基于LCA的城市綠地管養(yǎng)對環(huán)境影響的量化方法探討

劉 洋 楊秋生

城市綠地是重要的綠色基礎(chǔ)設(shè)施，在改善城市生態(tài)，保護(hù)環(huán)境，為居民提供愉悅的景觀體驗和安全的休憩場地以及生物棲息地等方面發(fā)揮著重要而不可替代的作用[1-2]。城市綠地要實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)，保持長久的景觀效果離不開持續(xù)的養(yǎng)護(hù)管理工作[3]。隨著我國城市的快速發(fā)展，綠地面積不斷擴大，城市綠地日常養(yǎng)護(hù)的工作量和物資消耗量逐年增加，同時也對環(huán)境產(chǎn)生了不容忽視的影響[4]。本文應(yīng)用生命周期評價理論(Life Cycle Assessment，LCA)，對城市綠地管養(yǎng)環(huán)境影響的量化方法進(jìn)行了探討并以實例論證，以期為低維護(hù)、低碳景觀的營造和城市綠地科學(xué)化、精細(xì)化管理提供量化參考依據(jù)。

1 LCA與城市綠地管養(yǎng)

1.1 LCA方法

LCA是目前國內(nèi)外較為常用的評價產(chǎn)品或行為對環(huán)境影響的綜合工具，該方法通過收集生命周期清單(Life Cycle Inventory，LCI)，可以全面地分析人類行為從發(fā)生起始到結(jié)束為止的潛在環(huán)境影響[5]。LCA方法包括目標(biāo)和范圍定義，物質(zhì)清單分析，環(huán)境影響評價，結(jié)果解釋4個步驟[6]，主要應(yīng)用于定量研究資源能源消耗和廢棄物排放對環(huán)境造成的負(fù)面影響，尋求改善環(huán)境的方法[7](圖1)。

1.2 LCA在城市綠地中的應(yīng)用

當(dāng)前應(yīng)用LCA的城市綠地環(huán)境影響的研究較少。2015年天津大學(xué)冀媛媛博士的《可持續(xù)理念下低碳景觀營造標(biāo)準(zhǔn)及策略研究》，將景觀場所在生產(chǎn)階段、建造階段、使用維護(hù)階段及廢棄拆除階段的碳排放清單進(jìn)行了匯總，認(rèn)為綠地管養(yǎng)的主要消耗了化石能源、灌溉用水、肥料和農(nóng)藥[9]。Strohbach等認(rèn)為德國萊比錫地區(qū)每公頃城市綠地在建成后50年間的碳排放總量約為2.6～4.7t/CO2[10]。

2 基于LCA的城市綠地管養(yǎng)環(huán)境影響評價

2.1 目標(biāo)和范圍定義

2.1.1 城市綠地管養(yǎng)的LCA目標(biāo)

明確的產(chǎn)品輸出是設(shè)置LCA評價目標(biāo)及系統(tǒng)范圍的依據(jù)[11]。綠地管養(yǎng)的目的是為了保證景觀服務(wù)的實現(xiàn)[3]。因此，持續(xù)提供符合設(shè)計要求的綠地景觀可視為管養(yǎng)的產(chǎn)品輸出，而管養(yǎng)工作對外界環(huán)境產(chǎn)生了哪些方面的影響、程度如何即為綠地管養(yǎng)LCA的評價目標(biāo)。

2.1.2 城市綠地管養(yǎng)的生命周期

綠地的管養(yǎng)具有長期性和重復(fù)性2個特點：在綠地建成后，管養(yǎng)工作即持續(xù)不斷地連續(xù)進(jìn)行[12]；雖然管養(yǎng)工作內(nèi)容隨植物生長會發(fā)生變化，但反映到年度間并不明顯[13]。江石平等將綠地分為初齡(≤3年)、中齡(4～10年)和成齡(＞10年)3個階段，認(rèn)為每個階段年度管養(yǎng)內(nèi)容是重復(fù)進(jìn)行的[14]。因此，各階段綠地的LCA評價可以年度為生命周期開展。

2.2 系統(tǒng)邊界及清單數(shù)據(jù)

