棉花碳水足跡的核算與評(píng)價(jià)研究

李佳慧 丁雪梅 吳雄英

(1.東華大學(xué)，上海，200051；2.上海海關(guān)，上海，200135)

紡織領(lǐng)域?qū)W者將碳足跡和水足跡理論體系與生命周期評(píng)價(jià)方法相結(jié)合運(yùn)用于行業(yè)發(fā)展研究，以期通過量化評(píng)估紡織行業(yè)所產(chǎn)生的溫室氣體排放及與水資源相關(guān)的潛在環(huán)境影響，進(jìn)一步制定應(yīng)對(duì)措施以緩解紡織服裝產(chǎn)業(yè)所產(chǎn)生的“高能耗，高水耗，高排放，重污染”問題。目前碳水足跡研究在紡織服裝領(lǐng)域的應(yīng)用聚焦于工業(yè)生產(chǎn)階段。針對(duì)紡織產(chǎn)品原材料階段精確有效的碳水足跡核算評(píng)價(jià)體系尚未建立。棉花作為棉紡織行業(yè)的主要原料，種植過程中大量的水、農(nóng)藥化肥及其他農(nóng)資投入增加了棉紡織產(chǎn)業(yè)發(fā)展的資源環(huán)境壓力。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)棉花種植過程產(chǎn)生的環(huán)境影響進(jìn)行分析，但依然存在評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、核算清單不完善、核算結(jié)果差異較大的問題。紡織服裝產(chǎn)品原材料階段碳水足跡核算是完善紡織產(chǎn)品全生命周期評(píng)價(jià)研究中必不可少的一步，有助于我國(guó)紡織產(chǎn)業(yè)從原材料階段源頭上做好節(jié)能減排把控。

本文回顧了碳水足跡理論在紡織行業(yè)的應(yīng)用，梳理了現(xiàn)有關(guān)于棉紡織產(chǎn)品原材料階段碳水足跡研究在系統(tǒng)邊界確定、評(píng)價(jià)方法選取、清單分析、數(shù)據(jù)來源等方面所存在的問題，構(gòu)建了棉花碳水足跡評(píng)價(jià)方法框架。

1 碳水足跡理論及其應(yīng)用現(xiàn)狀

碳足跡是由英國(guó)學(xué)者提出的用于量化人類活動(dòng)過程中直接和間接的溫室氣體排放量指標(biāo)[1-2]，特別適用于評(píng)價(jià)與產(chǎn)品、部門等中小范圍的計(jì)算分析產(chǎn)品或活動(dòng)對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)程度[3]。英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)、國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)化組織分別發(fā)布了商品和服務(wù)在生命周期內(nèi)的溫室氣體排放評(píng)價(jià)規(guī)范PAS2050:2008《產(chǎn)品碳足跡 量化與溝通的要求和指南》、紡織產(chǎn)品全生命周期溫室氣體排放評(píng)價(jià)規(guī)定PAS2395：2014《規(guī)范溫室氣體(GHG)排放的紡織產(chǎn)品的整個(gè)生命周期的評(píng)估》、ISO14067《溫室氣體 產(chǎn)品的碳排放量 量化和通信的要求和指南》等指南或標(biāo)準(zhǔn)，明確了產(chǎn)品碳足跡計(jì)算方法。水足跡是用于量化與水相關(guān)潛在環(huán)境影響的指標(biāo)[4]。水足跡評(píng)價(jià)技術(shù)著眼于水資源管理及水污染監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，可以幫助更好地理解與水相關(guān)的潛在環(huán)境影響。水足跡網(wǎng)絡(luò)(water footprint network，WFN)水足跡評(píng)價(jià)工作手冊(cè)及ISO14046《環(huán)境管理 水足跡 原則，要求和指導(dǎo)原則》標(biāo)準(zhǔn)兩個(gè)理論體系被廣泛應(yīng)用。隨著碳水足跡評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的出臺(tái)更新，學(xué)者對(duì)紡織品碳水足跡核算框架、方法、系統(tǒng)邊界、指標(biāo)體系等要點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)解析[5-6]并運(yùn)用到各類產(chǎn)品(棉紡織[7]、絲綢[8]、羊絨[9]、滌綸[10]等)生產(chǎn)加工階段的生命周期分析及核算實(shí)踐中。還對(duì)核算的基礎(chǔ)性問題(能源[11]、物料系數(shù)[12]，區(qū)域水壓力指數(shù)[13]、灰水足跡系數(shù)[14]、核算分配方法[15])進(jìn)行了探討。核算結(jié)果分析從物質(zhì)投入貢獻(xiàn)率鏈段碳水足跡構(gòu)成、過程影響評(píng)價(jià)著手。陳麗竹等從企業(yè)管理角度建立了節(jié)水評(píng)價(jià)績(jī)效工具[16]、溫室氣體排放管理評(píng)估系統(tǒng)[17]及能源資源管理[18]及碳水足跡標(biāo)簽體系[19]。而追溯到上游原材料階段及下游的使用、廢棄階段的研究，由于生命周期清單復(fù)雜，數(shù)據(jù)獲取困難，目前評(píng)價(jià)研究成果少有。

