徐湘博,孫明星,*,張林秀
1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,CERN綜合研究中心, 北京 100101
2 聯(lián)合國環(huán)境署國際生態(tài)系統(tǒng)管理伙伴計(jì)劃, 北京 100101
生命周期評(píng)價(jià)(Life Cycle Assessment, LCA)始于20世紀(jì)60年代末的美國資源與環(huán)境狀況分析(REPA),在20世紀(jì)80年代末以后進(jìn)入迅速發(fā)展階段,于1990年由“國際環(huán)境毒理學(xué)與化學(xué)學(xué)會(huì)(SETAC)”首次提出概念,對產(chǎn)品及其“從搖籃到墳?zāi)埂钡娜^程所涉及的環(huán)境問題進(jìn)行評(píng)價(jià)[1]。1997年,國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)定義了LCA,并頒布國際標(biāo)準(zhǔn),制定了理論框架(ISO14040, 2006)[2]。ISO將LCA定義為:“對一個(gè)產(chǎn)品系列的生命周期中輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的匯編和評(píng)價(jià)”,并將其分為四步,即1)目標(biāo)定義和范圍界定,2)清單分析,3)影響評(píng)價(jià),4)結(jié)果解釋。迄今,LCA已廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品及產(chǎn)品系統(tǒng),對工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境影響進(jìn)行定量化評(píng)估,成為工業(yè)產(chǎn)品及產(chǎn)品系統(tǒng)改進(jìn)和綠色設(shè)計(jì)的決策支撐工具。農(nóng)業(yè)系統(tǒng)同樣面臨資源與環(huán)境雙重壓力,減小農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的資源環(huán)境壓力,促進(jìn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的綠色生產(chǎn)成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。LCA的理論與方法在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的應(yīng)用可定量化的評(píng)估其資源環(huán)境壓力,為農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供決策支撐,農(nóng)業(yè)LCA應(yīng)運(yùn)而生。
農(nóng)業(yè)系統(tǒng)同樣面臨資源與環(huán)境雙重壓力下的可持續(xù)發(fā)展問題,農(nóng)業(yè)LCA理論與方法研究應(yīng)運(yùn)而生。LCA在工業(yè)企業(yè)部門、政府環(huán)境管理部門等應(yīng)用較早,農(nóng)業(yè)LCA起步較晚[3]。農(nóng)業(yè)LCA發(fā)展過程中的標(biāo)志性事件為1993年Weidema 組織的第一屆農(nóng)業(yè)生命周期評(píng)價(jià)(life cycle assessment)的學(xué)術(shù)研討會(huì), LCA由此開始廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)系統(tǒng),并建立了相應(yīng)評(píng)價(jià)體系[4-5]。與工業(yè)領(lǐng)域相比,農(nóng)業(yè)LCA存在著以下特點(diǎn):相較于工業(yè)產(chǎn)品,農(nóng)業(yè)產(chǎn)品受產(chǎn)地的影響更大,因此必須考慮區(qū)域化的生命周期清單和評(píng)價(jià)模型[6];農(nóng)業(yè)系統(tǒng)邊界定義更為模糊,如農(nóng)業(yè)種植對土壤質(zhì)量的影響是否包含在系統(tǒng)邊界內(nèi),肥料使用帶來的多年的效應(yīng)如何界定,這些都需要設(shè)定假設(shè)[7];農(nóng)業(yè)系統(tǒng)在不同產(chǎn)品影響分配上更為模糊,特別對于間作作物水和肥的分配問題;農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大量占用土地,對于土地占用帶來的環(huán)境影響需要重點(diǎn)考慮。農(nóng)業(yè)LCA開展也遵從ISO規(guī)定的四步[8],即1)目標(biāo)定義和范圍界定,2)清單分析,3)影響評(píng)價(jià),4)結(jié)果解釋。目前,研究者對農(nóng)業(yè)LCA方法的運(yùn)用并不一致,但研究越來越完善和規(guī)范,歐洲國家等發(fā)達(dá)地區(qū)處于農(nóng)業(yè)LCA方法論研究的領(lǐng)先地位[9-10]。
隨著對可持續(xù)農(nóng)業(yè)的不斷關(guān)注,農(nóng)業(yè)LCA的研究不斷增多。中文數(shù)據(jù)庫中關(guān)于農(nóng)業(yè)LCA的發(fā)表相對較少,此類研究大都發(fā)表于英文雜志?;赪eb of Science核心數(shù)據(jù)庫,對農(nóng)業(yè)LCA的文獻(xiàn)進(jìn)行匯總分析發(fā)現(xiàn),2000年以前農(nóng)業(yè)LCA研究受到的關(guān)注較少,進(jìn)入21世紀(jì)后特別是2010年后對于農(nóng)業(yè)LCA的關(guān)注持續(xù)增加,論文數(shù)量及單篇論文平均引用次數(shù)持續(xù)增加(圖1)。
圖1 基于Web of Science核心數(shù)據(jù)庫中農(nóng)業(yè)生命周期評(píng)價(jià)(LCA)文章發(fā)表數(shù)量及單篇文章平均引用次數(shù)
