徐湘博,孫明星,*,張林秀

1 中國科學院地理科學與資源研究所,生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡觀測與模擬重點實驗室,CERN綜合研究中心, 北京 100101

2 聯(lián)合國環(huán)境署國際生態(tài)系統(tǒng)管理伙伴計劃, 北京 100101

生命周期評價(Life Cycle Assessment, LCA)始于20世紀60年代末的美國資源與環(huán)境狀況分析(REPA),在20世紀80年代末以后進入迅速發(fā)展階段,于1990年由“國際環(huán)境毒理學與化學學會(SETAC)”首次提出概念,對產(chǎn)品及其“從搖籃到墳墓”的全過程所涉及的環(huán)境問題進行評價[1]。1997年,國際標準化組織(ISO)定義了LCA,并頒布國際標準,制定了理論框架(ISO14040, 2006)[2]。ISO將LCA定義為：“對一個產(chǎn)品系列的生命周期中輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的匯編和評價”,并將其分為四步,即1)目標定義和范圍界定,2)清單分析,3)影響評價,4)結(jié)果解釋。迄今,LCA已廣泛應用于工業(yè)產(chǎn)品及產(chǎn)品系統(tǒng),對工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境影響進行定量化評估,成為工業(yè)產(chǎn)品及產(chǎn)品系統(tǒng)改進和綠色設計的決策支撐工具。農(nóng)業(yè)系統(tǒng)同樣面臨資源與環(huán)境雙重壓力,減小農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的資源環(huán)境壓力,促進農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的綠色生產(chǎn)成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵問題。LCA的理論與方法在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的應用可定量化的評估其資源環(huán)境壓力,為農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供決策支撐,農(nóng)業(yè)LCA應運而生。

1 農(nóng)業(yè)生命周期評價研究現(xiàn)狀

1.1 農(nóng)業(yè)生命周期評價簡介

農(nóng)業(yè)系統(tǒng)同樣面臨資源與環(huán)境雙重壓力下的可持續(xù)發(fā)展問題,農(nóng)業(yè)LCA理論與方法研究應運而生。LCA在工業(yè)企業(yè)部門、政府環(huán)境管理部門等應用較早,農(nóng)業(yè)LCA起步較晚[3]。農(nóng)業(yè)LCA發(fā)展過程中的標志性事件為1993年Weidema 組織的第一屆農(nóng)業(yè)生命周期評價(life cycle assessment)的學術研討會, LCA由此開始廣泛應用于農(nóng)業(yè)系統(tǒng),并建立了相應評價體系[4-5]。與工業(yè)領域相比,農(nóng)業(yè)LCA存在著以下特點：相較于工業(yè)產(chǎn)品,農(nóng)業(yè)產(chǎn)品受產(chǎn)地的影響更大,因此必須考慮區(qū)域化的生命周期清單和評價模型[6]；農(nóng)業(yè)系統(tǒng)邊界定義更為模糊,如農(nóng)業(yè)種植對土壤質(zhì)量的影響是否包含在系統(tǒng)邊界內(nèi),肥料使用帶來的多年的效應如何界定,這些都需要設定假設[7]；農(nóng)業(yè)系統(tǒng)在不同產(chǎn)品影響分配上更為模糊,特別對于間作作物水和肥的分配問題；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大量占用土地,對于土地占用帶來的環(huán)境影響需要重點考慮。農(nóng)業(yè)LCA開展也遵從ISO規(guī)定的四步[8],即1)目標定義和范圍界定,2)清單分析,3)影響評價,4)結(jié)果解釋。目前,研究者對農(nóng)業(yè)LCA方法的運用并不一致,但研究越來越完善和規(guī)范,歐洲國家等發(fā)達地區(qū)處于農(nóng)業(yè)LCA方法論研究的領先地位[9-10]。

隨著對可持續(xù)農(nóng)業(yè)的不斷關注,農(nóng)業(yè)LCA的研究不斷增多。中文數(shù)據(jù)庫中關于農(nóng)業(yè)LCA的發(fā)表相對較少,此類研究大都發(fā)表于英文雜志?；赪eb of Science核心數(shù)據(jù)庫,對農(nóng)業(yè)LCA的文獻進行匯總分析發(fā)現(xiàn),2000年以前農(nóng)業(yè)LCA研究受到的關注較少,進入21世紀后特別是2010年后對于農(nóng)業(yè)LCA的關注持續(xù)增加,論文數(shù)量及單篇論文平均引用次數(shù)持續(xù)增加(圖1)。

圖1 基于Web of Science核心數(shù)據(jù)庫中農(nóng)業(yè)生命周期評價(LCA)文章發(fā)表數(shù)量及單篇文章平均引用次數(shù)

從發(fā)表文獻的關鍵詞來看,除了生命周期評價和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)外,碳足跡、溫室氣體排放、全球變暖等詞匯是最為關注的關鍵詞,此外,有機農(nóng)業(yè)、可持續(xù)性等可持續(xù)農(nóng)業(yè)指征關鍵詞,水足跡、土地利用、生物多樣性等環(huán)境影響關鍵詞也備受關注(圖2)。從時間序列的關注點來看,農(nóng)業(yè)LCA從有機種植、土地利用、生物能源等的關注,慢慢轉(zhuǎn)向?qū)κ澄锷a(chǎn)、肉奶生產(chǎn)、氮素排放、碳排放與固定的關注,目前研究開始關注可持續(xù)消費、碳足跡等方面(圖2)。

