草業生產的環境影響評價教學實驗設計

胥 剛， 林慧龍， 翁秀秀， 常生華

(蘭州大學 草地農業科技學院， 草業科學國家級實驗教學示范中心， 蘭州 730020)

0 引 言

近年來，我國農業環境污染問題日益突出，尤其對大氣、土壤、水體有著較為明顯的環境負效應[1]。另一方面，世界的農產品綠色生產認證越來越廣泛，貿易壁壘森嚴。這都促使我國農業需要從數量增長過渡到質量增長，農產品生產中消耗更少的資源和產生更小的環境排放變得越來越重要，潮流走向環境友好、可持續發展的道路。我國的草業相對于種植業、林業更為年輕，它具有4個生產層，產業鏈長，各類牧草、奶制品、牛肉、羊肉等草畜產品和國外產品存在激烈的競爭關系，對于生產的環境影響管控需求更為迫切[2-4]。

草學作為新生的一級學科，其課程設置也在逐步探索完善，開設對于草畜產品生產的環境影響模擬評價實驗，使學生掌握田野調查與分析、決策的能力，可以更好勝任今后草畜產品生產加工、市場營銷、生態經濟分析等方面的專業工作[5-6]。同時該實驗方法也可用于評價其他農產品，因而可對相關農業類、環境類專業開設，從而培養學生掌握農產品生產環境影響評價方面的方法與技能。

1 實驗課程開設的背景及方法選擇

1.1 農產品生產環境影響評價的時代需求

目前我國農業資源環境遭受著外源性污染和內源性污染的雙重壓力，已成為制約農業健康發展的約束瓶頸。據“第一次全國污染源普查公報”披露，農業源污染物排放對水環境的影響較大，其化學需氧量排放量為1.32×107t，占化學需氧量排放總量的43.7%。農業源也是總氮、總磷排放的主要來源，其排放量分別為2.70×106t和2.85×105t，分別占排放總量的57.2%和67.4%。

世界主要發達國家，為了輔助農業政策制訂與開展清潔生產，尤其是引導人們綠色消費，倡導社會大眾走環保節約的道路，均針對農業行業或農產品開展了生產環境認證或分級，歐盟尤其是這方面工作的先行者。2013年4月9日，歐盟委員會發布了“建立綠色產品單一市場”公告和“更好促進產品和組織環境績效信息”的提案，旨在建立產品環境足跡(Product Environmental Footprint，PEF)和組織環境足跡(Organization Environmental Footprint，OEF)的通用評價方法以及信息交流的基本原則，號召成員國、公司、私營組織參與3年試點計劃。同年5月，歐盟委員會發布“產品環境足跡(PEF)指南”，為相關工作的開展提供了準則與方法綱要。該方案已進行了2013～2016年間的推廣試用，共有280個自愿申請的產品或組織，范圍涉及農業、零售、建造、化學、制造業等行業[7]。農業領域有啤酒、咖啡、乳制品、肉類(牛肉、豬肉和羊肉)、魚、橄欖油、瓶裝水、意大利面、酒、寵物食品和動物飼料共11類農產品參與了第二輪的試點工作[8]，在參試商品上印制了相應的標志(見圖1)。我國也開展了有機食品認證、綠色食品認證等工作，但主要是基于對農產品中的有害殘留物測定，并未定量衡量整個生產過程對于環境的影響，也無法進行系統分析與精準改良?？梢灶A見我國未來也需要開展相應工作，一方面可以為農業污染防治提供評價決策工具，另一方面則為了破除綠色貿易壁壘，更好地融入全球農產品交易市場。

1.2 生命周期評價在農業環境影響評價中的應用

目前環境影響評價方法較為多樣，如碳足跡、水足跡、環境足跡、生態足跡，都被用來描述個人、組織、產品或服務對環境的影響。這些方法中大多數都是基于生命周期評價(Life Cycle Assessment，LCA)，其優勢在于對環境影響的衡量不僅體現在生產過程，還包括原材料采集、運輸、銷售、使用、維護和最終處置的整個生命周期，避免了環境影響在不同生產環節之間的轉移，因而較為科學，目前的研究與應用都比較廣泛[9-10]。同時生命周期評價還經過標準化(ISO)建設[11]，操作相對規范，結果也可用于相互比較。如歐盟的PEF即是基于生命周期評價的氣候變化、臭氧層破壞、生態/人體毒性、環境酸化、富營養化、資源枯竭、土地利用等14個類型的特征化指標而建立。

