天然纖維原材料獲取階段碳效應(yīng)研究的若干基礎(chǔ)問題

畢延強(qiáng), 吳雄英, 丁雪梅

(1.東華大學(xué) a.服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院; b.現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與 技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200051; 2.上海海關(guān),上海 200135)

隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展,人類對自然資源與環(huán)境的“掠奪”式消耗導(dǎo)致人與生態(tài)環(huán)境之間矛盾日益凸顯,其中以溫室氣體導(dǎo)致的氣候變化問題最為嚴(yán)峻[1]。2021年3月,《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》明確提出:要“制定2030年前碳排放達(dá)峰行動方案”“錨定努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和,采取更加有力的政策和措施”,同時(shí),考慮到歐盟碳關(guān)稅政策的系列潛在影響,中國紡織服裝產(chǎn)業(yè)面臨著更加緊迫的低碳轉(zhuǎn)型需求。

產(chǎn)品生產(chǎn)相關(guān)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(guān)活動的碳吸收量與碳排放量是碳效應(yīng)研究的首要任務(wù),本文參考相關(guān)研究,將紡織服裝產(chǎn)品在生命周期過程中,所有碳匯及碳源導(dǎo)致的碳流通量之和對大氣影響的表現(xiàn),定義為其碳效應(yīng)[2],用碳足跡表征。一般認(rèn)為,碳足跡為負(fù)表示該產(chǎn)品對應(yīng)階段具有固碳效應(yīng),反之為溫室效應(yīng),零值代表碳中和效應(yīng)。碳效應(yīng)研究是了解產(chǎn)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(guān)學(xué)者就紡織服裝產(chǎn)業(yè)碳足跡具體核算步驟[3]、數(shù)據(jù)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(xué)纖維[10]中代表性產(chǎn)品的工業(yè)碳足跡,取得了良好進(jìn)展。而原材料獲取階段碳匯研究因理論發(fā)展尚未成熟,且需要結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn),經(jīng)驗(yàn)相對缺乏,相關(guān)討論較少。

天然纖維在紡織服裝市場中具有一定消費(fèi)量[11],其穿著舒適、吸濕透氣性好,深受消費(fèi)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(chǎn)業(yè)碳中和可能具有一定價(jià)值。東華大學(xué)牽頭起草的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《紡織產(chǎn)品生命周期碳中和量化與報(bào)告要求》和《紡織企業(yè)碳中和實(shí)施與報(bào)告要求》正在起草過程中,天然纖維原材料獲取階段碳效應(yīng)是否真正有利于紡織服裝產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)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(nèi)外碳效應(yīng)研究進(jìn)展,并以紡織服裝產(chǎn)業(yè)視角,探討該階段天然纖維碳效應(yīng)評價(jià)中仍需解決的專業(yè)術(shù)語規(guī)范、核算結(jié)果不可比、碳轉(zhuǎn)移路徑歸納及時(shí)間因素對核算結(jié)果的影響等基礎(chǔ)問題,為紡織服裝產(chǎn)品碳效應(yīng)研究提供參考。

1 天然纖維原材料獲取階段碳效應(yīng)研究進(jìn)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(yè)活動(如綿羊、桑蠶養(yǎng)殖等)。受當(dāng)?shù)刈匀粭l件、生產(chǎn)人員技術(shù)水平影響,各類纖維生產(chǎn)能力參差不齊。某些纖維原材料如麻類作物,其種植生產(chǎn)階段機(jī)械化信息化程度低,難以獲取準(zhǔn)確的生產(chǎn)活動數(shù)據(jù);且因?yàn)橄到y(tǒng)邊界不統(tǒng)一,已有研究結(jié)果之間也很難比較。比如農(nóng)業(yè)學(xué)家通常將作物收獲視為原材料獲取階段止點(diǎn),而紡織服裝領(lǐng)域?qū)W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(yǎng)殖起,到經(jīng)初級加工獲得對應(yīng)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(nóng)藥和化肥的大量使用會影響大氣環(huán)境[13]。Maraseni等[14]評估澳大利亞主要棉產(chǎn)區(qū),得到該地三種常見棉花種植系統(tǒng)因農(nóng)業(yè)投入產(chǎn)生的溫室氣體排放量,結(jié)果表明,灌溉棉花環(huán)境可持續(xù)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(tǒng)計(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)與實(shí)際生產(chǎn)調(diào)查數(shù)據(jù)分析當(dāng)?shù)孛藁ㄉa(chǎn)碳足跡與構(gòu)成,發(fā)現(xiàn)其碳足跡主要來源是化肥、地膜等農(nóng)資使用與灌溉能源消耗;史磊剛等[16]則選用“經(jīng)濟(jì)效率、生產(chǎn)效率、生態(tài)效率”三個(gè)指標(biāo)分析棉花種植碳效率,發(fā)現(xiàn)棉花的碳經(jīng)濟(jì)效率最高、碳生態(tài)效率次之、碳生產(chǎn)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(jì)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(shù)據(jù)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(jìn)行實(shí)際核算。以上兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)均采用國外數(shù)據(jù)庫中的排放因子,與中國實(shí)際生產(chǎn)情況有所區(qū)別,會給核算結(jié)果帶來一定誤差。李佳慧[19]選擇皮棉為最終產(chǎn)品,進(jìn)一步完善了中國棉紡產(chǎn)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(xiàn)為固碳效應(yīng)。

