碳氮足跡研究進展與展望

王曉旭，陳曉芳，衛凱平，黃 莉

(安徽理工大學 地球與環境學院，安徽 淮南 232001)

1 引言

氣候變化作為人類面臨最為嚴峻的全球環境問題，可能會導致冰川消融、糧食減產和物種滅絕等后果。氣候變化的主要原因是由于人類活動向大氣中排放過量的二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)等溫室氣體[1,2]。在聯合國政府間氣候變化專業委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC) 發布的第4次評估報告中，預測全球地表溫度將在未來100年內平均增加1.8～4.0 ℃，而全球氣溫升高4 ℃將導致不可預計的災難[3]。

氮是植物生長的必需養分之一，是構成蛋白質的主要成分，對植物的莖葉生長和果實發育有重要作用。由德國科學家Fritz Haber和Carl Bosch在20世紀初發明的將大氣中惰性氮轉化為氨的方法使得人類每年至少合1.5億t活性氮[4]，這對提高農作物產量，滿足人類不斷增加的食物需求方面起到了巨大作用。但是，另一方面，由于急劇增長的人為活性氮大量進入土壤、大氣和水體，造成環境污染和生態系統的損害，如水體富營養化、生物多樣性威脅、臭氧層破壞等嚴重影響。因此，定量評價人類生產生活方式對活性氮與溫室氣體排放的影響，減少活性氮與溫室氣體的排放是人類面臨的嚴峻挑戰[5,6]。

2 碳氮足跡的概念

“足跡”的概念是用來衡量人類生產活動所消耗的自然資源的方法[7]，這個概念最早由哥倫比亞大學的Rees 和Wackernagel提出的生態足跡所衍生而來，即要維持特定人口生存和經濟發展所需要的或者能夠吸納人類所排放的廢物的、具有生物生產力的土地面積[8]。

2.1 碳足跡

碳足跡最初在英國出現，起源于生態足跡的概念[9]，卻有其特有的含義[10]，即考慮了全球變暖潛能(GWP)的溫室氣體排放量的一種表征[11]。與碳足跡相關的研究很多，但鮮有人對碳足跡概念做出準確的界定。

Druckman等[12]認為碳足跡是由某一人類活動引起的二氧化碳排放總量，該過程可以是直接也可以是間接的，或是某一產品在其整個生命周期內所累積排放的二氧化碳總量。Matthews等[13]認為碳足跡是商品或者服務的整個生命周期內排放的溫室氣體總量，再次將生命周期分為生產、運輸、使用、處置四個階段。Barthelmie等[14]認為碳足跡是產品或者活動在其整個生命周期中產生的二氧化碳總量。Strutt等[15]認為碳足跡是某項人類活動在其整個生命周期或者特定某一個時段會排放的溫室氣體的量。Edwards-Jones等[16]認為碳足跡是商品在其生產、加工、銷售以及使用過程中的各個階段中會排放的溫室氣體的總量。Sinden等[17]認為碳足跡是產品在生命周期內產生的溫室氣體的影響，不僅僅會產生二氧化碳的排放，還會帶來其他影響。耿涌等[18]認為碳足跡是一項活動、一個產品(或服務)的整個生命周期，或者某一地理范圍內直接和間接產生的二氧化碳排放量(或二氧化碳當量排放量)。

本研究在結合所查閱數據的完整性和可適用性后，認為碳足跡在Matthews和耿涌所提出的關于碳足跡的概念的基礎上進一步修改比較合理：碳足跡是對由某種活動或某種產品生命周期內產生并積累的引起的(或某種產品生命周期內產生并積累的)直接或間接的二氧化碳排放量(或二氧化碳當量排放量)的度量。

2.2 氮足跡

氮足跡與碳足跡類似，也是生態足跡的組成部分[19]。氮足跡是在生態足跡概念基礎上, 為了定量評價人類生產生活方式對活性氮排放的影響而提出的。目前還沒有世界范圍內科學家所公認的氮足跡概念。氮足跡的概念最早由Leach和Galloway[20]在2010年首次提出，并認為由個人的食品和能源消耗所造成的流失到環境中的活性氮的總量視為個人氮足跡。基于碳足跡的概念，氮足跡可以表述為：由某種活動引起的(或某種產品生命周期內產生并積累的)直接或間接的活性氮排放量。

3 碳氮足跡的分類

由于氮足跡與碳足跡類似，在分類方法上也較為相似。對于兩者的分類，可根據研究對象和研究尺度等的不同，做出以下分類。

碳足跡可依據不同的研究對象分為產品碳足跡、企業碳足跡與個人碳足跡。產品碳足跡主要通過生命周期評價方法進行分析，是指產品或服務的整個生命周期中所產生并排放到環境中的二氧化碳排放量(或二氧化碳當量排放量)。企業碳足跡主要通過投入產出法進行分析，是指在企業所界定的范圍內所產生并排放到環境中的二氧化碳排放量(或二氧化碳當量排放量)。個人碳足跡可由碳足跡計算器等方法進行分析，是指個人在其社會生活與生產中所產生并排放到環境中的二氧化碳排放量(或二氧化碳當量排放量)[18]。

