南荻生態包裝箱的全生命周期評價比較研究

廖倩瀅，張珺，易自力，李有志

南荻生態包裝箱的全生命周期評價比較研究

廖倩瀅1a,2，張珺1a，易自力1b，李有志1c

（1.湖南農業大學 a.商學院 b.生命科學學院 c.資源與環境學院，長沙 410128；2.邵陽學院 法商學院，湖南 邵陽 422000）

對南荻生態包裝箱和傳統木質膠合板包裝箱的全生命周期進行環境影響比較分析，探索前者對后者的生態替代性。文中基于生命周期評價（Life Cycle Assessment, LCA），使用ReCiPe 2016方法對2種包裝箱的18種環境影響類型展開全生命周期的LCA研究。南荻生態包裝箱全生命周期環境影響單一分值為3.08 Pt，包裝箱生產、運輸和廢棄物處置階段占比分別為68%、8%、24%；傳統木質膠合板包裝箱全生命周期環境影響單一分值為3.61 Pt，包裝箱生產、運輸和廢棄物處置階段占比分別為75%、6%、19%；前者較之后者每功能單位減少14.7%的環境影響。結果表明南荻生態包裝箱整體環境表現優于傳統木質膠合板包裝箱，南荻刨花板用量的減少帶來的環境效益最大，循環利用包裝箱及其生物質，以及改進包裝箱尺寸設計也是減少化石資源消耗的可能途徑。在洞庭湖造紙業全面退出情境下，研究為決策者在技術和環境層面選擇南荻的利用方式提供了依據。

南荻；包裝箱；生命周期評價

近年來各類包裝物引起的環境問題日益受到關注[1]，其中木質包裝箱多為一次性使用，造成了森林資源浪費[2]。南荻（）具有“一年一收”的特性，曾經是湖南省造紙業主要原材料[3]，但2018—2019年湖南省清退洞庭湖區全部制漿造紙企業，導致大量南荻棄收，不僅造成了資源浪費、葦農失業等社會經濟問題，同時大量南荻生物質在水中腐解會造成新的環境問題。用南荻生物質代替木材生產包裝箱，可以同時解決上述問題。

目前包裝箱環境影響的相關研究主要集中在瓦楞紙箱和木質包裝箱：有學者先后對瓦楞紙箱開展了生命周期評價研究，認為提升產品的循環使用率是減輕環境負擔的有效途徑[4, 5]。也有學者對比了鋼邊箱和傳統木箱的環境影響，但結果表明差異不大[2]。更多的學者是對包裝箱所用板材進行研究，如對膠合板[6]、定向刨花板[7-8]、纖維板[9]等的生命周期評價。現有對包裝箱生命周期環境影響的研究或僅考慮設計的改進，或僅把生產階段納入系統邊界而非全生命周期，或僅選擇了少數幾個影響類型進行分析。因此文中的研究對象選擇了在基材和設計上均有改良的南荻生態包裝箱，擬采用生命周期評價方法探討其“從搖籃到墳墓”的全生命周期環境影響（包含18種影響類型），并開展與傳統膠合板包裝箱的比較研究。

1 研究方法

1.1 LCA概述

LCA目前已成為國際上環境管理和產品設計的重要工具之一[10]。國際上開展LCA的長期研究的組織主要有國際環境毒理學和化學學會（SETAC）、國際標準化組織（ISO）等[11]，目前的LCA研究多在ISO TC 207的框架下開展[12]。我國關于LCA的研究始于20世紀90年代[13]，近年來LCA在產品綠色設計和產業環境影響評價的實踐一直在國內開展,并日漸得到企業和政府相關部門重視。