系統(tǒng)邊界即LCA的評價范圍，系統(tǒng)邊界內(nèi)的物資消耗和廢棄物排放為物質(zhì)清單[15]。在進(jìn)行產(chǎn)品或行為的LCA評價時，與之相關(guān)的上下游過程十分密集，有些過程因子雖參與系統(tǒng)構(gòu)建，但對系統(tǒng)的環(huán)境影響比較有限，或環(huán)境影響數(shù)據(jù)尚不明確。為避免對評價結(jié)果準(zhǔn)確性產(chǎn)生干擾，這些過程一般會被排除在系統(tǒng)邊界之外[16]。圖2為城市綠地管養(yǎng)工作的系統(tǒng)流程圖，管養(yǎng)過程以養(yǎng)護(hù)工作差異為標(biāo)準(zhǔn)，劃分為喬木、灌木、地被和草坪4個植物層子系統(tǒng)(圖2)[17]。

圖3顯示，系統(tǒng)上游主要包含管養(yǎng)物資從生產(chǎn)銷售過程，該部分清單可通過參考中國生命周期數(shù)據(jù)庫(CLCD)或借鑒同類LCA評價結(jié)果獲得[19]。但目前CLCD數(shù)據(jù)多為市場平均量，可能存在較大偏差[20]。系統(tǒng)下游由于不同管養(yǎng)單位所采取的垃圾回銷毀方法存在差異，其環(huán)境影響清單難以獲取。系統(tǒng)的管養(yǎng)過程主要包含現(xiàn)場消耗和排放，該部分的清單來源于現(xiàn)場調(diào)研，可靠性高，也是管養(yǎng)環(huán)境影響的直接體現(xiàn)?，F(xiàn)階段的綠地管養(yǎng)LCA研究可以管養(yǎng)過程為系統(tǒng)邊界開展。

圖1 生命周期評價基本結(jié)構(gòu)架[8]

圖2 城市綠地植物群落分層[17]

圖3 城市綠地管養(yǎng)的LCA系統(tǒng)全過程[18]

2.3 環(huán)境影響評價

2.3.1 LCA的通用特征化模型

不同的生態(tài)影響因子對同一種環(huán)境影響類型的潛力是不同的，通常以某一生態(tài)影響因子為基準(zhǔn)，得出同類因子的相對影響潛值，即特征化[21]。特征化是量化環(huán)境影響強度的主要步驟，分別為資源能源消耗和廢棄物排放。

表1 部分環(huán)境影響特征因子的基準(zhǔn)值與權(quán)重系數(shù)

表2 城市綠地管養(yǎng)物資投入清單

1)資源能源消耗。一般以能量作為特征化因子，將系統(tǒng)邊界內(nèi)所消耗的物資按各自能耗系數(shù)折算為統(tǒng)一能量單位并進(jìn)行累加[22]。

式中，ECs為資源能源消耗特征量，以熱能MJ消耗為特征化指標(biāo)；RCi指物資i在系統(tǒng)某一過程中的消耗量；αi為物資i的當(dāng)量系數(shù)。目前，國標(biāo)GB/T 2589—2008中有多類物資的標(biāo)準(zhǔn)煤低位發(fā)熱量等價系數(shù)[23]。

2)廢棄物排放。LCA系統(tǒng)的環(huán)境排放影響目前在氣候變暖、環(huán)境酸化、富營養(yǎng)化和環(huán)境毒性影響方面已建立統(tǒng)一的當(dāng)量模型。系統(tǒng)邊界內(nèi)所產(chǎn)生廢棄物中的某個環(huán)境影響因子的特征量EIs可由下式計算。

式中，ECi指廢棄物排放中某個環(huán)境影響特征因子的第i個脅迫因子排放量；βi為第i個脅迫因子的當(dāng)量系數(shù)。在目前公認(rèn)的氣候變化影響因素中，脅迫因子CO2、CH4和N2O的當(dāng)量系數(shù)分別為1、21和310[24]。

