煤礦沉陷復(fù)墾區(qū)植被固碳釋氧能力研究*

穆紅波，安士凱，2，3，陳永春，2，3，徐燕飛，2，3

(1.淮南礦業(yè)(集團)有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001；2.煤礦生態(tài)環(huán)境保護國家工程實驗室，安徽 淮南 232001；3.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001)

0 引言

煤礦既是能源的生產(chǎn)企業(yè)，也是能源的消耗企業(yè)，如何提高能效，減少煤礦區(qū)的碳排放，是煤炭行業(yè)走低碳經(jīng)濟發(fā)展道路必須面對的問題。針對煤礦采煤沉陷區(qū)植物修復(fù)碳減排效應(yīng)開展系列研究，對植物修復(fù)技術(shù)實施后煤礦采煤沉陷區(qū)碳減排潛力進行估算，拓寬煤礦區(qū)減少碳排放途徑、為煤礦區(qū)的低碳經(jīng)濟發(fā)展提供技術(shù)依據(jù)，具有重要的理論研究意義和實際價值。

目前，大量學(xué)者采用生物量和蓄積量法研究植物的固碳釋氧效益[1-5]，但這些方法所需數(shù)據(jù)量龐大，生物量的測算比較麻煩，植被與生態(tài)條件統(tǒng)計模型和數(shù)據(jù)庫的建立需要研究區(qū)大量的資料作為研究基礎(chǔ)，工作量較大。而用儀器測試植物的光合速率，然后帶入相關(guān)公式可以較為方便的估算固碳釋氧量，因此我們從光合作用角度來研究植物碳效應(yīng)，用光合測定儀測量單位植物葉面積吸收二氧化碳和釋放二氧化碳的速度來判斷某種植物的固碳能力以及釋氧能力[6-7]。礦區(qū)植物修復(fù)后固碳釋氧的變化為煤礦沉陷區(qū)復(fù)墾區(qū)碳的釋放規(guī)律研究提供參考。

以潘一礦采煤沉陷復(fù)墾區(qū)域內(nèi)人工林、地表覆蓋的優(yōu)勢植物為研究對象，重點研究不同季節(jié)不同植物的固碳釋氧能力，旨在篩選出適宜采煤沉陷復(fù)墾區(qū)環(huán)境生長的優(yōu)勢植物物種，建立能產(chǎn)生最大碳減排生態(tài)效益的喬灌木復(fù)合景觀植物組合，并對碳排放風(fēng)險和碳儲存效益進行分析研究，為指導(dǎo)煤礦復(fù)墾區(qū)的綠化工作、提高煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

潘一礦于1983年12月26日建成投產(chǎn)，位于安徽省淮南市潘集區(qū)，是全國煤炭系統(tǒng)首批命名的15個現(xiàn)代化樣板礦之一，也是淮南礦業(yè)集團新區(qū)第1個建成投產(chǎn)的大型現(xiàn)代化礦井。潘一礦于2018年9月20日正式永久關(guān)閉。

潘一礦復(fù)墾區(qū)2008年啟動綠色工程，礦井經(jīng)過20多年的開采，地勢有了很大的變化，采空區(qū)上方地表形成了許多大小不一的沉陷積水區(qū)。地表水系縱橫交錯，主要為農(nóng)田灌溉水系，由于受采掘活動影響，地面下沉，建筑物沉陷受損，地表水系、植被被破壞。潘一礦復(fù)墾區(qū)采用煤矸石、生活垃圾等進行填埋，覆土深度0.6～1.0 cm；覆土后植樹造林，共植樹約7萬株，苗木主要有楊樹、水杉、女貞、雪松、四川檜、廣玉蘭等，目前均已成林，如圖1、2所示。

圖1 潘一礦復(fù)墾區(qū)位置遙感影像Fig.1 Remote sensing image of reclamation area in Panyi Coal Mine

