城市嵌草式鋪裝系統(tǒng)碳儲(chǔ)量特征分析

吳逢潤(rùn)，李雪妍，高鋒杰，王精龍，高海峰

(廈門理工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361024)

城市下墊面中不透水路面比例的不斷升高已導(dǎo)致城市綠化率下降、內(nèi)澇頻發(fā)、熱島效應(yīng)等問題[1-3]。大面積土壤封閉導(dǎo)致土壤功能退化，地表植被覆蓋率降低[4]，過程中往往伴隨著生態(tài)系統(tǒng)碳、氮等元素循環(huán)、固存途徑的變化[5-6]。城市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)存是全球碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。近年來(lái)，國(guó)家大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)變土地利用方式，推動(dòng)城市綠地建設(shè)以調(diào)控城市生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)[7-8]。從已有研究來(lái)看,城市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及其動(dòng)態(tài)變化的計(jì)算與評(píng)價(jià)仍是國(guó)內(nèi)外城市生態(tài)研究的重要問題。相關(guān)研究涉及城市森林、綠地、土壤等不同類型碳庫(kù)，重點(diǎn)關(guān)注土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響及其機(jī)制[9-10]。

嵌草式鋪裝是一種新型透水性鋪裝，指具有植草空隙，能夠綠化城市路面的磚或空心砌塊，已被應(yīng)用于城市公園、停車場(chǎng)以及人行道地面[11-12]。因其含有植物-土壤-透水填料的多重結(jié)構(gòu)，已有眾多學(xué)者廣泛研究了其增加城市綠地面積、增加物種多樣性、增強(qiáng)降水入滲、削減城市地表徑流、水質(zhì)凈化、調(diào)節(jié)區(qū)域小氣候等方面的生態(tài)功能[13-15]。嵌草式鋪裝表層種植的草本植物可以通過光合作用固定大氣當(dāng)中的CO2，合成有機(jī)物轉(zhuǎn)化為自身生物量進(jìn)入城市生態(tài)系統(tǒng)[16-17]。死亡后的殘?bào)w沉積、埋藏進(jìn)入嵌草式鋪裝中的土壤層，也可以成為城市生態(tài)系統(tǒng)下墊面有機(jī)碳輸入的途徑之一[18]。探究嵌草式鋪裝的碳儲(chǔ)量特征，對(duì)客觀評(píng)價(jià)城市生態(tài)系統(tǒng)碳源匯功能具有重要意義。然而，目前鮮見相關(guān)主題研究。為深入了解城市嵌草式鋪裝系統(tǒng)中的碳儲(chǔ)存功能，本文在山東省新泰市布設(shè)采樣站點(diǎn)，調(diào)研分析嵌草式鋪裝系統(tǒng)地上及地下碳儲(chǔ)量特征，以期為城市生態(tài)環(huán)境的綜合治理和可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域和站點(diǎn)布設(shè)

新泰市地處山東省中部，位于北緯35°37′～36°07′、東經(jīng)117°16′～118°之間，面積約1 946 km2，人口約137萬(wàn)人，耕地面積7.07×102km2。該區(qū)域地屬暖溫帶大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨熱同期，年均溫度19.6 ℃,年均降雨量約467 mm。域內(nèi)山區(qū)、丘陵、平原均有分布，丘陵區(qū)域占總面積的56%[19]。近年來(lái)，新泰市被評(píng)為“全國(guó)十佳生態(tài)文明城市”和“國(guó)家園林城市”，全市建成區(qū)綠化覆蓋率44.8%[20]。城區(qū)內(nèi)嵌草式鋪裝應(yīng)用較為廣泛，鋪裝中生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)草本植物主要包括牛筋草(Eleusineindica(L.) Gaertn.)、地錦(Parthenocissustricuspidata)、萹蓄(Polygonumaviculare)等，為研究嵌草式鋪裝的生態(tài)影響提供了理想場(chǎng)地。

在新泰市域內(nèi)布設(shè)9個(gè)采樣站點(diǎn)。由于市域中部、東部為主城區(qū)；西部多為村鎮(zhèn)分布區(qū)，嵌草式鋪裝應(yīng)用相對(duì)較少。因此研究站點(diǎn)多分布于新泰市中部和東部，具體位置如圖1所示。圖中，A、B、C、D、F分別為玉璟花園、山能小鎮(zhèn)、恒豐家園、青云花苑和幸福里小區(qū)停車場(chǎng)，E、G分別為電視塔公園、新甫山兩處景區(qū)，H為孫村煤礦公司停車場(chǎng)，J為新汶中心醫(yī)院停車場(chǎng)。不同站點(diǎn)嵌草式鋪裝建成時(shí)間存在著一定差異。在每個(gè)站點(diǎn)設(shè)置3個(gè)1 m×1 m的樣方，樣方之間距離30～50 m。

