基于海藻酸钠改良喷播播种种坡恢复碳减排与固碳效益分析：一项生命周期案例研究

《Ecological Engineering》：Analysis of carbon reduction and sequestration benefits of sodium alginate-based amended spray seeding for slope restoration: A life-cycle case study

　　

摘要

传统水泥基喷播种子修复坡面会导致高碳排放和土壤退化，难以在稳定性与碳减排之间取得平衡。海藻酸钠—氯化钙作为一种生物基材料，显示出替代水泥的前景，但其全生命周期环境影响尚未得到评估。本研究以江西一处红砂岩坡面项目为案例，验证了海藻酸钠基基材的稳定性，并构建了一个动态全生命周期碳核算框架，该框架采用三阶段—子项目结构进行详细的碳足迹分析，整合了植被年龄依赖型碳汇模型，并将生命周期评估（LCA）边界扩展至包含土壤有机碳库。研究评估了替代方案的环境效益。结果表明，坡面防护子项目的净碳平衡减少了33.94%，证实了替代方案的碳减排潜力。然而，其他高排放子项目——尤其是截排水系统（贡献了总排放量的51.3%）——主导了整体碳足迹，使净改善幅度降至7.26%。碳汇能力在5年内增加25.8%，在20年内增加33.5%，而净碳平衡在5年内减少7.26%，在20年内减少9.50%，且优势随时间推移逐步放大，趋向长期净碳吸收。该动态框架克服了静态LCA模型的局限性，并将边界扩展至包含碳汇，从而实现了对坡面修复的稳健低碳评估。研究展示了该基材在碳减排与碳汇方面与稳定性之间的协同效应，为低碳坡面工程提供了一条可行路径，并为生物基材料替代提供了科学依据。

引言

基础设施建设形成的工程裸露坡面造成景观碎片化，损害城市生态健康和碳汇能力（Xu等人，2026）。此类坡面是生态恢复的关键目标——特别是广泛分布于中国南方红砂岩地区的红砂岩坡面，因其独特特征而备受关注（Ai等人，2024；Guan等人，2019）。坡面生态恢复综合采用植物、非生物和工程措施，以解决坡面不稳定和水土流失问题（Shen等人，2023b；Yan等人，2020；Zhu等人，2024b）。

外挂式土壤喷播是一种高效且环境可持续的生态恢复技术，通过喷射含有表土、种子、水泥、肥料、保水添加剂及其他功能组分的基材，稳定裸露坡面并促进植被生长。然而，水泥生产排放0.735 kgCO₂e/kg（中华人民共和国住房和城乡建设部、国家市场监督管理总局，2019），并导致土壤碱化和硬化，损害微生物活性、养分循环和植物生长（Ghani等人，2023；Liao等人，2023；Mao等人，2023；Zhang等人，2020）。因此，传统水泥基喷播无法同时实现工程稳定性、生态恢复和碳减排。海藻酸钠——一种生物基聚合物——与氯化钙交联形成三维网络水凝胶（Yetilmezsoy等人，2024），可改善土壤保水性、团粒稳定性和盐碱改良，并实现活性物质的控释（Gao等人，2024；Yanovska等人，2026）。这种生物替代品有望替代水泥和化学改良剂，实现快速坡面稳定、营造更健康的土壤环境以支持植被恢复，并减少该过程的碳足迹（Alawadhi等人，2026；Li等人，2025；Wang等人，2026）。与微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）技术类似，海藻酸钠属于新兴的生物基低碳岩土加固材料。研究表明，虽然MICP可将碳排放降低至传统水泥基工艺所产生的1/5至1/3，但其长期耐久性仍然是大规模工程应用的核心瓶颈（Chen等人，2026a）。尽管植被碳汇是生态恢复中净碳减排的核心驱动因素（Fu等人，2019；Liao等人，2025），但关于生物基水泥替代品碳减排效益的研究仍然稀少。关键在于，工程稳定性是不可协商的前提条件：只有确保长期坡面稳定，碳效益评估才具有科学意义。然而，这一稳定性与碳的权衡关系尚未得到系统性探索。

