生命周期影响评价方法及本地化研究进展

谢明辉，满贺诚*，段华波，李雪迎，薛婧，孙启宏，廖凤娟，武琛昊

1.中国环境科学研究院

2.深圳大学土木与交通工程学院

3.兰州大学经济学院

生命周期评价（life cycle assessment，LCA）起源于20 世纪60 年代末美国可口可乐公司对饮料瓶的选择研究[1]。1997 年，国际标准化组织发布ISO 14040系列标准，对生命周期评价的定义、框架、步骤等进行了明确的界定。在此后的二三十年里，随着资源的愈发紧缺以及人们环保意识的提高，生命周期评价理论与实践有了较快发展，其核心部分——生命周期影响评价（life cycle impact assessment，LCIA）的本地化方法研究工作也在各国相继展开。经过探索，一些国家提出了基于本地区的生命周期影响评价方法准则，使生命周期评价在本国环境政策的制定中发挥了重要作用。在此基础上，各国也在探索世界范围内适用性更广泛的生命周期影响评价方法。

我国于1998 年将ISO 14040 标准体系转化为国家标准，即GB/T 24040 系列标准[2]，使得生命周期评价更加规范。但是，在生命周期影响评价方法的本地化研究方面进展缓慢。笔者系统梳理了目前生命周期影响评价方法的国内外研究进展，并基于文献计量学对我国的生命周期影响评价方法学研究进行分析，以期为建立适用于我国的生命周期影响评价方法提供支撑。

1 生命周期评价概述

生命周期评价是对一个产品系统的生命周期中输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价，主要包括目标和范围的确定、清单分析、影响评价、结果解释4 个阶段[3]。其中，生命周期影响评价是生命周期评价的核心部分，是根据清单分析阶段获取的数据进行量化评价，以便确定产品系统对外部环境的潜在影响程度，主要包括分类、特征化、标准化、加权等步骤。

生命周期评价在我国有了较快进展，主要体现在本地化数据库建设方面。进行生命周期评价的数据具有多样性和地域性特点，因此拥有高质量的本地化数据库是我国生命周期评价得以发展的一个重要前提。经过不懈努力，我国生命周期评价的数据库建设取得了较大进展。中国科学院杨建新团队先后对我国钢材、化石能源、省级火电的生命周期清单进行了分析，并在2012 年建立了中国科学院的LCA 数据库（CAS-RCEES）[4]。四川大学王洪涛团队总结提出了建立中国LCA 数据库的基本方法并开展实际的数据收集、建模和计算工作，联合亿科环境科技公司共同建立了包含煤炭、电力、运输等基础工业系统的中国生命周期参考数据库（CLCD）[5]。北京工业大学的聂祚仁团队建立了中国材料环境负荷数据库（Sino-Center 2.0），该数据库包括12 万余条基础数据，内容涵盖电力产品清单、化石能源产品清单、交通运输清单、钢铁材料清单、建筑材料清单等68 类材料及过程清单[6]。山东大学洪静兰团队开发了基于企业生产过程原始数据集合与不确定性分析基础上的中国生命周期清单基础数据库（CPLCID），该数据库涵盖了我国重点工业行业的典型产品、污水处置、城市生活垃圾、土壤生物修复等基础生命周期数据[7]。虽然我国生命周期评价数据库建设取得了一定成果，但是由于没有统一的技术指南，目前还尚未建立起广泛适用、行业全覆盖、动态调整的生命周期评价数据库。此外，本地化生命周期影响评价方法的缺失也是制约我国生命周期评价进一步发展的重要因素。我国学者现阶段进行生命周期评价时主要采用国外的模型方法，如CML2001和Eco-indicator99。由于地域、气候、资源、文化等方面的差异，使用国外模型方法对我国产品进行生命周期评价并不能完全准确地反映我国产品生命周期过程中对环境的潜在影响。尤其在现阶段，我国愈发重视对产品环境影响的分析，建立起适用于我国国情的生命周期影响评价方法对生命周期评价的发展十分重要。为此，笔者重点对生命周期影响评价方法展开探讨。

