生命周期方法在產業共生系統環境效益評價中的應用
——研究進展及問題分析

劉晶茹，嚴玉廷，聶鑫蕊，嚴 麗

中國科學院生態環境研究中心城市與區域國家重點實驗室,北京 100085

生命周期方法在產業共生系統環境效益評價中的應用
——研究進展及問題分析

劉晶茹*，嚴玉廷，聶鑫蕊，嚴 麗

中國科學院生態環境研究中心城市與區域國家重點實驗室,北京 100085

近年來，產業共生作為產業生態學最具特征的領域引起了相關研究者的廣泛關注。當前的研究逐漸從產業共生系統的定性描述分析轉向定量的系統評價上。傳統的產業共生系統環境效益評價僅僅關注共生系統本身，而忽視了占環境影響20%—50%的上、下游過程及替代過程的環境影響，為了得到客觀的、系統的環境影響評價，將生命周期分析方法引入產業共生效益評價顯得尤為重要。首先回顧了生命周期分析方法在產業共生研究中的發展過程，接著評述了3種生命周期分析方法在產業生態研究中的優劣勢。并重點分析了將生命周期思想引入產業共生效益評價方法存在的功能單位設定問題及系統邊界的選擇問題。最后，呼吁為避免隱形污染的轉移，必須盡快將生命周期分析的方法和管理理念引入我國生態工業園設計、規劃、評價和管理的全過程中。

產業共生；生命周期分析；替代效益

近年來，產業共生作為產業生態學最具特征的領域引起了相關研究者的廣泛關注。產業共生這一術語最早出現于1947 年的經濟地理文獻，用以描述不同企業之間存在的“有機關系”[1- 2]。Marian Chertow 2000年將產業共生定義為：將傳統分散的企業通過物質、能量、水或副產品的交換而產生的一種集群競爭優勢，產業共生的核心是一種地理臨近性所產生的一種合作和協同效應[3]。在“開展物質、能量、水和副產品交換”這一理念指導下，以區域內廢棄物與副產品的充分利用為宗旨，各國相繼開展了以生態工業園為主要形式的產業共生實踐，通過文獻梳理可以發現，產業共生的理論研究相對滯后于實踐的發展。2000年以前，相關文獻主要集中在對共生網絡的“定性描述”上，而對產業共生關系如何減少環境影響的定量研究相對較少[4- 5]。近年來，國內外學者圍繞著產業共生系統的生態效率評價[6- 7]、可持續性評價[8- 9]、柔性評價[10]和系統效率評價[11- 12]等方面進行了多種探討，物質流分析方法、能值分析方法、能源系統分析方法、指標體系法成為主要研究方法。雖然側重點不同，但相關研究均將產業共生系統作為一個“黑箱”，將“相互利用副產品或廢棄物”的企業集合體作為研究對象，關注這個共生系統中由于副產品和廢棄物的利用而帶來的廢棄物直接減排量及資源替代量，而來自于共生系統上游及下游的環境影響基本被排除在外。

1 基于生命周期方法的產業共生環境效益評價研究進展

2010年Shi等[13]評價了天津泰達經濟技術開發區中主要共生鏈的環境效益，指出，從一個較長時間的視角看，必須將那些由共生關系所產生的超過園區邊界的外溢效果考慮進來。同年，Sokka等[14]在評價芬蘭林業產業共生系統的環境影響時，也考慮了系統“上游”的影響，他們的研究發現，共生系統上游過程的環境影響對于整個產業系統的貢獻最大，僅僅關注共生系統本身的環境效益，會帶來共生系統本身的環境影響減小、而更多的環境影響向系統外供應鏈轉移的風險[15]。在這種背景下，生命周期分析方法作為一種系統評估方法而被引入產業共生環境效益評價的研究中。該方法可以通過考慮完整的能源和物質供應鏈來評價全方面的資源利用及服務所產生的環境影響[16]，從而避免了環境影響問題在不同生命周期階段、不同區域和不同環境標準語境下的轉變[17]。

