天然纖維原材料獲取階段碳效應研究的若干基礎問題

畢延強, 吳雄英, 丁雪梅

(1.東華大學 a.服裝與藝術設計學院; b.現代服裝設計與 技術教育部重點實驗室,上海 200051; 2.上海海關,上海 200135)

隨著經濟社會發展,人類對自然資源與環境的“掠奪”式消耗導致人與生態環境之間矛盾日益凸顯,其中以溫室氣體導致的氣候變化問題最為嚴峻[1]。2021年3月,《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》明確提出:要“制定2030年前碳排放達峰行動方案”“錨定努力爭取2060年前實現碳中和,采取更加有力的政策和措施”,同時,考慮到歐盟碳關稅政策的系列潛在影響,中國紡織服裝產業面臨著更加緊迫的低碳轉型需求。

產品生產相關碳活動可分為兩類:一是碳匯,即碳吸收活動;二是碳源,即碳排放活動。明確相關活動的碳吸收量與碳排放量是碳效應研究的首要任務,本文參考相關研究,將紡織服裝產品在生命周期過程中,所有碳匯及碳源導致的碳流通量之和對大氣影響的表現,定義為其碳效應[2],用碳足跡表征。一般認為,碳足跡為負表示該產品對應階段具有固碳效應,反之為溫室效應,零值代表碳中和效應。碳效應研究是了解產品生命周期過程是否具有碳中和潛力的必要手段。

近十年來,相關學者就紡織服裝產業碳足跡具體核算步驟[3]、數據分析方法[4]等問題展開研究,并核算了棉、麻、絲、毛四類天然纖維[5-9]與部分化學纖維[10]中代表性產品的工業碳足跡,取得了良好進展。而原材料獲取階段碳匯研究因理論發展尚未成熟,且需要結合農業生產,經驗相對缺乏,相關討論較少。

天然纖維在紡織服裝市場中具有一定消費量[11],其穿著舒適、吸濕透氣性好,深受消費者喜愛。此外,天然纖維在原材料獲取階段可通過光合作用固碳與土壤固碳,對紡織服裝產業碳中和可能具有一定價值。東華大學牽頭起草的團體標準《紡織產品生命周期碳中和量化與報告要求》和《紡織企業碳中和實施與報告要求》正在起草過程中,天然纖維原材料獲取階段碳效應是否真正有利于紡織服裝產品實現全生命周期碳中和是其中值得探討的方面。

因此,本文將綜合分析天然纖維原材料獲取階段的國內外碳效應研究進展,并以紡織服裝產業視角,探討該階段天然纖維碳效應評價中仍需解決的專業術語規范、核算結果不可比、碳轉移路徑歸納及時間因素對核算結果的影響等基礎問題,為紡織服裝產品碳效應研究提供參考。

1 天然纖維原材料獲取階段碳效應研究進展

天然纖維原材料獲取階段包括種植過程(如棉、麻等),或畜牧業活動(如綿羊、桑蠶養殖等)。受當地自然條件、生產人員技術水平影響,各類纖維生產能力參差不齊。某些纖維原材料如麻類作物,其種植生產階段機械化信息化程度低,難以獲取準確的生產活動數據;且因為系統邊界不統一,已有研究結果之間也很難比較。比如農業學家通常將作物收獲視為原材料獲取階段止點,而紡織服裝領域學者則更傾向于將此階段定義為作物生長、收獲與部分前加工階段之和[12]。

由于不同纖維原材料在纖維成型后加工操作基本相同,為方便討論,本文將天然紡織纖維原材料獲取階段確定為:從作物種植、動物養殖起,到經初級加工獲得對應紡織纖維為止,如表1所示。

