高速公路路域植被固碳量分析研究

龍圣勇，申家成，趙 紅，董煥煥

(江西省交通科學研究院，江西 南昌 330200)

1 前 言

隨著經濟發展，全球溫室效應日益嚴重，二氧化碳排放增加導致的全球氣候變暖是當前國際社會最為關注的問題之一。從世界范圍內看，二氧化碳主要來源于能源、交通和建筑領域等行業的排放。其中交通運輸行業是全球第二大溫室氣體排放來源，占全球總溫室氣體排放的14%[1]。從1990年到2008年間，我國交通行業碳排放總量增速高達227.4%[2]。而在我國交通行業當中，高速公路運輸占據了主要部分，根據交通運輸部統計數據，2019年高速公路貨物運輸量172萬t，占交通行業總貨物運輸量的59%。因此，控制和減少高速公路使用期間的碳排放是緩解我國碳排放的關鍵。

高速公路路域植被通過光合作用吸收空氣中CO2從而達到固碳作用，進而降低高速公路運營期的碳排放。相比于減少交通行業碳排放，增加高速公路路域植被的固碳量更加經濟可行。因此，對高速公路路域植被固碳量進行定量化估算和對植被品種的進行選擇對增加路域固碳量顯得尤為重要，而當前高速公路碳足跡過程中對路域植被碳抵消作用方面的研究較為缺乏。以江西省昌樟高速公路為研究對象，對路域植被固碳量進行定量化估算，分析各植被固碳能力，為江西省其他高速公路植被的選擇提供參考，為綠色公路的建設提供理論依據。

2 高速公路概況

2.1 高速公路工程概況

選取江西省昌樟高速為研究對象。昌樟高速公路起點位于南昌市新建區省莊，途徑豐城市、高安市和樟樹市，終點位于樟樹市昌傅鎮，道路全長103.4 km。其中南昌至胡家坊段長70.4 km，胡家坊至昌傅鎮段是昌樟高速公路的南延工程，長33 km。南昌至胡家坊段于1997年建成通車并投入運行，胡家坊至昌傅鎮段于2001年通車并投入運行。2012年昌樟高速啟動改擴建工程并于2015年建成通車。2014年5月，昌樟高速公路改擴建項目成功獲得交通運輸部綠色循環低碳公路主題性示范項目，成為江西省第一條“綠色循環低碳主題性示范公路”[3]。

2.2 自然環境概況

昌樟高速公路沿線屬于中亞熱帶濕潤氣候區，雨量充沛，年平均氣溫在17～17.7 ℃之間。冬季寒冷，夏季炎熱多雨。最大年降雨量為2 540 mm，且降雨最主要集中在4～6月，占全年降水量的48%。高速公路沿線地勢西北高東南低，地形以中低山和微丘陵為主。沿線主要土壤類型為紅砂巖、煤矸石、丘陵紅壤土等。路線兩側以水稻田為主，自然植被破壞嚴重，多為人工次生林，以馬尾松為主，小部分段落為苦楝次生樹林[4]。

2.3 路域植被概況

結合建設期工程量清單，現場調研和其他文獻資料對高速公路沿線中央分隔帶、邊坡、立交橋、互通區以及服務區路域植被進行了調查。中央分隔帶防眩植物以蜀檜為主，有少量火棘球、海桐和桂花，地面滿鋪馬尼拉草。邊坡綠化主要以噴播草種為主，在建設初期采用了狗牙根、葦狀羊茅和百喜草相搭配。上邊坡未種植灌木，下邊坡坡腳處未種植高大喬木。高速公路立交橋選用的綠化植被以灌木為主，主要包括小葉女貞、小葉黃楊、大葉黃楊和雀舌黃楊。公路互通區和樞紐所選擇的綠化植被以灌木為主，包括紅花檵木、花柏球等，還有少量喬木，包括樟樹、桂花等[4]。

