棉花碳水足跡的核算與評價研究

李佳慧 丁雪梅 吳雄英

(1.東華大學(xué)，上海，200051；2.上海海關(guān)，上海，200135)

紡織領(lǐng)域?qū)W者將碳足跡和水足跡理論體系與生命周期評價方法相結(jié)合運用于行業(yè)發(fā)展研究，以期通過量化評估紡織行業(yè)所產(chǎn)生的溫室氣體排放及與水資源相關(guān)的潛在環(huán)境影響，進一步制定應(yīng)對措施以緩解紡織服裝產(chǎn)業(yè)所產(chǎn)生的“高能耗，高水耗，高排放，重污染”問題。目前碳水足跡研究在紡織服裝領(lǐng)域的應(yīng)用聚焦于工業(yè)生產(chǎn)階段。針對紡織產(chǎn)品原材料階段精確有效的碳水足跡核算評價體系尚未建立。棉花作為棉紡織行業(yè)的主要原料，種植過程中大量的水、農(nóng)藥化肥及其他農(nóng)資投入增加了棉紡織產(chǎn)業(yè)發(fā)展的資源環(huán)境壓力。國內(nèi)外學(xué)者對棉花種植過程產(chǎn)生的環(huán)境影響進行分析，但依然存在評價標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、核算清單不完善、核算結(jié)果差異較大的問題。紡織服裝產(chǎn)品原材料階段碳水足跡核算是完善紡織產(chǎn)品全生命周期評價研究中必不可少的一步，有助于我國紡織產(chǎn)業(yè)從原材料階段源頭上做好節(jié)能減排把控。

本文回顧了碳水足跡理論在紡織行業(yè)的應(yīng)用，梳理了現(xiàn)有關(guān)于棉紡織產(chǎn)品原材料階段碳水足跡研究在系統(tǒng)邊界確定、評價方法選取、清單分析、數(shù)據(jù)來源等方面所存在的問題，構(gòu)建了棉花碳水足跡評價方法框架。

1 碳水足跡理論及其應(yīng)用現(xiàn)狀

碳足跡是由英國學(xué)者提出的用于量化人類活動過程中直接和間接的溫室氣體排放量指標(biāo)[1-2]，特別適用于評價與產(chǎn)品、部門等中小范圍的計算分析產(chǎn)品或活動對溫室效應(yīng)的貢獻程度[3]。英國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會、國際化標(biāo)準(zhǔn)化組織分別發(fā)布了商品和服務(wù)在生命周期內(nèi)的溫室氣體排放評價規(guī)范PAS2050:2008《產(chǎn)品碳足跡 量化與溝通的要求和指南》、紡織產(chǎn)品全生命周期溫室氣體排放評價規(guī)定PAS2395：2014《規(guī)范溫室氣體(GHG)排放的紡織產(chǎn)品的整個生命周期的評估》、ISO14067《溫室氣體 產(chǎn)品的碳排放量 量化和通信的要求和指南》等指南或標(biāo)準(zhǔn)，明確了產(chǎn)品碳足跡計算方法。水足跡是用于量化與水相關(guān)潛在環(huán)境影響的指標(biāo)[4]。水足跡評價技術(shù)著眼于水資源管理及水污染監(jiān)測領(lǐng)域，可以幫助更好地理解與水相關(guān)的潛在環(huán)境影響。水足跡網(wǎng)絡(luò)(water footprint network，WFN)水足跡評價工作手冊及ISO14046《環(huán)境管理 水足跡 原則，要求和指導(dǎo)原則》標(biāo)準(zhǔn)兩個理論體系被廣泛應(yīng)用。隨著碳水足跡評價標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的出臺更新，學(xué)者對紡織品碳水足跡核算框架、方法、系統(tǒng)邊界、指標(biāo)體系等要點進行詳細解析[5-6]并運用到各類產(chǎn)品(棉紡織[7]、絲綢[8]、羊絨[9]、滌綸[10]等)生產(chǎn)加工階段的生命周期分析及核算實踐中。還對核算的基礎(chǔ)性問題(能源[11]、物料系數(shù)[12]，區(qū)域水壓力指數(shù)[13]、灰水足跡系數(shù)[14]、核算分配方法[15])進行了探討。核算結(jié)果分析從物質(zhì)投入貢獻率鏈段碳水足跡構(gòu)成、過程影響評價著手。陳麗竹等從企業(yè)管理角度建立了節(jié)水評價績效工具[16]、溫室氣體排放管理評估系統(tǒng)[17]及能源資源管理[18]及碳水足跡標(biāo)簽體系[19]。而追溯到上游原材料階段及下游的使用、廢棄階段的研究，由于生命周期清單復(fù)雜，數(shù)據(jù)獲取困難，目前評價研究成果少有。

