天然纤维原材料获取阶段碳效应研究的若干基础问题

毕延强, 吴雄英, 丁雪梅

(1.东华大学 a.服装与艺术设计学院; b.现代服装设计与 技术教育部重点实验室,上海 200051; 2.上海海关,上海 200135)

随着经济社会发展,人类对自然资源与环境的“掠夺”式消耗导致人与生态环境之间矛盾日益凸显,其中以温室气体导致的气候变化问题最为严峻[1]。2021年3月,《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》明确提出:要“制定2030年前碳排放达峰行动方案”“锚定努力争取2060年前实现碳中和,采取更加有力的政策和措施”,同时,考虑到欧盟碳关税政策的系列潜在影响,中国纺织服装产业面临着更加紧迫的低碳转型需求。

产品生产相关碳活动可分为两类:一是碳汇,即碳吸收活动;二是碳源,即碳排放活动。明确相关活动的碳吸收量与碳排放量是碳效应研究的首要任务,本文参考相关研究,将纺织服装产品在生命周期过程中,所有碳汇及碳源导致的碳流通量之和对大气影响的表现,定义为其碳效应[2],用碳足迹表征。一般认为,碳足迹为负表示该产品对应阶段具有固碳效应,反之为温室效应,零值代表碳中和效应。碳效应研究是了解产品生命周期过程是否具有碳中和潜力的必要手段。

近十年来,相关学者就纺织服装产业碳足迹具体核算步骤[3]、数据分析方法[4]等问题展开研究,并核算了棉、麻、丝、毛四类天然纤维[5-9]与部分化学纤维[10]中代表性产品的工业碳足迹,取得了良好进展。而原材料获取阶段碳汇研究因理论发展尚未成熟,且需要结合农业生产,经验相对缺乏,相关讨论较少。

天然纤维在纺织服装市场中具有一定消费量[11],其穿着舒适、吸湿透气性好,深受消费者喜爱。此外,天然纤维在原材料获取阶段可通过光合作用固碳与土壤固碳,对纺织服装产业碳中和可能具有一定价值。东华大学牵头起草的团体标准《纺织产品生命周期碳中和量化与报告要求》和《纺织企业碳中和实施与报告要求》正在起草过程中,天然纤维原材料获取阶段碳效应是否真正有利于纺织服装产品实现全生命周期碳中和是其中值得探讨的方面。

因此,本文将综合分析天然纤维原材料获取阶段的国内外碳效应研究进展,并以纺织服装产业视角,探讨该阶段天然纤维碳效应评价中仍需解决的专业术语规范、核算结果不可比、碳转移路径归纳及时间因素对核算结果的影响等基础问题,为纺织服装产品碳效应研究提供参考。

1 天然纤维原材料获取阶段碳效应研究进展

天然纤维原材料获取阶段包括种植过程(如棉、麻等),或畜牧业活动(如绵羊、桑蚕养殖等)。受当地自然条件、生产人员技术水平影响,各类纤维生产能力参差不齐。某些纤维原材料如麻类作物,其种植生产阶段机械化信息化程度低,难以获取准确的生产活动数据;且因为系统边界不统一,已有研究结果之间也很难比较。比如农业学家通常将作物收获视为原材料获取阶段止点,而纺织服装领域学者则更倾向于将此阶段定义为作物生长、收获与部分前加工阶段之和[12]。

由于不同纤维原材料在纤维成型后加工操作基本相同,为方便讨论,本文将天然纺织纤维原材料获取阶段确定为:从作物种植、动物养殖起,到经初级加工获得对应纺织纤维为止,如表1所示。

