文 遼寧省交通建設(shè)投資集團有限責(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。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。

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。

當(dāng)前，利用壽命周期評價方法（LCA）對高速公路建設(shè)與運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，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。

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，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，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?；诠烫坚屟踉?，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)行計算，討論了不同樹種搭配下完成碳中和所需的時間。

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目實際工程建設(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)備在運行時燃燒的能源所產(chǎn)生。主要的施工機械可分為四大類，分別為拌和設(shè)備、攤鋪設(shè)備、壓實設(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

運輸及攤鋪階段 建設(shè)期大部分建造活動是通過工程機械來實現(xiàn)的，使用機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械和材料運輸過程的碳排放情況開展。參考《公路工程機械臺班費用定額》，并結(jié)合項目施工過程機械的油耗情況進(jìn)行修正，得到相應(yīng)機械油耗數(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)場的運距平均為10公里。根據(jù)工程量清單和《公路工程機械臺班費用定額》計算功能單位高速公路各施工工序使用的施工機械及臺班數(shù)，得到不同施工機械的燃料消耗和能耗值。

表3 建設(shè)期施工機械碳排放匯總表

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，在實際的綠化樹種配置中應(yīng)結(jié)合實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，同時配置草坪，種植形式選擇剪形綠籬栽植，便于后期進(jìn)行機械化養(yǎng)護管理。

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，同時配置草坪，種植形式選擇剪形綠籬栽植，便于后期進(jìn)行機械化養(yǎng)護管理。

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，固碳釋氧能力最強，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年的時間這一結(jié)論。