目前應用生命周期分析方法來評價產業共生系統的案例十分有限，根據評價目標，可以將其分為二類：第一類是對現有共生系統的評價，如Liu等[18]在2011年應用生命周期方法對金橋生態工業園的能源共生系統進行了環境影響評價，Dong 等[19]應用混合生命周期方法核算了沈陽高新區的碳足跡。第二類是對現有產業共生系統的改造設計，即利用生命周期過程分析，輔助其他系統優化方法，識別共生系統更多的潛在共生關系。如2007年Singh等[20]以提高共生系統全生命周期過程碳的轉化效率為目標，對一個包含了甲酸、甲基胺等13個化工生產過程的產業系統進行了共生設計，提出了改進現有產業系統的優化方案。2009年Sokka等[21]對一個包含造紙廠、電廠和化工廠的芬蘭林業共生系統開展了生命周期分析，著重分析了電廠余熱利用、林業廢棄物發電等能源共生關系所帶來的直接及間接溫室氣體減排量。2010年，Sokka[14]等人對芬蘭林業共生系統開展了更深入的研究，提出了構建更多共生關系的可能性，并核算了這些潛在的共生關系對減少系統生命周期環境影響的效果。同年，Hashimoto等[22]利用生命周期分析方法，為川崎生態城以水泥生產為中心的產業共生系統設計了3種減碳共生方案。

在前人探討性研究的基礎上，2012年Mattila[15]等人第一次系統的提出了生命周期分析方法在產業共生環境效益評價中的技術框架及應用范圍等問題，他們認為生命周期分析方法在選擇不同共生方案時是十分重要的工具，只有基于生命周期視角的決策才能夠保證在建立產業共生關系時不會忽視更重要的間接環境影響問題。在開展新的生態產業園規劃設計時有必要進行一個全面的生命周期分析，客觀、系統的評估各種方案的潛在優劣勢，從而為系統長期的可持續發展提供最佳的設計選擇[23]。

2 產業共生系統的生命周期分析方法

生命周期分析方法是針對產品系統而發展起來的一種系統分析方法，隨著生命周期方法在研究領域和研究視角的拓展及適用于中觀及宏觀層次的混合生命周期分析方法(hybrid-LCA)的提出，為該方法應用于產業共生系統提供了可能性。混合生命周期方法由Suh等人[24]在2004提出，是以過程生命周期方法(Process-LCA)為基礎、以投入產出生命周期方法(IO-LCA)做相關截止流(上游、服務、替代)的一種新方法。2009年Lenzen和Wiedman[25]指出，應用混合生命周期分析方法的最佳路徑是先用投入產出生命周期方法做一個快速的分析，然后采用結構路徑分析方法從中選擇最重要的污染物轉移路徑，再用過程生命周期方法進行詳細分析。2010年Mattila等[26]以芬蘭林業共生系統為例，分別用過程生命周期方法、投入產出生命周期方法和混合生命周期方法對其環境效益開展了評價，由于3種方法在收集清單數據時，對 “截止流(cutoff)”的考慮不同，即系統邊界不同，因此3種方法所得到的各種環境影響結果會有不同程度上的差異。他們的研究結論是：投入產出生命周期方法跟混合生命周期方法結果更接近，因此可以作為量化產業共生系統環境影響的首選方法。他們同時對3種方法所需要的數據、數據來源及方法的優缺點進行了系統的比較(表1)，這是目前唯一一個將3種方法同時應用與一個共生系統的研究案例。

表1 應用于產業共生系統的3種生命周期方法

3 開展產業共生系統生命周期分析的關鍵問題

雖然生命周期分析方法在產業共生系統系評價中的應用意義非常明顯，但在實際操作中，依然面臨著很大的困難。因為傳統的生命周期分析方法是針對單個產品系統而建立的，這里的“產品系統”要相對獨立，從而其系統的輸入輸出會比較明確，便于數據獲取。而產業共生系統強調的是子系統之間存在的“共生關系”，因此，將傳統應用于單個產品系統的生命周期分析方法引入產業共生研究中仍然存在一定的挑戰，包括數據的選取、系統邊界的設定、技術參數的選擇等，其中最主要的兩個問題是功能單位及參照系統的設定問題，這是開展共生系統評價的前提。

