高校校園綠地植物群落固碳效益分析及高固碳植物群落優(yōu)化對策
---以湖南城市學(xué)院為例

周小梅李曦蕊

(1.湖南城市學(xué)院，湖南 益陽 413000；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 咸陽 712100)

自工業(yè)化革命以來，城市不斷擴(kuò)張，由人類活動(dòng)造成的二氧化碳等溫室氣體濃度持續(xù)增加，全球變暖已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題。IPCC第5次評估報(bào)告[1]預(yù)測，2016—2035年全球地表平均氣溫將升高0.3～0.7℃，2081—2100年將升高0.3～4.8℃，這將對全球的生態(tài)環(huán)境提出重大挑戰(zhàn)。目前我國CO2排放總量已超過美國，成為世界第一排放大國，因此國際社會(huì)迫切要求我國進(jìn)行減排，我國面臨著巨大的減排壓力。而1997年簽署的《京都協(xié)議書》讓更多的學(xué)者開始了對固碳的研究，并提出綠色植物的固碳可以減少大氣中二氧化碳濃度，這已經(jīng)成為國際公認(rèn)緩解氣候變暖的有效途徑[2]。

然而，目前針對城市綠地固碳釋氧能力的研究主要有居住區(qū)綠化樹種固碳釋氧和降溫增濕效應(yīng)研究、華南居住區(qū)綠地碳匯作用研究及其在全生命周期收支評價(jià)中的作用[3，4]；陳娟等[5]、邵永昌等[6]、郝鑫杰等[7]分別研究了武漢、上海、呼和浩特城市常見植物的光合特性及固碳釋氧能力并對測試植物日固碳釋氧量進(jìn)行聚類分析，篩選出高固碳釋氧的樹種；依蘭等[8]對城市公園綠地的植物群落固碳能力進(jìn)行研究分析，這些研究結(jié)果均為該地區(qū)生態(tài)建設(shè)提供了數(shù)據(jù)支持。但目前針對校園綠地尺度方面的探索不足，對于校園綠地植物群落固碳效益的研究缺乏定量化分析。

校園是學(xué)生接受教育的主要場地，校園綠地是校園景觀系統(tǒng)的重要組成之一，而植物群落是校園綠地的主要組成部分，對綠地固碳效益的發(fā)揮有重要影響，其能夠通過自身的光合作用吸收大氣中二氧化碳，從而減少大氣中的碳含量，改善由溫室效益帶來的氣候問題，同時(shí)也能增加校園整體的固碳效益。因此，需要對校園植物群落的固碳效益進(jìn)行系統(tǒng)分析，從植物結(jié)構(gòu)層次、郁閉度、樹種組成、栽植密度等方面分析植物群落的特征因子與固碳效益之間的關(guān)系，并針對校園植物群落存在的問題，進(jìn)行高固碳化植物配置，提高校園整體固碳水平。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

湖南城市學(xué)院位于湖南省益陽市朝陽開發(fā)區(qū)梓山湖畔，總校園面積占94.33hm2，建筑占地58萬m2，綠化率為62%。經(jīng)過調(diào)查分析，校園內(nèi)共記錄主要植物83種，共涵蓋38科，以喬木為主，其次是灌木和草本，還有少量的竹類等其他植物，大部分植物資源為人工種植。本文對校園植物群落的結(jié)構(gòu)相關(guān)性分析利用了ArcGis軟件的柵格法。通過建立漁網(wǎng)，根據(jù)場地的面積與研究精度，使用適當(dāng)?shù)母窬W(wǎng)面積對場地進(jìn)行劃分，并編輯出相應(yīng)場地空間信息的柵格圖，再導(dǎo)入每個(gè)格網(wǎng)空間的植被信息并同時(shí)進(jìn)行類別的劃分，全面綜合考慮群落的空間結(jié)構(gòu)和層次結(jié)構(gòu)，進(jìn)行植物結(jié)構(gòu)層次的顯示，見圖1。群落具有4種不同的層次結(jié)構(gòu)：喬灌、喬草、灌草、喬灌草。在植物群落的選取上盡量每一種結(jié)構(gòu)都有所涉及，使后期的調(diào)研具有覆蓋性，在植物群落固碳量的比較上更具說服力和真實(shí)性。通過前期調(diào)研，共選取了13個(gè)群落結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，生長狀況較好的具有代表性的植物群落，面積在520～2400m2，見圖2。

