基于植被固碳释氧原理的路面建设碳排放评价及碳中和策略

文 辽宁省交通建设投资集团有限责任公司 曹继伟 任俊达 王昕 姚翔 程毅

由于交通运输行业所带来的碳排放量约占碳排放总量的14%，因此，对于高速公路碳排放的研究已成为近年来被关注的焦点。鉴于碳沉降法、薄膜分离法制作气肥、碳基塑料的研制等方法技术复杂、成本高、缺乏成熟度，基于生态功能自然规律的植被固碳释氧成为学者们一直以来的研究重点。

随着全球温室效应愈演愈烈，因气候变暖引发的各种环境问题正在严重影响社会的可持续发展，减少以二氧化碳为主的温室气体排放刻不容缓。在全球范围内，交通运输行业所带来的碳排放量约占碳排放总量的14%。截至2021年底，我国高速公路里程达到16万余公里，位居世界第一。未来，随着人们对高速公路需求的增长，碳排放量会越来越多，对环境的影响也越来越大，因此，对于高速公路碳排放的研究已成为近年来备受关注的焦点。

当前，利用寿命周期评价方法（LCA）对高速公路建设与运营周期的资源消耗和潜在环境影响进行辨识、量化和评价，成为推动资源节约型和环境友好型行业建设的积极探索；已提出的高速公路碳处理方法包括：碳沉降法、薄膜分离法制作气肥、碳基塑料的研制等，鉴于这些方法技术复杂、成本高、缺乏成熟度，基于生态功能自然规律的植被固碳释氧成为学者们一直以来的研究重点。

国外对植物固碳释氧的研究较早，而我国则在进入20世纪90年代之后才开始对植物固碳释氧进行研究，并取得了一定成果。研究结果表明，每公顷公园的绿化植被每日可吸收二氧化碳0.9吨，生产氧气0.6吨。不同的植物因生理特性不同，同化二氧化碳和释放氧气的能力亦有差异，生物量越大的植物光合能力越强，固碳释氧量越高，表现为“乔木＞灌木＞草本”。

如今，公路绿化大多重视视觉效果、忽视生态效益，有些绿化带甚至以单一乔木为主，这种“稀树草原”虽然视觉效果较好，但缺少树种间的生态优势互补，道路植被固碳释氧、除尘等生态服务功能的综合生态效益不高。鉴于此，本文中所提及的研究以辽宁省某高速公路的路面工程为例，对建设期的碳排放进行研究。基于固碳释氧原理，分析了绿化植被完成路面建设期碳中和的可行性，并对不同树种的固碳量、释氧量进行计算，讨论了不同树种搭配下完成碳中和所需的时间。

公路建设期碳排放分析

公路建设期碳排放分析是基于可持续发展和全寿命周期评价理论，将高速公路视为产品系统，对高速公路路面建设期的碳排放进行定量分析。

边界条件界定

沥青路面建设期间材料产品的生产工序较为复杂，且本次研究部分的内容需要结合辽宁省某高速新建项目实际工程建设进行分析，若过于追求量化研究内容的全面性和广泛性则需制定大量假设条件，分析较深时不仅难以获得数据，且处理得出的结果也可能大大降低最终可靠性，故需进行合理的量化边界确定。

沥青路面建设施工阶段所带来的环境影响主要由施工设备在运行时燃烧的能源所产生。主要的施工机械可分为四大类，分别为拌和设备、摊铺设备、压实设备及辅助设备。这些设备的能源主要包含柴油、汽油和重油等。

功能单位

为了能更好地反映高速公路建设期碳排放情况，同时利于研究比较，取1公里高速公路双向六车道半幅路作为1个基本单元，行车道宽3.75米，硬路肩3米，路缘带0.75米。拟定辽宁省某新建高速公路路面结构，如表1所示。

