生命周期評價在玉米種植及深加工產品中的應用

丁佳瑩,董黎明,劉巖峰,孫東霞

生命周期評價在玉米種植及深加工產品中的應用

丁佳瑩,董黎明*,劉巖峰,孫東霞

(北京工商大學生態環境學院,中國輕工業清潔生產和資源綜合利用重點實驗室,國家環境保護食品鏈污染防治重點實驗室,北京 100048)

對LCA在玉米種植環境影響研究中的目標與范圍定義?清單分析?環境影響指標與計算方法?結果解釋等方面的研究進行了梳理分析,其中大部分文獻均對碳足跡進行了計算,CML (Institute of Environmental Sciences of the University of Leiden)?ReCiPe (許多LCA領域研究人員共同開發)和IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)方法是應用最多的3種方法,經分析計算得到國外玉米種植單位產量碳足跡均值為0.50kg CO2-eq /kg,我國的均值為0.58kg CO2-eq /kg.同時本文也對LCA在玉米深加工產品中的研究進展進行了分析整理,對今后LCA應用于玉米種植及深加工產品中的發展方向進行了展望.

生命周期評價；玉米種植；玉米深加工產品；環境影響

玉米是全球也是中國第一大作物[1],種植面積約1.6億hm2,占全球耕地面積的11%[2].玉米不僅在保障國家糧食安全中占據重要地位,同時也是飼料、乙醇、氨基酸等許多食品和工業產品的重要原料.隨著世界各地食品、飼料和能源需求不斷增加,人們對玉米生產環境影響的關注也在不斷增加[3].不同玉米種植制度、種植過程中農資過度投入等會帶來一系列環境問題,同時對玉米產量也有影響[4].農業系統目前所面臨的挑戰就是減少資源和能源消耗、降低環境負擔的同時生產更多的糧食[5],實現向可持續的農業-食品系統轉變.因此,定量評價玉米種植過程中的環境影響對玉米農業可持續發展至關重要.

生命周期評價(LCA)方法是對產品或系統整個生命周期環境影響及其潛在影響進行研究的工具.該方法貫穿產品生命周期全過程,即從原材料獲取、生產、使用、直至最終處置.國際標準化組織于1997年將LCA結構確定為目的和范圍的確定、清單分析、影響評價及結果解釋4部分[6].明確的研究目標是確定研究范圍即系統邊界的基礎[7].隨著研究目標的確定,功能單位也隨之確定.精準定義功能單位是LCA計算結果準確性?實用性的前提[8].尤其在比較研究中,不同功能單位對結果的影響尤為顯著[9]. LCA研究需要使用原始數據(實驗測量?實地調研等)[10]進行計算,當原始數據不可得或不可用時,也可以通過文獻調研、模型模擬或采用數據庫中的數據等進行計算[11-12].生命周期環境影響評估(LCIA)中的歸一化和加權評估不是環境影響評估中必須的步驟,但當需要比較幾種不同方案時,歸一化和加權評估則是重要的步驟[13].生命周期解釋則是將其他部分與LCA結論和建議聯系起來的“樞軸”[14].相比于其他環境影響評價方法,LCA具有系統、客觀等優勢.并且已經成為一種廣泛應用的產品環境特征分析和決策支持工具[15].LCA最初為評估工業系統的環境影響而開發[16],隨著消費者對綠色食品的關注,LCA在農業-食品系統中迅速發展[17].目前在與食品有關的農作物種植[18-20]、畜牧業[21-22]、漁業[23-25]、食品制造業[26-29]中都得到了廣泛應用,已經成為指導農業生產向可持續系統轉變的主要工具.目前,針對LCA在玉米中的應用研究雖然很多,但各個研究所收集的排放數據內容?數據獲取方法不盡相同.在量化玉米種植過程中施肥帶來的環境影響時,Wang等[30]考慮了農田重金屬污染,但Li等[31]和Bacenetti等[32]則未進行考慮.在探究玉米種植模式環境影響時,Boone等[33]考慮了農藥揮發,但Zhang等[34]、Feng等[35]和Fantin等[36]均未考慮.清單數據收集的完整性與準確性會影響環境影響結果的可信度.另外,我國缺乏玉米種植環境影響數據庫,在進行以玉米為原料的產品LCA研究時,通常選用國外數據庫中的數值,Yang等[37]在對味精生產過程清潔生產措施進行生命周期評估時,原材料玉米就選擇了Ecoinvent數據庫數據.那么國內外玉米種植環境影響數值是否存在差異?這關乎到玉米深加工產品環境影響計算結果的準確性.

