基于植被固碳釋氧原理的路面建設(shè)碳排放評價(jià)及碳中和策略

文 遼寧省交通建設(shè)投資集團(tuán)有限責(zé)任公司 曹繼偉 任俊達(dá) 王昕 姚翔 程毅

由于交通運(yùn)輸行業(yè)所帶來的碳排放量約占碳排放總量的14%，因此，對于高速公路碳排放的研究已成為近年來被關(guān)注的焦點(diǎn)。鑒于碳沉降法、薄膜分離法制作氣肥、碳基塑料的研制等方法技術(shù)復(fù)雜、成本高、缺乏成熟度，基于生態(tài)功能自然規(guī)律的植被固碳釋氧成為學(xué)者們一直以來的研究重點(diǎn)。

隨著全球溫室效應(yīng)愈演愈烈，因氣候變暖引發(fā)的各種環(huán)境問題正在嚴(yán)重影響社會的可持續(xù)發(fā)展，減少以二氧化碳為主的溫室氣體排放刻不容緩。在全球范圍內(nèi)，交通運(yùn)輸行業(yè)所帶來的碳排放量約占碳排放總量的14%。截至2021年底，我國高速公路里程達(dá)到16萬余公里，位居世界第一。未來，隨著人們對高速公路需求的增長，碳排放量會越來越多，對環(huán)境的影響也越來越大，因此，對于高速公路碳排放的研究已成為近年來備受關(guān)注的焦點(diǎn)。

當(dāng)前，利用壽命周期評價(jià)方法（LCA）對高速公路建設(shè)與運(yùn)營周期的資源消耗和潛在環(huán)境影響進(jìn)行辨識、量化和評價(jià)，成為推動資源節(jié)約型和環(huán)境友好型行業(yè)建設(shè)的積極探索；已提出的高速公路碳處理方法包括：碳沉降法、薄膜分離法制作氣肥、碳基塑料的研制等，鑒于這些方法技術(shù)復(fù)雜、成本高、缺乏成熟度，基于生態(tài)功能自然規(guī)律的植被固碳釋氧成為學(xué)者們一直以來的研究重點(diǎn)。

國外對植物固碳釋氧的研究較早，而我國則在進(jìn)入20世紀(jì)90年代之后才開始對植物固碳釋氧進(jìn)行研究，并取得了一定成果。研究結(jié)果表明，每公頃公園的綠化植被每日可吸收二氧化碳0.9噸，生產(chǎn)氧氣0.6噸。不同的植物因生理特性不同，同化二氧化碳和釋放氧氣的能力亦有差異，生物量越大的植物光合能力越強(qiáng)，固碳釋氧量越高，表現(xiàn)為“喬木＞灌木＞草本”。

如今，公路綠化大多重視視覺效果、忽視生態(tài)效益，有些綠化帶甚至以單一喬木為主，這種“稀樹草原”雖然視覺效果較好，但缺少樹種間的生態(tài)優(yōu)勢互補(bǔ)，道路植被固碳釋氧、除塵等生態(tài)服務(wù)功能的綜合生態(tài)效益不高。鑒于此，本文中所提及的研究以遼寧省某高速公路的路面工程為例，對建設(shè)期的碳排放進(jìn)行研究。基于固碳釋氧原理，分析了綠化植被完成路面建設(shè)期碳中和的可行性，并對不同樹種的固碳量、釋氧量進(jìn)行計(jì)算，討論了不同樹種搭配下完成碳中和所需的時(shí)間。

公路建設(shè)期碳排放分析

公路建設(shè)期碳排放分析是基于可持續(xù)發(fā)展和全壽命周期評價(jià)理論，將高速公路視為產(chǎn)品系統(tǒng)，對高速公路路面建設(shè)期的碳排放進(jìn)行定量分析。