表1 典型天然纖維的原材料獲取階段Tab.1 Raw material acquisition stages of typical natural fibers

1.1 棉纖維

棉花生長過程中農藥和化肥的大量使用會影響大氣環境[13]。Maraseni等[14]評估澳大利亞主要棉產區,得到該地三種常見棉花種植系統因農業投入產生的溫室氣體排放量,結果表明,灌溉棉花環境可持續成本相比旱地棉花更高。金書秦[13]、王占彪等[15]分別使用國家統計調查數據與實際生產調查數據分析當地棉花生產碳足跡與構成,發現其碳足跡主要來源是化肥、地膜等農資使用與灌溉能源消耗;史磊剛等[16]則選用“經濟效率、生產效率、生態效率”三個指標分析棉花種植碳效率,發現棉花的碳經濟效率最高、碳生態效率次之、碳生產效率最低,為棉花種植的不同需求提供了全面參考。許菁等[17]使用SimaPro計算每噸棉花種植期間溫室氣體排放,并對比得出原材料獲取階段碳足跡約占牛仔褲全生命周期碳足跡的1/10;姚蕾[18]通過IPCC數據建立了棉紡織品原材料獲取階段的碳足跡核算模型,但并未進行實際核算。以上兩個研究團隊均采用國外數據庫中的排放因子,與中國實際生產情況有所區別,會給核算結果帶來一定誤差。李佳慧[19]選擇皮棉為最終產品,進一步完善了中國棉紡產品原材料獲取階段碳排放因子,并核算得到原材料獲取階段棉花植株的碳吸收大于碳排放,因此表現為固碳效應。

1.2 麻纖維

有研究表明,麻類作物種植密度高,生長速度快,其碳捕獲能力優于許多經濟作物[20];Jerzy等[21]在三組相同的聚丙烯基體中各加入30%的棉花、黃麻和紅麻纖維,發現混合麻類纖維的基體碳足跡減少約10%,而混合棉纖維的基體碳足跡只減少3%;麻作物種植的投入低、產出高、化學品投入少,被視作一種可持續的棉花替代品[22-23]。Carus等[24]核算了1 t麻類纖維從作物種植、漚制、到運輸至加工處理的碳足跡,發現肥料造成的N2O釋放是其首要組成部分,且麻作物生命結束時,植物體內有機碳可能以甲烷形式再次釋放,導致碳足跡增加;Martijn等[25]對劍麻環境績效評估的結果佐證了這一觀點。2012年,楊自平等[7]對中國麻纖維從麻種植到纖維成型階段的碳足跡進行評估,結果證明麻是一種良好的碳匯作物;劉瑞[26]則發現長期種植苧麻的土壤表層有機碳含量可較未種植苧麻前提升35%～90%不等,效果顯著。

1.3 蠶絲纖維

一項印度研究[27]表明,從種桑養蠶到蠶絲生產整個過程中,化肥使用產生的NO2與廢棄物堆肥排放對溫室氣體排放貢獻最大,并認為該地生產蠶絲纖維帶來的環境影響大于其他天然纖維,鑒于當地落后的加工方法,其核算結果的準確性與代表性遭到許多絲綢從業者的質疑,有待進一步討論。Silvio等[28]指出桑蠶養殖和繅絲環節造成的環境負面影響較大,但同時也需考慮桑樹光合作用吸收二氧化碳數量可觀;這與Giacomin等[29]觀點一致,后者通過對比文獻數據得出桑樹種植階段應該對絲綢的碳儲存和碳轉移有積極作用;Li等[30]采用土地碳強度、碳生態效率等四個指標評價浙江海寧桑樹種植碳足跡,其核算結果也表明該階段實際具有固碳效應。在此基礎上,蔣婷等[8]對1 m香云紗的原材料、制造、配送與回收階段碳足跡進行核算,發現包括桑蠶養殖在內的原材料獲取階段碳足跡占比最大,佐證了該階段碳效應研究的必要性。2021年,劉書軼等[31]綜述了絲綢產品的生命周期環境表現研究,指出應客觀量化與評價絲綢產品的碳中和效應。

1.4 羊毛纖維

羊毛纖維原材料獲取階段與畜牧業聯系密切,2006年聯合國糧農組織在報告中指出,畜牧業對全球環境負荷影響巨大[32]。Bevilacqua等[33]發現運輸和養殖階段溫室氣體排放可占1件羊毛衫全生命周期的1/2;而在Akul等[34]對綿羊養殖環境影響的綜述中,大多數研究證實,養殖過程中溫室氣體排放的兩大來源是反芻動物腸道發酵和飼料生產,這與Emilio等[35]和Paula等[36]的研究結果一致。根據Wiedemann等[37]對1件羊毛服裝全生命周期的環境影響分析,雖然羊毛生產階段在全生命周期中對化石能源需求較少,但由于牲畜腸道甲烷排放,該階段產生的二氧化碳當量值仍可占全生命周期溫室氣體排放量的一半以上;中國呼倫貝爾[38]和青藏高原地區[39]放牧綿羊產生的溫室氣體研究也得到了類似結論。