所以只要掌握了生命周期評價的方法與流程，基于其評價結果，即可進行生態設計、綠色農產品認證等延伸應用。因而該實驗的教學方法采用生命周期評價，通過練習使學生主要掌握生命周期評價的原理與操作要點。

2 實驗方案設計

通過對實驗課程背景的陳述，在教學中針對草學專業的學生，要求模擬定量評價1 kg紫花苜蓿鮮草從原料生產到出農場這一階段的生命周期環境影響。

2.1 實驗目的

(1) 了解農業生產與生態環境的相關性與重要性。

(2) 了解生命周期評價的原理。

(3) 培養學生開展田野與農戶調查的能力。

(4) 掌握運用生命周期評價軟件進行建模、數據搜集、運算與結果發布。

2.2 實驗原理

生命周期評價衡量的是產品全生命周期內的資源環境效率，其原理為人類的各種生產消費活動，在產品(實物或非實物或服務)的生命周期過程，包括資源開采與原材料生產、零部件和產品制造、運輸與分發、使用與維護、循環再生與最終廢棄等階段，都會直接或間接地消耗自然資源或產生環境排放。通過清單分析與中間流回溯，可全部還原為直接來自自然的資源與直接排放到環境的環境排放物質(基準流)。通過為人類關心環境問題而建立的環境影響模型，可以確定相關物質及其影響效果(即特征化因子)。根據不同環境影響類型，對相關物質進行加和，并以基于效果參數的一種基準物質來表征最終的環境影響，從而全周期地、涵蓋各種環境影響類型地計算出某一活動或產品的環境影響水平。

2.3 實驗軟件

目前生命周期評價領域的專用軟件較多，如Simapro、GaBi、openLCA等，其原理及操作差異不大。實驗教學中使用的是中國本土化的生命周期分析軟件--由億科環境公司研制的eBalance，該軟件開發了中國生命周期核心數據庫(Chinese Reference Life Cycle Database，CLCD)，且加入了國際生命周期數據庫網絡，能為PEF這樣的評價項目提供數據支持[12]。同時軟件還設計了針對中國實際情況的歸一化方案與加權綜合方法，因而其分析結果更為客觀與準確[13]。

2.4 實驗內容與操作步驟

實驗按照ISO對于生命周期評價的界定，實驗主要分為目標與范圍定義、清單分析、生命周期影響評價、結果解釋4個步驟進行。

2.4.1目標與范圍定義

實驗以評價1 kg紫花苜蓿鮮草生產的環境影響為目標，教學中用不同的范圍定義對比來加深對概念的認知。如果范圍定義為從原材料生產到紫花苜蓿鮮草運出農戶，則評價包含的主要過程為：原材料生產、紫花苜蓿鮮草種植、收獲；如果范圍定義為紫花苜蓿鮮草全生命周期環境影響分析，則評價包含的主要過程為：原材料生產、種植、收獲，此外還要包括運輸、銷售使用及廢棄物處理或回收過程。不同的范圍定義，生命周期評價的過程不同，計算結果也會明顯不同。

2.4.2建模

范圍定義為1 kg紫花苜蓿鮮草從農資生產到運出農戶(不含農業設施、農業機械等的制造)，根據主要生產過程，在實驗機房計算機eBalance軟件中建立實驗模型，結果如圖2所示。

圖2 1 kg紫花苜蓿鮮草生產環境影響的生命周期評價模型(eBalance)

2.4.3清單分析與數據搜集

實驗以清單物質分析、列表、搜集、錄入等步驟，模擬數據獲取的各種主要途徑，使學生掌握進行生命周期評價清單分析的能力。以單元過程為基礎，具體列舉每一過程消耗的原始自然資源(如水)、中間物質(如自來水)及產生的各種環境排放物，以表格形式列出，并留注計量單位、數量、生產者與生產地、來源等信息空格待填。1 kg紫花苜蓿鮮草生產需要的清單物質數據，按來源主要分為3類：