3.1 功能單位設定問題

功能單位是生命周期分析中作為參照單位的產品系統性能，它的基本作用就是為有關的輸入和輸出提供參照基準。產業共生系統是一類經濟體，其主要功能仍然是提供以產品為主要形式的經濟產出。因此，從目前的研究案例看，功能單位主要是產業共生系統一年經濟活動所產生的經濟量(貨幣為單位)及產品量(重量為單位，product mix)[14]。選擇經濟量作為功能單位，便于建立產業共生系統與經濟投入產出數據之間“關聯”，使得生命周期分析的“中游”與使用投入產出分析方法的“上”、“下”游單位一致。但該方法不能體現“產業共生”系統生產結構與生產技術的特殊性，因為投入產出方法本身是建立在假設系統內部同一產業部門“技術均衡”的前提下的。當選擇物質量作為評價單位時，共生系統“當地(on-site)”的環境影響可以用“至下而上”的過程生命周期分析方法進行核算，該方法的優點是所有參數均來自共生系統，從而能夠客觀的反應共生系統的產業結構及生產技術水平。但該方法存在兩個不確定性，一是所有產品產出需要轉換為貨幣量后才能與投入產出表建立“關聯”，二是過程生命周期分析方法與投入產出生命周期分析方法的系統邊界不同，兩個方法所獲取的數據在進行對比時，會存在口徑的不一致問題，從而影響了數據的可比性。

3.2 參考系統的設定問題

圖1 產業共生系統(1)和假設的參考系統(2)[26]Fig.1 Industrial symbiosis (1) and hypothetical reference (2)[26]

開展產業共生系統評價的根本目的是對比分析“共生”與“不共生”情況下兩個系統的環境影響，因此，設定一個與共生系統具有可比性的參照系統(reference system)是十分必要的。設定參照系統時最關鍵的問題是系統邊界的確定，圖1所示的是一種最簡單的包含兩個過程的共生系統，其中(1)為共生系統，(2)為參照系統，兩個系統具有相同的產出(電和紙漿)，具有可比性。在對系統開展生命周期分析時，共生系統(1)中產出的“電和紙漿”的生產原料和生產技術來自共生系統，參照系統(2)的產出“電和紙漿”反映的是國家生產電力和紙漿的平均水平。通過對比，可知共生系統生產單位電力和紙漿所產生的環境影響與國家平均生產水平的區別，這個“區別”既可認為是“共生”效益。

但這是一個最簡單的過程，被Mattila[15]稱為歸因法(attribution)，即假設這個共生系統在當前或是短期內不會對國家尺度的產業系統結構產生影響，因此，可以直接利用現有的投入產出表核算“截止流”。當評價一個城市尺度或國家層次的共生系統時，上面的假設是不成立的。此時需采用結果法(consequence)，這種方法考慮了共生系統長期的影響結果，認為共生系統所發生的替代過程會通過市場和技術的作用而逐步改變整個國家的經濟結構[27]，此時開展生命周期分析所設定的系統邊界就是與投入產出表相關的整個經濟系統，而不僅僅是產業共生系統，并需要輔助反推法等系統分析工具來進行替代效應的評價。

4 評述與展望

生命周期方法正在朝著一個多視角、多主體、多維度的系統整合方向發展，已逐漸發展成為一種中、宏觀決策支持的“可持續”(SLCA)的系統評價方法[28]。生命周期分析是對產業共生系統進行全方位“溯蹤”的過程，既包含產業共生系統本身，又包括為產業共生系統運行提供支撐和服務的上游及下游過程。由于生命周期方法本身所具有的全過程性、客觀性和系統性，使其必將成為產業共生系統設計、規劃和評價的重要工具之一，但如何將這一針對產品系統而開發的工具應用于復雜的產業生態系統是該方法面臨的挑戰之一。

生態工業園的研究和實踐在國內蓬勃發展，但我國的產業共生系統在設計、規劃和評價時，均停留在強調控制園區內直接污染排放的層次，這會導致生態工業園將間接的污染過程向園區外轉移的風險。為客觀的評價我國生態工業園的建設成果，我們認為必須盡快引入生命周期分析的方法和管理理念，將生命周期分析、生命周期評價、生命周期設計與生命周期管理貫穿在生態工業園設計、規劃、評價和管理的全過程中。

