產(chǎn)業(yè)園區(qū)碳儲量及生物因子關(guān)系研究
——以杭州青山湖科技城為例

金力豪，溫日琨，徐 涵

(浙江農(nóng)林大學(xué) 風(fēng)景園林與建筑學(xué)院，浙江 杭州 311300)

1 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，溫室效應(yīng)使全球氣候發(fā)生巨大變化，對生態(tài)環(huán)境也造成嚴(yán)重威脅，這是當(dāng)前世界各國共同面臨的危機和挑戰(zhàn)。如何減少CO2排放，降低溫室效應(yīng)，成為各國人民和政府面前的重大問題，也是聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會的重要議題[1,2]。中共中央、國務(wù)院《關(guān)于加快推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的意見》指出，要堅持把綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展作為生態(tài)文明建設(shè)的基本途徑。事實上綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展和低碳發(fā)展的關(guān)鍵，都是要研究掌握碳循環(huán)規(guī)律，通過人類資源消耗與資源補償?shù)钠胶鈦韺崿F(xiàn)。

植被作為重要的碳儲存資源，在應(yīng)對氣候變化方面具有巨大的潛力。理清植物胸徑、高度、種植密度等生物因子對其碳儲存的影響，掌握生物因子對碳庫大小、分布的影響程度，是應(yīng)對氣候變化的關(guān)鍵問題之一。城市是碳排放源發(fā)生的集中地，在生態(tài)系統(tǒng)中又是一個復(fù)雜的下墊面，產(chǎn)業(yè)園區(qū)作為城市的重要組成部分，不僅是推動城市發(fā)展的重要區(qū)域，也是影響城市環(huán)境的重要源頭。在當(dāng)前碳排放壓力大的情況下，開展園區(qū)內(nèi)植物碳儲存的研究，有助于探索園區(qū)碳循環(huán)和碳平衡的機制和路徑，為低碳城市的發(fā)展服務(wù)，也為產(chǎn)業(yè)園區(qū)綠地景觀固碳兼有型樹種選擇及其群落配置提供科學(xué)依據(jù)及參考。對城市產(chǎn)業(yè)園區(qū)開展碳儲存的研究，對減輕全球氣候變化具有重大的現(xiàn)實意義。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，植物碳儲存研究是生態(tài)經(jīng)濟學(xué)研究的熱點領(lǐng)域。植物碳儲存是植物吸收大氣中的二氧化碳并將其固定在植被或土壤中,從而減少二氧化碳在大氣中的濃度[3]。城市植被作為城市生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中的一個重要儲存庫[4]，可直接或間接地減少大氣中的碳含量[5]。此固碳作用能夠消減大氣中日漸增加的CO2，減緩溫室效應(yīng)、穩(wěn)定全球氣候變化[6]。通過造林和再造林等生態(tài)環(huán)保措施增加大氣中CO2的吸收較技術(shù)改進(jìn)經(jīng)濟投入更低，前者大約是后者的1/30[7]。

王迪生基于生物量法對北京城區(qū)園林綠地的凈碳儲存進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)北京城區(qū)園林綠地年生物量和凈碳儲量增長明顯[8]。吳澤民等用樣方調(diào)查法對合肥市區(qū)樹木進(jìn)行調(diào)查研究，指出合肥城區(qū)的樹木理論上每年可吸收二氧化碳12483 t[9]。徐耀粘通過研究發(fā)現(xiàn)：在一定范圍內(nèi)，森林生物量會隨著樹密度增加而增加，但隨樹密度增加到一定程度后，生物量會隨之降低，因此最大的生物量可能出現(xiàn)在中等樹密度處[10]。管東升等從廣州綠地生產(chǎn)力分析入手，對城市綠地碳儲存、分布和固碳放氧能力進(jìn)行了估算[11]；李曉曼和康文星對廣州市城市森林生態(tài)系統(tǒng)碳固定的生態(tài)功能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得出了不同林分類型的植被固碳和土壤固碳能力[12]。

3 研究理論與方法

3.1 研究理論

3.1.1 植物碳儲存

植物碳儲存是吸收大氣中CO2的主要渠道，其存量也是生態(tài)系統(tǒng)的重要碳庫之一。CO2通過植物的光合及呼吸作用在大氣層和陸地生態(tài)系統(tǒng)中遷移，將大氣圈中的碳量轉(zhuǎn)入生物圈中，以增加生物固碳量，從而減少二氧化碳?xì)怏w在大氣中濃度。植物碳儲量是植物所積累的干物質(zhì)(生物量)乘以含碳系數(shù)，即植物所固定的碳的總量。

