孫玉潔， 姚 亮， 王友保

(安徽師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

伴隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，至2018年底，我國城市化水平已達(dá)59.58%。城市已經(jīng)是人類的主要棲息地，城市的生態(tài)環(huán)境狀況對(duì)居民的生存福祉有著重要影響。景觀綠地是城市生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，城市環(huán)境狀況與綠地?cái)?shù)量及質(zhì)量緊密相關(guān)。可以說，城市綠地系統(tǒng)是城市生態(tài)服務(wù)功能的主要生產(chǎn)者和提供者。它們具有固碳釋氧、調(diào)節(jié)氣候、改良土壤、涵養(yǎng)水源、美化環(huán)境、防止噪音、美學(xué)教育等功能[1-3]。學(xué)界圍繞城市綠地的這些生態(tài)服務(wù)功能開展了大量研究。以固碳功能為例，喬木對(duì)碳的固定效果十分顯著。周健等[4]發(fā)現(xiàn)，廣州市城市森林的固碳量可達(dá)6.58×105t·a-1，平均固碳率達(dá)2.90t·hm-2·a-1。張穎[5]的研究表明，30年內(nèi)全廣州綠地凈固碳可達(dá)7.05×106t。王瑞靜等[6]的研究中，崇明島主要植被的碳儲(chǔ)量為4.91×105t。勾玉瑩[7]對(duì)高爾夫球場草坪進(jìn)行研究，生物量法測得其固碳量為211.56t·a-1，葉面積指數(shù)法測得其固碳量為1.79×103t·a-1。Adetoye等[8]用計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)方法對(duì)非洲國家森林的碳固存進(jìn)行研究，持續(xù)農(nóng)業(yè)實(shí)踐、停止砍伐森林等會(huì)通過改變土地利用特征來影響碳固存。Yao等[9]認(rèn)為林齡是森林生物量碳固存率的重要決定因素，從2000年到2040年，與年齡有關(guān)的森林生物量碳封存為0.17～6.69×109t·a-1。

綜合來看，人們對(duì)城市綠地研究多集中在正面生態(tài)服務(wù)功能方面，而相對(duì)忽略了城市綠地可能造成的負(fù)面環(huán)境壓力。與上述固碳功能相對(duì)應(yīng)，這里以碳排放為例。城市綠地通過凈光合作用發(fā)揮固碳功能的同時(shí)，灌溉、施肥、修剪、防蟲害等一系列日常綠地管理活動(dòng)均有可能產(chǎn)生溫室氣體排放。按照環(huán)境生命周期評(píng)價(jià)的要求，綠地的前端生產(chǎn)過程，如喬木、灌木及草坪在郊外苗圃基地的播種、培植等過程中造成的溫室氣體排放均屬于城市綠地碳排放的范疇。Lerman等[10]研究了草坪割草頻率對(duì)二氧化碳排放的影響，過高的割草頻率會(huì)使草坪由碳匯轉(zhuǎn)變成碳源。Kong等[11]研究了香港城市草坪的碳排放，草坪維護(hù)導(dǎo)致碳排放量在0.17～0.69kg·m-2·a-1。Gu等[12]發(fā)現(xiàn)減少施肥對(duì)于減輕草坪的全球變暖潛能是最有效的。Reinsch等[13]發(fā)現(xiàn)，草地再耕作會(huì)減少土壤碳儲(chǔ)量，增加土壤碳的釋放。殷利華[14]對(duì)光谷大道園林綠化施工過程進(jìn)行分析，碳足跡核算結(jié)果為12.8kg·m-2。Proietti等[15]對(duì)意大利的橄欖園進(jìn)行研究，第一年的種植對(duì)碳足跡的影響最大，有機(jī)化肥的使用對(duì)減少碳足跡是有益的。總之，城市綠地在各生命周期階段中不可避免會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的溫室氣體排放，并隨之對(duì)城市、區(qū)域乃至全球生態(tài)系統(tǒng)造成一定的環(huán)境壓力。Strohbach等[16]運(yùn)用生命周期方法對(duì)城市綠地的碳足跡進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)日常維護(hù)產(chǎn)生的排放因樹木生長和死亡率而異，降低死亡率有利于減少其碳排放。