圖1 研究區(qū)域及采樣站點(diǎn)布設(shè)示意圖Fig.1 Study area and sampling sites

1.2 樣品采集與處理

在2021年8月進(jìn)行樣品采集。首先采集樣方內(nèi)地面的草本植物，利用枝剪緊貼地面剪下植物，帶回實(shí)驗(yàn)室60 ℃烘干至恒重后稱重測(cè)量植被干重生物量(g)。完成樣方內(nèi)地上植被收割后，用內(nèi)徑4.5 cm的針筒取樣器在每個(gè)樣方中隨機(jī)取4個(gè)土壤柱樣。由于嵌草式鋪裝中土層深度一般為6～8 cm[21]，因此統(tǒng)一取樣深度為6 cm。

植物地上部分烘干、粉碎過100目篩，采用元素分析儀(Vario EL 111)測(cè)定地上生物有機(jī)碳含量[22]。土壤柱樣首先在烘箱中60 ℃烘干至恒重，稱量干重，測(cè)算土壤容重。將其中2個(gè)柱樣放入100目網(wǎng)袋中沖洗去除雜質(zhì)，烘干后分離獲得植物根系稱量地下生物量干重。然后將根系粉碎過100目篩測(cè)定根系生物有機(jī)碳含量，測(cè)定方法及使用儀器與植物地上部分有機(jī)碳含量測(cè)定相同。另外2個(gè)柱樣用以測(cè)定土壤有機(jī)碳含量，通過干篩法過濾去除草根等雜質(zhì)后進(jìn)行研磨并過100目篩。取2 g過篩后的土樣于離心管中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的鹽酸，搖勻、靜置12 h，以去除其中的無(wú)機(jī)碳成分。將樣品進(jìn)行離心，去除上層酸液，再用超純水將酸化土壤反復(fù)清洗3次。清洗好的土樣置于60 ℃烘箱中烘至恒重后，再用元素分析儀測(cè)定土壤有機(jī)碳含量[23]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

以站點(diǎn)內(nèi)多個(gè)樣方地上及根系生物量、有機(jī)碳含量等數(shù)值的平均值作為站點(diǎn)整體的地上、根系生物量和有機(jī)碳含量。以地上生物量乘以有機(jī)碳含量計(jì)算植物地上碳儲(chǔ)量，以植物地下生物量與根系有機(jī)碳含量相乘獲得根系生物碳儲(chǔ)量。利用徐艷等的方法[24]計(jì)算嵌草式鋪裝系統(tǒng)中的土壤碳儲(chǔ)量，計(jì)算公式為：

SOCstorage=C×B×D×100。

(1)

式(1)中：SOCstorage為樣方土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(g·m-2)；C為土壤有機(jī)碳的平均含量(%)；D為土層厚度(cm)；B為土壤容重(g·m-3)。

將植物地上碳儲(chǔ)量、根系碳儲(chǔ)量以及土壤碳儲(chǔ)量相加得到站點(diǎn)嵌草式鋪裝系統(tǒng)總體的碳儲(chǔ)量。

采用統(tǒng)計(jì)軟件包(IBM SPSS Statistics 21)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。對(duì)數(shù)據(jù)先進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，不具備方差齊性的數(shù)據(jù)需經(jīng)四次方根轉(zhuǎn)化后進(jìn)行分析。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)對(duì)植物生物量、植物及土壤有機(jī)碳含量、碳儲(chǔ)量的空間變化進(jìn)行差異的顯著性檢驗(yàn)，再選用最小顯著差法(LSD)進(jìn)行均數(shù)間的多重比較[25]。其中，以P<0.05表示顯著差異，P<0.001表示極顯著差異。采用Pearson相關(guān)分析檢驗(yàn)嵌草式鋪裝系統(tǒng)地上、地下生物量與碳儲(chǔ)量之間的相關(guān)性[26]。

2 研究結(jié)果

2.1 嵌草式鋪裝生物量及生物碳儲(chǔ)量

嵌草式鋪裝系統(tǒng)生物量及碳儲(chǔ)量特征如圖2所示。圖中P值代表站點(diǎn)間整體差異的顯著性水平；若相鄰誤差棒上方標(biāo)注的字母不同，則表示站點(diǎn)存在兩兩之間的顯著差異。后圖亦同。

