《Journal of Cleaner Production》：Beyond the average: understanding the heterogeneity of environmental impacts of green coffee in Brazil and the Democratic Republic of the Congo
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本研究针对咖啡生命周期评估(LCA)结果差异大、缺乏区域原始数据的问题，在巴西和刚果民主共和国(DRC)开展了一项基于60个农场实地调研的绿色咖啡环境影响评估。研究人员评估了全球变暖、酸化、富营养化、土地利用、用水、生态毒性及致癌与非致癌人类毒性等多重影响类别。研究发现，绿色咖啡生产的环境影响存在巨大异质性，甚至远超文献报道。在DRC，气候导致的产量变异是LCA结果差异的主要来源，其重要性超过了农场、案例研究或国家间的差异。该研究强调了将气候变化和产量情景更有效地纳入LCA的必要性，并为理解农业系统环境影响的多变性提供了新的视角。
咖啡，这种风靡全球的饮品，背后连接着数百万家庭的生计，但也伴随着一系列社会生态挑战。从种植、加工到运输，咖啡生产的每一个环节都可能对环境产生影响。科学家们常用生命周期评估(LCA)方法来量化这些影响，然而，现有的咖啡LCA研究结果却差异巨大，有的研究显示每公斤绿色咖啡的全球变暖潜力(GWP)在0.15到14.5千克二氧化碳当量(CO2-eq)之间波动。这种差异究竟源于何处？是不同农场的生产管理实践不同，还是研究方法本身存在局限？更重要的是，大多数现有研究集中在拉丁美洲，对于非洲等咖啡产区的实际情况知之甚少，尤其是缺乏基于实地原始数据的全面评估。为了填补这些知识空白，并深入理解咖啡生产环境影响的真实多样性和驱动因素，一个由苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)领导的研究团队，将目光投向了全球领先的咖啡生产国巴西和正在发展精品咖啡产业的非洲国家刚果民主共和国(DRC)。
这项题为“超越平均值：理解巴西与刚果民主共和国绿色咖啡环境影响的异质性”的研究，旨在基于一手数据，系统评估和比较两国不同案例研究中绿色咖啡生产的多重环境影响。研究团队在巴西米纳斯吉拉斯州选取了5个案例研究，在DRC南基伍省选取了4个案例研究，共计覆盖60个农场。他们遵循国际标准(ISO 14040:2006 和 ISO 14044:2006)，开展了从“摇篮到大门”（即从资源开采到产出可销售的绿色咖啡豆）的归因生命周期评估。为了全面捕捉农业的多功能性，研究采用了两种功能单位(FU)：生产1公斤绿色咖啡豆(FU = 1 kg)和生产1公顷-年的绿色咖啡豆(FU = 1 ha-year)。评估的影响类别不仅包括常见的全球变暖潜力，还扩展至酸化、富营养化、土地利用、用水、生态毒性以及致癌与非致癌人类毒性，以期获得更全面的环境画像。
为了开展这项研究，作者们主要应用了以下几个关键技术方法：首先，基于实地访谈的生命周期清单(LCI)分析：研究核心数据来源于2023年在两国对77位农民、合作社及种植园工作人员进行的结构化访谈，收集了能源、资源、农资投入等一手数据，并通过数据三角验证提高可靠性。其次，多影响类别的生命周期影响评估(LCIA)：使用开源软件Activity Browser，并整合了IPCC 2021（全球变暖）、ReCiPe 2016（酸化、富营养化、土地利用、用水）和USEtox 2.13（生态毒性、人类毒性）等多种评估方法。最后，统计与方差分析：利用非参数Kruskal-Wallis检验和事后Dunn检验分析案例研究间的差异，并通过计算相对方差分量(RVC)，量化了产量、农场、案例研究和国家等不同因素对LCA结果总方差的贡献。
研究结果
3.1. 不同案例研究的环境影响
研究结果显示，巴西和DRC的咖啡生产环境影响存在显著差异，且这种差异在按公顷-年计算时比按公斤计算时更为明显。尽管巴西案例研究的单产（每公顷产量）远高于DRC，但其大多数环境影响类别（无论是每公斤还是每公顷-年）也普遍更高。统计检验表明，同一国家内的不同案例研究之间没有显著差异，但两国之间的差异是显著的。
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3.1.1. 全球变暖：巴西农场的全球变暖潜力平均值为9.7 kg CO2-eq/kg，而DRC农场为2.1 kg CO2-eq/kg。巴西较高的数值主要归因于更高的投入强度，特别是氮肥和能源（燃料、电力）的使用。