鑒于此,本文梳理了國內外LCA在評估玉米種植環境影響中的應用,分析了目標與范圍定義、清單分析、環境影響指標與計算方法選擇、結果不確定性來源等方面的差別與聯系.另外,農業是溫室氣體的重要排放源,占人類活動溫室氣體排放總量的23%～30%[38],結合我國作為能源消費和碳排放大國,在《氣候變化聯合聲明》中承諾2030年左右實現碳排放達峰[39],本文還得到了國內外玉米種植碳足跡結果范圍.同時也對LCA在玉米深加工產品中的有限應用進行了概述,展望了LCA在玉米種植及深加工產品中應用的發展趨勢,旨在為促進玉米種植可持續發展及玉米深加工產品綠色供應鏈建設提供科學依據.

1 玉米種植的LCA研究

1.1 目的和范圍的確定

1.1.1 研究目標 玉米種植LCA研究目標包括:量化種植過程中施用化肥所帶來的環境影響;識別玉米種植生命周期內各階段重要環境因素;進行種植模式的對比、改進.表1為當前LCA研究的研究目的與定義的功能單位.數據來源有實地調研、官方統計數據、實測、模型模擬和相關文獻5種渠道.

表1 玉米種植LCA研究中的研究目標、研究對象及區域、功能單位和其他排放數據

續表1

1.1.2 系統邊界 定義系統邊界對LCA模型至關重要[50].系統邊界的相同與否決定了LCA研究結果是否具有可比性[8].玉米種植包括播種、噴灑農藥、施用化肥、灌溉等過程.系統邊界如圖1所示,玉米作為原料類產品,成熟收割后作為食品和工業原材料.意大利、美國、比利時等國家關于玉米種植LCA研究較多,我國關于玉米種植LCA研究多在河北、山東、山西等省份.不同國家和地區的玉米種植LCA研究都是“從搖籃到大門”的研究,即從原材料生產開始,到成熟收割為止.有文獻將秸稈破碎[31]、玉米收獲后干燥[35]、儲存[32]過程也納入研究范圍內.

1.1.3 功能單位 如表1所示,在本文所分析的相關研究中,功能單位可分為兩種,一是基于每單位質量產品產量(質量);二是基于每單位種植面積(hm2).也有文獻將單位產值(元)做為功能單位[45].

功能單位的選擇取決于研究目標和研究對象類型[8].如果將研究目標聚焦在種植環節,例如比較同一種植區域選擇何種作物進行種植可以減少對該區域的環境影響,由于不同作物產量往往不同,這時選擇單位種植面積作為功能單位比選擇單位質量農產品更為合適.如果研究目標聚焦在產品上,而不是進行農作物種類的挑選,則可以選擇單位質量或者同時選擇面積和質量作為功能單位.例如有研究[41]對玉米集約化生產方式進行評價,結果表明玉米集約化生產每公頃溫室氣體排放量增加40%,但單位質量玉米碳足跡可降低37%.進行玉米種植的目的是生產玉米供人類消費,按單位質量玉米產品進行環境影響計算便于不同地區生產的玉米進行對比.