表1 拟定路面结构

碳排放模型

建设期间的尾气排放由二氧化碳、甲烷、氟氢碳化物等多种温室气体组成，根据温室气体的影响，利用全球变暖潜值将其他气体质量换算成二氧化碳当量，计算公式如式（1）所示。

碳排放清单分析

材料物化阶段 材料物化阶段是指材料在生产和利用前全部上游活动所产生的环境负荷总和，以碳排放量和总能耗表征。根据工程量清单和《公路工程预算定额》涉及的材料消耗进行主要材料的确认，对于典型沥青路面，主要的材料包括：沥青、碎石、矿粉、外加剂、水泥、水和周转材料等。通过计算得到单位功能单位典型沥青路面各层材料的消耗清单数量，进而得到物化阶段单位功能单位沥青路面结构主要材料的能耗和排放清单。

表2 功能单位沥青路面结构消耗清单

运输及摊铺阶段 建设期大部分建造活动是通过工程机械来实现的，使用机械必然需要消耗动力燃料和能源，故建设期的碳排放分析主要针对施工机械和材料运输过程的碳排放情况开展。参考《公路工程机械台班费用定额》，并结合项目施工过程机械的油耗情况进行修正，得到相应机械油耗数据作为参考，进行建设期碳排放分析。

假设水稳拌和站距施工现场的运距平均为8公里，料场及沥青混合料拌和站距施工现场的运距平均为10公里。根据工程量清单和《公路工程机械台班费用定额》计算功能单位高速公路各施工工序使用的施工机械及台班数，得到不同施工机械的燃料消耗和能耗值。

表3 建设期施工机械碳排放汇总表

绿化带植被固碳释氧分析

绿化树种类别及固碳释氧能力

以辽宁省西南地区为例，将30个树种样本各自看成一类，以日净固碳量作为特征向量，用Ward法对树种进行聚类，30个树种的日净固碳量高低可分为6类，依次为：

第一类（日净固碳量极高）：银中杨（11.374g·m-2·d-1）；第二类（日净固碳量高）：新疆杨（9.130g·m-2·d-1）、榆树（8.983g·m-2·d-1）、垂柳（8.259g·m-2·d-1）、旱柳（8.005g·m-2·d-1）；第三类（日净固碳量中等）：刺槐（7.329g·m-2·d-1）、梓树（7.110g·m-2·d-1）、紫丁香（7.10 5 g·m-2·d-1）、白桦（6.939g·m-2·d-1）、栾树（6.785g·m-2·d-1）、合欢（6.629g·m-2·d-1）、榆叶梅（6.498g·m-2·d-1）；第四类（日净固碳量偏下）：皂角（6.177g·m-2·d-1）、油松（6.005g·m-2·d-1）、金叶榆（5.979g·m-2·d-1）、五角枫（5.927g·m-2·d-1）、金银忍冬（5.911g·m-2·d-1）、桧柏（5.712g·m-2·d-1）、京桃（5.626g·m-2·d-1）、京山梅花（5.464g·m-2·d-1）、三角枫（5.412g·m-2·d-1）、云杉（5.236g·m-2·d-1）、连翘（5.036g·m-2·d-1）；第五类（日净固碳量低）：小叶黄杨（4.704g·m-2·d-1）、银杏（4.397g·m-2·d-1）、大花水桠木（4.143g·m-2·d-1）、女贞（3.778g·m-2·d-1）、东北山梅花（4.395g·m-2·d-1）、风箱果（4.527g·m-2·d-1）；第六类（日净固碳量极低）：红叶李（2.178g·m-2·d-1）。

依照植物分类将各植物固碳量汇总，如图1（a）、（b）、（c）、（d）所示。

图1 植物固碳量汇总图

由上图可知，落叶乔木中银中杨日固碳量最高，可达11.374g·m-2·d-1；常绿乔木三种植被日固碳释氧能力基本相当，其中油松日固碳释氧量为6.005 g·m-2·d-1、桧柏日固碳释氧量5.712 g·m-2·d-1；落叶灌木中紫丁香以及榆叶梅日固碳释氧能力较高，分别为7.105 g·m-2·d-1、6.498 g·m-2·d-1；常绿灌木中京山梅花日固碳释氧量最高，可达5.464 g·m-2·d-1。

从整体上看，不同类型树种日固碳量有较大区别，同种类型不同树种的固碳释氧能力量级相当，但也存在一定的区别；其次，绿化树种需要通过其叶片上的气孔进行光合作用，而由于绿化树种布置在行车道旁，所处环境空气较差，这会导致悬浮颗粒堵塞叶片上的气孔进而导致光合作用下降。因此，在实际的绿化树种配置中应结合实际地理位置及交通状况进行选择。

