生命周期評價在畜牧生產中的應用研究現狀及展望

姜明紅，劉欣超，唐華俊，辛曉平，陳吉泉，董剛,5，吳汝群，邵長亮

（1呼倫貝爾學院初等教育學院，中國內蒙古呼倫貝爾021008；2中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，中國北京 100081；3內蒙古農牧業科學院，中國呼和浩特 010031；4全球變化和地球觀測中心，地理、環境和空間科學系，密歇根州立大學，East Lansing, MI 48824美國；5山西大學生命科學學院，中國太原 030006）

生命周期評價（life cycle assessment, LCA）方法自上世紀六十年代建立以來，一直被不同行業用于評估其產品或服務的環境影響。這一方法主要對某種產品或服務在“從搖籃到墳墓”或“從搖籃到搖籃”整個生命周期中的環境影響和資源消耗進行綜合量化評估，評估結果可以用來改善產品生產、銷售、使用、回收利用乃至最終廢棄這一完整生命周期中的資源環境負擔[1］。隨著方法體系的不斷發展和完善，LCA已經成為了國際上環境管理和產品設計的標準方法（ISO14040-14044系列標準），廣泛應用于建筑設計、生物能源、食品生產和循環產業中[2-7］。

目前全球糧食安全問題日益嚴重，同時乳、肉、禽、蛋等資源環境成本較高的食物消耗又在逐年增加[8-10］。因此，對于以乳、肉產品生產為主的畜牧產業來說，如何合理利用日益緊張的土地、淡水等資源，提高畜牧生產能力，減輕畜牧產品生命周期中的資源環境負擔，建立高效、節約、環境友好的畜牧生產系統是目前急需解決的問題，也是當前國際上LCA評價應用研究的熱點之一[9,11-17］。

在我國，LCA評價在農畜產品生產方面的研究和應用并不多見。林劍藝等[18］從食物需求和供給變化的角度利用混合LCA方法（hybrid LCA，HLCA）對我國1979年至2009年食物生產的碳足跡進行了計算。孫趙華[19］論述了LCA方法在循環農業中的應用前景、框架和方法體系。白林[20］開展了四川豬肉生產系統的LCA評價研究，對散養、適度規模、集約化飼養三種情境下肉豬生產的環境影響效應進行了評價。而WANG等在2016和2018年發表的兩篇文章中分別對我國關中平原和華北平原的奶牛養殖場牛奶生產中的溫室氣體排放、土壤酸化和富營養化等環境影響開展了LCA評價[21-22］。

以上研究結果主要針對我國農區以圈養方式為主的畜產品生產系統，而作為我國畜牧業重要產區的北方草原牧區，還沒有開展針對當地畜牧生產體系的LCA研究。在我國北方牧區，畜牧生產技術手段相對落后，單位畜牧產品產生的環境負擔遠高于歐美國家[18,23-24］，而日益增長的人口和有限的資源環境容量，使得當地資源環境負擔急劇增加，嚴重地妨礙了當地草原生態環境的保護和居民生活福祉的提升[25-31］。在這一背景下，引入LCA方法對我國北方牧區畜牧產品生產進行環境影響全生命周期評價，對于降低當地生態環境負擔、優化畜牧資源配置、促進畜牧生產和產品加工標準化，提高我國北方牧區畜牧產業競爭力，實現草原畜牧業可持續發展具有重要意義。

本文在對國內外已有的畜牧生產 LCA 進行綜述的基礎上，圍繞LCA的主要步驟（目的與范圍確定、清單分析、環境影響評估以及結果解釋和改進分析），對 LCA評價在我國草原牧區畜牧產品生產中應用的方法和前景進行了梳理和探討（圖 1），以期為當地畜牧產業的綠色可持續發展提供參考。

圖1 LCA主要步驟框架及其在我國畜牧產業中的應用價值Fig. 1 Life cycle assessment framework and Its application value in animal husbandry in China