圖1 玉米種植LCA研究系統邊界

1.2 清單分析

玉米種植數據收集分為3部分,一是背景數據收集,即種子、化肥、農藥等生產數據;二是實景數據收集,即田間作業部分,包括播種、灌溉、施肥、收割等過程的資源、能源投入;三是向環境中的排放,包括溫室氣體(土壤CO2和N2O)的排放、土壤有機碳的變化、氮磷的淋溶流失、氨揮發、農藥揮發及肥料、灌溉水等帶入農田的重金屬污染.清單數據來源需要根據研究區域特點確定,不同數據來源會影響計算結果的準確性.表1中所列其他排放數據就是除溫室氣體排放外不同文獻所收集的排放清單.

目前玉米種植LCA研究輸入清單完整,均考慮了能源(柴油?電力)?灌溉水和農資投入,其中,農資投入包括化肥(礦質肥或有機肥)、種子、柴油、農藥等.排放清單包括玉米產品和向環境中的排放.目前玉米種植LCA研究清單數據收集差異主要在排放數據.CO2和N2O是玉米種植系統釋放的兩種重要溫室氣體,有研究表明,大氣中的CO2、N2O來源于農業活動的比例分別為20%和90%[5].根據IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)第五次報告,N2O的折算系數為298 CO2當量[51]. CO2與N2O釋放量會因氣候、土壤條件和作物管理差異而發生很大變化[52].目前研究均對這兩種溫室氣體排放量進行了收集,但存在多種計算方法.其他排放數據并不是所有的研究都進行了考慮,且收集方式不一.

1.2.1 溫室氣體 對于溫室氣體的計算方法有以下3種,一是通過實驗測得,主要方法有箱法?微氣象學法?超大箱長光程紅外色譜法和同位素法,其中微氣象學法是觀測氣體擴散最佳測定方法[53].Glenn等人在加拿大某地進行的一項野外實驗就是采用微氣象技術測量土壤CO2和N2O的排放量[52].

二是通過機理模型進行模擬.Abdalla等[54]對DNDC (Denitrification-Decomposition)模型進行校正后估算了河北省不同施氮量下夏玉米-冬小麥兩熟制N2O的排放和作物產量.DNDC模型即反硝化-分解作用模型,用于模擬農業生態系統中碳?氮生物地球化學過程,由Li等[55]于1992年根據美國農田管理方式為基礎提出,在中國?加拿大等多個國家得到了廣泛應用.Bacenetti通過EFE-SO(Estimation of Fertilisers Emissions-Software)軟件模擬了施用肥料后氨揮發量、N2O排放量以及硝酸鹽和磷酸鹽的排放量[32].EFE-SO模型由英國曼徹斯特大學研究小組開發,用來估算與肥料相關的氮排放.Lee等人采用EPIC (Environmental Policy- Integrated Climate)模型模擬碳、氮、磷循環及現場環境釋放[3].EPIC模型是定量評價“氣候-土壤-作物-管理”系統的綜合動力學模型,于20世紀80年代初由美國德克薩斯農工大學黑土地研究中心和美國農業部草地土壤水分研究所共同開發[56].

三是對于N2O排放量還可以根據已有研究中給出的排放因子進行計算.IPCC建議N2O排放因子為1%,即以N2O形式損失的氮占所施肥料中氮含量的1%[57].我國學者通過多年田間實驗也確定了不同氣候?土壤特性等條件下的N2O排放因子.Ju等[58]確定了我國夏玉米、冬小麥-夏玉米輪作的N2O排放因子為施用氮肥含氮量的0.44%～0.59%和0.10%～0.59%.有學者[59]建議在有機碳含量為4.5～ 15.6g/kg的石灰性土壤旱地施氮的年直接排放因子為(0.54±0.09)%.Gao等[60]建議華北平原玉米N2O排放因子為0.53%.

農田溫室氣體排放機理復雜且受到多種因素影響,需要根據具體區域現場條件來確定.田間測定排放量雖準確度高,但對于區域性研究測量難度較大.我國幅員遼闊,不同地區土壤特性?耕作制度等差異較大,采用已知的排放因子進行計算,與實際排放量會存在一定差異[50].而在使用基于國外情況建立的模型對我國農田溫室氣體排放進行估計時,應結合我國的土壤、農田管理方式等條件對模型進行修正,加強模型在中國的本地化研究.