2 生命周期影响评价方法

生命周期影响评价方法根据评价目的的差异分为中点法（mid-point）和终点法（end-point）2 类。中点法也称为面向问题的方法，重点关注产品全生命周期排放物质对环境本身造成的潜在影响，其环境影响机理主要涉及排放到空气、水、土壤等介质中的物质在环境中的迁移转化规律。中点法将清单分析的结果分别归入气候变化、酸化、富营养化等环境影响类型中，以污染物当量来表征环境影响（如以CO2当量来表征全球变暖影响），计算过程不确定性低，结果的科学性较高，主要的中点法有EDIP[8]、CML2001[8]、EPS[9]、LUCAS[10]、TRACI[11]等。终点法是以损害评估为主的方法，更多地关注受体（如人体健康、生态系统、资源等）暴露于排放物质后所产生的综合环境损害，是进入20 世纪以来生命周期影响评价方法研究的热点，终点法将清单分析的结果纳入到人体健康、生态系统、资源等类别中并对损害程度进行建模评估。由于该方法开展研究的时间较短，而且涉及环境科学、环境气象学、毒理学、流行病学等多学科交叉研究，因此评估结果的不确定性略高于中点法，但该方法是未来影响评价方法发展的趋势。当前主要的终点法有Eco-indicator 99[12]、IMPACT2002+[13]、ReCiPe[14]等。笔者选取了国外生命周期影响评价方法应用较多的EDIP、CML（中点法）和Eco-indicator99、ReCiPe（终点法）进行简要介绍。

EDIP 方法是丹麦技术大学、丹麦环境保护部以及丹麦的工业公司提出的一种中点法，包括EDIP97方法和EDIP2003 方法。EDIP97 方法的影响类别包括环境影响和资源消耗，EDIP2003 方法在此基础上提出了新的特征化因子及标准化参数，主要包括酸化、水体富营养化、人体毒性、生态毒性等。虽然EDIP 方法经过近20 年的发展已较为成熟，得出的结果准确性较高，但是该方法也有局限性，如在标准化步骤中只考虑了过往年度的排放量，会导致标准化结果偏大。

CML 方法是荷兰莱顿大学环境研究中心在国际标准化组织发布的ISO 14040 系列标准的基础上开发的生命周期评价方法。该方法是面向问题的方法，是基于传统生命周期清单分析特征化和标准化的方法，影响类别主要分为材料和能源消耗（非生物资源消耗和生物资源消耗）、污染（温室效应的加强、臭氧层耗竭、人类毒性、生态毒性、酸化、其他）和损害3 类。该方法的优点是可减少假设的数量和模型的复杂性。

Eco-indicator99 方法是荷兰PRé咨询公司在Eco-indicator95 方法基础上改进的一种终点法，终点损害类型主要分为人体健康损害、生态系统损害、资源耗竭。此外，该方法也可以提供中点评价结果，主要考虑的中点影响类型有致癌、呼吸系统影响、全球变暖、辐射、酸化、富营养化、生态毒性、土地占用、矿产资源、化石燃料等。

ReCiPe 方法是由荷兰PRé咨询公司和莱顿大学在Eco-indicator99 和CML 方法基础上开发出的中点法和终点法相结合的方法，可以通过模型同时提供中点法和终点法的结果，从而弥补了其各自的缺陷。该方法的终点损害类型主要分为人体健康损害、生态系统损害、资源耗竭，中点影响类型分为全球气候变暖、土壤酸化、水资源消耗等18 个类别。

上述生命周期影响评价方法不论是中点法还是终点法，都是基于特定区域开发的生命周期影响评价模型，还没有一套完整的适用于世界范围的模型方法。为指导全球的环境影响评价指标选取和量化评估工作，联合国环境规划署环境生命周期影响评价指标全球指南项目组曾于2016 年和2019 年发布了2 版Global Guidance on Environmental Life Cycle Impact Assessment Indicators[15-16]，第1 版主要介绍了气候变化对人类健康的影响、细颗粒物对人类健康的影响、水短缺对人类健康的影响、土地利用对生物多样性的影响4 个指标；第2 版主要介绍了人类毒性、生态毒性、自然资源（矿产资源）、酸化和富营养化、土壤质量及其对生态系统的影响5 个指标。表1 介绍了上述指标的影响路径及评价模型。

表1 生命周期影响评价指标介绍Table 1 Introduction of life cycle impact assessment indicators

3 生命周期影响评价方法本地化研究进展

目前我国使用最多的本地化生命周期影响评价方法主要是杨建新等[50]建立的中国产品生命周期影响评价方法（LCIA-Y）和王洪涛[51]建立的节能减排综合评价方法（ECER）。