從發(fā)表文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞來看,除了生命周期評(píng)價(jià)和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)外,碳足跡、溫室氣體排放、全球變暖等詞匯是最為關(guān)注的關(guān)鍵詞,此外,有機(jī)農(nóng)業(yè)、可持續(xù)性等可持續(xù)農(nóng)業(yè)指征關(guān)鍵詞,水足跡、土地利用、生物多樣性等環(huán)境影響關(guān)鍵詞也備受關(guān)注(圖2)。從時(shí)間序列的關(guān)注點(diǎn)來看,農(nóng)業(yè)LCA從有機(jī)種植、土地利用、生物能源等的關(guān)注,慢慢轉(zhuǎn)向?qū)κ澄锷a(chǎn)、肉奶生產(chǎn)、氮素排放、碳排放與固定的關(guān)注,目前研究開始關(guān)注可持續(xù)消費(fèi)、碳足跡等方面(圖2)。
圖2 基于Web of Science核心數(shù)據(jù)庫的農(nóng)業(yè)生命周期評(píng)價(jià)(LCA)相關(guān)論文關(guān)鍵詞分析
從研究區(qū)域來看,歐美地區(qū)是農(nóng)業(yè)LCA研究的熱點(diǎn)區(qū)域,也是開展農(nóng)業(yè)LCA研究最多的區(qū)域。其中最早對農(nóng)業(yè)LCA進(jìn)行研究的國家包括美國、加拿大、西歐和北歐等,意大利、西班牙、澳大利亞、巴西、日本等國隨后對農(nóng)業(yè)LCA開展了大量的研究,而后中國、伊朗、南非、葡萄牙等國對農(nóng)業(yè)LCA展開了大量的研究(圖3)。
圖3 基于Web of Science核心數(shù)據(jù)庫的農(nóng)業(yè)生命周期評(píng)價(jià)(LCA)研究國家分析
在國際上,荷蘭等一些歐洲國家的研究機(jī)構(gòu)如農(nóng)業(yè)環(huán)境中心、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究所等早在1996年就已經(jīng)開始了LCA在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的研究工作[11-12],丹麥、瑞典等北歐國家也于21世紀(jì)初對農(nóng)業(yè)LCA進(jìn)行了大量的探索,如農(nóng)產(chǎn)品種植、食物消費(fèi)等[13-14]。日本是較早開展農(nóng)業(yè)LCA研究的國家之一。1998年,日本政府在國際上率先組織農(nóng)林水產(chǎn)省所屬的有關(guān)研究機(jī)構(gòu)、農(nóng)業(yè)企業(yè)及大學(xué)開始了面向可持續(xù)農(nóng)業(yè)LCA的系統(tǒng)研究,研究成果代表當(dāng)時(shí)國家研究機(jī)構(gòu)的較高水平[15]。目前已經(jīng)較為成熟地將農(nóng)業(yè)LCA方法應(yīng)用到種植方式、耕作制度等的環(huán)境影響評(píng)估或?qū)Ρ妊芯恐衃16-18]。雖然澳大利亞的研究文獻(xiàn)相對較少,但是近年澳大利亞也已啟動(dòng)了農(nóng)業(yè)LCA研究的科技投入[19]。發(fā)展中國家對于農(nóng)業(yè)LCA的研究開展較晚,但也呈現(xiàn)增多的趨勢。Jimmy等采用LCA方法研究了孟加拉水稻種植的環(huán)境影響[20];Taki等采用LCA方法研究了伊朗灌溉和雨養(yǎng)兩種小麥種植系統(tǒng)的環(huán)境績效[21]; Mohammadi等和 Nabavipelesaraei等采用LCA方法分別與數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(DEA)、人工智能技術(shù)(AI)結(jié)合研究了伊朗春夏兩季稻田的不同技術(shù)效率下的環(huán)境影響[22-23]。但以上研究大多是與歐洲國家等發(fā)達(dá)地區(qū)研究者開展的合作研究[20]。我國關(guān)于農(nóng)業(yè)LCA的研究文獻(xiàn)2007年以來才逐漸增多。Wang等采用農(nóng)業(yè)LCA研究了我國華北平原冬小麥-夏玉米生產(chǎn)系統(tǒng)的環(huán)境影響,將生產(chǎn)1噸糧食作為功能單位,系統(tǒng)邊界界定為原料獲取與運(yùn)輸、農(nóng)化生產(chǎn)與運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)耕作3個(gè)環(huán)節(jié),終點(diǎn)環(huán)境影響包括能源消耗、氣候變化、酸化、水體富營養(yǎng)化、人類毒性、水體和陸地生態(tài)毒性,較為系統(tǒng)地識(shí)別了冬小麥-夏玉米生產(chǎn)系統(tǒng)的主要環(huán)境問題[24];并運(yùn)用農(nóng)業(yè)LCA的研究方法在水稻、紅薯、甜高粱種植及后續(xù)利用方面進(jìn)行了系列研究[25-28]。我國也有相關(guān)學(xué)者開展了小麥-玉米輪作系統(tǒng)生命周期評(píng)價(jià)研究[29-30]。另外,還有學(xué)者研究了我國橡膠種植、有機(jī)與常規(guī)大豆種植、有機(jī)與常規(guī)蘋果種植的生命周期影響[31-33]。
分邊界和分對象分屬LCA研究的兩個(gè)維度,屬于正交關(guān)系。從研究系統(tǒng)邊界上來看,農(nóng)業(yè)LCA研究可分為對農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品加工、農(nóng)產(chǎn)品消費(fèi)及廢棄處置等研究,其中對農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的研究是目前研究的重點(diǎn)。從研究對象上來看,農(nóng)業(yè)LCA研究重點(diǎn)集中在糧食、蔬菜、水果等農(nóng)產(chǎn)品,肉和奶的LCA研究主要在西方國家開展。