圖2 新泰市嵌草式鋪裝系統(tǒng)生物量、有機(jī)碳含量及碳儲(chǔ)量的空間分布(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.2 Spatial distribution of biomass,organic carbon content and vegetation carbon storage in Xintai City (mean±se)

由圖2(a)可見，新泰市嵌草式鋪裝系統(tǒng)不同站點(diǎn)之間地上生物量有顯著差異(P<0.05)，其中D、G兩站點(diǎn)顯著高于其他站點(diǎn)，C站點(diǎn)地上生物量顯著偏低(P<0.05)；不同站點(diǎn)之間地下生物量整體沒有顯著差異(P>0.05)，但H站點(diǎn)地下生物量顯著高于其他站點(diǎn)(P<0.05)。

由圖2(b)可見，嵌草式鋪裝系統(tǒng)植物地上有機(jī)碳含量在不同站點(diǎn)間差異整體不顯著(P>0.05)，但C站點(diǎn)植物有機(jī)碳含量顯著低于其他站點(diǎn)(P<0.05)；不同站點(diǎn)之間根系有機(jī)碳含量整體沒有顯著差異(P>0.05)，但B、D、J站點(diǎn)顯著高于其他站點(diǎn)(P<0.05)。

從圖2(c)可見，嵌草式鋪裝系統(tǒng)地上碳儲(chǔ)量分布范圍為2～11 g·m-2，在不同點(diǎn)之間整體差異顯著；不同站點(diǎn)地上碳儲(chǔ)量?jī)蓛芍g存在顯著差異，整體趨勢(shì)與區(qū)域地上生物量相似，D、G兩站點(diǎn)地上碳儲(chǔ)量顯著高于其他站點(diǎn)，C站點(diǎn)偏低(P<0.05)。系統(tǒng)根系碳儲(chǔ)量分布范圍約為1～12 g·m-2，在不同站點(diǎn)之間整體差異同樣不顯著(P>0.05)。

2.2 嵌草式鋪裝土壤碳儲(chǔ)量及總體碳儲(chǔ)量

嵌草式鋪裝系統(tǒng)土壤碳儲(chǔ)量特征如圖3所示。從圖3(a)可見，不同站點(diǎn)之間土壤有機(jī)碳含量有顯著差異(P<0.05)。其中G、H兩站點(diǎn)土壤有機(jī)碳含量顯著高于其他站點(diǎn)，A、C、J站點(diǎn)土壤有機(jī)碳含量顯著低于其他站點(diǎn)(P<0.05)。從圖3(b)可見，新泰市嵌草式鋪裝系統(tǒng)土壤碳儲(chǔ)量分布范圍約為50～550 g·m-2，在不同站點(diǎn)間差異同樣顯著(P<0.05)；B、D、G、H站點(diǎn)土壤碳儲(chǔ)量顯著高于其他站點(diǎn)(P<0.05)，A、C、E、J站點(diǎn)土壤碳儲(chǔ)量顯著偏低(P<0.05)。

圖3 新泰市嵌草式鋪裝系統(tǒng)土壤有機(jī)碳含量及碳儲(chǔ)量空間分布(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.3 Spatial distribution of soil organic carbon content and soil carbon storage in sites in Xintai City (mean±se)

新泰市嵌草式鋪裝系統(tǒng)總體碳儲(chǔ)量特征如圖4所示。由圖4可見，總體碳儲(chǔ)量平均為(279.2±45.8)g·m-2，不同站點(diǎn)嵌草式鋪裝總體碳儲(chǔ)量有顯著差異(P<0.05)?？傮w碳儲(chǔ)量空間分布特征與土壤碳儲(chǔ)量特征具有相似趨勢(shì)。其中B、D、G、H站點(diǎn)總體碳儲(chǔ)量顯著高于其他站點(diǎn)，A、C、J站點(diǎn)碳儲(chǔ)量顯著低于其他站點(diǎn)(P<0.05)。

圖4 嵌草式鋪裝系統(tǒng)碳儲(chǔ)量空間變化(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.4 Spatial change of carbon storage in grass planting pavement (mean±se)

2.3 碳儲(chǔ)量與地上、地下生物量的關(guān)系

新泰市嵌草式鋪裝系統(tǒng)碳儲(chǔ)量與地上、地下生物量的相關(guān)系數(shù)R2具體如表1所示。嵌草式鋪裝地上生物量與地上碳儲(chǔ)量(R2=0.999；P<0.001)、總體碳儲(chǔ)量(R2=0.493；P<0.001)具有極顯著相關(guān)關(guān)系；地下生物量與嵌草式鋪裝根系碳儲(chǔ)量(R2=0.974；P<0.001)、土壤碳儲(chǔ)量(R2=0.468；P<0.05)具有極顯著或顯著的相關(guān)關(guān)系。根系碳儲(chǔ)量、土壤碳儲(chǔ)量與嵌草式鋪裝系統(tǒng)總體碳儲(chǔ)量之間具有顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系。