杨建新等[50]在2001 年以EDIP 模型方法为基础，建立了包括环境影响类别选择、数据标准化、加权评估以及计算环境影响负荷4 个步骤的生命周期影响评价方法。该方法标准化采用了1990 年我国人均环境基准值，加权评估采用了2000 年我国政府污染物削减目标确定权重，并通过环境影响负荷（EIL）指标来表征产品在整个生命周期中对环境压力的大小，具体计算方法如下：

式中：WP(j)为 加权后的各种环境影响潜值；WF(j)为资源的可供应期；ER(j)1990为1990 年标准化基准值；ER(j)2000为2000 年标准化基准值；EP(j)为产品系统对第j种潜在环境影响的贡献；Q (j)i为第i种排放物质对第j种潜在环境的影响量；EF(j)i为第i种排放物质对第j种潜在环境影响的当量因子。对于我国来说，j={全球变暖，臭氧层损耗，酸化，富营养化，光化学臭氧合成，固体废物，危险废物，烟灰尘}。该方法首次建立了我国的生命周期环境影响评价指标体系，探讨了各种环境影响的标准化基准值及权重的大小。但该方法所确定的基准值时间较久远，现在已经不能反映影响评价的实际情况。此外，该方法所选取的环境影响类别也需根据我国现阶段生态环境保护的实际情况进行调整。

王洪涛[51]在“十二五”时期根据国家节能减排政策目标，建立了一种面向政策目标的节能减排综合评价指标。该综合指标包括了“十二五”中规定的主要约束性指标，即初级能耗、工业用水量、CO2排放量、SO2排放量、COD 排放量、NOx排放量、氨氮排放量7 项指标，为了具有可比性，将政策目标统一换算为“十二五”期间GDP 的减少率，并以2010 年相应指标的消耗或排放总量作为全国基准参考值。具体计算方法如下：

式中：ECER 为节能减排综合评价指标；Ai为评价指标；Ti为可比的节能减排政策目标；Ni为2010 年对应指标的全国基准值；Pi为各项政策目标的权重。该方法通过去除量纲实现可比的途径，将生命周期评价和节能减排的政策目标结合起来评估节能减排的效果，但是模型的评价指标较单一，且标准值较陈旧。

为了更广泛地研究我国学者在进行生命周期影响评价时所采用的方法，基于文献计量学以“生命周期评价”为检索关键词，通过中国知网对国内发表的中文期刊进行计量分析，检索时间为首次出现以“生命周期评价”作为关键词的1995 年，至2020 年结束，共检索出827 条结果，各年份发表文献数量及趋势如图1 所示。

图1 以生命周期评价为关键词的各年份发表文献数量Fig.1 Number of published literatures in each year with the key words of life cycle assessment

通过对检索出的827 篇文献进行关键词分析，按关键词出现频数由高到低排列，前10 名的关键词分别为生命周期评价、LCA、环境影响、生命周期、环境影响评价、环境负荷、清单分析、生命周期评价方法、生命周期评价（LCA）和碳足迹，相应各关键词出现频数如图2 所示。

从图2 中可见，在检索出的827 篇文献中，以生命周期评价方法为关键词发表的论文数量并不多，表明我国学者目前仍较多开展生命周期评价应用研究，对影响评价方法的本地化研究较少。

图2 检索出的文献关键词出现频数Fig.2 Frequency chart of key words in retrieved literature

进一步对检索出的827 篇文献进行筛选，文中明确使用影响评价方法开展生命周期评价的有243 篇，其中使用国外方法的共186 篇，占比为77%，使用国内方法的有57 篇，占比为23%（图3）。从图3 还可以看出，目前我国学者在生命周期影响评价过程中使用的国外方法以CML 和Eco-indicator99方法为主，分别为54 和41 篇，合计占国外方法的51%；国内方法以LCIA-Y 和ECER 为主，分别是34 和17 篇，合计占国内方法的90%。由此可见，目前我国学者在进行生命周期影响评价时主要采用国外方法，采用国内方法的较少。

图3 我国学者使用的生命周期影响评价方法分类Fig.3 Classification chart of life cycle impact assessment methods used by Chinese scholars