對于農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的評(píng)價(jià)包括如小麥、水稻、玉米等糧食作物,大麥、西紅柿、蘋果等經(jīng)濟(jì)作物[34-40]。對于農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的評(píng)價(jià),一個(gè)研究重點(diǎn)為探討有機(jī)種植和普通種植之間環(huán)境影響的區(qū)別。通常來講,如果以單位種植面積作為功能單位,有機(jī)種植的環(huán)境影響更小,如果以單位農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量作為功能單位,普通種植的環(huán)境影響更小[41]。對于土豆種植的案例研究表明,有機(jī)種植和普通種植在能源投入上影響類似,普通種植的能源投入更多的體現(xiàn)在農(nóng)藥化肥的生產(chǎn)上,而有機(jī)種植的能源投入更多的體現(xiàn)在機(jī)械生產(chǎn)和機(jī)械使用上,同時(shí)有機(jī)種植需要更多的耕地[38]。對于小麥種植的LCA案例研究表明,經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的共贏并不矛盾,氮素的少量或過量使用是造成資源效率低下的主要原因,氮素少量使用使得土地利用的增多,而氮素的過量使用造成富營養(yǎng)化影響的增大[5]。但目前的評(píng)價(jià)方式不能全面反應(yīng)真實(shí)的環(huán)境影響,造成這種差別的主要原因包括環(huán)境影響種類的不全面,不能完全反映環(huán)境影響;造成環(huán)境影響最為關(guān)鍵的因素在于氮排放的計(jì)算,氮排放數(shù)據(jù)往往來自基于普通種植方式的模型計(jì)算,不能準(zhǔn)確的反應(yīng)有機(jī)種植方式實(shí)際的氮排放,而氮排放對于酸化、富營養(yǎng)化等環(huán)境影響種類影響更大。有作者建議在有機(jī)種植中調(diào)整不同種類動(dòng)物糞便使用過程中碳排放和氮排放系數(shù),使其與不同動(dòng)物糞便本身的碳和氮含量相符合[42]。另外有關(guān)有機(jī)和普通種植的研究對于生態(tài)毒性和人體健康的評(píng)價(jià)可能考慮不周全,由于數(shù)據(jù)缺乏,很多研究沒有考慮有機(jī)種植所帶來的生態(tài)影響,造成了生態(tài)毒性本身的低估[42];有機(jī)種植減少了農(nóng)藥的使用,降低了食物中農(nóng)藥的殘留,這部分對于人體健康影響的減小也沒有體現(xiàn)在研究中,大部分研究僅考慮了化肥農(nóng)藥進(jìn)入水體或土壤進(jìn)而造成人體健康的影響,然而研究表明食物中農(nóng)藥的殘留造成的人體健康的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其進(jìn)入水體或土壤造成的人體健康的影響[43]。
除此之外,有關(guān)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的評(píng)價(jià)還體現(xiàn)在密集化種植、農(nóng)藥化肥施用、新技術(shù)使用、食物全產(chǎn)業(yè)鏈評(píng)估等方面。對于密集化種植和一般化種植及有機(jī)種植的環(huán)境影響分析表明,無論功能單位定義為單位產(chǎn)品或單位種植面積,密集化種植的環(huán)境影響都要高于一般化種植及有機(jī)種植[44]。有關(guān)代表性蔬菜西紅柿種植的環(huán)境影響的評(píng)價(jià)在不同區(qū)域廣泛開展,種植方式、作物種類、種植地點(diǎn)等都影響最終的環(huán)境影響評(píng)價(jià)結(jié)果[41, 45]。研究還對比了不同害蟲控制方式的影響,結(jié)果表明農(nóng)藥的種類和施藥期是環(huán)境影響的重要影響因素[46]。有研究針對某種物質(zhì)的投入進(jìn)行了探討,如Nikkhah等選擇化肥作為研究對象,探究了伊朗農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的影響,并選擇全球變暖潛勢、酸化潛勢和陸地富營養(yǎng)化潛勢這三類影響類型來評(píng)估環(huán)境影響[47];有研究對使用有機(jī)肥所帶來的不同種類的環(huán)境影響進(jìn)行了詳細(xì)討論,有機(jī)肥帶來的營養(yǎng)提供與固碳等效應(yīng)比較容易計(jì)量,應(yīng)當(dāng)納入評(píng)價(jià)中;抑制昆蟲和疾病、提高土壤活力、提高產(chǎn)量等變動(dòng)性較大,不易計(jì)量,難以評(píng)價(jià);預(yù)防土壤侵蝕及增加土壤濕度等雖然易計(jì)量,但缺乏適當(dāng)?shù)哪P瓦M(jìn)行評(píng)價(jià);抑制雜草的效應(yīng)并不明確[48]。有研究對轉(zhuǎn)基因抗除草劑的甜菜種植的環(huán)境影響進(jìn)行了研究,結(jié)果表明轉(zhuǎn)基因品種的環(huán)境影響更小,主要是它避免了農(nóng)藥的生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用環(huán)節(jié)的環(huán)境影響[49],但研究并沒有考慮轉(zhuǎn)基因帶來的其他的潛在風(fēng)險(xiǎn)。除此之外,有研究對一天飲食的環(huán)境影響進(jìn)行了評(píng)價(jià),并核算了一天不同國家早中晚餐的環(huán)境影響,并指出高蛋白類食物的環(huán)境影響較高[41]。
對于肉和奶生產(chǎn)的評(píng)價(jià)主要集中在歐洲國家[38]。肉和奶生產(chǎn)過程中一個(gè)重要的問題就是環(huán)境影響的分配問題,尤其對于牛奶生產(chǎn)來說,牛肉和牛糞便是其副產(chǎn)品。通過系統(tǒng)邊界的擴(kuò)大可以規(guī)避分配問題,也可按照經(jīng)濟(jì)價(jià)值、質(zhì)量和所含能量進(jìn)行分配。對于肉類生產(chǎn),功能單位定義為肉的產(chǎn)量或蛋白的產(chǎn)量可能對結(jié)果產(chǎn)生影響[41]。關(guān)于有機(jī)和傳統(tǒng)肉奶生產(chǎn)的環(huán)境影響也有文獻(xiàn)報(bào)道,一般認(rèn)為有機(jī)養(yǎng)殖可以減小大部分的環(huán)境影響,不過需要占用更多的耕地,減小傳統(tǒng)養(yǎng)殖的環(huán)境影響的措施包括減少牧場營養(yǎng)投入、減少農(nóng)藥用量、更多使用本地飼料等[38]。甲烷的排放是肉奶生產(chǎn)的過程溫室氣體效應(yīng)的重要貢獻(xiàn)者。
農(nóng)產(chǎn)品加工,如制作面包、番茄醬、啤酒等[50-52],評(píng)價(jià)類似于工業(yè)產(chǎn)品的評(píng)價(jià),通常將生產(chǎn)一定質(zhì)量的產(chǎn)品作為功能單位,進(jìn)行定量化評(píng)價(jià)并鑒別最主要的環(huán)境影響種類和影響因素。該類產(chǎn)品融合了農(nóng)業(yè)種植和工業(yè)加工,不同環(huán)境影響種類的最主要的影響因素可能來自于農(nóng)業(yè)種植階段或工業(yè)加工階段,研究發(fā)現(xiàn)工廠規(guī)?;a(chǎn)的環(huán)境影響遠(yuǎn)小于家庭作坊生產(chǎn)的環(huán)境影響[50]。
