碳氮足迹研究进展与展望

王晓旭，陈晓芳，卫凯平，黄 莉

(安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

1 引言

气候变化作为人类面临最为严峻的全球环境问题，可能会导致冰川消融、粮食减产和物种灭绝等后果。气候变化的主要原因是由于人类活动向大气中排放过量的二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)等温室气体[1,2]。在联合国政府间气候变化专业委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC) 发布的第4次评估报告中，预测全球地表温度将在未来100年内平均增加1.8～4.0 ℃，而全球气温升高4 ℃将导致不可预计的灾难[3]。

氮是植物生长的必需养分之一，是构成蛋白质的主要成分，对植物的茎叶生长和果实发育有重要作用。由德国科学家Fritz Haber和Carl Bosch在20世纪初发明的将大气中惰性氮转化为氨的方法使得人类每年至少合1.5亿t活性氮[4]，这对提高农作物产量，满足人类不断增加的食物需求方面起到了巨大作用。但是，另一方面，由于急剧增长的人为活性氮大量进入土壤、大气和水体，造成环境污染和生态系统的损害，如水体富营养化、生物多样性威胁、臭氧层破坏等严重影响。因此，定量评价人类生产生活方式对活性氮与温室气体排放的影响，减少活性氮与温室气体的排放是人类面临的严峻挑战[5,6]。

2 碳氮足迹的概念

“足迹”的概念是用来衡量人类生产活动所消耗的自然资源的方法[7]，这个概念最早由哥伦比亚大学的Rees 和Wackernagel提出的生态足迹所衍生而来，即要维持特定人口生存和经济发展所需要的或者能够吸纳人类所排放的废物的、具有生物生产力的土地面积[8]。

2.1 碳足迹

碳足迹最初在英国出现，起源于生态足迹的概念[9]，却有其特有的含义[10]，即考虑了全球变暖潜能(GWP)的温室气体排放量的一种表征[11]。与碳足迹相关的研究很多，但鲜有人对碳足迹概念做出准确的界定。

Druckman等[12]认为碳足迹是由某一人类活动引起的二氧化碳排放总量，该过程可以是直接也可以是间接的，或是某一产品在其整个生命周期内所累积排放的二氧化碳总量。Matthews等[13]认为碳足迹是商品或者服务的整个生命周期内排放的温室气体总量，再次将生命周期分为生产、运输、使用、处置四个阶段。Barthelmie等[14]认为碳足迹是产品或者活动在其整个生命周期中产生的二氧化碳总量。Strutt等[15]认为碳足迹是某项人类活动在其整个生命周期或者特定某一个时段会排放的温室气体的量。Edwards-Jones等[16]认为碳足迹是商品在其生产、加工、销售以及使用过程中的各个阶段中会排放的温室气体的总量。Sinden等[17]认为碳足迹是产品在生命周期内产生的温室气体的影响，不仅仅会产生二氧化碳的排放，还会带来其他影响。耿涌等[18]认为碳足迹是一项活动、一个产品(或服务)的整个生命周期，或者某一地理范围内直接和间接产生的二氧化碳排放量(或二氧化碳当量排放量)。

本研究在结合所查阅数据的完整性和可适用性后，认为碳足迹在Matthews和耿涌所提出的关于碳足迹的概念的基础上进一步修改比较合理：碳足迹是对由某种活动或某种产品生命周期内产生并积累的引起的(或某种产品生命周期内产生并积累的)直接或间接的二氧化碳排放量(或二氧化碳当量排放量)的度量。

2.2 氮足迹

氮足迹与碳足迹类似，也是生态足迹的组成部分[19]。氮足迹是在生态足迹概念基础上, 为了定量评价人类生产生活方式对活性氮排放的影响而提出的。目前还没有世界范围内科学家所公认的氮足迹概念。氮足迹的概念最早由Leach和Galloway[20]在2010年首次提出，并认为由个人的食品和能源消耗所造成的流失到环境中的活性氮的总量视为个人氮足迹。基于碳足迹的概念，氮足迹可以表述为：由某种活动引起的(或某种产品生命周期内产生并积累的)直接或间接的活性氮排放量。

3 碳氮足迹的分类

由于氮足迹与碳足迹类似，在分类方法上也较为相似。对于两者的分类，可根据研究对象和研究尺度等的不同，做出以下分类。

碳足迹可依据不同的研究对象分为产品碳足迹、企业碳足迹与个人碳足迹。产品碳足迹主要通过生命周期评价方法进行分析，是指产品或服务的整个生命周期中所产生并排放到环境中的二氧化碳排放量(或二氧化碳当量排放量)。企业碳足迹主要通过投入产出法进行分析，是指在企业所界定的范围内所产生并排放到环境中的二氧化碳排放量(或二氧化碳当量排放量)。个人碳足迹可由碳足迹计算器等方法进行分析，是指个人在其社会生活与生产中所产生并排放到环境中的二氧化碳排放量(或二氧化碳当量排放量)[18]。

