基于LCA的合肥濱湖國(guó)家森林公園的環(huán)境評(píng)估

江曉雨，劉康楨，徐 帥

（1.安徽省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院,合肥 230031；2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130118）

隨著全球氣候變化問題的日益嚴(yán)重，減少碳排放并實(shí)現(xiàn)碳中和成為全球共同關(guān)注的重要議題。中國(guó)作為全球溫室氣體排放國(guó)之一，提出2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。森林作為重要的天然碳匯，能夠從大氣中吸收和儲(chǔ)存CO2，被廣泛認(rèn)為是緩解全球變暖的重要手段。根據(jù)第九次全國(guó)森林資源清查結(jié)果，中國(guó)森林面積2.2 億ha，森林覆蓋率23%。其中天然林面積1.4 億ha、占64%，人工林面積0.8 億ha、占36%，繼續(xù)保持世界首位[1]，人工林已經(jīng)成為國(guó)家固碳減排戰(zhàn)略的重要組成部分。近年來，全國(guó)多地因地制宜加快推進(jìn)以人工林為主體的森林公園建設(shè)，以實(shí)現(xiàn)森林?jǐn)?shù)量不斷增加，森林質(zhì)量穩(wěn)步提升，增匯能力顯著增強(qiáng)。

然而，在人工造林和森林經(jīng)營(yíng)的過程中，為有效控制森林病蟲害、促進(jìn)林木健康生長(zhǎng)，需使用農(nóng)藥、化肥和除草劑，氮素、磷酸鹽等元素通過揮發(fā)和淋濾進(jìn)入自然環(huán)境，引起淡水環(huán)境富營(yíng)養(yǎng)化和土壤礦化，過量的氮肥向空氣中釋放N2O，其溫室效應(yīng)是CO2的300倍。另外，營(yíng)林機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)也不可避免地需要化石燃料和潤(rùn)滑劑，在使用營(yíng)林機(jī)械時(shí)，CO2、SO2和氮氧化物等廢氣會(huì)釋放到大氣中，大大增加全球變暖潛勢(shì)、酸化潛勢(shì)和光化學(xué)氧化劑形成潛勢(shì)，可見人工造林對(duì)陸地、淡水和海洋生態(tài)環(huán)境造成了不可忽視的影響。

因此，人工森林公園的生態(tài)和環(huán)境影響是復(fù)雜和多方面的，對(duì)其碳平衡和環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行全面評(píng)估對(duì)于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、推動(dòng)生態(tài)文明建設(shè)顯得尤為必要。生命周期評(píng)價(jià)（LCA）是一種用于評(píng)估產(chǎn)品從原材料的獲取、生產(chǎn)和使用直至產(chǎn)品使用后的報(bào)廢處置等整個(gè)生命周期中造成的環(huán)境影響的方法，通常被作為解決人工造林和森林經(jīng)營(yíng)過程中污染物控制問題的有效方法。[2]合肥濱湖國(guó)家森林公園是中國(guó)第一個(gè)由退耕還林的人工林經(jīng)生態(tài)修復(fù)后建成的森林公園，該公園的建設(shè)旨在推動(dòng)森林保護(hù)和生態(tài)修復(fù)，是助力安徽省實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要舉措。作為一個(gè)新興的森林公園，該公園的碳平衡和環(huán)境負(fù)荷情況尚未得到深入評(píng)估。本研究利用LCA方法評(píng)估合肥濱湖國(guó)家森林公園的碳平衡和環(huán)境負(fù)荷。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