3.1.2 生物因子與碳儲存

影響植物碳儲存的生物因子主要包括植物的個體結(jié)構(gòu)和種植結(jié)構(gòu)，因其與碳儲量有著很強的正相關(guān)性，故個體結(jié)構(gòu)(如胸徑、樹高和木材密度等)常被作為生物量方程的變量，而植物的種植結(jié)構(gòu)如種植密度等由于會直接影響到樹的株數(shù)，因此對區(qū)域碳儲量的影響較大。

3.2 研究方法

3.2.1 碳儲量計算

本研究采用生物量擴展因子法對喬灌木的碳儲量進(jìn)行估算，其原理是先利用林分蓄積量與生物量之間相關(guān)關(guān)系計算生物量，再根據(jù)所得生物量乘以IPCC含碳系數(shù)，得出植物碳儲量C[13～15]。具體公式為：

(1)

gij1.3為第i類型第j種樹木1.3m高處胸高斷面積(m2);hij為第i類型第j種植物樹高(m);fσ為實驗行數(shù)(無量綱，取0.4)；DWij為第i類型第j種植物樹干密度(t/m3)；BEFij為第i類型第j種植物IPCC生物量擴展因子(無量綱)；Rij為IPCC樹木根莖比=0.26；Nij為第i類型第j種植物株數(shù)；CF為IPCC含碳率(無量綱，取0.5)；j為主要樹種的種類；i為主要植物類型數(shù)。

根據(jù)上述公式可計算分類型單株植物碳儲存。再結(jié)合園區(qū)規(guī)劃，可得出園區(qū)不同綠地類型植物碳儲存總量。

3.2.2 相關(guān)性分析

針對植物碳儲量與生物因子的關(guān)聯(lián)程度，可以從植物胸徑、高度、木材密度及種植密度四種因子的角度進(jìn)行分析。分析需要根據(jù)各生物因子數(shù)據(jù)，結(jié)合計算得出的碳儲量，并運用SPSS 24.0軟件進(jìn)行。方法是采用多元回歸分析，計算各生物因子標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)Beta，再通過比較標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)Beta的絕對值得出各生物因子對植物碳儲量影響程度的大小。

4 案例實證

4.1 研究地概況

云制造小鎮(zhèn)位于浙江省杭州青山湖科技城，屬亞熱帶濕潤區(qū)，受亞熱帶季風(fēng)氣候影響，氣候溫和，雨水充沛，總體規(guī)劃 3.17 km2，以智能裝備制造業(yè)和云制造研發(fā)服務(wù)業(yè)發(fā)展為產(chǎn)業(yè)定位。

根據(jù)對云制造小鎮(zhèn)植被覆蓋區(qū)進(jìn)行分類，主要分為公園綠地、道路綠地和水土保持林。其中公園綠地總面積約為72.3 hm2；道路綠地總面積約為25.78 hm2，包括行道樹綠帶、分車綠帶、交通島綠地、交通廣場和停車場綠地等；水土保持林總面積約為135.2 hm2。

4.2 樣地選取及生物因子調(diào)查

根據(jù)野外實測數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)源，結(jié)合園區(qū)的規(guī)劃分區(qū)以及區(qū)域內(nèi)植物生長情況、樹種等，以青山湖科技城核心區(qū)云制造小鎮(zhèn)為系統(tǒng)邊界，綜合考慮植被的典型性和多樣性，選擇6處樹種類型多樣，分布較密集的研究區(qū)域作為調(diào)查樣地，根據(jù)不同群落類型，以及群落本身的邊界大小在每個區(qū)域都設(shè)3個范圍20 m×20 m的樣方。對調(diào)查樣地進(jìn)行每木調(diào)查和群落調(diào)查，根據(jù)群落垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行分層，記錄植物種類、胸徑、高度、密度及樣方占其樣地面積比例等因子。

根據(jù)植被調(diào)查結(jié)果，采用平均標(biāo)準(zhǔn)樣木法，將平均標(biāo)準(zhǔn)木的單株生物量作為本樹種的單株生物量,將類型中的多株平均標(biāo)準(zhǔn)木的生物量進(jìn)行平均，以得到各類型的平均單株植物生物量，以此測算園區(qū)現(xiàn)有植物生物量。

4.3 結(jié)果與討論

4.3.1 植被個體生物因子與碳儲存

植株的胸徑、高度作為植株最明顯的生物因子，在反映個體生長狀況的同時，也體現(xiàn)著植株生物量以及碳儲量的大小。通過測算不同樹種的胸徑高度并應(yīng)用碳儲量計算公式，可計算得出不同樹種的單株碳儲量和總碳儲量。具體結(jié)果見表1。