圖1 校園植物層次分布圖

圖2 群落選取圖

1.2 指標(biāo)測定

植物的胸徑、樹高、冠幅等指標(biāo)采用胸徑尺、卷尺等工具進(jìn)行測定，同時(shí)記錄每個(gè)群落的樹種、數(shù)量、層次結(jié)構(gòu)等群落特征指標(biāo)，并計(jì)算其群落的郁閉度、栽植密度等，利用Excel對不同群落的特征因子進(jìn)行對比分析，以及不同群落特征因子對群落固碳量的影響程度分析。

1.3 植物固碳效益的計(jì)算

1.3.1 群落年固碳總量計(jì)算

不同植物群落的固碳量組成包括喬木固碳、灌木固碳、地被草本及藤本植物的固碳。喬木是高校校園植被固碳的主體，且不同種類、不同規(guī)格的固碳量差異較大。其中小喬木與其他成片種植的灌木，則按灌木生物量方法計(jì)算，其他地被、草本植物的固碳量較少，可忽略不計(jì)[9]。植物年固碳總量計(jì)算公式：

式中，CS為年綠色碳匯總量，kg；Ctr為第i種喬木單棵植物的年固碳量，kg/棵；Ni為第i種喬木棵數(shù)；Csh為第m種灌木單位面積年固碳量，kg·hm-2；Sm為第m種灌木種植面積，hm2；j為喬木種類數(shù)；n為灌木種類數(shù)[9]。

1.3.2 喬木年固碳量的計(jì)算

根據(jù)對調(diào)研地植物群落調(diào)查所得的數(shù)據(jù)，運(yùn)用樹木效益計(jì)算工具(National Tree Benefit Calculator)軟件，通過輸入樹木種類、胸徑、用地類型和地理位置信息，可自動(dòng)計(jì)算場地中單株喬木的單位年固碳量，見圖3。在計(jì)算時(shí)，由于是基于美國的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，所以選擇與湖南相似緯度和氣候環(huán)境的德克薩斯休斯頓(美國德克薩斯州N25°50′～36°30′)作為類似地理位置；在樹種的選擇上，選擇相同樹種，若沒有對應(yīng)樹種選擇，則選擇相似或同種科屬種的樹種進(jìn)行替代[10]。所得結(jié)論會(huì)存在一定的相對誤差，但由于該模型中的數(shù)據(jù)全面、可信度高，因此可以作為湖南喬木固碳量計(jì)算的參考依據(jù)。

圖3 喬木年固碳量計(jì)算

圖4 場地植物群落結(jié)構(gòu)的年固碳量

圖5 場地植物群落平均胸徑范圍的年固碳量

1.3.3 灌木年固碳量的計(jì)算

方燕輝[11]的研究表明，城市灌木在剪枝干擾下，其年凈生產(chǎn)力主要用于新生枝葉的構(gòu)建。因此，灌木一年生枝生物量可以反映當(dāng)年內(nèi)的固碳能力。方精云等[12]對我國不同地區(qū)代表性植物各器官碳含量測定結(jié)果，采用0.5作為生物量—碳儲(chǔ)量轉(zhuǎn)換因子；任巧[13]測得上海灌木層平均單位面積生物量為3.963kg·m-2，湖南與上海同屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，可將其替換使用，通過代入公式碳儲(chǔ)量=生物量×0.5[13]，計(jì)算得到湖南灌木年固碳量約為1.98kg·m-2。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel軟件完成全部數(shù)據(jù)處理和作圖，利用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)性分析和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樹種對植物固碳效益的影響

根據(jù)前期的資料分析，不同植物的固碳能力會(huì)有所不同，而植物群落是由不同的單株植物組成，單株植物的固碳能力顯著，其整體固碳效益會(huì)相對較高，這在一定程度上說明了樹種組成對群落的固碳效益會(huì)產(chǎn)生一定影響。而本文共選取13個(gè)群落作為研究對象，對主要植物進(jìn)行固碳能力測定，比較分析不同植物固碳效益之間的差異，見表1、表3。

