草业生产的环境影响评价教学实验设计

胥 刚， 林慧龙， 翁秀秀， 常生华

(兰州大学 草地农业科技学院， 草业科学国家级实验教学示范中心， 兰州 730020)

0 引 言

近年来，我国农业环境污染问题日益突出，尤其对大气、土壤、水体有着较为明显的环境负效应[1]。另一方面，世界的农产品绿色生产认证越来越广泛，贸易壁垒森严。这都促使我国农业需要从数量增长过渡到质量增长，农产品生产中消耗更少的资源和产生更小的环境排放变得越来越重要，潮流走向环境友好、可持续发展的道路。我国的草业相对于种植业、林业更为年轻，它具有4个生产层，产业链长，各类牧草、奶制品、牛肉、羊肉等草畜产品和国外产品存在激烈的竞争关系，对于生产的环境影响管控需求更为迫切[2-4]。

草学作为新生的一级学科，其课程设置也在逐步探索完善，开设对于草畜产品生产的环境影响模拟评价实验，使学生掌握田野调查与分析、决策的能力，可以更好胜任今后草畜产品生产加工、市场营销、生态经济分析等方面的专业工作[5-6]。同时该实验方法也可用于评价其他农产品，因而可对相关农业类、环境类专业开设，从而培养学生掌握农产品生产环境影响评价方面的方法与技能。

1 实验课程开设的背景及方法选择

1.1 农产品生产环境影响评价的时代需求

目前我国农业资源环境遭受着外源性污染和内源性污染的双重压力，已成为制约农业健康发展的约束瓶颈。据“第一次全国污染源普查公报”披露，农业源污染物排放对水环境的影响较大，其化学需氧量排放量为1.32×107t，占化学需氧量排放总量的43.7%。农业源也是总氮、总磷排放的主要来源，其排放量分别为2.70×106t和2.85×105t，分别占排放总量的57.2%和67.4%。

世界主要发达国家，为了辅助农业政策制订与开展清洁生产，尤其是引导人们绿色消费，倡导社会大众走环保节约的道路，均针对农业行业或农产品开展了生产环境认证或分级，欧盟尤其是这方面工作的先行者。2013年4月9日，欧盟委员会发布了“建立绿色产品单一市场”公告和“更好促进产品和组织环境绩效信息”的提案，旨在建立产品环境足迹(Product Environmental Footprint，PEF)和组织环境足迹(Organization Environmental Footprint，OEF)的通用评价方法以及信息交流的基本原则，号召成员国、公司、私营组织参与3年试点计划。同年5月，欧盟委员会发布“产品环境足迹(PEF)指南”，为相关工作的开展提供了准则与方法纲要。该方案已进行了2013～2016年间的推广试用，共有280个自愿申请的产品或组织，范围涉及农业、零售、建造、化学、制造业等行业[7]。农业领域有啤酒、咖啡、乳制品、肉类(牛肉、猪肉和羊肉)、鱼、橄榄油、瓶装水、意大利面、酒、宠物食品和动物饲料共11类农产品参与了第二轮的试点工作[8]，在参试商品上印制了相应的标志(见图1)。我国也开展了有机食品认证、绿色食品认证等工作，但主要是基于对农产品中的有害残留物测定，并未定量衡量整个生产过程对于环境的影响，也无法进行系统分析与精准改良。可以预见我国未来也需要开展相应工作，一方面可以为农业污染防治提供评价决策工具，另一方面则为了破除绿色贸易壁垒，更好地融入全球农产品交易市场。

1.2 生命周期评价在农业环境影响评价中的应用

目前环境影响评价方法较为多样，如碳足迹、水足迹、环境足迹、生态足迹，都被用来描述个人、组织、产品或服务对环境的影响。这些方法中大多数都是基于生命周期评价(Life Cycle Assessment，LCA)，其优势在于对环境影响的衡量不仅体现在生产过程，还包括原材料采集、运输、销售、使用、维护和最终处置的整个生命周期，避免了环境影响在不同生产环节之间的转移，因而较为科学，目前的研究与应用都比较广泛[9-10]。同时生命周期评价还经过标准化(ISO)建设[11]，操作相对规范，结果也可用于相互比较。如欧盟的PEF即是基于生命周期评价的气候变化、臭氧层破坏、生态/人体毒性、环境酸化、富营养化、资源枯竭、土地利用等14个类型的特征化指标而建立。