1 畜牧產業LCA目標與系統邊界選擇

開展 LCA評價的第一步是研究目的與范圍的確定，需要確定LCA開展的目標、所評價產品系統的系統邊界、功能單位、數據分配方法等問題，這直接決定了LCA評價的深度和廣度[32］。

首先從研究目標上來說，目前大部分畜牧生產LCA研究可以分為兩類[1］：第一類主要針對選定的生產系統，對其環境負擔和資源消耗情況進行評估，例如，MCAULIFFE等[33］利用精確到牲畜個體的第一手觀測數據，對英國北威克農場平臺的肉牛生產溫室氣體排放進行了計算；BEAUCHEMIN等[34］通過一個長達8年的LCA評價研究估算了加拿大西部牛肉生產的溫室氣體排放。第二類研究則主要側重于對不同地區[35-36］、不同經營方式[37-40］畜牧生產系統間環境負擔的比較，例如 TICHENOR等[41］對美國東北部集約化放牧的肉牛牧場以及圈養的奶牛場進行了LCA評價，來比較這兩種系統生產牛肉的環境負擔；O'BRIEN等[42］則對比了季節性放牧和圈養兩種牛奶生產系統的環境影響差異。

總體而言，LCA評價范圍的界定也就是系統邊界設置的越完整，對于環境影響和資源消耗的評價結果就越準確[43-44］。理想的情況下，LCA分析的系統邊界應包含與產品相關的所有方面，完全意義上實現“從搖籃到墳墓（from cradle to grave）”即從原材料獲取到產品生產、使用、廢棄物處理、再循環和最終廢棄處置的全生命周期評價[1］。然而對于大部分農畜產品LCA，受限于數據可獲取性等客觀條件，都將評價重點放在從原材料生產獲取開始直到畜牧產品從農場售出為止這一階段的生產環節和過程上，以限制LCA研究的復雜性，相應的系統邊界被稱為“從搖籃到農場大門（from cradle to farm gate）”[4,45-46］。圖2展示的是作者歸納的我國草原畜牧生產系統從搖籃到農場大門這一系統邊界所包含的主要生產環節對應的物料投入和資源環境影響。但是也有一些LCA評價在條件允許的情況下，將系統邊界擴展到農場大門以外，實現從搖籃到墳墓的完整生命周期的評價[1］。例如，HELLER等[47］在關于美國有機乳制品產業碳排放的LCA評價研究中，利用有機乳制品企業產品追溯數據完整的特點對有機乳制品產業中從飼料生產一直到產品被使用后廢物處理的完整生命周期的碳排放進行了估算。

圖2 畜牧生產LCA系統邊界（從搖籃到農場大門）Fig. 2 System boundary of animal husbandry LCA（from cradle to farm gate）

選擇功能單位的目的就是將LCA所評價畜牧生產系統的主要功能與系統產生的環境影響聯系起來。一般而言，LCA評價選擇畜牧產品生產也就是系統的經濟功能作為主要研究角度，因而將環境影響或資源消耗分攤到產品上進行描述，作為度量單位的產品就被稱為LCA評價的功能單位，如肉牛或肉羊生產系統往往采用每千克活體重或胴體重作為功能單位[36,38,41］，乳制品生產系統則常用每公斤/公升牛奶或脂肪和蛋白質校正乳作為功能單位[21,48］。在實際應用中還需要根據生產系統的特點來設定功能單位，例如 HELLE等[47］在有機乳制品 LCA中把功能單位定義為一升裝的商品液態牛奶；而MCAULIFFE等[33］和MOREL等[49］等在關于肉牛生產系統的LCA評價中，考慮到育肥肉牛的生產，將功能單位設置為活體重的增長量（kg of live weight gain或live weight produced）。

