技術(shù)生命周期評(píng)價(jià)進(jìn)展及其在碳中和領(lǐng)域應(yīng)用趨勢(shì)分析

李媛媛，葛曉華，王文靜，王順揚(yáng)，閆冠玉，李華，朱宇恩*

1.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院

2.太原工業(yè)學(xué)院環(huán)境與安全工程系

2020年習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)宣布中國(guó)將力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到二氧化碳排放峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)上升期、排放達(dá)峰期，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰以及碳中和目標(biāo)，通過(guò)技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步減緩產(chǎn)品迭代速度以及過(guò)程排放是可行路徑。技術(shù)發(fā)展是以提高生產(chǎn)效率和優(yōu)化產(chǎn)品的適用性為前提的，但技術(shù)發(fā)展過(guò)程中存在反彈效應(yīng)[2-3]、隱性增加能源消耗以及污染排放等可能，如農(nóng)業(yè)中化肥和農(nóng)藥的廣泛使用在增產(chǎn)同時(shí)導(dǎo)致水質(zhì)惡化、湖泊及河流的富營(yíng)養(yǎng)化。此外許多產(chǎn)品在運(yùn)行和使用階段都是環(huán)境友好的，但產(chǎn)品（如頁(yè)巖氣）的生產(chǎn)可能會(huì)造成資源浪費(fèi)與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。

對(duì)技術(shù)展開(kāi)綜合評(píng)估可有效識(shí)別影響環(huán)境的關(guān)鍵過(guò)程和因素，為技術(shù)的管理及改進(jìn)提供參考，該過(guò)程將多因素納入考慮范疇，進(jìn)而評(píng)估能源消耗、碳排放及其他環(huán)境危害，是碳中和技術(shù)路徑可行性選擇的有效方法。生命周期評(píng)價(jià)（LCA）是一種用于“編制和評(píng)價(jià)一個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)在其整個(gè)生命周期的輸入、輸出和潛在環(huán)境影響”的方法[6]。LCA最早被用于包裝產(chǎn)品的環(huán)境排出量和天然資源利用量定量化分析，漸漸地因不同技術(shù)路線(xiàn)生產(chǎn)同一產(chǎn)品的生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果存在差異，LCA被用于不同的技術(shù)路徑的比較分析。對(duì)技術(shù)進(jìn)行LCA評(píng)價(jià)是指對(duì)技術(shù)在其生命周期的各階段的所有輸入輸出過(guò)程中的能源利用、資源消耗、污染排放進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的系統(tǒng)化定量評(píng)估及評(píng)價(jià)的方法，LCA已被用作評(píng)估各種技術(shù)和服務(wù)對(duì)環(huán)境影響的工具[7]。全系統(tǒng)評(píng)價(jià)的特點(diǎn)使LCA成為用于技術(shù)進(jìn)步的可持續(xù)性評(píng)價(jià)方法，也成為決策的重要工具[8-9]。

目前已開(kāi)展了眾多基于LCA中系統(tǒng)邊界的確定、影響評(píng)價(jià)類(lèi)型和評(píng)價(jià)工具研發(fā)等研究，如果能梳理LCA在技術(shù)發(fā)展歷程中的經(jīng)緯脈絡(luò)和特點(diǎn)，將更加有助于技術(shù)的全維度評(píng)判[10]，明晰在碳中和路徑的應(yīng)用有效性。文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)可以系統(tǒng)地分析某一研究領(lǐng)域的整體發(fā)展情況，把握該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)與趨勢(shì)[11-12]?；诖?，筆者利用CiteSpace軟件對(duì)技術(shù)生命周期評(píng)價(jià)（TLCA）文獻(xiàn)進(jìn)行分析，討論近20年TLCA研究特點(diǎn)、前沿變化趨勢(shì)、關(guān)鍵過(guò)程，以及應(yīng)用領(lǐng)域間的相互關(guān)系及演進(jìn)路徑，以期為技術(shù)與環(huán)境及碳中和的耦合關(guān)系剖析提供支持。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)檢索源為 Web of Science核心數(shù)據(jù)庫(kù)，文件記錄內(nèi)容包括作者、標(biāo)題、來(lái)源出版物、摘要和引用的參考文獻(xiàn)。在高級(jí)檢索的檢索框內(nèi)輸入TS（主題）=〔（“LCA”O(jiān)R“l(fā)ife cycle analysis”O(jiān)R“l(fā)ife cycle assessment”）AND（“technology*”）〕，共檢索到2000—2019年發(fā)表的4 395篇文獻(xiàn)，檢索時(shí)間為2020年8月9日。文獻(xiàn)類(lèi)型主要有文章（article）、綜述（review）、社論材料（editorial material）、會(huì)議摘要（meeting abstract）、書(shū)籍章節(jié)（book chapter）等 11種類(lèi)型。文章（3 811篇）是主要的文獻(xiàn)出版類(lèi)型，其次是評(píng)論（548篇）、社論材料（212篇）和其他類(lèi)型的出版物。

