碳氮足跡研究進(jìn)展與展望

王曉旭，陳曉芳，衛(wèi)凱平，黃 莉

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 引言

氣候變化作為人類面臨最為嚴(yán)峻的全球環(huán)境問(wèn)題，可能會(huì)導(dǎo)致冰川消融、糧食減產(chǎn)和物種滅絕等后果。氣候變化的主要原因是由于人類活動(dòng)向大氣中排放過(guò)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(lián)合國(guó)政府間氣候變化專業(yè)委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC) 發(fā)布的第4次評(píng)估報(bào)告中，預(yù)測(cè)全球地表溫度將在未來(lái)100年內(nèi)平均增加1.8～4.0 ℃，而全球氣溫升高4 ℃將導(dǎo)致不可預(yù)計(jì)的災(zāi)難[3]。

氮是植物生長(zhǎng)的必需養(yǎng)分之一，是構(gòu)成蛋白質(zhì)的主要成分，對(duì)植物的莖葉生長(zhǎng)和果實(shí)發(fā)育有重要作用。由德國(guó)科學(xué)家Fritz Haber和Carl Bosch在20世紀(jì)初發(fā)明的將大氣中惰性氮轉(zhuǎn)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(duì)提高農(nóng)作物產(chǎn)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(zhǎng)的人為活性氮大量進(jìn)入土壤、大氣和水體，造成環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)的損害，如水體富營(yíng)養(yǎng)化、生物多樣性威脅、臭氧層破壞等嚴(yán)重影響。因此，定量評(píng)價(jià)人類生產(chǎn)生活方式對(duì)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(yán)峻挑戰(zhàn)[5,6]。

2 碳氮足跡的概念

“足跡”的概念是用來(lái)衡量人類生產(chǎn)活動(dòng)所消耗的自然資源的方法[7]，這個(gè)概念最早由哥倫比亞大學(xué)的Rees 和Wackernagel提出的生態(tài)足跡所衍生而來(lái)，即要維持特定人口生存和經(jīng)濟(jì)發(fā)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(chǎn)力的土地面積[8]。

2.1 碳足跡

碳足跡最初在英國(guó)出現(xiàn)，起源于生態(tài)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(guān)的研究很多，但鮮有人對(duì)碳足跡概念做出準(zhǔn)確的界定。

Druckman等[12]認(rèn)為碳足跡是由某一人類活動(dòng)引起的二氧化碳排放總量，該過(guò)程可以是直接也可以是間接的，或是某一產(chǎn)品在其整個(gè)生命周期內(nèi)所累積排放的二氧化碳總量。Matthews等[13]認(rèn)為碳足跡是商品或者服務(wù)的整個(gè)生命周期內(nèi)排放的溫室氣體總量，再次將生命周期分為生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用、處置四個(gè)階段。Barthelmie等[14]認(rèn)為碳足跡是產(chǎn)品或者活動(dòng)在其整個(gè)生命周期中產(chǎn)生的二氧化碳總量。Strutt等[15]認(rèn)為碳足跡是某項(xiàng)人類活動(dòng)在其整個(gè)生命周期或者特定某一個(gè)時(shí)段會(huì)排放的溫室氣體的量。Edwards-Jones等[16]認(rèn)為碳足跡是商品在其生產(chǎn)、加工、銷售以及使用過(guò)程中的各個(gè)階段中會(huì)排放的溫室氣體的總量。Sinden等[17]認(rèn)為碳足跡是產(chǎn)品在生命周期內(nèi)產(chǎn)生的溫室氣體的影響，不僅僅會(huì)產(chǎn)生二氧化碳的排放，還會(huì)帶來(lái)其他影響。耿涌等[18]認(rèn)為碳足跡是一項(xiàng)活動(dòng)、一個(gè)產(chǎn)品(或服務(wù))的整個(gè)生命周期，或者某一地理范圍內(nèi)直接和間接產(chǎn)生的二氧化碳排放量(或二氧化碳當(dāng)量排放量)。

本研究在結(jié)合所查閱數(shù)據(jù)的完整性和可適用性后，認(rèn)為碳足跡在Matthews和耿涌所提出的關(guān)于碳足跡的概念的基礎(chǔ)上進(jìn)一步修改比較合理：碳足跡是對(duì)由某種活動(dòng)或某種產(chǎn)品生命周期內(nèi)產(chǎn)生并積累的引起的(或某種產(chǎn)品生命周期內(nèi)產(chǎn)生并積累的)直接或間接的二氧化碳排放量(或二氧化碳當(dāng)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(tài)足跡的組成部分[19]。氮足跡是在生態(tài)足跡概念基礎(chǔ)上, 為了定量評(píng)價(jià)人類生產(chǎn)生活方式對(duì)活性氮排放的影響而提出的。目前還沒(méi)有世界范圍內(nèi)科學(xué)家所公認(rèn)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(rèn)為由個(gè)人的食品和能源消耗所造成的流失到環(huán)境中的活性氮的總量視為個(gè)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(dòng)引起的(或某種產(chǎn)品生命周期內(nèi)產(chǎn)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(duì)于兩者的分類，可根據(jù)研究對(duì)象和研究尺度等的不同，做出以下分類。