3 固碳能力估算方法

高速公路植被固碳能力估算主要采用實地調研、查閱文獻等方法，針對每個樹種和草本植物的固碳能力進行估算和分析，估算路域植被的總固碳量。根據目前已有的文獻和研究，采用同化量法對植被的固碳能力進行估算。同化量法指通過測量植物單位面積的凈光合作用速率，得到植物單位葉面積每天的凈同化量，乘以植物的總葉面積和天數，進而可以計算出單株植物每年的固碳量，再乘以相應植物的數量，即可得到該區域植被的固碳能力。草本植物用單位面積凈同化量乘以草本植物總覆蓋面積，計算出該區域草本植物凈同化量。單位葉面積凈同化速率通過Lcpro+光合作用測定儀進行測量得到，試驗選擇5月晴朗、無風的天氣，在自然光照射條件下，每次每個樹種選擇3株健康植株，采用Lcpro+光合作用測定儀進行光合作用速率的數據采集，從8∶00～18∶00每隔2 h采集1次。葉面積根據樹木相關特征(樹高、胸徑、冠幅等)，通過回歸方程計算而得[1，5-6]。各種植被的單位面積凈同化量、總葉面積回歸模型均有完備、豐富的數據，本研究將進行引用[7-13]。樹高、胸徑和冠幅的等樹木特征數據將結合已有工程量清單和現場實地測量而得。植物固碳量計算：在植物光合作用日變化曲線中，其同化量是凈光合速率曲線與時間橫軸圍合的面積。植物單位葉面積凈同化量和固碳量可通過以下公式計算[14]。

單位葉面積凈同化量的測算

3 600/1 000)

(1)

式中：P為測定日的凈同化總量，mmol；Pi是初測點的瞬時光合作用速率，umol·m-2·s-1；Pi+1為下一測點的瞬時光合作用速率，umol·m-2·s-1；ti是初測點的瞬時時間；ti+1是下一測點的時間，h；j為測試次數。

植物固碳(CO2)量的計算，用測定日的同化量換算為測定日固定CO2量，公式：

WCO2=P×44/1 000

(2)

式中：44為二氧化碳的摩爾質量，g·mol-1；WCO2為單位面積的葉片固定CO2的質量，g·m-2·d-1。

4 結果與討論

4.1 植物光合作用速率日變化曲線

植物固碳釋氧是植物自身所具備的重要生態功能，固碳釋氧能力是植物通過光合作用，與外界環境進行CO2和O2交換，不斷地調節碳氧濃度比例，從而達到吸收CO2的效果。光合作用速率的強弱直接影響植物固碳釋氧能力的發揮。植物光合作用速率受到環境因子(光照、溫度、濕度等)影響，因此光合作用速率在一天時間內變化明顯[15]。采用Lcpro+光合作用測定儀采集了昌樟高速19種綠化植物的光合作用速率，其中包括7種喬木和12種灌木。圖1為9種綠化喬木的光合作用速率變化曲線。從圖1可以看出，塔柏、廣玉蘭、楊樹、樟樹和桂花的光合作用速率曲線呈雙峰型，第一個峰值多出現在10∶00，第二個峰值多出現在14∶00，其中廣玉蘭的凈光合速率最高，凈光合作用速率峰值為11.56 umol/(m·s)，峰值出現在10∶00。蜀檜和灑金柏的光合作用速率曲線呈單峰型，峰值分別出現在12∶00和14∶00。在統計的綠化喬木中，蜀檜的峰值光合作用速率最高，達到11.74 umol/(m2·s)，出現在14∶00。

圖2為12種綠化灌木的光合作用速率變化曲線。從圖2可以看出大葉黃楊、夾竹桃山茶花、檜柏球、海桐、瓜子黃楊和花石榴等7種灌木的光合作用速率變化曲線呈雙峰型，第一個峰值一般出現在10∶00和14∶00。豐花月季、鳳尾蘭、小葉女貞、木槿和紅花檵木等5種灌木的光合作用速率變化曲線呈單峰型，峰值一般出現在12∶00。綠化灌木中夾竹桃的凈光合作用速率最高，峰值為9.82 umol/(m2·s)，峰值出現在14∶00。

總體而言，喬木的單位葉面積光合作用速率高于灌木的光合作用速率，喬木的光合作用速率日變化幅度相對灌木較大。從圖1和圖2中可以看出，大多數植物在12∶00左右會出現光合作用速率下降的情況，出現光午休現象[16]。導致這種現象的原因可能是強光、高溫、低濕、干旱等條件下胞間CO2濃度和氣孔導度下降， 植物為防止蒸騰過盛，氣孔關閉，吸收二氧化碳極少，影響到光合反應速率[17]。