邊界條件界定

瀝青路面建設(shè)期間材料產(chǎn)品的生產(chǎn)工序較為復(fù)雜，且本次研究部分的內(nèi)容需要結(jié)合遼寧省某高速新建項(xiàng)目實(shí)際工程建設(shè)進(jìn)行分析，若過于追求量化研究內(nèi)容的全面性和廣泛性則需制定大量假設(shè)條件，分析較深時(shí)不僅難以獲得數(shù)據(jù)，且處理得出的結(jié)果也可能大大降低最終可靠性，故需進(jìn)行合理的量化邊界確定。

瀝青路面建設(shè)施工階段所帶來的環(huán)境影響主要由施工設(shè)備在運(yùn)行時(shí)燃燒的能源所產(chǎn)生。主要的施工機(jī)械可分為四大類，分別為拌和設(shè)備、攤鋪設(shè)備、壓實(shí)設(shè)備及輔助設(shè)備。這些設(shè)備的能源主要包含柴油、汽油和重油等。

功能單位

為了能更好地反映高速公路建設(shè)期碳排放情況，同時(shí)利于研究比較，取1公里高速公路雙向六車道半幅路作為1個基本單元，行車道寬3.75米，硬路肩3米，路緣帶0.75米。擬定遼寧省某新建高速公路路面結(jié)構(gòu)，如表1所示。

表1 擬定路面結(jié)構(gòu)

碳排放模型

建設(shè)期間的尾氣排放由二氧化碳、甲烷、氟氫碳化物等多種溫室氣體組成，根據(jù)溫室氣體的影響，利用全球變暖潛值將其他氣體質(zhì)量換算成二氧化碳當(dāng)量，計(jì)算公式如式（1）所示。

碳排放清單分析

材料物化階段 材料物化階段是指材料在生產(chǎn)和利用前全部上游活動所產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷總和，以碳排放量和總能耗表征。根據(jù)工程量清單和《公路工程預(yù)算定額》涉及的材料消耗進(jìn)行主要材料的確認(rèn)，對于典型瀝青路面，主要的材料包括：瀝青、碎石、礦粉、外加劑、水泥、水和周轉(zhuǎn)材料等。通過計(jì)算得到單位功能單位典型瀝青路面各層材料的消耗清單數(shù)量，進(jìn)而得到物化階段單位功能單位瀝青路面結(jié)構(gòu)主要材料的能耗和排放清單。

表2 功能單位瀝青路面結(jié)構(gòu)消耗清單

運(yùn)輸及攤鋪階段 建設(shè)期大部分建造活動是通過工程機(jī)械來實(shí)現(xiàn)的，使用機(jī)械必然需要消耗動力燃料和能源，故建設(shè)期的碳排放分析主要針對施工機(jī)械和材料運(yùn)輸過程的碳排放情況開展。參考《公路工程機(jī)械臺班費(fèi)用定額》，并結(jié)合項(xiàng)目施工過程機(jī)械的油耗情況進(jìn)行修正，得到相應(yīng)機(jī)械油耗數(shù)據(jù)作為參考，進(jìn)行建設(shè)期碳排放分析。

假設(shè)水穩(wěn)拌和站距施工現(xiàn)場的運(yùn)距平均為8公里，料場及瀝青混合料拌和站距施工現(xiàn)場的運(yùn)距平均為10公里。根據(jù)工程量清單和《公路工程機(jī)械臺班費(fèi)用定額》計(jì)算功能單位高速公路各施工工序使用的施工機(jī)械及臺班數(shù)，得到不同施工機(jī)械的燃料消耗和能耗值。

表3 建設(shè)期施工機(jī)械碳排放匯總表

綠化帶植被固碳釋氧分析

綠化樹種類別及固碳釋氧能力

以遼寧省西南地區(qū)為例，將30個樹種樣本各自看成一類，以日凈固碳量作為特征向量，用Ward法對樹種進(jìn)行聚類，30個樹種的日凈固碳量高低可分為6類，依次為：

