利用生命周期評價法評價農作物秸稈人造板的環境特性

李曉平，周定國，于艷春

（1.西南林學院 木質科學與裝飾工程學院，云南 昆明 650224；2.南京林業大學 木材工業學院，江蘇 南京 210037；3.南京林業大學 土木工程學院，江蘇 南京 210037）

中國是一個森林資源嚴重缺乏的國家［1］。利用農作物秸稈生產人造板是緩解中國木材資源供應不足的可行途徑。開發秸稈人造板的研究受到了政府、科研機構、企事業單位和科研工作者的重視和關注［2］，目前，在中國已建成稻麥草秸稈板生產線 40萬m3·a－1［3］。人們了解得比較多的就是在某些農作物秸稈人造板生產中使用異氰酸酯膠黏劑，該板材在使用過程中是環保的，但還沒有一個對農作物秸稈的整體環境特性進行綜合評價的體系。筆者首次利用生命周期評價法（LCA，life cycle assessment）對農作物秸稈的環境特性進行定性評價，并與木質人造板的環境特性進行比較，以分析利用農作物秸稈生產人造板對環境造成的影響和相對木質人造板的環境特性存在的優勢和不足。

1 生命周期評價法的內涵和應用現狀

生命周期評價法是研究從原材料獲得到生產、使用和報廢處置等整個產品生命期對所可能涉及的環境潛在影響的方法，最早出現在20世紀60年代末70年代初的美國。1997年，ISO 14040標準在《環境管理-生命周期評價-原則與框架》中規定，生命周期評價法分析必須包括目標與范圍的確定、清單分析、影響評價和改善評價等4個相關的步聚［4－5］。

目前，生命周期評價法作為一種環境管理工具已普遍被用于評價建筑材料、包裝材料、金屬材料、燃料、紡織材料和水環境等的環境特性研究和管理［6－12］。但將生命周期評價法用于木質材料（包括人造板和木材）方面的研究還較少，目前只能查閱到少量的文獻資料。Takuyuki等［13］利用生命周期評價法對森林砍伐剩余物用作能源的碳平衡和能源平衡進行了研究。孫啟祥［14］從生命周期的角度分析了木材的環境友好性。薛擁軍等［15］以中密度纖維板為研究對象，采用生命周期評價法，分析了中國現階段中纖板生產和使用過程的資源利用、能源消耗、污染物的產生和廢棄物的利用等因素對環境的影響。而對農作物秸稈人造板進行全生命周期評價的研究現在還沒有。

2 對秸稈人造板的環境特性進行評價

2.1 目標與研究范圍確定

主要對農作物秸稈人造板在生產和使用過程中可能對環境造成的影響進行分析評價。通過生命周期清單分析來識別和評價秸稈人造板在整個生命周期中存在的主要環境影響。該板材的整個生命周期主要包括生產線建設、生產加工、銷售（包括包裝與運輸）、使用和廢棄后處理等5個主要階段，其中每一階段包括不同的工藝過程，如生產加工主要包括原料收購、原料單元加工、篩選和干燥、施膠、鋪裝和預壓、熱壓成型、冷卻、調質處理和砂光處理等9個工藝過程。確定了生命周期后，再確定系統邊界，標注系統的輸入和輸出，其生命周期系統如圖1所示。

圖1 秸稈人造板生命周期系統Figure 1 The life cycle of the crop stalks based board

2.2 秸稈人造板的清單分析

根據生命周期清單分析的思想，對秸稈人造板和木質人造板的生命周期各階段與環境影響有關的信息進行收集和分析，得到清單（表1）；由于人造板的種類較多，板種不同會對環境造成不同的影響，具體的生命周期也不同。這是一個非常復雜的系統，為了將復雜問題進行簡化，筆者只列出了人造板生命周期中的定性清單?；旧现伙@示出了人造板生產過程中能量、物質的輸入流和輸出流，而對于人造板各個環節的能量、物質輸入流和輸出流有待進一步研究和探討。通過這個清單可以了解利用木材和農作物秸稈制造人造板對環境可造成的負面影響，并分析利用農作物秸稈生產人造板相對于利用木質材料生產人造板有可能產生的積極因素和負面影響。