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3.1.2. 酸化：巴西的陆地酸化平均值为0.12 kg SO2-eq/kg，DRC为0.03 kg SO2-eq/kg。差异同样源于巴西更高的氮肥和燃料使用。
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3.1.3. 富营养化：巴西的淡水富营养化平均值为0.013 kg P-eq/kg，DRC为0.019 kg P-eq/kg。DRC按公斤计算的值相对较高，可能与其极低的咖啡生产率以及完全使用有机投入品（堆肥）有关。
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3.1.4. 土地利用：按公斤计算，DRC的土地占用(67.6 m2a crop-eq/kg)远高于巴西(16.7 m2a crop-eq/kg)，这直接反映了DRC极低的土地生产率。但按公顷-年计算，两国差异不大。
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3.1.5. 用水：巴西的用水量(0.06 m3/kg)显著高于DRC(0.001 m3/kg)，尽管DRC采用耗水更多的全水洗后处理工艺。这是因为巴西案例中还存在灌溉、施用农资等其他用水活动。
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3.1.6. 生态毒性、致癌及非致癌人类毒性：巴西在生态毒性和致癌毒性方面的影响更高，而DRC在非致癌毒性方面更高。但研究指出，由于许多农药活性成分在USEtox方法中缺乏特征化因子(CF)，当前的毒性评估可能无法全面反映实际情况。研究中观察到的主要毒性贡献来自重金属。
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3.1.7. 过程贡献：对全球变暖、酸化、富营养化和土地利用影响最大的环节是咖啡种植（农场内排放）。对于用水，最大贡献者却是电力生产，而非灌溉或后处理。生态毒性的主要贡献来自铜矿开采和硬煤灰。
3.2. 产量变异性与方差分析
这是本研究的核心发现之一。分析表明，对于按公斤计算的环境影响，单个农场内部因不同年份产量变化导致的方差，是大多数影响类别总方差的主要来源。在DRC，这种由气候导致的产量变异性，对LCA结果差异的贡献甚至超过了农场之间、案例研究之间或国家之间的差异。在巴西，农场之间的方差贡献最大，但这不仅源于管理实践和投入强度的不同，也部分归因于冰雹、霜冻等局部极端天气事件导致的巨大产量差异。相比之下，案例研究之间的方差对总方差的贡献很小。
研究结论与讨论
本研究揭示，绿色咖啡生产的环境影响具有极大的异质性，其变化范围甚至超过文献中已有的报道。现有的LCA研究和数据库（如Ecoinvent）可能高估了像DRC这样的低投入系统的环境影响，而低估了像巴西这样的机械化高投入系统的环境影响。与通常认为的差异主要源于生产实践或LCA方法不同不同，本研究强调，气候引起的产量变异性是导致LCA结果差异的一个关键且未被充分重视的因素。在DRC，它是最大的方差来源；在巴西，极端天气事件也显著加剧了农场间的差异。
研究指出，面对气候变化下日益增多的极端天气和产量波动，仅仅关注单位产量（每公斤）的环境效率可能带来巨大不确定性。因此，未来的农业LCA应同时考虑每公斤和每公顷-年的影响，以获得对系统更全面的理解。此外，当前LCA方法，特别是USEtox对农药活性成分的覆盖不足，限制了对农业毒性的准确评估。研究还发现，重金属排放是观察到的主要毒性贡献者，部分原因是它们拥有完整的特征化因子，而许多农药成分没有。
最后，作者呼吁需要更多样本量更大的咖啡LCA研究以提高代表性，并迫切需要找到将气候变化和产量情景建模整合到LCA中的方法。在气候变化的背景下，提高农业韧性的方向或许不应是单纯追求产量最大化，而是通过多样化种植、发展农林复合系统等措施，在减少和优化投入的同时增强系统韧性，这既能降低环境影响，也能帮助农民缓解因产量损失而面临的财务风险。这项研究为更精准、更公平地评估全球农业，特别是小农户主导的生产系统的环境表现，迈出了重要的一步。该论文已发表在《Journal of Cleaner Production》期刊上。
