Development of Life Cycle Assessment and Its Applications in Soil Remediation in China
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摘要: 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。Abstract: Life Cycle Assessment (LCA) can quantitatively assess the environmental impact caused by products or technologies and identify key links to optimize processes. It is an important tool for resource utilization, energy consumption and sustainable assessment. This study systematically analyzed the research status and development trend of LCA at home and abroad, discussed the content of LCA standards, databases, models and calculation tools, and detailed the research progress of LCA in the field of soil remediation in China. LCA has gone through four stages: germination, exploration, rapid development and improvement, and has been integrated into various industries and fields. The number of publications on LCA in the Web of Science database increased rapidly after 1990. By the end of 2021, a total of 33,114 papers had been published, among which 26,254 papers were published in the field of environment, accounting for 79.3% of the total publications. China has made preliminary progress in LCA research, with the annual number of articles increasing from 5 in 2000 to 935 in 2021. However, a localized and complete LCA database and research model have not yet been constructed in China. At present, it is necessary to establish a LCA system with Chinese characteristics as soon as possible. Soil remediation is an important part of carbon emissions reduction in China. Strengthening the research and application of LCA will promote the development of low-carbon sustainable remediation technologies and equipment. LCA research in soil remediation field in China mainly involves ex-situ remediation technologies. In-situ remediation technology has gradually become the mainstream of soil remediation. In the future, LCA research on in-situ remediation technology should be strengthened to promote green and sustainable remediation technology development and carbon emission reduction.
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Keywords:
- Life cycle assessment /
- Soil pollution /
- Carbon reduction /
- Sustainable remediation