第一類（日凈固碳量極高）：銀中楊（11.374g·m-2·d-1）；第二類（日凈固碳量高）：新疆楊（9.130g·m-2·d-1）、榆樹（8.983g·m-2·d-1）、垂柳（8.259g·m-2·d-1）、旱柳（8.005g·m-2·d-1）；第三類（日凈固碳量中等）：刺槐（7.329g·m-2·d-1）、梓樹（7.110g·m-2·d-1）、紫丁香（7.10 5 g·m-2·d-1）、白樺（6.939g·m-2·d-1）、欒樹（6.785g·m-2·d-1）、合歡（6.629g·m-2·d-1）、榆葉梅（6.498g·m-2·d-1）；第四類（日凈固碳量偏下）：皂角（6.177g·m-2·d-1）、油松（6.005g·m-2·d-1）、金葉榆（5.979g·m-2·d-1）、五角楓（5.927g·m-2·d-1）、金銀忍冬（5.911g·m-2·d-1）、檜柏（5.712g·m-2·d-1）、京桃（5.626g·m-2·d-1）、京山梅花（5.464g·m-2·d-1）、三角楓（5.412g·m-2·d-1）、云杉（5.236g·m-2·d-1）、連翹（5.036g·m-2·d-1）；第五類（日凈固碳量低）：小葉黃楊（4.704g·m-2·d-1）、銀杏（4.397g·m-2·d-1）、大花水椏木（4.143g·m-2·d-1）、女貞（3.778g·m-2·d-1）、東北山梅花（4.395g·m-2·d-1）、風(fēng)箱果（4.527g·m-2·d-1）；第六類（日凈固碳量極低）：紅葉李（2.178g·m-2·d-1）。

依照植物分類將各植物固碳量匯總，如圖1（a）、（b）、（c）、（d）所示。

圖1 植物固碳量匯總圖

由上圖可知，落葉喬木中銀中楊日固碳量最高，可達(dá)11.374g·m-2·d-1；常綠喬木三種植被日固碳釋氧能力基本相當(dāng)，其中油松日固碳釋氧量為6.005 g·m-2·d-1、檜柏日固碳釋氧量5.712 g·m-2·d-1；落葉灌木中紫丁香以及榆葉梅日固碳釋氧能力較高，分別為7.105 g·m-2·d-1、6.498 g·m-2·d-1；常綠灌木中京山梅花日固碳釋氧量最高，可達(dá)5.464 g·m-2·d-1。

從整體上看，不同類型樹種日固碳量有較大區(qū)別，同種類型不同樹種的固碳釋氧能力量級相當(dāng)，但也存在一定的區(qū)別；其次，綠化樹種需要通過其葉片上的氣孔進(jìn)行光合作用，而由于綠化樹種布置在行車道旁，所處環(huán)境空氣較差，這會導(dǎo)致懸浮顆粒堵塞葉片上的氣孔進(jìn)而導(dǎo)致光合作用下降。因此，在實(shí)際的綠化樹種配置中應(yīng)結(jié)合實(shí)際地理位置及交通狀況進(jìn)行選擇。

為探究綠化帶不同植被配置方案的固碳釋氧能力，擬定1公里道路作為試驗(yàn)路段進(jìn)行研究，采用葉面積指數(shù)（葉面積指數(shù)=葉片總面積/土地面積）進(jìn)行計(jì)算，分別對中央分隔帶、邊坡進(jìn)行討論。

中央分隔帶植被的固碳釋氧分析

方案一：植物種植形式為每4米栽1.5米京山梅花及1.5米紫丁香，同時(shí)配置草坪，種植形式選擇剪形綠籬栽植，便于后期進(jìn)行機(jī)械化養(yǎng)護(hù)管理。

方案二：植物種植形式為每4米栽1.5米京山梅花及1.5米榆葉梅，同時(shí)配置草坪，種植形式選擇剪形綠籬栽植，便于后期進(jìn)行機(jī)械化養(yǎng)護(hù)管理。