1.2.2 土壤有機碳 土壤有機碳變化可以通過實驗法、經驗公式和模型進行測量和估算.Zhang等[44]通過實地取樣測得土壤容重和實驗室重鉻酸鉀加熱法測定土壤有機碳濃度,計算土壤有機碳儲量.韓冰等[61]搜集整理了全國典型農業長期試驗站數據,通過自建經驗公式和情景分析,發現提高化肥施用量、秸稈還田、增施有機肥和推廣免耕可以使我國農田土壤的固碳量分別提高至94.91,42.23, 41.38和2.58Tg/a(百萬t/a).Lu等[62]根據我國農業土壤有機碳實驗數據庫建立了土壤固碳經驗模型,能夠對我國玉米種植區的氮肥施用量、秸稈還田量、是否免耕等引起的土壤固碳量變化進行模擬.

1.2.3 氮磷的淋溶流失、氨揮發、農藥揮發和重金屬 氮磷淋溶流失和氨揮發均取自文獻數據[44].Ju等[58]通過田間實驗,確定玉米氨揮發量為施氮量的19.4%,華北平原玉米氮淋溶量為施氮量的12.1%.陳新平等人確定夏玉米氨揮發量為施入氮素量的16%[63].Gaynor等[64]確定磷流失量為無機肥和有機肥投入總量的1%.

農藥揮發到大氣中以及排放到地下水和地表水中的量可以通過Pest LCI 2.0進行估算[33],該模型能夠估計農藥對空氣、地表水和地下水的排放,用于生命周期清單數據(LCI)建模.也有學者確定農藥排放到空氣、淡水和土壤中的標準殘留率分別為每單位重量農藥的10%、1%和43%[65].有研究在計算人類生態毒性和水生生態毒性這兩種環境影響指標時還考慮了化肥、灌溉帶入農田的重金屬,參數來自Audsley等[66]和Huijbregts等[67]研究中的值.

1.3 環境影響評估

環境影響評估計算首先應根據玉米種植過程中所產生的能源、水資源消耗和碳排放等環境問題,并結合各地節能減排等政策目標,選擇相應的環境影響指標,然后選擇計算方法和軟件工具.

1.3.1 環境影響指標 環境影響指標的選擇受到研究目標與范圍的影響[68],圖2展示了所分析文獻中對不同環境影響指標的選擇比例.

圖2 環境影響指標選擇比例

由于農業占全球溫室氣體排放量的13.5%[69],是溫室氣體的重要排放源,所以90%的相關文獻都對碳足跡指標進行了計算分析.其次由于玉米種植過程中施用的化肥,會造成氮、磷通過揮發、淋溶等方式進入大氣和水體,以及農藥的揮發,所以有50%及以上的文獻關注了水體富營養化、酸化、水生生態毒性和人類生態毒性4個環境影響指標.在機械作業和灌溉過程中,會消耗柴油和電力,所以有33%的文獻關注了玉米種植過程中的能源消耗.僅有22%和17%的文獻對臭氧層消耗?顆粒物形成這兩個環境影響指標進行了計算.