2 天然纖維原材料獲取階段碳效應研究的若干基礎問題

由前文回顧分析可知,天然纖維原材料獲取階段碳效應研究大多針對碳源分析,而碳匯研究較少。根據綜述,本文針對該階段碳效應研究現狀提出以下問題。

2.1 專業術語定義不明

原材料獲取階段碳效應研究中的常見術語有:碳源、碳匯、碳庫、碳密度、碳效率、生態效率、固碳價值、固碳潛力等。這些術語通用于林業、農業、建筑業等領域,文獻中很少對其作出解釋,且不同專業文獻對同一術語的解釋也存在差異,極易令人混淆。

本文參考ISO 14064: 2018 Greenhouse gases—Part 1: Specification with guidance at the organization level for quantification and reporting of greenhouse gas emissions and removals、ISO 14067: 2018 Greenhouse gases—Carbon footprint of products-requirements and guidelines for quantification、《聯合國氣候變化框架公約》[40]及PAS 2050: 2011 Specification for the assessment of the life cycle greenhouse gas emissions of goods and services等標準規范、國際報告,結合紡織服裝產業特點,選定部分術語并解釋其內涵,如表2所示。

表2 紡織產品碳效應研究部分相關術語Tab.2 Terminology related to carbon effects studies of textile products

值得注意的是,參考報告具有版本時效性,且不同國際文件中對各術語名稱與解釋也未達成一致,此部分內容仍需不斷規范。

2.2 碳效應核算結果缺乏可比性

纖維碳效應研究不僅可以識別其生產加工過程中的高碳排放環節,從而給出針對性減排意見,也可以對比各類纖維的可持續指數,指導生產與消費選擇。但目前不同天然纖維碳效應研究結果很難進行比較,甚至同種纖維的不同核算結果之間也存在較大差異。本文總結原因如下:

1) 系統邊界不一致。對原材料獲取階段定義不同是導致這一問題的主要原因,當各研究選取的核算起止點不同,其結果必然不具備可比性。

2) 核算方法不一致。在系統邊界一致的前提下,核算時還涉及數據取舍、物料分配及碳排放因子選擇等問題,以上選擇不同也可能導致最終核算結果不可比。

3) 數據不具備代表性。由于棉纖維市場占有率具有絕對優勢,從研究數量上看,有關棉纖維的碳效應研究更多且覆蓋地區廣,數據較有代表性;相比之下,有關麻類作物碳效應的研究還不甚豐富,尤其中國對其探討還集中在生產方式與加工技術方面,很難獲得碳效應相關數據;針對蠶絲、羊毛等蛋白質類纖維的碳效應分析也集中于部分活動或工序,缺乏對其原材料獲取階段全面完整的分析。而且,麻、絲、毛纖維現有研究中的生產活動數據往往是針對某個農場或企業,很難代表中國或某個區域的平均水平,在比較時可能導致偏差。

纖維碳效應結果可比性建立在統一的核算體系基礎上,因此,需要繼續完善原材料獲取階段的碳效應核算方法,并盡可能獲得更具代表性的活動數據以供核算。

2.3 碳轉移路徑有待厘清總結

在天然纖維原材料獲取階段,大氣中的二氧化碳通過植物光合作用固碳和土壤固碳,主要以有機碳形式存儲在纖維原材料及土壤中,并在生長、收獲、加工過程中因纖維種類不同而產生不同的碳轉移路徑,如圖1所示。

圖1 天然纖維原材料獲取階段碳轉移路徑Fig.1 Carbon transfer pathway during the natural fiber raw material phase

其中,對纖維素類纖維來說,部分原材料中的碳經加工轉移至服用纖維,還有部分留存在廢棄物(如秸稈)中,經焚燒、填埋等方式處理后重新返回大氣或被土壤微生物分解;也有部分纖維素纖維的原材料屬于多年生木本植物,因此其樹干中的有機碳可持續儲存多年。蛋白質類纖維中的碳轉移路徑與纖維素類纖維基本相同,還需額外考慮碳在動物體內轉化后的產物,如除了羊毛纖維外,綿羊還會產出羊肉、羊奶等,需要在碳足跡核算時加以分配?？偟膩砜?棉、麻、絲、毛四種典型天然纖維各自具體的碳轉移路徑存在差異,但在纖維素類纖維與蛋白質類纖維這兩大類纖維的原材料獲取階段中,其碳轉移路徑也存在共性。厘清各類原材料在此階段的碳轉移路徑并歸納總結,可以為構建一個更具普適性的天然纖維原材料獲取階段碳效應核算模型提供理論依據。