圖2 潘一礦復(fù)墾區(qū)植被生長狀況Fig.2 Vegetation growth in reclamation area of Panyi Coal Mine

2 測試方法

從光合作用角度來研究植物固碳效應(yīng)，用光合作用監(jiān)測儀CI-340測量植物的凈光合速率(Pn，μmol·m-2·s-1)，計算植物的日單位葉面積固定CO2質(zhì)量和日單位葉面積釋放O2質(zhì)量WCO2和WO2；利用冠層分析儀CI-110測定整株植物接受陽光照射的葉面積指數(shù)ILAI；植物單位葉面積固碳量及釋氧量WCO2和WO2與植株葉面積指數(shù)ILAI的乘積得出單株植物日吸收CO2量和釋放O2量[8-10]。對植物光合作用速率的檢測點布設(shè)以同年生同一樹種為單位，隨機測定5～6株，取其平均值。

3 同一樹種光合作用速率強度變化

3.1 冬季同一樹種變化

在潘一礦復(fù)墾區(qū)對冬季常綠樹種進行現(xiàn)場光合測試，測試分樹種進行，選擇晴朗無風(fēng)天氣從早上9：00～17：00開始每隔2 h采集一次數(shù)據(jù)。不同樹種凈光合速率測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同樹種冬季光合速率日變化曲線Fig.3 Diurnal variation curve of photosynthetic rate of different tree species in winter

凈光合速率的變化是植物生產(chǎn)過程中物質(zhì)積累與生理代謝的基本過程，是分析環(huán)境因素影響植物生長和代謝的重要指標(biāo)[11-13]。光合測試結(jié)果顯示，冬季植物的凈光合速率大多呈“單峰”曲線的日變化，這是由于冬季光合輻射和溫度低，早晚之間溫度先升高后降低，潘一礦復(fù)墾區(qū)四川檜和廣玉蘭凈光合速率的峰值出現(xiàn)在11：00點左右，其數(shù)值分別為3.82 μmol·m-2·s-1、3.00 μmol·m-2·s-1；女貞、雪松和桂花凈光合速率的峰值出現(xiàn)在13：00左右，其數(shù)值分別為2.70 μmol·m-2·s-1、0.80 μmol·m-2·s-1、2.01 μmol·m-2·s-1。

3.2 春、夏、秋3季同一樹種變化

監(jiān)測樹種里有落葉樹種，冬季無法對其進行監(jiān)測分析。在春、夏、秋3季，對相同樹種的光合速率及固碳情況進行光合測試和分析，選擇春、夏、秋季節(jié)晴朗無風(fēng)天氣，時間為8：00～18：00之間，每隔2 h采集一次數(shù)據(jù)，凈光合速率測試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，潘一礦復(fù)墾區(qū)四川檜、楊樹、女貞、香樟、廣玉蘭、紅葉李、國槐、桂花、紫玉蘭和合歡10種樹種春、夏、秋3季日光合速率曲線圖均為雙峰型；其中，四川檜、楊樹、女貞、香樟、紅葉李、國槐和合歡分別出現(xiàn)在10：00和14：00時間段內(nèi)；廣玉蘭、桂花和紫玉蘭的雙峰值分別出現(xiàn)在10：00和16：00時間段內(nèi)；雪松春、夏兩季為雙峰型，雙峰均出現(xiàn)在10：00和14：00時間段內(nèi)，而秋季為單峰型，出現(xiàn)在10：00左右；水杉只在夏季為雙峰型，春、秋兩季為單峰型；紅葉桃的3季日光合速率曲線圖均為單峰型，峰值均出現(xiàn)在10：00左右。

圖4 不同樹種3季光合速率日變化曲線Fig.4 Diurnal variation curve of photosynthetic rate of different tree species in three seasons

