可持续设计有效吗？篮球鞋生产环境影响的实证生命周期评估

《Resources, Conservation and Recycling》：Is sustainable design effective? An empirical life cycle assessment of environmental impacts in basketball footwear production

　　

摘要
鞋类产业以劳动密集型和资源消耗型生产为特征。可持续设计为降低鞋类制造的环境负担提供了一条路径，但其效益可能因生产工艺和影响类别而异。本研究将上游原材料获取与七个制造工艺相结合，对篮球鞋开展高分辨率的"从摇篮到大门"生命周期评估，并比较八种前瞻性可持续设计情景。环境热点采用 ReCiPe 2016 方法在中点层面和终点层面进行评估。结果表明，原材料获取主导了毒性、土地利用和资源消耗方面的影响，而制造环节主导了全球变暖潜能值（GWP）和耗水潜能。在工序层面，鞋面材料的裁片与鞋底制造是终点损害的主要贡献者，这主要是由于纺织原料、石油基聚合物以及制造能耗所致。情景分析显示，减量情景（S7），即将 3D 打印 TPU 鞋面、无胶鞋底粘合与包装减量相结合，提供了较为均衡的环境响应，在不出现组合情景（S8）中观察到的跨类别负担显著增加的情况下，将 GWP 从 6.44 降至 5.90 kg CO?-eq。尽管 S8 实现了最大的 GWP 降幅（5.41 kg CO?-eq），但增加了淡水富营养化和生态毒性负担。蒙特卡洛模拟证实了这些碳减排的稳健性以及若干权衡的持续存在。这些发现凸显了超越单纯的碳减排、从多个环境影响类别评估可持续设计的重要性。高分辨率建模可通过精准识别环境热点，为工艺优化和可持续设计决策提供支持。

引言
在全球环境问题日益严峻的背景下，推动传统产业的低碳转型已成为各国实现可持续发展的关键战略之一（Wu 和 Xu, 2025）。作为劳动密集型和资源消耗型传统制造业的典型代表，鞋类产业的生产活动贯穿从原材料获取到市场消费的整个过程（Tsai 和 Jhong, 2019）。中国是世界领先的鞋类生产国和消费国之一，在全球鞋类贸易中占据重要地位。根据葡萄牙鞋类、配件、皮革制品及其替代品协会（APICCAPS）发布的最新统计报告，2023 年全球鞋类产量超过 220 亿双，中国占比 55%（APICCAPS, 2024）。在人均消费方面，中国占全球鞋类总消费量的份额最大，达 17.1%（APICCAPS, 2024）。

如此庞大的生产和消费规模带来了巨额的能源消耗、化学品使用和废弃物排放（Tsai 和 Jhong, 2019）。根据一双普通鞋类产品的平均资源强度——消耗 8.37 L 淡水、排放 9.17 kg CO2-eq、产生 36.5 g 挥发性有机化合物（VOCs）（Mahmud 等, 2021）——估计作为全球鞋类制造枢纽的中国，每年产生超过 1.1 亿吨碳排放和约 44 万吨 VOCs。与此同时，随着快时尚的扩张，大量纺织和时尚产品被快速生产、消费和丢弃。如果不采取进一步的减排措施，由此产生的环境影响可能会大幅上升（Niinim?ki 等, 2020）。据估计，到 2030 年，纺织和鞋类产业产生的全球废弃物将增加至 1.48 亿吨（Global Fashion Agenda 和 Boston Consulting Group, 2017），CO2 排放量将达到 27 亿吨（McKinsey and Company 和 Global Fashion Agenda, 2020），均较 2015 年水平增长超过 60%。此外，中国废弃鞋类的处理仍以焚烧和填埋为主，综合利用率仅约 18%（CACE, 2018）。这导致可回收鞋材被严重浪费，并造成二次污染（Luca 等, 2018; Zhang 等, 2024）。

尽管相关行业已采取环保行动以推动转型，但实际改进速率仍远低于消费增长速度（Global Fashion Agenda 等, 2019）。欧盟委员会于 2020 年发布的《新循环经济行动计划：为更清洁、更具竞争力的欧洲》报告指出，产品 80% 的环境影响在 Design 阶段即已决定（European Commission, 2020）。因此，将可持续性理念融入产品设计阶段，已作为一种关键的转型实践逐渐受到重视。这种旨在通过长期设计方案减少负面社会和环境影响的设计实践被称为可持续设计，其在能源密集型制造中的角色尤为突出。在实施篮球鞋的可持续设计时，主要切入点包括选择可持续材料、优化生产工艺、提升产品耐用性以及设计易于回收或可生物降解的产品包装（Gajewski 等, 2014）。此外，增材制造（即 3D 打印）工艺作为一种减少传统制造影响的方案正受到广泛关注（Graziosi 等, 2024）。由于其在设计灵活性、材料利用率和生产效率方面的固有优势，该技术已被探索应用于可持续鞋材的生产（Mallakpour 等, 2024; Ghimouz 等, 2023）。制造企业优化鞋类产品设计已成为缓解资源浪费和环境污染困境的关键举措（Oetomo 等, 2025）。然而，尽管实施可持续设计在理论上具有降低鞋类产品全生命周期环境影响的潜力，但由于产品类型繁多以及制造工艺复杂，可持续设计中单一生产工艺的改进可能掩盖整个生命周期中的系统性风险（Umeda 等, 2012）。从研究严谨性角度看，尽管整合多个环境影响类别会增加复杂度和挑战，但其优于聚焦于单一指标的做法（Herva 等, 2011）。此外，传统研究往往依赖聚合的清单数据，将"原材料获取"和"制造"作为独立的研究单元，这使得劳动密集型制造供应链中长期存在"工艺黑箱"问题。