2.3 影響評價

從表1可得，在人造板生產的各個階段都會對環境造成不同的影響。下面將具體分析在人造板的整個生命周期中各項資源的投入和造成的影響狀況，比較各項資源投入在秸稈人造板和木質人造板生產過程中的差異性和優劣性。資源投入包括土地、鋼材、混凝土、玻璃、纖維材料、化工材料、化石能源、人力、電力和水資源等。

2.3.1 土地投入 在人造板的生產過程中，生產線的建設和纖維原料的生產都需要占用土地資源。農作物秸稈人造板與木質人造板不同之處在于，農作物秸稈是農作物的廢棄物，可以認為農作物秸稈人造板只有在生產線建設時才會占用土地，而木質人造板在原料生產即木材生長時和廠房建設時都會占用土地。利用 “農民-經紀人-企業”三位一體的原料收集模式，可以很好地解決農作物秸稈結構蓬松，堆積密度小，季節性等問題。一方面，相對木質人造板，在農作物秸稈人造板生產時就需要較大的原料堆場；另一方面，利用2 hm2農地生產的稻麥草來制造的人造板就相當于1 hm2林地生產的木材制造的人造板數量，而利用1 hm2農地蓖麻Ricinus communis稈生產的人造板就相當于1 hm2林地生產的木材制造的人造板數量?？梢姡M管利用農作物生產人造板需要較大的原料堆場，但同時也可以節約數量相當可觀的林地面積即減少了植樹造林所需要的土地面積。利用667 hm2農地的農作物秸稈，就可以節約林地面積即土地面積333～667 hm2，相對而言農作物秸稈人造板在生產線建設期間占用的土地面積可以忽略不計。

2.3.2 鋼材、混凝土、玻璃 人造板生產中所需要的鋼材主要集中在廠房建設、設備制造方面；而所需要的混凝土和玻璃主要集中于人造板的廠房建設階段；制造這些材料需要消耗能量，并向外界排放二氧化碳和二氧化硫等空氣污染物。但廠房的建造和人造板設備的制造（在生產線規模在一定的范圍內時），主要取決于生產線的產量大小，設計者的實際經驗和水平，而與原料種類關系不明顯。鑒于中國目前的人造板生產現狀，可以認為，農作物秸稈人造板和木質人造板在鋼材、混凝土和玻璃等材料的消耗上沒有明顯差異。

2.3.3 纖維原料 纖維原料是人造板生產的主要原料，包括農作物秸稈和木質材料。農作物秸稈是農作物的廢棄物，由于人們生活水平的提高，目前農民通常將農作物秸稈就地焚燒，焚燒1 t的農作物秸稈就可向大氣中排放二氧化碳1.6 t，吸收氧氣1.2 t［14］，同時還產生粉塵和煙塵等污染物，既污染環境又影響交通。如果利用這1 t的農作物秸稈來生產人造板，就可以儲存二氧化碳1.6 t，同時節約氧氣1.2 t。與此同時，如果這1 t的農作物秸稈是稻麥草，則可以節約林地0.067 hm2，如果是蓖麻稈則可以節約林地 0.093 hm2。0.067 hm2林地可以吸收二氧化碳 1.06 t·a－1，釋放氧氣 0.8 t·a－1?？梢?，利用1 t的農作物秸稈來制造人造板，可以減少空氣中二氧化碳2.66～3.08 t，增加氧氣2.00～2.32 t，也就相當于增加造林0.017～0.193 hm2?？梢姡棉r作物秸稈來生產人造板在減少溫室效應，保護生態方面具有非常積極的作用。但是，在人造板的生產過程中可產生邊角料、粉塵等固體廢棄物，既浪費了資源、增加了產品的生產成本又造成了環境污染。

2.3.4 化工原料 化工原料主要來源于人造板所使用的膠黏劑方面。目前，農作物秸稈人造板與木質人造板差異最大的地方在于：農作物秸稈人造板使用異氰酸酯或脲醛樹脂膠黏劑，因農作物秸稈種類和秸稈人造板板種的不同而不同；木質人造板主要使用脲醛樹脂膠黏劑。由于膠黏劑不同，導致了有機揮發物的差異；異氰酸酯膠黏劑的揮發物為異氰酸酯，劇毒，可對操作工人的身體造成嚴重損害，但在產品的使用過程中為綠色產品，不對人體造成任何傷害。而脲醛樹脂膠的主要揮發物為甲醛，在板材的生產和使用過程中都會不斷地揮發出來，對人體健康造成不利影響。