表1 典型天然纤维的原材料获取阶段Tab.1 Raw material acquisition stages of typical natural fibers

1.1 棉纤维

棉花生长过程中农药和化肥的大量使用会影响大气环境[13]。Maraseni等[14]评估澳大利亚主要棉产区,得到该地三种常见棉花种植系统因农业投入产生的温室气体排放量,结果表明,灌溉棉花环境可持续成本相比旱地棉花更高。金书秦[13]、王占彪等[15]分别使用国家统计调查数据与实际生产调查数据分析当地棉花生产碳足迹与构成,发现其碳足迹主要来源是化肥、地膜等农资使用与灌溉能源消耗;史磊刚等[16]则选用“经济效率、生产效率、生态效率”三个指标分析棉花种植碳效率,发现棉花的碳经济效率最高、碳生态效率次之、碳生产效率最低,为棉花种植的不同需求提供了全面参考。许菁等[17]使用SimaPro计算每吨棉花种植期间温室气体排放,并对比得出原材料获取阶段碳足迹约占牛仔裤全生命周期碳足迹的1/10;姚蕾[18]通过IPCC数据建立了棉纺织品原材料获取阶段的碳足迹核算模型,但并未进行实际核算。以上两个研究团队均采用国外数据库中的排放因子,与中国实际生产情况有所区别,会给核算结果带来一定误差。李佳慧[19]选择皮棉为最终产品,进一步完善了中国棉纺产品原材料获取阶段碳排放因子,并核算得到原材料获取阶段棉花植株的碳吸收大于碳排放,因此表现为固碳效应。

1.2 麻纤维

有研究表明,麻类作物种植密度高,生长速度快,其碳捕获能力优于许多经济作物[20];Jerzy等[21]在三组相同的聚丙烯基体中各加入30%的棉花、黄麻和红麻纤维,发现混合麻类纤维的基体碳足迹减少约10%,而混合棉纤维的基体碳足迹只减少3%;麻作物种植的投入低、产出高、化学品投入少,被视作一种可持续的棉花替代品[22-23]。Carus等[24]核算了1 t麻类纤维从作物种植、沤制、到运输至加工处理的碳足迹,发现肥料造成的N2O释放是其首要组成部分,且麻作物生命结束时,植物体内有机碳可能以甲烷形式再次释放,导致碳足迹增加;Martijn等[25]对剑麻环境绩效评估的结果佐证了这一观点。2012年,杨自平等[7]对中国麻纤维从麻种植到纤维成型阶段的碳足迹进行评估,结果证明麻是一种良好的碳汇作物;刘瑞[26]则发现长期种植苎麻的土壤表层有机碳含量可较未种植苎麻前提升35%～90%不等,效果显著。

1.3 蚕丝纤维

一项印度研究[27]表明,从种桑养蚕到蚕丝生产整个过程中,化肥使用产生的NO2与废弃物堆肥排放对温室气体排放贡献最大,并认为该地生产蚕丝纤维带来的环境影响大于其他天然纤维,鉴于当地落后的加工方法,其核算结果的准确性与代表性遭到许多丝绸从业者的质疑,有待进一步讨论。Silvio等[28]指出桑蚕养殖和缫丝环节造成的环境负面影响较大,但同时也需考虑桑树光合作用吸收二氧化碳数量可观;这与Giacomin等[29]观点一致,后者通过对比文献数据得出桑树种植阶段应该对丝绸的碳储存和碳转移有积极作用;Li等[30]采用土地碳强度、碳生态效率等四个指标评价浙江海宁桑树种植碳足迹,其核算结果也表明该阶段实际具有固碳效应。在此基础上,蒋婷等[8]对1 m香云纱的原材料、制造、配送与回收阶段碳足迹进行核算,发现包括桑蚕养殖在内的原材料获取阶段碳足迹占比最大,佐证了该阶段碳效应研究的必要性。2021年,刘书轶等[31]综述了丝绸产品的生命周期环境表现研究,指出应客观量化与评价丝绸产品的碳中和效应。

1.4 羊毛纤维

羊毛纤维原材料获取阶段与畜牧业联系密切,2006年联合国粮农组织在报告中指出,畜牧业对全球环境负荷影响巨大[32]。Bevilacqua等[33]发现运输和养殖阶段温室气体排放可占1件羊毛衫全生命周期的1/2;而在Akul等[34]对绵羊养殖环境影响的综述中,大多数研究证实,养殖过程中温室气体排放的两大来源是反刍动物肠道发酵和饲料生产,这与Emilio等[35]和Paula等[36]的研究结果一致。根据Wiedemann等[37]对1件羊毛服装全生命周期的环境影响分析,虽然羊毛生产阶段在全生命周期中对化石能源需求较少,但由于牲畜肠道甲烷排放,该阶段产生的二氧化碳当量值仍可占全生命周期温室气体排放量的一半以上;中国呼伦贝尔[38]和青藏高原地区[39]放牧绵羊产生的温室气体研究也得到了类似结论。

