植物碳汇效应及影响因素研究进展

植物碳汇效应及影响因素研究进展

董文君1，2，3  朱珂瑩1，2，3

1. 黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；
2. 水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室（筹），河南 郑州 450003；
3. 河南省城市水资源环境工程技术研究中心，河南 郑州 450003）

摘要：随着全球气候变暖引发的气候和环境危机，大气中的二氧化碳增加导致的温室效应成为了全球关注的问题，植物通过光合作用吸收大气中的二氧化碳，并将其固定为有机碳存储在植物体内，因此植物的碳汇效应对全球碳循环和解决温室效应具有重影响，植物的碳储能力研究也成为当下的重要内容之一。本文从城市植物碳汇的角度，对碳汇的概念、分类进行了概要介绍，阐述了植物碳汇效应的研究现状、计算方法，并分析了植物碳汇效应的影响因素。

关键词：植物碳汇；影响因素；生态效益

1引言

温室气体排放造成的全球气候变化引发的气候和环境危机，对人类未来的生存发展造成威胁，为了应对气候变化，2016年4月22日，中国同175个国家在《巴黎协定》下设定了本世纪后半叶实现净零排放的目标，碳中和已成为全球共识。2020年9月，习近平主席再第七十五届联合国大会上提出了“2030年碳达峰，2060年碳中和“的目标。碳中和是指通过碳汇、碳捕集、利用与封存等方式，抵消二 氧化碳或温室气体排放量，达到碳平衡。绿地具有增加碳汇、减少碳足迹的双重生态效益，是实现碳中和的重要解决方案。针对植物群落特征展开研究，探究植物对于碳汇效应的影响，从而提出相应且有效的策略，可以行之有效地提升城市绿地的碳汇效应。本文从植物碳汇的角度综述碳汇效应及其影响因素，探讨城市绿地固碳增汇的挑战和基于，为碳汇效应的深入研究提供参考。

2植物碳汇效应概述

2.1碳汇概念

碳汇（Carbon sink）是指通过植树造林、植被恢复等措施，利用植物光合作用吸收大气中的二氧化碳，并将其固定在植被和土壤中，从而减少温室气体在大气中浓度的过程、活动或机制。碳汇与碳源是两个相对的概念，《联合国气候变化框架公约》将“碳汇“定义为从大气中清除二氧化碳的过程、活动或机制，将”碳源“定义为自然界中想大气释放碳的母体。

城市绿地碳汇是指在人类活动的影响下，城市绿地植物通过光合作用，吸收大气中的CO2并将其固定在植被和土壤中，从而减少大气中CO2浓度的过程。城市绿色碳汇的研究内容主要涉及大尺度范围内的森林、土壤碳储量及动态变化特征以及个别树种的碳汇研究，整体梳理和系统研究较少。

2.2碳汇的分类

碳汇与生态系统中的碳循环存在紧密的关系，许多学者对碳汇的类型进行了划分，碳汇主要分为两个大类，陆地碳汇和海洋碳汇，陆地碳汇又分森林碳汇、草地碳汇、耕地碳汇和土壤碳汇；海洋碳汇分为沿海生态碳汇、海水生态碳汇及人工海洋碳汇3种类型[1]。

陆地碳汇指陆地生态系统吸收并储存CO2的过程。陆地碳汇由陆地生态系统碳循环在不同时间和空间尺度上通过多个不同作用过程共同决定，包括通过光合作用吸收、人类活动排放（化石燃料排放、人为焚烧、土地利用等）、自然活动排放（生物呼吸作用、火山活动等）以及风化侵蚀等过程[2]。森林碳汇是指森林植物吸收大气中的二氧化碳并将其固定在植被或土壤中，从而减少该气体在大气中的浓度。森林是陆地生态系统中最大的碳库，在降低大气中温室气体浓度、减缓全球气候变暖中，具有十分重要的独特作用。扩大森林覆盖面积是未来30—50年经济可行、成本较低的重要减缓措施。草地碳汇的能力很强，主要将吸收的CO2固定在地下土壤之中，植物的固碳比例较小，仅占一成左右，多年生草本植物的固碳能力更强。草原碳汇主要形成于天然和稀疏放牧草地，占全球草原碳汇的80%，主要分布在北美、欧洲和俄罗斯。我国草地资源丰富，草地面积约占全球草地面积的7%，其碳汇占全球草地碳汇的4%~16%，表明我国草地碳汇具有较大的潜力[3]。耕地碳汇，耕地固碳仅涉及农作物秸秆还田固碳部分，原因在于耕地生产的粮食每年被消耗，其中固定的CO2又被排放到大气中，秸秆的一部分在农村被燃烧，只有作为农业有机肥的部分将CO2固定到了耕地的土壤中。土壤碳汇是指土壤沉积吸收和固定CO2所形成的碳汇。土壤微生物可作为碳“捕集器”，土壤中累积有2/3的陆地碳储量，高于陆地生物量和大气的碳累积量，具有碳储量大且储存时间长的特点。