对使用国内方法的文献深入研究发现，从时间维度看，2011 年前我国学者使用的国内影响评价方法以LCIA-Y 为主，之后由于ECER 方法参数较新，多以ECER 方法为主。采用LCIA-Y 方法的34 篇文献中，有3 篇出自该方法研究团队，自用率占比为9%，其余31 篇出自国内其他学者，占比为91%，说明该模型影响较大，并已在一定程度上推广使用；采用ECER 方法的17 篇文献中，有6 篇出自该方法研究团队，自用率占比为35%，其余11 篇文献中都较多采用eBalance 软件中的缺省特征化因子。整体来看，虽然近年来我国学者使用本地化影响评价方法的文献数量有所增加，但是本地化影响评价方法的研究仍未取得较大进展，需要加快推进。

此外，也有国内学者对单一或多个影响类别的评价模型开展了本地化研究工作[52-53]。杨冬璐等[54]基于水足迹分析法建立了铅酸电池和造纸行业的废水生命周期影响评价模型，在影响评价方法中针对致癌性影响、非致癌性影响、淡水生态毒性、水体富营养化和水稀缺性5 个影响类别，综合考虑我国省际平均气温、土地和水域面积、风速、土壤类型、人口数量和食物摄入量等指标对方法进行修正。

侯萍等[55]基于CML 方法中的非生物资源消耗(ADP)因子，通过引入中国的资源自给率修正，得出了非生物资源消耗因子(CADP)及其指标；张培等[56]也对ADP 进行了类似上述方法的本地化修正，特征化时将基准物质改为铁当量，从而建立了钢铁产品生命周期影响评价方法。学者们对ADP 模型的改进考虑了资源和能源的稀缺度，可以使量化结果更加符合中国国情，为研究我国资源和能源消耗的影响评价提供了方法支撑。

苏向东等[57]提出了综合比例系数法，对有色金属材料生命周期环境影响进行量化。其计算公式如下：

式中：ELVα为材料的环境负荷值；OD 为坐标空间中原点到集合D 点的距离；OFm为坐标空间中原点到集合点F 的距离；Wj为第j个环境要素的环境负荷比例系数；Ki为第j个环境要素中第i个单因子的相对环境负荷；Pi为第j个环境要素中第i个单因子占总量的百分比；Iaj为综合环境负荷指数；Ci为制备单位产量材料时第i个单因子的实际消耗量；eim为制备单位产量材料时第i个单因子国家或行业规定或现有的最低投入量。该方法的优点是计算简便，既考虑到主要因子的作用，也不会忽略次要因子的作用。其不足之处在于只能应用于有色金属行业，适用面较窄。

上述方法都是基于中点法的生命周期影响评价方法的本地化研究，而针对基于终点法生命周期影响评价方法的本地化研究还相对较少。Chen 等[58]研究发现，应用国外生命周期影响评价模型时，由于模型特征化因子与我国实际情况不同而产生较大误差，因此以我国大气中混合污染物多环芳烃的排放对人体健康损害为例，对适用于我国的人体健康类别的特征化因子和基准值进行了探索。此外，其研究团队提出了基于关键因子筛选的简易本土化的生命周期影响评价模型，并且首次证实了在污染物环境浓度较低的条件下，当前国际通用的人体健康毒性生命周期影响评价理论将不再具有适用性[59]。Chen 的研究团队采用毒理学试验方法对特征化因子进行了本地化研究，提高了LCA 方法在我国的适用性，但是其研究成果主要聚焦在单一终点破坏类别。

李雪迎等[60]构建了适用于我国的终点损害类别的生命周期影响评价模型，核算了人体健康、生态系统和资源3 个终点损害类别的人均基准值。该模型选取了致癌作用、细颗粒物形成、气候变化、水资源消耗、光化学臭氧形成、生态毒性、酸化、富营养化、土地利用、矿产资源、化石燃料共11 个环境影响类别，通过查阅文献获得上述环境影响类别下污染物（或资源、能源）的损害因子，以我国为基准区域，以2017 年为基准年，核算出我国人体健康、生态系统和资源3 个终点损害类别的人均基准值分别为0.019 DALY（disability adjusted life years，伤残调整寿命年）、6.08×10−5species、2 467.42 MJ。李雪迎等的研究成果补充和完善了我国生命周期影响评价的理论方法，提升了LCA 在我国应用时的科学性和合理性，但是其研究主要聚焦在人均基准值方面，并未对特征化因子进行本地化探索。