所以只要掌握了生命周期评价的方法与流程，基于其评价结果，即可进行生态设计、绿色农产品认证等延伸应用。因而该实验的教学方法采用生命周期评价，通过练习使学生主要掌握生命周期评价的原理与操作要点。

2 实验方案设计

通过对实验课程背景的陈述，在教学中针对草学专业的学生，要求模拟定量评价1 kg紫花苜蓿鲜草从原料生产到出农场这一阶段的生命周期环境影响。

2.1 实验目的

(1) 了解农业生产与生态环境的相关性与重要性。

(2) 了解生命周期评价的原理。

(3) 培养学生开展田野与农户调查的能力。

(4) 掌握运用生命周期评价软件进行建模、数据搜集、运算与结果发布。

2.2 实验原理

生命周期评价衡量的是产品全生命周期内的资源环境效率，其原理为人类的各种生产消费活动，在产品(实物或非实物或服务)的生命周期过程，包括资源开采与原材料生产、零部件和产品制造、运输与分发、使用与维护、循环再生与最终废弃等阶段，都会直接或间接地消耗自然资源或产生环境排放。通过清单分析与中间流回溯，可全部还原为直接来自自然的资源与直接排放到环境的环境排放物质(基准流)。通过为人类关心环境问题而建立的环境影响模型，可以确定相关物质及其影响效果(即特征化因子)。根据不同环境影响类型，对相关物质进行加和，并以基于效果参数的一种基准物质来表征最终的环境影响，从而全周期地、涵盖各种环境影响类型地计算出某一活动或产品的环境影响水平。

2.3 实验软件

目前生命周期评价领域的专用软件较多，如Simapro、GaBi、openLCA等，其原理及操作差异不大。实验教学中使用的是中国本土化的生命周期分析软件--由亿科环境公司研制的eBalance，该软件开发了中国生命周期核心数据库(Chinese Reference Life Cycle Database，CLCD)，且加入了国际生命周期数据库网络，能为PEF这样的评价项目提供数据支持[12]。同时软件还设计了针对中国实际情况的归一化方案与加权综合方法，因而其分析结果更为客观与准确[13]。

2.4 实验内容与操作步骤

实验按照ISO对于生命周期评价的界定，实验主要分为目标与范围定义、清单分析、生命周期影响评价、结果解释4个步骤进行。

2.4.1目标与范围定义

实验以评价1 kg紫花苜蓿鲜草生产的环境影响为目标，教学中用不同的范围定义对比来加深对概念的认知。如果范围定义为从原材料生产到紫花苜蓿鲜草运出农户，则评价包含的主要过程为：原材料生产、紫花苜蓿鲜草种植、收获；如果范围定义为紫花苜蓿鲜草全生命周期环境影响分析，则评价包含的主要过程为：原材料生产、种植、收获，此外还要包括运输、销售使用及废弃物处理或回收过程。不同的范围定义，生命周期评价的过程不同，计算结果也会明显不同。

2.4.2建模

范围定义为1 kg紫花苜蓿鲜草从农资生产到运出农户(不含农业设施、农业机械等的制造)，根据主要生产过程，在实验机房计算机eBalance软件中建立实验模型，结果如图2所示。

图2 1 kg紫花苜蓿鲜草生产环境影响的生命周期评价模型(eBalance)

2.4.3清单分析与数据搜集

实验以清单物质分析、列表、搜集、录入等步骤，模拟数据获取的各种主要途径，使学生掌握进行生命周期评价清单分析的能力。以单元过程为基础，具体列举每一过程消耗的原始自然资源(如水)、中间物质(如自来水)及产生的各种环境排放物，以表格形式列出，并留注计量单位、数量、生产者与生产地、来源等信息空格待填。1 kg紫花苜蓿鲜草生产需要的清单物质数据，按来源主要分为3类：