從表1中可看出，公園綠地單株碳儲量最大的樹種依次為馬尾松、水杉、廣玉蘭；道路綠地單株碳儲量最大的樹種依次為無患子、銀杏、香樟；水土保持林中單株碳儲量最大的樹種依次為水杉、馬尾松、泡桐；總碳儲量最大的樹種依次為水杉、馬尾松、毛竹、杉木和櫟樹。

4.3.2 植株種植密度與碳儲量

表2顯示同類型植株碳儲量會隨種植密度的增大而相應(yīng)提高，對于馬尾松、楓香、水杉等高大喬木，在所統(tǒng)計類型中處中等樹密度，但由于喬木的胸徑及高度都大于灌木胸徑和高度，因此喬木仍占據(jù)著大部分的碳儲量；毛竹雖然單株碳儲量不高，但其立竹密度較其他種類植物要高且分布面積大，因此其總儲量最高，泡桐、木荷等單株碳儲量高的植物由于分布面積小，總碳儲量較低。對于檵木、金森女貞、杜鵑等綠籬灌木，盡管其種植密度大，但由于單株碳儲量低，且一些區(qū)域種植密度過大，導(dǎo)致綠籬灌木的長勢較為一般，總碳儲量并沒有喬木高。

根據(jù)對園區(qū)優(yōu)勢喬灌木種植密度與碳儲量的關(guān)系分析(圖1，圖2)，優(yōu)勢喬木樹種種植密度水杉>香樟>馬尾松>無患子，整體碳儲量隨著植株密度的增大而增加，雖然香樟碳儲量較無患子稍高，但與馬尾松、水杉差距較大，這是由于香樟的胸徑、樹高等生物因子都小于馬尾松和水杉。優(yōu)勢灌木密度與碳儲量基本成正相關(guān)，種植密度紅葉石楠>金邊大葉黃楊>春鵑，春鵑的種植密度與碳儲量均明顯大于紅葉石楠與金邊黃楊。

4.3.3 生物因子與植物碳儲量的相關(guān)程度分析

根據(jù)所調(diào)查數(shù)據(jù)，對園區(qū)優(yōu)勢植物依其高度而分為中喬(11～20 m)、小喬(6～10 m)、大灌木及中灌木(1～6 m)、小灌木(1 m以下)四級，并運用 SPSS24.0 統(tǒng)計軟件，分別對園區(qū)優(yōu)勢喬灌木的碳儲量與四種生物因子進(jìn)行多元回歸分析，計算各生物因子與植物碳儲量間相關(guān)關(guān)系的Beta系數(shù)并做比較，具體結(jié)果如圖3～圖6。

表1 植株個體生物因子及碳儲存

表2 各類型綠地主要植株密度與碳儲量

圖1 優(yōu)勢喬木種植密度與碳儲量關(guān)系

圖2 優(yōu)勢灌木種植密度與碳儲量關(guān)系

圖3 中喬木碳儲存與生物因子相關(guān)系數(shù)

圖4 小喬木碳儲存與生物因子相關(guān)系數(shù)

圖5 大中型灌木碳儲存與生物因子相關(guān)系數(shù)

圖6 小型灌木碳儲存與生物因子相關(guān)系數(shù)

圖中Beta值是標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)，Beta值越大，表明該因子對碳儲量影響越大。從圖3～圖6中可以看出喬木與灌木碳儲量及生物因子的相關(guān)系數(shù)最大皆為種植密度，而喬木高度對碳儲量的影響程度相較其胸徑要更大，灌木胸徑(地徑)對碳儲量的影響程度則大于高度。

4.3.4 不同區(qū)域植物碳密度及碳儲量

根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)主要植株的統(tǒng)計并利用影像數(shù)字化得到云制造小鎮(zhèn)各綠地類型的綠化面積，結(jié)合公式(1)，得到云制造小鎮(zhèn)植被碳密度、碳儲總量，見表3。

表3 不同區(qū)域植被碳密度、碳儲量

公園綠地的碳密度和水土保持林的碳密度相比，雖然公園綠地的喬灌種類大于水土保持林，但由于公園綠地內(nèi)絕大多數(shù)為幼齡或中齡植株，而水土保持林中植株較公園綠地種植時間早，長勢也較好，因此其他綠地碳密度更大；道路綠地碳密度與公園綠地碳密度相比，雖然兩者植株的栽植時間相近，但由于公園綠地喬灌種類多，故其碳密度也更高。即公園綠地內(nèi)以喬木為主，采用喬灌草結(jié)合的種植方式，郁閉度較高，結(jié)構(gòu)較飽滿，因而單位面積碳儲量大。這表明在生長狀況相似的情況下，生物種類越多、多樣性越高的群落擁有更高的碳儲量。