1.3.2 計算方法及軟件選擇 CML、ReCiPe和IPCC方法是應用最多的3種方法.CML方法由萊頓大學環境科學研究所于1992年首次開發,是一種面向中點的方法.該方法影響類別中酸化和光化學氧化劑形成兩種環境影響是基于歐洲平均值,其他影響類別的區域有效性是全球[70-71].ReCiPe方法是由許多LCA領域開發人員共同開發,被認為是CML2002和EI99方法的綜合,該方法同時具有中點建模和端點建模兩種方法.該方法的區域有效性是歐洲,但氣候變化、臭氧層損耗和資源消耗適用于全球[70-71].IPCC方法最早在2001年制定,2007年進行了版本更新,它被認為是用于計算氣候變化特定的LCIA方法[70-71].有文獻使用CML和ReCiPe方法同時對玉米青貯飼料生產系統的環境影響指標進行計算,結果表明氣候變化結果相差不大,CML方法得到的結果為383.26(kg CO2-eq/t),ReCiPe方法結果為329(kg CO2-eq/t).海洋生態毒性計算結果差異較大,分別為9.15′105和4.66′103(kg 1,4-DCB-eq/t,表示向土壤和空氣中排放1kgAs和Pb的效應值),但兩種方法計算結果具有相同的靈敏度排行[72].這說明由于不同方法所涵蓋的清單物質數量、所采用的標準、以及所使用數據有效性等存在差別,對于相同清單數據同一環境影響類別的計算結果往往也存在差異.由于環境問題的復雜性,很難得到一個被廣泛接受的LCIA方法,LCIA方法和科學的基準體系仍在不斷發展中. Lindeijer[73]認為國際上比較有代表性的影響評價方法有瑞典的產品設計的環境優先戰略方法(EPS)、瑞士和荷蘭的生態稀缺性方法以及丹麥的工業產品環境設計方法(EDIP)等25種影響評價方法.

Simapro和eBalance(現更新為eFootprint)是在玉米種植LCA研究中使用最多的兩種軟件工具.Simpro由荷蘭Leiden大學環境科學中心開發,集成了Eco-indicator99、CML1992v2.1等多種生命周期評價方法,以及Ecoinvent、DataArchive等多個數據庫[74].eBalance是由中國億科環境科技有限公司(IKE)設計開發,內置Ecoinvent、ELCD和中國生命周期數據庫CLCD.相比于其他數據庫,CLCD數據庫更能代表中國實際情況[75-76].Herrmann等[77]對比了使用不同生命周期評價軟件計算結果的差異,發現通常結果是相同或相近的,但由于不同軟件內置的數據庫不同,在選擇不同的背景數據來源時,有的結果也會存在較大差異.

1.3.3 計算結果 本文對玉米種植LCA研究特征化計算結果中的碳足跡值進行分析.

圖3展示了所分析文獻中國內外以單位質量玉米為功能單位的玉米種植碳足跡結果.由于各地區玉米種植存在差異,也有文獻[3]計算得到玉米種植單位產量碳足跡為20.2和-6.4kg CO2-eq/kg.其中碳足跡為負值的原因在于該地區土壤固碳量大于玉米種植生命周期內碳釋放量[3].我國碳排放高于國外,主要在于氮肥生產、田間N2O排放、灌溉耗電和機械作業的化石能源消耗排放等環節,我國在這些環節比美國碳排放量多1535kg CO2-eq/hm2[78].同時由于我國免耕比例低,造成我國土壤固碳效率低于國外.經分析計算,國外玉米種植單位產量碳足跡均值為(0.50±0.30)kg CO2-eq/kg,我國玉米種植單位產量碳足跡均值為(0.58±0.34)kg CO2-eq/kg.

圖3 國內外玉米種植碳足跡分析

目前核算區域尺度玉米種植碳足跡數據來源有3種,一是通過國家統計數據,二是通過實測或農戶調研,三是通過模型模擬.通過國家統計數據僅能獲得農資投入信息,無法反映出不同地區生產方式的差異,例如灌溉方式?翻耕免耕等,這些都是影響碳足跡大小的關鍵因素.來源于實測?農戶調研或模型模擬的數據則考慮了不同地區生產環節的差異,能更加精確的計算各地實際生產水平下的碳足跡值.圖3所示分析數據來源于實測?農戶調研和模型模擬,但其中部分數據未考慮土壤碳變化.張丹等[78]通過農戶調研并通過模型模擬土壤碳變化,計算得到我國玉米種植單位產量碳足跡均值為0.48kg CO2-eq/kg,低于圖3所得均值.也有文獻通過國家統計數據核算,并未對土壤碳變化進行考慮,計算得到我國玉米種植單位產量碳足跡均值為0.79kg CO2-eq/kg,高于圖3所示均值[45].

