生命周期方法与材料生命周期工程实践

生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）能够定量评估产品或技术造成的环境影响,并且识别关键环节从而优化工艺,是资源利用、能源消耗和可持续评估的重要工具。本文系统分析了国内外LCA研究现状和发展趋势,探讨了LCA的标准、数据库、模型和计算工具等内容,并详述了LCA在我国土壤修复领域的研究进展。LCA经历了萌芽、探索、快速发展和完善四个阶段,且已融入各行业领域。Web of Science数据库中有关LCA的发文量在1990年后迅速增多,截至2021年底,共计发表33114篇论文,其中环境领域为26254篇,占总发文量的79.3%;我国在LCA研究方面已有初步进展,相关年发文量由2000年的5篇增长至2021年的935篇,但尚未构建本土化完整的LCA基础数据库和研究模型,现阶段应统筹尽快建立具有我国特色的LCA体系。土壤修复作为国内碳减排工作的重要组成部分,加强LCA的相关研究和应用将促进低碳可持续修复技术和装备的研发。我国土壤修复领域的LCA研究多涉及复合污染场地、异位协同修复技术。原位修复技术渐成土壤修复主流,未来应加强对原位修复技术的LCA研究,以促进绿色可持续修复技术研发和碳减排任务的落实。     

江西省水生态文明镇评价方法及其应用研究

利用层次分析法构建了包含目标层、准则层和指标层的水生态文明镇评价指标体系,提出了各评价指标赋分细则和水生态文明镇评价标准,并以赣州市五云镇2014年水生态文明现状评价为例进行了实例验证。评价结果显示,2014年五云镇水生态文明总体评分为45分,而根据专家咨询结果,总评分达到85分及以上才能被认定为水生态文明镇,故五云镇暂不属于水生态文明镇,这与实际相符。这在一定程度上说明本研究确定的江西省水生态文明镇评价方法可行、结果可靠,可为江西水生态文明镇建设提供参考。     

太湖地区高产水稻生命周期评价

以太湖地区高产水稻典型管理措施为例,应用生命周期评价方法,以生产1t水稻为评价的功能单元,把水稻生命周期划分为原料阶段、农资阶段和种植阶段进行清单分析与影响评价,考虑了能源消耗、水资源消耗、温室效应、环境酸化和富营养化5种环境影响类型。结果表明,太湖地区高产水稻生命周期环境影响潜力大小依次是水资源消耗、富营养化、温室效应、环境酸化和能源消耗,环境影响指数分别为1．45、0．54、O．52、0．32和0．05,环境影响综合指数为0．54。降低稻田水肥投入,提高水分和养分生产效率是控制太湖地区水稻生产体系生命周期环境影响的关键,它在直接减少种植环节资源消耗与污染排放的同时,也间接减轻了上游生产环节的环境影响,从而减缓生命周期的环境影响。     

中国橡胶种植生命周期评价研究

应用生命周期评价方法, 以我国橡胶种植为例, 把橡胶种植生命周期划分为原料、农资化、橡胶种植、运输等4 个阶段, 考虑了全球变暖(GWP)、环境酸化(AP)、水体富营养化(EP)、光化学烟雾形成(POCP)、人体健康损害(HTP)、不可更新资源消耗(ADP)等6 类潜在影响, 对得到1 kg 橡胶(以干胶计)的潜在环境影响进行了分析评价。结果表明, 我国橡胶种植的各类影响排序为AP>EP>GWP>HTP>POCP>ADP, 其影响指数分别为1.76E-12、4.31E-13、1.37E-13、1.96E-15、9.69E-18、4.88E-19, 单一环境影响指数为4.32E-13。减少化肥施用量、提高施肥有效率是控制整个橡胶种植潜在影响大小的关键, 其在有效降低上游直接生产能耗及其相应排放和下游损失量的基础上, 可有效降低我国橡胶种植的潜在环境影响。     

基于生命周期分析方法的化肥与有机肥对比评价

利用生命周期评价方法,对化肥和有机肥进行生命周期资源消耗与污染物排放清单分析,在此基础上进行了生命周期对比评价。结果表明,化肥的环境影响主要是施肥过程中NH3挥发引起的环境酸化,其次是能源耗竭、全球变暖;有机肥的环境影响主要集中在堆肥过程中引起的环境酸化,其次是全球变暖、富营养化。综合比较,在整个生命周期内,有机肥的资源耗竭、全球变暖潜值、环境酸化潜值、富营养化潜值均较化肥小。若用有机肥替代化肥使用,生命周期环境影响综合指数将由化肥的1.4141变为0.5058,将会减少能耗59.22GJ,全球变暖潜力、环境酸化潜力、富营养化潜力分别比化肥降低17.54%,62.64%,52.86%。所以,从平衡生命周期能源消耗、环境排放角度出发,有机肥具有替代化肥的潜力。     