2 天然纤维原材料获取阶段碳效应研究的若干基础问题

由前文回顾分析可知,天然纤维原材料获取阶段碳效应研究大多针对碳源分析,而碳汇研究较少。根据综述,本文针对该阶段碳效应研究现状提出以下问题。

2.1 专业术语定义不明

原材料获取阶段碳效应研究中的常见术语有:碳源、碳汇、碳库、碳密度、碳效率、生态效率、固碳价值、固碳潜力等。这些术语通用于林业、农业、建筑业等领域,文献中很少对其作出解释,且不同专业文献对同一术语的解释也存在差异,极易令人混淆。

本文参考ISO 14064: 2018 Greenhouse gases—Part 1: Specification with guidance at the organization level for quantification and reporting of greenhouse gas emissions and removals、ISO 14067: 2018 Greenhouse gases—Carbon footprint of products-requirements and guidelines for quantification、《联合国气候变化框架公约》[40]及PAS 2050: 2011 Specification for the assessment of the life cycle greenhouse gas emissions of goods and services等标准规范、国际报告,结合纺织服装产业特点,选定部分术语并解释其内涵,如表2所示。

表2 纺织产品碳效应研究部分相关术语Tab.2 Terminology related to carbon effects studies of textile products

值得注意的是,参考报告具有版本时效性,且不同国际文件中对各术语名称与解释也未达成一致,此部分内容仍需不断规范。

2.2 碳效应核算结果缺乏可比性

纤维碳效应研究不仅可以识别其生产加工过程中的高碳排放环节,从而给出针对性减排意见,也可以对比各类纤维的可持续指数,指导生产与消费选择。但目前不同天然纤维碳效应研究结果很难进行比较,甚至同种纤维的不同核算结果之间也存在较大差异。本文总结原因如下:

1) 系统边界不一致。对原材料获取阶段定义不同是导致这一问题的主要原因,当各研究选取的核算起止点不同,其结果必然不具备可比性。

2) 核算方法不一致。在系统边界一致的前提下,核算时还涉及数据取舍、物料分配及碳排放因子选择等问题,以上选择不同也可能导致最终核算结果不可比。

3) 数据不具备代表性。由于棉纤维市场占有率具有绝对优势,从研究数量上看,有关棉纤维的碳效应研究更多且覆盖地区广,数据较有代表性;相比之下,有关麻类作物碳效应的研究还不甚丰富,尤其中国对其探讨还集中在生产方式与加工技术方面,很难获得碳效应相关数据;针对蚕丝、羊毛等蛋白质类纤维的碳效应分析也集中于部分活动或工序,缺乏对其原材料获取阶段全面完整的分析。而且,麻、丝、毛纤维现有研究中的生产活动数据往往是针对某个农场或企业,很难代表中国或某个区域的平均水平,在比较时可能导致偏差。

纤维碳效应结果可比性建立在统一的核算体系基础上,因此,需要继续完善原材料获取阶段的碳效应核算方法,并尽可能获得更具代表性的活动数据以供核算。

2.3 碳转移路径有待厘清总结

在天然纤维原材料获取阶段,大气中的二氧化碳通过植物光合作用固碳和土壤固碳,主要以有机碳形式存储在纤维原材料及土壤中,并在生长、收获、加工过程中因纤维种类不同而产生不同的碳转移路径,如图1所示。

图1 天然纤维原材料获取阶段碳转移路径Fig.1 Carbon transfer pathway during the natural fiber raw material phase

其中,对纤维素类纤维来说,部分原材料中的碳经加工转移至服用纤维,还有部分留存在废弃物(如秸秆)中,经焚烧、填埋等方式处理后重新返回大气或被土壤微生物分解;也有部分纤维素纤维的原材料属于多年生木本植物,因此其树干中的有机碳可持续储存多年。蛋白质类纤维中的碳转移路径与纤维素类纤维基本相同,还需额外考虑碳在动物体内转化后的产物,如除了羊毛纤维外,绵羊还会产出羊肉、羊奶等,需要在碳足迹核算时加以分配。总的来看,棉、麻、丝、毛四种典型天然纤维各自具体的碳转移路径存在差异,但在纤维素类纤维与蛋白质类纤维这两大类纤维的原材料获取阶段中,其碳转移路径也存在共性。厘清各类原材料在此阶段的碳转移路径并归纳总结,可以为构建一个更具普适性的天然纤维原材料获取阶段碳效应核算模型提供理论依据。