對于歸一化計算,理論上對于全球性環境影響應采用全球尺度的基準,區域性環境影響則采用相應的區域基準.為了將全球性?區域性的影響在同一水平上進行比較,Liang等[41-42]和Cui等[47]采用的歸一化因子均為2000年全球人均環境影響的歸一化因子,來源于Sleeswijk等[79]的研究.該研究選擇2000年為基準年,收集全球和歐洲一級的相關資料,在LCA方法學背景下進行氣候變化?酸化?富營養化?生態毒性等15個環境影響指標的歸一化研究,結果被廣泛應用于各類LCA研究歸一化計算[14].加權評估中權重因子的設置往往依賴于社會?政治等因素,具有主觀性.王明新等[80]的研究表明通過專家組評議方法確定的權重系數,加權評估結果可以反應不同種植制度對環境造成的總潛在影響.

1.4 生命周期解釋

1.4.1 不確定性分析 清單數據來源和LCIA方法等會影響LCA結果的準確性[32].不確定性分析就是對造成結果不確定性的來源進行識別以提高結果的準確性和可靠性[6].首先是清單數據收集應盡可能完整.土壤中碳固定可以抵消部分溫室氣體排放,土壤有機碳變化量的缺失會影響碳足跡計算結果.但土壤有機碳除了受耕作(免耕?旋耕等)、秸稈還田等人為因素的影響,還會受氣候、土壤條件等自然因素的影響[78,81-82].是否將土壤有機碳變化納入糧食產品碳足跡計算仍存在爭議[46].同時,這也與所研究的系統邊界相聯系.有研究認為,若研究系統邊界僅為單季玉米從播種到成熟收獲過程,不包括收獲后土壤的耕作管理及秸稈還田等過程,則土壤有機碳變化不是必須要考慮的因素.若是包括收獲后的相關處理過程,或是對不同耕作制度進行比較研究,則必須要考慮土壤有機碳的變化[81,83].

有研究表明[20]施肥所帶來的氨揮發?氮磷淋溶流失對氣候變化和顆粒物形成結果貢獻分別為42%和78%,農藥揮發對淡水生態毒性的貢獻率約為98%,所以在選擇這3種指標進行計算時,相關數據如若缺失,則對結果不確定性影響較大.其次清單數據應盡可能準確,田間溫室氣體排放量會受到肥料類型、土壤性質差異等影響,應選擇最接近所研究區域條件的排放因子或模型進行計算.

1.4.2 靈敏度分析、方案對比及改進潛力分析 靈敏度分析就是進一步分析關鍵流程對LCA結果的貢獻程度[6].氮肥和磷肥的施用是玉米生產系統中的關鍵清單物質,特別是對氣候變化、酸化和富營養化3種環境影響類別.有研究表明[47],通過增施氮肥,玉米產量增長相對較小.所以可以通過測土配肥來科學施肥,使用小型施肥設備提高氮肥利用率、降低氮肥施用量、提高施用率以減少流失,或者用液體糞肥來替代礦肥,是降低玉米生產系統環境影響的潛在解決方案.文獻表明,使用液體糞肥替代50%的礦肥可降低37.9%的端點水平環境影響[31].另外耕作方式也對碳足跡影響很大,留茬免耕是在提高玉米產量的同時降低碳足跡的最好方式[44].相比于冬小麥-夏玉米生產系統適當進行灌溉的玉米單作系統是有望平衡糧食安全和環境可持續性的種植制度,總潛在環境影響可降低39.59%～ 40.30%[47].