1.2 分析方法

研究方法采用CiteSpace Ⅲ軟件，分析內(nèi)容包括國(guó) 家 （country）、 機(jī) 構(gòu) （institution）、 學(xué) 科 分 類(lèi)（category）、期刊（journal）和關(guān)鍵詞（keyword），時(shí)間劃分（timing slicing）設(shè)置為 2000—2019年，時(shí)間節(jié)點(diǎn)（years per slice）設(shè)為 5年，術(shù)語(yǔ)來(lái)源（term source）依次勾選為標(biāo)題（title）、摘要（abstract）、作者關(guān)鍵詞（author keywords）、擴(kuò)展關(guān)鍵詞（keywords plus），閾值設(shè)置為top=50。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)文量

2000—2019年TLCA相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)文量如圖1所示。從圖1可以看出，2000年以來(lái)TLCA方面的發(fā)文量總體呈上升趨勢(shì)，表明國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)TLCA的關(guān)注度逐步提高。根據(jù)不同時(shí)期發(fā)文量的變化，可將發(fā)展歷程劃分為2個(gè)階段：2000—2006年為研究起步階段，僅有357篇文獻(xiàn)被收錄，占總發(fā)文量的8.12%；隨著人們環(huán)保意識(shí)逐漸加強(qiáng)，LCA廣泛應(yīng)用于環(huán)境影響評(píng)價(jià)，其迎來(lái)了重大的發(fā)展機(jī)遇并進(jìn)入快速發(fā)展階段，2007—2019年發(fā)文量達(dá)到4 038篇，占總發(fā)文量的91.88%。為提高LCA效率，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）于2006年對(duì)ISO 14040系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了整合，將原先的4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)合并為現(xiàn)在的2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即 ISO 14040—2006《環(huán)境管理 生命周期評(píng)價(jià)原則和框架》和 ISO 14044—2006《環(huán)境管理 生命周期評(píng)價(jià) 要求和導(dǎo)則》。標(biāo)準(zhǔn)的整合統(tǒng)一引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注，也促進(jìn)了TLCA的快速發(fā)展。

圖1 2000—2019年TLCA相關(guān)文獻(xiàn)歷年發(fā)文量Fig.1 Number of published literature in the TLCA field during 2000-2019

2.2 學(xué)科及期刊分布

頻數(shù)是指文獻(xiàn)在某計(jì)量指標(biāo)中出現(xiàn)的文獻(xiàn)數(shù)量，中心度表示該指標(biāo)節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)弱，中心度越高，該指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)、重要性越大。

2000—2006年TLCA研究主要集中于工程學(xué)（Engineering）學(xué)科（50%以上），多數(shù)出現(xiàn)在機(jī)械工程、制造工程領(lǐng)域，這可能是因?yàn)長(zhǎng)CA起源于對(duì)包裝物的研究，用于改善產(chǎn)品的功能，故此階段最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是工程領(lǐng)域。研究人員在本階段研究的重點(diǎn)在于工業(yè)技術(shù)水平的提升和效率的提高，期望尋找效率更高的技術(shù)手段及最佳的節(jié)能方法[13]，故開(kāi)始探索評(píng)估技術(shù)效能、經(jīng)濟(jì)影響的方法，從而為技術(shù)的改進(jìn)提供參數(shù)依據(jù)。

2007—2019年工程學(xué)（Engineering）領(lǐng)域的研究仍然占主體，且中心度高，研究對(duì)象與上一階段基本相同。本階段對(duì)于TLCA手段已經(jīng)較為成熟，被應(yīng)用于多種技術(shù)領(lǐng)域，包括運(yùn)輸[14]、材料制備[15]、新能源生產(chǎn)技術(shù)[16-17]、建筑[18]等。TLCA與生態(tài)學(xué)（Ecology）、環(huán)境科學(xué)（Environmental Sciences）、環(huán)境工程（Engineering, Environmental）、其他理工學(xué)科（Science & Technology: Other Topics）、能源與燃料（Energy & Fuels）、綠色可持續(xù)發(fā)展技術(shù)（Green &Sustainable Science & Technology）等環(huán)境、能源等領(lǐng)域?qū)W科的交叉聯(lián)合逐漸增強(qiáng)。生態(tài)學(xué)的發(fā)文量?jī)H次于工程學(xué)，顯示環(huán)境對(duì)發(fā)展的制約及政府的重視是基于環(huán)境角度的TLCA增多的主因。能源與燃料學(xué)科的發(fā)文量雖低于工程學(xué)，但其中心度最高（表1），各行業(yè)節(jié)約成本、減少能耗的內(nèi)在需求，成為能源與燃料學(xué)科中心度高的原因。工程學(xué)、能源與環(huán)境類(lèi)學(xué)科的LCA評(píng)價(jià)雖有所差異，但存在緊密聯(lián)系且交叉較多，核心圍繞綠色可持續(xù)發(fā)展和減少能源消耗展開(kāi)。