2.3.2 LCA特征量的標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)評估

標(biāo)準(zhǔn)化指某環(huán)境影響因子的LCA特征量與該因子的區(qū)域總量或均量間的比值[25]，目的是消除各環(huán)境影響因子在量綱和級數(shù)上的差異[21]。目前環(huán)境領(lǐng)域多以Sleeswijk等[26]的世界2000年人均資源能源占有量和環(huán)境廢棄物排放量數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)值。計算過程如下：

式中，REi指環(huán)境影響因子i的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果；Ei為環(huán)境影響因子i的LCA特征量，包含EC和EI兩方面；Si(2000)指環(huán)境影響因子i的2000年世界人均標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)值。

加權(quán)評估是依據(jù)各環(huán)境影響因子的實際環(huán)境負(fù)荷程度確定加權(quán)系數(shù)，用于對LCA系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果的修正。

式中，WEs為LCA系統(tǒng)邊界內(nèi)的環(huán)境影響加權(quán)值，Wi為環(huán)境影響因子i的權(quán)重值。

資源能源消耗與氣候變暖潛值2個環(huán)境影響特征因子的標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)值和權(quán)重系數(shù)如表1所示。

3 城市綠地管養(yǎng)環(huán)境影響LCA案例研究

美國環(huán)境保護(hù)署(Environment Protection Agency)認(rèn)為：綠地管養(yǎng)消耗大量物資，且伴隨GHG排放產(chǎn)生[28]。據(jù)世界氣候變化大會統(tǒng)計，植物管養(yǎng)工作所產(chǎn)生的GHG排放已占美國碳排放總量的5%[29]。管養(yǎng)的直接(DE，汽柴油)和間接(IDE，市政自來水、肥料和農(nóng)藥)能源消耗均可表現(xiàn)為資源能源特征因子，功能單位為MJ；GHG排放以CO2、N2O和CH4為主，表現(xiàn)為氣候變暖潛值特征因子，功能單位為kg/CO2-e。本文以鄭州市鄭東新區(qū)CBD區(qū)域成齡綠地34個植物群落樣方的管養(yǎng)物資投入和設(shè)備排放清單為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，以管養(yǎng)過程為系統(tǒng)邊界，對管養(yǎng)的資源能源消耗和氣候變暖潛值2個環(huán)境影響因子進(jìn)行環(huán)境影響量化評價。

圖4 CBD研究區(qū)樣地分布(作者改繪自http://map.tianditu.com/)[31]

圖5 CBD研究區(qū)綠地植物群落樣方

表3 主要管養(yǎng)設(shè)備能耗和GHG排放清單

表4 城市綠地LCA特征化當(dāng)量系數(shù)

3.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

鄭東新區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)完善，綠化覆蓋率達(dá)49.1%[30]，CBD區(qū)域綠地建植工作完成于2004年，屬成齡綠地。調(diào)查樣地分別為：1)紅白花公園，面積106 000m2；2)鄭州之林，面積264 000m2；3)鄭東新區(qū)濕地公園，面積44 000m2；4)6號停車場，面積39 000m2。樣地面積總計453 000m2，占CBD城市綠地面積的約60%(圖4)。樣地內(nèi)共設(shè)置20m×20m植物群落樣方34個，選取時注重植物層次和管養(yǎng)方式的差異化(圖5)。

樣方數(shù)據(jù)收集包括兩部分：1)群落結(jié)構(gòu)：現(xiàn)場調(diào)查樣方內(nèi)各植物層的面積數(shù)據(jù)(m2)，喬木層以樹冠投影面積計算；2)物資投入清單：問卷調(diào)查樣方內(nèi)各植物層管養(yǎng)工作(修剪、灌溉、施肥、施藥、垃圾清運)的年度工作量數(shù)據(jù)(2015.06—2016.07)。表2為依據(jù)所收集樣方數(shù)據(jù)計算的單位面積(hm2)城市綠地各植物層管養(yǎng)物資投入平均量清單，表3為現(xiàn)場測試的主要管養(yǎng)設(shè)備能耗和GHG排放清單[32]。