1.5 LCA方法與其他評價方法的結合

LCA研究計算出玉米種植所帶來的環境影響,為降低環境影響所采取的種植模式調整?耕作管理方式變更等措施,除了帶來環境影響的變化還會帶來資源利用效率、糧食安全、經濟收入等一系列變化.單獨進行環境影響研究會帶來建議或決策的片面性,而綜合分析則比單項影響評價更具有說服力.Cui等人[47]在對華北平原小麥-玉米輪作轉向玉米單作種植模式進行評價時,采用經濟分析?LCA方法和能值分析方法對環境與經濟影響進行了綜合評價,結果表明玉米單作系統產量較低,但卻具有更高的可持續性水平,環境負荷比小麥-玉米輪作系統低8.16%～26.7%,能值可持續性指數高10.20%～ 30.52%,說明單作玉米是解決目前華北地區小麥-玉米輪作系統造成的環境壓力的有效措施.Liang等人[41]采用經濟分析和LCA研究對華北平原玉米-小麥輪作系統用有機肥替代礦肥的經濟和環境可持續性進行了評價,結果表明使用液態有機肥替代50%的礦肥后,相比于100%使用礦肥,經濟利潤增加19.1%,端點水平環境影響降低了37.9%,生態效率提高了91.7%.表明使用液態有機肥替代50%的礦肥在促進農業可持續生產中的應用前景.

2 LCA在玉米深加工產品中的應用

2019年世界工業消費玉米占玉米總產量的30.27%,玉米深加工產品超過1000多種.在食品?化工?醫藥等多領域廣泛應用.目前LCA在玉米深加工產品中應用有限,主要集中在葡萄糖[84]、乙醇[85-90]、谷氨酸鈉[37]等產品.

2.1 目的和范圍的確定

玉米深加工產品生產系統邊界如圖4所示.對于玉米燃料乙醇這類終端產品的LCA研究都是從“搖籃到墳墓”的研究,即包括從玉米種植到燃料乙醇的使用所有過程,對于葡萄糖?谷氨酸鈉這類中間產品的LCA研究系統邊界則都是從“搖籃到大門”,即從玉米種植開始到產品出廠為止.通常選擇單位質量深加工產品為功能單位,Yang在對比玉米燃料乙醇與汽油生命周期環境影響時,選擇汽車行駛一公里為功能單位[89].

2.2 環境影響指標選擇及計算結果

對于玉米深加工產品來說,碳足跡仍然是重點關注的環境影響指標,有88%的文獻都對其進行了計算.其次是能源消耗?酸化和富營養化.玉米是深加工產品中最重要的原料,其生產過程包含在深加工產品系統邊界內,淡水作為玉米生產必需的資源,也有文獻對水足跡進行了計算[88].Yang[89]在對比同作為燃料的玉米乙醇與汽油環境影響時,選擇的環境影響指標為水生生態毒性和人類健康毒性,發現用乙醇代替汽油,會進一步降低水質,加劇非癌癥相關的人類健康風險.該研究表明,在進行環境決策時,除了碳足跡和能源消耗等,還應考慮更廣泛的環境影響,以避免或減少環境負擔的轉移.

玉米深加工產品生產過程中會產生玉米蛋白、飼料、酒糟等副產品,多產出系統不同產品之間共同承擔總環境影響,所以關于副產物的分配程序也是LCA研究中的重要環節[87].分配方法可以基于主副產品的物理參數(如質量?營養價值等)、經濟關系(市場價格)進行分配,也可以通過系統擴展法進行分配[90].在系統擴展法中,假設副產品的環境負擔與功能等價的其他產品環境負擔相同,在總環境影響中扣除等價產品的環境影響,即為主產品環境影響.這幾種分配方法在玉米深加工產品的LCA研究中均得到了廣泛應用[37].采用不同分配方法可能會導致不同的計算結果.

Tsiropoulos等[84]研究玉米濕磨法生產葡萄糖的環境影響及不同分配方法對環境的影響時,采用經濟價值和系統擴展分配方法計算每生產1kg葡萄糖對不可再生資源消耗量為6.8～9MJ,溫室氣體排放量為0.7～1.1kg CO2-eq.對于不同分配方法,玉米都是最重要的清單物質,在經濟價值和系統擴展分配方法中,玉米種植過程對葡萄糖生產過程溫室氣體排放的貢獻都約為75%,對能源消耗貢獻都約為50%.Cheroennet等[88]對比了玉米乙醇與木薯乙醇的能源效率和水足跡,結果表明玉米種植階段的能源消耗量在玉米基乙醇生命周期僅次于工業生產過程,為總能耗的20%.Yang等[37]對中國味精生產過程中的清潔生產措施進行評估,結果表明當采用經濟價值分配方法時,味精生產過程對氣候變化的影響為6.26t CO2-eq,對水生生態毒性影響為848t TEG water-eq,對酸化影響為83.5kg SO2-eq,對富營養化潛值貢獻為5.04kg PO4P-lim eq,采用質量分配方法時結果分別為4.65t CO2-eq,630t TEG water eq?62.1kg SO2-eq和3.75kg PO4P-lim eq.玉米種植過程對水生生態毒性貢獻約90%,對酸化和富營養化的貢獻分別約為75%和70%.