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随着全球制造产品和技术的日益多样化，可持续发展理念在资源开采、利用和最终处置方面不断深化，促使相关部门的环境管理者和决策者重点审视产品和技术从摇篮到坟墓的对资源环境影响，对能够全面评估资源环境影响工具的需求越来越高[1]。产品和技术的环境影响评价涉及资源能源消耗、温室气体排放和环境污染等多个复杂的过程[2]。因此，基于生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）而延伸出的概念及工具应运而生。LCA被用于识别产品或技术造成的资源环境问题，是能够定量分析所用物料从原材料开采、生产运输、使用到废弃阶段的资源消耗和环境排放，识别重大影响过程以改进产品或技术的一种方法[3]。在目前全球节能减碳的背景下，LCA作为切实可行的环境可持续性评价工具已被广泛应用。如在产品包装领域，美国中西部资源研究所早在1971年就评估了可口可乐产品包装从生产到废弃的全生命周期过程的环境影响，结果发现塑料瓶比玻璃瓶的环境影响更低[4]。建筑工程领域，有学者运用LCA方法评估了混凝土建筑、木结构建筑、交叉层压木材结构建筑及对现有建筑改造翻新4种不同建筑方式潜在的环境影响，结果表明现有建筑改造翻新的环境影响相对较小，为绿色建筑的发展提供了依据[5, 6]。农业工程领域，具有时空特征的GIS-LCA模型实现了对全球分散式农业残渣、生物质发电厂的精准定位，并利用LCA定量计算了农业残渣转换为生物质能源所造成的环境影响，初步揭示了GIS-LCA在农业残留物转化生物质能源项目可持续规划中的应用潜力[7]；适用于评估作物生产的开源的Crop-LCA模型因其能针对不同时空特点的农业系统灵活改变评估方法及边界也受到广泛关注[8]。在可持续生产和消费领域，也涌现出低碳、绿色、生态环保和节能的理念[9]。有统计表明近些年来LCA应用于碳中和领域的文献发表量呈不断上升的趋势，并在最近几年涨幅明显[10]。
在环境修复领域，随着对绿色可持续修复技术的需求不断增强，“碳达峰”“碳中和”作为我国“十四五”污染防治攻坚战的重要目标，也被首次写入经济和社会发展的五年规划。我国已出台的多项政策文件中也涉及LCA的相关内容。如2015年中共中央国务院印发的《生态文明体制改革总体方案》，要求建立统一的绿色产品标准、认证和标识等体系；同年国务院印发的《中国制造2025》中，共有6次提到生命周期评价的相关内容；2016年国务院印发的《“十三五”国家科技创新规划》中提及构建基于产品全生命周期的绿色制造技术体系；2021年工业和信息化部印发的《“十四五”工业绿色发展规划》中要求“强化产品全生命周期绿色管理”。
虽然LCA研究经历了几十年的发展，但是目前针对其发展历程、研究体系以及在土壤修复领域的应用进展总结尚不足。本文通过分析Web of Science（WoS）数据库中关于LCA的国内外研究文献，总结了LCA的发展历程、研究现状并分析了LCA的发展趋势，同时重点探讨了LCA在我国土壤修复领域的应用进展，为我国污染土壤修复碳减排研究提供指导和建议。
1. LCA发展历程及现状分析
以LCA or “Life cycle assessment” or “Life cycle analysis”为主题检索了WoS数据库中1950 ~ 2021年的相关研究论文，图1展示了该领域国内外的年发文量和关键时间点的大事件。世界范围内LCA发文量在1990年后迅速增多，且目前仍保持上升趋势。我国在2000年以前的每年相关发文量不足5篇，2000年后的年发文量逐渐增多，截至2021年12月的年总发文量已达935篇。
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图 1 WoS数据库中LCA的年发文量及发展历程Figure 1. Number of annual papers and LCA development in WoS databaseLCA的发展历程总体可分为四个阶段：① 萌芽阶段：该阶段发生在20世纪70年代以前，当时尚未有LCA的概念，主要是美国开展资源与环境状况分析的研究方法，且大部分研究存在于工业企业中，研究结果仅用于支撑企业内部产品或技术的研发[4]。② 探索阶段：该阶段主要发生在20世纪70年代至90年代， 20世纪70年代中期的石油能源危机促使人们认识到化石能源和环境保护的重要性； 20世纪80年代中期的全球固废问题使部分发达国家认识到资源合理利用的必要性[11]。这一时期不再局限于的企业内部研究，部分国家也积极参与制定相应政策。但是因为没有规范的方法框架，对于产品和技术的资源环境影响研究一直没有取得重大进展[4]。③ 快速发展阶段：该阶段介于20世纪90年代至21世纪初，随着人们对环境问题日益关切，环保意识越来越强，可持续发展思想愈加深入人心。1990年，国际环境毒理学和化学学会组织召开了首届LCA研讨会，并率先提出LCA的概念[12]，随后几年与多个国家地区的研究人员交流完善LCA方法论和评估框架；在此背景下，1993年国际标准化组织（International Standard Organization, ISO）起草了ISO14000环境管理系列标准，并为LCA体系预留了ISO14040-ISO10049共10个位置；1997年，ISO14040《环境管理生命周期评价原则和框架》标准发布[13]，标志着LCA方法正式成为国际标准，是LCA的里程碑事件。④ 完善阶段：该阶段为21世纪初至今，ISO14040标准虽然明确了LCA的原则和框架，但并未对每个生命周期阶段做详细的要求和具体的实施方法。因此宏观层面上遵循ISO标准，微观层面上探索更加完善的LCA方法成为近年来的发展需求。比如我国基于国际标准ISO14040、ISO14041、ISO14042、ISO14043、ISO14044，先后制定了系列标准：《环境管理 生命周期评价 原则与框架》（GB/T 24040-1999）、《环境管理 生命周期评价 目的与范围的确定与清单分析》（GB/T 24041—2000）、《环境管理 生命周期评价 生命周期影响评价》（GB/T 24042—2002）、《环境管理 生命周期评价 生命周期解释》（GB/T 24043—2002）、《环境管理 生命周期评价 原则与框架》（GB/T 24040—2008）、《环境管理 生命周期评价 要求与指南》（GB/T 24044—2008）、《绿色产品评价通则》（GB/T 33761—2017）；欧盟于2013年也制定了更为详细的《产品环境足迹指南》。