(1) 優先使用實景數據，即盡量測量或統計每一個單元過程的實際物質消耗與排放。各種清單物質的用量要與課時安排相結合，如課時充?；蚪虒W目標需要，可開展實地調研。將學生分成數個小組，深入農戶或公司，以問卷調查的形式，統計出相關清單數據。部分對結果敏感度較大，特別重要的清單數據，也可安排相關實驗進行實際測量。

(2) 中間流產品如燃油、自來水、化肥等制成品，由于各項資源消耗與環境排放實驗課難以一一測量統計，則選用軟件自帶的中國生命周期參考數據庫，它內置了化肥、電力、燃油等大宗原材料、能源、化學品以及其上游資源開采、運輸和廢棄物處置等數據，可使用物質名錄管理器在單元過程中直接進行添加。

(3) 少量數據如實景難以獲取，內置數據庫也未包含，如田間各種溫室氣體的排放，則查閱相關文獻資料，取生產條件近似的數據做適當修正后使用，盡量補充完善。各項數據填入后，進行完整性和物料平衡檢查。

2.4.4生命周期影響評價

通過對特征化方案的選擇與計算，使學生了解環境影響類型與特征化指標的關系，掌握操作方法。模型中各單元過程的清單數據添加完成后，從LCAI指標管理器中選擇并運算特征化方案，查看結果并在試驗紙上記錄(見表1)。特征化操作后一般了解歸一化方案與綜合指標的用途、計算原理與操作。

表1 1 kg紫花苜蓿鮮草生產的環境影響特征化結果示意

2.4.5結果分析與應用

實驗最后根據計算結果，對1 kg紫花苜蓿鮮草生產的環境影響結果進行貢獻分析、敏感度分析、方案對比分析，并嘗試對結果進行延伸應用。

(1) 貢獻分析。分析各生產過程或投入對各特征化指標的貢獻率，從而辨識環境問題出現的主要環節和原因(見圖3)。

圖3 對農資生產的溫室氣體排放(kg CO2-eq)貢獻分析結果示意

(2) 敏感度分析。分析清單數據變動對各特征化指標結果的靈敏性，從而辨識減少紫花苜蓿鮮草生產環境影響的最有效改進點，進行生產管理改進或生態生產設計。

(3) 方案對比分析。實驗可進行多方案設計，如企業生產與農戶生產、有機生產與普通生產的方案對比，從而得出不同生產模式的環境效能。

(4) 生命周期評價結果延伸應用?？筛鶕嶒瀸W時，編制紫花苜蓿鮮草生產的生命周期環境影響分析報告，掌握報告撰寫的方法與要點。對比借鑒PEF的認證，開展紫花苜蓿鮮草的環境足跡認證或綠色產品認證，標識本實驗的紫花苜蓿鮮草PEF等級。

3 結 語

農產品各類有害殘留物的測定，已經形成了各種較為成熟的實驗方法，但已屬于農業生產系統的末端檢測與質量監控，無法追溯與量化反映各種生產過程與措施帶來的環境影響[14-16]。相對而言本實驗屬于宏觀尺度的系統評價，用以定性衡量人類因農產品生產造成的資源消耗和環境損害，更具有環境足跡的辨識、工藝改進、生態設計等方面的應用前景，模型設計-調研及數據獲取-計算-決策-應用的實驗流程，可以加深學生對于農業與環境關聯的認知，培養發現問題、分析問題、解決問題的能力。實驗同時也相當于一個小型的研究題目，還可以激發學生的科研興趣。該實驗不但適用于草學專業，也可被農業管理類、農業環境類等相關專業教學使用。

知識結構偏陳舊，無法完全滿足高速發展的社會需求一直是我國高等教育實驗教學的顯著弱點[17]。及時追蹤社會需求，緊盯科研發展動向，轉移轉化科研成果到實驗教學，設計新的實驗方案，使學生畢業后開展相關專業工作能更加得心應手，將是加強這一薄弱環節的有效途徑。

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