表1 2000—2019年TLCA領(lǐng)域發(fā)文量前10的學(xué)科類(lèi)別Table 1 Top 10 discipline categories in the TLCA field during 2000-2019

2000—2019年TLCA研究領(lǐng)域發(fā)文量前10的期刊如表2所示。從表2可以看出，該領(lǐng)域文章主要發(fā)表在工程、環(huán)境、能源類(lèi)期刊上。Journalof Cleaner Production （479篇）和 International Journal of Life Cycle Assessment （229篇）被引次數(shù)排序分別列于第1位和第3位，并且中心度較高，說(shuō)明與其他期刊的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)。此外，Environmental Science &Technology期刊雖然發(fā)文量相對(duì)較少，但被引次數(shù)僅次于Journal of Cleaner Production，且中心度最高?？偟膩?lái)說(shuō)，針對(duì)TLCA方面期刊主要涉及能源循環(huán)利用和綠色可持續(xù)發(fā)展。

表2 2000—2019年TLCA研究領(lǐng)域發(fā)文量前10的期刊Table 2 Top 10 journals in the TLCA field during 2000-2019

2.3 發(fā)文國(guó)家

頻數(shù)是指文獻(xiàn)在某計(jì)量指標(biāo)中出現(xiàn)的文獻(xiàn)數(shù)量，中心度表示該指標(biāo)節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)弱（由CiteSpace軟件計(jì)算得出），中心度越高，該指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)、重要性越大、影響力越強(qiáng)。圖2為2000—2019年TLCA領(lǐng)域中主要發(fā)文國(guó)家的文獻(xiàn)計(jì)量網(wǎng)絡(luò)圖譜，同心圓不同顏色代表不同時(shí)間（深藍(lán)色、淺藍(lán)色、綠色、紅色分別代表2000—2004年、2005—2009年、2010—2014年、2015—2019年），粗細(xì)代表發(fā)文頻次。由圖2可見(jiàn)，美國(guó)發(fā)文量最多，國(guó)際合作關(guān)系緊密，但中心度低。中國(guó)雖然開(kāi)始研究稍晚，但近些年發(fā)文量激增，目前發(fā)文量?jī)H次于美國(guó)，且與世界各國(guó)的合作交流聯(lián)系增多，但中心度較低（0.06），還需進(jìn)一步加強(qiáng)與其他國(guó)家及機(jī)構(gòu)的交流和合作，提高發(fā)文影響力和中心度。整體來(lái)看，美國(guó)、英國(guó)等老牌經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)體研究起步時(shí)間較早，意大利雖然發(fā)文量遠(yuǎn)低于美國(guó)和中國(guó)，但其中心度最高。

圖2 2000—2019年TLCA領(lǐng)域中主要發(fā)文國(guó)家的文獻(xiàn)計(jì)量網(wǎng)絡(luò)圖譜Fig.2 Bibliometric network map of the major countries that issued articles in the TLCA field from 2000 to 2019

2.4 TLCA研究熱點(diǎn)

關(guān)鍵詞是描述性詞匯，關(guān)鍵詞分析可快速了解研究領(lǐng)域在一段時(shí)間內(nèi)的研究主題、熱點(diǎn)及其變化[19-20]。選取最常引用的300個(gè)關(guān)鍵詞中出現(xiàn)頻次較高的前50個(gè)關(guān)鍵詞（圖3），目前的研究熱點(diǎn)主要圍繞TLCA的研究主題、TLCA方法、TLCA的應(yīng)用3方面展開(kāi)，按照網(wǎng)絡(luò)圖譜中每個(gè)聚集圈中出現(xiàn)的高頻關(guān)鍵詞的研究熱點(diǎn)進(jìn)一步展開(kāi)討論。

圖3 2000—2019年TLCA領(lǐng)域關(guān)鍵詞文獻(xiàn)計(jì)量網(wǎng)絡(luò)圖譜Fig.3 Bibliometric network map of keywords in the TLCA field from 2000 to 2019