也有學者認為，畜牧生產系統占用農場本身的和農場以外的土地，因此發揮著維持土地利用和提供生態系統服務的功能。這些土地自身承受著畜牧生產帶來的環境影響，對于富營養化等影響范圍較小的環境影響類別來說，畜牧生產所占用的土地就是主要的環境影響發生區域。因此除了利用畜牧產品作為功能單位外，也有研究選擇畜牧生產所占用的土地面積（分為農場內以及農場外）作為第二功能單位來評價畜牧生產在當地產生的環境影響。如O'BRIEN等[50］在評價肉羊生產系統環境影響時，考慮到畜牧生產分別對全球范圍和農場當地環境所產生的作用不同，除了使用賣出肉羊的活體重量作為功能單位外，針對波及空間范圍較小的環境影響類別（如富營養化），將農場的土地占用面積作為功能單位進行分析，結果表明從農場當地環境的角度來說，集約化畜牧業會大大增加當地的環境負擔，而如果以生產的羊肉作為衡量標準的話，集約化生產降低了畜牧生產中的環境影響。SALOU等[51］在評價牛奶生產環境影響時也選擇了每噸牛奶和每公頃土地占用兩種功能單位，分別用來表示牛奶生產系統在食物生產和維持土地利用方面的作用，得到了與前文相似的結果：實行牛奶集約化生產，會增加所占用土地的環境負擔，而如果以牛奶產品作為功能單位的話，集約化牛奶生產反而會減輕富營養化和土地占用方面的環境影響。

同一生產系統往往會出產多種產品，對于畜牧產業來說也是如此，例如牲畜提供的肉、奶、皮、毛等共生產品，因此如何將整個生產系統造成的環境影響分配到不同的產品上，也是在畜牧生產LCA評價中需要重點考慮的問題。目前最為普遍使用的分配方法是根據共生產品價值的比例進行分配（公式1），這一方法具有簡單易行，數據來源可靠客觀等優勢[21-22,45,50］。但是，產品的價值受市場價格、供求關系、相關補貼政策等因素影響會時時變化，因此利用產品價值作為分配依據的缺點是不利于不同時期和地點間 LCA評價結果的比較。

式中，i為生產系統中第i項產品，j為生產系統中第j項環境負擔，Eij為生產系統中第i項產品帶來的第j項環境負擔，Ej為生產系統帶來的第j項環境負擔，Vi為第i項產品的價值，為生產系統中所有產品總價值。

也有一些 LCA采用了生物物理學的方法來進行分配，例如在處理羊肉和羊毛之間的分配關系時因為羊肉和羊毛都是由蛋白質構成的，而羊毛生產又主要是由牲畜對蛋白質需求決定的，根據這一邏輯就可以用這兩種產品所需要的可吸收蛋白質的比例進行分配[35,52］。

除了采用以上分配方法外，系統擴展也是一個可行的解決方案，系統擴展是指當生產系統中存在A和B兩種商品時，為了評價主要產品A的環境影響，首先在市場上找到副產品B的替代商品C，然后擴大系統邊界將C的生產系統包括進來，當需要計算生產A產品的環境影響時，就利用原來系統生產A+B的環境影響減去相應生產C的環境影響即可（公式2）。例如，WIEDEMANN等[35］在對綿羊生產系統LCA評價時就嘗試了通過牛肉或其他肉羊品種的羊肉，來代替系統中肉毛兩用羊生產的羊肉，避免了羊毛和羊肉兩種產品之間的分配問題。在牛奶生產系統中，也可以通過系統擴展加入肉牛生產系統，來替代牛奶生產中的牛肉和糞便肥料的部分，從而避免牛奶生產中主副產品間的分配問題[53］。

式中，Ea為主要產品A的環境影響，Ea+b為原來系統生產A和B的環境影響，Ec為生產C的環境影響。

2 清單分析

清單分析是對所研究系統中輸入和輸出數據建立清單的過程。首先針對生產系統的各個環節列出其廢氣、廢水、廢料的排放以及資源消耗占用的清單數據，以此來量化產品系統中的相關輸入和輸出，是 LCA整個操作中工作量最大的一步[32］。在清單分析過程中，可以將所需收集的數據分為兩大類：第一類數據是所研究的目標生產系統中生產制造過程涉及到的消耗和排放數據，需要從生產系統獲取，稱之為前景數據（foreground data）；第二類數據則是產品生產所需系統外資源和原料的開采、制造以及這些環節所需的電力、燃料等，稱作背景數據（background data）。