中国虹鳟养殖模式的生命周期评价

本文以黑龙江省和北京市虹鳟养殖为例,应用生命周期评价方法,将虹鳟养殖生命周期划分为饵料生产、电力生产、化学品生产和养殖污染排放4个阶段,考虑了全球变暖潜势、能源消耗、酸化潜值和富营养化潜值4种环境影响类型,以获得1t养殖增重量为评价的功能单位,对虹鳟网箱养殖模式、工厂化流水养殖模式和工厂化循环水养殖模式的潜在环境影响进行了评价比较。结果表明,我国虹鳟养殖模式的环境影响从高到底依次是富营养化潜值、全球变暖潜势、酸化潜值和能源消耗;网箱养殖模式的环境影响指数分别为53.963、0.939、0.717和0.017,工厂化流水养殖模式的环境影响指数分别为35.213、4.827、2.896和0.049,工厂化循环水养殖模式的环境影响指数分别为7.404、5.545、3.305和0.055;富营养化潜值是虹鳟养殖的主要环境影响类型,其主要来自养殖污染排放。3种虹鳟养殖模式的环境影响综合指数分别为6.69、5.52和2.02,我国虹鳟养殖模式的环境性能从高到低依次为工厂化循环水养殖模式〉工厂化流水养殖模式〉网箱养殖模式。减少养殖污染排放、降低电能消耗和提高饵料利用率是提升我国虹鳟养殖模式环境友好性的关键。     

三种类型温室建造的生命周期评价

为了确定温室建造过程对环境的影响程度及最大影响因素,该文应用生命周期评价(LCA)方法对3种温室建造过程造成的环境影响进行了评价。结果表明:3种温室建造对环境影响较大的是矿石资源消耗、化石燃料消耗、全球变暖和光化学烟雾4个方面;产生影响的阶段主要集中在建材生产阶段,占整个环境影响的90%以上;3种温室的建造所产生的环境影响类型是不同的,总的来说,考虑到不同温室类型使用年限的不同,在单位面积单位时间内芬洛温室在化石燃料消耗、矿石资源消耗、全球变暖、酸化、光化学烟雾以及灰尘对环境造成的影响最小,砖墙钢架日光温室在淡水资源消耗、木材消耗、水体富营养化及固体废弃物对环境造成的影响最小,但考虑到不同影响类型的权重,总体上砖墙钢架日光温室对环境的影响则是3种温室类型中最大的。该研究结果可为评价温室生产的资源消耗和环境影响提供方法借鉴,为设施建设选材提供参考。     

规模化养牛场粪便处理生命周期评价

以某规模化养牛场为例,应用生命周期评价方法,对畜禽粪便两种不同处理方式进行生命周期污染物排放清单分析,在此基础上进行了生命周期环境影响评价。结果表明,畜禽粪便处理过程中主要的环境影响类型是全球变暖,其次是环境酸化和富营养化。其中好氧堆肥工艺的环境酸化和富营养化潜力大于厌氧发酵处理工艺,厌氧发酵工艺全球变暖潜力大于好氧堆肥。综合比较,厌氧发酵的环境影响优于好氧堆肥,其环境影响综合指数分别为0.011 2、0.024 3,该养殖场宜采用厌氧发酵工艺处理畜禽粪便。     

成都平原典型秸秆循环利用模式的生命周期评价

运用生命周期评价理论,对成都平原典型秸秆循环利用模式的环境影响进行评估,探讨了不同农田生产模式的资源消耗与环境影响特征。结果表明:"稻–(菌废料)–麦"模式(FR模式)的温室气体排放总CO2当量为1.44×107 g CO2-eq,为3种模式中最小值,而"稻–(秸秆)–麦"模式(CFS模式)排放量最高;与传统农田生产模式(CF模式)比较,CFS和FR两种秸秆循环利用模式的环境酸化潜力,分别由6.44×104 g SO2-eq降至3.10×104 g SO2-eq和1.21×104 g SO2-eq,分别下降了51.85%和81.21%;CFS和FR模式的水体富营养化潜力相比CF模式,分别降低了24.21%和52.28%。从CF、CFS到FR模式,土壤毒性潜力逐渐下降,但3种模式中土壤重金属的残留比例仍然较高。3种秸秆循环利用模式的农作系统是造成潜在气候变暖、环境酸化、富营养化和土壤毒性的主要环节。由此,"稻–(菌废料)–麦"模式有利于节能减排,缓解全球气候变暖,降低环境影响潜力。     

