园林植物固碳研究现状及进展

 

原文来源：包志毅 马婕婷 —《低碳小花园设计（二）》中理论探索章节的《园林植物固碳研究现状及进展》

 

        在风景园林建设要素中，植物和植物最观与二氧化碳排放和吸收密切相关。在植物最观营造和维护中，植物的呼吸作用、植物材料生产供应、植物种植工程，植物养护管理等产生碳排放。彤响植物景观碳效应的主要因素有植物景观结构、设计风格、植物类型和特性、植物规格和种植密度等等。

        就植物固碳能力研究而言，主要集中在植物光合作用的固碳释氧能力研究和以森林为主要研究对象的植物碳汇研究两方面。本文综述园林植物固碳研究的现状和进展。

 

1   植物光合作用的固碳释氧能力研究(日固碳量测算)

        就固碳释氧方面而言，国内外研究主要集中在通过监测植物光合作用的速率而得出的固碳释氧能力强的优良树种，不同植被类型的固碳释氧效应以及景区固碳释氧价值评估等方面。如刘常富等人通过对沈阳城市森林固碳和污染物净化效益差异的研究表明:不同城市森林类型固碳效应差异较大，生态公益林主要为速生树种，年龄相对较低，密度较高，从而固碳率最高;风景游憩林由于种类丰富，幼龄树木占据一-定比重， 密度适中，固碳率次之;生产经营林主要为幼龄的苗圃地苗木和中龄的经济林类组成，固碳率居中;附属林由于中老龄树木占据较大比重，从而使固碳率偏低;道路林密度较低，年龄较大树木占据较大比重，从而使固碳率最低。李想等人对青岛市居住区绿化树种固碳释氧效应的研究表明，固碳释氧量由高到低排列为:榆叶梅、悬铃木、绦柳、月季、紫叶桃、火棘、丁香、紫叶李、国槐、海桐、樱花、女贞、金叶女贞、红枫。同时，彩叶植物的固碳释氧能力较常绿植物要强得多，这可能与其色素在叶片中含量和分布的差异有关，从而影响了叶片反射光谱的能力，同时也影响了叶片对光能的吸收。马娅等人利用遥感手段，并结合地面调查，对广州市城市森林的固碳释氧价值进行了评估，并提出森林固碳释氧价值的增长落后于人口，经济的增长，社会发展水平指数与森林固碳释氧价值的增长速度为负相关关系，人口及经济的迅速增长在一定程度 上阻碍了森林固碳释氧价值的增加。徐玮玮等人比较分析了扬州古运河风光带绿地组成植物的固碳释氧效应，对19个树种单株单位+地面积的日固碳释氧能力进行了聚类分析。王巨斌通过对沈阳市街路绿化情况调查、统计和分析，得出叶面积指数，进而换算出总叶面积，并根据其固碳释氧能力计算出街路绿化植物总固碳風和总释氧量，对照工业固碳和制氧成本推算街路绿化经济效益，得出绿化植物固碳效益为2655亿元，释氧效益为1507亿元。

 

 

植物组群年龄相对较低、密度较高的，固碳率也高

 

 

1.1   植物固碳释氧能力测算原理

        按照如下原理和步骤进行测算:

 

1.1.1 光合速率和叶面积指数的测量

        用Licor 6400便携式光合仪测量光合速率。在树木生长季，选择晴朗、无风的天气情况，在自然光照条件下，每隔2h测量1次。每次每个树种选取5个大小相似、生长健壮、生长在阳面的叶片，每片叶取3~6个瞬时光合速率值。利用LI- -2000冠层分析仪测定叶面积指数。

        Licor- 6400便携式光合仪是由美国LI-COR公司生产的系列光合作用测定仪的第三代产品，是当前世界公认的光合作用野外测定仪器之一。测定的原理是利用双信道的开路系统，根据两通道内的CO2和H2O浓度的改变量(或差值)而计算出净光合速率、蒸腾速率等因子。在每次使用仪器进行测量前，特别是当温度有较大的改变时，必须先进行IRGA(红外线气体分析器)的调零。它虽操作较为复杂，但功能强大，测量精确，使用携带方便。 

 

 

彩叶植物的固碳释氧能力较强

 

 

1.1.2 植物单位叶面积的固碳释氧能力计算

        在植物的光合作用日变化曲线中，其同化量是净光合速率曲线和时间横轴围合的面积。以此为基础，设净同化量为P，各种植物在测定当日的净同化量计算公式为:

P=)÷2×(ti+1-ti)×3600÷1000]

        其中:

        P——测定日的净同化总量(8:00~18:00日净同化总量)(mmol·m-2)；
        Pi——初测点的瞬时光合作用速率(mmol·m-2.s-1)；
        Pi+1——下一测点的瞬时光合作用速率(mmol·m-2.s-1)；
        ti——初测点的瞬时时间(h)；
        ti+1——下-测点的时间(h)；
        J——测试次数；
        3600指每小时3600s;
        1000指1mmol为1000μmol。
        用测定日的同化总量换算为测定日固定CO2量为:
        式中WCO2=P·44/100
        44——二氧化碳的摩尔质量；
        WCO2-单位面积的叶片固定CO2的质量(g·m-2.d-1)。
        根据光合作用的反应方程:CO2+4H2O-→CH2O+3H2O+O2

        可计算出该测定日植物释放氧气的质量为:WO2=P.32/1000

 

1.1.3 植物单位面积的固碳释氧能力计算

        植物单位面积的日净同化量是由植物单位叶面积的日净同化量与该植物的叶面积指数的乘积得出的，计算公式为:

        Q=P、ILAI
        QCO2=WCO2、ILAI
        QO2=WO2、ILAI
        Q-单位面积日净同化量(8:00~18:00单位面积日净同化量)；

        QCO2-单位面积日吸收CO2量;
        Q02-单位面积日释放O2量;
        ILAI一该树种的叶面积指数。

 

 

乡土树种具有很高的固碳率

 

 

1.2   植物固碳规律研究

        通过总结与分析前人的研究资料，得出如下规律:

        (1)随着植物群落层次的增多，固碳率明显增加:多层林>复层林>单层林。

 

        (2)植物的叶面积指数越大，单位面积绿地的叶片面积越大，固碳释氧量就越大。

 

        (3)植物的固碳率随着郁闭度等级的提高而增加。

        (4)根据前人的测量数据，发现某些植物种类在固碳能力方面有较强的优势。

        (5)灌木树种在固碳释氧能力方面要显著高于乔木树种，灌木地被植物的固碳释氧量高于草本和藤本植物。另据试验，供试植物类型单位土地面积上固碳释氧能力表现为:常绿灌木>落叶乔木>常绿乔木>落叶灌木。

        (6)速生树种的固碳能力明显高于慢生树种。

        (7)彩叶植物的固碳释氧能力较常绿植物要强得多，这可能与其色素(花青苷)在叶片中含量和分布的差异有关，从而影响了叶片反射光谱的能力，同时也影响了叶片对光能的吸收。

        (8)年龄相对较低的树木，固碳能力高于高龄老树。

        (9)据观测，某些乡土树种具有很高的固碳率。

 

2   植物碳汇研究(长期净固碳展洲算)

        就植物碳汇方面的研究而言，王要集中于以测算植物生物量为主要手段的林业碳汇的计量与监测。基于对全球气候变化的普遍重视，该领域的研究日渐成熟，已经总结与实践了若干种适应不同场地的碳汇计量与监测方法。但是针对城市园林植物的碳汇研究则相对较少，方面是因为城市园林的尺度较小，场地情况更为复杂，另一方面是城市园林植物基本为人工种植，其生命过程因为受到较多的人工干扰而远较森林中的植物复杂。

2.1   碳计量

2.1.1 相关概念

        碳计量是指在一定的经营系统内，特定的时限和给定地域内，对不同土地利用系统碳储存量与流通量进行的估算。

        土地内的碳是由生物量和土壤碳库组成。

        生物量碳库包括地上生物量、地下生物量、枯落物和枯死木。

        净碳排放量是指通过分解或燃烧，生物与土壤中的二氧化碳损失在大气中的量。

        净碳转移量或碳汇是生物和上壤净吸收和储藏二氧化碳的量。

2.1.2 碳计量方法与指南条款

        广泛应用在碳计量中的两种方法分别是‘碳通量方法”(Gain-loss)和“碳贮存量变化方法”(Stock Difference(IPCC 2006)。

        在一定的土地利用系统中，无论项目级还是国家级层面都需要对生物和土壤产生二氧化碳的排放量或转移量，以及碳储存量的变化量进行估算，这项估算工作就要求有碳计量指南进行指导。目前可以找到一些现存的碳计量方法的手册和指南中，较为权威和适用于本研究的是政府间气候变化专委员会(IPCC)估算国家温室气体或土地利用变化，以及林业、农业部门的一系列碳计量指南和清洁发展机制(CDM)项目碳计量。

 

 

随着植物群落层次的增多，固碳率明显增加

 

植物的固碳率随着郁闭度等级的提高而增加

 

 

2.2   林业碳汇测算原理
2.2.1 相关术语和定义

        碳源(Carbon source):向大气中排放二氧化碳的过程或活动。
        碳汇(Carbon sink):从大气中清除氧化碳的过程、活动或机制。
        碳库(Carbon pool):包括地上生物量、地下生物量、凋落物、枯死木和土壤有机质。