碳足跡可依據(jù)不同的研究對(duì)象分為產(chǎn)品碳足跡、企業(yè)碳足跡與個(gè)人碳足跡。產(chǎn)品碳足跡主要通過(guò)生命周期評(píng)價(jià)方法進(jìn)行分析，是指產(chǎn)品或服務(wù)的整個(gè)生命周期中所產(chǎn)生并排放到環(huán)境中的二氧化碳排放量(或二氧化碳當(dāng)量排放量)。企業(yè)碳足跡主要通過(guò)投入產(chǎn)出法進(jìn)行分析，是指在企業(yè)所界定的范圍內(nèi)所產(chǎn)生并排放到環(huán)境中的二氧化碳排放量(或二氧化碳當(dāng)量排放量)。個(gè)人碳足跡可由碳足跡計(jì)算器等方法進(jìn)行分析，是指?jìng)€(gè)人在其社會(huì)生活與生產(chǎn)中所產(chǎn)生并排放到環(huán)境中的二氧化碳排放量(或二氧化碳當(dāng)量排放量)[18]。

同樣，氮足跡也可依據(jù)不同的研究對(duì)象進(jìn)行分類，主要包括產(chǎn)品氮足跡、企業(yè)氮足跡與個(gè)人氮足跡。產(chǎn)品氮足跡是指某種產(chǎn)品或者服務(wù)在其生產(chǎn)、運(yùn)輸、消費(fèi)等整個(gè)生命周期過(guò)程中所積累并排放至環(huán)境的活性氮總量。企業(yè)氮足跡是指企業(yè)在所劃定的范圍內(nèi)由生產(chǎn)活動(dòng)所產(chǎn)生并排放至環(huán)境的活性氮總量。個(gè)人氮足跡是指?jìng)€(gè)人在社會(huì)的生活與生產(chǎn)中所產(chǎn)生并排放到環(huán)境的活性氮的總和[21]。

除了依據(jù)不同的研究對(duì)象進(jìn)行分類，碳足跡還可依據(jù)不同的研究尺度分為家庭碳足跡、區(qū)域碳足跡、國(guó)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(qū)域氮足跡、國(guó)家氮足跡和全球氮足跡。

4 碳氮足跡模型研究進(jìn)展

通過(guò)對(duì)不同研究對(duì)象的分析，可建立對(duì)應(yīng)的碳氮足跡模型以進(jìn)行其碳氮足跡計(jì)算。碳足跡模型主要依據(jù)研究對(duì)象在其整個(gè)生命周期過(guò)程進(jìn)行建立，通過(guò)對(duì)其不同生命階段的碳排放進(jìn)行分析，以核算并確定其直接和間接產(chǎn)生的二氧化碳排放量(或二氧化碳排放當(dāng)量)，氮足跡模型通過(guò)生命周期評(píng)價(jià)方法與物質(zhì)流分析方法對(duì)研究對(duì)象在活動(dòng)過(guò)程中的氮素流動(dòng)進(jìn)行刻畫(huà)，以核算其在活動(dòng)過(guò)程中排入環(huán)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(jù)生命周期評(píng)價(jià)的基本原理，主要方法有兩類：以過(guò)程分析為基礎(chǔ)的“自下而上”模型與以投入產(chǎn)出分析為基礎(chǔ)的“自上而下”模型[19]。

4.1 投入產(chǎn)出分析法

投入產(chǎn)出分析法最早出現(xiàn)于美國(guó)，是由經(jīng)濟(jì)學(xué)家Wassily Leontief提出的一種經(jīng)濟(jì)分析方法。該方法主要通過(guò)編制投入產(chǎn)出表來(lái)實(shí)現(xiàn)，從一般均衡的假定出發(fā)，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來(lái)反映經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)各個(gè)部門(mén)(產(chǎn)業(yè)間)的產(chǎn)品量的依存關(guān)系[23]。