通過分析來自于不同國別研究文獻(xiàn),可以看出各個(gè)國家都已認(rèn)識(shí)到農(nóng)業(yè)LCA方法論體系在建立可靠的農(nóng)產(chǎn)品環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用前景以及對國際農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易的重要性[53]。我國關(guān)于農(nóng)業(yè)LCA的研究起步較晚,研究相對較少,且集中于對農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)本身的評(píng)價(jià)。面對我國農(nóng)業(yè)系統(tǒng)存在的突出環(huán)境問題,以及提升我國農(nóng)產(chǎn)品在國際貿(mào)易中地位的迫切需求,基于生命周期評(píng)價(jià)的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)環(huán)境效應(yīng)研究框架以及評(píng)價(jià)體系的建立顯得尤為重要,亟需建立并完善基于我國農(nóng)業(yè)特征的LCA方法論體系。從研究系統(tǒng)邊界來看,研究邊界從“搖籃到大門”向“搖籃到墳?zāi)埂睌U(kuò)展,從全產(chǎn)業(yè)鏈的角度考察農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的全生命周期環(huán)境影響對于可持續(xù)食物消費(fèi)具有重要意義。
根據(jù)LCA的國際定義,研究者嘗試把農(nóng)業(yè)LCA定義為:伴隨農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)而引起的所有物質(zhì)和能量的投入、產(chǎn)出與可計(jì)量的環(huán)境負(fù)荷之間的關(guān)系,以評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的資源消耗、能源消耗以及對環(huán)境的綜合影響[3]。目前農(nóng)業(yè)LCA的研究存在功能單位與系統(tǒng)邊界界定不清晰、數(shù)據(jù)獲取途徑方式不明確、數(shù)據(jù)質(zhì)量良莠不齊、缺乏本地化評(píng)價(jià)模型、結(jié)果解釋不科學(xué)等問題。
農(nóng)業(yè)LCA的評(píng)價(jià)范圍界定依賴于研究目標(biāo),多數(shù)研究探究農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程的環(huán)境影響,其中多采取 “搖籃到門”的系統(tǒng)邊界界定方式,主要包括原材料的獲取和運(yùn)輸、中間產(chǎn)品的生產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程,部分研究單獨(dú)定義運(yùn)輸階段為一個(gè)獨(dú)立的階段[32],對于副產(chǎn)品的生產(chǎn)多采用質(zhì)量或價(jià)值分配的方法,采用擴(kuò)大研究邊界的方式避免副產(chǎn)品的分配問題較為少見[54]。從“搖籃到門”的界定方法不能反映農(nóng)產(chǎn)品加工、運(yùn)輸、消費(fèi)及廢棄階段所造成的環(huán)境影響,另副產(chǎn)品的處理方式對農(nóng)產(chǎn)品整個(gè)生命周期影響較大,例如農(nóng)產(chǎn)品副產(chǎn)物農(nóng)業(yè)秸稈露天焚燒和綜合利用造成巨大的環(huán)境影響差異[55]。有研究將研究目標(biāo)定義為餐桌上消費(fèi)的食物,其系統(tǒng)邊界包括產(chǎn)品的生產(chǎn)、收獲、包裝、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié),這種界定能更準(zhǔn)確的衡量農(nóng)產(chǎn)品作為能量或營養(yǎng)提供者的環(huán)境影響,然而農(nóng)產(chǎn)品消費(fèi)和廢棄的環(huán)境影響仍未包含在系統(tǒng)邊界內(nèi)。此外,已有研究均未考慮相關(guān)的廠房設(shè)備、建筑設(shè)施、運(yùn)輸工具生產(chǎn)的環(huán)境影響。為更全面了解農(nóng)產(chǎn)品全生命周期的環(huán)境影響,在有數(shù)據(jù)條件的情況下應(yīng)適當(dāng)擴(kuò)大系統(tǒng)邊界。
功能單位的選定是影響環(huán)境影響結(jié)果的最主要的因素之一。由于農(nóng)業(yè)涉及產(chǎn)品生產(chǎn)和土地利用兩方面,所以早期的農(nóng)業(yè)LCA研究建議研究人員使用產(chǎn)品重量和土地面積兩個(gè)功能單位定義目標(biāo)[56-57]。在已有文獻(xiàn)中,相關(guān)研究多采用單位質(zhì)量的產(chǎn)品、單位土地面積或兩者的結(jié)合作為功能單位進(jìn)行評(píng)估[58]。以單位質(zhì)量產(chǎn)品為功能單位更多的是從產(chǎn)品供給角度進(jìn)行考量,對比生產(chǎn)相同質(zhì)量的產(chǎn)品所造成的環(huán)境影響,由于生產(chǎn)相同質(zhì)量的產(chǎn)品所需土地差異較大,而生命周期評(píng)價(jià)缺乏對于土地質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo),因此該方法不能很好地反映農(nóng)業(yè)活動(dòng)對于土地的環(huán)境影響。以單位土地面積為功能單位更多的是從土地承載力的視角進(jìn)行衡量,該方法可以更準(zhǔn)確地衡量單位土地的環(huán)境影響,但對于單位產(chǎn)品的環(huán)境影響評(píng)價(jià)不充分。目前大部分研究將生產(chǎn)單位作物產(chǎn)品作為功能單位,我國三項(xiàng)研究分別對山東桓臺(tái)縣、河北曲周縣、陜西關(guān)中地區(qū)的小麥-玉米輪作系統(tǒng)生命周期評(píng)價(jià),皆以生產(chǎn)1t冬小麥和夏玉米作為功能單位[24, 29-30]。