2 棉花碳水足跡核算與評價研究的問題

2.1 系統(tǒng)邊界的確定

碳水足跡評價應(yīng)根據(jù)研究目的給出清晰的系統(tǒng)邊界、組織邊界、時空邊界及研究詳細程度等說明。碳水足跡核算的時間邊界按照棉紡織生產(chǎn)工藝鏈進行劃分。許菁等[20]將原材料階段分為棉花生產(chǎn)和棉紗生產(chǎn)；姚蕾[21]、鄧曉軍[22]、CHICO D[23]則將棉花作物生長過程和棉花加工過程劃分為原材料階段?？臻g邊界不一致導(dǎo)致各個核算結(jié)果無法相比。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)W者從作物種植角度核算了棉花生產(chǎn)從播種到收獲整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的碳投入、碳產(chǎn)出總量[24]及水足跡[25-26]，主要考量碳排放的環(huán)境影響，對生命周期中涉及的生物碳及過程中的碳存儲效應(yīng)鮮有涉及。因評價技術(shù)方法和原則不明確，在系統(tǒng)邊界問題上未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，紡織工業(yè)部門對棉花原材料階段的統(tǒng)一評估方法未得到規(guī)范。

2.2 核算與評價方法

將國際通用標(biāo)準(zhǔn)或認可度較高的規(guī)范作為評價依據(jù)，可以保證核算與評價結(jié)果的準(zhǔn)確性、透明性、一致性、可再現(xiàn)性、可信性。紡織領(lǐng)域在PAS 2050規(guī)范的指導(dǎo)下對棉氨混紡織物[27]、純棉普梳紗[28]等產(chǎn)品碳足跡核算中涵蓋了部分原材料階段核算研究。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域多基于投入產(chǎn)出法，分析棉花種植中各類農(nóng)場投入要素和農(nóng)業(yè)活動的能量消耗，利用對應(yīng)的溫室氣體排放系數(shù)加權(quán)求和得到全球增溫潛勢值。但由于碳足跡的定義尚未統(tǒng)一，溫室氣體界定范圍不一致，排放參數(shù)獲取途徑各異，導(dǎo)致最終相關(guān)核算結(jié)果單位不統(tǒng)一(按棉花單位面積、單位產(chǎn)量、單位生物量計算)，缺乏可比性。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域多基于WFN水足跡評價手冊的水資源分類方式，利用CROPWAT模型中作物系數(shù)法或灌溉制度法，對棉花種植的水資源消耗及污染展開評估。紡織領(lǐng)域?qū)W者近年來開始使用新出臺的ISO14046標(biāo)準(zhǔn)進行紡織產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡評價。由于目前還未出現(xiàn)能將數(shù)據(jù)清單與水資源潛在環(huán)境影響準(zhǔn)確一致聯(lián)系在一起的公認方法學(xué)，各不同影響類型的水足跡計算基本采用Pfister等國外學(xué)者所構(gòu)建的方法[29]。

2.3 清單分析

對棉花原材料階段的各個過程及相關(guān)的輸入輸出進行詳盡梳理，主要單元過程為棉花種植過程及軋棉加工過程。因研究目的及核算范圍不同，現(xiàn)有研究所梳理的碳足跡清單詳細程度各異，主要核算了各類能源消耗、化肥農(nóng)藥等物料投入。機械損耗、土壤碳變化、生物碳存儲等因素暫時未被廣泛納入碳足跡核算中。棉花生產(chǎn)用水主要體現(xiàn)在棉花栽培種植及灌溉等環(huán)節(jié)，基本借助用聯(lián)合國糧農(nóng)組織 (FAO)推薦的Penman-Monteith公式、CROPWAT等國際通用模型模擬估算出作物蒸散發(fā)量作為消耗的藍綠水足跡。但在實際種植中，由于土壤水分限制、灌溉渠系水利用效率的差異，基于理想狀態(tài)建立的估算通用模型的擬合效果有待討論。水污染僅考慮施加氮肥造成的地下水體富營養(yǎng)化影響，而實際上施加的肥料、植物保護化學(xué)品及農(nóng)膜投入均會對不同水體造成不同程度的水質(zhì)變化。

