草循环（碎草覆盖）作为可持续草坪管理实践：基于温室气体足迹比较的评估

《Sustainability》：Is Grasscycling (Mulching) a Sustainable Lawn Management Practice? A Focus on Comparison of Greenhouse Gas Footprints

　　

草循环（Grasscycling，碎草覆盖）已成为一种重要的草坪管理技术，其中粉碎后的草屑被回返至草坪。该技术有助于养分循环和碳封存，但草坪的温室气体（GHG）通量预计会升高。为探究草循环是否有助于GHG减排，量化GHG足迹至关重要。然而，目前鲜有研究调查草循环草坪的GHG通量。为填补这一知识空白，本研究量化了在实验室复现条件下草循环草坪的GHG排放。此外，研究人员将草循环草坪（草循环情景）的GHG足迹与刈割草屑经焚烧并施用化肥的草坪（焚烧与施肥情景）进行了比较。采用玻璃纤维滤纸法比较各处理的肥效与GHG通量。源自草屑的GHG通量是化肥的2.7倍。然而，草循环草坪的GHG足迹估计约为焚烧与化肥施用情景的24%。这些结果表明，草循环是草坪管理过程中减少GHG排放的有效技术。

草循环（Grasscycling）作为可持续草坪管理实践的温室气体足迹评估

一、研究背景与问题提出

气候变化已成为全球关注的重大问题，各领域均在推进温室气体（GHG）减排工作。政府间气候变化专门委员会（IPCC）指出，改善草地管理是技术上可行且日益经济有效的减缓替代方案。已有研究表明，草坪草可在数十年间将碳封存于土壤中，而从草坪生产到草屑处置的全生命周期GHG预算评估显示，在粗放管理条件下（如城市公园），草坪可作为GHG的汇。但在集约管理场地（如高尔夫球场和足球场），草屑的循环利用对于实现碳中和草坪管理至关重要。近年来，草循环——一种无需堆肥设施或碳化炉等特殊设备即可实现草屑再利用的方法——作为可持续草坪管理技术日益受到关注。然而，草循环实践对草坪GHG预算的影响仍不明确。

草循环是指将刈割后的草粉碎后回返田间的“覆盖”技术，已知有助于养分循环、碳封存和草坪质量提升。有研究报道，草循环即使在氮肥施用量减少50%的情况下仍能维持草坪质量，也有研究显示两年草循环可增加土壤碳。然而，草循环可能增加草坪的GHG通量。目前，基于生命周期评价（LCA）方法对草循环草坪GHG通量及草坪管理能源资源消耗GHG排放的研究甚少，草循环对草坪管理GHG足迹的影响尚不清楚，草屑的长期分解行为也缺乏了解。

二、研究内容与主要结论

本研究由三个实验组成。实验1在实验室复现条件下调查草循环草坪的肥效和直接GHG通量；实验2采用玻璃纤维滤纸法在一年内研究草屑的分解行为；实验3运用LCA方法估算草循环草坪与刈割草屑焚烧并施用化肥草坪的情景GHG足迹。研究得出以下主要结论：草屑来源的GHG通量是化肥的2.7倍，但草循环草坪的GHG足迹仅为焚烧与化肥施用情景的约24%；草屑中碳和氮一年后的残留率约为25%；草循环是一种无需特殊设备即可减少草坪管理GHG排放的可持续技术。

三、主要关键技术方法

本研究主要采用了以下关键技术方法：一是玻璃纤维滤纸法（glass fiber-filter paper method），用于比较各处理的肥效与GHG通量，将草屑或化肥封装于玻璃纤维滤纸袋中置于土壤表面以追踪其分解过程；二是密闭室法（closed chamber method），用于量化草坪的CO₂、CH₄和N₂O通量，气体样品通过配备火焰离子化、热导和⁶³Ni电子捕获检测器的气相色谱仪分析；三是生命周期评价（LCA）方法，采用MiLCA 2.3软件计算汽油和化肥的GHG排放因子，用于情景化GHG足迹比较。实验1以草地早熟禾（Poa pratensis L.）为供试植物，设置种植与不种植两组，每组包含对照、化肥处理和两种草屑切割宽度（20 mm和3 mm）处理。