LCA模型主要分類：基于工藝流程圖的生命周期清單分析，矩陣生產系統，基于投入產出的生命周期清單分析，混合LCA[14]。第1種是最基本且最常用的，ISO標準使用該模型進行描述[15]。第2種是由Heijungs[16]提出，引入逆矩陣法簡化了LCI數據的表達和計算。第3種模型使用投入產出表（Economicinput-Output, EIO），有效避免了截斷誤差[17]。第4種模型連接了第1種和第3種模型并吸取兩者優點的方法。由于我國的投入產出表滯后期長，且LCA背景數據庫保持即時更新，在LCA比較研究中采用基于工藝流程圖的基本模型仍然是有效且科學的主流路徑，故文中研究使用ISO描述的基本模型進行包裝箱的全生命周期環境影響評價。

1.2 目標及范圍

1.2.1 研究對象

南荻生態包裝箱（見圖1和圖2）主材采用南荻定刨花板，采用淀粉膠（非專利技術）為黏結劑，零甲醛排放。結構設計依據板材的高剪切強度特性，在側板本體加入榫頭，組裝時無需其他扣件便可形成箱體，且側板結合方式為漩渦插合結構，整體性高。流水線為全自動化生產模式，加工成本約為同規格傳統木箱1/3。南荻生態包裝箱具有便拆裝、可復用的優點，“以草代木”響應碳中和目標。

圖1 南荻生態包裝箱組裝后外觀

圖2 南荻生態包裝箱拆裝后外觀

Fig.2 Disassembled Miscanthus lutarioriparius-based packaging box

1.2.2 功能單位

研究所選功能單位為外尺寸為1 228 mm × 888 mm × 1 154 mm的南荻生態包裝箱，板材厚度為15 mm，平均密度為650 kg/m3。參照對象為同尺寸厚度的木質膠合板包裝箱，平均密度為600 kg/m3。

1.3 系統邊界

研究采用歸因LCA方法，系統的邊界由農林業(搖籃)開始，到廢棄物處置(墳墓)結束（見圖3—4）。產品的全生命周期一般包括5個階段：原材料生產、產品生產、儲運、使用與維護、廢棄和再利用過程[18]。為了與Ecoinvent中膠合板保持研究范圍一致，南荻生長過程中固定的CO2、N、P等也包含在系統邊界內，清單數據依據文獻[19]計算得出。包裝箱的使用和維護階段合并在運輸過程中。由于傳統木包裝箱大多一次性使用，為了便于比較，故未考慮循環利用。資本資產以及人類活動均不包括在系統邊界內[9]。

圖3 南荻生態包裝箱全生命周期系統邊界

1.4 數據來源及假設

南荻生態包裝箱的各階段清單數據來源于第三方機構的現場測量數據、企業內部生產文件和文獻[2,19]，材料運輸階段的清單數據來源于文獻[20]。我國當前集中處理垃圾一般采取填埋，故本研究假設包裝箱廢棄后填埋處理，該階段清單數據參考文獻[21]。膠合板生產清單和其他背景數據來自ELCD、Ecoinvent等數據庫。清單數據見表1。

運輸階段油耗的計算基于以下假設：研究所選貨車規格為9 600 mm×2 300 mm×2 300 mm，運輸距離為2 109 km，每輛貨車每次裝載17個包裝件，貨物質量210 kg[2]。2種包裝箱的質量依據清單數據和密度計算得出，分別為69.48 kg和65.59 kg。依據文獻[22]，在運輸階段選擇一種貨車在滿載時每100 km消耗柴油20 L，在空車時油耗為滿載時的2/3，貨車最大載質量為18 t。貨車在實際運輸過程中的柴油消耗總量計算公式[23]為：