合肥濱湖國(guó)家森林公園位于安徽省合肥市主城區(qū)東南部（E 117.3°，N 31.78°），北依甲子河，南連巢湖北岸，東至南肥河，緊臨十五里河入湖口（圖1）。公園占地總面積為1 072 hm2，其中森林面積為799 hm2，水域面積為263 hm2，森林覆蓋率達(dá)74.6%。公園屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和濕潤(rùn)，四季分明，梅雨顯著、夏雨集中。年平均氣溫15.7 ℃，年平均降水量約1 000 mm，年平均日照時(shí)數(shù)2 100 h 以上。地勢(shì)西北部高，東南部和北部低洼，崗少圩多，圩區(qū)中間低四周高，是一個(gè)典型的圩湖地區(qū)。土壤以粉砂土為主，輔以少部分的鐵砂土。該公園動(dòng)物資源相對(duì)匱乏，植物資源多為人工種植，內(nèi)有植物共計(jì)280 多種，園區(qū)內(nèi)人工林主要由楊樹組成，兼有部分水杉、女貞、香樟、銀杏、濕地松等樹種。

圖1 合肥濱湖國(guó)家森林公園地理位置概況

1.2 生命周期評(píng)價(jià)清單

本文利用SimaPro 9.4.0.1進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)。選取的評(píng)價(jià)模型為ReCiPe 2016 Midpoin（tH）。該模型把環(huán)境負(fù)荷分為18類，分別是溫室氣體、臭氧層消耗、電離輻射、臭氧人類毒性、PM 2.5、臭氧生態(tài)毒性、陸地酸化、淡水富營(yíng)養(yǎng)化、海洋富營(yíng)養(yǎng)化、陸地生態(tài)毒性、淡水生態(tài)毒性、海洋生態(tài)毒性、人體致癌毒性、人體非致癌毒性、土地使用、礦產(chǎn)資源消耗、化石資源消耗、淡水消耗。環(huán)境負(fù)荷的計(jì)算方式為

式中:EPj為第j種環(huán)境影響類型的影響潛值；Qji為第i種環(huán)境影響因子的排放或消耗量；EFji為第i種環(huán)境影響因子對(duì)第j類環(huán)境影響的當(dāng)量系數(shù)。

建造楊樹人造林的生命周期評(píng)價(jià)清單主要來自于文獻(xiàn)查閱（表1），在第一階段（Stage 1），主要輸入的材料包括殺蟲劑、交通運(yùn)輸、灌溉、綠色肥料（建園初期使用的動(dòng)物糞便為樹苗提供營(yíng)養(yǎng)）、殺蟲劑、汽油、電力和柴油。在第二階段（Stage 2），主要輸入的材料包括商業(yè)化肥、草甘膦、殺蟲劑、交通運(yùn)輸、柴油和電力。在第三階段（Stage 3），主要輸入的材料仍包括殺蟲劑、交通運(yùn)輸、柴油和電力，但在楊樹林成林后去除了商業(yè)化肥的施用。

表1 人工楊樹林生命周期輸入清單

1.3 CO2儲(chǔ)存的計(jì)算

根據(jù)合肥濱湖國(guó)家森林公園不同年份的楊樹林胸徑計(jì)算生物量，生物量計(jì)算公式為：

其中:D 是不同年份下人工楊樹的平均胸徑（實(shí)地考察）;A(48.22%）、B(48.79%）、C(47.91%）、d(41.99%）分別為楊樹樹干、樹枝、樹葉和樹根的含碳率。[5]

式中:CLCA是累計(jì)建成人工林消耗的CO2;R是森林土壤中儲(chǔ)存的碳（C）[6];R=206 g C m-2year-1，3.67是將碳轉(zhuǎn)換程CO2的系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 歸一化分析

對(duì)整個(gè)人工楊樹林生命周期進(jìn)行量化評(píng)估，根據(jù)表2 可知，柴油、汽油、楊樹木造成的溫室氣體排放分別占總溫室氣體排放的67.6%、20.2%、5.8%，化石燃料的使用是溫室氣體排放的主要來源。柴油導(dǎo)致的環(huán)境負(fù)荷占總環(huán)境負(fù)荷的84.6%，其造成的主要環(huán)境負(fù)荷類型是人體致癌毒性。柴油燃燒產(chǎn)生的煙灰有致癌作用，使得柴油燃燒的人體致癌毒性效應(yīng)較為突出。不同輸入材料的環(huán)境負(fù)荷大小依次為柴油＞汽油＞化肥＞交通運(yùn)輸＞楊樹木＞電力＞灌溉＞綠色肥料＞殺蟲劑。