圖2 基于Web of Science核心數(shù)據(jù)庫的農(nóng)業(yè)生命周期評價(LCA)相關論文關鍵詞分析

1.2 分區(qū)域農(nóng)業(yè)生命周期評價

從研究區(qū)域來看,歐美地區(qū)是農(nóng)業(yè)LCA研究的熱點區(qū)域,也是開展農(nóng)業(yè)LCA研究最多的區(qū)域。其中最早對農(nóng)業(yè)LCA進行研究的國家包括美國、加拿大、西歐和北歐等,意大利、西班牙、澳大利亞、巴西、日本等國隨后對農(nóng)業(yè)LCA開展了大量的研究,而后中國、伊朗、南非、葡萄牙等國對農(nóng)業(yè)LCA展開了大量的研究(圖3)。

圖3 基于Web of Science核心數(shù)據(jù)庫的農(nóng)業(yè)生命周期評價(LCA)研究國家分析

在國際上,荷蘭等一些歐洲國家的研究機構(gòu)如農(nóng)業(yè)環(huán)境中心、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟研究所等早在1996年就已經(jīng)開始了LCA在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域的研究工作[11-12],丹麥、瑞典等北歐國家也于21世紀初對農(nóng)業(yè)LCA進行了大量的探索,如農(nóng)產(chǎn)品種植、食物消費等[13-14]。日本是較早開展農(nóng)業(yè)LCA研究的國家之一。1998年,日本政府在國際上率先組織農(nóng)林水產(chǎn)省所屬的有關研究機構(gòu)、農(nóng)業(yè)企業(yè)及大學開始了面向可持續(xù)農(nóng)業(yè)LCA的系統(tǒng)研究,研究成果代表當時國家研究機構(gòu)的較高水平[15]。目前已經(jīng)較為成熟地將農(nóng)業(yè)LCA方法應用到種植方式、耕作制度等的環(huán)境影響評估或?qū)Ρ妊芯恐衃16-18]。雖然澳大利亞的研究文獻相對較少,但是近年澳大利亞也已啟動了農(nóng)業(yè)LCA研究的科技投入[19]。發(fā)展中國家對于農(nóng)業(yè)LCA的研究開展較晚,但也呈現(xiàn)增多的趨勢。Jimmy等采用LCA方法研究了孟加拉水稻種植的環(huán)境影響[20]；Taki等采用LCA方法研究了伊朗灌溉和雨養(yǎng)兩種小麥種植系統(tǒng)的環(huán)境績效[21]; Mohammadi等和 Nabavipelesaraei等采用LCA方法分別與數(shù)據(jù)包絡分析(DEA)、人工智能技術(AI)結(jié)合研究了伊朗春夏兩季稻田的不同技術效率下的環(huán)境影響[22-23]。但以上研究大多是與歐洲國家等發(fā)達地區(qū)研究者開展的合作研究[20]。我國關于農(nóng)業(yè)LCA的研究文獻2007年以來才逐漸增多。Wang等采用農(nóng)業(yè)LCA研究了我國華北平原冬小麥-夏玉米生產(chǎn)系統(tǒng)的環(huán)境影響,將生產(chǎn)1噸糧食作為功能單位,系統(tǒng)邊界界定為原料獲取與運輸、農(nóng)化生產(chǎn)與運輸、農(nóng)業(yè)耕作3個環(huán)節(jié),終點環(huán)境影響包括能源消耗、氣候變化、酸化、水體富營養(yǎng)化、人類毒性、水體和陸地生態(tài)毒性,較為系統(tǒng)地識別了冬小麥-夏玉米生產(chǎn)系統(tǒng)的主要環(huán)境問題[24]；并運用農(nóng)業(yè)LCA的研究方法在水稻、紅薯、甜高粱種植及后續(xù)利用方面進行了系列研究[25-28]。我國也有相關學者開展了小麥-玉米輪作系統(tǒng)生命周期評價研究[29-30]。另外,還有學者研究了我國橡膠種植、有機與常規(guī)大豆種植、有機與常規(guī)蘋果種植的生命周期影響[31-33]。

1.3 分邊界和對象農(nóng)業(yè)生命周期評價

分邊界和分對象分屬LCA研究的兩個維度,屬于正交關系。從研究系統(tǒng)邊界上來看,農(nóng)業(yè)LCA研究可分為對農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品加工、農(nóng)產(chǎn)品消費及廢棄處置等研究,其中對農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的研究是目前研究的重點。從研究對象上來看,農(nóng)業(yè)LCA研究重點集中在糧食、蔬菜、水果等農(nóng)產(chǎn)品,肉和奶的LCA研究主要在西方國家開展。