喬木是城市綠地中最為突出、存活時(shí)間較長、幾乎伴隨綠地整個(gè)生命周期的主要組分?？紤]到綠地系統(tǒng)的多樣性和復(fù)雜性，選取綠地中最具代表性的景觀喬木作為研究對(duì)象，并且重點(diǎn)關(guān)注其所造成的負(fù)面環(huán)境壓力。安徽省公路常見的行道樹有香樟、女貞、桂花樹等。其中桂花樹對(duì)土壤要求不高嚴(yán)，是最符合綠化、香化要求的樹種[17]。且安徽古桂資源多集中在皖南山區(qū)[18]。因此，實(shí)際工作中，本研究選取在我國皖南地區(qū)最常見景觀樹種——金桂(Osmanthusfragransvar.thunbergii)作為具體對(duì)象，聚焦于景觀喬木在其生命周期各階段中產(chǎn)生的溫室氣體排放，借助環(huán)境生命周期評(píng)價(jià)(life cycle assessment,LCA)技術(shù)來核算各氣體數(shù)量與當(dāng)量，并統(tǒng)稱為景觀喬木的碳足跡。

1 研究方法與數(shù)據(jù)

1.1 研究對(duì)象與材料

本研究選取蕪湖市主要街道的金桂為研究對(duì)象，如北京西路、黃山中路、北京中路等。每條街道隨機(jī)選取五個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行測量，每個(gè)樣點(diǎn)測量四株金桂，取其平均值。本研究的金桂種植苗圃位于宣城市的高井苗林場，同樣的，隨機(jī)選取五個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行測量，每個(gè)樣點(diǎn)測量四棵金桂，取其平均值。

功能單位。本研究將1株生長狀況良好的金桂作為基本功能單位。本次研究將金桂種子培育一年后移植，并繼續(xù)培育四年，因此，郊外培育過程共計(jì)五年時(shí)間。城內(nèi)日常管理過程與郊外培育過程類似，因此，選擇五年為基準(zhǔn)對(duì)金桂的日常管理過程進(jìn)行研究。即，本研究的研究邊界為金桂的苗圃培育、園林施工以及養(yǎng)護(hù)過程。

系統(tǒng)邊界與主要過程。如圖1所示，城市景觀喬木(金桂)的生命周期過程大致分為三大階段。①郊外苗圃的育苗和培育過程。育苗方式主要有種子育苗和扦插育苗兩種，實(shí)際生產(chǎn)中以后者為主。小苗的生產(chǎn)培育過程包括灌溉、施肥、修剪、移栽、苗木起掘等過程。②喬木從郊外苗圃到城市綠地的移栽過程，包括運(yùn)輸、土壤回填與改良、樹穴挖掘和苗木定植等過程。③城市內(nèi)的日常維護(hù)管理過程，包括定期施肥、水分管理、殺蟲殺菌等過程。

情景設(shè)置。金桂的種植方式可分為種子育苗和扦插育苗兩種。蓋因后者成活率高、繁殖快而多采用后者，本研究遵循一般規(guī)律，也采用扦插育苗方式進(jìn)行計(jì)算。按照人工維護(hù)的頻繁程度，將設(shè)置3種情景，具體指低頻率維護(hù)(S1)，中等頻率維護(hù)(S2)，高等頻率維護(hù)(S3)。實(shí)際上，小城市甚至小縣城對(duì)城市園林進(jìn)行的日常管理頻率很低，有些甚至幾乎為零。本研究從碳足跡的角度為城市綠地的管理提供參考。通過三種管理方式的區(qū)分，為金桂苗木管理方式的選擇提供參考，以期獲得最佳培育方式。

圖1 城市景觀喬木生命周期的主要過程及系統(tǒng)邊界Fig.1 The main process of urban landscape tree life cycle and the boundary of system

1.2 混合生命周期評(píng)價(jià)

生命周期評(píng)價(jià)(LCA)技術(shù)根據(jù)系統(tǒng)邊界及方法路線的不同，可分為三種：基于過程的LCA(process-based LCA)、基于經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出的LCA(economic input-output-based LCA)和混合LCA(hybrid LCA)?；谶^程的LCA在工業(yè)品評(píng)價(jià)中應(yīng)用最為廣泛[19]，結(jié)果的精確度較高，但它需要較多的背景數(shù)據(jù)的支持，且容易造成截?cái)嘈哉`差[20]?；诮?jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出的LCA計(jì)算方便且系統(tǒng)邊界完整[21]，理論上不存在截?cái)嗾`差，但由于采用的是經(jīng)濟(jì)體分部門(或行業(yè))的宏觀數(shù)據(jù)，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果不確定性較高，時(shí)間敏感度也較差?；旌螸CA主張將基于過程的LCA與基于經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出的LCA相融合，從理論上兼顧了系統(tǒng)邊界的完整性和結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)也帶來了數(shù)據(jù)需求大，計(jì)算量多等特點(diǎn)[22]。

