芜湖市金桂全生命周期的碳足迹分析

孙玉洁， 姚 亮， 王友保

(安徽师范大学 生命科学学院，安徽 芜湖 241000)

伴随着经济社会的快速发展，至2018年底，我国城市化水平已达59.58%。城市已经是人类的主要栖息地，城市的生态环境状况对居民的生存福祉有着重要影响。景观绿地是城市生态系统的主要组成部分，城市环境状况与绿地数量及质量紧密相关。可以说，城市绿地系统是城市生态服务功能的主要生产者和提供者。它们具有固碳释氧、调节气候、改良土壤、涵养水源、美化环境、防止噪音、美学教育等功能[1-3]。学界围绕城市绿地的这些生态服务功能开展了大量研究。以固碳功能为例，乔木对碳的固定效果十分显著。周健等[4]发现，广州市城市森林的固碳量可达6.58×105t·a-1，平均固碳率达2.90t·hm-2·a-1。张颖[5]的研究表明，30年内全广州绿地净固碳可达7.05×106t。王瑞静等[6]的研究中，崇明岛主要植被的碳储量为4.91×105t。勾玉莹[7]对高尔夫球场草坪进行研究，生物量法测得其固碳量为211.56t·a-1，叶面积指数法测得其固碳量为1.79×103t·a-1。Adetoye等[8]用计量经济学方法对非洲国家森林的碳固存进行研究，持续农业实践、停止砍伐森林等会通过改变土地利用特征来影响碳固存。Yao等[9]认为林龄是森林生物量碳固存率的重要决定因素，从2000年到2040年，与年龄有关的森林生物量碳封存为0.17～6.69×109t·a-1。

综合来看，人们对城市绿地研究多集中在正面生态服务功能方面，而相对忽略了城市绿地可能造成的负面环境压力。与上述固碳功能相对应，这里以碳排放为例。城市绿地通过净光合作用发挥固碳功能的同时，灌溉、施肥、修剪、防虫害等一系列日常绿地管理活动均有可能产生温室气体排放。按照环境生命周期评价的要求，绿地的前端生产过程，如乔木、灌木及草坪在郊外苗圃基地的播种、培植等过程中造成的温室气体排放均属于城市绿地碳排放的范畴。Lerman等[10]研究了草坪割草频率对二氧化碳排放的影响，过高的割草频率会使草坪由碳汇转变成碳源。Kong等[11]研究了香港城市草坪的碳排放，草坪维护导致碳排放量在0.17～0.69kg·m-2·a-1。Gu等[12]发现减少施肥对于减轻草坪的全球变暖潜能是最有效的。Reinsch等[13]发现，草地再耕作会减少土壤碳储量，增加土壤碳的释放。殷利华[14]对光谷大道园林绿化施工过程进行分析，碳足迹核算结果为12.8kg·m-2。Proietti等[15]对意大利的橄榄园进行研究，第一年的种植对碳足迹的影响最大，有机化肥的使用对减少碳足迹是有益的。总之，城市绿地在各生命周期阶段中不可避免会产生一定数量的温室气体排放，并随之对城市、区域乃至全球生态系统造成一定的环境压力。Strohbach等[16]运用生命周期方法对城市绿地的碳足迹进行分析，发现日常维护产生的排放因树木生长和死亡率而异，降低死亡率有利于减少其碳排放。

乔木是城市绿地中最为突出、存活时间较长、几乎伴随绿地整个生命周期的主要组分。考虑到绿地系统的多样性和复杂性，选取绿地中最具代表性的景观乔木作为研究对象，并且重点关注其所造成的负面环境压力。安徽省公路常见的行道树有香樟、女贞、桂花树等。其中桂花树对土壤要求不高严，是最符合绿化、香化要求的树种[17]。且安徽古桂资源多集中在皖南山区[18]。因此，实际工作中，本研究选取在我国皖南地区最常见景观树种——金桂(Osmanthusfragransvar.thunbergii)作为具体对象，聚焦于景观乔木在其生命周期各阶段中产生的温室气体排放，借助环境生命周期评价(life cycle assessment,LCA)技术来核算各气体数量与当量，并统称为景观乔木的碳足迹。