對于農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的評價包括如小麥、水稻、玉米等糧食作物,大麥、西紅柿、蘋果等經(jīng)濟作物[34-40]。對于農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的評價,一個研究重點為探討有機種植和普通種植之間環(huán)境影響的區(qū)別。通常來講,如果以單位種植面積作為功能單位,有機種植的環(huán)境影響更小,如果以單位農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量作為功能單位,普通種植的環(huán)境影響更小[41]。對于土豆種植的案例研究表明,有機種植和普通種植在能源投入上影響類似,普通種植的能源投入更多的體現(xiàn)在農(nóng)藥化肥的生產(chǎn)上,而有機種植的能源投入更多的體現(xiàn)在機械生產(chǎn)和機械使用上,同時有機種植需要更多的耕地[38]。對于小麥種植的LCA案例研究表明,經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的共贏并不矛盾,氮素的少量或過量使用是造成資源效率低下的主要原因,氮素少量使用使得土地利用的增多,而氮素的過量使用造成富營養(yǎng)化影響的增大[5]。但目前的評價方式不能全面反應真實的環(huán)境影響,造成這種差別的主要原因包括環(huán)境影響種類的不全面,不能完全反映環(huán)境影響；造成環(huán)境影響最為關鍵的因素在于氮排放的計算,氮排放數(shù)據(jù)往往來自基于普通種植方式的模型計算,不能準確的反應有機種植方式實際的氮排放,而氮排放對于酸化、富營養(yǎng)化等環(huán)境影響種類影響更大。有作者建議在有機種植中調(diào)整不同種類動物糞便使用過程中碳排放和氮排放系數(shù),使其與不同動物糞便本身的碳和氮含量相符合[42]。另外有關有機和普通種植的研究對于生態(tài)毒性和人體健康的評價可能考慮不周全,由于數(shù)據(jù)缺乏,很多研究沒有考慮有機種植所帶來的生態(tài)影響,造成了生態(tài)毒性本身的低估[42]；有機種植減少了農(nóng)藥的使用,降低了食物中農(nóng)藥的殘留,這部分對于人體健康影響的減小也沒有體現(xiàn)在研究中,大部分研究僅考慮了化肥農(nóng)藥進入水體或土壤進而造成人體健康的影響,然而研究表明食物中農(nóng)藥的殘留造成的人體健康的影響遠遠高于其進入水體或土壤造成的人體健康的影響[43]。

除此之外,有關農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的評價還體現(xiàn)在密集化種植、農(nóng)藥化肥施用、新技術使用、食物全產(chǎn)業(yè)鏈評估等方面。對于密集化種植和一般化種植及有機種植的環(huán)境影響分析表明,無論功能單位定義為單位產(chǎn)品或單位種植面積,密集化種植的環(huán)境影響都要高于一般化種植及有機種植[44]。有關代表性蔬菜西紅柿種植的環(huán)境影響的評價在不同區(qū)域廣泛開展,種植方式、作物種類、種植地點等都影響最終的環(huán)境影響評價結(jié)果[41, 45]。研究還對比了不同害蟲控制方式的影響,結(jié)果表明農(nóng)藥的種類和施藥期是環(huán)境影響的重要影響因素[46]。有研究針對某種物質(zhì)的投入進行了探討,如Nikkhah等選擇化肥作為研究對象,探究了伊朗農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的影響,并選擇全球變暖潛勢、酸化潛勢和陸地富營養(yǎng)化潛勢這三類影響類型來評估環(huán)境影響[47]；有研究對使用有機肥所帶來的不同種類的環(huán)境影響進行了詳細討論,有機肥帶來的營養(yǎng)提供與固碳等效應比較容易計量,應當納入評價中；抑制昆蟲和疾病、提高土壤活力、提高產(chǎn)量等變動性較大,不易計量,難以評價；預防土壤侵蝕及增加土壤濕度等雖然易計量,但缺乏適當?shù)哪Ｐ瓦M行評價；抑制雜草的效應并不明確[48]。有研究對轉(zhuǎn)基因抗除草劑的甜菜種植的環(huán)境影響進行了研究,結(jié)果表明轉(zhuǎn)基因品種的環(huán)境影響更小,主要是它避免了農(nóng)藥的生產(chǎn)、運輸和使用環(huán)節(jié)的環(huán)境影響[49],但研究并沒有考慮轉(zhuǎn)基因帶來的其他的潛在風險。除此之外,有研究對一天飲食的環(huán)境影響進行了評價,并核算了一天不同國家早中晚餐的環(huán)境影響,并指出高蛋白類食物的環(huán)境影響較高[41]。

對于肉和奶生產(chǎn)的評價主要集中在歐洲國家[38]。肉和奶生產(chǎn)過程中一個重要的問題就是環(huán)境影響的分配問題,尤其對于牛奶生產(chǎn)來說,牛肉和牛糞便是其副產(chǎn)品。通過系統(tǒng)邊界的擴大可以規(guī)避分配問題,也可按照經(jīng)濟價值、質(zhì)量和所含能量進行分配。對于肉類生產(chǎn),功能單位定義為肉的產(chǎn)量或蛋白的產(chǎn)量可能對結(jié)果產(chǎn)生影響[41]。關于有機和傳統(tǒng)肉奶生產(chǎn)的環(huán)境影響也有文獻報道,一般認為有機養(yǎng)殖可以減小大部分的環(huán)境影響,不過需要占用更多的耕地,減小傳統(tǒng)養(yǎng)殖的環(huán)境影響的措施包括減少牧場營養(yǎng)投入、減少農(nóng)藥用量、更多使用本地飼料等[38]。甲烷的排放是肉奶生產(chǎn)的過程溫室氣體效應的重要貢獻者。