为探究绿化带不同植被配置方案的固碳释氧能力，拟定1公里道路作为试验路段进行研究，采用叶面积指数（叶面积指数=叶片总面积/土地面积）进行计算，分别对中央分隔带、边坡进行讨论。

中央分隔带植被的固碳释氧分析

方案一：植物种植形式为每4米栽1.5米京山梅花及1.5米紫丁香，同时配置草坪，种植形式选择剪形绿篱栽植，便于后期进行机械化养护管理。

方案二：植物种植形式为每4米栽1.5米京山梅花及1.5米榆叶梅，同时配置草坪，种植形式选择剪形绿篱栽植，便于后期进行机械化养护管理。

取典型路面横断面进行研究，中央分隔带宽度3米，计算1公里内按照不同方案配置中央分隔带绿植的日固碳量，计算结果如表4所示。

表4 中央分隔带两种方案日固碳量（单位：g）

整体上，方案二的固碳释氧能力均优于方案一，因此方案二生态环境收益更为可观。

边坡植被的固碳释氧分析

填方段

方案一：满栽紫丁香，密度为6.25株/平方米；坡脚3排银中杨，规则式栽植，株行距为2米×2米。

方案二：满栽榆叶梅，密度为6.25株/平方米；坡脚3排银中杨，规则式栽植，株行距为2米×2米。

方案三：沿边坡向下2米范围内栽植5排紫丁香；紫丁香以下至护坡道外边缘，满栽榆叶梅；坡脚3排银中杨，规则式栽植，株行距为2米×2米。

取填方段边坡宽度25米，1公里不同方案配置填方段边坡绿植的日固碳量汇总见表5。

表5 填方段边坡三种方案日固碳量（单位：g）

由上表分析知，在满栽紫丁香，密度为6.25株/平方米，坡脚3排银中杨，规则式栽植，株行距为2米×2米时，固碳释氧能力最强，相较于方案一、方案三，日固碳释氧能力高出100kg。

挖方段

方案一：采用紫丁香、榆叶梅混栽，密度为6.25株/平方米，每28米为一组，每组设计3株油松（高3.5米～4.5米）。

方案二：满栽紫丁香，密度为6.25株/平方米，每28米为一组，每组设计3株油松（高3.5米～4.5米）。

方案三：满栽榆叶梅，密度为6.25株/平方米，每28米为一组，每组设计3株油松（高3.5米～4.5米）。

方案四：采用紫丁香、榆叶梅混栽，密度为6.25株/平方米，每25平方米点缀一平方米京山梅花。

取挖方段边坡宽度25米，1公里不同方案配置挖方段边坡绿植的日固碳释氧量汇总见表6。

表6 挖方段边坡四种方案日固碳释氧量（单位：g）

由上表分析可知，四种方案日固碳量中方案二效果较好，但是从景观协调性角度而言，方案四景观协调性更佳，有利于缓解驾驶员的视觉疲劳。

碳中和策略分析

本次研究基于植被固碳释氧原理，结合碳中和的时代背景，从绿化带固碳角度，探讨了高速公路建设期碳排放的中和策略，得出了以下结论：

通过对拟定高速公路新建项目路面结构进行碳排放溯源和核算，在整个建设期内功能单位碳排放量高达1927763.16千克；对辽宁省内常见30种绿化树种的固碳释氧能力进行的统计结果显示，其单位叶面积固碳释氧能力与植物种类有关，其中落叶乔木日固碳释氧能力最高，常绿灌木则最低；对绿化带树种配置及对应的固碳释氧能力进行的计算结果表明，在1公里范围内，中央分隔带采用京山梅花与紫丁香混栽、边坡采用紫丁香满栽，坡脚采用栽种银中杨的方式日均固碳量最高，可达1295.99千克。

表7 路面建设期碳排放汇总表

通过综合碳排放及绿化带植被固碳释氧能力的分析，以拟定高速新建项目为例，得出了完成建设期碳排放碳中和至少需要4.7年的时间这一结论。