同樣，氮足跡也可依據不同的研究對象進行分類，主要包括產品氮足跡、企業氮足跡與個人氮足跡。產品氮足跡是指某種產品或者服務在其生產、運輸、消費等整個生命周期過程中所積累并排放至環境的活性氮總量。企業氮足跡是指企業在所劃定的范圍內由生產活動所產生并排放至環境的活性氮總量。個人氮足跡是指個人在社會的生活與生產中所產生并排放到環境的活性氮的總和[21]。

除了依據不同的研究對象進行分類，碳足跡還可依據不同的研究尺度分為家庭碳足跡、區域碳足跡、國家碳足跡和全球碳足跡。同樣，氮足跡也可由不同的研究尺度分為家庭氮足跡、區域氮足跡、國家氮足跡和全球氮足跡。

4 碳氮足跡模型研究進展

通過對不同研究對象的分析，可建立對應的碳氮足跡模型以進行其碳氮足跡計算。碳足跡模型主要依據研究對象在其整個生命周期過程進行建立，通過對其不同生命階段的碳排放進行分析，以核算并確定其直接和間接產生的二氧化碳排放量(或二氧化碳排放當量)，氮足跡模型通過生命周期評價方法與物質流分析方法對研究對象在活動過程中的氮素流動進行刻畫，以核算其在活動過程中排入環境中的活性氮總量[22]。目前這兩種足跡的研究方法基本上都是依據生命周期評價的基本原理，主要方法有兩類：以過程分析為基礎的“自下而上”模型與以投入產出分析為基礎的“自上而下”模型[19]。

4.1 投入產出分析法

投入產出分析法最早出現于美國，是由經濟學家Wassily Leontief提出的一種經濟分析方法。該方法主要通過編制投入產出表來實現，從一般均衡的假定出發，建立相應的數學模型來反映經濟系統各個部門(產業間)的產品量的依存關系[23]。

投入產出分析法是一種自下而上的計算方法，它以整個經濟系統為邊界，通過編制投入產出表以獲取信息，以計算經濟變化對環境產生的直接和間接影響。該方法的局限性在于：①該方法是一種自下而上的算法，計算過程中沒有對原材料生產等環節進行更深入探討；②該方法僅使用部門平均排放強度數據，因此比較適合于宏觀尺度上的計算，而在計算時采用平均化方法處理同一部門內不同產品的二氧化碳排放很容易產生誤差；③該方法核算是針對部門或行業進行，只能評價某個部門或行業的碳氮足跡，無法獲取單一產品的情況及碳氮足跡。

4.2 過程分析法

過程分析法通過對某種產品或者服務進行生命清單分析以得到輸入和輸出數據清單，來評估研究對象在其生產、運輸、消費等整個生命周期過程對環境造成影響的工具[24～26]。碳氮足跡的計算主要是依據生命周期評價原理，通過分析研究對象所涉及的所有產品或服務在整個生命周期過程中所排放的二氧化碳或活性氮來定量計算碳氮足跡。

不同于投入產出法，過程分析法的計算過程較為準確且適合于微觀尺度上的計算，并可以獲取單一產品的情況及碳氮足跡。采用該方法進行碳氮足跡計算時應首先建立產品制造的流程圖，然后確定研究對象的邊界，確立數據收集的合適時空界限；其次應對研究對象在整個生命和周期過程中的輸入與輸出進行刻畫，并對其中的二氧化碳或活性氮排放進行定量計算并匯總；最后檢測計算結果的準確定，使不確定性達到最小化并提高碳氮足跡評價的可信度，并對結果進行分析，指出碳氮足跡產生的熱點環節，提出優化建議并給出長期控制方案。

過程分析法是一種自上而下的計算方法，適用于不同尺度的碳氮足跡計算，如產品/個人、家庭、組織結構、城市、區域乃至國家等，但該方法地局限性在于：①生命周期階段和邊界的確定比較復雜和困難，只有直接的和少數間接的影響被考慮在內，可能會影響到結果的可信度[27]；②該方法依靠清單數據以獲取研究對象的環境影響，但在清單的編制過程中存在著工作量大與數據獲取困難的問題。

5 碳氮足跡研究展望

伴隨著由二氧化碳與活性氮排放而引起的環境問題日益嚴峻，碳氮足跡的研究已成為熱點問題。國內外學者通過不同的角度和方法研究了碳氮足跡的定義、計算方法和足跡結構特征。通過對國內外學者工作的總結，本研究認為現有的碳氮足跡的研究應在以下幾個方面進一步開展。

(1)對于依據生命周期評價原理的碳氮足跡模型，計算邊界的確定尤為重要，且為研究對象劃定合理的邊界可以提高計算結果的準確性與政策建議的針對性。在國內外已開展對碳氮足跡的研究中，碳氮足跡的概念還存在著概念不統一與定義不明確的問題。因此進一步完善碳氮足跡理論體系的構建并完善概念內涵是十分必要的。

(2)基于生命周期原理的過程分析法是碳氮足跡研究最常用的方法，但該方法存在著計算邊界模糊、數據獲取困難、碳排系數混雜等問題。將過程分析法和投入產出法結合在一起的混合生命周期法具有詳細性、準確性和完整性，將這種方法應用于碳氮足跡計算具有很好的應用前景。

(3)氮足跡研究起步較晚，還未像碳足跡與水足跡一樣成熟，建立氮足跡數據庫并與碳足跡、水足跡與磷足跡等綜合應用，更有利于全面的評價人類活動對環境的影響。