農(nóng)產(chǎn)品加工,如制作面包、番茄醬、啤酒等[50-52],評價類似于工業(yè)產(chǎn)品的評價,通常將生產(chǎn)一定質(zhì)量的產(chǎn)品作為功能單位,進行定量化評價并鑒別最主要的環(huán)境影響種類和影響因素。該類產(chǎn)品融合了農(nóng)業(yè)種植和工業(yè)加工,不同環(huán)境影響種類的最主要的影響因素可能來自于農(nóng)業(yè)種植階段或工業(yè)加工階段,研究發(fā)現(xiàn)工廠規(guī)?；a(chǎn)的環(huán)境影響遠小于家庭作坊生產(chǎn)的環(huán)境影響[50]。

通過分析來自于不同國別研究文獻,可以看出各個國家都已認識到農(nóng)業(yè)LCA方法論體系在建立可靠的農(nóng)產(chǎn)品環(huán)境標準的應用前景以及對國際農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易的重要性[53]。我國關于農(nóng)業(yè)LCA的研究起步較晚,研究相對較少,且集中于對農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)本身的評價。面對我國農(nóng)業(yè)系統(tǒng)存在的突出環(huán)境問題,以及提升我國農(nóng)產(chǎn)品在國際貿(mào)易中地位的迫切需求,基于生命周期評價的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)環(huán)境效應研究框架以及評價體系的建立顯得尤為重要,亟需建立并完善基于我國農(nóng)業(yè)特征的LCA方法論體系。從研究系統(tǒng)邊界來看,研究邊界從“搖籃到大門”向“搖籃到墳墓”擴展,從全產(chǎn)業(yè)鏈的角度考察農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的全生命周期環(huán)境影響對于可持續(xù)食物消費具有重要意義。

2 農(nóng)業(yè)生命周期評價存在的問題

根據(jù)LCA的國際定義,研究者嘗試把農(nóng)業(yè)LCA定義為：伴隨農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動而引起的所有物質(zhì)和能量的投入、產(chǎn)出與可計量的環(huán)境負荷之間的關系,以評價農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的資源消耗、能源消耗以及對環(huán)境的綜合影響[3]。目前農(nóng)業(yè)LCA的研究存在功能單位與系統(tǒng)邊界界定不清晰、數(shù)據(jù)獲取途徑方式不明確、數(shù)據(jù)質(zhì)量良莠不齊、缺乏本地化評價模型、結(jié)果解釋不科學等問題。

2.1 目標定義與范圍界定

農(nóng)業(yè)LCA的評價范圍界定依賴于研究目標,多數(shù)研究探究農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程的環(huán)境影響,其中多采取 “搖籃到門”的系統(tǒng)邊界界定方式,主要包括原材料的獲取和運輸、中間產(chǎn)品的生產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程,部分研究單獨定義運輸階段為一個獨立的階段[32],對于副產(chǎn)品的生產(chǎn)多采用質(zhì)量或價值分配的方法,采用擴大研究邊界的方式避免副產(chǎn)品的分配問題較為少見[54]。從“搖籃到門”的界定方法不能反映農(nóng)產(chǎn)品加工、運輸、消費及廢棄階段所造成的環(huán)境影響,另副產(chǎn)品的處理方式對農(nóng)產(chǎn)品整個生命周期影響較大,例如農(nóng)產(chǎn)品副產(chǎn)物農(nóng)業(yè)秸稈露天焚燒和綜合利用造成巨大的環(huán)境影響差異[55]。有研究將研究目標定義為餐桌上消費的食物,其系統(tǒng)邊界包括產(chǎn)品的生產(chǎn)、收獲、包裝、運輸?shù)拳h(huán)節(jié),這種界定能更準確的衡量農(nóng)產(chǎn)品作為能量或營養(yǎng)提供者的環(huán)境影響,然而農(nóng)產(chǎn)品消費和廢棄的環(huán)境影響仍未包含在系統(tǒng)邊界內(nèi)。此外,已有研究均未考慮相關的廠房設備、建筑設施、運輸工具生產(chǎn)的環(huán)境影響。為更全面了解農(nóng)產(chǎn)品全生命周期的環(huán)境影響,在有數(shù)據(jù)條件的情況下應適當擴大系統(tǒng)邊界。