圖4 膠合板包裝箱全生命周期系統邊界

式中：為油耗量；為運輸距離；為單位距離滿載油耗量；為裝載率；為返空率。

2 結果

現有板材LCA研究多采用CML和ReCiPe[24]，前者適用于歐洲，后者適用于全球[25]。此外ReCiPe在中點和終點水平上提供了一致的表征因子，通過ReCiPe終點方法可以獲得單一指標分值，使不同方案的結果更具可比性。故本研究選擇采用研究LCA最常用的軟件SimaPro 9.0[26]，選擇ReCiPe 2016 Midpoint (H) 及ReCiPe 2016 Endpoint (H) 2種方法開展研究。在本節使用的中點方法，共有18種環境影響類型：全球變暖（Global Warming，GW）、平流層臭氧耗損（Stratospheric Ozone Depletion，SOD）)、電離輻射（Ionizing Radiation，IR）、臭氧形成——人類健康（Ozone Formation，Human Health；OFHH）、細顆粒物形成（Fine Particulate Matter Formation，FPMF）、臭氧形成——陸地生態系統（Ozone Formation， Terrestrial Ecosystems；OFTE）、陸地酸化（Terrestrial Acidification，TA）、淡水富營養化（Freshwater Eutrophication，FEU）、海洋富營養化（Marine Eutrophication，MEU）、陸地生態毒性（Terrestrial Ecotoxicity，TE）、淡水生態毒性（Freshwater Ecotoxicity，FEC）、海洋生態毒性（Marine Ecotoxicity，MEC）、人類致癌毒性（Human Carcinogenic Toxicity，HCT）、人類非致癌毒性（Human Non-Carcinogenic Toxicity，HNT)、土地使用（Land Use，LU）、礦產資源稀缺性（Mineral Resource Scarcity，MRS）、化石資源稀缺性（Fossil Resource scarcity，FRS）、水消耗（Water Consumption，WC）。

表1 2種包裝箱的生命周期清單

Tab.1 Life cycles of two packaging boxes

2.1 南荻生態包裝箱LCA結果解釋

圖5顯示，包裝箱生產階段的環境影響在全部環境影響類型中均占比最大（53%～102%）。該階段在淡水富營養化中比例超過100%，是因為南荻生物質生長從水體中吸收了N、P進而產生負的環境負荷，而生產階段的N、P排放量低，使得整個生命周期的FEU為負數。運輸階段在GW外的其他影響類型中占比第二，其中占比最高的為FRS(45%)，源于柴油消耗。廢棄物處置的環境影響整體較低，但在GW和TA方面作用顯著（41%和9%），這說明雖然該階段使用了HDPE等材料防止滲濾液的滲漏[22]，但依然對空氣和土壤產生了環境負擔。

圖5 ReCiPe 2016 Midpoint (H)下南荻生態包裝箱生命周期各階段環境影響貢獻比

2.2 傳統膠合板包裝箱LCA結果解釋

與2.1類似，膠合板包裝箱生產在大多數影響類型中均占主導地位（51%～100%）（見圖6）。除了膠合板生產在多數影響類型中超過50%貢獻比，該階段使用的鐵釘在HCT和FRS 2個方面貢獻比分別高達69%和52%。與2.1中不同的是，膠合板包裝箱生產對GW的貢獻占比低于廢棄物處置階段，這種差異主要由于膠合板施膠量小于刨花板以及對原材料的處理方式不同等[27]。運輸階段在除GW以外的其他類型中占比居中，其中化石資源稀缺高達47%；平流層臭氧耗竭占比20%，主要由于柴油生產中排放的甲烷和鹵化烴等。廢棄物處置的環境影響整體較低，但在GW和TA方面依然顯著（占比分別為49%和14%）。南荻生態包裝箱采用榫卯結構，在廢棄階段可手動拆卸，而膠合板包裝箱由于使用了鐵釘組裝，需要使用機械分拆，消耗電力是該階段對TA貢獻比提升的主要原因。

圖6 ReCiPe 2016 Midpoint (H)下膠合板包裝箱生命周期各階段環境影響貢獻比

3 討論

3.1 基于ReCiPe 2016 Midpoint (H)的比較LCA

標準化的中點比較結果見圖7，兩者在FEU、TE、FEC、MEC、HCT、HNT等6個影響類型存在顯著差異。由于南荻生長過程中對水體中N、P的凈化作用，南荻生態包裝箱在FEU和MEU 2個影響類型均表現為負值。南荻生態包裝箱在TE、FEC、MEC、HNT的標準化值分別為膠合板包裝箱的36%、90%、81%、63%。值得注意的是HCT方面，前者僅為后者的15%，這歸因于前者使用了淀粉基黏結劑替代石油黏結劑。與上述影響類型相比，兩者在其他影響類型中的標準化值均較低且絕對值差異不大。