畜牧生產 LCA所需的前景數據目前存在三種收集方式，第一種就是通過調研等方式直接從農場收集到的第一手資料，這也是目前主要的前景數據收集方式[33,47,54］；第二種方式是從全國調查中獲得平均數據，常常用于較大空間尺度上如地區間或國家尺度上開展的LCA評價[36,55］；第三種方式則是通過對前人發表文獻進行數據挖掘獲取所需數據[1,41,56］。對于LCA背景數據收集來說，往往通過LCA相關數據庫或是文獻調研獲取[21-22,57］。使用專門的 LCA評價軟件如德國的GaBi，openLCA，荷蘭的SimaPro或我國的eBalance，則可以直接從專門的 LCA數據庫選擇并導入相應的背景數據。目前常用的LCA數據庫有瑞士的Ecoevint，德國的GaBi數據庫和歐盟的ELCD數據庫等，這些數據庫數據資源較為豐富，但是主要還是針對歐美的生產模式和需求構建的，很多時候并不適合國內LCA評價使用。而國內的CLCD等數據庫往往更注重化工、材料、能源、建筑等工業產品的LCA評價，構建適合我國畜牧產業實際情況的 LCA本土數據庫因而成為當務之急。

根據對數據清單數據的獲取方法不同，可以分為幾種不同的LCA分析方法。基于生命周期清單羅列數據自下而上開展的生命周期分析方法，叫做過程生命周期評價方法（PLCA），是最為傳統和經典的評價方法，這一方法的數據收集方式主要是通過實地調查、監測或統計資料進行，是目前在畜牧生產LCA評價中較為普遍采用的方法[45,49,58］。但是有學者認為 PLCA方法存在著數據收集困難、只能核算實物投入、系統邊界設定不夠客觀，忽略系統邊界外環境影響容易導致截斷誤差[43-44］。

為了克服PLCA方法的以上問題，LAVE等[59-60］將經濟系統中的輸入輸出模型引入生命周期評價中，創建了投入產出生命周期評價模型（EIO-LCA）。EIO-LCA是一種自上而下的生命周期分析方法，它首先利用投入產出表計算出部門層面的能耗及排放水平，再通過評價對象與經濟部門的對應關系評價具體產品或服務環境影響[6,43］，其模型公式為：

式中，E為為產品p引起的各部門環境負擔向量，R為對角矩陣，其對角元素Ri是部門i單位貨幣產出的環境負擔，（I-A）-1為列昂惕夫逆矩陣，反映了經濟的中間投入產出結構以及生產技術水平，I為單位矩陣，A為直接消耗系數矩陣，p為產品列向量，ci為部門i的環境負擔，xi為部門i的總產出。

EIO-LCA雖然避免了PLCA的系統邊界主觀設定的問題，但也存在著核算針對性和精度不高，難以體現出技術和生產效率差異等不足之處，在畜牧生產LCA評價中并不常用。通過將PLCA和EIO-LCA兩種方法整合到同一分析框架內，形成了HLCA方法，這一方法將LCA評價范圍分為兩大塊，對于產品生產的各個關鍵過程利用PLCA方法評價，而對于不需要過于詳細數據的部分采用EIO-LCA方法評價[6］。

HLCA方法既保留了 PLCA 具有針對性的特點，又避免了截斷誤差，同時也能有效利用已有的投入產出表，減少核算過程中的人力、物力投入。近年來HLCA方法開始在畜牧生產相關領域得到了應用，例如LIN等[18］就利用HLCA方法對1979—2009年我國15種主要的食物生產碳足跡進行了計算，在該研究中對農業生產中的直接碳排放（如施肥、牲畜腸道甲烷排放、糞便管理等）通過PLCA方法計算，而對于間接碳排放（如化肥、農藥、農業設施的生產建造等）通過EIO方法計算。