由图2可知，LCA研究已被应用于化工、土木、农业、材料科学和生物科学等领域，这表明LCA作为一种全生命周期评价工具的适用性。同时图2展示了WoS数据库中不同领域LCA研究的发文量，其中环境科学、环境工程和绿色可持续技术是主要研究方向。截至2021年12月，关于LCA研究共计发表文章33114篇，其中环境领域（包括环境工程和环境科学）有26254篇，占总发文量的79.3%。
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图 2 不同研究领域中LCA发文量Figure 2. Number of published papers on LCA in different research fields2. LCA体系
虽然LCA方法经过了不同应用需求的探索发展，但其框架是相对稳定的[14]。ISO14040标准规定了LCA工作主要包括4个部分[13]：① 目标与范围定义：明确所研究的主要生命周期过程和资源环境影响类型两个维度的目标与范围边界；② 生命周期清单分析（Life Cycle Inventory Analysis, LCI）：收集所需数据，并利用数据库建立完整的LCA模型，是LCA工作最重要和最有挑战的环节；③ 生命周期影响评价（Life Cycle Impact Assessment, LCIA）：将LCI阶段的成百上千种资源消耗和环境排放影响合并在一起，转换成十几类人们常见的、最为关心的资源环境影响类型指标；④ 生命周期解释：对LCA结果进行分析得出结论，并说明主要影响和改进方法及重点。
目前LCA工作的开展和推广主要依赖于基础通用的LCA工作指南，指导LCA基础数据库和LCA计算模型的开发，并利用专业计算工具定量获取LCA结果（图3）。ISO14040标准对开展LCA工作仅制定了基本的步骤和框架，目前尚缺乏具体到某一行业的实施规范或指南，造成许多看似相同的产品或技术的LCA结果不一致[1]。Beltran等人认为行业工作指南的缺乏导致专业术语和表示符号不一致、缺乏LCA工具支持和数据不全面是造成LCA研究结果具有较大不确定性和不可比较性的重要原因[15]。Curran认为缺乏公开透明的基础数据库是LCA发展的主要障碍，大多数公开的数据库通常由政府资助，且由于这类数据库针对性强，很难大范围推广使用[1]。同时，LCA作为一种数据密集型方法，大量基础数据库和LCIA计算模型的地域性差异会导致研究结果出现偏差[16]。在LCIA阶段通过各类模型将数据库数据转换为产品技术的十几类环境影响，这涉及到对潜在环境影响的建模，并计算每类数据可以整合到各类环境影响中的百分比[17]，是环境影响可视化的重要步骤之一；而专业的计算工具是得到LCA结果的重要支撑和载体。综上所述，通用的工作指南、基础数据库、计算模型和专业的计算工具是得到准确可信的LCA结果不可缺少的部分。
2.1 LCA工作指南
基于ISO14040国际标准规定的LCA框架，目前多个国家和地区制定了适合本国的LCA工作指南。如联合国环境署（UNEP）于2009年发布的《Guidelines for Social Life Cycle Assessment of Products》工作指南，指导全球各行业的LCA研究，介绍了完成各类产品LCA应遵循的基本原则和如何完整系统地完成产品的LCA工作。欧盟于2013年制定的《产品环境足迹指南》为欧洲区域内产品的LCA研究提供了更精细的评价体系，如提供了14种环境影响类型、数据质量要求达到70%、对产品分配问题做了说明以及对LCA评审规范和评审员资质提出要求等。日本生命周期评价协会（JLCA）在2003 ~ 2005年完成了国内产品生命周期碳排放的评价认证体系和框架，并建立了统一的绿色采购网络。韩国环境工业与技术协会（KEITI）建立了基于ISO14040国际标准的LCA碳足迹认证体系方法。我国近几年在科研机构和企业的合作下也尝试制定适合我国的LCA工作指南。
在我国“双碳”背景下，LCA作为定量计算资源环境影响的工具，在多个行业领域也都有更加精细的工作指南发布，如中国标准化研究院与宝钢公司在2012年联合起草了钢铁制造领域的《钢铁产品制造生命周期评价技术规范》，规定了钢铁产品制造过程中生命周期评价和可持续性的基本规则和要求；清华大学和河南红旗渠建设集团有限公司联合编制了建筑工程领域的《建筑工程生命周期可持续性评价标准》将建筑工程生命周期可持续性评价分为确定评价对象和范围、采集数据、生命周期影响评价和编制评价报告4个步骤，并客观评价了建筑工程生命周期的资源消耗和污染排放造成的环境影响；2020年，“中国纺织服装行业全生命周期评价工作组”正式成立，致力于建立纺织品产业的全生命周期评价体系和基础产品数据库，推动纺织产业绿色低碳发展。
2.2 LCA基础数据库
基础数据库的开发与建设是LCA工作能否顺利完成的重要支撑[18, 19]。任何一个产品或技术的LCA过程往往包含成百上千的子过程，其中大部分数据都来自于基础数据库。表1对比了目前国内外应用较多的数据库，其中德国Thinkstep公司的Gabi数据库、瑞士的Ecoinvent数据库、欧盟的ELCD数据库和美国的USLCI数据库应用较为广泛[20]。Ecoinvent数据库包括了多个国家的7000多种产品单元过程和一万多种工艺流程，是目前应用最为广泛的LCA数据库之一。虽然多个国家致力于数据库的开发工作，但欧盟在《产业环境足迹指南》中指出不同地域间使用相同的基础数据库进行LCA研究不符合数据质量要求[21]。以电力结构为例，我国目前66.7%的电力来自于煤炭，电力行业在2020年排放的CO2达到40亿吨，占全国CO2排放量的42.4%[22]，而欧洲的电力则主要来自可再生能源[23]，那么在开展我国本土LCA工作时，运用非本国的数据库计算资源环境影响会造成较大的误差。因此，需要构建符合我国国情的基础数据库。