2.4 數(shù)據(jù)來源

核算與評價需搜集初級或次級活動水平數(shù)據(jù)及碳足跡排放系數(shù)、水足跡特征化因子等數(shù)據(jù)。棉花作物數(shù)據(jù)、資源能耗等活動水平數(shù)據(jù)可依據(jù)實際工藝技術(shù)資料或農(nóng)戶固定觀察、問卷調(diào)研獲取，或從國家統(tǒng)計年鑒、農(nóng)業(yè)技術(shù)指導(dǎo)意見等相關(guān)統(tǒng)計資料中獲取。碳排放系數(shù)一般選取中國生命周期數(shù)據(jù)庫(CLCD)、Ecoinvent 數(shù)據(jù)庫、IPCC排放因子數(shù)據(jù)庫等國家、聯(lián)合國認可的數(shù)據(jù)庫，或使用SimaPro和GaBi等LCA軟件數(shù)據(jù)庫，或引用受同行評審后廣泛認可的專家學(xué)者研究的排放系數(shù)。但各類數(shù)據(jù)庫所采用的排放系數(shù)形式多樣，如能源輸入平均排放因子(千克CO2e/千克燃料、千克CO2e/MJ電力或熱量、噸/噸)單位各異，使得計算結(jié)果難以統(tǒng)一?；宜阚E通常選取氮肥施用量的10%作為淋失量或采用GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的限額數(shù)據(jù)進行計算。由于中國生命周期數(shù)據(jù)庫尚未提供健全的參數(shù)支持，核算過程中采用國外參數(shù)對核算結(jié)果的準(zhǔn)確性造成一定影響。

3 棉花碳水足跡評價方法構(gòu)建

為了實現(xiàn)紡織產(chǎn)品碳水足跡評價從搖籃到墳?zāi)沟娜芷诟采w，針對上述提及的問題，以棉紡織產(chǎn)品為例對其原材料階段開展評價研究，本文構(gòu)建了棉花碳水足跡評價方法框架以更全面地反應(yīng)棉花在全生命周期中的環(huán)境影響。

3.1 目的與系統(tǒng)邊界

按照棉紡織產(chǎn)品生產(chǎn)工藝鏈特點，系統(tǒng)時間邊界設(shè)定為從棉花種植到加工為止，空間邊界為時間邊界內(nèi)所涉及溫室氣體及水資源的投入與產(chǎn)出。根據(jù)PAS 2395要求，人工、工廠、設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施投入被排除在邊界外，運輸部分由于信息來源不詳也被排除在外。設(shè)定核算評價的功能單位為每千克皮棉，因此在核算過程中需要根據(jù)棉花纖維及種子的重量比例、價值量比例對種植階段的碳水足跡進行合理分配?？梢娒藁ㄆ奉?、產(chǎn)地氣候、土壤條件及施肥、灌溉等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平差異都會影響棉花的碳水足跡。

3.2 評價依據(jù)

碳足跡評價標(biāo)準(zhǔn)采用針對紡織產(chǎn)品的PAS 2395：2014，將碳足跡定義為每功能單位紡織工業(yè)產(chǎn)品在生命周期內(nèi)直接或間接排放及抵消的包含二氧化碳、甲烷、氧化亞氮在內(nèi)的多種溫室氣體排放量凈值，以二氧化碳當(dāng)量來計算。相較PAS 2050，PAS 2395提供了紡織品制造全生命周期中溫室氣體(GHG)排放評估要求及規(guī)范，明確了如何在紡織產(chǎn)品工業(yè)部門統(tǒng)一應(yīng)用評估方法的具體要素，解決了全球變暖潛能值(GWP)的單一影響類別的評估。水足跡評價采用ISO14046作為評價標(biāo)準(zhǔn)，彌補了WFN僅以水量數(shù)值作為評估結(jié)果的缺陷，利用水稀缺足跡和水劣化足跡更加直觀反映棉花生產(chǎn)過程對水量和(或)水質(zhì)的變化所導(dǎo)致的潛在環(huán)境影響。PAS2395與ISO14046 遵從了ISO14044《環(huán)境管理 產(chǎn)品壽命周期評價，要求和導(dǎo)則》的生命周期分析理論框架，在基礎(chǔ)評估原則及方法學(xué)框架一致，可在同一系統(tǒng)邊界內(nèi)進行碳水足跡評價。