功能單位的選定是影響環(huán)境影響結(jié)果的最主要的因素之一。由于農(nóng)業(yè)涉及產(chǎn)品生產(chǎn)和土地利用兩方面,所以早期的農(nóng)業(yè)LCA研究建議研究人員使用產(chǎn)品重量和土地面積兩個功能單位定義目標[56-57]。在已有文獻中,相關研究多采用單位質(zhì)量的產(chǎn)品、單位土地面積或兩者的結(jié)合作為功能單位進行評估[58]。以單位質(zhì)量產(chǎn)品為功能單位更多的是從產(chǎn)品供給角度進行考量,對比生產(chǎn)相同質(zhì)量的產(chǎn)品所造成的環(huán)境影響,由于生產(chǎn)相同質(zhì)量的產(chǎn)品所需土地差異較大,而生命周期評價缺乏對于土地質(zhì)量的評價指標,因此該方法不能很好地反映農(nóng)業(yè)活動對于土地的環(huán)境影響。以單位土地面積為功能單位更多的是從土地承載力的視角進行衡量,該方法可以更準確地衡量單位土地的環(huán)境影響,但對于單位產(chǎn)品的環(huán)境影響評價不充分。目前大部分研究將生產(chǎn)單位作物產(chǎn)品作為功能單位,我國三項研究分別對山東桓臺縣、河北曲周縣、陜西關中地區(qū)的小麥-玉米輪作系統(tǒng)生命周期評價,皆以生產(chǎn)1t冬小麥和夏玉米作為功能單位[24, 29-30]。國際上也有大量研究采用單位作物產(chǎn)量作為功能單位,如Taki等采用生產(chǎn)1t小麥作為功能單元評價伊朗不同小麥生產(chǎn)系統(tǒng)的環(huán)境影響[21]。除了以單位作物產(chǎn)品作為功能單位以外,也有研究將單位面積作為功能單位[18]。另外,有研究同時使用這兩種功能單位進行生命周期評價[59]。單獨使用產(chǎn)品重量或者土地面積作為功能單位評價的環(huán)境影響沒有充分考慮生產(chǎn)強度的變化,因為產(chǎn)品信息(產(chǎn)量等)并未反映到兩個功能單位的影響中,使用單位面積影響與單位面積產(chǎn)量的比率對于不同農(nóng)業(yè)系統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品環(huán)境影響比較更為合理[60]。近年來,一些研究采用農(nóng)產(chǎn)品營養(yǎng)價值作為功能單位,包括能量等價物、特定營養(yǎng)成分如蛋白質(zhì)的量等,尤其對于肉類產(chǎn)品[61-63],以體現(xiàn)產(chǎn)品最主要的功能,并嘗試統(tǒng)一功能單位實現(xiàn)不同農(nóng)產(chǎn)品的比較。有學者認為功能單位應該體現(xiàn)產(chǎn)品的社會功能和文化功能,比如喝酒所帶來的快樂作為功能單位,但以社會或文化功能作為功能單位主觀性過強,并不是所有的產(chǎn)品都適合以此作為功能單位[64-65]。對農(nóng)民而言,農(nóng)產(chǎn)品的經(jīng)濟價值似乎是一個更合理的功能單位,有些學者也認為這樣能夠反映產(chǎn)品的質(zhì)量,但價格受其他因素影響較大,總是在變動,不一定能夠準確衡量產(chǎn)品的質(zhì)量[66]。此外,以一個人一天的膳食消費作為功能單位,可以更好地反映不同消費方式和消費習慣所造成的環(huán)境影響,同時可以從終端消費的角度衡量食物系統(tǒng)的環(huán)境影響,為可持續(xù)食物消費提供更明確的數(shù)據(jù)支撐。目標界定應該依從于決策需要,不同的功能單位的選擇主要考慮產(chǎn)品不同的現(xiàn)實功能以期提供更準確的測度。

與功能單位界定相關的另一個重要問題為多產(chǎn)品影響分配問題。由于農(nóng)業(yè)產(chǎn)品多為聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)品,單獨評價其中一種產(chǎn)品涉及到輸入輸出等在不同產(chǎn)品上的分配,比較常用的方法為通過產(chǎn)品的質(zhì)量或經(jīng)濟價值對不同的產(chǎn)品進行分配。有學者認為質(zhì)量或經(jīng)濟價值分配不能反映產(chǎn)品真實的環(huán)境影響,建議通過生物過程而不是產(chǎn)品的物理性質(zhì)進行分配[67],但生物過程往往比較復雜,存在著很強的不確定性,使得評價和比較難以實現(xiàn)。ISO則建議通過擴大系統(tǒng)邊界來避免分配問題,然而擴大系統(tǒng)邊界往往對數(shù)據(jù)要求更高而難以實現(xiàn)。

2.2 清單分析

清單分析是生命周期評價的核心環(huán)節(jié)。在農(nóng)業(yè)LCA中,除了傳統(tǒng)LCA經(jīng)常忽略的基礎設施建造過程中的清單分析外,對于人力投入的清單分析也不多見。有研究將人力投入換算為肌肉能量進行評價,但這種方式不能準確衡量差異化的人力投入的環(huán)境影響[21]。農(nóng)業(yè)LCA的清單分析有其特殊的復雜性,集中體現(xiàn)在環(huán)境排放上,農(nóng)業(yè)的環(huán)境排放不僅與當?shù)氐耐寥琅c氣候條件相關,更與投入的化肥和農(nóng)藥相關,對于環(huán)境排放的模擬需要特別關注。對于農(nóng)藥使用造成排放的模擬尚不健全,比如Eco-invent數(shù)據(jù)庫中農(nóng)藥向陸地表層水的排放數(shù)據(jù)缺失,造成了水生毒性評價指標的不準確,目前農(nóng)藥使用的排放清單確定是農(nóng)業(yè)LCA中亟待解決的問題之一[68]?；室鸬呐欧乓彩羌毙杞鉀Q的問題,由于不同國際組織對于溫室氣體的排放的關注,化肥引起的氣體排放的清單較為確定,但化肥引起的土壤和水的排放清單仍舊缺乏全球適用的模型進行模擬,這些排放與土壤的性質(zhì)高度相關[69]。有機種植中有機肥使用的排放清單也是農(nóng)業(yè)LCA中需要解決的重要問題[48]。