表1 調(diào)研地主要植物的固碳能力分析

表2 調(diào)研地主要植物科屬的固碳能力分析

通過對植物進(jìn)行科屬劃分，并分析其固碳能力的高低，見表2。可得出，杜英科、大戟科、樟科、豆科、玄參科的固碳能力相對較高，其次是銀杏科、松科、杉科和木蘭科，其中山茶科、羅漢松科和金縷梅科的固碳能力相對較差。

總之，大規(guī)格樹種的固碳能力相對較強(qiáng)，而中等規(guī)格樹種的固碳能力相對居中且穩(wěn)定，處于幼齡和老齡階段樹種的固碳能力相對較低且趨于不太穩(wěn)定的狀態(tài)。因此，在后續(xù)的優(yōu)化改造設(shè)計(jì)中可以適當(dāng)結(jié)合大規(guī)格樹種和中等規(guī)格的樹種進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)選擇固碳能力較高的科屬樹種，以提高整體固碳水平。

2.2 植物群落的層次結(jié)構(gòu)對固碳效益的影響

總體來看，植物群落的固碳效益與植物群落的結(jié)構(gòu)層次呈正相關(guān)，即植物群落(復(fù)層)>植物群落(雙層)>植物群落(單層)，見圖6。具有多層結(jié)構(gòu)的植物群落固碳效益更高，但不同層次結(jié)構(gòu)的植物群落也可以通過樹種之間的搭配組成來彌補(bǔ)植物群落結(jié)構(gòu)的不足。因此，在后續(xù)的設(shè)計(jì)中要盡可能多運(yùn)用喬灌草復(fù)式結(jié)構(gòu)層次，充分考慮植物群落的生態(tài)效益與景觀效益，以此達(dá)到最大化的固碳效益。

圖6 場地不同植物群落郁閉度的年固碳量

2.3 植物群落的平均胸徑對固碳效益的影響

根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)植物群落的胸徑范圍在15～27cm時(shí)，固碳效益先上升到一定程度之后再呈現(xiàn)出下降的趨勢，見圖5。從整體上看，植物群落的平均胸徑與固碳效益具有一定的相關(guān)性。其中植物群落平均胸徑在18～21cm范圍內(nèi)的年固碳量最高，達(dá)267690.8kg·hm-2，遠(yuǎn)高于平均胸徑在其他范圍內(nèi)的植物群落，其相差約150000kg·hm-2；植物群落胸徑在21～24cm范圍內(nèi)的年固碳量最低，只有53409.4kg·hm-2。總體來看，植物群落的平均胸徑對固碳效益的影響較大。因此，盡量選擇植物群落平均胸徑在18～21cm范圍內(nèi)的樹種，以此提高校園整體固碳效益。

2.4 植物群落的郁閉度對固碳效益的影響

通過相關(guān)數(shù)據(jù)分析可知，植物群落的固碳效益與郁閉度具有正相關(guān)，總體呈上升趨勢，見圖6。當(dāng)植物群落的郁閉度在0～0.2時(shí)，其固碳效益是最低，為19700.8kg·hm-2；郁閉度為0.8～1.0時(shí)，植物群落的固碳效益最大，為257552.3kg·hm-2；其中植物群落的郁閉度處于0.4～0.6時(shí)，植物群落的固碳效益還呈現(xiàn)了下降的趨勢，與植物群落郁閉度為0～0.2時(shí)的固碳效益相差不大。當(dāng)植物群落的郁閉度大于0.6，其植物群落的固碳效益呈現(xiàn)較快的增長趨勢。因此，在后續(xù)的優(yōu)化策略中可以考慮形成郁閉度較大的植物群落，但是考慮視線的通透性，不能盲目選擇最大的郁閉度，應(yīng)該綜合考慮植物群落的固碳效益和景觀效果選擇最佳植物群落的郁閉度區(qū)間[14]，以0.7～0.9最佳，能充分提升植物群落的固碳效益。