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(yōu)于許多經(jīng)濟(jì)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(fā)現(xiàn)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(chǎn)出高、化學(xué)品投入少,被視作一種可持續(xù)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(yùn)輸至加工處理的碳足跡,發(fā)現(xiàn)肥料造成的N2O釋放是其首要組成部分,且麻作物生命結(jié)束時(shí),植物體內(nèi)有機(jī)碳可能以甲烷形式再次釋放,導(dǎo)致碳足跡增加;Martijn等[25]對劍麻環(huán)境績效評估的結(jié)果佐證了這一觀點(diǎn)。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(jìn)行評估,結(jié)果證明麻是一種良好的碳匯作物;劉瑞[26]則發(fā)現(xiàn)長期種植苧麻的土壤表層有機(jī)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(xiàng)印度研究[27]表明,從種桑養(yǎng)蠶到蠶絲生產(chǎn)整個(gè)過程中,化肥使用產(chǎn)生的NO2與廢棄物堆肥排放對溫室氣體排放貢獻(xiàn)最大,并認(rèn)為該地生產(chǎn)蠶絲纖維帶來的環(huán)境影響大于其他天然纖維,鑒于當(dāng)?shù)芈浜蟮募庸し椒?其核算結(jié)果的準(zhǔn)確性與代表性遭到許多絲綢從業(yè)者的質(zhì)疑,有待進(jìn)一步討論。Silvio等[28]指出桑蠶養(yǎng)殖和繅絲環(huán)節(jié)造成的環(huán)境負(fù)面影響較大,但同時(shí)也需考慮桑樹光合作用吸收二氧化碳數(shù)量可觀;這與Giacomin等[29]觀點(diǎn)一致,后者通過對比文獻(xiàn)數(shù)據(jù)得出桑樹種植階段應(yīng)該對絲綢的碳儲存和碳轉(zhuǎn)移有積極作用;Li等[30]采用土地碳強(qiáng)度、碳生態(tài)效率等四個(gè)指標(biāo)評價(jià)浙江海寧桑樹種植碳足跡,其核算結(jié)果也表明該階段實(shí)際具有固碳效應(yīng)。在此基礎(chǔ)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(jìn)行核算,發(fā)現(xiàn)包括桑蠶養(yǎng)殖在內(nèi)的原材料獲取階段碳足跡占比最大,佐證了該階段碳效應(yīng)研究的必要性。2021年,劉書軼等[31]綜述了絲綢產(chǎn)品的生命周期環(huán)境表現(xiàn)研究,指出應(yīng)客觀量化與評價(jià)絲綢產(chǎn)品的碳中和效應(yīng)。

1.4 羊毛纖維

羊毛纖維原材料獲取階段與畜牧業(yè)聯(lián)系密切,2006年聯(lián)合國糧農(nóng)組織在報(bào)告中指出,畜牧業(yè)對全球環(huán)境負(fù)荷影響巨大[32]。Bevilacqua等[33]發(fā)現(xiàn)運(yùn)輸和養(yǎng)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(yǎng)殖環(huán)境影響的綜述中,大多數(shù)研究證實(shí),養(yǎng)殖過程中溫室氣體排放的兩大來源是反芻動物腸道發(fā)酵和飼料生產(chǎn),這與Emilio等[35]和Paula等[36]的研究結(jié)果一致。根據(jù)Wiedemann等[37]對1件羊毛服裝全生命周期的環(huán)境影響分析,雖然羊毛生產(chǎn)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(chǎn)生的二氧化碳當(dāng)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(qū)[39]放牧綿羊產(chǎn)生的溫室氣體研究也得到了類似結(jié)論。