可靠且實時更新的清單是保證LCA順利進行的基礎。過程的輸入輸出清單大部分通過調(diào)研獲取,而背景數(shù)據(jù)則需通過數(shù)據(jù)庫獲取。在工業(yè)LCA中Eco-invent數(shù)據(jù)庫是目前最為廣泛使用的數(shù)據(jù)庫,并在Gabi、Simapro等專業(yè)軟件中集成。隨著可持續(xù)食物消費理念的不斷發(fā)展,農(nóng)業(yè)領域的數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建也在不斷推進,比如荷蘭開發(fā)的Agrifootprint、丹麥開發(fā)的Food LCA-DK、法國開發(fā)的 Agribalyse和日本開發(fā)的JALCA(Japanese Agricultural Life Cycle Assessment)數(shù)據(jù)庫等[18, 70-72],部分已經(jīng)和商業(yè)化的專業(yè)軟件進行集成。但農(nóng)業(yè)領域的LCA數(shù)據(jù)庫通常是特定區(qū)域的特定案例的數(shù)據(jù),具有很強的區(qū)域異質(zhì)性且不透明性,由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)本身異質(zhì)性的特性,這些數(shù)據(jù)庫很難被用作其他區(qū)域或做橫向?qū)Ρ取Ｒ虼?亟需建立包含我國區(qū)域異質(zhì)性的特定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)LCA評價的數(shù)據(jù)庫,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進行全生命周期的評價提供數(shù)據(jù)支撐。

2.3 環(huán)境影響評價

結(jié)合國內(nèi)外研究進展,目前在農(nóng)業(yè)LCIA中采用的特征化中點環(huán)境影響種類主要包括非能源資源消耗、初級能源消耗、全球變暖、臭氧層消耗、光化學污染、富營養(yǎng)化、環(huán)境酸化、人體毒性、水生生態(tài)毒性、海洋生態(tài)毒性、陸生生態(tài)毒性、土地使用、水消耗等。在案例研究中不同評價標準的農(nóng)業(yè)LCA研究可根據(jù)具體情況對環(huán)境影響指標酌情取舍。為了便于不同影響種類間的再比較以及為決策提供政策建議,通常進行特征化、歸一化、加權評估等評價流程。LCIA評價一般借助模型來實現(xiàn),常用的模型為工業(yè)LCA中的模型,針對農(nóng)業(yè)LCA的評價模型較為少見。

目前農(nóng)業(yè)LCIA都是基于一般性的、不考慮區(qū)域異質(zhì)性的、穩(wěn)態(tài)的多介質(zhì)環(huán)境影響評價模型,這種模型對于全球氣候變化、臭氧層破壞等全球性指標影響不大,而對酸化、富營養(yǎng)化等局域指標則具有較大影響。農(nóng)業(yè)過程高度依賴自然資源、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量等因素,具有很強的區(qū)域異質(zhì)性,對于環(huán)境排放的暴露機制和敏感性具有很強的區(qū)域特征[73],因此評價模型更需要考慮區(qū)域的異質(zhì)性。

目前的評價模型中缺乏對農(nóng)業(yè)重要影響因素的考量。工業(yè)LCA中認為過程是在技術圈,而環(huán)境排放是在生態(tài)圈。農(nóng)業(yè)LCA從工業(yè)LCA中演化而來,如同在工業(yè)LCA的處理一樣,土地被認為是技術圈的要素,僅作為糧食生產(chǎn)的物理要素投入,而土壤肥力、土壤結(jié)構(gòu)、土壤水平衡、土壤的生物多樣性以及生態(tài)系統(tǒng)服務功能的影響并沒有包含在目前的評價模型內(nèi),但這些是保護生態(tài)資產(chǎn)和保證糧食生產(chǎn)的必要條件,因此應加強對土壤環(huán)境質(zhì)量的考慮[74-75]。農(nóng)業(yè)領域水資源利用最大的部門,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水足跡占全球水足跡的90%以上[76],目前大多數(shù)的研究和模型缺乏水利用的考慮,或僅僅考慮了使用量,而沒有考慮使用過程所帶來的環(huán)境影響,因此應加強農(nóng)業(yè)用水考量[77]。為了完善農(nóng)業(yè)LCA評價,部分研究模型對農(nóng)業(yè)的水利用和土地利用的環(huán)境影響進行考量[68, 78],GaBi公司最近提出了農(nóng)業(yè)LCA評價模型,特別考慮了植物的輪作、土地利用、土地利用變化、水利用等因素[79],但在研究中應用還較少。