3.2 管養(yǎng)環(huán)境影響的特征化模型

以通用特征化模型為基礎(chǔ)，城市綠地的資源能源消耗和氣候變暖潛值特征量運算模型建立過程如下。

1)城市綠地管養(yǎng)的LCA當(dāng)量系數(shù)(表4)。

2)城市綠地管養(yǎng)的資源能源消耗和氣候變暖潛值特征化運算模型。

基于LCA通用特征化模型，利用城市綠地資源能源消耗和氣候變暖潛值當(dāng)量系數(shù)，本文對管養(yǎng)過程物資投入和GHG排放清單建立了環(huán)境影響強度特征化運算模型。

式中，ECg指城市綠地管養(yǎng)資源能源消耗特征量(MJ)，αei代表系統(tǒng)內(nèi)投入的第i種清單物質(zhì)的資源能源消耗當(dāng)量系數(shù)，Awi指綠地管養(yǎng)第i種清單物質(zhì)在系統(tǒng)中的投入量。

以汽柴油為動力的管養(yǎng)設(shè)備資源能源Awi數(shù)值計算可由下式獲得：

圖6 管養(yǎng)工作的環(huán)境影響指數(shù)比重分析

式中，a為與系統(tǒng)中管養(yǎng)清單物質(zhì)i關(guān)聯(lián)的養(yǎng)護(hù)設(shè)備，Mwa指管養(yǎng)設(shè)備a在系統(tǒng)邊界內(nèi)的工作量，Eea和βa分別代表了管養(yǎng)設(shè)備a的工作效率和單位時間內(nèi)能耗量。

城市綠地管養(yǎng)LCA氣候變暖潛值特征量(kg/CO2)EIg的計算方法如下式所示：

式中，αci為系統(tǒng)內(nèi)投入的第i種清單物質(zhì)的氣候變暖潛值當(dāng)量系數(shù)，EIeg為系統(tǒng)邊界內(nèi)所用管養(yǎng)設(shè)備的氣候變暖潛值特征量，可由下式計算獲得。

表5 成齡綠地各植物層管養(yǎng)環(huán)境影響LCA特征量

表6 成齡綠地各植物層加權(quán)環(huán)境影響指數(shù)

式中，Aγa、Bγa、Cγa分別為管養(yǎng)設(shè)備a在系統(tǒng)邊界內(nèi)氣候變暖脅迫因子CO2、CH4和N2O的排放量，Aαci、Bαci、Cαci分別指氣候變暖脅迫因子CO2、CH4和N2O的當(dāng)量系數(shù)。

3.3 管養(yǎng)環(huán)境影響LCA特征量

表5表明，草坪管養(yǎng)的資源能源消耗和氣候變暖潛值特征量均為最高，分別為64 100MJ/(hm2·y-1)和572kg CO2-e/(hm2·y-1)。草坪管養(yǎng)的資源能源消耗量比喬木管養(yǎng)[45 100MJ/(hm2·y-1)]高出42%，環(huán)境變暖潛值較喬木管養(yǎng)[268kg CO2-e/(hm2·y-1)]高出113%。

3.4 管養(yǎng)環(huán)境影響的標(biāo)準(zhǔn)化加權(quán)評估

表6中每hm2的成齡綠地：喬木管養(yǎng)的環(huán)境影響指數(shù)最低，為0.006 6，草坪和灌木管養(yǎng)的環(huán)境影響指數(shù)較高，分別為0.012 7和0.012 2，比喬木高92%和85%；地被的管養(yǎng)環(huán)境影響程度在各植物層中居中，為0.007 5，比喬木管養(yǎng)高14%。

圖6顯示，施肥和垃圾清運對成齡綠地管養(yǎng)的環(huán)境負(fù)荷影響較高，這2項工作在各植物層中的環(huán)境影響指數(shù)之和所占比重均為75%以上。施肥的環(huán)境影響指數(shù)占各植物層指數(shù)比重均值為44%，是造成綠地管養(yǎng)環(huán)境影響的主要因素；垃圾清運次之，其環(huán)境影響指數(shù)占各植物層指數(shù)均值的31%。