海洋碳汇是将海洋作为一个特定载体吸收大气中的CO2，并将其固化的过程和机制。地球上超过一半的生物碳和绿色碳是由海洋生物（浮游生物、细菌、海草、盐沼植物和红树林）捕获的，单位海域中生物固碳量是森林的10倍，草原的290倍。沿海生态系统主要包括红树林、泥滩、沙滩、潮汐沼泽、河口、大陆架和瀉湖等子生态，通过这些沿海子生态系统吸收和储存大气中CO2的过程及机制称之为沿海生态碳汇。海水生态碳汇是指通过海洋本身以及海洋与大气之间碳循环过程形成的碳汇，主要通过海洋溶解度泵作用、生物泵作用和微型生物泵作用实现

[4]。人工海洋碳汇是指将CO2压缩注入高密度深层海水中，以此长时间储存形成的碳汇[5]。

3植物碳汇的研究发展

3.1国外研究进展

在森林碳汇方面，早在100年前德国学者就开始对主要森林的枝叶凋落物和木材重量进行测定，近年来，Dixon等人总结了全球森林生态系统1987-1990年土壤和植被的碳储量和碳通量；Houghton等分析了巴西亚马逊河流域的热带林破坏与更新生长，得出了该区域的森林生态系统碳汇量是基本平衡的结果。对于研究区域，目前更多的学者的研究对象从森林转向城市，国外学者在2010年以前已经开展了对绿色空间中植被、土壤等要素的碳汇计量监测研究；自2010年以来，研究者更注重城市绿地、林地等绿色空间的生态系统服务功能。而随着自然资源经济学、生态经济学的发展，植物碳汇的经济效益研究也成为热点。Costanza等研究了关于全球生态系统服务价值与自然资本的研究工作，奠定了生态服务经济价值计算的基础，Holmes和Friedman探讨了美国如何构建合适的碳排放交易模式。

3.2国内研究进展

我国作为一个碳排放大国，对森林碳汇的研究开始于20世纪70年代末，周玉荣对我国主要森林生态系统碳储量和碳平衡进行了研究，并分析了其空间特征，研究结果表明我国森林的平均碳密度随着维度的增加而增加。吴国训等对江西森林资源清查数据，得出其森林碳储量呈较快增长趋势，植被碳汇潜力巨大，但由于幼龄树占多数，使得碳密度与全平均水平相比仍处于较低水平。目前对于植物碳汇的研究由单一要素向城市及区域演变的特征，早期更多关注与城乡绿色空间中植被与土壤等要素的碳汇效能研究，近年来研究学者逐渐对于城市公园绿地、防护绿地以及建设用地以外区域的绿地等绿色空间的碳汇效能进行研究，更宏观的拓展到区域尺度为研究范畴。在城市绿地方面，因不同绿地类型的碳汇空间变异规律及人为因素的差异，研究重点为城市植被碳储量的空间变异规律及影响因素等。

4植物碳汇效应计算方法

4.1样地清查法

样地清查法是指通过设立典型样地，对被测生态系统中的植被、枯枝落叶和土壤等碳库的碳储量进行调查，在一定范围内得到植被的平均碳密度，然后用不同植被碳密度和相应的面积得到该区域生态系统的碳含量，并通过连续测定得出特定时期内碳储量变化情况的推算方法[6]。此方法受限较多，适用于小尺度研究，大尺度森林碳汇研究储存量问题的解决，必须借助模型法和遥感估测法等方法。

4.2生长生物量模型法

生长生物量模型法是运用生长生物量模型，模拟出各树种各年龄的单株材质和生物量，以国家森林资源清查面积和蓄积的数据为基础，计算各树种、各龄组单位面积蓄积量。基于模型得出单株材积，推算各龄组单位面积平均株数，再由模型得出单株生物量，结合清查面积求出各树种的生物量，由含碳率计算碳储量，最后利用二次清查间的碳储量变化计算植被碳汇[7]。该方法将植株个体特征值扩大到林分特征值，把多成分的园林植物结构转化为简单的平均值，便于测量大面积园林绿地碳汇量，使城市园林绿地碳汇估算方法更加多样化[8]。

4.3遥感估算法

遥感估算法利用卫星遥感图像获得待测区域内各植被状态参数，再结合地面调查完成植被的空间分类和时间序列分析，之后再分析森林生态系统的碳积累量以及碳的时空和动态分布。遥感估算法不仅能够估算大尺度范围内植被动态(如叶面积数和碳储量)，还能够估算植物碳库的变化[6]。