表2 人工楊樹林的歸一化分析

人工楊樹林的主要環(huán)境負(fù)荷類型為人體致癌毒性、淡水生態(tài)毒性、海洋生態(tài)毒性，分別占人工楊樹林總環(huán)境負(fù)荷的56.1%、11.1%、8.5%，其中最主要的環(huán)境負(fù)荷類型是人體致癌毒性。這是由傳統(tǒng)機(jī)械使用過程中的柴油消耗造成的，而其他類型的環(huán)境負(fù)荷較小首先是由于輸入的量較小。不同環(huán)境影響類型的環(huán)境負(fù)荷大小依次為人體致癌毒性＞淡水生態(tài)毒性＞海洋生態(tài)毒性＞淡水富營(yíng)養(yǎng)化＞臭氧生態(tài)毒性＞臭氧人類毒性＞化石資源消耗＞陸地生態(tài)毒性＞陸地酸化＞溫室氣體＞海洋富營(yíng)養(yǎng)化＞PM 2.5＞人體非致癌毒性＞電離輻射＞臭氧層消耗＞淡水消耗＞土地使用＞礦產(chǎn)資源消耗。

2.2 環(huán)境特征分析

人工楊樹林的環(huán)境特征分析見表3 所示。三個(gè)階段的溫室氣體總排放量為175.24 kg CO2eq，其中Stage 2 排放量最高，為75.86 kg CO2eq，比Stage 1 和Stage 3 分別高出49.4%和19.6%。Stage 2 的PM 2.5 排放量最高，為0.17 kg PM 2.5 eq，占總計(jì)排放量的41.46%，比Stage 1和Stage 3分別高出52.94%和5.88%。大氣中的CH4、CO2和N2O 通常被認(rèn)為是溫室氣體的主要組成，在人工楊樹林建成過程中，溫室氣體的貢獻(xiàn)主要來自于CO2，而CH4和N2O 的排放可能來自于森林土壤中的微生物，關(guān)于土壤微生物的溫室氣體排放將在之后的章節(jié)討論。Stage 2的土地使用量最高，為6.90 m2a crop eq，比Stage 1和Stage 3分別高出6.13 m2a crop eq和1.18 m2a crop eq，總計(jì)為13.39 m2a crop eq。

表3 人工楊樹林的環(huán)境特征分析

人工楊樹林建成過程中的生態(tài)毒性和人體毒性的指標(biāo)較高，其中Stage 2和Stage 3陸地生態(tài)毒性的值最高，分別為289.14 kg 1,4-DCB 和233.33 kg 1,4-DCB。Stage 1 的淡水消耗量最高，為0.51 m3，比Stage 2 和Stage 3分別高出0.20 m3和0.33 m3。由于肥料的使用僅在Stage 2，因此只有該階段表現(xiàn)出了對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化的危害。合肥濱湖國(guó)家森林公園緊靠巢湖，防止土壤中的N 對(duì)周邊水域產(chǎn)生污染及其重要，因此在第一年使用綠色肥料來為楊樹林提供營(yíng)養(yǎng)的方法應(yīng)在以后的人工造林中被推廣。[7]