投入產(chǎn)出分析法是一種自下而上的計(jì)算方法，它以整個(gè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)為邊界，通過(guò)編制投入產(chǎn)出表以獲取信息，以計(jì)算經(jīng)濟(jì)變化對(duì)環(huán)境產(chǎn)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(jì)算過(guò)程中沒(méi)有對(duì)原材料生產(chǎn)等環(huán)節(jié)進(jìn)行更深入探討；②該方法僅使用部門(mén)平均排放強(qiáng)度數(shù)據(jù)，因此比較適合于宏觀尺度上的計(jì)算，而在計(jì)算時(shí)采用平均化方法處理同一部門(mén)內(nèi)不同產(chǎn)品的二氧化碳排放很容易產(chǎn)生誤差；③該方法核算是針對(duì)部門(mén)或行業(yè)進(jìn)行，只能評(píng)價(jià)某個(gè)部門(mén)或行業(yè)的碳氮足跡，無(wú)法獲取單一產(chǎn)品的情況及碳氮足跡。

4.2 過(guò)程分析法

過(guò)程分析法通過(guò)對(duì)某種產(chǎn)品或者服務(wù)進(jìn)行生命清單分析以得到輸入和輸出數(shù)據(jù)清單，來(lái)評(píng)估研究對(duì)象在其生產(chǎn)、運(yùn)輸、消費(fèi)等整個(gè)生命周期過(guò)程對(duì)環(huán)境造成影響的工具[24～26]。碳氮足跡的計(jì)算主要是依據(jù)生命周期評(píng)價(jià)原理，通過(guò)分析研究對(duì)象所涉及的所有產(chǎn)品或服務(wù)在整個(gè)生命周期過(guò)程中所排放的二氧化碳或活性氮來(lái)定量計(jì)算碳氮足跡。

不同于投入產(chǎn)出法，過(guò)程分析法的計(jì)算過(guò)程較為準(zhǔn)確且適合于微觀尺度上的計(jì)算，并可以獲取單一產(chǎn)品的情況及碳氮足跡。采用該方法進(jìn)行碳氮足跡計(jì)算時(shí)應(yīng)首先建立產(chǎn)品制造的流程圖，然后確定研究對(duì)象的邊界，確立數(shù)據(jù)收集的合適時(shí)空界限；其次應(yīng)對(duì)研究對(duì)象在整個(gè)生命和周期過(guò)程中的輸入與輸出進(jìn)行刻畫(huà)，并對(duì)其中的二氧化碳或活性氮排放進(jìn)行定量計(jì)算并匯總；最后檢測(cè)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確定，使不確定性達(dá)到最小化并提高碳氮足跡評(píng)價(jià)的可信度，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，指出碳氮足跡產(chǎn)生的熱點(diǎn)環(huán)節(jié)，提出優(yōu)化建議并給出長(zhǎng)期控制方案。

過(guò)程分析法是一種自上而下的計(jì)算方法，適用于不同尺度的碳氮足跡計(jì)算，如產(chǎn)品/個(gè)人、家庭、組織結(jié)構(gòu)、城市、區(qū)域乃至國(guó)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(fù)雜和困難，只有直接的和少數(shù)間接的影響被考慮在內(nèi)，可能會(huì)影響到結(jié)果的可信度[27]；②該方法依靠清單數(shù)據(jù)以獲取研究對(duì)象的環(huán)境影響，但在清單的編制過(guò)程中存在著工作量大與數(shù)據(jù)獲取困難的問(wèn)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(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻，碳氮足跡的研究已成為熱點(diǎn)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)不同的角度和方法研究了碳氮足跡的定義、計(jì)算方法和足跡結(jié)構(gòu)特征。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者工作的總結(jié)，本研究認(rèn)為現(xiàn)有的碳氮足跡的研究應(yīng)在以下幾個(gè)方面進(jìn)一步開(kāi)展。

(1)對(duì)于依據(jù)生命周期評(píng)價(jià)原理的碳氮足跡模型，計(jì)算邊界的確定尤為重要，且為研究對(duì)象劃定合理的邊界可以提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性與政策建議的針對(duì)性。在國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展對(duì)碳氮足跡的研究中，碳氮足跡的概念還存在著概念不統(tǒng)一與定義不明確的問(wèn)題。因此進(jìn)一步完善碳氮足跡理論體系的構(gòu)建并完善概念內(nèi)涵是十分必要的。

(2)基于生命周期原理的過(guò)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(jì)算邊界模糊、數(shù)據(jù)獲取困難、碳排系數(shù)混雜等問(wèn)題。將過(guò)程分析法和投入產(chǎn)出法結(jié)合在一起的混合生命周期法具有詳細(xì)性、準(zhǔn)確性和完整性，將這種方法應(yīng)用于碳氮足跡計(jì)算具有很好的應(yīng)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(shù)據(jù)庫(kù)并與碳足跡、水足跡與磷足跡等綜合應(yīng)用，更有利于全面的評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響。