2.5 植物群落的栽植密度對固碳效益的影響

將13個(gè)場地中的植物群落栽植密度分成5個(gè)不同的等級，對場地中不同范圍內(nèi)的植物群落年固碳量進(jìn)行分類，見圖7。通過對比可知，不同范圍內(nèi)的植物群落栽植密度，其產(chǎn)生的固碳效益存在一定程度的差異，整體在0～1250株·hm-2的范圍內(nèi)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，其中在750～1000株·hm-2的栽植密度范圍內(nèi)，植物群落的年固碳量最高，達(dá)245575kg·hm-2；而植物群落的栽植密度在0～250株·hm-2時(shí)，植物群落年固碳量最低，為23949kg·hm-2，相差約220000kg·hm-2；而處于其他栽植密度范圍內(nèi)的固碳效益也不高，大約在100000kg·hm-2，整體上可以看出，適當(dāng)?shù)脑灾裁芏葘θ郝涞墓烫夹б嬗绊戄^大。因此，在后續(xù)的優(yōu)化策略中可以根據(jù)適當(dāng)?shù)脑灾裁芏葋磉M(jìn)行植物配置，以750～1000株·hm-2的栽植密度為宜，以實(shí)現(xiàn)植物群落的固碳效益最優(yōu)化。

圖7 不同范圍內(nèi)群落栽植密度的固碳效益與固碳量

2.6 不同群落特征指標(biāo)與植物群落的固碳效益相關(guān)性分析

選取所有場地植物群落的郁閉度、平均胸徑、群落密度3項(xiàng)群落特征因子與固碳總量、固碳效益的計(jì)算數(shù)據(jù)，見圖8，將其導(dǎo)入SPSS 26.0軟件進(jìn)行Pearson的相關(guān)性分析，其中r為不同變量之間的相關(guān)性系數(shù)，P代表顯著性。

圖8 不同植物群落的年固碳量

如表4所示，在固碳總量層面中，植物群落的平均胸徑與固碳總量具有顯著的相關(guān)性(r=0.750，p=0.005)，郁閉度、群落密度與固碳總量不具有顯著相關(guān)性(r=0.515，p=0.086；r=-0.364，p=0.245)；在固碳效益層面，植物群落的郁閉度與固碳效益具有顯著的相關(guān)性，而平均胸徑與固碳效益具有極顯著的相關(guān)性，群落密度與固碳效益不具有顯著相關(guān)性。

表4 不同群落特征指標(biāo)與植物群落的固碳效益相關(guān)性分析

3 討論與結(jié)論

本文通過對湖南城市學(xué)院校園內(nèi)13個(gè)典型植物群落進(jìn)行實(shí)地調(diào)研與考察，得到固碳效益相關(guān)的數(shù)據(jù)；利用計(jì)算工具Tree Benefit Calculator軟件及有關(guān)的計(jì)算公式，推算出樣地內(nèi)植物群落的固碳效益，分析討論校園內(nèi)植物群落的固碳效益、相關(guān)的影響因素以及關(guān)于植物群落進(jìn)行高固碳優(yōu)化改造的策略等，具體的研究結(jié)論如下。

3.1 優(yōu)化樹種選擇

盡量選用當(dāng)?shù)氐谋就翗浞N，遵循適地適樹的原則，鄉(xiāng)土植物相比于外來的物種具有更強(qiáng)的適應(yīng)能力，能夠較快地適應(yīng)校園內(nèi)的生態(tài)環(huán)境；還能避免外來樹種引入后，產(chǎn)生與本土樹種不相適應(yīng)、破壞生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定進(jìn)而導(dǎo)致植物群落的固碳效益降低的情況。在高固碳樹種的選擇上，盡可能使喬木的固碳能力較為突出，而灌木和地被植物選生長勢較好、枝繁葉茂、耐修建、耐養(yǎng)護(hù)管理、固碳能力強(qiáng)的樹種，如紫葉李、櫻花等木本植物以及郁金香和風(fēng)信子等球根花卉；同時(shí)，在選擇固碳能力更高的樹種時(shí)，不僅需要考慮植物群落整體的功能特性以及美學(xué)價(jià)值，還需要選擇一些固碳能力更強(qiáng)的樹種，包括銀荊、杜英、香樟、紫薇等具有當(dāng)?shù)靥厣泥l(xiāng)土樹種。還需綜合考慮植物群落顏色、形態(tài)和氣味等因素，合理安排落葉樹與常綠樹，闊葉樹與針葉樹等植物類型的比例，注重植物的四季景觀效果，營造怡人的校園景觀環(huán)境。