表3還顯示各綠地類型碳密度都大于40 t/hm2，水土保持林的碳密度高達(dá)67.59 t/hm2。根據(jù)方精云等[16]推算的全國平均森林碳密度為44.91 t/hm2以及王迪生對北京園林綠地碳儲量研究得出綠地平均碳密度22.1 t/hm2的數(shù)據(jù)，本研究結(jié)果更接近于全國平均森林碳密度，由此看出產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)植物密度之高，尤其是園區(qū)內(nèi)的水土保持林。此外，隨著區(qū)域植被面積的增加，其碳儲量也會增加，因此水土保持林的總碳儲量要大于道路綠地及公園綠地的碳儲量。

5 結(jié)論與展望

5.1 園區(qū)植被碳儲量

研究得出，云制造小鎮(zhèn)總碳儲量為14180.495 t，其中公園綠地碳儲量為3990.427 t，碳密度55.19 t/hm2，道路綠地碳儲量為1050.555 t，碳密度40.76 t/hm2，水土保持林碳儲量為9139.514 t，碳密度67.59 t/hm2。

園區(qū)內(nèi)植被尤其是園林植被的林齡皆處于幼齡或中齡。經(jīng)研究表明，植被碳儲量會隨植被林齡的增長而增加，隨著中齡林、成熟林比重將不斷擴大，園區(qū)碳儲量和碳密度也會相應(yīng)増加，因此園區(qū)植被將是一個潛在的大碳庫。

5.2 園區(qū)高碳儲量樹種及其生物特征

研究發(fā)現(xiàn)，園區(qū)單株碳儲量大小依次為水杉、馬尾松、無患子、香樟、廣玉蘭，其中公園綠地內(nèi)碳儲量最高的3類樹木為水杉、馬尾松、無患子；道路綠地內(nèi)碳儲量最高的3類樹木為無患子、銀杏、香樟；水土保持林內(nèi)碳儲量最高的3類樹木為水杉、馬尾松、泡桐。

從樹木類型上看，針葉樹單株碳儲量要比闊葉樹高，這是由于產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)的針葉樹如馬尾松、水杉，其胸徑和高度都要高于普通闊葉樹。雖然闊葉樹的單株碳儲量小于針葉樹種，但從總量上看，闊葉林由于郁閉度高，生長速度總體較快，其固碳能力比針葉林強。

根據(jù)4種生物因子與植物碳儲量間的多元回歸分析，得出對喬灌木碳儲量影響最大的生物因子為種植密度，最小為木材密度；喬木高度對碳儲量的影響程度要大于胸徑的影響程度，灌木兩者的影響程度則相反。

5.3 園區(qū)植被種植策略

綜上所述，可得出提高園區(qū)碳儲存，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)園區(qū)碳循環(huán)和碳平衡的以下策略。

(1)加強園區(qū)內(nèi)現(xiàn)有植被的管理和養(yǎng)護(hù)，通過保證植被的質(zhì)量以提高植被的固碳能力。

(2)在不破壞原有植被和條件允許的情況下，增植或改植水杉、馬尾松、無患子、香樟、銀杏等高碳匯樹種，從而提高園區(qū)的整體碳儲存。

(3)在植物配植上采取喬、灌、草搭配的復(fù)層種植模式，構(gòu)成多層次植被結(jié)構(gòu)組合，增加生物多樣性，發(fā)揮最大固碳效能。

StudyontheRelationshipBetweenCarbonStorageandBiologicalfactorsinindustrialparks- Taking Qingshanhu Science and Technology City of Hangzhou as an example

Jin Lihao,Wen Rikun,Xu Han

(ZhejiangAgricultureandForestryUniversity,SchoolofLandscapeArchitecture,Hangzhou,Zhejiang,311300,China)

Abstract: Based on the perspective of coordinated development of ecological economy, combined with the field investigation of plants in Qingshan Lake Science and Technology City Park in Hangzhou, the biomass expansion factors and statistical analysis methods were used to study the carbon storage of different green land types in the cloud manufacturing town in the core area of Science and Technology City. It is found that the carbon density of park green space, road green space, forest for soil and water conservation are 55.19t/hm2, 40.76t/hm2, 67.59t/hm2respectively. The greatest impact for carbon storage of trees and shrubs are planting density while the smallest is wood density.The effect of tree height on carbon storage is greater than DBH, and shrub is opposite to trees. Trees with higher carbon storage in the park are: Metasequoia, Masson pine, Sapindus, Ginkgo and Camphor tree.

Keywords: carbon storage; biological factors; plants; industrial parks; Hangz