2 天然纖維原材料獲取階段碳效應(yīng)研究的若干基礎(chǔ)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(yīng)研究大多針對碳源分析,而碳匯研究較少。根據(jù)綜述,本文針對該階段碳效應(yīng)研究現(xiàn)狀提出以下問題。

2.1 專業(yè)術(shù)語定義不明

原材料獲取階段碳效應(yīng)研究中的常見術(shù)語有:碳源、碳匯、碳庫、碳密度、碳效率、生態(tài)效率、固碳價(jià)值、固碳潛力等。這些術(shù)語通用于林業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)等領(lǐng)域,文獻(xiàn)中很少對其作出解釋,且不同專業(yè)文獻(xiàn)對同一術(shù)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(lián)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、國際報(bào)告,結(jié)合紡織服裝產(chǎn)業(yè)特點(diǎn),選定部分術(shù)語并解釋其內(nèi)涵,如表2所示。

表2 紡織產(chǎn)品碳效應(yīng)研究部分相關(guān)術(shù)語Tab.2 Terminology related to carbon effects studies of textile products

值得注意的是,參考報(bào)告具有版本時(shí)效性,且不同國際文件中對各術(shù)語名稱與解釋也未達(dá)成一致,此部分內(nèi)容仍需不斷規(guī)范。

2.2 碳效應(yīng)核算結(jié)果缺乏可比性

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

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

2) 核算方法不一致。在系統(tǒng)邊界一致的前提下,核算時(shí)還涉及數(shù)據(jù)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(dǎo)致最終核算結(jié)果不可比。

3) 數(shù)據(jù)不具備代表性。由于棉纖維市場占有率具有絕對優(yōu)勢,從研究數(shù)量上看,有關(guān)棉纖維的碳效應(yīng)研究更多且覆蓋地區(qū)廣,數(shù)據(jù)較有代表性;相比之下,有關(guān)麻類作物碳效應(yīng)的研究還不甚豐富,尤其中國對其探討還集中在生產(chǎn)方式與加工技術(shù)方面,很難獲得碳效應(yīng)相關(guān)數(shù)據(jù);針對蠶絲、羊毛等蛋白質(zhì)類纖維的碳效應(yīng)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(xiàn)有研究中的生產(chǎn)活動數(shù)據(jù)往往是針對某個(gè)農(nóng)場或企業(yè),很難代表中國或某個(gè)區(qū)域的平均水平,在比較時(shí)可能導(dǎo)致偏差。

纖維碳效應(yīng)結(jié)果可比性建立在統(tǒng)一的核算體系基礎(chǔ)上,因此,需要繼續(xù)完善原材料獲取階段的碳效應(yīng)核算方法,并盡可能獲得更具代表性的活動數(shù)據(jù)以供核算。

2.3 碳轉(zhuǎn)移路徑有待厘清總結(jié)

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(jī)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(chǎn)生不同的碳轉(zhuǎn)移路徑,如圖1所示。

圖1 天然纖維原材料獲取階段碳轉(zhuǎn)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(jīng)加工轉(zhuǎn)移至服用纖維,還有部分留存在廢棄物(如秸稈)中,經(jīng)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(jī)碳可持續(xù)儲存多年。蛋白質(zhì)類纖維中的碳轉(zhuǎn)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(nèi)轉(zhuǎn)化后的產(chǎn)物,如除了羊毛纖維外,綿羊還會產(chǎn)出羊肉、羊奶等,需要在碳足跡核算時(shí)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(zhuǎn)移路徑存在差異,但在纖維素類纖維與蛋白質(zhì)類纖維這兩大類纖維的原材料獲取階段中,其碳轉(zhuǎn)移路徑也存在共性。厘清各類原材料在此階段的碳轉(zhuǎn)移路徑并歸納總結(jié),可以為構(gòu)建一個(gè)更具普適性的天然纖維原材料獲取階段碳效應(yīng)核算模型提供理論依據(jù)。