5植物碳汇的影响因素

植被碳汇即城市中的绿化植物所固定、积累的净碳量，是城市绿色碳汇的主体。影响植物固碳能力的因素很多。首先，植物本身的类型、年龄、规格、群落结构等对其固碳能力起决定性作用; 其次，大气温度、相对湿度、人为干扰影响以及城市绿地网络的连续性、布局均衡性、结构合理性等，对植物的固碳能力也产生较大影响[9]。

（1） 植物种类。各类植物包括乔木、灌木、草本和藤本等，其单位叶面积年光合总量的差异是具体物种间的差异，而不是类别间的差异。不同类型的植物碳汇能力主要由其生物学特征决定，而环境影响则是次要的。一般情况下，植物碳汇能力的由强到弱依次排序是是乔木、灌木其次、草本和藤本，且乔木碳汇能力远高于灌木、草本和藤本植物。

（2） 植物年龄与规格。植物碳汇能力一般以生物量来计算[10]。由于幼龄、中龄的植物生长快，生物量增长速度快、增加量大，因此碳汇能力强。而当植物达到成熟期后，生长变慢，生物量基本稳定，碳汇能力放缓。我国城市绿地普遍存在植物移植现象，根据植物的生长规律，胸径10～12cm的苗木适应能力强，成活率高；而胸径30cm以上的苗木树龄，成长趋于成熟，年生长量小，再生能力差。

（3） 群落结构。植物在不同的群落结构中表现出的碳汇能力也有一定区别，合理的群落配置可以有效发挥植物的碳汇能力。一般来说，复层植物群落的碳汇能力优于单层植物群落的碳汇能力。其中乔灌草群落的植物碳汇能力最强；阔叶林植被碳储量一般高于针叶林植被碳储量。

（4） 大气温度与相对湿度。大气温度、相对湿度对植物光合作用有一定的影响，从而导致碳储量的差异[11]。植物在适宜温度下进行光合作用，不同植物的光合最适温度不同。比如三碳植物光合作用的最适温度在25℃左右，四碳植物在35℃左右。最适温度的具体值通常随着植物种类和生长环境的温度而变化[12]。另一方面，湿润的空气(相对湿度大) 能够提高植物叶片的气孔导度，从而提高其光合作用速率[13]。

（5） 人为干扰。城市植被由于受到到地理条件、环境条件差异和人为活动等影响，其碳储量往往小于天然林植被的碳储量。但是城市植被被合理的管理维护，其生长环境又优于天然植被的生长环境，从而提升了植被的碳汇能力。公园绿地植物种类丰富、群落结构合理、环境条件良好，植物碳汇能力较强，其碳储量比防护绿地、道路绿地的碳储量大。单位附属绿地涉及的可变条件多，如单位类型、植物配置、养护标准等，因此其植物碳汇能力的研究结果也不尽相同。

（6） 城市绿地网络布局。城市绿地网络是影响城市绿地整体生态环境效益的重要因素，布局均衡的城市绿地网络能为植被固碳提供更好的环境。在城市中使用绿色交通，也可以在一定程度上减少城市交通排碳量。结构合理、连通的城市绿地网络可以更好地发挥城市绿地的冷岛效应，减少建筑能耗，实现绿色交通方面的生态功能等。

结语

随着全球气候变化受到更多的关注，碳储能力也得到了更多的重视，而城市作为跟人类关联最密切的生态系统，城市种植物的碳汇效应研究也成为了新的热点。城市植物碳汇效应研究正迎来快速发展阶段，也迎来了新的机遇和挑战。植物碳汇效应的研究对于了解生态系统碳循环、气候变化适应和减缓以及可持续发展都具有重要的意义。以往对于植物碳汇效应的研究虽取得了一定的进展，揭示了植物群落特征与碳汇效能之间的关系，但目前有关城市植物、土壤等的碳汇研究还是相对匮乏的。而植物碳汇效应的研究也受制于数据的一致性、空间尺度的差异性、季节性不断地变化，未来研究应推动标准化方法和指标的制定，进行长期监测和加大实验研究力度，以获取更加客观的研究结果。在城市绿地空间的规划、建设、管理过程中，要根据植物碳汇的影响因素对症下药，使城市的绿地空间系统更加健康稳定地发展，生态效益更加明显，为城市提供更美好的景观的同时也为城市居民提供更加舒适、适宜的生活环境。

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课题信息：本文为黄河勘测规划设计研究院有限公司自主研究开发项目一类课题《黄河流域生态修复工程典型植物碳汇效应研究》阶段性成果