考慮到混合LCA的突出優(yōu)點(diǎn)，本研究采用混合LCA方法對(duì)金桂的碳足跡進(jìn)行研究。具體計(jì)算過程如下：

(1)構(gòu)建圖1中直接過程的技術(shù)系數(shù)矩陣A1和環(huán)境矩陣B1[23]。其中，A1的每一列代表一個(gè)過程單元，+代表產(chǎn)品輸出，-代表產(chǎn)品投入。每個(gè)單元只存在一個(gè)產(chǎn)品輸出，其余輸出產(chǎn)物屬于B1內(nèi)容。將每列過程的輸出產(chǎn)品設(shè)定為1單位，其余投入按比例縮放。A1的每一行表示每個(gè)過程單元的輸出產(chǎn)品。A1行列數(shù)目相等，為一個(gè)方陣。B1的每一列代表一個(gè)過程單元，每一行表示每一過程溫室氣體(CO2、CH4、N2O)的排放量。

(2)構(gòu)建外部經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)(投入產(chǎn)出表)的直接消耗系數(shù)矩陣A2和環(huán)境矩陣B2。這里采用CEEIOV1.2中的2012年139部門投入產(chǎn)出表和溫室氣體排放數(shù)據(jù)[24]，借助MatLab軟件計(jì)算出A2和B2。

(3)構(gòu)建混合技術(shù)系數(shù)矩陣A3和環(huán)境矩陣B3。首先構(gòu)建一個(gè)矩陣，將投入產(chǎn)出表與技術(shù)系數(shù)矩陣A1中缺失的部分連接起來，即為聯(lián)結(jié)矩陣U。U的每一列代表一個(gè)過程單元，它的行與投入產(chǎn)出表相對(duì)應(yīng)，數(shù)值代表每項(xiàng)外界投入物質(zhì)的貨幣價(jià)值?；旌霞夹g(shù)系數(shù)矩陣A3和環(huán)境矩陣B3如下：

(1)

B3=[B1B2]

(2)

(4)每功能單位終端產(chǎn)品(每株景觀喬木——金桂)的碳足跡計(jì)算公式如下：

CF=B3×A3×f

(3)

其中，列向量f表示終端產(chǎn)品的數(shù)量，這里設(shè)定為1個(gè)功能單位。

1.3 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源主要分為三部分：①圖1中主要過程的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)，包括外界物質(zhì)投入的數(shù)量及費(fèi)用，主要采用問卷調(diào)查和訪談方式，對(duì)苗圃基地及城市園林等單位的工作記錄和工作人員的記憶進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和采集。對(duì)于少量缺失參數(shù)，綜合參考前人研究結(jié)果和本地園林專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行估算；②投入產(chǎn)出表及宏觀分行業(yè)溫室氣體排放數(shù)據(jù)，來自于CEEIOV1.2數(shù)據(jù)庫，并采用我國2012年投入產(chǎn)出表的數(shù)據(jù)。另外，圖1中各項(xiàng)外界物質(zhì)輸入的價(jià)值，采用2012年生產(chǎn)者價(jià)格指數(shù)進(jìn)行計(jì)算[25]；溫室氣體排放，參考CEEIOV1.2數(shù)據(jù)庫[24]進(jìn)行計(jì)算。表1和表2展示了實(shí)驗(yàn)中的部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)。其中，表1為金桂全生命周期中主要過程的機(jī)械耗油量，表2展示了金桂全生命周期中主要過程與IO各部門的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1 主要過程的機(jī)械耗油Table 1 Mechanical fuel consumption of the main process

表2 主要過程與IO表中各部門的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 2 The correspondence between main processes and departments in IO table