2.4.1 TLCA的主題熱點(diǎn)

TLCA的研究主題主要包括能源生產(chǎn)技術(shù)、碳足跡、廢物管理技術(shù)。其中能源生產(chǎn)技術(shù)主要包括能源〔energy（511）〕（括號(hào)中數(shù)字表示關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次），生物質(zhì)能源〔bioma（186），biofuel（151），bioenergy（71），biogas（49）〕，可再生能源〔renewable energy（131）〕，電能〔eletctricity（91）〕，水〔water（74）〕，天然氣〔natural gas（46）〕，氫的生產(chǎn)技術(shù)〔hydrogen production（46）〕 ，厭氧消化〔anaerobic digestion（99）〕，氣 化 城 市 固 體 廢 物 〔gasification municipal soild waste（53）〕等。在全LCA中，對(duì)可再生能源中的多種能量和物質(zhì)輸入消耗的忽略，使綠色可再生能源的環(huán)境友好性存在爭(zhēng)議，因此全LCA對(duì)溫室氣體排放貢獻(xiàn)率的因素逐步全面納入并成為該主題熱點(diǎn)。根據(jù)歐盟的可再生能源指令，2020年可再生能源在最終能源消費(fèi)中的比例達(dá)到20%[21]，在該階段和后續(xù)20年中綠色可再生能源的原料和技術(shù)等系統(tǒng)性因素將成為重點(diǎn)研究方向[22]。碳足跡〔carbon footprint（ 60）〕主要包括排放〔emission（328）〕、溫室氣體排放〔greenhouse emission（242）〕、氣候變化〔climate change（95）〕、CO2排放〔CO2emission（77）〕、CO2捕集〔CO2capture（71）〕和碳〔carbon（49）〕。國(guó)內(nèi)外已廣泛使用碳足跡來(lái)衡量各行業(yè)及各生產(chǎn)過(guò)程中的溫室氣體排放并作為制訂相應(yīng)減排方案的參考依據(jù)[23]。2012年ISO認(rèn)定，碳足跡是指產(chǎn)品由原料獲取、制造、運(yùn)輸、銷(xiāo)售、使用以及廢氣處理各階段直接和間接產(chǎn)生的溫室氣體排放總量[24]。碳足跡評(píng)價(jià)作為碳排放強(qiáng)度定量評(píng)價(jià)、溫室氣體管理的重要工具，實(shí)現(xiàn)從生命周期視角的溫室氣體排放本質(zhì)過(guò)程分析，可為解決環(huán)境問(wèn)題提供重大突破。廢物管理技術(shù)包括垃圾〔waste（79）〕、城市固體廢物〔municipal soild waste（57）〕。2019年中國(guó)工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量為44.1億t，僅有52%被綜合利用[25]，說(shuō)明目前存在的回收方法回收率低下，而開(kāi)發(fā)和改進(jìn)廢物處理新技術(shù)可以減輕對(duì)環(huán)境造成的負(fù)擔(dān)，全LCA可實(shí)現(xiàn)對(duì)廢物處理技術(shù)的全過(guò)程分析評(píng)估并剖析其環(huán)境影響[26]，廢物管理決策者可以依此更好地管理廢物流。Christensen等[27]指出LCA為廢物管理提供了一個(gè)更完整的分析視角，有助于了解廢物流及其潛在的環(huán)境影響，LCA方法被廣泛用于評(píng)估廢物管理中的環(huán)境績(jī)效[6]，通過(guò)LCA將固體廢物高價(jià)值利用是下一步的研究關(guān)鍵。

2.4.2 TLCA方法熱點(diǎn)

對(duì)于LCA方法方面，該研究領(lǐng)域的前10個(gè)高頻關(guān)鍵詞可歸納為影響類(lèi)型、評(píng)價(jià)體系2類(lèi)。影響類(lèi)型包括環(huán)境影響〔impact（312）、enviromental impact（307）、enviromental assessment（88）、impact assessment（60）〕和經(jīng)濟(jì)影響〔life cycle（172）、cost（122）、consumption（116）〕，此外，影響類(lèi)型還包括技術(shù)性能、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)[28]、技術(shù)成熟度[29]、市場(chǎng)影響[30]等。LCA可用于評(píng)估技術(shù)的不同影響，從而分析技術(shù)的可持續(xù)性，從關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次可以看出大部分文獻(xiàn)局限于通過(guò)環(huán)境影響對(duì)技術(shù)進(jìn)行評(píng)估；部分文獻(xiàn)構(gòu)建了環(huán)境、經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)技術(shù)的全生命周期過(guò)程[28,31-35]，得到了較為全面的評(píng)價(jià)結(jié)果，成為技術(shù)可持續(xù)發(fā)展以及生產(chǎn)管理方的決策依據(jù)。近年來(lái)出現(xiàn)了LCA與其他影響評(píng)價(jià)方法相結(jié)合的評(píng)價(jià)模型[36-37]，可同時(shí)評(píng)估新興技術(shù)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境績(jī)效，評(píng)估手段工具的集成也減少了獨(dú)立執(zhí)行技術(shù)評(píng)估和生命周期評(píng)估時(shí)可能出現(xiàn)的功能單元、系統(tǒng)邊界和假設(shè)之間的不一致[38]，彌補(bǔ)了評(píng)估中在影響類(lèi)型上的不足。評(píng)價(jià)體系包括體系〔system（458）〕、模型〔model（227）〕、框架〔framework（131）〕、不確定性〔uncertainty（93）〕、清單目錄〔inventory（84）〕、方法〔methodology（58）〕，現(xiàn)有的 LCA 指南（ISO 14040和 ISO 14044）技術(shù)評(píng)估體系較為成熟，但是對(duì)于在研究和開(kāi)發(fā)階段新興技術(shù)的評(píng)估還存在較大的挑戰(zhàn)，目前對(duì)于新興技術(shù)的LCA仍處于摸索階段。