取典型路面橫斷面進(jìn)行研究，中央分隔帶寬度3米，計(jì)算1公里內(nèi)按照不同方案配置中央分隔帶綠植的日固碳量，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 中央分隔帶兩種方案日固碳量（單位：g）

整體上，方案二的固碳釋氧能力均優(yōu)于方案一，因此方案二生態(tài)環(huán)境收益更為可觀。

邊坡植被的固碳釋氧分析

填方段

方案一：滿栽紫丁香，密度為6.25株/平方米；坡腳3排銀中楊，規(guī)則式栽植，株行距為2米×2米。

方案二：滿栽榆葉梅，密度為6.25株/平方米；坡腳3排銀中楊，規(guī)則式栽植，株行距為2米×2米。

方案三：沿邊坡向下2米范圍內(nèi)栽植5排紫丁香；紫丁香以下至護(hù)坡道外邊緣，滿栽榆葉梅；坡腳3排銀中楊，規(guī)則式栽植，株行距為2米×2米。

取填方段邊坡寬度25米，1公里不同方案配置填方段邊坡綠植的日固碳量匯總見表5。

表5 填方段邊坡三種方案日固碳量（單位：g）

由上表分析知，在滿栽紫丁香，密度為6.25株/平方米，坡腳3排銀中楊，規(guī)則式栽植，株行距為2米×2米時(shí)，固碳釋氧能力最強(qiáng)，相較于方案一、方案三，日固碳釋氧能力高出100kg。

挖方段

方案一：采用紫丁香、榆葉梅混栽，密度為6.25株/平方米，每28米為一組，每組設(shè)計(jì)3株油松（高3.5米～4.5米）。

方案二：滿栽紫丁香，密度為6.25株/平方米，每28米為一組，每組設(shè)計(jì)3株油松（高3.5米～4.5米）。

方案三：滿栽榆葉梅，密度為6.25株/平方米，每28米為一組，每組設(shè)計(jì)3株油松（高3.5米～4.5米）。

方案四：采用紫丁香、榆葉梅混栽，密度為6.25株/平方米，每25平方米點(diǎn)綴一平方米京山梅花。

取挖方段邊坡寬度25米，1公里不同方案配置挖方段邊坡綠植的日固碳釋氧量匯總見表6。

表6 挖方段邊坡四種方案日固碳釋氧量（單位：g）

由上表分析可知，四種方案日固碳量中方案二效果較好，但是從景觀協(xié)調(diào)性角度而言，方案四景觀協(xié)調(diào)性更佳，有利于緩解駕駛員的視覺疲勞。

碳中和策略分析

本次研究基于植被固碳釋氧原理，結(jié)合碳中和的時(shí)代背景，從綠化帶固碳角度，探討了高速公路建設(shè)期碳排放的中和策略，得出了以下結(jié)論：

通過對擬定高速公路新建項(xiàng)目路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行碳排放溯源和核算，在整個建設(shè)期內(nèi)功能單位碳排放量高達(dá)1927763.16千克；對遼寧省內(nèi)常見30種綠化樹種的固碳釋氧能力進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，其單位葉面積固碳釋氧能力與植物種類有關(guān)，其中落葉喬木日固碳釋氧能力最高，常綠灌木則最低；對綠化帶樹種配置及對應(yīng)的固碳釋氧能力進(jìn)行的計(jì)算結(jié)果表明，在1公里范圍內(nèi)，中央分隔帶采用京山梅花與紫丁香混栽、邊坡采用紫丁香滿栽，坡腳采用栽種銀中楊的方式日均固碳量最高，可達(dá)1295.99千克。

表7 路面建設(shè)期碳排放匯總表

通過綜合碳排放及綠化帶植被固碳釋氧能力的分析，以擬定高速新建項(xiàng)目為例，得出了完成建設(shè)期碳排放碳中和至少需要4.7年的時(shí)間這一結(jié)論。