表 1 国内外LCA基础数据库对比Table 1. Comparison of LCA databases at domestic and abroad类别
Category数据库
Database开发单位
Developer数据库简介
Introduction国外 Ecoinvent 瑞士Ecoinvent中心 涵盖了全球不同区域的包括7000多种产品单元过程及1万多种工艺流程，包含了基础工业和农业的数据信息。 USLCI 美国国家再生能源实验室 包括了美国重要农业、化工、金属等行业的能源和运输数据，有超过900多种单元过程。 ELCD 欧盟环境研究总署 包括了欧盟超过400多类基础大宗原材料和能源数据集。 GaBi数据库 德国Thinkstep公司 包括超过4000条LCI数据，涵盖了有机物、无机物、钢铁、能源、金属、电子等行业数据库。 国内 中国LCA数据库 中国科学院生态环境研究中心 包括数百种中国本土的基础能源、材料和交通运输等数据。主要涵盖钢材、化石能源、省级火电能源的基础数据。 CLCD数据库 四川大学&成都亿科环境科技 包括600多种本土大宗能源、原材料和运输数据，涵盖煤炭、电力、运输等基础工业，能够提供中国本土化的资源环境特征化因子和归一化基准值。 MLCD数据库 北京工业大学 基于材料环境协调性评价基础数据库（Sino Center）平台，包含了约12万条材料生命周期分析基础数据。 虽然我国的LCA工作起步较晚，但在基础数据库建设方面取得了一些进展。如中国科学院生态环境研究中心杨建新团队开发的中国LCA数据库[24]、北京工业大学聂祚仁团队开发的材料环境数据库（MLCD）[25]以及四川大学王洪涛团队开发的中国生命周期评价核心数据库（CLCD-China）[26]。其中CLCD数据库被纳入了欧盟的数据库网络中。但是这些数据库存在产品过程较少、领域相对单一的问题，如MLCD数据库仅专注于材料环境数据的开发，而CLCD数据库仅包含600多种大宗基础原材料。所以我国学者在进行LCA研究时依然要借助国外基础数据库。另外，我国当前LCA研究是由高校和科研院所主导，企业参与力度不够，造成基础数据收集困难，这也是我国LCA发展缓慢的重要原因之一[20]。目前我国LCA基础数据库建设有两点挑战：（1）LCA研究依赖于基础数据库的完整性，构建本土完整的基础数据库需要研究人员调查至少上百个行业、几百种基础能源和材料，然而不同行业之间存在数据壁垒以及共享机制不完善，使得构建完整的本土数据库具有很大挑战性；（2）明确原始数据的收集渠道，建立统一的数据收集类型和标准，保持数据库中上游数据和下游数据的一致性，如上游数据库的电力来源应与下游数据库的电力来源相同，这样才能保证LCA结果的准确性和可比性。
在全球“碳中和”的背景下，我国LCA基础数据库开发也存在以下优势：（1）我国具有建立全行业LCA基础数据库的资源优势，因为国内拥有联合国产业分类中的全部工业门类，这表明所有产品或技术的上游生产数据，都能够在我国获取原始数据；（2）作为世界上最大的发展中国家，我国制造业规模巨大，技术发展迅速，我国有信心有能力走在绿色可持续评估的前列。因此国家高度重视绿色低碳的可持续发展道路，这也为国内LCA发展创造了契机。随着“双碳行动”计划的不断发展，LCA研究将成为定量计算碳排放的关键手段。
2.3 LCIA计算模型
LCIA是对生命周期数据展开定性或定量评估的过程，是连接生命周期清单和生命周期影响的桥梁[16]。GB/T 24040标准规定LCIA应包括3个过程：① 选择特征化模型、影响类别和参数；② 将生命周期清单结果划分到所选的影响类型中；③ 在特征化类型中计算参数结果。所以LCIA特征化计算模型对LCA结果至关重要。LCA研究依托于CML2001、ReCiPe2016、IMPACT World + 等多个LCIA特征化计算模型，表2对比了主流的LCIA模型。这些模型包含中点指标法和终点指标法[27]，其中中点指标法将技术或产品的环境影响转化为人们关注的一系列指标，如温室效应、一次能源消耗和水资源消耗等。终点指标法将中点指标进一步归一化，生成具有统一单位的、可比的环境影响指标，主要包括生态系统、人体健康和资源消耗三大类。在LCIA计算模型的选择上要有充分的考虑[28-29]，有学者运用不同的计算模型分析了石油炼制过程中的环境影响，发现由于不同模型或方法对于某种污染物的特征化因子不同或缺失，导致计算结果具有明显差异[16]。Chen等人也证明采用其他国家地区的LCIA计算模型评价我国的产品时会出现误差，特别是对于人体健康损害和生态毒性影响差别较大[30]；Li等人采用毒理学实验验证全球化特征因子的适用性，结果显示在污染物环境浓度较低的条件下，当前国际通用的人体毒性生命周期评价理论在我国并不适用[31]；Liu等人发现由于全球各国家或地区生产技术水平和资源能源质量存在差异是区域性排放因子不适用的重要原因，从而导致运用相同计算方法结果会使我国能源碳足迹比国外偏高约15%[32]。
表 2 主要LCIA计算模型的对比Table 2. Comparison of main LCIA models模型名称
Model开发国家
Country类型
Type适用区域
Area模型简介