2.3.5 化石能源消耗 包括石油、天然氣和煤，主要集中在原料運輸、產品生產和運輸階段。隨著能源的消耗也伴隨著空氣污染物（二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物），熱污染和固體污染物（灰渣、煙塵）的排放。石油資源的消耗主要集中于原料、生產設備和產品的運輸方面，原料運輸主要取決于原料的運輸半徑，生產設備和產品運輸主要取決于生產線廠址的選擇、經營者的水平和人造板的需求狀況?？梢哉J為農作物秸稈人造板和木質人造板的生產設備和產品運輸的半徑是相同的。在石油消耗的差異方面，主要取決于原料的運輸半徑。農作物秸稈雖然結構蓬松，但分布較普遍，比如一條年產5萬m3的稻草人造板生產線，在稻草資源豐富地區的收購半徑只需要30～50 km即可，而一條年產10萬m3的木質中密度纖維板生產線的的原料運輸距離可達100 km［15］?？梢?，在原料運輸半徑上木質人造

板并不占有優勢。天然氣和煤的消耗主要集中于產品的生產階段，包括原料的制備、干燥和熱壓等工藝，在一定的條件下對于能源的消耗主要取決于人造板的制造工藝和經營者的管理水平，受原料種類的影響不大，可認為農作物秸稈人造板與木質人造板在消耗煤和天然氣方面差異不明顯。另外，石油、天然氣和煤的燃燒會造成灰渣和煙塵等固體污染物，但由于農作物秸稈人造板和木質人造板對這些材料的消耗無明顯差異，可認為由該材料的使用造成的環境污染也不明顯。

表1 人造板生命周期清單的定性分析Table 1 Qualitative analysis of life cycle listing on the man-made board

2.3.6 人力 在人造板的生產線建設、原料收集、產品生產、產品銷售以及產品的后處理等各個階段均有投入。由于農作物秸稈的季節性和堆積密度小等特點，相對于木質人造板，單位產品消耗的人力資源較大。但結合中國的人力資源現狀，人力資源消耗大更利于解決中國的人口就業問題，所以在此方面利用農作物秸稈生產人造板并不會產生負面影響。

2.3.7 電力 分布于人造板的生產線建設和產品生產階段。在生產線建設階段，主要取決于外部環境，包括場地選擇、工人的操作熟練程度和管理者的水平，與原料種類的關系不大，可認為農作物秸稈與木質人造板消耗的電能是相同的。在產品生產階段，消耗電能的環節常因板種的不同而不同，而農作物秸稈相對木質材料而言，質地較軟，結構蓬松，更易于進行切削、熱磨和干燥等，與木質人造板相比不存在明顯的劣勢。

2.3.8 水資源 水資源的消耗同樣會因板種的不同而產生差異，在刨花板生產過程中主要集中于膠黏劑的生產階段，而在中密度纖維板的生產過程中主要集中于纖維制備和膠黏劑制造2個階段，而與原料的種類沒有多大關系，可以認為，農作物秸稈人造板與木質人造板所消耗的水資源是相同的，而水污染的形成也取決于水資源的消耗和人造板的板種。

由上可見，鑒于中國的人造板生產現狀，利用農作物秸稈生產人造板相對木質人造板在保護土地資源、固碳和保護森林資源方面都具有明顯的優勢，而在鋼材、混凝土、玻璃、化石能源、人力、電力和水資源等消耗方面和木質人造板無明顯差異。但是，隨著中國人造板工業的發展，人造板生產線的增加，木質人造板的規模效益將越來越明顯，農作物秸稈人造板則由于受到原料制約，其生產規模不能太大，屆時農作物秸稈人造板的環保效益將不明顯，為了充分發揮農作物秸稈的環保效益，加快農作物秸稈人造板的工業化發展速度，提出如下的改善評價。

2.4 改善評價

2.4.1 加快生產設備的標準化進程 提高設備的循環利用率，延長設備的使用壽命，比如某些完好的零件在舊的機器報廢后，不經過任何加工就可與新的設備重新組裝，以減少鋼材用量。