秸秆类生物质气炭联产全生命周期评价

为探究秸秆类生物质热解转化生物炭及热解气过程的能源转化过程的效率、经济性及温室气体排放,该文依据全生命周期评价分析原理,建立秸秆类生物质气炭联产全生命周期3E(economic,energy and environment)模型,对以玉米秸秆为原料的生物质气炭联产过程进行全生命周期分析,评价范围从作物种植到生物气炭产物的利用,系统分为玉米作物种植阶段、秸秆从田间到转化工厂的收储运阶段、生物质气炭转化阶段、生物质气炭应用阶段等4个阶段,并对比分析了横流移动床生物质气炭联产和竖流移动床生物质气炭联产2种工艺技术优劣。结果表明,横流移动床生物质气炭联产的净能量6 542.2 MJ/t,能量产出投入比为4.5,其中,居能源消费的前三位的是种植氮肥、种植农机油耗、热解电耗,分别占总能耗的30.8%、20.4%、17.2%;气炭联产转化的总成本319.4元/t,其中热解气炭转化阶段成本最高,约占总成本34.0%,产品收入567.6元/t,纯利润248.2元/t;能源消耗过程的温室气体CO_2当量排放量18.05 g/MJ,经生物炭还田固碳,CO_2当量减排量约为40 g/MJ。竖流移动床生物质气炭联产技术能源效益较横流略低,但经济效益较高,2种生物质热解气炭联产技术各具优势,可根据产品应用特点选择最适宜的转化工艺方案。2种气炭联产技术具有一定的经济效益,而且均有较大的节能、减少温室气体排放的效益,具有一定的推广应用价值。     

基于生命周期评价的现代"草-羊-田"农牧循环系统调控

现代循环农业是实现农业绿色发展、推进乡村全面振兴的重要途径。但以农户经验构建而成的传统循环农业系统多缺乏精确的数据支持与参数匹配,使得系统的高效循环运行面临挑战。因此,本研究在数据采集与跟踪调研的基础上,采用生命周期评价对现代"草-羊-田"农牧循环系统进行实证研究,通过特征化、标准化与加权评估分析不同类别潜在环境影响,并计算系统模拟调控前后污染降级所需环境服务能。结果表明,饲料加工与湖羊养殖亚系统所产生的各类潜在环境影响都超过了其类别总影响的85%,远高于粮食种植和有机堆肥亚系统的;人体毒性和水体生态毒性在各亚系统中所产生的环境影响都较大,而陆地生态毒性的均最小。为实现污染降级每年所需空气、水体和土壤的环境服务能分别为7.42×1010、6.03×1016和1.59×1012J;通过耦合参数协调和关键技术优化对系统进行模拟调控,经测算与原系统相比每年所需各项环境服务能分别降低52%、44%和21%。该研究基于生命周期评价形成的适用于现代"草-羊-田"农牧循环系统并指导其整体调控的方法体系,对现代农牧循环系统的可持续发展与复制推广具有指导意义,同时可为其他现代循环农业系统的优化调整提供方法参考。     

有机和常规苹果生产环境影响的生命周期评价

本文以我国园艺产业中的重要果品——苹果的生产为研究对象,通过实地调研,采用生命周期评价方法,对山西浮山、陕西白水和甘肃天水等3个代表性地区的有机及常规苹果生产的环境影响进行了研究,以期为我国农业可持续发展和生态文明建设提供科学依据。结果表明,山西浮山的有机苹果生产养分利用效率高于常规苹果,陕西白水和甘肃天水相反。3个地区单位苹果有机生产方式的能源消耗均占常规方式的26%以下,有机生产的能量利用效率高于常规生产。在能源消耗、全球变暖、环境酸化以及富营养化等4类环境影响中,富营养化对环境影响的贡献最大,均占80%以上。有机和常规苹果生产的环境影响按照大小均表现为陕西白水甘肃天水山西浮山。由于山西浮山有机苹果的肥料等投入远低于常规苹果生产,产量相差不大,因而表现为有机苹果的综合环境影响仅为常规苹果的22%;陕西白水和甘肃天水呈现相反的情形,其有机苹果的综合环境影响分别是常规苹果的356%和138%。在高量有机养分投入的前提下,有机农业可以达到和常规农业相当的作物产量,但其代价是较高的负面环境影响和较低的养分和能源利用效率。     