2.4.3 TLCA應(yīng)用熱點(diǎn)

近年來(lái)對(duì)于TLCA的應(yīng)用主要體現(xiàn)在可持續(xù)性評(píng)價(jià)、效能評(píng)價(jià)以及決策3個(gè)方面。其中可持續(xù)性評(píng)價(jià)〔sustainability（299）〕過(guò)程綜合考慮技術(shù)全生命周期中的環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)影響，將可持續(xù)思想融入對(duì)TLCA的全過(guò)程。近年來(lái)科研人員開(kāi)始探索將多維度評(píng)估指標(biāo)與全LCA結(jié)合形成新的可持續(xù)評(píng)價(jià)方法[39]。Collotta等[40]使用生命周期可持續(xù)性評(píng)估（LCSA）工具對(duì)生物燃料進(jìn)行全面影響評(píng)估。結(jié)果表明，現(xiàn)有的LCSA研究雖開(kāi)始考慮經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)性因素，但未涵蓋生物燃料生產(chǎn)系統(tǒng)的全部方面，也不完全符合 RSB（Roundtable on Sustainable Biomaterials）的全部標(biāo)準(zhǔn)，今后LCSA應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大以解決可持續(xù)性的關(guān)鍵方面，完善RSB框架來(lái)進(jìn)行LCA。趙娟等[41]對(duì)多晶硅光伏組件的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行可持續(xù)性評(píng)價(jià)，綜合使用全LCA軟件、全生命周期成本法、社會(huì)性指數(shù)評(píng)價(jià)法，分析其環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)性影響，為多晶硅光伏組件的可持續(xù)生產(chǎn)提供理論意見(jiàn)。技術(shù)效能評(píng)價(jià)〔efficiency（136）〕是技術(shù)可行的判定基礎(chǔ)，可以評(píng)判技術(shù)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)以及大規(guī)模應(yīng)用的可能性。王博[42]將VIKOR（Vlsekriterijumska-Optimizacija I Kompromisno-Resenje）方法引入秸稈能源化利用技術(shù)評(píng)價(jià)領(lǐng)域，結(jié)合模糊層次分析法，進(jìn)行了技術(shù)效能及成熟度評(píng)價(jià)，并根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況與需求設(shè)計(jì)因地制宜的能源化利用技術(shù)，完成效能評(píng)價(jià)的技術(shù)反饋和方向調(diào)整；Sorunmu等[29]在LCA中引入技術(shù)成熟度（TRL）方法對(duì)快速熱解生物油升級(jí)進(jìn)行了效能評(píng)價(jià)，評(píng)估了熱解生物油提質(zhì)方法的優(yōu)點(diǎn)、綜合指標(biāo)和商業(yè)化潛力。全生命周期的決策評(píng)價(jià)包括執(zhí)行〔performance（323）〕、管理〔management（249）〕、設(shè)計(jì)〔design（215）〕、選擇〔optimization（171）〕4部分，是指LCA用來(lái)制定商業(yè)戰(zhàn)略和采購(gòu)決策（選擇）、設(shè)計(jì)產(chǎn)品及生產(chǎn)過(guò)程（設(shè)計(jì)）、改進(jìn)產(chǎn)品及生產(chǎn)過(guò)程（執(zhí)行）、設(shè)定生態(tài)標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)（管理）[43]。Bohnes等[44]對(duì)15年中65個(gè)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)進(jìn)行LCA，分析得到飼料生產(chǎn)是氣候變化、酸化、能源消耗的關(guān)鍵因素，養(yǎng)殖過(guò)程是富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵因素，并依此決策出水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化方案。LCA將通過(guò)2種方式應(yīng)用于決策過(guò)程：1）依據(jù)將不利影響降到最低的原則，選擇影響較小的技術(shù)；2）依據(jù)技術(shù)全生命周期所涉及的環(huán)境、成本等影響，優(yōu)化所用材料及技術(shù)過(guò)程，以減少所選技術(shù)的環(huán)境影響。

2.4.4 TLCA在中國(guó)的研究進(jìn)展

我國(guó)1995年開(kāi)始出現(xiàn)關(guān)于LCA的文章，主要是介紹LCA的應(yīng)用、局限性、未來(lái)展望[45]。21世紀(jì)初開(kāi)始出現(xiàn)運(yùn)用LCA方法對(duì)技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)的文獻(xiàn)，如楊健等[46]運(yùn)用生命周期分析篩選水處理工藝路線(xiàn)，查京民等[47]利用LCA對(duì)建筑材料生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行分析。研究人員漸漸發(fā)現(xiàn)國(guó)外引進(jìn)的LCA方法不適用于我國(guó)，因此許多學(xué)者開(kāi)始探索適合我國(guó)的LCA方法，包括LCA所需的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)以及權(quán)重確定的方法[48]、LCA數(shù)據(jù)庫(kù)[49-50]、LCA模型等，此類(lèi)研究對(duì)LCA在我國(guó)的發(fā)展與完善起到了至關(guān)重要的作用，就此LCA開(kāi)始在我國(guó)各領(lǐng)域應(yīng)用并起到顯著作用。我國(guó)TLCA的應(yīng)用熱點(diǎn)集中于綠色技術(shù)、高新技術(shù)等領(lǐng)域。目前關(guān)于我國(guó)TLCA存在的問(wèn)題仍舊是研究結(jié)果的不足、數(shù)據(jù)庫(kù)的不完整以及評(píng)價(jià)方法的不成熟。