國際上也有大量研究采用單位作物產(chǎn)量作為功能單位,如Taki等采用生產(chǎn)1t小麥作為功能單元評(píng)價(jià)伊朗不同小麥生產(chǎn)系統(tǒng)的環(huán)境影響[21]。除了以單位作物產(chǎn)品作為功能單位以外,也有研究將單位面積作為功能單位[18]。另外,有研究同時(shí)使用這兩種功能單位進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)[59]。單獨(dú)使用產(chǎn)品重量或者土地面積作為功能單位評(píng)價(jià)的環(huán)境影響沒有充分考慮生產(chǎn)強(qiáng)度的變化,因?yàn)楫a(chǎn)品信息(產(chǎn)量等)并未反映到兩個(gè)功能單位的影響中,使用單位面積影響與單位面積產(chǎn)量的比率對于不同農(nóng)業(yè)系統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品環(huán)境影響比較更為合理[60]。近年來,一些研究采用農(nóng)產(chǎn)品營養(yǎng)價(jià)值作為功能單位,包括能量等價(jià)物、特定營養(yǎng)成分如蛋白質(zhì)的量等,尤其對于肉類產(chǎn)品[61-63],以體現(xiàn)產(chǎn)品最主要的功能,并嘗試統(tǒng)一功能單位實(shí)現(xiàn)不同農(nóng)產(chǎn)品的比較。有學(xué)者認(rèn)為功能單位應(yīng)該體現(xiàn)產(chǎn)品的社會(huì)功能和文化功能,比如喝酒所帶來的快樂作為功能單位,但以社會(huì)或文化功能作為功能單位主觀性過強(qiáng),并不是所有的產(chǎn)品都適合以此作為功能單位[64-65]。對農(nóng)民而言,農(nóng)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值似乎是一個(gè)更合理的功能單位,有些學(xué)者也認(rèn)為這樣能夠反映產(chǎn)品的質(zhì)量,但價(jià)格受其他因素影響較大,總是在變動(dòng),不一定能夠準(zhǔn)確衡量產(chǎn)品的質(zhì)量[66]。此外,以一個(gè)人一天的膳食消費(fèi)作為功能單位,可以更好地反映不同消費(fèi)方式和消費(fèi)習(xí)慣所造成的環(huán)境影響,同時(shí)可以從終端消費(fèi)的角度衡量食物系統(tǒng)的環(huán)境影響,為可持續(xù)食物消費(fèi)提供更明確的數(shù)據(jù)支撐。目標(biāo)界定應(yīng)該依從于決策需要,不同的功能單位的選擇主要考慮產(chǎn)品不同的現(xiàn)實(shí)功能以期提供更準(zhǔn)確的測度。
與功能單位界定相關(guān)的另一個(gè)重要問題為多產(chǎn)品影響分配問題。由于農(nóng)業(yè)產(chǎn)品多為聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)品,單獨(dú)評(píng)價(jià)其中一種產(chǎn)品涉及到輸入輸出等在不同產(chǎn)品上的分配,比較常用的方法為通過產(chǎn)品的質(zhì)量或經(jīng)濟(jì)價(jià)值對不同的產(chǎn)品進(jìn)行分配。有學(xué)者認(rèn)為質(zhì)量或經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配不能反映產(chǎn)品真實(shí)的環(huán)境影響,建議通過生物過程而不是產(chǎn)品的物理性質(zhì)進(jìn)行分配[67],但生物過程往往比較復(fù)雜,存在著很強(qiáng)的不確定性,使得評(píng)價(jià)和比較難以實(shí)現(xiàn)。ISO則建議通過擴(kuò)大系統(tǒng)邊界來避免分配問題,然而擴(kuò)大系統(tǒng)邊界往往對數(shù)據(jù)要求更高而難以實(shí)現(xiàn)。
清單分析是生命周期評(píng)價(jià)的核心環(huán)節(jié)。在農(nóng)業(yè)LCA中,除了傳統(tǒng)LCA經(jīng)常忽略的基礎(chǔ)設(shè)施建造過程中的清單分析外,對于人力投入的清單分析也不多見。有研究將人力投入換算為肌肉能量進(jìn)行評(píng)價(jià),但這種方式不能準(zhǔn)確衡量差異化的人力投入的環(huán)境影響[21]。農(nóng)業(yè)LCA的清單分析有其特殊的復(fù)雜性,集中體現(xiàn)在環(huán)境排放上,農(nóng)業(yè)的環(huán)境排放不僅與當(dāng)?shù)氐耐寥琅c氣候條件相關(guān),更與投入的化肥和農(nóng)藥相關(guān),對于環(huán)境排放的模擬需要特別關(guān)注。對于農(nóng)藥使用造成排放的模擬尚不健全,比如Eco-invent數(shù)據(jù)庫中農(nóng)藥向陸地表層水的排放數(shù)據(jù)缺失,造成了水生毒性評(píng)價(jià)指標(biāo)的不準(zhǔn)確,目前農(nóng)藥使用的排放清單確定是農(nóng)業(yè)LCA中亟待解決的問題之一[68]。化肥引起的排放也是急需解決的問題,由于不同國際組織對于溫室氣體的排放的關(guān)注,化肥引起的氣體排放的清單較為確定,但化肥引起的土壤和水的排放清單仍舊缺乏全球適用的模型進(jìn)行模擬,這些排放與土壤的性質(zhì)高度相關(guān)[69]。有機(jī)種植中有機(jī)肥使用的排放清單也是農(nóng)業(yè)LCA中需要解決的重要問題[48]。