3 環境影響與改進分析

影響評價（life cycle impact assessment，LCIA）的目的是根據LCA評價的目標和范圍，基于清單分析結果對產品生命周期的環境影響進行評價。這一過程中，根據預想的環境影響類型，將清單數據轉化為具體的影響類型和指標參數，更便于認識產品生命周期的環境影響。LCA影響評價通常包括三個部分：影響分類、特征化和量化評價。其中影響分類指的是將從清單分析得來的數據歸納到不同的環境影響類型中，影響類型通常包括資源消耗、人類健康影響和生態環境影響3個大類，每一大類下又包含有許多小類，如在資源消耗包括石油化石能源消耗、凈水資源消耗等，生態環境影響有全球變暖、酸雨和富營養化等。特征化指的是評估清單上各個物流和能流對應的潛在環境影響的大小（例如評估排出二氧化碳對應的潛在溫室效應，評估排出含N、P廢水對應的潛在富營養化效應等），并且通過標準化則可以讓不同物質或能量流的潛在的環境影響可以計算比較，這一計算過程可以通過公式 5實現[7］，這是 LCA影響評價的中間（Mid-point）指標，如目前常見的針對畜牧生產溫室氣體排放開展的LCA研究在評估甲烷、氧化亞氮等溫室氣體增溫效應時通常都換算為等效的二氧化碳當量（CO2eq）作為評價指標[61-62］。在獲得中間指標評價結果之后，確定不同資源環境影響類型的貢獻大小即權重因子和歸一化基準值，使得不同類別環境影響能夠比較和整合，進而得到一個歸一化的綜合指標，這一指標表征總的環境影響水平，即為 LCA終點（End-point）指標。中間指標具有評價相對客觀，結果明確易于解釋等優點，因此很多畜牧LCA研究直接選用多個中間指標來解釋不同的環境影響評價結果而不再計算終點指標結果[21,63-64］。與中間指標相比，終點指標的計算在專業的研究學者來看難免會存在不同環境影響間相互權衡方法不同導致的異議，但是對于普通消費者來說，單一的綜合性終點指標將不同的環境影響類別進行了整合，得到單一指標可以簡單明確的反映產品生命周期中的綜合環境影響，更利于公眾接受和理解LCA評價結果。例如，荷蘭開發了一個手機程序，可以讓消費者在購物時通過這一程序了解到所購買動物產品的全生命周期環境影響，出于讓消費者容易理解評價結果的考慮，這一軟件展示給普通消費者的就是終點指標（ReCiPe hierarchic endpoint）評價結果[65］。除了常規的LCA環境影響評價方法之外，一些學者將其他的方法和技術手段與 LCA評價方法結合，擴展了畜牧生產 LCA評價的范圍[66］。例如，PAYANDEH等人[67］將數據包絡分析方法和LCA方法相結合，評估了伊朗肉雞養殖場通過提升能源使用效率所帶來的改善環境影響的潛力。

式中，D為某一影響類別的影響指數;n為某一影響類別的子項總數;m為某一子類型中排放物種類數;Dij為某一影響類別第i子項的第j種排放物的影響指數;Mij為第i子項的第j種排放物的排放量;λij為第i子項的第j種排放物的特征化因子;fij為第i子項的第j種排放物的標準化系數;qij為第i子項的第j種排放物的權重系數。

改進分析這一步驟需要做的是從清單分析和環境影響評價結果中歸納出易于理解的LCA評價結果，進而幫助決策者識別、評價并選擇能減少研究系統整個生命周期內能源和物質消耗以及污染物釋放機會的環節和過程。最終通過改變產品設計、原材料的使用、工藝流程、消費者使用方式及廢物管理等改善產品生產系統的環境負擔。為達到以上目的，需要對畜牧產品生產消費中各個環節的環境影響進行評價，并探討不同生產管理模式下畜牧產品資源環境影響的異同[33-34,68］。例如WANG等[22］在關中平原奶牛養殖場牛奶生產的 LCA研究中，通過對各個生產環節中的溫室氣體排放和土地占用情況的分析，提出了可以通過提高飼喂效率、改善畜群結構、提高奶牛產奶能力以及改善牲畜糞便處理利用方式等途徑來降低當地牛奶生產中的溫室氣體排放的建議。但該研究也認為一些減排措施，如通過增加不施肥低產苜蓿的投入，增加奶牛產奶量，進而降低溫室氣體排放，會引起土地占用增加，造成額外的環境影響。

