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(xué)研究院，江西 南昌 330200)

1 前 言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，全球溫室效應(yīng)日益嚴(yán)重，二氧化碳排放增加導(dǎo)致的全球氣候變暖是當(dāng)前國(guó)際社會(huì)最為關(guān)注的問(wèn)題之一。從世界范圍內(nèi)看，二氧化碳主要來(lái)源于能源、交通和建筑領(lǐng)域等行業(yè)的排放。其中交通運(yùn)輸行業(yè)是全球第二大溫室氣體排放來(lái)源，占全球總溫室氣體排放的14%[1]。從1990年到2008年間，我國(guó)交通行業(yè)碳排放總量增速高達(dá)227.4%[2]。而在我國(guó)交通行業(yè)當(dāng)中，高速公路運(yùn)輸占據(jù)了主要部分，根據(jù)交通運(yùn)輸部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2019年高速公路貨物運(yùn)輸量172萬(wàn)t，占交通行業(yè)總貨物運(yùn)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(guó)碳排放的關(guān)鍵。

高速公路路域植被通過(guò)光合作用吸收空氣中CO2從而達(dá)到固碳作用，進(jìn)而降低高速公路運(yùn)營(yíng)期的碳排放。相比于減少交通行業(yè)碳排放，增加高速公路路域植被的固碳量更加經(jīng)濟(jì)可行。因此，對(duì)高速公路路域植被固碳量進(jìn)行定量化估算和對(duì)植被品種的進(jìn)行選擇對(duì)增加路域固碳量顯得尤為重要，而當(dāng)前高速公路碳足跡過(guò)程中對(duì)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(duì)象，對(duì)路域植被固碳量進(jìn)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(shè)提供理論依據(jù)。

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(duì)象。昌樟高速公路起點(diǎn)位于南昌市新建區(qū)省莊，途徑豐城市、高安市和樟樹市，終點(diǎn)位于樟樹市昌傅鎮(zhèn)，道路全長(zhǎng)103.4 km。其中南昌至胡家坊段長(zhǎng)70.4 km，胡家坊至昌傅鎮(zhèn)段是昌樟高速公路的南延工程，長(zhǎng)33 km。南昌至胡家坊段于1997年建成通車并投入運(yùn)行，胡家坊至昌傅鎮(zhèn)段于2001年通車并投入運(yùn)行。2012年昌樟高速啟動(dòng)改擴(kuò)建工程并于2015年建成通車。2014年5月，昌樟高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目成功獲得交通運(yùn)輸部綠色循環(huán)低碳公路主題性示范項(xiàng)目，成為江西省第一條“綠色循環(huán)低碳主題性示范公路”[3]。

2.2 自然環(huán)境概況

昌樟高速公路沿線屬于中亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，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(shì)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(cè)以水稻田為主，自然植被破壞嚴(yán)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(jié)合建設(shè)期工程量清單，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和其他文獻(xiàn)資料對(duì)高速公路沿線中央分隔帶、邊坡、立交橋、互通區(qū)以及服務(wù)區(qū)路域植被進(jìn)行了調(diào)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(shè)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(qū)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(shí)地調(diào)研、查閱文獻(xiàn)等方法，針對(duì)每個(gè)樹種和草本植物的固碳能力進(jìn)行估算和分析，估算路域植被的總固碳量。根據(jù)目前已有的文獻(xiàn)和研究，采用同化量法對(duì)植被的固碳能力進(jìn)行估算。同化量法指通過(guò)測(cè)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?cè)~面積和天數(shù)，進(jìn)而可以計(jì)算出單株植物每年的固碳量，再乘以相應(yīng)植物的數(shù)量，即可得到該區(qū)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(jì)算出該區(qū)域草本植物凈同化量。單位葉面積凈同化速率通過(guò)Lcpro+光合作用測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)量得到，試驗(yàn)選擇5月晴朗、無(wú)風(fēng)的天氣，在自然光照射條件下，每次每個(gè)樹種選擇3株健康植株，采用Lcpro+光合作用測(cè)定儀進(jìn)行光合作用速率的數(shù)據(jù)采集，從8∶00～18∶00每隔2 h采集1次。葉面積根據(jù)樹木相關(guān)特征(樹高、胸徑、冠幅等)，通過(guò)回歸方程計(jì)算而得[1，5-6]。各種植被的單位面積凈同化量、總?cè)~面積回歸模型均有完備、豐富的數(shù)據(jù)，本研究將進(jìn)行引用[7-13]。樹高、胸徑和冠幅的等樹木特征數(shù)據(jù)將結(jié)合已有工程量清單和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量而得。植物固碳量計(jì)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(shí)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(guò)以下公式計(jì)算[14]。

單位葉面積凈同化量的測(cè)算

3 600/1 000)

(1)

