)中最主要的導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化的因素,兩者對(duì)總富營(yíng)養(yǎng)化潛力的貢獻(xiàn)率為41%和34%。因此減少種植過(guò)程中由于化肥的施加而產(chǎn)生的污染物是降低玉米全生命周期環(huán)境影響負(fù)荷的有效措施。已有研究在探索提高化肥的利用率,控制氮肥污染的新途徑[18,19]。
(3)玉米生產(chǎn)行業(yè)的耗水量是巨大的,其中有47%的水資源作為灌溉水用在了種植階段。農(nóng)業(yè)是水資源密集型產(chǎn)業(yè),但我國(guó)的淡水資源并不富裕,如何綜合利用各種技術(shù)來(lái)提高水的利用率、降低農(nóng)業(yè)中水的需求量也是急需解決的問(wèn)題。此外,化肥生產(chǎn)階段產(chǎn)生的酸性氣體是酸化的主要貢獻(xiàn)污染物,因此降低酸化應(yīng)該從整改化肥的生產(chǎn)工藝著手。
(4)經(jīng)過(guò)對(duì)比可知,生產(chǎn)1t的玉米,在東北地區(qū)生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷僅為河南省的45%。這是由于東北黑土地具有得天獨(dú)厚的高有機(jī)質(zhì)和高肥力的特點(diǎn)[20]。因此對(duì)于以玉米為原料的企業(yè)來(lái)說(shuō),選擇東北地區(qū)的玉米更加環(huán)保。但此結(jié)果并沒(méi)有考慮運(yùn)輸環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的環(huán)境影響,還不能代表全部實(shí)際的情況。