1 研究方法与数据

1.1 研究对象与材料

本研究选取芜湖市主要街道的金桂为研究对象，如北京西路、黄山中路、北京中路等。每条街道随机选取五个样点进行测量，每个样点测量四株金桂，取其平均值。本研究的金桂种植苗圃位于宣城市的高井苗林场，同样的，随机选取五个样点进行测量，每个样点测量四棵金桂，取其平均值。

功能单位。本研究将1株生长状况良好的金桂作为基本功能单位。本次研究将金桂种子培育一年后移植，并继续培育四年，因此，郊外培育过程共计五年时间。城内日常管理过程与郊外培育过程类似，因此，选择五年为基准对金桂的日常管理过程进行研究。即，本研究的研究边界为金桂的苗圃培育、园林施工以及养护过程。

系统边界与主要过程。如图1所示，城市景观乔木(金桂)的生命周期过程大致分为三大阶段。①郊外苗圃的育苗和培育过程。育苗方式主要有种子育苗和扦插育苗两种，实际生产中以后者为主。小苗的生产培育过程包括灌溉、施肥、修剪、移栽、苗木起掘等过程。②乔木从郊外苗圃到城市绿地的移栽过程，包括运输、土壤回填与改良、树穴挖掘和苗木定植等过程。③城市内的日常维护管理过程，包括定期施肥、水分管理、杀虫杀菌等过程。

情景设置。金桂的种植方式可分为种子育苗和扦插育苗两种。盖因后者成活率高、繁殖快而多采用后者，本研究遵循一般规律，也采用扦插育苗方式进行计算。按照人工维护的频繁程度，将设置3种情景，具体指低频率维护(S1)，中等频率维护(S2)，高等频率维护(S3)。实际上，小城市甚至小县城对城市园林进行的日常管理频率很低，有些甚至几乎为零。本研究从碳足迹的角度为城市绿地的管理提供参考。通过三种管理方式的区分，为金桂苗木管理方式的选择提供参考，以期获得最佳培育方式。

图1 城市景观乔木生命周期的主要过程及系统边界Fig.1 The main process of urban landscape tree life cycle and the boundary of system

1.2 混合生命周期评价

生命周期评价(LCA)技术根据系统边界及方法路线的不同，可分为三种：基于过程的LCA(process-based LCA)、基于经济投入产出的LCA(economic input-output-based LCA)和混合LCA(hybrid LCA)。基于过程的LCA在工业品评价中应用最为广泛[19]，结果的精确度较高，但它需要较多的背景数据的支持，且容易造成截断性误差[20]。基于经济投入产出的LCA计算方便且系统边界完整[21]，理论上不存在截断误差，但由于采用的是经济体分部门(或行业)的宏观数据，导致评价结果不确定性较高，时间敏感度也较差。混合LCA主张将基于过程的LCA与基于经济投入产出的LCA相融合，从理论上兼顾了系统边界的完整性和结果的准确性，同时也带来了数据需求大，计算量多等特点[22]。

考虑到混合LCA的突出优点，本研究采用混合LCA方法对金桂的碳足迹进行研究。具体计算过程如下：

(1)构建图1中直接过程的技术系数矩阵A1和环境矩阵B1[23]。其中，A1的每一列代表一个过程单元，+代表产品输出，-代表产品投入。每个单元只存在一个产品输出，其余输出产物属于B1内容。将每列过程的输出产品设定为1单位，其余投入按比例缩放。A1的每一行表示每个过程单元的输出产品。A1行列数目相等，为一个方阵。B1的每一列代表一个过程单元，每一行表示每一过程温室气体(CO2、CH4、N2O)的排放量。

(2)构建外部经济系统(投入产出表)的直接消耗系数矩阵A2和环境矩阵B2。这里采用CEEIOV1.2中的2012年139部门投入产出表和温室气体排放数据[24]，借助MatLab软件计算出A2和B2。

(3)构建混合技术系数矩阵A3和环境矩阵B3。首先构建一个矩阵，将投入产出表与技术系数矩阵A1中缺失的部分连接起来，即为联结矩阵U。U的每一列代表一个过程单元，它的行与投入产出表相对应，数值代表每项外界投入物质的货币价值。混合技术系数矩阵A3和环境矩阵B3如下：