2 棉花碳水足跡核算與評(píng)價(jià)研究的問題

2.1 系統(tǒng)邊界的確定

碳水足跡評(píng)價(jià)應(yīng)根據(jù)研究目的給出清晰的系統(tǒng)邊界、組織邊界、時(shí)空邊界及研究詳細(xì)程度等說明。碳水足跡核算的時(shí)間邊界按照棉紡織生產(chǎn)工藝鏈進(jìn)行劃分。許菁等[20]將原材料階段分為棉花生產(chǎn)和棉紗生產(chǎn)；姚蕾[21]、鄧曉軍[22]、CHICO D[23]則將棉花作物生長(zhǎng)過程和棉花加工過程劃分為原材料階段。空間邊界不一致導(dǎo)致各個(gè)核算結(jié)果無法相比。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)W者從作物種植角度核算了棉花生產(chǎn)從播種到收獲整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的碳投入、碳產(chǎn)出總量[24]及水足跡[25-26]，主要考量碳排放的環(huán)境影響，對(duì)生命周期中涉及的生物碳及過程中的碳存儲(chǔ)效應(yīng)鮮有涉及。因評(píng)價(jià)技術(shù)方法和原則不明確，在系統(tǒng)邊界問題上未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，紡織工業(yè)部門對(duì)棉花原材料階段的統(tǒng)一評(píng)估方法未得到規(guī)范。

2.2 核算與評(píng)價(jià)方法

將國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)或認(rèn)可度較高的規(guī)范作為評(píng)價(jià)依據(jù)，可以保證核算與評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性、透明性、一致性、可再現(xiàn)性、可信性。紡織領(lǐng)域在PAS 2050規(guī)范的指導(dǎo)下對(duì)棉氨混紡織物[27]、純棉普梳紗[28]等產(chǎn)品碳足跡核算中涵蓋了部分原材料階段核算研究。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域多基于投入產(chǎn)出法，分析棉花種植中各類農(nóng)場(chǎng)投入要素和農(nóng)業(yè)活動(dòng)的能量消耗，利用對(duì)應(yīng)的溫室氣體排放系數(shù)加權(quán)求和得到全球增溫潛勢(shì)值。但由于碳足跡的定義尚未統(tǒng)一，溫室氣體界定范圍不一致，排放參數(shù)獲取途徑各異，導(dǎo)致最終相關(guān)核算結(jié)果單位不統(tǒng)一(按棉花單位面積、單位產(chǎn)量、單位生物量計(jì)算)，缺乏可比性。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域多基于WFN水足跡評(píng)價(jià)手冊(cè)的水資源分類方式，利用CROPWAT模型中作物系數(shù)法或灌溉制度法，對(duì)棉花種植的水資源消耗及污染展開評(píng)估。紡織領(lǐng)域?qū)W者近年來開始使用新出臺(tái)的ISO14046標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行紡織產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡評(píng)價(jià)。由于目前還未出現(xiàn)能將數(shù)據(jù)清單與水資源潛在環(huán)境影響準(zhǔn)確一致聯(lián)系在一起的公認(rèn)方法學(xué)，各不同影響類型的水足跡計(jì)算基本采用Pfister等國(guó)外學(xué)者所構(gòu)建的方法[29]。

2.3 清單分析

對(duì)棉花原材料階段的各個(gè)過程及相關(guān)的輸入輸出進(jìn)行詳盡梳理，主要單元過程為棉花種植過程及軋棉加工過程。因研究目的及核算范圍不同，現(xiàn)有研究所梳理的碳足跡清單詳細(xì)程度各異，主要核算了各類能源消耗、化肥農(nóng)藥等物料投入。機(jī)械損耗、土壤碳變化、生物碳存儲(chǔ)等因素暫時(shí)未被廣泛納入碳足跡核算中。棉花生產(chǎn)用水主要體現(xiàn)在棉花栽培種植及灌溉等環(huán)節(jié)，基本借助用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織 (FAO)推薦的Penman-Monteith公式、CROPWAT等國(guó)際通用模型模擬估算出作物蒸散發(fā)量作為消耗的藍(lán)綠水足跡。但在實(shí)際種植中，由于土壤水分限制、灌溉渠系水利用效率的差異，基于理想狀態(tài)建立的估算通用模型的擬合效果有待討論。水污染僅考慮施加氮肥造成的地下水體富營(yíng)養(yǎng)化影響，而實(shí)際上施加的肥料、植物保護(hù)化學(xué)品及農(nóng)膜投入均會(huì)對(duì)不同水體造成不同程度的水質(zhì)變化。