圖1 7種喬木光合作用速率日變化表

圖2 12種灌木光合作用速率日變化表

4.2 喬木年固碳量

根據各樹種單位葉面積凈同化量、總葉面積和數量可得到各喬木樹種的年固碳量，見表1。

由表1可知，在7種喬木中，單株植物平均固碳量最高的為廣玉蘭，其年平均固碳量為151.39 kg；單株植物平均固碳量最低的為灑金柏，其年平均固碳量為0.74 kg。除此之外，樟樹也有較高的單株植物平均固碳量，其單株植物年平均固碳量為52.92 kg。對比不同喬木的單株植物平均固碳量可以得知，7種喬木的單株植物平均固碳量標準差為49.57，喬木樹種之間的單株植物平均固碳量因植物物種的不同，單株變化較大。根據估算可得，該高速公路路域喬木的年固碳量總計為295 t。

表1 路域喬木凈同化量數據表

4.3 灌木年固碳量

根據各樹種單位葉面積凈同化量、總葉面積和數量可得到各灌木樹種的年固碳量，見表2。

由表2可知，在12種灌木中，單株植物年平均固碳量最高的為夾竹桃，其年平均固碳量為23.64 kg；單株植物年平均固碳量最低的為紅花檵木，其年平均固碳量為3.91 kg。對比不同灌木的單株植物平均固碳量可以得知，12種灌木的單株植物平均固碳量標準差為5.75，灌木樹種之間的單株植物平均固碳量因植物物種的不同，單株變化較小。整體而言，12種灌木樹種的平均單株植物固碳量為8.35 kg·a-1，遠低于7種喬木的36.46 kg·a-1。但是也有個別灌木例如夾竹桃的單株植物平均固碳量達到了喬木植物的水平，因此在灌木植物占地面積較小的情況下，這類植物更適合選擇作為高速公路路域綠化植被。根據估算可得，該高速公路路域喬木的年固碳量總計為2 342 t。

表2 路域灌木凈同化量數據表

4.4 草本植物年固碳量

通過測算草本植物單位面積生物量，乘以轉換系數0.5即可得到單位面積固碳量(以C計)，再根據高速公路工程量清單提供的草本植物面積，即可得到草本植物的年固碳量(以C計)，最后轉換為以CO2計具體見表3。

表3 路域草本植物凈同化量數據表

經估算可得，該高速公路路域草本植物的年固碳量在233 t左右。

總體而言，從固碳總量上分析，灌木的年固碳量最大，其次是喬木的固碳量，固碳量最低的為草本植物。然而總固碳量不僅和植被物種有關，也與種植面積有關。某些喬木的單株固碳能力強，單株植物平均固碳量較高，但由于種植量較少，導致總固碳量也偏低。因此，單株植物平均固碳量是衡量一種植物固碳能力的一項重要指標。

4.5 結果分析

(1)綠化植物光合作用速率在一天之內隨著時間的變化而變化，多數植物的光合作用速率變化曲線呈雙峰型，少數植物的光合作用速率變化曲線呈單峰型。光合作用速率變化曲線出現雙峰型的原因可能是由于溫度、濕度等環境因子的變化，導致植物出現光午休現象，導致光合作用速率降低。

(2)路域植被固碳量結果分析表明：喬木中廣玉蘭和樟樹的固碳能力較強，單株植物平均固碳量分別為151.39 kg和52.93 kg；灌木中夾竹桃的固碳能力較強，單株植物平均固碳量為23.64 kg。不同喬木樹種之間固碳能力差異較大，而不同灌木樹種之間固碳能力差異不大，且總體而言，喬木的固碳能力強于灌木。

5 結 語

高速公路路域植被已經成為重要的碳匯，能夠在一定程度上抵消交通運輸中碳的排放，為節能減排做出重要貢獻。因此，如何合理選擇路域植被的配置，使得路域植被在有限的土地資源條件下發揮最大的碳中和能力，對于未來綠色公路的建設起著重要作用。根據以上研究所得數據，結合生理要求和經濟性要求，建議如下：(1)在建設和養護的過程中，在保證樹種豐富和存活率高的前提下，盡量選擇固碳能力強，占地面積小的植物進行種植和補種；(2)在垂直空間上，充分利用空間，實現從下到上“草本植物+灌木+喬木”的群落結構，最大程度的利用有限的土地空間；(3)該公路在后期養護過程中，推薦補種以下樹種，喬木：廣玉蘭和樟樹；灌木：夾竹桃和山茶。根據實際情況，合理搭配喬木、灌木和草本植物可以最大化空間利用，從而提高高速公路路域植被的固碳能力。