2010年國際生命周期參考數據系統(ILCD)在其發布的生命周期技術指導手冊中為該方法如何應用于中觀和宏觀層次的決策支持提供了指導準則，這為產業共生系統的生命周期分析提供了一個通用的研究框架[29]。經過十幾年的發展，我國學者在生命周期分析方法、典型產品分析、生命周期清單數據庫等方面取得了長足進展[30]，為國內開展產業系統生命周期分析提供了良好的數據基礎。隨著生命周期分析方法的發展，必將成為產業共生系統設計、評價和管理的基本方法和系統框架。

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The application of life cycle assessments to the evaluation of the environmental benefits of industrial symbioses: research progress and challenges

LIU Jingru*,YAN Yuting, NIE Xinrui, YAN Li

ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China

As one of the most popular areas of research in industrial ecology, industrial symbiosis has received a great deal of attention from researchers in recent years. Environmental benefits, including efficient resource recycling and waste utilization, are the primary factors that distinguish industrial symbiosis from other economic systems, and are considered the objectives of achieving the successful development of ecological industries. Thus, research has gradually shifted from the qualitative description of industrial symbiosis to its quantitative and systematic evaluation, which incorporates material flow analyses, energy analyses, and the structuring of index systems. However, there are several drawbacks to these traditional methods: 1) the symbiosis is treated as “black box”, which ignores the mutual effects of internal processes, and 2) these methods usually focus on the system itself, but neglect upstream, downstream, and replacement processes that account for 20% to 50% of the overall environmental impact. This increases the risk of producing emissions that are then transferred to supply chains outside of the system under examination. In order to avoid the problem of environmental impact transferred in different life cycle stages, life cycle assessment (LCA) is introduced to the field in benefits evaluation of industrial symbiosis to gain more objective and systematic results of environmental impact assessment. In light of this, this paper first reviews the process of developing life cycle assessments intended for use in the study of industrial symbiosis. These can take two different approaches: the evaluation of existing industrial symbioses in order to facilitate the identification of potential symbiotic relationships that could be developed further, and the outright planning and design of industrial symbiosis systems, in order to optimize plans and ensure that they are environmentally friendly prior to construction. In these different case studies, life cycle assessments have proven vital to the analysis of the benefits of symbiosis. In this paper, previous reviews are used to analyze and compare the three established methods of life cycle analysis: process-LCA, IO-LCA, and hybrid-LCA. These strategies primarily differ with respect to methods, range, and the data resources available for inventory collection. Nevertheless, when introduced to the study of industrial symbiosis, certain key issues with applying traditional life cycle assessments to a single product system remain unresolved: 1) set of functional unit：there are two choices of function unit, one is economic quantity (currency) produced by the symbiosis system within a year, the other is product quantity-the product mix (weight) produced by the symbiosis system within a year and 2) the selection of system boundaries: when studying symbiotic relationships, a hypothetical reference system should be used, within which the subsystem is mutually independent. The selection of system boundaries should ensure that the two systems under comparison produce the same output; there are two methods of achieving this, attributional process nad consequencial process, which depends on the scale of the research being conducted. Finally, to conduct a more objective evaluation of the benefits of developing industrial symbioses in our country, we propose that the concepts of life cycle assessment and management should be incorporated into the entirety of the planning process, evaluation, and management of ecological industrial parks.

industrial symbiosis; life cycle assessment; alternative benefits

國家自然科學基金面上資助項目(71173209)；國家自然科學基金重點資助項目(71033005)

2014- 11- 03;

2016- 03- 08

10.5846/stxb201411032156

*通訊作者Corresponding author.E-mail: liujingru@rcees.ac.cn

劉晶茹，嚴玉廷，聶鑫蕊，嚴麗.生命周期方法在產業共生系統環境效益評價中的應用——研究進展及問題分析.生態學報,2016,36(22):7202- 7207.

Liu J R,Yan Y T, Nie X R, Yan L.The application of life cycle assessments to the evaluation of the environmental benefits of industrial symbioses: research progress and challenges .Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7202- 7207.