2.5 TLCA在碳中和領(lǐng)域的研究進(jìn)展

氣候問(wèn)題引起了全球廣泛關(guān)注，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和已成為人類(lèi)共同目標(biāo)，而實(shí)現(xiàn)碳中和需要計(jì)算產(chǎn)品及技術(shù)的碳足跡，建立低碳體系。LCA法成為碳排放源清查與數(shù)據(jù)搜集及碳排放核算過(guò)程分析的典型工具[51]。

2000—2019年發(fā)表的TLCA中關(guān)于碳中和（carbon neutrality）的相關(guān)文獻(xiàn)共計(jì) 829篇。發(fā)文量的變化如圖4所示。從圖4可以看出，碳中和領(lǐng)域發(fā)文量變化與技術(shù)范疇LCA發(fā)文量變化總體一致，2000—2007年處于發(fā)展階段，自2008年以來(lái)碳足跡研究已經(jīng)進(jìn)入上升階段，主要是由于2008年以來(lái)，LCA體系方法及數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)展已見(jiàn)成熟，用LCA分析技術(shù)碳排放熱點(diǎn)可為優(yōu)化技術(shù)過(guò)程、規(guī)劃低碳發(fā)展提供技術(shù)支持，對(duì)綠色發(fā)展具有指導(dǎo)意義；另一方面，隨著《京都議定書(shū)》履約期限的逐漸臨近，氣候變化問(wèn)題得到全球廣泛關(guān)注，2008年聯(lián)合國(guó)開(kāi)發(fā)計(jì)劃署（UNDP）發(fā)布了《2007—2008年人類(lèi)發(fā)展報(bào)告》，呼吁21世紀(jì)應(yīng)對(duì)氣候變化的國(guó)際解決方案[52]，探索低碳經(jīng)濟(jì)模式和低碳生活方式實(shí)現(xiàn)全球可持續(xù)發(fā)展迅速成為研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。

圖4 2000—2019年TLCA碳中和領(lǐng)域相關(guān)文獻(xiàn)歷年發(fā)文量Fig.4 Number of documents published in the field of carbon neutrality related to the TLCA field during 2000-2019

時(shí)間線(xiàn)圖譜可以清楚地展示文獻(xiàn)的更新及相互影響。本文對(duì)829篇文獻(xiàn)進(jìn)行聚類(lèi)時(shí)間線(xiàn)分析，共形成6個(gè)聚類(lèi)（圖5），這些聚類(lèi)可以分為2個(gè)大類(lèi)：1）技術(shù)方面，包括風(fēng)力發(fā)電技術(shù)（wind electricity generation technologies）、二氧化碳捕集技術(shù)（ccs technologies）、電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)技術(shù)（electric vehicle）、綜合能源利用技術(shù)（integrated energy）、生物煉制技術(shù)（biorefinery concept）；2）分析方面，包括成本分析（cost result）。其中，技術(shù)方面中綜合能源利用技術(shù)聚類(lèi)出現(xiàn)的最早，且關(guān)注度持續(xù)保持、研究方向呈現(xiàn)多元化發(fā)展；其次是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，近年來(lái)其關(guān)注度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；二氧化碳捕技術(shù)最早出現(xiàn)在2005年，隨著時(shí)間的增加越來(lái)越受研究人員的關(guān)注；生物煉制聚類(lèi)出現(xiàn)較晚，且文獻(xiàn)發(fā)文量較少，主題網(wǎng)絡(luò)初步形成。成本分析首次出現(xiàn)在2009年Zini等[53]對(duì)太陽(yáng)能生產(chǎn)氫氣過(guò)程中的CO2和污染物排放進(jìn)行嚴(yán)格和完整的經(jīng)濟(jì)分析，使政府能夠設(shè)計(jì)出更好的激勵(lì)措施，并推動(dòng)此類(lèi)技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用，LCA與成本分析相結(jié)合是目前及將來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。基于碳中和的技術(shù)LCA逐步發(fā)展且技術(shù)領(lǐng)域逐漸拓寬，2000年以來(lái)評(píng)價(jià)方法逐漸發(fā)展為2007年以后應(yīng)用于不同技術(shù)領(lǐng)域提供了理論支撐，這些應(yīng)用為近幾年新興技術(shù)進(jìn)行LCA提供了數(shù)據(jù)支撐。TLCA領(lǐng)域的碳足跡研究在研究方向上發(fā)生了漂移，現(xiàn)已出現(xiàn)多元化和跨學(xué)科趨勢(shì)，另外一些話(huà)題與經(jīng)濟(jì)、政治等融合在一起，對(duì)未來(lái)的熱點(diǎn)有一定的啟發(fā)意義。