目前應選擇哪種分配方法沒有直接的答案,分配方法的選擇取決于數據詳細程度、可用性等[90].不同分配方法影響環境影響的絕對值,但不會改變各種清單物質對環境影響的貢獻排名[37].玉米種植環節始終是深加工產品環境影響的主要貢獻者.選用不同地區玉米為原料對結果貢獻大小也不同,深入研究玉米生產,對于提高深加工產品環境性能具有重要意義.

圖4 玉米深加工產品LCA研究系統邊界

3 結語

本文通過文獻梳理,綜述了LCA在國內外玉米種植及深加工產品中的研究進展.盡管LCA在玉米深加工產品中的研究數量有限,但從現有研究可以表明玉米種植過程是深加工產品環境影響的重要貢獻者,對環境影響的貢獻最高可達90%.我國玉米碳足跡均值比國外高約16%,所以在對玉米深加工產品進行LCA研究時,對于原料供應地的選擇,除了考慮運輸距離和成本外,應盡可能收集供應地的玉米種植數據進行環境影響計算,避免使用數據庫中的玉米種植環境影響數據增大最終結果的不確定性.LCA在玉米種植環境影響研究中的應用越來越多,但從目前的研究來看,尚存在一些需要改進之處.

首先清單數據收集應完整,環境影響指標選擇要全面.除了對農資投入與溫室氣體排放的考慮,氮磷淋溶流失、氨揮發、農藥揮發、重金屬污染等排放數據也應盡可能進行收集,同時要注意提高所收集的清單數據質量,以增強結果的準確性.除了對碳足跡的關注,農藥、化肥施用所帶來的生態毒性、臭氧層損耗等環境影響也不容忽視.另外在對生產系統進行評價時,不應只局限于環境負荷方面,可以將LCA方法與能值分析?經濟分析等方法結合,從多方面進行評價,增強結論的說服力,以及決策的完整性.

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Application of life cycle assessment in maize planting and deep processing products.

DING Jia-ying, DONG Li-ming*, LIU Yan-feng, SUN Dong-xia

(State Environmental Protection Key Laboratory of Food Chain Pollution Control, Key Laboratory of Cleaner Production and Integrated Resource Utilization of China National Light Industry, School of Ecological Environment, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048,China)., 2021,41(11)：5405～5415

This paper focused on the research of Life Cycle Assessment (LCA) in the environmental impact of maize planting, including the definition of goal and scope, inventory analysis, environmental impact indicators and calculation methods, results interpretation and so on. Carbon footprint was calculated in most literatures. CML(Institute of Environmental Sciences of the University of Leiden), ReCiPe (developed by many LCA researchers) and IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) are the three most widely used methods. Through analysis and calculation, the average carbon footprint per unit yield of corn planting in foreign countries is 1.78kg CO2-eq/ kg, while that in China is 1.31kg CO2-eq / kg. Meanwhile, this research also reviewed the research of LCA in deep processing products from maize, and prospects the development direction of LCA in maize planting and deep processing products in the future.

life cycle assessment；maize planting；deep processing products from maize；environmental impact

X820.3

A

1000-6923(2021)11-5405-11

丁佳瑩(1995-),女,河北承德人,北京工商大學碩士研究生,主要從事食品行業LCA的研究.

2021-04-09

國家自然科學基金資助項目(41861124004)

* 責任作者, 教授, donglm@btbu.edu.cn