雖然兩種產品的GW標準化值均小于0.02，由于碳中和是研究熱點，故仍將GW作為熱點。南荻生態包裝箱的全球變暖標準化值是膠合板包裝箱的1.3倍，可能的原因有：同尺寸的包裝箱，前者密度更大，廢棄物處置階段是以質量為基礎計算排放和消耗，且3.1表明廢棄物處置階段對全球變暖的貢獻比高達41%；2種包裝箱基材生產工藝不同，前者使用的刨花板對電力和熱能消耗更大；此外，由于前者每功能單位的重量更大，在裝載數相同的情況下，裝載率更越高，油耗越大。

圖7 ReCiPe 2016 Midpoint (H)下2種包裝箱的環境影響比較

3.2 基于ReCiPe 2016 Eidpoint (H)的比較LCA

ReCiPe 2016 Eidpoint (H)方法共有3種環境影響類型，分別為人類健康（Human health）、生態系統（Ecosystems）、資源（Resources），該方法基于中點方法的數據進行加權（使用ReCiPe內置權重），得到單一分值（用Pt表示）。圖8表明，兩者在人類健康方面的差異較小（約1%），主要由于板材生產工藝不同：南荻施膠量較大，雖然黏結劑本身無毒性，但淀粉膠原料的生產過程中會排放相關毒性物質（如丁醇、表氯醇等）；而膠合板使用的石油黏結劑會揮發甲醛，損害人體健康，因此加權后兩者的分值均較高。南荻生態包裝箱在生態系統方面明顯優于膠合板包裝箱，僅為后者的30%，原因在于前者使用的南荻為多年生、一年一收，持續利用并不會對生態系統造成負擔，且對種群發展有利；后者使用多年生木材，砍伐樹木會造成森林生態系統退化。在資源消耗方面，兩者差異非常小（約0.1%），這是由于兩方面的影響互相抵消導致：如3.1所述，南荻生態包裝箱每功能單位在運輸階段油耗略大于膠合板；膠合板組裝需要使用鐵釘，而南荻生態包裝箱由于榫卯結構無需另外消耗礦物資源。最終將3個類型的分值加總，得出南荻生態包裝箱和膠合板包裝箱的單一分值分別為3.08 Pt和3.61 Pt（詳見圖9），前者較之后者每功能單位減少14.7%的環境影響。經市場調查和實地考察，前者每功能單位價格為后者的86%，因此南荻生態包裝箱是傳統木質膠合板包裝箱的一種兼具生態和經濟效益的替代品。