四、研究结果

4.1 实验1：草循环草坪的肥效与GHG通量调查

玻璃纤维滤纸袋内容物变化：化肥和草屑处理的干重、碳含量和氮含量在两组中均随时间下降，表明土壤表面的草屑和化肥发生分解，且有无植物种植的下降趋势相似。

土壤NO₃-N和NH₄-N浓度：不种植组各处理土壤NO₃-N浓度在实验期间保持近似恒定，而种植组各处理在实验开始后第三天出现显著下降趋势。两组中化肥和草屑处理的NH₄-N浓度在开始后第六或第十天上升，表明氨化作用此时增强，草屑中有机氮在一至两周内矿化为无机氮，其无机氮供应速度与化肥相近。

排水及草坪生长：两组各处理间排水总碳和总氮含量无显著差异，种植组各处理排水总碳和总氮含量极低。实验结束时，对照处理草坪干重显著低于化肥和20 mm草屑处理，而草屑处理与化肥处理间无显著差异，表明草屑具有替代化肥的潜力。

各处理GHG通量：光照期对照和化肥处理的CO₂通量在实验期间为负值，而草屑处理在第六天呈现正值，表明土壤呼吸速率超过光合作用。第十天后，3 mm草屑处理的CO₂通量为所有处理中最高。CH₄通量在第十天所有处理均呈正值，处理间差异较小。化肥和草屑处理的N₂O通量在实验前半段被观测到，草屑处理的N₂O通量大多高于化肥处理。草屑处理的CO₂和N₂O总排放量明显高于对照和化肥处理，草屑来源的总GHG排放量约为化肥的2.7倍。

4.2 实验2：草屑分解行为调查

一年分解实验显示，两种草屑处理的碳、氮和纤维素含量在前两个月内大幅下降，半纤维素含量以恒定速率随时间下降，木质素含量随时间略有下降。除纤维素外，3 mm草屑处理各项指标大多低于20 mm草屑处理。一年后碳和氮的残留率约为25%，纤维素和半纤维素约为10%，木质素约为50%，表明草循环可增强草坪的碳封存能力。

4.3 实验3：草循环草坪与焚烧及化肥施用草坪的GHG足迹比较

情景分析显示，草屑焚烧的GHG排放最高，其次为化肥施用。草循环情景的总GHG排放显著低于焚烧与化肥施用情景，且主要来源于草坪GHG通量，不同草屑切割宽度间的总GHG排放差异很小。焚烧与化肥施用情景中，草屑焚烧排放占总量的63%，化肥施用占25%，其他草坪管理技术的排放占比不足8%。

五、讨论与结论

讨论部分指出，草屑分解释放的氮可能被草坪快速吸收，草循环具有替代化学肥料的潜力；草循环虽增加了草坪的直接GHG通量，但焚烧和施肥的GHG排放远超直接通量，使草循环草坪的GHG足迹仅为焚烧与化肥情景的四分之一左右。即使考虑草循环肥效仅为化肥的50%而需补充化肥的情况，草循环草坪的总GHG排放仍约为焚烧与化肥情景的三分之一。研究同时指出，草坪在约30年间平均每年封存约100 g-C·m^?2（367 g-CO₂·m^?2），约为草循环草坪1.5个月GHG排放量的4.5倍，可覆盖日本草坪主要生长季约7个月的排放；而这一碳封存量与焚烧和化肥施用情景的GHG排放相当，再次确认了草屑循环利用是碳中和草坪管理的关键要素。

研究结论为：本研究揭示，虽然草循环导致直接GHG通量增加，但由于焚烧和施肥的GHG排放远超直接GHG通量，草循环草坪的GHG足迹估计约为焚烧与化肥施用情景的四分之一。这些结果表明，草循环是一种无需特殊设备即可在草坪管理过程中减少GHG排放的可持续技术。