日光温室地源热泵供暖碳足迹的生命周期分析

为分析日光温室地源热泵供暖的碳足迹,该文以日光温室地源热泵供暖系统中浅层地热能的存储、提取、制冷压缩提升和温室末端供暖整个过程为研究对象,对系统的温室气体排放和单位温室供暖面积的排放水平进行分析,构建基于生命周期分析LCA(life cycle assessment)的日光温室地源热泵供暖碳足迹分析方法。同时以北京地区日光温室地源热泵系统冬季供暖采集的试验数据为依据,分析和计算出北京地区日光温室在采用燃煤和燃气2种不同发电方式下地源热泵系统的供暖碳足迹和基于20 a和100 a温室地源热泵供暖碳足迹的全球变化潜能(global warming potential,GWP,单位为二氧化碳当量排放-CO2-eq.)的变化。研究表明,在北京地区采用燃煤和燃气驱动地源热泵系统的碳足迹GWP分别为257和72 g/(m2·d)。基于100 a的GWP总量比20 a的计算值分别减少了1.6%和5.4%。对比荷兰Venlo型温室天然气供暖,该研究中采用燃煤发电驱动日光温室地源热泵供暖的碳足迹是其1.39倍,而燃气发电驱动日光温室地源热泵供暖的碳足迹仅为Venlo型温室供暖的41%。采用燃气发电驱动的地源热泵供暖系统具有更低的碳足迹。     

大豆油和地沟油制备生物柴油生命周期评价

该研究应用生命周期评价方法,以大豆油和地沟油分别制备1 t生物柴油为研究对象,计算生物柴油全生命周期过程中的能源消耗和周期排放,结果表明：以大豆油为原料制备生物柴油全生命周期总能耗约为地沟油的2.65倍,且以地沟油为原料制备生物柴油过程中CO2、SO2、NOx、CO和粉尘各项排放与大豆油为原料时相比分别降低了82.92%、45.68%、94.91%、53.40%和90.61%。通过对制备生物柴油生命周期排放的废气和废物对环境造成的影响进行量化分析,结果表明以大豆油为原料时生命周期环境影响潜值约为地沟油的11.70倍,其数值分别为8.42和0.72,大豆油制备生物柴油过程中对环境的影响主要是全球性的变暖,地沟油制备生物柴油过程中对环境的影响主要是地区性的酸化。     

基于开放式培养的微藻生物柴油生命周期环境影响评价

为定量评价以微藻为原料生产的生物柴油生命周期系统产生的各种潜在环境影响,以基于开放式培养的微藻生物柴油为研究对象,应用生命周期分析方法,以1 MJ能量的柴油产品为功能单位,对生产、使用微藻生物柴油产生的环境影响进行了分析。结果表明：微藻生物柴油生命周期最显著的环境影响类型为不可更新资源消耗,其次为光化学烟雾形成,生命周期总环境影响指数为4.63×10-4人当量,较石化柴油降低19.34%,以油菜籽为原料的生物柴油生命周期总环境影响指数是微藻生物柴油的7.19倍,微藻培养与生物柴油制取对生命周期总环境影响指数的贡献分别为27.95%与46.24%。基于开放式培养的微藻生物柴油相对于石化柴油与以油菜籽为原料的生物柴油具有较好的生命周期环境效益,控制微藻生物柴油生命周期环境影响的要点在于减少微藻培养与生物柴油制取阶段的动力消耗。     

基于GIS的区域生态连接度评价方法及应用

快速城市化过程使区域生态用地日益破碎,导致生物多样性不断降低,威胁土地生态安全。对快速城市化地区土地利用及规划进行生态连接度评价,并为土地管理提供决策支持,成为保障区域土地生态安全的必然选择。该文利用第二次全国土地调查数据及土地利用总体规划数据,在生态功能区识别的基础上,采用生态连接度指数对曹妃甸新区土地利用现状和规划情景进行生态连接度评价,评价土地利用对区域土地生态功能联系的影响并提出改善建议。结果表明:曹妃甸新区中等以上生态连接区域仅占曹妃甸新区的56.45%,且呈明显破碎化和孤岛化分布;在7 714.71 hm2规划新增城市用地中有2 027.25 hm2对区域生态连接度影响显著,这些区域应进行生态功能保护和提升。加强对区域重要生态用地的保护、利用现存生态资源对景观进行生态重建、强化建成区内部绿地网络建设是提高曹妃甸新区生态连接度水平的有效途径。研究成果对区域生态保护和建设工作具有重要参考价值。     

植物源铁生物有效性及评价方法研究进展

缺铁是个世界性的营养失衡问题,给人类健康和经济发展带来严重的负面影响。主要膳食中的铁缺乏或低生物有效性被认为是造成铁缺乏的主要原因。通过植物育种措施,尤其是提高植物源铁富集育种被认为是解决铁营养失衡最经济且有效的途径。然而,近年的研究表明,人体铁吸收与植物源有效铁量密切相关,而与铁积累总量没有相关性。快速、准确的评价植物源铁生物有效性对高有效性富铁作物育种意义重大。本文阐述了植物源铁富集和生物有效性的基因型差异及影响因素, 并分析了铁生物有效性评价方法的优缺点,为植物源铁生物有效性育种及评价提供参考。