式中：P為測(cè)定日的凈同化總量，mmol；Pi是初測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)光合作用速率，umol·m-2·s-1；Pi+1為下一測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)光合作用速率，umol·m-2·s-1；ti是初測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)時(shí)間；ti+1是下一測(cè)點(diǎn)的時(shí)間，h；j為測(cè)試次數(shù)。

植物固碳(CO2)量的計(jì)算，用測(cè)定日的同化量換算為測(cè)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(zhì)量，g·mol-1；WCO2為單位面積的葉片固定CO2的質(zhì)量，g·m-2·d-1。

4 結(jié)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(tài)功能，固碳釋氧能力是植物通過(guò)光合作用，與外界環(huán)境進(jìn)行CO2和O2交換，不斷地調(diào)節(jié)碳氧濃度比例，從而達(dá)到吸收CO2的效果。光合作用速率的強(qiáng)弱直接影響植物固碳釋氧能力的發(fā)揮。植物光合作用速率受到環(huán)境因子(光照、溫度、濕度等)影響，因此光合作用速率在一天時(shí)間內(nèi)變化明顯[15]。采用Lcpro+光合作用測(cè)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(gè)峰值多出現(xiàn)在10∶00，第二個(gè)峰值多出現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)在12∶00和14∶00。在統(tǒng)計(jì)的綠化喬木中，蜀檜的峰值光合作用速率最高，達(dá)到11.74 umol/(m2·s)，出現(xiàn)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(gè)峰值一般出現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(duì)灌木較大。從圖1和圖2中可以看出，大多數(shù)植物在12∶00左右會(huì)出現(xiàn)光合作用速率下降的情況，出現(xiàn)光午休現(xiàn)象[16]。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能是強(qiáng)光、高溫、低濕、干旱等條件下胞間CO2濃度和氣孔導(dǎo)度下降， 植物為防止蒸騰過(guò)盛，氣孔關(guān)閉，吸收二氧化碳極少，影響到光合反應(yīng)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(jù)各樹種單位葉面積凈同化量、總?cè)~面積和數(shù)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(jù)估算可得，該高速公路路域喬木的年固碳量總計(jì)為295 t。

表1 路域喬木凈同化量數(shù)據(jù)表

4.3 灌木年固碳量

根據(jù)各樹種單位葉面積凈同化量、總?cè)~面積和數(shù)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)低于7種喬木的36.46 kg·a-1。但是也有個(gè)別灌木例如夾竹桃的單株植物平均固碳量達(dá)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(jù)估算可得，該高速公路路域喬木的年固碳量總計(jì)為2 342 t。

表2 路域灌木凈同化量數(shù)據(jù)表

4.4 草本植物年固碳量

通過(guò)測(cè)算草本植物單位面積生物量，乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)0.5即可得到單位面積固碳量(以C計(jì))，再根據(jù)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(jì))，最后轉(zhuǎn)換為以CO2計(jì)具體見表3。

表3 路域草本植物凈同化量數(shù)據(jù)表

經(jīng)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(guān)，也與種植面積有關(guān)。某些喬木的單株固碳能力強(qiáng)，單株植物平均固碳量較高，但由于種植量較少，導(dǎo)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(xiàng)重要指標(biāo)。

4.5 結(jié)果分析

(1)綠化植物光合作用速率在一天之內(nèi)隨著時(shí)間的變化而變化，多數(shù)植物的光合作用速率變化曲線呈雙峰型，少數(shù)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(xiàn)雙峰型的原因可能是由于溫度、濕度等環(huán)境因子的變化，導(dǎo)致植物出現(xiàn)光午休現(xiàn)象，導(dǎo)致光合作用速率降低。

(2)路域植被固碳量結(jié)果分析表明：?jiǎn)棠局袕V玉蘭和樟樹的固碳能力較強(qiáng)，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(qiáng)，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(qiáng)于灌木。

5 結(jié) 語(yǔ)

高速公路路域植被已經(jīng)成為重要的碳匯，能夠在一定程度上抵消交通運(yùn)輸中碳的排放，為節(jié)能減排做出重要貢獻(xiàn)。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(fā)揮最大的碳中和能力，對(duì)于未來(lái)綠色公路的建設(shè)起著重要作用。根據(jù)以上研究所得數(shù)據(jù)，結(jié)合生理要求和經(jīng)濟(jì)性要求，建議如下：(1)在建設(shè)和養(yǎng)護(hù)的過(guò)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(qiáng)，占地面積小的植物進(jìn)行種植和補(bǔ)種；(2)在垂直空間上，充分利用空間，實(shí)現(xiàn)從下到上“草本植物+灌木+喬木”的群落結(jié)構(gòu)，最大程度的利用有限的土地空間；(3)該公路在后期養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，推薦補(bǔ)種以下樹種，喬木：廣玉蘭和樟樹；灌木：夾竹桃和山茶。根據(jù)實(shí)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。