東北地區(qū)玉米全生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)

龔卓炫，李楊楊，陳舒婷

(北京工商大學(xué)，北京100048)

1 引言

自20世紀(jì)60年代以來，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)過程中的環(huán)境負(fù)荷是未來玉米可持續(xù)發(fā)展中必須要解決的問題。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)越來越重要。

2 LCA方法概述

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^程所涉及的環(huán)境問題進(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)已被越來越多的國(guó)際和組織所接受。

3 研究工具

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)。

4 研究?jī)?nèi)容

4.1 功能單位和系統(tǒng)邊界界定

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”全過程所涉及的環(huán)境問題進(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

3.2 模型建立與清單分析

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)的量化過程，清單分析過程由數(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)過程的水足跡為11 LH2Oe/kg[6－8]。此外，從肥料折算來看，玉米種植過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)過轉(zhuǎn)化即可填入模型中。化肥的上游數(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

3.3 影響評(píng)價(jià)

影響評(píng)價(jià)是全生命周期評(píng)價(jià)的核心內(nèi)容，此過程是對(duì)清單中的數(shù)據(jù)分類后通過特征化、標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)評(píng)估3個(gè)過程對(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)具體分類情況見表2。

3.3.2 特征化

特征化計(jì)算過程采用“當(dāng)量值”作為度量的尺度來衡量不同物質(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的量來代表酸化的程度。特征化計(jì)算過程可用下式計(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%。這一比例說明富營(yíng)養(yǎng)化是玉米生產(chǎn)過程中最為主要的污染形式。

3.5 影響評(píng)價(jià)

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自于化肥的生產(chǎn)過程。種植過程中所消耗的初級(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)藝措施減少土壤無效蒸發(fā)、通過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)全過程中產(chǎn)生的總環(huán)境負(fù)荷的70%。相較于其他過程所產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷類型，只有通過降低種植環(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%。總磷的貢獻(xiàn)率為34%。這表明了富營(yíng)養(yǎng)化的原因是種植過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)。總的來看，東北地區(qū)玉米生產(chǎn)過程環(huán)境負(fù)荷總潛力為0.24，是河南省總潛力值0.532的45%。說明在東北地區(qū)大規(guī)模種植玉米是更綠色的選擇。

4 結(jié)論

(1)本研究選取的個(gè)環(huán)境影響類型對(duì)整個(gè)過程所產(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%。說明富營(yíng)養(yǎng)化是玉米生產(chǎn)過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)來說，選擇東北地區(qū)的玉米更加環(huán)保。但此結(jié)果并沒有考慮運(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。