同样，氮足迹也可依据不同的研究对象进行分类，主要包括产品氮足迹、企业氮足迹与个人氮足迹。产品氮足迹是指某种产品或者服务在其生产、运输、消费等整个生命周期过程中所积累并排放至环境的活性氮总量。企业氮足迹是指企业在所划定的范围内由生产活动所产生并排放至环境的活性氮总量。个人氮足迹是指个人在社会的生活与生产中所产生并排放到环境的活性氮的总和[21]。

除了依据不同的研究对象进行分类，碳足迹还可依据不同的研究尺度分为家庭碳足迹、区域碳足迹、国家碳足迹和全球碳足迹。同样，氮足迹也可由不同的研究尺度分为家庭氮足迹、区域氮足迹、国家氮足迹和全球氮足迹。

4 碳氮足迹模型研究进展

通过对不同研究对象的分析，可建立对应的碳氮足迹模型以进行其碳氮足迹计算。碳足迹模型主要依据研究对象在其整个生命周期过程进行建立，通过对其不同生命阶段的碳排放进行分析，以核算并确定其直接和间接产生的二氧化碳排放量(或二氧化碳排放当量)，氮足迹模型通过生命周期评价方法与物质流分析方法对研究对象在活动过程中的氮素流动进行刻画，以核算其在活动过程中排入环境中的活性氮总量[22]。目前这两种足迹的研究方法基本上都是依据生命周期评价的基本原理，主要方法有两类：以过程分析为基础的“自下而上”模型与以投入产出分析为基础的“自上而下”模型[19]。

4.1 投入产出分析法

投入产出分析法最早出现于美国，是由经济学家Wassily Leontief提出的一种经济分析方法。该方法主要通过编制投入产出表来实现，从一般均衡的假定出发，建立相应的数学模型来反映经济系统各个部门(产业间)的产品量的依存关系[23]。

投入产出分析法是一种自下而上的计算方法，它以整个经济系统为边界，通过编制投入产出表以获取信息，以计算经济变化对环境产生的直接和间接影响。该方法的局限性在于：①该方法是一种自下而上的算法，计算过程中没有对原材料生产等环节进行更深入探讨；②该方法仅使用部门平均排放强度数据，因此比较适合于宏观尺度上的计算，而在计算时采用平均化方法处理同一部门内不同产品的二氧化碳排放很容易产生误差；③该方法核算是针对部门或行业进行，只能评价某个部门或行业的碳氮足迹，无法获取单一产品的情况及碳氮足迹。

4.2 过程分析法

过程分析法通过对某种产品或者服务进行生命清单分析以得到输入和输出数据清单，来评估研究对象在其生产、运输、消费等整个生命周期过程对环境造成影响的工具[24～26]。碳氮足迹的计算主要是依据生命周期评价原理，通过分析研究对象所涉及的所有产品或服务在整个生命周期过程中所排放的二氧化碳或活性氮来定量计算碳氮足迹。

不同于投入产出法，过程分析法的计算过程较为准确且适合于微观尺度上的计算，并可以获取单一产品的情况及碳氮足迹。采用该方法进行碳氮足迹计算时应首先建立产品制造的流程图，然后确定研究对象的边界，确立数据收集的合适时空界限；其次应对研究对象在整个生命和周期过程中的输入与输出进行刻画，并对其中的二氧化碳或活性氮排放进行定量计算并汇总；最后检测计算结果的准确定，使不确定性达到最小化并提高碳氮足迹评价的可信度，并对结果进行分析，指出碳氮足迹产生的热点环节，提出优化建议并给出长期控制方案。

过程分析法是一种自上而下的计算方法，适用于不同尺度的碳氮足迹计算，如产品/个人、家庭、组织结构、城市、区域乃至国家等，但该方法地局限性在于：①生命周期阶段和边界的确定比较复杂和困难，只有直接的和少数间接的影响被考虑在内，可能会影响到结果的可信度[27]；②该方法依靠清单数据以获取研究对象的环境影响，但在清单的编制过程中存在着工作量大与数据获取困难的问题。

5 碳氮足迹研究展望

伴随着由二氧化碳与活性氮排放而引起的环境问题日益严峻，碳氮足迹的研究已成为热点问题。国内外学者通过不同的角度和方法研究了碳氮足迹的定义、计算方法和足迹结构特征。通过对国内外学者工作的总结，本研究认为现有的碳氮足迹的研究应在以下几个方面进一步开展。

(1)对于依据生命周期评价原理的碳氮足迹模型，计算边界的确定尤为重要，且为研究对象划定合理的边界可以提高计算结果的准确性与政策建议的针对性。在国内外已开展对碳氮足迹的研究中，碳氮足迹的概念还存在着概念不统一与定义不明确的问题。因此进一步完善碳氮足迹理论体系的构建并完善概念内涵是十分必要的。

(2)基于生命周期原理的过程分析法是碳氮足迹研究最常用的方法，但该方法存在着计算边界模糊、数据获取困难、碳排系数混杂等问题。将过程分析法和投入产出法结合在一起的混合生命周期法具有详细性、准确性和完整性，将这种方法应用于碳氮足迹计算具有很好的应用前景。

(3)氮足迹研究起步较晚，还未像碳足迹与水足迹一样成熟，建立氮足迹数据库并与碳足迹、水足迹与磷足迹等综合应用，更有利于全面的评价人类活动对环境的影响。