2.3 顯著環(huán)境負(fù)荷的特征分析

交通運(yùn)輸、柴油、汽油在Stage 1 和Stage 2 對(duì)溫室氣體排放的貢獻(xiàn)分別為4.8%、2.3%、92.3%和3.1%、89.7%、0%。Stage 1中的殺蟲劑、交通運(yùn)輸、柴油的貢獻(xiàn)較為均衡（圖2）。Stage 3中柴油的貢獻(xiàn)激增，成為最主要的溫室氣體排放因素（＞90%），肥料在溫室氣體的貢獻(xiàn)為Stage 2 的7.1%，高于3 個(gè)時(shí)期殺蟲劑和灌溉的總和。在土地使用方面，殺蟲劑使用量較少，在三個(gè)階段中的貢獻(xiàn)占比僅為0.06%、0.01%、0.01%。與溫室氣體特征化結(jié)果不同的是，在Stage 1 中的綠色肥料貢獻(xiàn)值占比達(dá)到了79.7%，比柴油的貢獻(xiàn)值高6.23 倍。在Stage 2 和Stage 3 中，交通運(yùn)輸和柴油的累計(jì)值超過了80%，其中柴油在Stage 3中的占比達(dá)到了98.6%。在淡水消耗的影響中，Stage 1 的灌溉是最主要的淡水消耗因素，在Stage 1的占比為97.4%，在累計(jì)三個(gè)階段中的占比仍然達(dá)到了49.9%。在之后的階段中，由于灌溉的停止導(dǎo)致了柴油的貢獻(xiàn)占比急劇上升，達(dá)到了54%和95.4%。肥料的貢獻(xiàn)值占總計(jì)的13.5%，而交通運(yùn)輸和電力的累計(jì)值占比僅為2.4%。

圖2 溫室氣體、土地使用、淡水消耗和環(huán)境毒性的具體化特征分析：（a）溫室氣體；（b）土地使用；（c）淡水消耗；（d）環(huán)境毒性。其中PE：殺蟲劑，TR：交通運(yùn)輸，DI：柴油，EL：電力，F(xiàn)E：肥料，GA：汽油，IR：灌溉

柴油在三個(gè)時(shí)期的環(huán)境毒性貢獻(xiàn)值達(dá)到了85.3%，在三個(gè)階段的占比分別為15.5%、82.9%、94.6%。汽油在運(yùn)輸中的使用對(duì)環(huán)境毒性的貢獻(xiàn)值在Stage 1 占比最高，且累計(jì)占比相似（6.9%和6.4%）。根據(jù)不同階段內(nèi)生產(chǎn)方式對(duì)溫室氣體、土地使用、淡水消耗和環(huán)境毒性的結(jié)果表明，人工楊樹林建成過程中的因素貢獻(xiàn)大小排序?yàn)椋翰裼停酒停净瘜W(xué)化肥＞運(yùn)輸＞灌溉＞綠色化肥＞殺蟲劑。盡管使用了綠色循環(huán)方式，但是傳統(tǒng)機(jī)械的使用仍然是造成環(huán)境毒性的主要因素[8]。

2.4 敏感性分析

為對(duì)合肥濱湖國(guó)家森林公園的后期維護(hù)管理和其他地區(qū)人工林的建設(shè)提供科學(xué)指導(dǎo)性意見，對(duì)該LCA 模型進(jìn)行了敏感性分析（圖3）。減少柴油使用和交通運(yùn)輸消耗對(duì)減少溫室氣體排放均有較大的影響，減少20%的柴油使用（S1H）比減少10%的柴油使用（S1）高6.7%，且減少20%的柴油使用可以減少13.6%的溫室氣體排放。減少10%和20%柴油的使用都可以大幅度降低生態(tài)毒性、土地使用、礦產(chǎn)資源消耗、化石資源消耗和淡水消耗的值，其中S1H 比S1 的所有環(huán)境特征的平均下降值高1 倍。減少柴油消耗的主要方法是使用電動(dòng)或混動(dòng)設(shè)備對(duì)楊樹林進(jìn)行修枝、粉碎和落葉清理，降低柴油機(jī)械車的使用頻率。[9]此外，在造林過程中使用合適的營(yíng)林機(jī)械，減少設(shè)備不必要的空轉(zhuǎn)以及優(yōu)化負(fù)載尺寸等也可以降低柴油消耗。

圖3 敏感性分析:S1—減少10%的柴油使用；S1H—減少20%的柴油使用；S2—減少10%交通運(yùn)輸?shù)南模籗2H—減少20%交通運(yùn)輸?shù)南模籗3—將核電改為煤炭能源發(fā)電；S4—將核電改為生物乙醇能源發(fā)電；S5—將核電改為石油能源發(fā)電