2.4 數(shù)據(jù)來源

核算與評(píng)價(jià)需搜集初級(jí)或次級(jí)活動(dòng)水平數(shù)據(jù)及碳足跡排放系數(shù)、水足跡特征化因子等數(shù)據(jù)。棉花作物數(shù)據(jù)、資源能耗等活動(dòng)水平數(shù)據(jù)可依據(jù)實(shí)際工藝技術(shù)資料或農(nóng)戶固定觀察、問卷調(diào)研獲取，或從國(guó)家統(tǒng)計(jì)年鑒、農(nóng)業(yè)技術(shù)指導(dǎo)意見等相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料中獲取。碳排放系數(shù)一般選取中國(guó)生命周期數(shù)據(jù)庫(kù)(CLCD)、Ecoinvent 數(shù)據(jù)庫(kù)、IPCC排放因子數(shù)據(jù)庫(kù)等國(guó)家、聯(lián)合國(guó)認(rèn)可的數(shù)據(jù)庫(kù)，或使用SimaPro和GaBi等LCA軟件數(shù)據(jù)庫(kù)，或引用受同行評(píng)審后廣泛認(rèn)可的專家學(xué)者研究的排放系數(shù)。但各類數(shù)據(jù)庫(kù)所采用的排放系數(shù)形式多樣，如能源輸入平均排放因子(千克CO2e/千克燃料、千克CO2e/MJ電力或熱量、噸/噸)單位各異，使得計(jì)算結(jié)果難以統(tǒng)一。灰水足跡通常選取氮肥施用量的10%作為淋失量或采用GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的限額數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。由于中國(guó)生命周期數(shù)據(jù)庫(kù)尚未提供健全的參數(shù)支持，核算過程中采用國(guó)外參數(shù)對(duì)核算結(jié)果的準(zhǔn)確性造成一定影響。

3 棉花碳水足跡評(píng)價(jià)方法構(gòu)建

為了實(shí)現(xiàn)紡織產(chǎn)品碳水足跡評(píng)價(jià)從搖籃到墳?zāi)沟娜芷诟采w，針對(duì)上述提及的問題，以棉紡織產(chǎn)品為例對(duì)其原材料階段開展評(píng)價(jià)研究，本文構(gòu)建了棉花碳水足跡評(píng)價(jià)方法框架以更全面地反應(yīng)棉花在全生命周期中的環(huán)境影響。

3.1 目的與系統(tǒng)邊界

按照棉紡織產(chǎn)品生產(chǎn)工藝鏈特點(diǎn)，系統(tǒng)時(shí)間邊界設(shè)定為從棉花種植到加工為止，空間邊界為時(shí)間邊界內(nèi)所涉及溫室氣體及水資源的投入與產(chǎn)出。根據(jù)PAS 2395要求，人工、工廠、設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施投入被排除在邊界外，運(yùn)輸部分由于信息來源不詳也被排除在外。設(shè)定核算評(píng)價(jià)的功能單位為每千克皮棉，因此在核算過程中需要根據(jù)棉花纖維及種子的重量比例、價(jià)值量比例對(duì)種植階段的碳水足跡進(jìn)行合理分配。可見棉花品類、產(chǎn)地氣候、土壤條件及施肥、灌溉等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平差異都會(huì)影響棉花的碳水足跡。

3.2 評(píng)價(jià)依據(jù)

碳足跡評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用針對(duì)紡織產(chǎn)品的PAS 2395：2014，將碳足跡定義為每功能單位紡織工業(yè)產(chǎn)品在生命周期內(nèi)直接或間接排放及抵消的包含二氧化碳、甲烷、氧化亞氮在內(nèi)的多種溫室氣體排放量?jī)糁担远趸籍?dāng)量來計(jì)算。相較PAS 2050，PAS 2395提供了紡織品制造全生命周期中溫室氣體(GHG)排放評(píng)估要求及規(guī)范，明確了如何在紡織產(chǎn)品工業(yè)部門統(tǒng)一應(yīng)用評(píng)估方法的具體要素，解決了全球變暖潛能值(GWP)的單一影響類別的評(píng)估。水足跡評(píng)價(jià)采用ISO14046作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，彌補(bǔ)了WFN僅以水量數(shù)值作為評(píng)估結(jié)果的缺陷，利用水稀缺足跡和水劣化足跡更加直觀反映棉花生產(chǎn)過程對(duì)水量和(或)水質(zhì)的變化所導(dǎo)致的潛在環(huán)境影響。PAS2395與ISO14046 遵從了ISO14044《環(huán)境管理 產(chǎn)品壽命周期評(píng)價(jià)，要求和導(dǎo)則》的生命周期分析理論框架，在基礎(chǔ)評(píng)估原則及方法學(xué)框架一致，可在同一系統(tǒng)邊界內(nèi)進(jìn)行碳水足跡評(píng)價(jià)。