圖5 2000—2019年TLCA領(lǐng)域碳足跡文獻(xiàn)關(guān)鍵詞聚類(lèi)時(shí)間線(xiàn)視圖Fig.5 Clustering time line view of key words of carbon footprint literature in the TLCA field from 2000 to 2019

隨著TLCA的發(fā)展和關(guān)注點(diǎn)的演變，近20年來(lái)，在碳中和領(lǐng)域研究熱點(diǎn)也在發(fā)生變化。最早對(duì)碳中和進(jìn)行研究的是 Nakajima等[54]，其通過(guò)LCA評(píng)價(jià)飲料罐材料的回收效果，但影響力較低。此后，Aycaguer等[55]對(duì)將二氧化碳注入老化的油田（EOR過(guò)程）進(jìn)行LCA評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)EOR過(guò)程產(chǎn)生二氧化碳會(huì)被儲(chǔ)層中的二氧化碳儲(chǔ)存所抵消，雖然研究主要是基于石油的采收率，但過(guò)程實(shí)現(xiàn)了碳中和，在碳中和領(lǐng)域影響力較高。Lenzen等[56]對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)碳排放的生命周期發(fā)現(xiàn)，不同國(guó)別和不同的生產(chǎn)利用回收方式，會(huì)極大影響生命周期評(píng)判結(jié)果，提出了通過(guò)評(píng)估方法的標(biāo)準(zhǔn)化形成投入產(chǎn)出技術(shù)綜合化評(píng)判方法，使評(píng)價(jià)結(jié)果更客觀(guān)地用于技術(shù)比選。2002年，研究人員開(kāi)始針對(duì)碳排放進(jìn)行LCA評(píng)價(jià)，目的是控制溫室氣體的排放。Weitz等[57]采用LCA方法，跟蹤美國(guó)城市生活垃圾管理25年來(lái)溫室氣體排放的變化，結(jié)果表明隨著循環(huán)利用、堆肥、燃燒和垃圾填埋與天然氣回收、控制和利用等措施的實(shí)施，潛在的溫室氣體排放顯著減少，從而減輕了環(huán)境負(fù)擔(dān)；Berg等[58]對(duì)比了芬蘭和瑞典森林活動(dòng)產(chǎn)生的溫室氣體，為森林活動(dòng)實(shí)現(xiàn)碳中和、LCA提供有效參數(shù)依據(jù)。2003—2008年，基于不同燃料角度的碳排放平衡研究進(jìn)入研究熱點(diǎn)區(qū)。引用率較高的文獻(xiàn)有：Gustavsson等[59]采用LCA成本分析方法研究生物質(zhì)燃料的熱電聯(lián)產(chǎn)和冷凝發(fā)電中二氧化碳減排成本，結(jié)果表明使用生物質(zhì)燃料可推進(jìn)碳中和，為電力生產(chǎn)技術(shù)中材料比選和投資方向提供數(shù)據(jù)支撐；Corti等[60]發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)燃料使用相比，利用生物質(zhì)產(chǎn)能對(duì)二氧化碳減排貢獻(xiàn)突出，使用生物質(zhì)能與傳統(tǒng)燃料最大的差別就是生物質(zhì)產(chǎn)能過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳可以與生物質(zhì)在光合作用中吸收的二氧化碳所抵消；Meier等[61]對(duì)電力工業(yè)燃料特別是天然氣燃料進(jìn)行了納入上游過(guò)程的LCA，認(rèn)為上游過(guò)程的因素會(huì)導(dǎo)致全生命周期的評(píng)價(jià)錯(cuò)誤，進(jìn)而導(dǎo)致低碳策略的選擇失敗。

2010年以來(lái)基于TLCA的碳中和逐漸進(jìn)入多指標(biāo)融合評(píng)判階段，力求在碳排放評(píng)估中納入多種影響因素，給出綜合性評(píng)價(jià)指標(biāo)。如van der Giesen等[62]比較了不同代半導(dǎo)體在全生命周期對(duì)環(huán)境和人類(lèi)健康的影響，選擇了全球變暖、水資源使用、光化學(xué)氧化劑的形成、酸化、富營(yíng)養(yǎng)化、人體健康等指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并促進(jìn)了半導(dǎo)體材料更高效的利用能源及減緩全球變暖趨勢(shì)。Bonou等[63]對(duì)歐洲風(fēng)力發(fā)電向電網(wǎng)上傳1 kW·h的電力影響進(jìn)行評(píng)估時(shí)，考慮了環(huán)境（包含溫室氣體排放）、人體健康、自然資源3個(gè)維度指標(biāo)，將溫室效應(yīng)作為其中的一個(gè)指標(biāo)綜合考慮，結(jié)果表明運(yùn)營(yíng)階段影響僅占整個(gè)周期的1%，因此建議全LCA應(yīng)擴(kuò)展至概念和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)以及供應(yīng)鏈管理等階段。2012年，Cucek等[64]討論了評(píng)判LCA的指標(biāo)，包括生命周期成本分析、環(huán)境可持續(xù)性指數(shù)、生態(tài)足跡等，指出在評(píng)估及決策過(guò)程中要綜合考慮環(huán)境、經(jīng)濟(jì)以及社會(huì)因素。