2 結(jié)果與討論

2.1 碳足跡

表3列出了金桂面積變化與碳足跡的差異性顯著分析，在P<0.05時(shí)，各組之間差異性顯著，說明通過了檢驗(yàn)，金桂面積變化可引起碳足跡的變化。

圖2展示了三種情景下單株金桂的全生命周期碳足跡情況。即低頻率維護(hù)情景(S1)，中等頻率維護(hù)情景(S2)，高等頻率維護(hù)情景(S3)。三種情景情景下，單株金桂的碳足跡分別為91.86kgCO2eq.、108.27kgCO2eq.、124.29kgCO2eq.。隨著維護(hù)頻率的增強(qiáng)，碳足跡不斷升高，啟示人們在行道樹長勢良好的情況下，應(yīng)減少人為養(yǎng)護(hù)，盡可能讓其自然生長。從組成來看，在外界經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中產(chǎn)生的溫室氣體排放大于直接過程，以高等頻率維護(hù)情景(S3)為例，外界排放當(dāng)量比直接過程高出53.14%。隨著維護(hù)頻率的增強(qiáng)，外界經(jīng)濟(jì)投入的占比逐漸增高，由53.02%增長至60.49%。這啟示研究者在注重直接過程中燃油使用等直接排放的同時(shí)，也不應(yīng)忽略外界投入的化肥、農(nóng)藥、燃油等物質(zhì)在其上游生產(chǎn)過程造成的溫室氣體排放。

金桂碳足跡的具體構(gòu)成詳見表1。直接排放過程中，三種情景的直接碳足跡相差無幾，說明碳足跡較為穩(wěn)定。以高等頻率維護(hù)情景(S3)為例，苗木培育過程占直接排放的75.57%，綠地定植和日常維護(hù)與管理過程分別占20.9%和17.73%。另外，三種溫室氣體間的數(shù)量差異很大。在以二氧化碳當(dāng)量計(jì)算的碳足跡總量中，二氧化碳(CO2)占到98.5%以上，CH4和N2O的排放量之和不到2%。各具體過程的溫室氣體構(gòu)成也有所差異，如喬木培育過程中，由于機(jī)械燃油燃燒較為充分，CO2占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)。而化肥、農(nóng)藥上游產(chǎn)生過程中N2O排放則明顯增多，且百年全球變暖潛值是CO2的296倍。因此，這些過程導(dǎo)致的溫室氣體排放也不可忽略。

表3 金桂面積的變化與碳足跡的顯著關(guān)系Table 3 The significant relationship between the area change of osmanthus fragrans var.thunbergii and the carbon footprint

圖2 三種情景下單株金桂的全生命周期碳足跡Fig.2 Carbon footprint of the whole life cycle of a single plant in three scenarios

表4 單株金桂全生命周期碳足跡的組成結(jié)構(gòu)(kgCO2eq.)Table 4 The carbon footprint composition of the whole life cycle of a single plant

2.2 主要過程貢獻(xiàn)

各直接過程對(duì)碳足跡的貢獻(xiàn)如圖3所示。三種情景中各直接過程的貢獻(xiàn)比例基本趨同。具體來說，移植過程造成的溫室氣體排放達(dá)到22.02kgCO2eq.，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它過程。這是因?yàn)橐浦埠蟮摹椒N植密度小，挖溝機(jī)等機(jī)械對(duì)土地做功較多，分配到每株樹木的碳排放也較大。苗木栽種過程次之，說明起吊機(jī)耗能同樣不低，且造成間接排放也較為可觀。城市內(nèi)日常維護(hù)與管理中，因?yàn)闃淠倔w積較大，噴霧打藥等活動(dòng)時(shí)間較長，所以病蟲害防治對(duì)碳足跡的貢獻(xiàn)也相對(duì)較大。苗木起掘過程和苗木栽種過程相比，區(qū)別在于有無綠化灑水車的存在。灌溉排水過程的碳排放主要由綠化灑水車貢獻(xiàn)。以上結(jié)果啟示我們注意綠化灑水車對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)。挖掘樹穴的碳排放較低可能是因?yàn)槿斯こ袚?dān)了一部分工作。土地平整、土壤改良和清理障礙等過程對(duì)整個(gè)直接過程的貢獻(xiàn)并不高，相比關(guān)注于土壤是否為理想狀態(tài)，降低機(jī)械的油耗是更為積極有效的減少碳足跡的方法。同時(shí)，盡量選擇距離較近的苗木育種區(qū)，以減少卡車運(yùn)輸油耗。通過以上結(jié)果可以看出，病蟲害防治、灌溉排水與修剪等過程不容小覷，告誡我們應(yīng)盡可能減少對(duì)行道樹的干擾，對(duì)于減少環(huán)境污染、節(jié)約水資源等都是有利的。