2.4 时间因素对评价结果的影响还需考虑

2.4.1 GWP值的时间边界

全球气候变暖潜势特征因子(Global warming potential GWP)指单位质量的某温室气体在给定时间边界内,相对于当量CO2的累积辐射强迫值,是环境影响评价中的气候变化指标及碳足迹核算的重要参考。GWP对时间敏感,以常见核算气体CH4为例,将给定时间边界分别定为20、100年及500年,CH4的GWP值分别为72.0、25.0和7.6,差值可达3～9倍,而CO2对应三种评价时间的GWP值则保持为1。这是由于不同温室气体在大气中的停留时间与对应辐射强度不同,可以理解为瞬间释放大量污染物产生的影响通常不会与在几年内缓慢释放等量的污染物影响相同,因此给定时间边界的选择会影响不同气体成分GWP值,进而影响最终核算结果[41]。

目前大多数研究遵循《京都议定书》设定的参考时间框架,仍将GWP值的首选时间边界确定为100年,然而并没有科学论据支持这种时间选择。纺织纤维原材料获取阶段因化肥投入及牲畜活动会产生CH4和NO2等温室气体,其GWP值受时间影响较大,因此,仍采用100年的GWP时间边界是否适用于服装产品碳效应评价,若不适用,应设置何种时间边界,此问题与碳足迹结果具有一定相关性,仍需进一步讨论。

2.4.2 天然纤维服装的短期碳储存时效

生物质材料碳储存具有可逆性。天然纤维服装产品中储存的碳会在焚烧处理后,重新返回大气中,且因服装寿命一般较短,因此可被视作碳的短期储存。有研究认为,在几个世纪或更长的时间框架下,短期碳储存并无好处[44]。相关气候模型研究表明,从大气中提取碳并在几年后将其释放出来,会导致大气中CO2浓度更高,在某个时间点产生比碳未被储存时更高的温度[45]。也有学者在假设短期碳储存有效的情况下使用吨年法得出:将1 t碳捕获并封存48年,可抵消排放1 t碳所产生的温室效应,前提是GWP值的评价时间边界设定为100年[45];还有其他研究得出了不同的有效封存时间结果[46]。总体来看,大多数学者仍对短期碳储存的作用持肯定意见,因为该方式相当于推迟温室气体排放,可以为缓解温室效应的技术研发赢得时间,并有利于人们对个体行动的作用更有信心,积极践行低碳理念[44]。

生物质材料的短期碳储存到底是否有利于减缓温室效应还未能定论,这是有关生物碳与时间影响方面学界仍在研究的方向,也是服装行业碳中和无法回避的问题。只有获得可以抵消延迟排放影响的有效服装碳储存时段,才能针对性地从生产、消费及使用各阶段提出干预措施,延长服装全生命周期寿命,从而抵消延迟排放影响,实现真正的可持续发展。

3 结 语

本文在回顾分析棉、麻、丝、毛四类典型天然纤维的原材料获取阶段碳效应研究基础上,总结了现阶段天然纤维碳效应研究仍待解决的四类基础问题,并提出仍需加以探讨研究的四个方面:1) 统一规范术语;2) 实现核算结果可比性;3) 厘清天然纤维碳转移路径;4) 确定服装产品碳效应评价适用的时间边界。

中国正处于碳达峰、碳中和起步阶段,纺织服装行业碳中和路径的探索,既需要核实行业碳排放,探讨减碳方法,也需要了解行业碳汇情况,尽量以自然碳汇抵消碳排放,降低碳中和成本。天然纤维原材料获取阶段的碳效应研究可以帮助分析这一问题,实现从碳源、碳汇两端分别计量,判断天然纤维原材料获取阶段是否具有固碳效应,进而为纤维全生命周期的碳效应评价打下基础。只有从全生命周期角度出发,才能全面、准确地比较天然纤维与化学纤维的碳效应评价结果,从而为生产与消费活动提供建议,推动纺织服装产业绿色可持续转型。

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