2.4.2 提高廠址的選擇水平，企業的管理水平和經營水平 首先，在建設農作物秸稈人造板生產線時，要充分調查當地的農作物秸稈資源狀況、人造板需求狀況和交通狀況，以盡可能減少原料、產品的運輸半徑，減少對石油資源的消耗，并根據農作物秸稈的資源狀況和人造板的生產規模，計算出原料的最佳收購半徑。其次，充分利用和借助科研工作者的力量，研究和確定出農作物秸稈人造板的最佳生產工藝，以減少對能源的消耗和由此帶來的環境污染。最后，提高產品生產效率，實現滿負荷生產和無故障運行，可以進一步減少人造板生產過程中所需要的熱能和電力。

2.4.3 充分進行廢物再利用 首先，利用人造板生產中產生的固體粉塵、固體廢棄物和邊角料來做燃料，以提供生產時所需要的熱能，既可減少固體廢棄物造成的環境污染，又可減少對天然氣和煤的消耗，燃燒剩下的灰渣還可作為鉀肥還田，以減少秸稈使用對土地肥力造成的影響。此外，利用秸稈廢料作燃料還可減少二氧化硫氣體的排放，因為秸稈材料中的含硫量比標準煤的少得多［16］，僅為標準煤的3.6%；而由秸稈材料燃燒排放的二氧化碳又可以被農作物秸稈所吸收，是一個碳平衡過程，不會增加環境負荷；還可減少煤燃燒所產生的灰渣造成的環境污染。其次，充分利用生產中所產生的廢熱，采用循環水或循環蒸汽形式，以盡可能減少生產過程中向空氣中排放的廢熱，并節約能源，減少水消耗和水污染。

2.4.4 提高經營者的環保意識 首先，在人造板的生產過程中采取合理的措施，以控制人造板生產過程中可產生的粉塵、有機揮發物和噪音污染，營造一個真正的綠色、無污染的生產環境，以保證工人的身心健康。其次，利用游離甲醛含量低的膠黏劑或者不含甲醛的膠黏劑（比如異氰酸酯膠黏劑）進行制板，對利用脲醛樹脂制造的板材進行后處理或者將板材進行密封處理以減小板材在使用過程中的游離甲醛釋放對人體造成的傷害。最后，呼吁廣大消費者在產品的壽命期結束后，盡量不要采取燃燒的方式進行處理，可采用掩埋或交由相關部門進行集中掩埋、制造燃料、粉碎還田或二次利用的方式進行處理，以減少農作物秸稈人造板的后處理對環境和農作物秸稈使用對土地肥力造成的負面影響。

3 結論

現階段，利用農作物秸稈制造人造板與利用木質材料制造人造板相比，可產生明顯的生態效益：利用0.067 hm2農地的農作物秸稈就可使333～667 hm2的土地免于造林，同時也可保護333～667 hm2的林地不被砍伐；還可起到固碳的作用。利用0.067 hm2農地的農作物秸稈來生產人造板就相當于增加了0.167～0.194 hm2的林地對二氧化碳的吸收和對氧氣排放。

為了使利用農作物秸稈生產的人造板能夠適應人造板工業的發展要求和更加綠色環保，筆者建議，利用農作物秸稈生產人造板應加快人造板生產機械標準化，提高廠址的選擇水平、企業的管理水平、經營水平和環保意識，并充分進行廢物再利用，以盡可能減少農作物秸稈人造板生產過程中消耗的鋼材、化石能源、電力和水資源等，并減小因能源消耗而產生的環境污染、人體傷害和對土地肥力造成的影響。

［1］沈北靈.我國木材進口分析［J］.林產工業，2004，31（6）：6－9.SHEN Beiling.Analysis on wood import of China［J］.China For Prod Ind，2004，31（6）：6－9.

［2］于文吉，馬紅霞，王天佑，等.農作物秸稈人造板發展現狀與應用前景［J］.木材工業，2005，19（4）：5－8.YU Wenjie，MA Hongxia，WANG Tianyou，et al.Current markets and potential applications for agrifiber based panels in China［J］.China Wood Ind，2005，19（4）：5－8.