2.4 結(jié)果解釋

LCA評價結(jié)果因涵蓋不同種類的環(huán)境影響從而得到學術界、商界、政界人士的歡迎,現(xiàn)在也有在LCA中包含更多種類環(huán)境影響的趨勢。然而,在資源、時間、數(shù)據(jù)都不充分的情況下,我們無法一次獲取一種農(nóng)產(chǎn)品所有的環(huán)境影響,加入更多的環(huán)境影響種類有可能會降低LCA評價的價值和公信度。同時LCA應該與其他評價工具結(jié)合,特別是簡單易懂的評價指標,以給決策者提供易于理解與操作的決策信息。

對于LCA評價結(jié)果的解釋需要建立在對系統(tǒng)邊界、功能單位、數(shù)據(jù)源、分配原則等充分理解的基礎上,然而非專家在不了解的情況下可能會誤解LCA的評價結(jié)果。在農(nóng)業(yè)LCA中,評價結(jié)果不能完全反應風險相關的后果,如人體健康指標。對于健康的評價必須建立在排放-暴露-致病的傳導鏈上,而LCA的評價結(jié)果不能反應受體對有害物質(zhì)的接受渠道和暴露時間,因此不能科學做出對人體健康影響的推斷,一種物質(zhì)的排放量和它的毒性不存在顯著的因果關系[85]。

對LCA評價結(jié)果的敏感性分析和不確定進行分析如今成為LCA研究的必要步驟。敏感性分析主要是指數(shù)據(jù)或方法論的選擇和變化如何影響LCIA的結(jié)果,LCA的不確定性指的是由于模型不精確性、輸入的不確定性及數(shù)據(jù)的變動性累積引起的結(jié)果的不確定性[83]。目前很多研究中缺乏對評價結(jié)果敏感性和不確定性的評價,應對評價結(jié)果進行敏感性分析和不確定性檢驗以增強結(jié)果的可信度。

3 農(nóng)業(yè)生命周期評價展望

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是一類經(jīng)人工馴化了的生態(tài)系統(tǒng), 是一種人工-自然復合生態(tài)系統(tǒng)[86]。采用生命周期評價方法對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)進行評估既需要考慮農(nóng)業(yè)過程在技術圈的輸入輸出,也需要考慮其在生態(tài)圈的輸入輸出,以科學客觀地評價農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的環(huán)境影響。展望未來農(nóng)業(yè)LCA評價需要加強以下方面的研究。

3.1 參照系的選取

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)不是原生生態(tài)系統(tǒng),農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的形成即對原生生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)生影響。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)境影響的大小或者正負取決于參照系的選取。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成土地利用變化,改變了原有土地的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能,進而引起生態(tài)系統(tǒng)服務功能發(fā)生變化。農(nóng)業(yè)本身與土地利用變化之間的強相互關系導致了農(nóng)業(yè)LCA與工業(yè)或工業(yè)園區(qū)LCA的差異。農(nóng)業(yè)種植的改變(集約化或土地擴張)會造成土地利用的變化及土地生態(tài)系統(tǒng)服務功能和生物多樣性的變化。因此衡量農(nóng)業(yè)LCA需要特別關注土地利用和生態(tài)系統(tǒng)服務的變化,選擇適當?shù)膮⒄障狄院饬坑捎谵r(nóng)業(yè)種植的變化帶來的全生命周期的環(huán)境影響的變化。建議參照系選取所評價對象的所在地原生生態(tài)系統(tǒng)作為參照對象。以農(nóng)業(yè)產(chǎn)品或副產(chǎn)品為原料的工業(yè)的LCA也有類似的特征,由于工業(yè)產(chǎn)品規(guī)模的變化,造成其所需原料的變化,因此需要在空間上界定可能發(fā)生變化的區(qū)域或者農(nóng)業(yè)集約化經(jīng)營的區(qū)域。土地利用變化模型通過考慮氣候因素和土壤適應性采用logistic回歸分析確定可能發(fā)生變化的空間區(qū)域,而不是簡單地按照目前的情況線性推測未來的情況；土地利用變化引起生態(tài)系統(tǒng)服務功能的變化和生物多樣性的變化可分別通過InVEST模型和MSA模型確定,以評估由于工業(yè)規(guī)模的變化造成的生命周期環(huán)境影響的變化[75]。

3.2 系統(tǒng)邊界的擴大與功能單位界定

基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的LCA能夠反映種植本身所造成的環(huán)境影響,對農(nóng)業(yè)的清潔生產(chǎn)具有重要意義。然而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是為了滿足人類的飲食需要或能源需求,從滿足人類需求的角度來講,應當將采用“搖籃到餐桌”的系統(tǒng)邊界界定方法,將農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、運輸、深加工、包裝、分配、消費等環(huán)節(jié)納入到評價體系中來,從更長的產(chǎn)業(yè)鏈探究農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的環(huán)境影響,尋求減小環(huán)境影響的措施。由于當前日益增長的食物浪費現(xiàn)狀[87],有必要將食物末端處理階段納入到評價框架中來,采用“搖籃到墳墓”或“搖籃到搖籃”的系統(tǒng)邊界界定方法,從可持續(xù)消費的角度全面衡量農(nóng)業(yè)(食物)系統(tǒng)的生命周期環(huán)境影響,并鑒別降低環(huán)境影響的途徑。隨著系統(tǒng)邊界的擴大和評價目標的變化,功能單位也將隨之改變,單位餐桌上的產(chǎn)品、單位營養(yǎng)物質(zhì)的生產(chǎn)、一個人一天的食物消費都可以作為功能單位來衡量農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的環(huán)境影響。