圖8 基于ReCiPe 2016 Eidpoint (H)的2種包裝箱單一分值比較

圖9 ReCiPe 2016 Eidpoint (H)下2種包裝箱的各階段貢獻比較

3.3 敏感性分析及改進建議

文獻[19]已經開展了南荻生態板生產的敏感性分析，環境影響熱點為制膠階段和生物質顆粒燃燒階段，因此文中敏感性分析不再考慮板材生產的細分工序。

為探索減少環境負擔的改進潛力，文中采用ReCiPe 2016 Midpoint (H)進行南荻生態包裝箱的敏感性分析。圖10顯示了3種可能情景下的敏感性分析結果，S1為減少10%板材消耗量；S2為減少10%廢棄物填埋；S3為減少10%運輸油耗。總體上，減少板材的使用量是降低環境負擔最有效的途徑，特別是在MEU、FEU、LU能達到10%左右的減幅。降低板材環境影響的可能途徑有兩個：一是通過減少施膠量來降低板材的整體環境影響；二是減少板材總體用量，在保障力學性能的基礎上降低耗材量。S2中變化最明顯的是GW（4%），這說明垃圾填埋處理產生的溫室效應氣體較多，優化途徑有：增加包裝箱的循環利用率和利用次數。實地調研發現，未對包裝箱循環利用的主要原因是倉儲成本高，而南荻生態包裝箱可手工拆解，只需少量倉儲空間，因此可以提高循環利用率；生物質回收利用，如作為有機肥料或者生物質燃料的原料。雖然生物質回收利用時也有溫室氣體排出，但考慮到對石油產品的替代效應和產品間的環境影響分攤，也能降低該階段的環境影響。S3表明運輸階段油耗的10%減少將降低5%的FRS。可以通過調整箱體尺寸設計可以增加單輛貨車的裝載個數，從而降低運輸階段功能單位的平均油耗[2]。

圖10 南荻生態包裝箱敏感性分析

4 結語

文中對南荻生態包裝箱和木質膠合板包裝箱進行了全生命周期LCA比較研究，系統邊界包含包裝箱生產、運輸和廢棄3個階段，采用中點和終點兩種方法對18個影響類型的潛在環境影響進行了評估。采用中點法分析發現，南荻生態包裝箱在FEU、TE、FEC、MEC、HCT、HNT等6個影響類型，較之木質膠合板包裝箱存在顯著優勢。在終點法中，南荻生態包裝箱較之膠合板包裝箱的環境影響單一分值減少14.7%，且市場價格較后者降低14%，因此南荻生態包裝箱是木質膠合板包裝箱的一種兼具生態和經濟效益的替代品。最后采用中點法確定生改善南荻生態包裝箱環境績效的優先次序，發現最具改進潛力的階段為包裝箱生產，該階段刨花板用量減少帶來的環境效益最大。此外循環利用包裝箱及其生物質、改進包裝箱尺寸設計也是降低GW和FRS的可能途徑。

下一步研究可以對南荻生態包裝箱進行結構和成分的優化設計、循環利用模式進行探究、使用LCA評價改進后的環境效益分析。此外可以拓展到其他板材生產的包裝箱，如高密度纖維板等。

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Comparative LCA Study on the Miscanthus Lutarioriparius-based Packaging Box

LIAO Qian-ying1a,2, ZHANG Jun1a, YI Zi-li1b, LI You-zhi1c

(1. a. School of Business b. College of Life Science c. College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2. School of Law and Business, Shaoyang University, Hunan Shaoyang 422000, China)

The work aims to compare and analyze the environmental impact of the-based packaging box and the wooden plywood packaging box in their whole life cycles and explore the ecological sustainability of the former to the latter. ReCiPe 2016 Midpoint (H) and ReCiPe 2016 Endpoint (H) were employed in 18 environmental impact categories based on life cycle assessment (LCA). The single score of environmental impact in the whole life cycle of-based packaging boxes was 3.08 Pt, and the production, transportation and waste disposal stages of which accounted for 68%, 8% and 24%, respectively. The single score of that of traditional wooden plywood packaging boxes was 3.61 Pt, and the production, transportation and waste disposal stages of which accounted for 75%, 6% and 19%, respectively.. Compared with the latter, the environmental impact of the former was reduced by 14.7% per functional unit. The results show that the overall performance of thebased packaging box is better than that of the traditional wooden plywood packaging box. It is found that the reduction of the consumption ofbased particleboard could bring the greatest environmental benefit. The cyclic utilization of the boxes and the separated biomass and the improvement of the design of packaging boxes are also ways to reduce the consumption of fossil resources. In the context of the withdrawal of the paper industry around Lake Dongting, this study provides technological and environmental evidence for decision makers to choose the way of utilization of

; packaging box; life cycle assessment

TB485.3

A

1001-3563(2022)19-0120-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.19.013

2021?12?31

湖南省科技廳農業領域重點研發項目（2019NK2011）

廖倩瀅（1987—），女，博士，講師，主要研究方向生態經濟與管理。

責任編輯：曾鈺嬋