可靠且實(shí)時(shí)更新的清單是保證LCA順利進(jìn)行的基礎(chǔ)。過程的輸入輸出清單大部分通過調(diào)研獲取,而背景數(shù)據(jù)則需通過數(shù)據(jù)庫獲取。在工業(yè)LCA中Eco-invent數(shù)據(jù)庫是目前最為廣泛使用的數(shù)據(jù)庫,并在Gabi、Simapro等專業(yè)軟件中集成。隨著可持續(xù)食物消費(fèi)理念的不斷發(fā)展,農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建也在不斷推進(jìn),比如荷蘭開發(fā)的Agrifootprint、丹麥開發(fā)的Food LCA-DK、法國開發(fā)的 Agribalyse和日本開發(fā)的JALCA(Japanese Agricultural Life Cycle Assessment)數(shù)據(jù)庫等[18, 70-72],部分已經(jīng)和商業(yè)化的專業(yè)軟件進(jìn)行集成。但農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的LCA數(shù)據(jù)庫通常是特定區(qū)域的特定案例的數(shù)據(jù),具有很強(qiáng)的區(qū)域異質(zhì)性且不透明性,由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)本身異質(zhì)性的特性,這些數(shù)據(jù)庫很難被用作其他區(qū)域或做橫向?qū)Ρ?。因?亟需建立包含我國區(qū)域異質(zhì)性的特定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)LCA評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)庫,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行全生命周期的評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐。
結(jié)合國內(nèi)外研究進(jìn)展,目前在農(nóng)業(yè)LCIA中采用的特征化中點(diǎn)環(huán)境影響種類主要包括非能源資源消耗、初級(jí)能源消耗、全球變暖、臭氧層消耗、光化學(xué)污染、富營養(yǎng)化、環(huán)境酸化、人體毒性、水生生態(tài)毒性、海洋生態(tài)毒性、陸生生態(tài)毒性、土地使用、水消耗等。在案例研究中不同評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)LCA研究可根據(jù)具體情況對環(huán)境影響指標(biāo)酌情取舍。為了便于不同影響種類間的再比較以及為決策提供政策建議,通常進(jìn)行特征化、歸一化、加權(quán)評(píng)估等評(píng)價(jià)流程。LCIA評(píng)價(jià)一般借助模型來實(shí)現(xiàn),常用的模型為工業(yè)LCA中的模型,針對農(nóng)業(yè)LCA的評(píng)價(jià)模型較為少見。
目前農(nóng)業(yè)LCIA都是基于一般性的、不考慮區(qū)域異質(zhì)性的、穩(wěn)態(tài)的多介質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)模型,這種模型對于全球氣候變化、臭氧層破壞等全球性指標(biāo)影響不大,而對酸化、富營養(yǎng)化等局域指標(biāo)則具有較大影響。農(nóng)業(yè)過程高度依賴自然資源、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量等因素,具有很強(qiáng)的區(qū)域異質(zhì)性,對于環(huán)境排放的暴露機(jī)制和敏感性具有很強(qiáng)的區(qū)域特征[73],因此評(píng)價(jià)模型更需要考慮區(qū)域的異質(zhì)性。
目前的評(píng)價(jià)模型中缺乏對農(nóng)業(yè)重要影響因素的考量。工業(yè)LCA中認(rèn)為過程是在技術(shù)圈,而環(huán)境排放是在生態(tài)圈。農(nóng)業(yè)LCA從工業(yè)LCA中演化而來,如同在工業(yè)LCA的處理一樣,土地被認(rèn)為是技術(shù)圈的要素,僅作為糧食生產(chǎn)的物理要素投入,而土壤肥力、土壤結(jié)構(gòu)、土壤水平衡、土壤的生物多樣性以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響并沒有包含在目前的評(píng)價(jià)模型內(nèi),但這些是保護(hù)生態(tài)資產(chǎn)和保證糧食生產(chǎn)的必要條件,因此應(yīng)加強(qiáng)對土壤環(huán)境質(zhì)量的考慮[74-75]。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域水資源利用最大的部門,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水足跡占全球水足跡的90%以上[76],目前大多數(shù)的研究和模型缺乏水利用的考慮,或僅僅考慮了使用量,而沒有考慮使用過程所帶來的環(huán)境影響,因此應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)業(yè)用水考量[77]。為了完善農(nóng)業(yè)LCA評(píng)價(jià),部分研究模型對農(nóng)業(yè)的水利用和土地利用的環(huán)境影響進(jìn)行考量[68, 78],GaBi公司最近提出了農(nóng)業(yè)LCA評(píng)價(jià)模型,特別考慮了植物的輪作、土地利用、土地利用變化、水利用等因素[79],但在研究中應(yīng)用還較少。
LCA評(píng)價(jià)結(jié)果因涵蓋不同種類的環(huán)境影響從而得到學(xué)術(shù)界、商界、政界人士的歡迎,現(xiàn)在也有在LCA中包含更多種類環(huán)境影響的趨勢。然而,在資源、時(shí)間、數(shù)據(jù)都不充分的情況下,我們無法一次獲取一種農(nóng)產(chǎn)品所有的環(huán)境影響,加入更多的環(huán)境影響種類有可能會(huì)降低LCA評(píng)價(jià)的價(jià)值和公信度。同時(shí)LCA應(yīng)該與其他評(píng)價(jià)工具結(jié)合,特別是簡單易懂的評(píng)價(jià)指標(biāo),以給決策者提供易于理解與操作的決策信息。
對于LCA評(píng)價(jià)結(jié)果的解釋需要建立在對系統(tǒng)邊界、功能單位、數(shù)據(jù)源、分配原則等充分理解的基礎(chǔ)上,然而非專家在不了解的情況下可能會(huì)誤解LCA的評(píng)價(jià)結(jié)果。在農(nóng)業(yè)LCA中,評(píng)價(jià)結(jié)果不能完全反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的后果,如人體健康指標(biāo)。對于健康的評(píng)價(jià)必須建立在排放-暴露-致病的傳導(dǎo)鏈上,而LCA的評(píng)價(jià)結(jié)果不能反應(yīng)受體對有害物質(zhì)的接受渠道和暴露時(shí)間,因此不能科學(xué)做出對人體健康影響的推斷,一種物質(zhì)的排放量和它的毒性不存在顯著的因果關(guān)系[85]。