(1) 优先使用实景数据，即尽量测量或统计每一个单元过程的实际物质消耗与排放。各种清单物质的用量要与课时安排相结合，如课时充裕或教学目标需要，可开展实地调研。将学生分成数个小组，深入农户或公司，以问卷调查的形式，统计出相关清单数据。部分对结果敏感度较大，特别重要的清单数据，也可安排相关实验进行实际测量。

(2) 中间流产品如燃油、自来水、化肥等制成品，由于各项资源消耗与环境排放实验课难以一一测量统计，则选用软件自带的中国生命周期参考数据库，它内置了化肥、电力、燃油等大宗原材料、能源、化学品以及其上游资源开采、运输和废弃物处置等数据，可使用物质名录管理器在单元过程中直接进行添加。

(3) 少量数据如实景难以获取，内置数据库也未包含，如田间各种温室气体的排放，则查阅相关文献资料，取生产条件近似的数据做适当修正后使用，尽量补充完善。各项数据填入后，进行完整性和物料平衡检查。

2.4.4生命周期影响评价

通过对特征化方案的选择与计算，使学生了解环境影响类型与特征化指标的关系，掌握操作方法。模型中各单元过程的清单数据添加完成后，从LCAI指标管理器中选择并运算特征化方案，查看结果并在试验纸上记录(见表1)。特征化操作后一般了解归一化方案与综合指标的用途、计算原理与操作。

表1 1 kg紫花苜蓿鲜草生产的环境影响特征化结果示意

2.4.5结果分析与应用

实验最后根据计算结果，对1 kg紫花苜蓿鲜草生产的环境影响结果进行贡献分析、敏感度分析、方案对比分析，并尝试对结果进行延伸应用。

(1) 贡献分析。分析各生产过程或投入对各特征化指标的贡献率，从而辨识环境问题出现的主要环节和原因(见图3)。

图3 对农资生产的温室气体排放(kg CO2-eq)贡献分析结果示意

(2) 敏感度分析。分析清单数据变动对各特征化指标结果的灵敏性，从而辨识减少紫花苜蓿鲜草生产环境影响的最有效改进点，进行生产管理改进或生态生产设计。

(3) 方案对比分析。实验可进行多方案设计，如企业生产与农户生产、有机生产与普通生产的方案对比，从而得出不同生产模式的环境效能。

(4) 生命周期评价结果延伸应用。可根据实验学时，编制紫花苜蓿鲜草生产的生命周期环境影响分析报告，掌握报告撰写的方法与要点。对比借鉴PEF的认证，开展紫花苜蓿鲜草的环境足迹认证或绿色产品认证，标识本实验的紫花苜蓿鲜草PEF等级。

3 结 语

农产品各类有害残留物的测定，已经形成了各种较为成熟的实验方法，但已属于农业生产系统的末端检测与质量监控，无法追溯与量化反映各种生产过程与措施带来的环境影响[14-16]。相对而言本实验属于宏观尺度的系统评价，用以定性衡量人类因农产品生产造成的资源消耗和环境损害，更具有环境足迹的辨识、工艺改进、生态设计等方面的应用前景，模型设计-调研及数据获取-计算-决策-应用的实验流程，可以加深学生对于农业与环境关联的认知，培养发现问题、分析问题、解决问题的能力。实验同时也相当于一个小型的研究题目，还可以激发学生的科研兴趣。该实验不但适用于草学专业，也可被农业管理类、农业环境类等相关专业教学使用。

知识结构偏陈旧，无法完全满足高速发展的社会需求一直是我国高等教育实验教学的显著弱点[17]。及时追踪社会需求，紧盯科研发展动向，转移转化科研成果到实验教学，设计新的实验方案，使学生毕业后开展相关专业工作能更加得心应手，将是加强这一薄弱环节的有效途径。

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