3.5 綠地管養(yǎng)環(huán)境影響指數(shù)與農(nóng)林業(yè)對比

表7表明，成齡綠地管養(yǎng)的環(huán)境影響指數(shù)均值與農(nóng)林業(yè)對比處于中低水平，分別為農(nóng)田管理與果園管理環(huán)境影響指數(shù)的23%和42%，稍高于經(jīng)濟林管理的環(huán)境影響指數(shù)。綠地管養(yǎng)的資源能源消耗指數(shù)明顯高于農(nóng)林業(yè)的平均水平，而溫室氣體排放造成的環(huán)境變暖潛值較低。初步分析原因為：與大面積單一物種管理的農(nóng)林業(yè)相比，城市綠地單位面積的管養(yǎng)需求與復(fù)雜化程度較高，對部分管養(yǎng)物資(如肥料、農(nóng)藥和水資源)的需求量可能更大，造成資源能源消耗指數(shù)偏高。而綠地管養(yǎng)多以小型設(shè)備為主，對比使用大型設(shè)備較多的農(nóng)林業(yè)，因其功率普遍偏小，單位時間內(nèi)的溫室氣體排放量也比大型設(shè)備更少。

表7 城市綠地管養(yǎng)環(huán)境影響指數(shù)均值與幾種農(nóng)林產(chǎn)業(yè)對比

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

基于LCA評價方法，以資源能源消耗和氣候變暖潛值為影響因子的成齡綠地管養(yǎng)環(huán)境影響量化結(jié)果表明如下。

1)喬木的管養(yǎng)環(huán)境影響強度最低，其環(huán)境影響指數(shù)比城市綠地均值低32%。

2)施肥和垃圾清運是造成環(huán)境影響的主要因素，占綠地管養(yǎng)環(huán)境影響指數(shù)均值的75%以上，綠地管養(yǎng)過程中應(yīng)對施肥和垃圾清運方法進(jìn)一步優(yōu)化。

3)與農(nóng)林業(yè)相比，城市綠地管養(yǎng)環(huán)境影響指數(shù)處中低水平，但資源能源消耗因子的影響指數(shù)偏高，應(yīng)當(dāng)引起重視。

4.2 討論

綠地是城市中提供生態(tài)服務(wù)，營造健康人居環(huán)境的重要場所[40]。管養(yǎng)工作在保證綠地實現(xiàn)其生態(tài)效益的同時也增加了負(fù)面環(huán)境壓力。本研究反映出2個特征：1)植物群落中喬木管養(yǎng)的環(huán)境負(fù)擔(dān)最低，草坪和灌木較高；2)各類管養(yǎng)工作中施肥和垃圾清運是造成環(huán)境負(fù)擔(dān)的主要因素。本文的量化數(shù)據(jù)顯示了單位面積喬木管養(yǎng)的環(huán)境影響指數(shù)比草坪和灌木低45%以上，這進(jìn)一步證明了喬木在各類園林植物中具有最小管養(yǎng)需求和最高生態(tài)效益的特點[41]。施肥的高環(huán)境負(fù)擔(dān)也普遍體現(xiàn)在農(nóng)林生產(chǎn)中：Ahmand等發(fā)現(xiàn)柑橘園管養(yǎng)中施肥能耗占總能耗的53%[42]；Lazzerint總結(jié)出觀賞植物苗圃管理中施肥的CO2排放占碳排放總量的78%[43]。因此，城市綠地管養(yǎng)應(yīng)科學(xué)控制肥料使用量，避免過量施肥。

LCA模型可廣泛應(yīng)用于綠地可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能減排研究。2010年李樹華教授提出：應(yīng)在綠地使用過程中采用例如LCA方法的量化手段對其環(huán)境沖擊進(jìn)行評價，一方面用于改善使用階段的維護(hù)措施，降低環(huán)境影響；另一方面用于指導(dǎo)低養(yǎng)護(hù)需求的新建綠地規(guī)劃設(shè)計[44]。本文探討了LCA方法對于量化綠地管養(yǎng)環(huán)境影響的適用性，并對其中2個主要環(huán)境因子建立了特征量運算模型。后續(xù)研究應(yīng)通過補充環(huán)境影響特征因子，優(yōu)化特征系數(shù)來完善特征量運算模型，提高管養(yǎng)環(huán)境影響指數(shù)的準(zhǔn)確性。

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制。