4 生命周期影响评价方法本地化研究的不足及对策

现阶段，我国学者进行生命周期影响评价时所使用的方法仍以国外方法为主，本地化的生命周期影响评价方法研究起步较晚。在对我国学者提出的本地化生命周期影响评价方法进行详细梳理后，总结出以下三点不足并提出相应对策。

（1）我国已有的生命周期影响评价模型所选取的指标及基准值亟须更新。其中，杨建新等结合我国国情建立的以1990 年为基准值的影响评价模型在现阶段已经无法客观真实地反映生命周期评价的结果；王洪涛建立的影响评价模型中的节能减排权重因子虽然已经被纳入我国的生命周期评价软件eBalance 中并得到了商业化应用，但是其模型指标主要是基于“十二五”的减排目标，受此限制，在“十二五”后的研究中并未得到学者们的持续使用与关注。因此，针对现阶段突出的环境问题，丰富评价指标并更新其基准值对提升我国生命周期影响评价结果的科学性、准确性至关重要。

（2）需尽快建立系统完整的可被广泛使用的本地化生命周期影响评价模型。在Global Guidance on Environmental Life Cycle Impact Assessment Indicators中建议研究机构和人员加强协调，在总体框架的指导下系统地建立和完善影响评价指标，并确保影响评价指标的透明性。在我国，Chen 的研究团队采用毒理学试验方法得到了本地化的特征化因子，但其研究主要聚焦在人体健康影响类别方面；李雪迎等对不同终点类别的基准值进行了本地化研究，但是特征化因子仍然参考Eco-indicator99 和ReCiPe 方法中的成果，并未对各影响类别的特征化因子进行本地化研究。考虑到系统完整的本地化生命周期影响评价模型的建立需要跨专业、跨学科的大量基础性研究工作，今后国内各研究机构和学者需要加强合作，建立统一的生命周期影响评价流程，将各研究领域的成果整合到一起，尽快建立起覆盖全面、参数完善、基准统一的本地化生命周期影响评价模型。

（3）生命周期影响评价模型的深入研究较少。目前我国学者对本地化生命周期影响评价的研究多集中于环境影响分类表征及基准值的确定上，对影响评价前沿性研究较少。如在影响评价指标完善方面，Global Guidance on Environmental Life Cycle Impact Assessment Indicators中建议未来要研究开发基于不同时间和空间尺度的生态系统服务指标，将生态脆弱性和生态系统服务功能多样性等纳入到指标中，以便对相应损害进行量化。再者如环境影响权重因子确定方面，货币化方法由于更易于人们理解和交流，能将产品生命周期的潜在环境影响与经济成本密切地联系起来，近年来在国外已有较多的研究[61-63]，但我国生命周期影响评价货币化的研究较少。陈娴等[64]对我国光伏组件的生命周期环境影响进行了货币化核算，但是货币化所用参数是基于欧洲的数据，由于其对人体健康和生态质量的支付意愿远高于我国实际水平，影响了评价结果的真实性和合理性。因此，在各级科研项目设置中，要加强对本地化生命周期影响评价深入研究课题的设置，鼓励相关领域科研人员开展生命周期影响评价方法的前沿性研究。

5 结语与展望

通过分析生命周期评价在我国的发展及所面临的问题，以及国内外生命周期影响评价方法的研究进展，可以看出我国生命周期评价研究虽然起步较晚，但是发展迅速，已经建立起了部分行业的本地化数据库和一些单一影响类别的生命周期影响评价方法。但由于缺乏完整类别的广泛适用的生命周期影响评价本地化方法，导致我国生命周期评价所发挥的作用仍有局限。当前对生命周期影响评价方法的研究已经成为各国、各地区生命周期评价研究的热点，在未来的研究中，我国科研机构和学者之间要加强合作，努力探索构建完整全面的适合我国国情的生命周期影响评价方法以及相应的参数基准值，使我国生命周期评价结果更加真实、准确。在此基础上，要加强生命周期环境影响评价方法的前沿研究，如生命周期环境影响货币化权重研究，建立起我国的支付意愿数据库，使生命周期环境影响货币化值更符合本国实际，从而为深入打好污染防治攻坚战提供精准支撑，为我国环境经济政策制定以及相关产业发展提供决策依据。