生命周期评估（LCA）是一种广泛用于评估路面工程环境影响的标准化框架（Fan等人，2025；Kong等人，2021；Zhong等人，2023；Zhu等人，2024a）。其在坡面工程中的应用在方法学上已有推进，重点关注系统边界划定和碳汇量化。例如，Kumar等人（Kumar等人，2024）开发了基于LCA的坡面稳定方案模型，量化了从材料获取到施工的排放——但排除了运营和维护阶段。类似地，Yazdani等人（Yazdani等人，2024）评估了植被建立、土钉和岩锚的碳排放和成本，但遗漏了长期运营维护阶段。Liao等人（Liao等人，2025）和Xu等人（Xu等人，2025）分别创建了全生命周期框架；然而，其碳汇估算依赖于静态线性累积，未能捕捉年龄依赖的动态变化。这些动态变化在森林生态学中已有充分研究（Albert等人，2018；Besnard等人，2025；Vangi等人，2024；Wu等人，2022；Zeng等人，2023；Zhang等人，2025a），动态碳汇模型提供了可迁移的理论基础和方法学工具——但尚未整合到坡面工程LCA中。因此，生态恢复项目的碳效益评估被过度简化为年平均固碳量与设计寿命的乘积。此外，土壤作为生态恢复中关键的碳汇组成部分，极少被纳入现有的坡面工程碳核算框架（Almendros和González-Pérez，2025；Liu等人，2024；Wang等人，2020）。

综上所述，当前关于坡面工程全生命周期碳排放和碳汇的研究存在三个关键局限：（1）材料维度：研究侧重于比较传统技术，碳减排仅限于小幅改善，而非克服高碳材料的固有约束。虽然海藻酸钠—氯化钙复合材料等生物基替代方案显示出潜力，但其碳减排能力尚未得到充分探索。（2）方法学维度：碳汇量化依赖静态模型，忽略了植被动态的、年龄依赖的固碳过程，低估了其能力。（3）边界维度：系统边界忽视了土壤——最大的陆地碳库，导致碳汇潜力评估产生偏差。

本研究旨在系统评估两种技术路径——传统喷播和海藻酸钠—氯化钙改良喷播——的碳排放强度和碳汇绩效。以江西一处坡面恢复工程为案例，首先验证海藻酸钠—氯化钙基材的力学和水稳定性。然后，开发一个整合植被年龄依赖型碳汇模型的动态全生命周期框架，并明确将LCA边界扩展至包含土壤有机碳库。最后，定量评估以海藻酸钠—氯化钙复合体系替代水泥和合成化学改良剂的碳减排和碳汇增强效益。研究结果可为生态恢复项目中采用生物基材料提供理论支撑和决策支持。

章节摘要

场地描述

以江西省九江市一处红砂岩坡面修复工程作为案例研究场地。两处相邻坡面具有相同的坡度、朝向和高度（各279平方米，标准化为1000平方米以便比较），在一致的施工条件下进行比较，仅基材组成不同。对照组采用传统混合物，包括水泥、保水剂、土壤稳定剂、现场粘土（取自0.5米深度）、泥炭土、腐殖酸和

基材稳定性

不同围压下剪切强度参数（粘聚力和内摩擦角）见图3(a、b)。粘聚力和内摩擦角均随海藻酸钠掺量增加而增大，在3%掺量（S-4）时达到峰值。与对照组相比，3%掺量在低围压下使粘聚力提高26.7%，在高围压下提高18.6%；对于内摩擦角，在低围压下的增幅分别为3.0%（低围压）

基材工程性能

结果表明，力学强度与水稳定性之间存在权衡关系。在3%掺量时，致密的Ca²⁺交联凝胶网络增强了力学性能但增加了脆性，从而提高了干湿循环下的开裂率。相比之下，0.5%掺量的凝胶网络具有更好的柔韧性和水稳定性。对于年降雨量为1718.9毫米的地区，长期抗干湿循环耐久性比峰值力学强度更为重要。因此，0.5%

结论

本研究在确认海藻酸钠—氯化钙改良基材的力学和水稳定性之后，开发了用于坡面修复的动态全生命周期碳核算框架，并评估了海藻酸钠—氯化钙作为水泥替代品的碳减排和碳汇效益。研究结果表明，生物基材料替代在坡面防护子项目内实现了显著的碳减排，尽管整体全生命周期

作者贡献声明（CRediT）

赵华：写作——审阅与编辑、资金获取、概念化。王雨琴：写作——审阅与编辑、写作——初稿、可视化、软件、方法论、调查研究。梁明伟：写作——审阅与编辑、资源、调查研究。黄海：写作——审阅与编辑、验证、软件。毛晨亮：写作——审阅与编辑、资源。姚驰：写作——审阅与编辑、资金获取、形式分析。王济清：项目管理。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者衷心感谢江西省重大科技研发项目（编号：20232ACG01003）的支持。

赵华|王雨琴|梁明伟|黄海|毛晨亮|姚驰|王济清|万昌明|肖刚

南昌大学基础设施工程学院，南昌330031，中国