3.3 清單分析

棉花原材料階段碳水足跡清單可分為輸入和輸出兩部分，梳理得到清單如圖1所示。碳足跡主要來自灌溉用電，耕作及收獲、軋棉加工過程中農(nóng)業(yè)機(jī)械燃料消耗的排放，化肥、農(nóng)藥等農(nóng)用化學(xué)品、地膜等農(nóng)資投入生產(chǎn)及運(yùn)輸過程中的排放以及農(nóng)田土壤N2O 直接排放。除了涉及溫室氣體排放的育種播種、秸稈還田等常規(guī)種植操作之外，需將棉花中生物碳存儲(chǔ)量(以CO2計(jì))計(jì)算所有與棉纖維有關(guān)的碳存儲(chǔ)影響[30]。棉花遭受疾病及蟲害的可能性大于一般作物，所需的殺蟲劑和除草劑的量高于其他作物，須將植物保護(hù)化學(xué)品及營(yíng)養(yǎng)劑的生產(chǎn)、包裝、存儲(chǔ)和運(yùn)輸產(chǎn)生的溫室氣體排放盡可能詳盡記錄核算。棉花種植直接水足跡由作物蒸發(fā)蒸騰量、有效降雨量及灌溉用水量等綜合決定。因區(qū)域的灌溉渠系水利用效率存在差異，需對(duì)計(jì)算灌溉需求水量的通用模型進(jìn)行校正。肥料及其他農(nóng)資投入的間接水足跡核算有待進(jìn)一步完善。水劣化足跡評(píng)價(jià)除了考慮單一因子氮的淋失外，磷及其他農(nóng)藥造成的水質(zhì)污染也需探討。

3.4 數(shù)據(jù)來源

棉花原材料階段的初級(jí)活動(dòng)水平數(shù)據(jù)難以獲取，通過實(shí)際工藝技術(shù)資料、農(nóng)戶固定觀察、問卷調(diào)研獲取活動(dòng)水平數(shù)據(jù)，調(diào)研范圍和樣本量存在局限性。

基于我國(guó)國(guó)家及各省市地統(tǒng)計(jì)的氣象數(shù)據(jù)、作物數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算出棉花種植階段的用水量。我國(guó)不同地域棉產(chǎn)區(qū)生產(chǎn)技術(shù)條件、資源利用類型存在較大差異，核算過程中排放系數(shù)、特征因子盡可能選擇符合生產(chǎn)地情況的相關(guān)數(shù)據(jù)，如各地統(tǒng)計(jì)年鑒、農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)資料、環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒等官方統(tǒng)計(jì)資料可使評(píng)價(jià)結(jié)果更具代表性及可比性[31]。

圖1 棉花原材料階段碳水足跡清單

4 結(jié)論

在梳理碳水足跡理論在紡織業(yè)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，討論了棉花碳水足跡核算與評(píng)價(jià)中存在的問題，并構(gòu)建了棉花碳水足跡評(píng)價(jià)方法框架，明確了以下改進(jìn)方法，進(jìn)一步推進(jìn)了碳水足跡評(píng)價(jià)研究在紡織領(lǐng)域的全生命周期覆蓋。

(1)將棉紡織產(chǎn)品原材料階段界定為從棉花種植到加工為止，以每千克皮棉為功能單位進(jìn)行核算與評(píng)價(jià)。

(2)采用ISO14046 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)得到該階段的水可利用性及水劣化的環(huán)境影響。參照PAS 2395規(guī)范量化棉花種植加工過程的全球增溫潛勢(shì)。以精簡(jiǎn)化指標(biāo)與精煉化的結(jié)果直觀地體現(xiàn)該階段的資源環(huán)境影響。

(3)進(jìn)一步細(xì)化整合邊界內(nèi)的輸入輸出，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況構(gòu)建了碳水足跡清單，將生物碳存儲(chǔ)、灌溉用水、除草劑、殺蟲劑等多種農(nóng)用化學(xué)品、氮磷肥多種類型水污染因素納入碳水足跡評(píng)價(jià)范圍。

(4)根據(jù)我國(guó)棉花生產(chǎn)及能耗水耗實(shí)際情況完善棉花原材料階段數(shù)據(jù)庫(kù)，選用不同地域棉產(chǎn)區(qū)生產(chǎn)技術(shù)條件、資源利用類型選擇區(qū)域化特征參數(shù)可使評(píng)價(jià)結(jié)果更具準(zhǔn)確性、代表性及可比性。