通過前期分析和相關(guān)資料查詢，見表5，總結(jié)出一些固碳效益較好的植物配置形式。香樟加構(gòu)樹/棕櫚加紫葉李加海桐/珊瑚樹加月季加麥冬；杜英加桂花加紫薇/紫葉李加海桐/日本女貞加月季加麥冬；香樟/杜英加桂花加銀杏加小葉女貞/小葉黃楊加蚊母樹加杜鵑加麥冬；毛竹加羅漢松加臘梅/茶梅加紅花檵木加梔子/杜鵑加沿階草；香樟加櫻花加樂昌含笑加夾竹桃/海桐加麥冬；楓楊加紫葉李/櫻花加麥冬；構(gòu)樹加木芙蓉/夾竹桃/蚊母樹加沿階草；廣玉蘭加南天竹加麥冬；女貞加石楠加八角金盤加沿階草；懸鈴木/香樟加桂花/棕櫚加四季桂/含笑加紅花檵木/迎春/茶梅加鳶尾/繡球；杜英加紅楓加紫葉李加麥冬；銀杏加麥冬；紫薇加垂絲海棠加山茶加麥冬。

表5 高固碳樹種應(yīng)用推薦表

3.2 優(yōu)化群落特征指標(biāo)

植物不同的群落特征對其固碳效益具有一定影響，包括栽植密度、郁閉度、平均胸徑、平均冠幅等。在進(jìn)行校園植物群落高固碳配置時(shí)需要綜合考慮各方面因素的影響，盡量全方位評價(jià)植物栽植的優(yōu)劣條件，優(yōu)化植物群落的特征指標(biāo)，用最經(jīng)濟(jì)的手段達(dá)到最優(yōu)的生態(tài)效益，使得植物群落的固碳效益是最佳的。在郁閉度方面需要兼顧景觀視線和植物群落的固碳效益，盡量維持群落的郁閉度為70%～90%。在栽植密度方面要保證植株之間的生長環(huán)境，盡量保持植物群落的栽植密度為750～1000株·hm-2。而在植物群落的層次結(jié)構(gòu)方面，要豐富群落垂直結(jié)構(gòu)，盡可能選取高固碳效益的層次結(jié)構(gòu)：喬灌草>喬草>灌草>單層結(jié)構(gòu)以及針闊葉混交>闊葉混合>單層形式，以達(dá)到最優(yōu)的植物群落固碳效益，更好滿足師生的需求，見表6。

表6 優(yōu)化群落特征指標(biāo)對策

本文通過計(jì)算軟件估算了植物群落的固碳量，并相應(yīng)對其展開優(yōu)化策略的研究。校園綠地植物群落的固碳效益研究為提高城市綠地的生態(tài)效益具有重要意義。希望在以后的學(xué)習(xí)研究中，能夠?qū)⒏嘤行У募夹g(shù)措施應(yīng)用到植物群落固碳效益的動(dòng)態(tài)研究中，進(jìn)一步準(zhǔn)確評估相關(guān)數(shù)據(jù)。同時(shí)還需重視GIS在植物群落固碳量評估研究中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)高效化、系統(tǒng)化、數(shù)據(jù)化應(yīng)是未來植物群落固碳效益的研究方向。未來需要在更大尺度上提高植物群落的固碳效益，應(yīng)重視不同個(gè)體甚至不同行業(yè)對固碳量的影響，更有效地緩解大氣中過度排放的二氧化碳量，并達(dá)到改善一系列城市病以及全球變暖等問題這一目標(biāo)，更好構(gòu)建人類命運(yùn)共同體。