春、夏、秋3季植物的凈光合速率大多數(shù)呈“雙峰”曲線的日變化，具有光合“午休”現(xiàn)象，少數(shù)為“單峰”曲線的日變化，主要原因為春、夏、秋3季中午前后溫度增高，濕度降低，過高的溫度可引起葉片暫時水分虧缺，導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，從而使光合速率下降，待光強減弱之后，光合速率逐漸上升，如楊樹春季10：00和14：00的峰值分別為14.51 μmol·m-2·s-1和11.06 μmol·m-2·s-1。對于個別“單峰”曲線植物，可能歸因于植物的代謝途徑不同。

4 不同樹種單位葉面積固碳釋氧能力比較

4.1 冬季不同樹種比較

根據(jù)植物的凈光合速率和葉面積指數(shù)計算得出單株植物的固碳釋氧能力。潘一礦冬季不同樹種單位葉面積平均固碳釋氧量，如圖5所示。

圖5 不同樹種單位葉面積平均固碳釋氧量Fig.5 Average carbon fixation and oxygen release per unit leaf area of different tree species

由圖5可知，樹種之間單位葉面積的固碳釋氧量存在著顯著的差異，其中，潘一礦冬季單位葉面積日固碳量最大的為廣玉蘭，單位葉面積平均固碳釋氧量為2.84 g·m-2·d-1，最小的為雪松，單位葉面積平均固碳釋氧量為0.19 g·m-2·d-1，冬季樹種的單位葉面積固碳釋氧量排列順序為廣玉蘭﹥女貞﹥四川檜﹥桂花﹥雪松。

4.2 春、夏、秋3季樹種比較

潘一礦復(fù)墾區(qū)春、夏、秋3季不同樹種單位葉面積固碳釋氧量，如圖6所示。

由圖6可知，潘一礦復(fù)墾區(qū)春季楊樹的日固碳釋氧量最高，分別達(dá)到14.16 g·m-2·d-1和10.30 g·m-2·d-1；香樟次之，日固碳釋氧量分別為10.80 g·m-2·d-1和7.86 g·m-2·d-1；雪松的日固碳釋氧量最低，日固碳釋氧量分別為5.10 g·m-2·d-1和3.71 g·m-2·d-1。在觀測的6種樹種中，春季各樹種的單位葉面積日固碳釋氧量排列順序為：楊樹>香樟>女貞>水杉>四川檜>雪松。夏季楊樹的日固碳釋氧量最高，固碳釋氧量分別達(dá)到17.86 g·m-2·d-1和12.99 g·m-2·d-1；女貞次之，日固碳釋氧量分別為10.74 g·m-2·d-1和7.81 g·m-2·d-1；水杉的日固碳釋氧量最低，分別為7.66 g·m-2·d-1和5.57 g·m-2·d-1。在觀測的6種樹種中，夏季各樹種的單位葉面積日固碳釋氧量排列順序為：楊樹>女貞>雪松>香樟>四川檜>水杉。秋季也是楊樹的日固碳釋氧量最高，固碳釋氧量分別達(dá)到12.17 g·m-2·d-1和8.85 g·m-2·d-1；香樟次之，日固碳釋氧量分別為7.23 g·m-2·d-1和5.26 g·m-2·d-1；雪松的日固碳釋氧量最低，分別為3.27 g·m-2·d-1和2.38 g·m-2·d-1。在觀測的6種樹種中，秋季各樹種的單位葉面積日固碳釋氧量排列順序為：楊樹>香樟>女貞>水杉>四川檜>雪松。

圖6 各樹種3季單位葉面積固碳釋氧量排序Fig.6 Ranking of carbon fixation and oxygen release per unit leaf area of tree species in three seasons

4.3 不同季節(jié)單位葉面積固碳釋氧量研究

植物在其整個生命周期當(dāng)中，同一樹種在不同時間段甚至每一天其光合速率都千差萬別，因此固碳釋氧量也存在著很大的差異，所以在不同季節(jié)其固碳釋氧量同樣也存在著差異[14-15]。計算得出各個樹種不同季節(jié)的單位葉面積日固碳釋氧量如圖7所示。