表1 嵌草式鋪裝地上、地下生物量與碳儲(chǔ)量的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlations between above and below ground biomass and carbon storage in grass planting pavement

3 討論

3.1 城市嵌草式鋪裝系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量特征

本文以新泰市為例，調(diào)研分析了嵌草式鋪裝中植物和土壤碳儲(chǔ)量特征。從研究結(jié)果來(lái)看，新泰市嵌草式鋪裝系統(tǒng)碳儲(chǔ)量為(279.2±45.8)g·m-2，具有一定的碳儲(chǔ)存功能。參考已有城市綠地碳儲(chǔ)量相關(guān)研究，嵌草式鋪裝系統(tǒng)碳儲(chǔ)量偏低[27]45，其中一個(gè)重要原因可能是嵌草式鋪裝系統(tǒng)土壤深度相對(duì)較小，而綠地碳儲(chǔ)量調(diào)查關(guān)注的土層深度往往達(dá)到10～40 cm，如劉為華[27]58的研究表明，上海市城市綠地0～30 cm碳儲(chǔ)量平均為25.8 kg·m-2，Canedoli等[28]167的研究調(diào)查了意大利米蘭城市綠地表層40 cm的碳儲(chǔ)量約為7.9 kg·m-2，陶曉[29]28的研究指出合肥市綠地土壤表層0～10 cm碳儲(chǔ)量約為1.13 kg·m-2。本文結(jié)果表明土壤碳儲(chǔ)量占據(jù)嵌草式鋪裝系統(tǒng)整體碳儲(chǔ)量的主體地位，這與其他多數(shù)陸地生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)研究的結(jié)果較為一致，已有研究指出，陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫(kù)碳儲(chǔ)量整體是生物碳庫(kù)的3～4倍以上[30]。在城市綠地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤碳儲(chǔ)量同樣往往遠(yuǎn)高于地上及地下根系生物碳儲(chǔ)量[31]。本文中，嵌草式鋪裝系統(tǒng)地上生物碳儲(chǔ)量和地下根系碳儲(chǔ)量相對(duì)較少，這主要是由于嵌草式鋪裝中生長(zhǎng)的植物群落主要為低矮草本植物，密度及生物量相對(duì)較低，根系相對(duì)不發(fā)達(dá)，與森林等地上生物量相對(duì)龐大的生態(tài)系統(tǒng)具有明顯差別[32-33]。

盡管嵌草式鋪裝系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量相對(duì)不大，但廣泛采用嵌草式鋪裝替代不透水路面將一定程度提高城市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量。若約2 000 m2的停車場(chǎng)整體采用嵌草式鋪裝，區(qū)域總體的碳儲(chǔ)量將達(dá)到約560 kg。假設(shè)一中小型城市中有500個(gè)同等規(guī)模的小區(qū)采用嵌草式鋪裝，城市生態(tài)系統(tǒng)增加的碳儲(chǔ)量將達(dá)到280 t，而在大型及特大型城市該數(shù)值將更加龐大。因此，城市中合理廣泛地應(yīng)用嵌草式鋪裝能有效提高區(qū)域碳儲(chǔ)存潛力。