減少10%和20%交通運(yùn)輸?shù)南臅?huì)提高2.5%和2.2%的電離輻射值，但是會(huì)降低平均環(huán)境特征影響的0.05%和0.35%，其中對(duì)陸地生態(tài)毒性的降低最為明顯，達(dá)到了0.84%和2.14%。合肥作為汽車新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要城市，城市運(yùn)輸完全可以被電車替代，使用電動(dòng)汽車盡管會(huì)提高潛在的電離輻射，但是會(huì)大幅度降低主要的環(huán)境特征值。園區(qū)內(nèi)大量電動(dòng)載客汽車、觀光汽車和維護(hù)機(jī)械車在近些年被廣泛使用，在楊樹林成林后，交通運(yùn)輸造成的環(huán)境影響在未來可能會(huì)進(jìn)一步降低。在合肥濱湖國(guó)家森林公園的案例分析中電力的分配是核電優(yōu)先，然而核電改為生物乙醇能源發(fā)電或石油能源發(fā)電的改善效果都較小。對(duì)于電離輻射、臭氧層消耗、淡水生態(tài)毒性等環(huán)境特征來說，核電改為煤炭能源發(fā)電是最優(yōu)秀的策略。園區(qū)內(nèi)生產(chǎn)的大量楊樹和其余木質(zhì)纖維素生物質(zhì)可以作為生物乙醇的生產(chǎn)原料來降低LCA 中的環(huán)境影響特征[10，11]，然而由于模型內(nèi)產(chǎn)生的自我修正對(duì)于結(jié)果的分析是復(fù)雜且未知的，因此沒有計(jì)算在內(nèi)。

2.5 碳中和下的碳（C）固定量分析

合肥濱湖國(guó)家森林公園人工楊樹林建成第1年的凈吸收C 為-136.23 kg CO2eq，從第2年開始儲(chǔ)存C，在21 年后達(dá)到了158 634.42 kg CO2eq，結(jié)果表明人工楊樹林具有很強(qiáng)的固碳能力（圖4）。由于楊樹屬于速生樹種，因此在最初的10 年內(nèi)儲(chǔ)存C 的效率最高，在第11 年達(dá)到了累計(jì)總量的52.9%。與傳統(tǒng)的楊樹林不同，該森林公園的人工楊樹林以景觀為主要建成目標(biāo)，僅需要修枝不需要進(jìn)行輪伐，因此總體生物量在21 年后將達(dá)到較穩(wěn)定的水平。盡管根據(jù)Liu&Guo 的研究表明不同林地間的土壤微生物存在較大差異[12]，但是整體的呼吸強(qiáng)度差異較小，尤其是當(dāng)楊樹林成林后森林土壤表面覆蓋的落葉與枯枝充當(dāng)了真菌和其余微生物的環(huán)境穩(wěn)定劑。因此，每年土壤呼吸排出的CO2值與年份成正比。與楊樹林固定的C 值相比，維護(hù)楊樹林所投入的C 是微量的，這表明了在城市建造人工林的環(huán)境效益是巨大的。

圖4 人工楊樹林的碳中和分析

雖然迫切需要更多的數(shù)據(jù)來支持關(guān)于積極管理的人工林的碳匯強(qiáng)度的結(jié)論，但該研究為評(píng)估城市人工林的氣候減緩潛力提供了重要基線，同時(shí)還可作為評(píng)估重大森林管理戰(zhàn)略碳封存潛力的有效參考，例如持續(xù)提升城市綠化面積、封山育林、濕地保護(hù)等生態(tài)可持續(xù)性發(fā)展方向。[13]進(jìn)一步表明，人工林生物量的積累是碳封存的重要途經(jīng)，這意味著提高樹木生物量生產(chǎn)的林業(yè)集約化經(jīng)營(yíng)可能會(huì)優(yōu)于樹木生長(zhǎng)速度較低的森林經(jīng)營(yíng)方式。從碳封存和減緩地區(qū)性氣候變化的角度來看，長(zhǎng)期維護(hù)人工林將產(chǎn)生巨大的生態(tài)效益。[14]總的來說，本研究強(qiáng)調(diào)了人工林在提升城市樹木碳封存和減緩城市污染方面的關(guān)鍵作用。