(1)

B3=[B1B2]

(2)

(4)每功能单位终端产品(每株景观乔木——金桂)的碳足迹计算公式如下：

CF=B3×A3×f

(3)

其中，列向量f表示终端产品的数量，这里设定为1个功能单位。

1.3 数据来源

本研究数据来源主要分为三部分：①图1中主要过程的各项参数数据，包括外界物质投入的数量及费用，主要采用问卷调查和访谈方式，对苗圃基地及城市园林等单位的工作记录和工作人员的记忆进行数据整理和采集。对于少量缺失参数，综合参考前人研究结果和本地园林专家的经验知识进行估算；②投入产出表及宏观分行业温室气体排放数据，来自于CEEIOV1.2数据库，并采用我国2012年投入产出表的数据。另外，图1中各项外界物质输入的价值，采用2012年生产者价格指数进行计算[25]；温室气体排放，参考CEEIOV1.2数据库[24]进行计算。表1和表2展示了实验中的部分关键数据。其中，表1为金桂全生命周期中主要过程的机械耗油量，表2展示了金桂全生命周期中主要过程与IO各部门的对应关系。

表1 主要过程的机械耗油Table 1 Mechanical fuel consumption of the main process

表2 主要过程与IO表中各部门的对应关系Table 2 The correspondence between main processes and departments in IO table

2 结果与讨论

2.1 碳足迹

表3列出了金桂面积变化与碳足迹的差异性显著分析，在P<0.05时，各组之间差异性显著，说明通过了检验，金桂面积变化可引起碳足迹的变化。

图2展示了三种情景下单株金桂的全生命周期碳足迹情况。即低频率维护情景(S1)，中等频率维护情景(S2)，高等频率维护情景(S3)。三种情景情景下，单株金桂的碳足迹分别为91.86kgCO2eq.、108.27kgCO2eq.、124.29kgCO2eq.。随着维护频率的增强，碳足迹不断升高，启示人们在行道树长势良好的情况下，应减少人为养护，尽可能让其自然生长。从组成来看，在外界经济系统中产生的温室气体排放大于直接过程，以高等频率维护情景(S3)为例，外界排放当量比直接过程高出53.14%。随着维护频率的增强，外界经济投入的占比逐渐增高，由53.02%增长至60.49%。这启示研究者在注重直接过程中燃油使用等直接排放的同时，也不应忽略外界投入的化肥、农药、燃油等物质在其上游生产过程造成的温室气体排放。

金桂碳足迹的具体构成详见表1。直接排放过程中，三种情景的直接碳足迹相差无几，说明碳足迹较为稳定。以高等频率维护情景(S3)为例，苗木培育过程占直接排放的75.57%，绿地定植和日常维护与管理过程分别占20.9%和17.73%。另外，三种温室气体间的数量差异很大。在以二氧化碳当量计算的碳足迹总量中，二氧化碳(CO2)占到98.5%以上，CH4和N2O的排放量之和不到2%。各具体过程的温室气体构成也有所差异，如乔木培育过程中，由于机械燃油燃烧较为充分，CO2占据绝对主导。而化肥、农药上游产生过程中N2O排放则明显增多，且百年全球变暖潜值是CO2的296倍。因此，这些过程导致的温室气体排放也不可忽略。

表3 金桂面积的变化与碳足迹的显著关系Table 3 The significant relationship between the area change of osmanthus fragrans var.thunbergii and the carbon footprint

图2 三种情景下单株金桂的全生命周期碳足迹Fig.2 Carbon footprint of the whole life cycle of a single plant in three scenarios

表4 单株金桂全生命周期碳足迹的组成结构(kgCO2eq.)Table 4 The carbon footprint composition of the whole life cycle of a single plant