3.3 清單分析

棉花原材料階段碳水足跡清單可分為輸入和輸出兩部分，梳理得到清單如圖1所示。碳足跡主要來自灌溉用電，耕作及收獲、軋棉加工過程中農(nóng)業(yè)機械燃料消耗的排放，化肥、農(nóng)藥等農(nóng)用化學(xué)品、地膜等農(nóng)資投入生產(chǎn)及運輸過程中的排放以及農(nóng)田土壤N2O 直接排放。除了涉及溫室氣體排放的育種播種、秸稈還田等常規(guī)種植操作之外，需將棉花中生物碳存儲量(以CO2計)計算所有與棉纖維有關(guān)的碳存儲影響[30]。棉花遭受疾病及蟲害的可能性大于一般作物，所需的殺蟲劑和除草劑的量高于其他作物，須將植物保護化學(xué)品及營養(yǎng)劑的生產(chǎn)、包裝、存儲和運輸產(chǎn)生的溫室氣體排放盡可能詳盡記錄核算。棉花種植直接水足跡由作物蒸發(fā)蒸騰量、有效降雨量及灌溉用水量等綜合決定。因區(qū)域的灌溉渠系水利用效率存在差異，需對計算灌溉需求水量的通用模型進行校正。肥料及其他農(nóng)資投入的間接水足跡核算有待進一步完善。水劣化足跡評價除了考慮單一因子氮的淋失外，磷及其他農(nóng)藥造成的水質(zhì)污染也需探討。

3.4 數(shù)據(jù)來源

棉花原材料階段的初級活動水平數(shù)據(jù)難以獲取，通過實際工藝技術(shù)資料、農(nóng)戶固定觀察、問卷調(diào)研獲取活動水平數(shù)據(jù)，調(diào)研范圍和樣本量存在局限性。

基于我國國家及各省市地統(tǒng)計的氣象數(shù)據(jù)、作物數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)可以較為準(zhǔn)確地計算出棉花種植階段的用水量。我國不同地域棉產(chǎn)區(qū)生產(chǎn)技術(shù)條件、資源利用類型存在較大差異，核算過程中排放系數(shù)、特征因子盡可能選擇符合生產(chǎn)地情況的相關(guān)數(shù)據(jù)，如各地統(tǒng)計年鑒、農(nóng)業(yè)統(tǒng)計資料、環(huán)境統(tǒng)計年鑒等官方統(tǒng)計資料可使評價結(jié)果更具代表性及可比性[31]。

圖1 棉花原材料階段碳水足跡清單

4 結(jié)論

在梳理碳水足跡理論在紡織業(yè)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，討論了棉花碳水足跡核算與評價中存在的問題，并構(gòu)建了棉花碳水足跡評價方法框架，明確了以下改進方法，進一步推進了碳水足跡評價研究在紡織領(lǐng)域的全生命周期覆蓋。

(1)將棉紡織產(chǎn)品原材料階段界定為從棉花種植到加工為止，以每千克皮棉為功能單位進行核算與評價。

(2)采用ISO14046 標(biāo)準(zhǔn)評價得到該階段的水可利用性及水劣化的環(huán)境影響。參照PAS 2395規(guī)范量化棉花種植加工過程的全球增溫潛勢。以精簡化指標(biāo)與精煉化的結(jié)果直觀地體現(xiàn)該階段的資源環(huán)境影響。

(3)進一步細化整合邊界內(nèi)的輸入輸出，根據(jù)實際生產(chǎn)情況構(gòu)建了碳水足跡清單，將生物碳存儲、灌溉用水、除草劑、殺蟲劑等多種農(nóng)用化學(xué)品、氮磷肥多種類型水污染因素納入碳水足跡評價范圍。

(4)根據(jù)我國棉花生產(chǎn)及能耗水耗實際情況完善棉花原材料階段數(shù)據(jù)庫，選用不同地域棉產(chǎn)區(qū)生產(chǎn)技術(shù)條件、資源利用類型選擇區(qū)域化特征參數(shù)可使評價結(jié)果更具準(zhǔn)確性、代表性及可比性。