近年來(lái)研究人員開(kāi)始探索將LCA與多種方法相結(jié)合，形成綜合性歸一化多目標(biāo)評(píng)估方法，以有效支撐碳中和決策系統(tǒng)。如Lopes等[65]將物質(zhì)流分析（MFA）與LCA聯(lián)合評(píng)估巴塞羅那自治大學(xué)的環(huán)境輸入與輸出，宏觀(guān)層面的分析使用MFA，微觀(guān)層面的分析使用LCA，2種評(píng)價(jià)方法均表明對(duì)環(huán)境影響最大的是氣候變化潛值，并指出新建的環(huán)境研究學(xué)院可以促進(jìn)大學(xué)環(huán)境的可持續(xù)性。Sorunmu等[29]綜合環(huán)境和經(jīng)濟(jì)等多指標(biāo)，將LCA與技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（TEA）、層次分析法（AHP）及理想點(diǎn)法（TOPSIS）相結(jié)合，分析了多種二氧化碳分離以及捕集技術(shù)，最終從不同利益相關(guān)者的角度確定了煤粉電廠(chǎng)最佳二氧化碳捕集技術(shù)。在未來(lái)研究中，從不同利益方出發(fā)、多維度影響分析、多方法綜合，并給出歸一化評(píng)價(jià)結(jié)果，提升結(jié)果的決策支撐性，將是LCA方法在碳排放及碳中和領(lǐng)域的主要研究方向。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

（1）TLCA研究文獻(xiàn)發(fā)文量整體呈上升趨勢(shì)，2006年以后進(jìn)入快速發(fā)展階段，發(fā)文主要集中在工程學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程和綠色可持續(xù)發(fā)展技術(shù)等學(xué)科。

（2）研究熱點(diǎn)聚集于TLCA的主題、評(píng)價(jià)方法、應(yīng)用類(lèi)別3個(gè)方面，新舊能源特別是新能源技術(shù)、碳減排碳捕集相關(guān)的碳足跡領(lǐng)域以及廢物處理技術(shù)為關(guān)注熱點(diǎn)。TLCA方法的完善研究集中于清單、模型、框架、不確定性等方面，新技術(shù)領(lǐng)域的適用性開(kāi)發(fā)和指標(biāo)的綜合性評(píng)判是發(fā)展方向。TLCA在技術(shù)可持續(xù)性評(píng)價(jià)、效能評(píng)價(jià)以及決策支撐等方向的應(yīng)用較為熱門(mén)。

（3）TLCA關(guān)于碳中和領(lǐng)域的針對(duì)性專(zhuān)一應(yīng)用評(píng)價(jià)手段不足。但在石油開(kāi)采、生物質(zhì)燃料使用等方面已開(kāi)展碳中和初步研究。TLCA作為一種碳減排評(píng)價(jià)的有效方法，手段從單一指標(biāo)演變?yōu)槎嘀笜?biāo)綜合評(píng)價(jià)。

3.2 展望

（1）TLCA評(píng)價(jià)領(lǐng)域中，技術(shù)在綜合影響高占比環(huán)節(jié)的重點(diǎn)分析、技術(shù)過(guò)程物料全涵蓋和主產(chǎn)品的剖析式分析、新型材料產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)的可行性決策是LCA體系發(fā)展重點(diǎn)，其中綠色可再生能源、新型材料、廢物回收利用、減排工藝技術(shù)等方面需予以足夠的重視。

（2）研究方法需注重多元化和綜合化發(fā)展，將環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、效能等多元化影響結(jié)合進(jìn)行綜合性評(píng)估和指標(biāo)簡(jiǎn)化合并是未來(lái)的技術(shù)全生命周期方法研究熱點(diǎn)，評(píng)價(jià)體系的系統(tǒng)性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)和全方位因素納入將成為方法完善的重點(diǎn)。

（3）評(píng)價(jià)對(duì)象的可持續(xù)性評(píng)判將更加聚焦，其中TLCA效能評(píng)判和評(píng)價(jià)結(jié)果的決策支撐作用成為L(zhǎng)CA的有效應(yīng)用及推廣關(guān)鍵一環(huán)，也是碳排放和碳中和領(lǐng)域應(yīng)用中評(píng)估模型符合度及評(píng)價(jià)指標(biāo)適用性、專(zhuān)一性檢驗(yàn)的核心因素。