2.4 時間因素對評價結果的影響還需考慮

2.4.1 GWP值的時間邊界

全球氣候變暖潛勢特征因子(Global warming potential GWP)指單位質量的某溫室氣體在給定時間邊界內,相對于當量CO2的累積輻射強迫值,是環境影響評價中的氣候變化指標及碳足跡核算的重要參考。GWP對時間敏感,以常見核算氣體CH4為例,將給定時間邊界分別定為20、100年及500年,CH4的GWP值分別為72.0、25.0和7.6,差值可達3～9倍,而CO2對應三種評價時間的GWP值則保持為1。這是由于不同溫室氣體在大氣中的停留時間與對應輻射強度不同,可以理解為瞬間釋放大量污染物產生的影響通常不會與在幾年內緩慢釋放等量的污染物影響相同,因此給定時間邊界的選擇會影響不同氣體成分GWP值,進而影響最終核算結果[41]。

目前大多數研究遵循《京都議定書》設定的參考時間框架,仍將GWP值的首選時間邊界確定為100年,然而并沒有科學論據支持這種時間選擇。紡織纖維原材料獲取階段因化肥投入及牲畜活動會產生CH4和NO2等溫室氣體,其GWP值受時間影響較大,因此,仍采用100年的GWP時間邊界是否適用于服裝產品碳效應評價,若不適用,應設置何種時間邊界,此問題與碳足跡結果具有一定相關性,仍需進一步討論。

2.4.2 天然纖維服裝的短期碳儲存時效

生物質材料碳儲存具有可逆性。天然纖維服裝產品中儲存的碳會在焚燒處理后,重新返回大氣中,且因服裝壽命一般較短,因此可被視作碳的短期儲存。有研究認為,在幾個世紀或更長的時間框架下,短期碳儲存并無好處[44]。相關氣候模型研究表明,從大氣中提取碳并在幾年后將其釋放出來,會導致大氣中CO2濃度更高,在某個時間點產生比碳未被儲存時更高的溫度[45]。也有學者在假設短期碳儲存有效的情況下使用噸年法得出:將1 t碳捕獲并封存48年,可抵消排放1 t碳所產生的溫室效應,前提是GWP值的評價時間邊界設定為100年[45];還有其他研究得出了不同的有效封存時間結果[46]?？傮w來看,大多數學者仍對短期碳儲存的作用持肯定意見,因為該方式相當于推遲溫室氣體排放,可以為緩解溫室效應的技術研發贏得時間,并有利于人們對個體行動的作用更有信心,積極踐行低碳理念[44]。

生物質材料的短期碳儲存到底是否有利于減緩溫室效應還未能定論,這是有關生物碳與時間影響方面學界仍在研究的方向,也是服裝行業碳中和無法回避的問題。只有獲得可以抵消延遲排放影響的有效服裝碳儲存時段,才能針對性地從生產、消費及使用各階段提出干預措施,延長服裝全生命周期壽命,從而抵消延遲排放影響,實現真正的可持續發展。

3 結 語

本文在回顧分析棉、麻、絲、毛四類典型天然纖維的原材料獲取階段碳效應研究基礎上,總結了現階段天然纖維碳效應研究仍待解決的四類基礎問題,并提出仍需加以探討研究的四個方面:1) 統一規范術語;2) 實現核算結果可比性;3) 厘清天然纖維碳轉移路徑;4) 確定服裝產品碳效應評價適用的時間邊界。

中國正處于碳達峰、碳中和起步階段,紡織服裝行業碳中和路徑的探索,既需要核實行業碳排放,探討減碳方法,也需要了解行業碳匯情況,盡量以自然碳匯抵消碳排放,降低碳中和成本。天然纖維原材料獲取階段的碳效應研究可以幫助分析這一問題,實現從碳源、碳匯兩端分別計量,判斷天然纖維原材料獲取階段是否具有固碳效應,進而為纖維全生命周期的碳效應評價打下基礎。只有從全生命周期角度出發,才能全面、準確地比較天然纖維與化學纖維的碳效應評價結果,從而為生產與消費活動提供建議,推動紡織服裝產業綠色可持續轉型。

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