圖7 各樹種不同季節(jié)單位葉面積日固碳釋氧量Fig.7 Daily carbon and oxygen release per unit leaf area of different species in different seasons

由圖7可以看出，潘一礦復(fù)墾區(qū)中多數(shù)樹種單位葉面積日固碳釋氧量表現(xiàn)為夏季>春季>秋季，包括合歡、紫玉蘭、紅葉桃、水杉、雪松、女貞、楊樹和四川檜，與前人研究結(jié)果一致。而桂花、國槐、紅葉李、廣玉蘭和香樟則表現(xiàn)為春季>夏季>秋季，可能與其特殊的葉片組織結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的夏季光合“午休”現(xiàn)象較明顯有關(guān)。

5 固碳優(yōu)勢植物篩選

利用SPSS聚類分析的方法對春季、夏季和秋季各樹種固碳釋氧的生態(tài)效益進行分類，為礦區(qū)復(fù)墾綠化樹種的選擇及群落配置提供有效合理的依據(jù)。潘一礦主要樹種日固碳量見表1。

表1 潘一礦主要樹種日固碳量Table 1 Daily carbon sequestration of main tree species in Panyi Coal Mine 單位：kg/d

采用SPSS軟件對潘一礦主要樹種的單位葉面積固碳釋氧量進行聚類分析，分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 主要綠化樹種單位葉面積固碳量聚類分析Fig.8 Cluster distribution of carbon sequestration per unit leaf area of main greening tree species

結(jié)果表明，1類樹種，單位葉面積日固碳量>10.53 g·m-2·d-1，樹種有廣玉蘭、桂花和楊樹；2類樹種，單位葉面積日固碳量在8.29～10.53 g·m-2·d-1，有紫玉蘭、合歡、國槐、紅葉李、紅葉桃、女貞和香樟。3類樹種，單位葉面積日固碳量<8.29 g·m-2·d-1，樹種有四川檜、水杉和雪松。經(jīng)聚類分析可知，潘一礦復(fù)墾區(qū)和苗圃園內(nèi)廣玉蘭、桂花、楊樹等為固碳優(yōu)勢樹種。

6 結(jié)論

(1)冬季綠化樹種的凈光合速率大多呈“單峰”曲線的日變化，主要由于冬季光合輻射和溫度低，早晚之間溫度先升高后降低，植物凈光合速率與輻射和溫度正相關(guān)。春、夏、秋3季除個別樹種以外大多數(shù)綠化樹種的凈光合速率多呈“雙峰”曲線的日變化規(guī)律，具有光合“午休”現(xiàn)象，這是由于正午光合輻射和溫度過高，引起葉片光抑制的緣故。

(2)潘一礦復(fù)墾區(qū)中多數(shù)樹種單位葉面積日固碳釋氧量表現(xiàn)為夏季>春季>秋季，包括合歡、紫玉蘭、紅葉桃、水杉、雪松、女貞、楊樹和四川檜。而桂花、國槐、紅葉李、廣玉蘭和香樟則表現(xiàn)為春季>夏季>秋季，可能與其特殊的葉片組織結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的夏季光合“午休”現(xiàn)象較明顯有關(guān)。

(3)針對各樹種固碳能力利用聚類分析方法進行固碳優(yōu)勢植物篩選，將綠化樹種按固碳釋氧量的大小，分為3個級次：第1級樹種，單位葉面積日固碳量>10.53 g·m-2·d-1，樹種有廣玉蘭、桂花和楊樹；第2級樹種，單位葉面積日固碳量在8.29～10.53 g·m-2·d-1，有紫玉蘭、合歡、國槐、紅葉李、紅葉桃、女貞和香樟；第3級樹種，單位葉面積日固碳量<8.29 g·m-2·d-1，樹種有四川檜、水杉和雪松。得出潘一礦復(fù)墾區(qū)廣玉蘭、桂花、楊樹等為固碳優(yōu)勢樹種。