2.2 主要过程贡献

各直接过程对碳足迹的贡献如图3所示。三种情景中各直接过程的贡献比例基本趋同。具体来说，移植过程造成的温室气体排放达到22.02kgCO2eq.，远远高于其它过程。这是因为移植后的〗种植密度小，挖沟机等机械对土地做功较多，分配到每株树木的碳排放也较大。苗木栽种过程次之，说明起吊机耗能同样不低，且造成间接排放也较为可观。城市内日常维护与管理中，因为树木体积较大，喷雾打药等活动时间较长，所以病虫害防治对碳足迹的贡献也相对较大。苗木起掘过程和苗木栽种过程相比，区别在于有无绿化洒水车的存在。灌溉排水过程的碳排放主要由绿化洒水车贡献。以上结果启示我们注意绿化洒水车对碳排放的贡献。挖掘树穴的碳排放较低可能是因为人工承担了一部分工作。土地平整、土壤改良和清理障碍等过程对整个直接过程的贡献并不高，相比关注于土壤是否为理想状态，降低机械的油耗是更为积极有效的减少碳足迹的方法。同时，尽量选择距离较近的苗木育种区，以减少卡车运输油耗。通过以上结果可以看出，病虫害防治、灌溉排水与修剪等过程不容小觑，告诫我们应尽可能减少对行道树的干扰，对于减少环境污染、节约水资源等都是有利的。

图3 各直接过程对单株金桂碳足迹的贡献Fig.3 The contribution of each direct process to the carbon footprint of each individual plant

图4展示了金桂在外部经济系统各部门造成的间接温室气体排放。与直接过程类似，三种情景中各部门的贡献比例基本趋同。在所有139个部门中，对碳足迹贡献最大的是电力、热力的生产和供应部门，这是因为燃油、化肥、农药等物质的上游过程都需要电力供应。精炼石油和核燃料加工品部门次之，主要因为景观乔木整个生命周期过程所用的机械耗油较多，如挖掘机、起吊机等。实际生产中，绝大部分过程均需借助机械工具完成，因此对燃油等能源消耗较多。农药和肥料的贡献紧随其后，表明在注重机械燃油过程的同时，也不可忽略化肥和农药的使用，未来可以适当选用有机肥、采用生物除虫等更利于减少碳足迹。但应注意的是，在无人为干扰的情况下，即没有日常维护的情况下，肥料的贡献极低，说明相较于幼苗，成熟的树木对肥料的需求更大。基础化学原料、钢压延产品、石油和天然气开采产品等部门造成的碳排放依次递减。

3 结论

本研究选取皖南地区广泛分布的一种典型的城市景观乔木—金桂作为研究对象，以芜湖市为例，运用混合生命周期分析方法对景观乔木全生命周期过程的碳足迹进行分析，并将其按日常维护的频率分为低频率维护情景(S1)，中等频率维护情景(S2)，高等频率维护情景(S3)三种情景，最终得出以下结论：

图4 外界经济系统各部门对单株金桂碳足迹的贡献Fig.4 Contribution of various sectors of the external economic system to the carbon footprint of a single plant

随着维护频率的增强，碳足迹不断升高，启示人们在行道树长势良好的情况下，应减少人为养护，尽可能让其自然生长。外界经济系统的物质能源投入造成的间接温室气体排放高于直接排放，说明不应忽视上游生产过程的排放，但减少机械使用仍是减少碳排放的最主要方式。在苗圃培育过程中，要注重少免耕耕作法的实行。无论何种培育情景，施工现场的温室气体排放都是不可忽略的。CO2的排放占据整个温室气体的98.5%，其余温室气体排放量明显较少。直接排放过程中，移植过程的碳足迹远高于其它过程，苗木栽种过程次之，启示我们注重挖沟机和起吊机的燃油消耗。相较于其它过程，机械燃油过程仍是碳排放的主要贡献者。在选择苗圃种植的园区时，要注意选择距离市区较近的地方，因为卡车运输造成的油耗也是不可忽略的。同时，土壤的理化性质也应得到关注。良好的土壤可以减少土壤处理步骤，如排水排盐过程等。这也是减少碳排放的一种方式。尽管相比于燃油，肥料和农药对碳足迹的贡献较少，但也不该被忽视。适当增加施用有机肥、采用生物杀虫等方式也是减少碳足迹的有效方法。

本研究确定了金桂的全生命周期中人类活动对环境造成的温室气体排放压力，有助于准确理解金桂在提供城市生态服务时所需支付的环境代价，为城市金桂树的管理方式提供决策支持，并为日后同类树种的管理提供数据与理论参考。