在此背景下，基于生命周期评估（LCA）优化生产路径已成为中国鞋类产业可持续发展的核心议题。为准确识别鞋类产业的环境热点，并推动可持续产品设计与供应链管理升级，本研究主要聚焦于两个关键问题：1）如何破解鞋类制造工艺数据的"黑箱"？2）在单一或组合的可持续设计情景下，多个环境指标的综合响应如何？针对这两个问题，本研究在传统 LCA 框架内采用高分辨率的工艺层级建模，将上游材料获取与下游生产活动动态耦合。通过第一手工艺溯源和前景数据整合，将环境负担内化到具体制造工艺中，实现高分辨率的热点识别并提升产业环境评估的可解释性。其次，本研究通过整合若干当前主流策略开展多情景对比分析。通过定量比较，研究评估不同情景组合的减排效果和负担转移风险，为鞋类制造中的工艺级可持续设计提供案例证据和决策支持。

从生命周期视角出发，本研究对篮球鞋在不同可持续设计情景下的环境影响进行了综合评估。文献综述见第 2 节。第 3 节介绍研究方法论。第 4 节详述研究结果，其中我们通过对精细化数据清单的分析，考察关键工序中的环境影响热点，以识别潜在的工艺优化点。在此基础上，通过细分情景和多策略整合，本研究超越了单一技术优化的局限，系统性地整合了生物基材料、3D 打印、榫卯连接和循环包装技术，评估了组合设计措施的环境效果。第 5 节给出相关讨论和政策建议，为鞋类企业的供应链管理、可持续制造及可持续优化转型提供科学依据。最后，第 6 节总结研究结论。

第 2 节片段：文献综述
本节综述了各类鞋类产品的环境影响和方法论研究，以及行业内可持续设计实践的相关研究。

第 3 节：生命周期评估
本研究按照国际标准 ISO 14040:2006 和 ISO 14044:2006 建立的 LCA 方法论，评估一双篮球鞋生产的环境影响。评估涵盖四个标准步骤：目标与范围定义、清单分析、生命周期影响评估和结果解释。

第 4 节：不同生产阶段的环境影响分析
附表 S6（补充材料）呈现了篮球鞋在不同生产阶段（包括原材料获取、运输和制造）中点层面环境影响的特征化结果。由于环境影响类别采用不同的单位，图 2 展示了各生命周期阶段的相对贡献，以便于比较。可以看出，与[原材料获取相关的环境影响]占……

第 5 节：讨论
可持续篮球鞋设计的环境表现不仅取决于减排量，还取决于各项干预措施如何重塑材料和工艺清单。减量与替代策略表现出明显不同的环境响应模式。减量策略主要通过避免材料生产及简化制造工艺来降低负担，而材料替代则可能将负担重新分配到上游供应链中。这一[结论/发现表明]……

第 6 节：结论
本研究采用"从摇篮到大门"的 LCA 方法评估篮球鞋，构建了高分辨率的工艺级清单，将上游原材料获取和运输与各个制造工艺相连接，并评估了八种前瞻性可持续设计情景。结果揭示，原材料获取主导了大部分与毒性、土地利用和资源消耗相关的影响，而制造阶段对气候变化和耗水的贡献更为突出。

致谢与资助
本研究受国家重点研发计划（项目编号：2023YFC3906305）资助。

CRediT 作者贡献声明
Shengnan Wang：稿件审阅与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论、概念构思。Tingting Liu：稿件审阅与编辑、验证、调查研究、经费获取。Yongjin Luo：稿件审阅与编辑、方法论、概念构思。Qinghua Chen：稿件审阅与编辑、验证、概念构思。Nugroho Adi Sasongko：稿件审阅与编辑、方法论。Yufeng Wu：稿件审阅与编辑、方法论、形式分析。

利益冲突声明
作者声明，其无已知的与本文研究可能产生影响的财务利益或个人关系。

Shengnan Wang｜Tingting Liu｜Yongjin Luo｜Qinghua Chen｜Nugroho Adi Sasongko｜Yufeng Wu