對LCA評(píng)價(jià)結(jié)果的敏感性分析和不確定進(jìn)行分析如今成為LCA研究的必要步驟。敏感性分析主要是指數(shù)據(jù)或方法論的選擇和變化如何影響LCIA的結(jié)果,LCA的不確定性指的是由于模型不精確性、輸入的不確定性及數(shù)據(jù)的變動(dòng)性累積引起的結(jié)果的不確定性[83]。目前很多研究中缺乏對評(píng)價(jià)結(jié)果敏感性和不確定性的評(píng)價(jià),應(yīng)對評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行敏感性分析和不確定性檢驗(yàn)以增強(qiáng)結(jié)果的可信度。
農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是一類經(jīng)人工馴化了的生態(tài)系統(tǒng), 是一種人工-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[86]。采用生命周期評(píng)價(jià)方法對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估既需要考慮農(nóng)業(yè)過程在技術(shù)圈的輸入輸出,也需要考慮其在生態(tài)圈的輸入輸出,以科學(xué)客觀地評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的環(huán)境影響。展望未來農(nóng)業(yè)LCA評(píng)價(jià)需要加強(qiáng)以下方面的研究。
農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)不是原生生態(tài)系統(tǒng),農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的形成即對原生生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)生影響。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)境影響的大小或者正負(fù)取決于參照系的選取。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成土地利用變化,改變了原有土地的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能,進(jìn)而引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能發(fā)生變化。農(nóng)業(yè)本身與土地利用變化之間的強(qiáng)相互關(guān)系導(dǎo)致了農(nóng)業(yè)LCA與工業(yè)或工業(yè)園區(qū)LCA的差異。農(nóng)業(yè)種植的改變(集約化或土地?cái)U(kuò)張)會(huì)造成土地利用的變化及土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和生物多樣性的變化。因此衡量農(nóng)業(yè)LCA需要特別關(guān)注土地利用和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化,選擇適當(dāng)?shù)膮⒄障狄院饬坑捎谵r(nóng)業(yè)種植的變化帶來的全生命周期的環(huán)境影響的變化。建議參照系選取所評(píng)價(jià)對象的所在地原生生態(tài)系統(tǒng)作為參照對象。以農(nóng)業(yè)產(chǎn)品或副產(chǎn)品為原料的工業(yè)的LCA也有類似的特征,由于工業(yè)產(chǎn)品規(guī)模的變化,造成其所需原料的變化,因此需要在空間上界定可能發(fā)生變化的區(qū)域或者農(nóng)業(yè)集約化經(jīng)營的區(qū)域。土地利用變化模型通過考慮氣候因素和土壤適應(yīng)性采用logistic回歸分析確定可能發(fā)生變化的空間區(qū)域,而不是簡單地按照目前的情況線性推測未來的情況;土地利用變化引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化和生物多樣性的變化可分別通過InVEST模型和MSA模型確定,以評(píng)估由于工業(yè)規(guī)模的變化造成的生命周期環(huán)境影響的變化[75]。
基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的LCA能夠反映種植本身所造成的環(huán)境影響,對農(nóng)業(yè)的清潔生產(chǎn)具有重要意義。然而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是為了滿足人類的飲食需要或能源需求,從滿足人類需求的角度來講,應(yīng)當(dāng)將采用“搖籃到餐桌”的系統(tǒng)邊界界定方法,將農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、運(yùn)輸、深加工、包裝、分配、消費(fèi)等環(huán)節(jié)納入到評(píng)價(jià)體系中來,從更長的產(chǎn)業(yè)鏈探究農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的環(huán)境影響,尋求減小環(huán)境影響的措施。由于當(dāng)前日益增長的食物浪費(fèi)現(xiàn)狀[87],有必要將食物末端處理階段納入到評(píng)價(jià)框架中來,采用“搖籃到墳?zāi)埂被颉皳u籃到搖籃”的系統(tǒng)邊界界定方法,從可持續(xù)消費(fèi)的角度全面衡量農(nóng)業(yè)(食物)系統(tǒng)的生命周期環(huán)境影響,并鑒別降低環(huán)境影響的途徑。隨著系統(tǒng)邊界的擴(kuò)大和評(píng)價(jià)目標(biāo)的變化,功能單位也將隨之改變,單位餐桌上的產(chǎn)品、單位營養(yǎng)物質(zhì)的生產(chǎn)、一個(gè)人一天的食物消費(fèi)都可以作為功能單位來衡量農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的環(huán)境影響。