IntroductionCML2001 荷兰 中点值模型 欧洲 将环境影响分为能源消耗、污染和人体损害三大类，是一种面向问题的环境分析方法，能够降低模型的复杂程度。 EDIP 97 丹麦 中点值模型 欧洲 包含全球变暖、酸化、人体毒性、生态毒性、臭氧消耗等环境潜在影响 EDIP2003 丹麦 中点值模型 全球 影响类别包括环境影响和资源消耗，特征化模型中包括了导致非全球影响的毒性暴露，并将空间异质性与特征化因子关联，无论考不考虑空间区别都可以使用该模型。 Eco-indicator99 荷兰 中点值模型与终点值模型 欧洲 基于对环境损害的原理进行环境影响评价，可以将环境影响归纳为如全球变暖、土地利用、生态毒性等中点值影响。也可以将环境影响分类为人体健康损害、资源损耗和生态系统损害三大类的终点损害类型 ReCiPe 2016 荷兰 中点值模型与终点值模型 全球 基于CML和Eco-indicator模型而开发的适用于全球的模型方法，有18种人们关注的中间点影响模型；并能将这些模型归类为人体健康、生态系统和资源消耗三大类。 IMPACT 2002 + 瑞士 中点值模型与终点值模型 欧洲 能够将14中中间点环境影响模型归类到人体健康、生态系统质量、气候变化和资源消耗四大类，并能重点评估对人体毒性和生态毒性的影响 IMPACT World + 瑞士 中点值模型与终点值模型 全球 适用于全球的计算模型，降低了区域性的环境类别影响，基于IMPACT 2002 + 模型的改进模型。 TRACI 美国 中点值模型 美国 基于美国国家政策而建立的评估模型，增加了人体损害和人体毒性的评估，并区分了人体致癌因子和人体非致癌因子。 此外，LCIA计算模型还有地理区域的影响[33-34]，目前欧美国家都先后建立了适合本国的LCIA模型，主要包括适用于欧洲的模型（CML2001[35]、ReCiPe2008[36]）、适用于美国的模型（TRACI[37]）和全球模型（IMPACT World + [38]、ReCiPe2016[39]）等。在我国的LCA研究中，多采用基于ReCiPe和IMPACT的全球模型，但是该模型参数的不确定性较高[40]。因此，有学者探索符合我国实际的LCIA模型，如杨建新等[41]建立的中国产品生命周期影响评价方法，包括了环境影响类别选择、数据标准化、加权评估和计算环境影响负荷4部分；陈莎等[42]从时空变化角度评述了动态生命周期建模路径及解决方案；李雪迎等[43]开展的LCIA模型本地化研究，构建了适用于我国的终点损害值评价模型，结果表明该模型不仅能通过归一化将不同资源能耗核算成具体数值来表征环境影响，还能实现产品之间的互相比较。但目前我国尚未建立完整适用的LCIA模型，为了科学精准定量研究我国产品或技术的资源环境影响，亟需开发建立本土化的LCIA模型。
2.4 LCA专业计算工具
LCA的定量评估通过定量计算工具实现，表3对比了国内外应用较为广泛的LCA计算工具。目前LCA计算普遍采用两种方式：专业计算软件和Microsoft Excel表格。国际上应用较多的LCA专业计算软件有荷兰的Simapro和德国的Gabi[44]，该两款商业软件均为单机版，会定期更新软件中所链接的数据库，并且费用都较为昂贵。在如今万物互联的时代，相关研发人员也开发了线上LCA联机平台，如四川大学开发了e-Footprint线上LCA研究平台，一定程度上促进了LCA线上计算工具的发展。
表 3 主流LCA专业计算工具对比Table 3. Comparison of main LCA tools工具
Tool开发单位
Developer国家
Country工具简介
IntroductionSimapro 莱顿大学 荷兰 单机收费软件，通过不同层级的数据库管理使操作更加便捷，其中涵盖了包括Ecoinvent、IDEMAT2001在内的多个数据库；拥有CML、ReCiPe、Eco-indicator等多个计算模型；并拥有包括人体健康、温室气体、光化学烟雾等在内的多个环境评价指标 GaBi Thinkstep公司 德国 单机收费软件，专注于产品工艺研究；内置了完整的ELCD数据库并扩展了Ecoinvent等十几个数据库；包含CML、EDIP、ReCiPe等多个计算模型；由方案（Plans）、流程（Processes）和基础流（Flows）组成的独立化模块，具有清晰的结构。 OpenLCA GreenDelta公司 德国 单机免费软件，可以免费使用多种数据库，是开源的LCA软件，许多功能都实现了模块化，并且能够根据用户实际需求改进源代码。 e-Footprint 亿科环境公司 中国 基于互联网的在线平台，适用于所有工艺、产品技术的LCA分析、碳足迹分析和生态设计；包含了全部的CLCD数据库并内置了ELCD数据库和Ecoinvent数据库；提供了中国本土化的资源特征因子和节能减排权重因子。 部分组织机构使用MICROSOFT EXCEL表格进行LCA计算，如美国环保署开发了基于EXCEL的Spreadsheets for Environmental Footprint Analysis （SEFA）电子表格，可用于量化污染修复过程中的各环境影响指标[45]。然而，电子表格不能进行ISO14040标准中规定生命周期解释重大问题识别、数据完整性、敏感性和一致性检查等关键环节，存在一定的局限性。而通过成熟的LCA软件开展LCA分析能够约束和落实ISO14040标准中规定的LCA方法和要求，引导用户规范进行LCA操作，并在建模完成后检查数据完整性和一致性，从而保证分析结果的规范化和可信度。
3. 我国土壤修复领域LCA研究进展
LCA能够从全生命周期的角度定量计算土壤修复全过程产生的环境影响，成为国内外污染土壤环境可持续性评价的有力工具[46]。世界范围内的文献计量分析表明LCA作为污染场地修复的关键突现词，在近些年拥有最高突现强度且持续至今仍未有下降趋势[47]。国外的污染场地修复起步较早，Volkwein等[48]于1999年首次将生命周期的概念引入污染土壤修复中，并构建了污染场地修复近域排放区和远程排放区的LCA模型。随后有关污染土壤修复LCA评估框架和边界的研究越来越多，有学者将污染场地修复的LCA边界定义为原材料及能源消耗、污染场地修复过程和废弃物管理3个部分[49]。2011年美国可持续修复论坛发布的《修复行业足迹分析和生命周期评估导则》规范了污染场地LCA评价步骤，构建了包括污染场地内操作管理、场地外输入输出环境影响的模型图，为利用LCA进行环境可持续评估提供了技术方法[50]。2013年美国材料试验协会发布的《绿色修复标准导则》进一步明确要求采用LCA的方法定量评估污染土壤修复过程中的环境影响[51]。经过近30多年的污染场地修复经验和实践，国外场地修复体系已经从起初仅关注成本，到技术可行性评估与比较，进入目前的绿色可持续修复阶段[52]。