2.4 時(shí)間因素對評價(jià)結(jié)果的影響還需考慮

2.4.1 GWP值的時(shí)間邊界

全球氣候變暖潛勢特征因子(Global warming potential GWP)指單位質(zhì)量的某溫室氣體在給定時(shí)間邊界內(nèi),相對于當(dāng)量CO2的累積輻射強(qiáng)迫值,是環(huán)境影響評價(jià)中的氣候變化指標(biāo)及碳足跡核算的重要參考。GWP對時(shí)間敏感,以常見核算氣體CH4為例,將給定時(shí)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(dá)3～9倍,而CO2對應(yīng)三種評價(jià)時(shí)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(shí)間與對應(yīng)輻射強(qiáng)度不同,可以理解為瞬間釋放大量污染物產(chǎn)生的影響通常不會與在幾年內(nèi)緩慢釋放等量的污染物影響相同,因此給定時(shí)間邊界的選擇會影響不同氣體成分GWP值,進(jìn)而影響最終核算結(jié)果[41]。

目前大多數(shù)研究遵循《京都議定書》設(shè)定的參考時(shí)間框架,仍將GWP值的首選時(shí)間邊界確定為100年,然而并沒有科學(xué)論據(jù)支持這種時(shí)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(chǎn)生CH4和NO2等溫室氣體,其GWP值受時(shí)間影響較大,因此,仍采用100年的GWP時(shí)間邊界是否適用于服裝產(chǎn)品碳效應(yīng)評價(jià),若不適用,應(yīng)設(shè)置何種時(shí)間邊界,此問題與碳足跡結(jié)果具有一定相關(guān)性,仍需進(jìn)一步討論。

2.4.2 天然纖維服裝的短期碳儲存時(shí)效

生物質(zhì)材料碳儲存具有可逆性。天然纖維服裝產(chǎn)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(rèn)為,在幾個(gè)世紀(jì)或更長的時(shí)間框架下,短期碳儲存并無好處[44]。相關(guān)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(dǎo)致大氣中CO2濃度更高,在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)產(chǎn)生比碳未被儲存時(shí)更高的溫度[45]。也有學(xué)者在假設(shè)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(chǎn)生的溫室效應(yīng),前提是GWP值的評價(jià)時(shí)間邊界設(shè)定為100年[45];還有其他研究得出了不同的有效封存時(shí)間結(jié)果[46]?？傮w來看,大多數(shù)學(xué)者仍對短期碳儲存的作用持肯定意見,因?yàn)樵摲绞较喈?dāng)于推遲溫室氣體排放,可以為緩解溫室效應(yīng)的技術(shù)研發(fā)贏得時(shí)間,并有利于人們對個(gè)體行動的作用更有信心,積極踐行低碳理念[44]。

生物質(zhì)材料的短期碳儲存到底是否有利于減緩溫室效應(yīng)還未能定論,這是有關(guān)生物碳與時(shí)間影響方面學(xué)界仍在研究的方向,也是服裝行業(yè)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(shí)段,才能針對性地從生產(chǎn)、消費(fèi)及使用各階段提出干預(yù)措施,延長服裝全生命周期壽命,從而抵消延遲排放影響,實(shí)現(xiàn)真正的可持續(xù)發(fā)展。

3 結(jié) 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(yīng)研究基礎(chǔ)上,總結(jié)了現(xiàn)階段天然纖維碳效應(yīng)研究仍待解決的四類基礎(chǔ)問題,并提出仍需加以探討研究的四個(gè)方面:1) 統(tǒng)一規(guī)范術(shù)語;2) 實(shí)現(xiàn)核算結(jié)果可比性;3) 厘清天然纖維碳轉(zhuǎn)移路徑;4) 確定服裝產(chǎn)品碳效應(yīng)評價(jià)適用的時(shí)間邊界。

中國正處于碳達(dá)峰、碳中和起步階段,紡織服裝行業(yè)碳中和路徑的探索,既需要核實(shí)行業(yè)碳排放,探討減碳方法,也需要了解行業(yè)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(yīng)研究可以幫助分析這一問題,實(shí)現(xiàn)從碳源、碳匯兩端分別計(jì)量,判斷天然纖維原材料獲取階段是否具有固碳效應(yīng),進(jìn)而為纖維全生命周期的碳效應(yīng)評價(jià)打下基礎(chǔ)。只有從全生命周期角度出發(fā),才能全面、準(zhǔn)確地比較天然纖維與化學(xué)纖維的碳效應(yīng)評價(jià)結(jié)果,從而為生產(chǎn)與消費(fèi)活動提供建議,推動紡織服裝產(chǎn)業(yè)綠色可持續(xù)轉(zhuǎn)型。

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