目前國際上已經(jīng)初步構(gòu)建農(nóng)業(yè)LCA評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)庫,但由于數(shù)據(jù)庫具有很強(qiáng)的區(qū)域異質(zhì)性,國際數(shù)據(jù)庫并不適用中國農(nóng)業(yè)LCA的評(píng)價(jià);此外,由于中國地域面積大,不同區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式存在較大差異,因此有必要建立區(qū)域異質(zhì)性的農(nóng)業(yè)LCA評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫。由于收集大量區(qū)域異質(zhì)性的數(shù)據(jù)成本過高,如何在收集有限數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上反應(yīng)農(nóng)業(yè)LCA區(qū)域上的變異性需要方法論的創(chuàng)新。目前農(nóng)業(yè)LCA的評(píng)價(jià)大都借助于工業(yè)LCA評(píng)價(jià)的常用模型,而模型中對于土地質(zhì)量、水利用、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等指標(biāo)考慮較少,因此有必要將以上指標(biāo)納入評(píng)價(jià)模型,結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)構(gòu)建區(qū)域特色的環(huán)境影響表征模型,以提高農(nóng)業(yè)LCA評(píng)價(jià)在區(qū)域特異性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。
雖然生命周期評(píng)價(jià)最初主要針對產(chǎn)品的影響評(píng)估,但它也適用于組織級(jí)別(Organizational LCA, O-LCA)(ISO/TS 14072), 與其在產(chǎn)品層面進(jìn)行比較不同的是,基于組織的生命周期評(píng)價(jià)是一種時(shí)間上的比較,可以為支持戰(zhàn)略決策和可持續(xù)發(fā)展評(píng)估提供信息,O-LCA更有前途的應(yīng)用是通過定期評(píng)估組織的環(huán)境績效來持續(xù)改進(jìn)組織,即績效跟蹤[88]。最新的研究結(jié)果顯示,該方法成功應(yīng)用于巴西一家擁有2600種產(chǎn)品化妝品公司的環(huán)境影響評(píng)估[89]。O-LCA采用ISO 14040和ISO 14044規(guī)定的4個(gè)步驟,產(chǎn)品LCA標(biāo)準(zhǔn)中的大多數(shù)原則、要求和指導(dǎo)方針也適用于O-LCA。O-LCA同樣適用于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià),從環(huán)境承載力的視角衡量農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的環(huán)境影響,從橫向和縱向上衡量農(nóng)業(yè)系統(tǒng)環(huán)境效應(yīng)的改善或惡化,為農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可持續(xù)生產(chǎn)提供建議。
從農(nóng)業(yè)系統(tǒng)全產(chǎn)業(yè)鏈的角度看,農(nóng)業(yè)系統(tǒng)涉及多個(gè)利益相關(guān)者,包括生產(chǎn)階段的大型農(nóng)場或農(nóng)民,加工階段的工業(yè)企業(yè)、運(yùn)輸階段的物流公司、消費(fèi)階段的廣大消費(fèi)者、末端的食物廢棄再利用企業(yè)、提供管理的政策制定者與決策者等。不同利益相關(guān)者的行為不僅對產(chǎn)業(yè)鏈上下游的主體產(chǎn)生影響,同時(shí)也對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)環(huán)境影響產(chǎn)生影響。探究不同利益相關(guān)者的行為對全產(chǎn)業(yè)鏈的環(huán)境影響,并識(shí)別主要的影響因素對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)全產(chǎn)業(yè)鏈的綠色升級(jí)具有重要意義。生產(chǎn)階段生產(chǎn)規(guī)模、新技術(shù)的采用、低化肥農(nóng)藥投入的生產(chǎn)方式等對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的影響應(yīng)予以關(guān)注;加工階段對不同產(chǎn)品的包裝方式不僅影響著產(chǎn)品的質(zhì)量和包裝階段的環(huán)境影響,也會(huì)對包裝廢物的后期處理產(chǎn)生顯著影響;運(yùn)輸階段不同產(chǎn)品的市場分配,尤其對需要遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)漠a(chǎn)品,物流產(chǎn)生顯著的影響;消費(fèi)者在一定程度上對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)具有決定性的作用,消費(fèi)者飲食結(jié)構(gòu)的變化及消費(fèi)的偏好可對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)及其環(huán)境影響產(chǎn)生顯著影響;廢棄食物的再利用方式受其收集方式的影響也受處理技術(shù)的影響,探究適宜的廢棄食物收集及處理系統(tǒng)對于綠色產(chǎn)業(yè)鏈的構(gòu)建具有重要意義;管理者與政策制定者通過產(chǎn)品綠色認(rèn)證、生態(tài)標(biāo)簽等方式可引導(dǎo)消費(fèi)者,著力推進(jìn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的綠色生產(chǎn)與消費(fèi)。探究不同利益相關(guān)者的行為和偏好及其對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的影響應(yīng)是農(nóng)業(yè)LCA研究的一個(gè)重要方向。