我国土壤修复行业起步较晚，市场竞争激烈，初期与20世纪80年代的美国相似[53]，修复技术多以高能耗、见效快的异位修复技术为主，修复工程更关注是否实现了修复目标，而较少关注修复过程造成的二次污染、资源能源消耗和人体健康损害[48]。近些年来，随着“双碳”计划的实施和对“绿色可持续修复”理念的认识，我国污染土壤修复技术的可持续性和碳减排措施越来越受到重视。在我国，面积大于10000 m2的污染场地超过50万块[54]，根据已有研究表明每修复1 kg地下水中的污染物，平均排放1.3 t CO2；每修复1 kg土壤中污染物，平均排放0.015 t CO2[55]，据此估算污染土壤修复的整体CO2排放量巨大，因此土壤修复碳减排是我国实现“双碳”目标的重要组成部分之一。我国自2010年以来，陆续发布了一系列标准法规来促进我国土壤修复行业发展，如2014年环境保护部发布《污染场地土壤修复导则》；2016年国务院印发《土壤污染防治行动计划》；2018年环境保护部发布《中华人民共和国土壤污染防治法》等，提高了人们土壤环境保护意识的同时规范了土壤修复产业链。2020年中国环境保护协会发布的《污染地块绿色可持续修复通则》，明确指出将LCA作为定量评价修复过程环境可持续性的重要工具，并通过实际案例指导如何完成污染场地修复技术的可持续研究。同时，我国科技部积极部署土壤污染防治项目，设立了“场地土壤污染成因与治理技术”国家重点专项。在2019年执行的“污染场地绿色可持续修复评估体系与方法”重点研发项目中，要求提出与国际接轨的污染场地绿色可持续修复发展战略，研究适合我国国情的绿色可持续修复评估方法和体系，这表明我国对污染土壤修复业碳减排的关注和行动。
虽然我国土壤修复领域已开展LCA相关研究，但目前尚处于起步阶段。实际污染土壤修复技术的环境影响研究并不仅包括LCA，还包括污染地块的场地调查和风险评估、确定场地污染特征和未来规划、筛选合适的修复技术并制定修复方案等环节，这些都可能会对环境造成较大影响，在进行LCA研究时要选择合适的LCA评估模型并充分考虑上述环节的输入输出排放。以“Contaminated soil remediation” and （LCA or “Life cycle assessment” or “Life cycle analysis”）为主题词在WoS数据库检索，检索结果国家地区栏选择“China”，共得到36篇相关文献，其中，Wan等[56]通过低风险－高环境价值－低成本的耦合模型比较了重金属污染土壤的最佳修复技术，结果表明植物富集具有最高的环境价值，自然衰减具有最低的经济成本；Li等[57]对比了间接热脱附和直接热脱附修复有机污染土壤造成的环境影响，结果表明间接热脱附技术的环境影响相对较低；Chen等[58]认为不仅要关注污染土壤修复过程造成的环境影响，公众参与和看法对与修复整体可持续性同样重要。
通过筛选36篇中涉及LCA模型、LCA计算工具和方法的文章，梳理出近些年我国土壤修复领域中关于LCA研究的相关文章10篇。由表4可知，其中研究对象为重金属污染土壤、有机污染土壤和复合污染土壤，修复技术以异位联合修复技术为主。我国目前污染土壤修复领域应用较多的LCA基础数据库、LCA计算模型和LCA计算软件仍以国外的为主，但国内相关研究也已初见成效，如e-Footprint平台、CLCD数据库和各种计算模型的开发。在LCA基础数据库方面，应用较多的是瑞士的Ecoinvent数据库，使得LCA结果的不确定性较高[21]。有研究应用了我国的CLCD数据库，但依然要辅以Ecoinvent数据库。在LCA计算模型方面多选用的是IMPACT和ReCiPe全球模型，这两类模型虽然在一定程度上具有较大不确定性[59]，但目前国内的LCA模型并不成熟，对国外的模型具有依赖性。也有研究者开发了LCA与其他模型相结合的评估方法，比如Hou等[60]将经济输入输出表与LCA结合生成的Input-Output LCA模型（IO-LCA模型），能够同时评估污染土壤修复过程的经济可持续性和环境可持续性；同时Hou等[61]还建立了基于健康风险评估（Health Risk Assessment, HRA）的LCA模型（HRS-LCA模型），能够定量计算污染土壤修复过程对人体的健康损害值。这说明国内有相关人员已开始探索开发新的LCA计算模型。从LCA专业计算工具来讲，大部分采用了Simapro软件[61-65]，也有学者使用e-Footprint在线平台以土壤修复技术的LCA评估为主题在Environmental Science and Technology期刊上发表论文[66]。
表 4 我国污染土壤修复领域LCA研究相关文章Table 4. Publications related to LCA research in the field of contaminated soil remediation in China第一作者
First author年份
Year修复技术
Technology污染物
PollutantLCA计算工具
LCA professional toolLCA计算模型
LCA modelLCA数据库
LCA databaseHu Xintao[63] 2011 红外高温焚烧和