        地上生物量( Above- ground biomass) :土壤层以上以干重表示的所有活生物量，包括干、桩、枝、皮、种子和叶。如果林下植被生物量在总地上生物量中的比例相对较小，可以不予计算，但要保持计算和监测的一致性。
        地下生物量(Below-ground biomass):所有活根生物量。由于细根(直径≤1~2mm)通常很难从土壤有机成分或枯落物中区分出来，因此通常不纳人该部分。

2.2.2 地上生物量的测算 

(1)树木地上生物量
        目前国际上较为通用的且适合于本研究的林业碳汇计量与监测方法是运用样地方法，即应用已经测量的树木胸径和高度参数值，估算一系列样地内，树木和非树木生物量的蓄积和重量，从而得出其地上生物量(土壤层以上以干重表示的所有活生物量,包括干、桩、枝、皮、种子和叶);再通过根冠比或转变因子来估算其地下生物量(所有活根生物量);最后两者相加得出总的碳汇量。

 

 

水生植物与宿根花卉在增加碳汇方面作用积极

 

 

(2)非树木地上生物量

        非树木地上生物量包括灌木、草本植物生物量。天然林及人工林管理者和温室气体清单专家重点关注的是树木生物量。在森林和非森林土地利用系统中，砍伐方法被用于估算非树木生物量。

        测算灌木程序包括以下几步:对于一年生灌木生物量，首先把灌木样地内的所有灌木全部砍下，估算其生物量，其次一次砍下一种灌木，记录所有植物重量。取一个已知重量(0.5~1kg)的植物标本烘干至恒重，然后估算其干重生物量；对于多年生灌木生物量，首先采伐样地中多年生灌木植物也是种一种地分开，然后估算其重量和干重，进而估算多年生灌木生物量。然而，如果灌木树种生产出任何有经济价值的产品，这些灌木树种不需要砍伐，或者只采伐几个有代表性的，然后称重平均重量。应用抽样灌木平均值推算出整个样地生物量。

        草本生物量一般占天然林、人工林、混农林地、草原植物地上生物总量的比例较小。进一步说，尤其是一年生的草本植物，它的生物量是碳循环的一部分，但对碳贮存量的变化量是没有意义的。草本植物生物量可以被忽略，尤其是由乔木树冠和灌木覆盖的林地。

 

2.2.3 地下生物量的测算

        由于挖掘根成本高并且在天然林或人工林、混农林地样地内拔出或挖出根也较困难，所以在大多数情况下，挖掘根和挖掘土壤土块是不符合实际的。因此，实际中采用以下两种方法：
        (1)标准根冠比;
        (2)异速生长方程。

        其中根冠比是最常用的方法。具体估算步骤如下:
        步骤1:估算地上生物量，以每公顷生物量(千吨)形式表示。
        步骤2:从文献中查找适宜的根冠比。凯恩斯等人(Cairns et al.，1997)综述了在热带、温带和寒带森林中进行的160多项研究，得出根冠比平均值为0.26，区间为0.18~0.30。因此，对于大部分项目而言，-般应用根冠比均为0.26。
        步骤3:应用地上生物量的根冠比计算根生物量，计算公式为:
        根生物量(千吨/公顷)=0.26x地上生物量(千吨/公顷)

2.2.4 枯死木与枯落物生物量的测算

        枯死木与枯落物不可能成为大多数以土地为基础的项目和温室气体清单中的主要碳库，这两个碳库在一些项目中根本不存在，或者是在草原和混农林地，甚至人工林项目中存在的数量也极少。枯死木与枯落物生物量的计算仅在森林项目中有重要作用。

2.2.5 缺省值

        在碳计量过程中，由于测算的难度较高，很难通过亲自测算来获取第一手的数据，所以大多数时候会采用国家和IPCC碳计量参数的缺省值，且这些缺省值都必须采用相对保守的参数。

3   长期净固碳量测算与日固碳量测算的比较研究

3.1   日固碳量测算的误差
        日固碳量测算研究若由不同的研究者，在不同的试验条件下进行的测量与研究，加之试验仪器与手法的各异，所得出的结论会或多或少存在误差，缺乏一定的横向比较的科学基础。譬如，虽然许多人作了植物光合方面的研究，但并不一定表明树种之间光合速率的大小是绝对的，每一次测试都是近似条件下的相对值。因为大量研究表明，不同的光照条件、水分胁迫与否能显著影响到植物的光合速率。而且与其他研究单-或某几个树种的光合速率不同。

3.2   长期净固碳量测算的准确性与科学性
        长期净固碳量的测算主要是对植物蓄积生物量的长期变化所作的研究，相比日固碳量的研究，一些微观因子的影响要相对小得多，其研究结果也就更客观，更科学，更可信。近几年来，笔者与杭州植物园合作，以杭州西湖风景名胜区公园绿地的植物景观为例，将树木作为研究和测量对象，研究不同的乔木种类在20~60年间乃至更长时间周期中究竟固定了多少二氧化碳。我们建议从更长的时间维度来研究植物和植物景观与二氧化碳之间的关系。