3.3 區(qū)域異質(zhì)性數(shù)據(jù)庫構(gòu)建與評價模型開發(fā)

目前國際上已經(jīng)初步構(gòu)建農(nóng)業(yè)LCA評價的數(shù)據(jù)庫,但由于數(shù)據(jù)庫具有很強的區(qū)域異質(zhì)性,國際數(shù)據(jù)庫并不適用中國農(nóng)業(yè)LCA的評價；此外,由于中國地域面積大,不同區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式存在較大差異,因此有必要建立區(qū)域異質(zhì)性的農(nóng)業(yè)LCA評價數(shù)據(jù)庫。由于收集大量區(qū)域異質(zhì)性的數(shù)據(jù)成本過高,如何在收集有限數(shù)據(jù)的基礎上反應農(nóng)業(yè)LCA區(qū)域上的變異性需要方法論的創(chuàng)新。目前農(nóng)業(yè)LCA的評價大都借助于工業(yè)LCA評價的常用模型,而模型中對于土地質(zhì)量、水利用、生態(tài)風險、生態(tài)系統(tǒng)服務等指標考慮較少,因此有必要將以上指標納入評價模型,結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)構(gòu)建區(qū)域特色的環(huán)境影響表征模型,以提高農(nóng)業(yè)LCA評價在區(qū)域特異性評價的準確性。

3.4 基于組織的農(nóng)業(yè)LCA開發(fā)

雖然生命周期評價最初主要針對產(chǎn)品的影響評估,但它也適用于組織級別(Organizational LCA, O-LCA)(ISO/TS 14072), 與其在產(chǎn)品層面進行比較不同的是,基于組織的生命周期評價是一種時間上的比較,可以為支持戰(zhàn)略決策和可持續(xù)發(fā)展評估提供信息,O-LCA更有前途的應用是通過定期評估組織的環(huán)境績效來持續(xù)改進組織,即績效跟蹤[88]。最新的研究結(jié)果顯示,該方法成功應用于巴西一家擁有2600種產(chǎn)品化妝品公司的環(huán)境影響評估[89]。O-LCA采用ISO 14040和ISO 14044規(guī)定的4個步驟,產(chǎn)品LCA標準中的大多數(shù)原則、要求和指導方針也適用于O-LCA。O-LCA同樣適用于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的環(huán)境效應評價,從環(huán)境承載力的視角衡量農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的環(huán)境影響,從橫向和縱向上衡量農(nóng)業(yè)系統(tǒng)環(huán)境效應的改善或惡化,為農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可持續(xù)生產(chǎn)提供建議。

3.5 對于利益相關者行為的研究

從農(nóng)業(yè)系統(tǒng)全產(chǎn)業(yè)鏈的角度看,農(nóng)業(yè)系統(tǒng)涉及多個利益相關者,包括生產(chǎn)階段的大型農(nóng)場或農(nóng)民,加工階段的工業(yè)企業(yè)、運輸階段的物流公司、消費階段的廣大消費者、末端的食物廢棄再利用企業(yè)、提供管理的政策制定者與決策者等。不同利益相關者的行為不僅對產(chǎn)業(yè)鏈上下游的主體產(chǎn)生影響,同時也對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)環(huán)境影響產(chǎn)生影響。探究不同利益相關者的行為對全產(chǎn)業(yè)鏈的環(huán)境影響,并識別主要的影響因素對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)全產(chǎn)業(yè)鏈的綠色升級具有重要意義。生產(chǎn)階段生產(chǎn)規(guī)模、新技術的采用、低化肥農(nóng)藥投入的生產(chǎn)方式等對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的影響應予以關注；加工階段對不同產(chǎn)品的包裝方式不僅影響著產(chǎn)品的質(zhì)量和包裝階段的環(huán)境影響,也會對包裝廢物的后期處理產(chǎn)生顯著影響；運輸階段不同產(chǎn)品的市場分配,尤其對需要遠距離運輸?shù)漠a(chǎn)品,物流產(chǎn)生顯著的影響；消費者在一定程度上對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)具有決定性的作用,消費者飲食結(jié)構(gòu)的變化及消費的偏好可對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)及其環(huán)境影響產(chǎn)生顯著影響；廢棄食物的再利用方式受其收集方式的影響也受處理技術的影響,探究適宜的廢棄食物收集及處理系統(tǒng)對于綠色產(chǎn)業(yè)鏈的構(gòu)建具有重要意義；管理者與政策制定者通過產(chǎn)品綠色認證、生態(tài)標簽等方式可引導消費者,著力推進農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的綠色生產(chǎn)與消費。探究不同利益相關者的行為和偏好及其對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的影響應是農(nóng)業(yè)LCA研究的一個重要方向。