碱催化分解多氯联苯 Simapro7.2 IMPACT2002 + Ecoinvent Hong Jinglan[64] 2012 生物修复 五氯苯胺 Simapro IMPACT2002 + 、ReCiPe Ecoinvent Hou Deyi[60] 2014 异位淋洗和填埋 重金属和石油烃 / ReCiPe、USES-LCA / Hou Deyi[65] 2016 土壤淋洗、固化稳定化、
异位热脱附和植物修复汞污染 Simapro8.0 ReCiPe Ecoinvent3.1 Hou Deyi[61] 2017 挖掘填埋、
固化稳定化铅污染 Simapro8.0 ReCiPe、HRA Ecoinvent3.1 Song Yinan[62] 2018 土壤淋洗、固化稳定化和
异位热脱附重金属和PAHs Simapro8.0 ReCiPe、USES-LCA Ecoinvent3.1 Ni Zhuobiao[66] 2020 热处理和生物修复 氯代挥发性有机污染物 e-Footprint / CLCD、Ecoinvent3.1 Chen Chang[67] 2020 原位热脱附、异位热脱
附和固化稳定化汞污染和多种有机
污染物复合污染/ IO-LCA China’s environmental
statistics annual reportHu Guangji[68] 2021 低温热脱附 / Simapro8.5.2 ReCiPe 2016（H）、Impact2002 + Ecoinvent3.3 Jin Yuanliang[69] 2021 植物富集、固化稳定化和
替代植物种植镉污染 / ReCiPe Ecoinvent v2.3 注：按年份排序 4. 结论与展望
4.1 结论
（1）全球LCA的发展经历萌芽阶段、探讨阶段和快速发展阶段，现已进入完善阶段，正在建立更加精细的行业标准，且政府部门的支持力度不断增强。
（2）“双碳”背景下的LCA研究热度凸显，已融入各行业领域，其中环境科学、环境工程和绿色可持续技术是研究较多的方向，也已拓展到化工、土木、农业、材料科学和生物科学等领域，表明LCA研究正走向多元化和专业化。
（3）基础数据库、计算模型和专业计算工具是影响LCA研究能否顺利开展的重要因素，我国在这些方面的研究较薄弱。国内学者虽已取得部分进展，但尚未构建统一完整的、符合国情的、数据质量较高的本土化基础数据库和计算模型，也缺乏可推广使用的LCA计算工具。
（4）现阶段我国土壤修复的LCA评估多涉及复合污染土壤，修复技术多以异位协同修复技术为主，原位修复技术涉及较少，且在LCA方法体系上仍需加强研究。
4.2 展望
（1）建立统一的工作指南和数据质量规则。规范LCA的应用流程和LCIA模型的构建方法，并建立更加精细可行的行业标准，推动我国各行业LCA的快速发展。
（2）构建高质量的LCA数据库。充分发挥我国拥有全工业门类的优势，加强跨部门跨行业的联动协调，建立密切的产学研政合作关系，尽快推动我国基础数据库的开发工作。
（3）推动公共LCA平台和数据共享机制建设。通过构建权威的交流平台和知识产权保护机制，使国内研究机构、企业的数据可交流、能共享，并使国内LCA研究能够真正应用于实际工程。
（4）我国土壤修复产业规模较大，是实现碳减排目标的重要组成。土壤修复结合LCA的研究将有助于促进研发更多符合低碳绿色可持续修复的新技术和新装备。鉴于目前我国污染土壤修复技术呈现逐渐从异位修复向原位修复发展的趋势，应加强对原位修复技术的LCA研究，并尝试建立具有时空属性的LCA评估体系。
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图 1 WoS数据库中LCA的年发文量及发展历程
Figure 1. Number of annual papers and LCA development in WoS database
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图 2 不同研究领域中LCA发文量
Figure 2. Number of published papers on LCA in different research fields
表 1 国内外LCA基础数据库对比
Table 1 Comparison of LCA databases at domestic and abroad
类别
Category数据库
Database开发单位
Developer数据库简介
Introduction国外 Ecoinvent 瑞士Ecoinvent中心 涵盖了全球不同区域的包括7000多种产品单元过程及1万多种工艺流程，包含了基础工业和农业的数据信息。 USLCI 美国国家再生能源实验室 包括了美国重要农业、化工、金属等行业的能源和运输数据，有超过900多种单元过程。 ELCD 欧盟环境研究总署 包括了欧盟超过400多类基础大宗原材料和能源数据集。 GaBi数据库 德国Thinkstep公司 包括超过4000条LCI数据，涵盖了有机物、无机物、钢铁、能源、金属、电子等行业数据库。 国内 中国LCA数据库 中国科学院生态环境研究中心 包括数百种中国本土的基础能源、材料和交通运输等数据。主要涵盖钢材、化石能源、省级火电能源的基础数据。 CLCD数据库 四川大学&成都亿科环境科技 包括600多种本土大宗能源、原材料和运输数据，涵盖煤炭、电力、运输等基础工业，能够提供中国本土化的资源环境特征化因子和归一化基准值。 MLCD数据库 北京工业大学 基于材料环境协调性评价基础数据库（Sino Center）平台，包含了约12万条材料生命周期分析基础数据。 
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表 2 主要LCIA计算模型的对比
Table 2 Comparison of main LCIA models