［3］周定國，張洋.我國農作物秸稈材料產業的形成與發展［J］.木材工業，2007，21（1）：5－8.ZHOU Dingguo，ZHANG Yang.The development of straw based composites industry in China［J］.China Wood Ind，2007，21（1）：5－8.

［4］CONSOLI F，ALLEN D，BOUSTED I，et al.Guidelines for Life-Cycle Assessment：A Code of Practice［M］.Sesimbra：Society of Environmental Toxicology and Chemistry，1993.

［5］ISO/DIS14040.Environmental Management-Life Cycle Assessment-Part：Principles and Framework［S］.1997.

［6］顧道金，朱穎心，谷立靜.中國建筑環境影響的生命周期評價［J］.清華大學學報：自然科學版，2006，46（12）：1953－1956.GU Daojin，ZHU Yingxin，GU Lijing.Life cycle assessment for China building environment impacts［J］.J Tsinghua Univ Sci Technol，2006，46（12）：1953－1956.

［7］張培，田長生，黃志甲.鋼鐵產品生命周期影響評價方法［J］.安徽工業大學學報，2007，24（1）：84－88.ZHANG Pei，TIAN Changsheng，HUANG Zhijia.Life cycle impact assessment method for iron and steel products［J］.J Anhui Univ Technol，2007，24（1）：84－88.

［8］胡志遠，譚丕強，樓狄明.不同原料制備生物柴油生命周期能耗和排放評價［J］.農業工程學報，2006，22（11）：141－146.HU Zhiyuan，TAN Piqiang，LOU Diming.Assessment of life cycle energy consumption and emissions for several kinds of feed stock based biodiesel［J］.Trans CSAE，2006，22（11）：141－146.

［9］湯傳毅，萬融.棉紡織品的生命周期清單分析［J］.上海紡織科技，2003，31（6）：1－3.TANG Chuanyi，WAN Rong.The life cycle in ventory on cottontextiles［J］.Shanghai Text Sci Technol，2003，31（6）：1－3.

［10］王曉昌，王巧，熊家晴.寶雞市城市水環境系統 LCA研究［J］.西安建筑科技大學學報：自然科學版，2006，38（6）：741－745.WANG Xiaochang，WANG Qiao，XIONG Jiaqing.Life cycle assessment of urban water environment system in Baoji City［J］.J Xi’an Univ Arch Technol Nat Sci Ed，2006，38（6）：741－745.

［11］任輝，楊印生，曹利江.食品生命周期評價方法及其應用研究［J］.農業工程學報，2006，22（1）：19－22.REN Hui，YANG Yinsheng，CAOLijiang.Food life cycle assessmentmethod and its application［J］.Trans CSAE，2006，22（1）：19－22.

［12］鐘東階，王家青.產品生命周期理論在汽車制造業中的應用［J］.機床與液壓，2007，35（5）：51－52.ZHONG Dongjie，WANG Jiaqing.The application of life cycle assessment in motor production［J］.Mach Tool & Hydraul，2007，35（5）：51－52.

［13］TAKUYUKI Y，KAZUHIRO A，TOSHIO N，et al.Energy and carbon dioxide（CO2）balance of logging residues as alternative energy resources：system analysias based on the method of a life cycle inventory（LCI）analysis［J］.J For Res，2005，10：125－134.

［14］孫啟祥.從生命周期角度評估木材的環境友好性［J］.安徽農業大學學報，2001，28（2）：170－175.SUN Qixiang.Assessment on environmental friendly characteristics of wood from angle of life cycle［J］.J Anhui Agric U-niv，2001，28（2）：170－175.

［15］薛擁軍，向仕龍，劉文金.中密度纖維板產品的生命周期評價［J］.林業科技，2006，31（6）：47－49.XUE Yongjun，XIANG Shilong，LIU Wenjin.Life cycle assessment of MDF［J］.For Sci Technol，2006，31（6）：47 －49.

［16］尚琳琳，程世慶，王憲紅，等.生物質與3種不同變質程度的煤混合熱解 H2S析出規律［J］.節能技術，2007，25（5）：410－412.SHANG Linlin，CHENG Shiqing，WANG Xianhong，et al.Investigation of the characteristics of H2S released from biomass and coals of different metamorphic grade blends during co-pyrolysis［J］.Energy Conserv Technol，2007，25（5）：410－412.