4 我國北方牧區畜牧業生產現狀與LCA應用展望

通過對國外畜牧生產LCA研究文獻的綜述，可以看到國外畜牧產業中LCA評價研究已相當普遍，無論從方法上還是技術上來說都已經相當成熟和完備，LCA已廣泛應用于畜牧產品環境成本標識和生產管理方式改進等方面，對我國畜牧產業LCA評價研究和實際應用的開展都有較強的借鑒意義。

對于我國北方牧區畜牧業來說，LCA評價方法在這一領域具有廣泛的應用前景。近年來我國在草原生態環境保護、草原畜牧產業技術改良方面取得了顯著的進展，但是當前大部分工作的開展只局限于解決單個問題或改進某一生產環節，對畜牧生產全生命周期總體的環境影響和資源消耗缺乏準確的認識。此外，在我國北方草原牧區，也很少對人工草地建設或牲畜規模化、集約化養殖等草牧產業技術改良措施在溫室氣體排放、環境富營養化、土地資源占用和水資源消耗等方面的綜合環境影響進行全面的評估，使得當地政府和政策制定者在制定畜牧產業規劃、生產技術改良和生態環境保護政策方案時，面對畜牧生產過程中所產生方方面面的影響難以做出權衡和取舍。引入LCA方法，可以將畜牧產品生產、消費中的各個環節結合起來，權衡不同資源環境影響類別，綜合考量畜牧產品全生命周期總體環境影響和資源損益，為以上問題的解決提供了新的視角和技術途徑。

同時也需要認識到，由于國內外畜牧產業的具體情況差異，國外LCA經驗難以直接在國內應用。首先，在我國北方牧區，家庭牧場是當地畜牧生產的主要經營方式，具有季節性放牧與圈養舍飼結合，不同牲畜混養，牧民生活和生產經營界限不明確等特點，使得在這一區域開展畜牧生產LCA評價，無論是系統邊界確定、功能單位選擇還是結果分配等一系列環節的復雜性都大大增加，難以直接套用國外方法。其次，當地農牧民很少對經營活動進行準確記錄，國內也很少開展牧戶尺度的畜牧生產物料投入和產出調研，并且國內LCA背景數據庫建設尚不完善，因此在我國開展畜牧生產 LCA所需的數據收集非常困難，這也將是制約我國畜牧生產LCA應用的最大短板。最后，由于畜牧生產技術及經營方式的差距，相比與歐美澳等畜牧業先進國家，我國北方牧區畜牧生產受降水等自然因素及市場供求價格因素影響，無論從畜群規模還是經營方式上來講年際間差異極大，這也是在我國開展畜牧生產LCA評價中必須要考慮的問題。

為了促使 LCA 能夠深入、廣泛的應用于我國畜牧產業， 應從以下幾個方面進行改進：首先，開展我國北方牧區不同規模畜牧生產經營系統物料投入和產出調查和研究，在為當地生態環境保護和畜牧產業發展工作提供第一手資料的同時，也為畜牧LCA評價收集了必要的數據。其次，建立并完善我國畜牧業LCA標準方法和數據庫，根據我國畜牧產業的時間和區域差異特征，建設相應的標準、方法和數據庫等，提升我國LCA 評價結論的準確性。第三，在我國畜牧LCA評價研究中還應加大學科交叉力度，積極引入CLCA、HLCA等近年來的新方法和新概念，通過LCA評價與生態學和經濟學等學科的融合，理清影響畜牧產業發展的自然和社會驅動因素，通過宏觀統計數據與實際調研數據相結合，簡化開展LCA評價的數據需求，進而提高在我國草原牧區開展畜牧產業 LCA研究的可操作性，為我國北方牧區畜牧產業的可持續發展提供數據參考和技術支撐。