模型名称
Model开发国家
Country类型
Type适用区域
Area模型简介
IntroductionCML2001 荷兰 中点值模型 欧洲 将环境影响分为能源消耗、污染和人体损害三大类，是一种面向问题的环境分析方法，能够降低模型的复杂程度。 EDIP 97 丹麦 中点值模型 欧洲 包含全球变暖、酸化、人体毒性、生态毒性、臭氧消耗等环境潜在影响 EDIP2003 丹麦 中点值模型 全球 影响类别包括环境影响和资源消耗，特征化模型中包括了导致非全球影响的毒性暴露，并将空间异质性与特征化因子关联，无论考不考虑空间区别都可以使用该模型。 Eco-indicator99 荷兰 中点值模型与终点值模型 欧洲 基于对环境损害的原理进行环境影响评价，可以将环境影响归纳为如全球变暖、土地利用、生态毒性等中点值影响。也可以将环境影响分类为人体健康损害、资源损耗和生态系统损害三大类的终点损害类型 ReCiPe 2016 荷兰 中点值模型与终点值模型 全球 基于CML和Eco-indicator模型而开发的适用于全球的模型方法，有18种人们关注的中间点影响模型；并能将这些模型归类为人体健康、生态系统和资源消耗三大类。 IMPACT 2002 + 瑞士 中点值模型与终点值模型 欧洲 能够将14中中间点环境影响模型归类到人体健康、生态系统质量、气候变化和资源消耗四大类，并能重点评估对人体毒性和生态毒性的影响 IMPACT World + 瑞士 中点值模型与终点值模型 全球 适用于全球的计算模型，降低了区域性的环境类别影响，基于IMPACT 2002 + 模型的改进模型。 TRACI 美国 中点值模型 美国 基于美国国家政策而建立的评估模型，增加了人体损害和人体毒性的评估，并区分了人体致癌因子和人体非致癌因子。
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表 3 主流LCA专业计算工具对比
Table 3 Comparison of main LCA tools
工具
Tool开发单位
Developer国家
Country工具简介
IntroductionSimapro 莱顿大学 荷兰 单机收费软件，通过不同层级的数据库管理使操作更加便捷，其中涵盖了包括Ecoinvent、IDEMAT2001在内的多个数据库；拥有CML、ReCiPe、Eco-indicator等多个计算模型；并拥有包括人体健康、温室气体、光化学烟雾等在内的多个环境评价指标 GaBi Thinkstep公司 德国 单机收费软件，专注于产品工艺研究；内置了完整的ELCD数据库并扩展了Ecoinvent等十几个数据库；包含CML、EDIP、ReCiPe等多个计算模型；由方案（Plans）、流程（Processes）和基础流（Flows）组成的独立化模块，具有清晰的结构。 OpenLCA GreenDelta公司 德国 单机免费软件，可以免费使用多种数据库，是开源的LCA软件，许多功能都实现了模块化，并且能够根据用户实际需求改进源代码。 e-Footprint 亿科环境公司 中国 基于互联网的在线平台，适用于所有工艺、产品技术的LCA分析、碳足迹分析和生态设计；包含了全部的CLCD数据库并内置了ELCD数据库和Ecoinvent数据库；提供了中国本土化的资源特征因子和节能减排权重因子。
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表 4 我国污染土壤修复领域LCA研究相关文章
Table 4 Publications related to LCA research in the field of contaminated soil remediation in China
第一作者
First author年份
Year修复技术
Technology污染物
PollutantLCA计算工具
LCA professional toolLCA计算模型
LCA modelLCA数据库
LCA databaseHu Xintao[63] 2011 红外高温焚烧和
碱催化分解多氯联苯 Simapro7.2 IMPACT2002 + Ecoinvent Hong Jinglan[64] 2012 生物修复 五氯苯胺 Simapro IMPACT2002 + 、ReCiPe Ecoinvent Hou Deyi[60] 2014 异位淋洗和填埋 重金属和石油烃 / ReCiPe、USES-LCA / Hou Deyi[65] 2016 土壤淋洗、固化稳定化、
异位热脱附和植物修复汞污染 Simapro8.0 ReCiPe Ecoinvent3.1 Hou Deyi[61] 2017 挖掘填埋、
固化稳定化铅污染 Simapro8.0 ReCiPe、HRA Ecoinvent3.1 Song Yinan[62] 2018 土壤淋洗、固化稳定化和
异位热脱附重金属和PAHs Simapro8.0 ReCiPe、USES-LCA Ecoinvent3.1 Ni Zhuobiao[66] 2020 热处理和生物修复 氯代挥发性有机污染物 e-Footprint / CLCD、Ecoinvent3.1 Chen Chang[67] 2020 原位热脱附、异位热脱
附和固化稳定化汞污染和多种有机
污染物复合污染/ IO-LCA China’s environmental
statistics annual reportHu Guangji[68] 2021 低温热脱附 / Simapro8.5.2 ReCiPe 2016（H）、Impact2002 + Ecoinvent3.3 Jin Yuanliang[69] 2021 植物富集、固化稳定化和
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