3.2 城市嵌草式鋪裝系統(tǒng)碳儲(chǔ)量空間差異及其影響因素

從本文結(jié)果來(lái)看，不同站點(diǎn)嵌草式鋪裝系統(tǒng)的總體碳儲(chǔ)量存在顯著差異。其中，地下根系生物碳儲(chǔ)量在不同站點(diǎn)間差異不顯著，但地上生物碳儲(chǔ)量和土壤碳儲(chǔ)量在不同站點(diǎn)之間具有顯著差異，因此地上生物碳儲(chǔ)量和土壤碳儲(chǔ)量可能是決定區(qū)域嵌草式鋪裝碳儲(chǔ)存功能變化的關(guān)鍵。類比城市綠地生態(tài)系統(tǒng)，以往研究中影響其碳儲(chǔ)量的要素主要分為生物因素和非生物因素兩類。植被豐度、生物量和群落組成等植被特征顯著影響綠地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量[16-17]。本文中不同站點(diǎn)嵌草式鋪裝系統(tǒng)的生物量差異顯著而生物有機(jī)碳含量差異不顯著，結(jié)合相關(guān)分析中地上碳儲(chǔ)量與生物量顯著相關(guān)的結(jié)果，表明嵌草式鋪裝系統(tǒng)地上碳儲(chǔ)量受到植物地上生物量的重要影響，這與以往城市綠地相關(guān)研究結(jié)果較為一致[28]169。同時(shí)，本文中土壤有機(jī)碳含量和土壤碳儲(chǔ)量在不同站點(diǎn)的差異顯著，土壤碳儲(chǔ)量與地上生物量顯著相關(guān)。以往研究也表明，綠地植被經(jīng)過光合作用同化的植物有機(jī)產(chǎn)物大部分被儲(chǔ)藏在地下，綠地土壤中的有機(jī)碳主要是由植物殘?bào)w提供的[34]，而自然條件下植物殘?bào)w的進(jìn)入量由植被類型、植被豐度、生物量等群落特征共同決定。這表明有必要對(duì)嵌草式鋪裝中的植被進(jìn)行合理規(guī)劃選種和維護(hù)以提高嵌草式鋪裝系統(tǒng)碳儲(chǔ)存功能。

嵌草式鋪裝中的土壤通常為人工鋪設(shè)，不同區(qū)域嵌草式鋪裝土壤層的土壤質(zhì)地、土壤含水率、容重等環(huán)境條件往往有所不同。這些環(huán)境因子對(duì)土壤及生物碳儲(chǔ)存具有潛在重要影響——如以往研究認(rèn)為土壤有機(jī)碳含量與土壤含水率有顯著正相關(guān)關(guān)系[29]36。一些研究則指出土壤容重對(duì)碳儲(chǔ)量的影響最為關(guān)鍵[35]。本文中，站點(diǎn)A、C、J的嵌草式鋪裝土壤層質(zhì)地相對(duì)堅(jiān)硬，整體較為干燥，可能是該站點(diǎn)植被生物量、碳儲(chǔ)量顯著偏低的主要原因。同時(shí)，處于醫(yī)院停車場(chǎng)的J站點(diǎn)植被生物量明顯偏低，植物生長(zhǎng)狀況偏差。闕彩霞[12]13的研究表明，嵌草式鋪裝中植被的生長(zhǎng)狀況與鋪裝的受踐踏、碾壓的頻度有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。醫(yī)院停車場(chǎng)相對(duì)小區(qū)停車場(chǎng)車流量更大，可能是導(dǎo)致相應(yīng)站點(diǎn)植被生物量等指標(biāo)偏低的原因，進(jìn)而間接影響了總體的碳儲(chǔ)存特征。

4 結(jié)論

本文在山東省新泰市開展現(xiàn)場(chǎng)采樣調(diào)研，研究探討城市嵌草式鋪裝中的生物及土壤碳儲(chǔ)量特征，得出如下主要結(jié)論：

1)新泰市嵌草式鋪裝系統(tǒng)總體碳儲(chǔ)量平均為(279.2±45.8)g·m-2，表明嵌草式鋪裝系統(tǒng)具有一定碳儲(chǔ)存功能。

2)新泰市嵌草式鋪裝系統(tǒng)中土壤碳儲(chǔ)量分布范圍約為50～550 g·m-2，占嵌草式鋪裝總體碳儲(chǔ)量的主體地位。

3)地上生物碳儲(chǔ)量、根系生物碳儲(chǔ)量及土壤碳儲(chǔ)量的空間分布特征有所不同。

4)嵌草式鋪裝地上生物量與地上碳儲(chǔ)量(R2=0.999；P<0.001)、總體碳儲(chǔ)量(R2=0.493；P<0.001)具有顯著關(guān)系。表明通過栽種植物的合理配置與有效管理，能夠提升嵌草式鋪裝系統(tǒng)的碳儲(chǔ)存功能。

本文可為城市生態(tài)系統(tǒng)碳通量的精確模擬、細(xì)化城市生態(tài)系統(tǒng)碳預(yù)算、客觀評(píng)價(jià)城市生態(tài)系統(tǒng)碳源匯功能等問題提供理論依據(jù)。但調(diào)查中未能獲取相關(guān)環(huán)境因子和人為干擾因素的定量數(shù)據(jù)，未來(lái)需結(jié)合相關(guān)影響因子的長(zhǎng)期取樣監(jiān)測(cè)，精準(zhǔn)量化嵌草式鋪裝系統(tǒng)碳儲(chǔ)存功能與生境因子的關(guān)系，進(jìn)而全面厘清嵌草式鋪裝的生態(tài)效應(yīng)，探討其高效合理利用途徑。