圖3 各直接過程對(duì)單株金桂碳足跡的貢獻(xiàn)Fig.3 The contribution of each direct process to the carbon footprint of each individual plant

圖4展示了金桂在外部經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)各部門造成的間接溫室氣體排放。與直接過程類似，三種情景中各部門的貢獻(xiàn)比例基本趨同。在所有139個(gè)部門中，對(duì)碳足跡貢獻(xiàn)最大的是電力、熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)部門，這是因?yàn)槿加?、化肥、農(nóng)藥等物質(zhì)的上游過程都需要電力供應(yīng)。精煉石油和核燃料加工品部門次之，主要因?yàn)榫坝^喬木整個(gè)生命周期過程所用的機(jī)械耗油較多，如挖掘機(jī)、起吊機(jī)等。實(shí)際生產(chǎn)中，絕大部分過程均需借助機(jī)械工具完成，因此對(duì)燃油等能源消耗較多。農(nóng)藥和肥料的貢獻(xiàn)緊隨其后，表明在注重機(jī)械燃油過程的同時(shí)，也不可忽略化肥和農(nóng)藥的使用，未來可以適當(dāng)選用有機(jī)肥、采用生物除蟲等更利于減少碳足跡。但應(yīng)注意的是，在無人為干擾的情況下，即沒有日常維護(hù)的情況下，肥料的貢獻(xiàn)極低，說明相較于幼苗，成熟的樹木對(duì)肥料的需求更大?；A(chǔ)化學(xué)原料、鋼壓延產(chǎn)品、石油和天然氣開采產(chǎn)品等部門造成的碳排放依次遞減。

3 結(jié)論

本研究選取皖南地區(qū)廣泛分布的一種典型的城市景觀喬木—金桂作為研究對(duì)象，以蕪湖市為例，運(yùn)用混合生命周期分析方法對(duì)景觀喬木全生命周期過程的碳足跡進(jìn)行分析，并將其按日常維護(hù)的頻率分為低頻率維護(hù)情景(S1)，中等頻率維護(hù)情景(S2)，高等頻率維護(hù)情景(S3)三種情景，最終得出以下結(jié)論：

圖4 外界經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)各部門對(duì)單株金桂碳足跡的貢獻(xiàn)Fig.4 Contribution of various sectors of the external economic system to the carbon footprint of a single plant

隨著維護(hù)頻率的增強(qiáng)，碳足跡不斷升高，啟示人們在行道樹長勢良好的情況下，應(yīng)減少人為養(yǎng)護(hù)，盡可能讓其自然生長。外界經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的物質(zhì)能源投入造成的間接溫室氣體排放高于直接排放，說明不應(yīng)忽視上游生產(chǎn)過程的排放，但減少機(jī)械使用仍是減少碳排放的最主要方式。在苗圃培育過程中，要注重少免耕耕作法的實(shí)行。無論何種培育情景，施工現(xiàn)場的溫室氣體排放都是不可忽略的。CO2的排放占據(jù)整個(gè)溫室氣體的98.5%，其余溫室氣體排放量明顯較少。直接排放過程中，移植過程的碳足跡遠(yuǎn)高于其它過程，苗木栽種過程次之，啟示我們注重挖溝機(jī)和起吊機(jī)的燃油消耗。相較于其它過程，機(jī)械燃油過程仍是碳排放的主要貢獻(xiàn)者。在選擇苗圃種植的園區(qū)時(shí)，要注意選擇距離市區(qū)較近的地方，因?yàn)榭ㄜ囘\(yùn)輸造成的油耗也是不可忽略的。同時(shí)，土壤的理化性質(zhì)也應(yīng)得到關(guān)注。良好的土壤可以減少土壤處理步驟，如排水排鹽過程等。這也是減少碳排放的一種方式。盡管相比于燃油，肥料和農(nóng)藥對(duì)碳足跡的貢獻(xiàn)較少，但也不該被忽視。適當(dāng)增加施用有機(jī)肥、采用生物殺蟲等方式也是減少碳足跡的有效方法。

本研究確定了金桂的全生命周期中人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境造成的溫室氣體排放壓力，有助于準(zhǔn)確理解金桂在提供城市生態(tài)服務(wù)時(shí)所需支付的環(huán)境代價(jià)，為城市金桂樹的管理方式提供決策支持，并為日后同類樹種的管理提供數(shù)據(jù)與理論參考。