陳愛葵，陸 劍，袁劍剛，徐亞幸，楊中藝

(1.廣東省第二師范學(xué)院應(yīng)用生態(tài)學(xué)實驗室，廣東廣州510310;2.廣東工業(yè)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，廣東廣州510090;3.中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣東廣州510275)

大氣中二氧化碳 (CO2)和其它溫室氣體水平的升高被認為是全球氣候變暖的重要原因。有研究報導(dǎo)地球表面的平均溫度自19世紀(jì)以來已經(jīng)升高了0.3～0.6℃［1］。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會 (IPCC)2007年的報告預(yù)測，到2100年，全球平均氣溫將上升1.8～4℃，海平面升高18～59 cm。城市森林 (綠地)在降低大氣中溫室氣體水平方面起到了重要的作用。城市綠地的植物可以通過光合作用固定CO2，同時減少城市空調(diào)系統(tǒng)的能耗和CO2的排放量，從而有效地降低大氣中CO2和其它溫室氣體的水平［2－3］。Nowak and Crane［1］估計了全美國城市森林平均的碳固定量，發(fā)現(xiàn)其碳固定的密度為25.1 t/hm2。

屋頂綠地作為漸受關(guān)注的城市綠地類型之一，在很多國家和地區(qū)受到重視。屋頂綠地可分為花園式 (型)屋頂綠地(intensive green roof)和簡單式(型)屋頂綠地(extensive green roof)兩大類?；▓@式屋頂綠地通常采用很厚的植物生長基質(zhì)和豐富的植物種類，具有與地面花園一樣的景觀效果和生態(tài)功能，并為人們提供活動空間。簡單式 (型)屋頂綠地，相對花園式屋頂綠地來說通常采用較淺的植物生長基質(zhì)、較少的植物種類和粗放的管養(yǎng)水平，其建植的目的以提供實際的生態(tài)效益為主。該類屋頂綠地的構(gòu)成較為簡單，自屋頂表面而上通常包括阻根層、排水層、過濾層、植物生長基質(zhì)層和低矮的植被層等，因為其結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、生態(tài)效益高且推廣潛力大，成為屋頂綠地研究的重點。目前對簡單式屋頂綠化生態(tài)效益的研究主要集中于其對太陽輻射的吸收和雨水的保持從而有效地減少熱島效應(yīng)和城市內(nèi)澇［4］，以及提供生境、改善市區(qū)內(nèi)物種多樣性等方面［5］。迄今為止對屋頂綠地的碳固定潛力及其對氣候變化影響的研究仍較少。

光合作用把CO2從大氣轉(zhuǎn)入植物體中儲存，植物體中的碳通過植物的凋落物和滲出物進入土壤中。Getter et al［6］在美國密歇根州立大學(xué)的研究表明屋頂綠地是一類潛在的碳庫，在為期兩年的試驗中，植物地上部分平均每平方米可固定168 g碳，根系和基質(zhì)的平均固碳量分別160和300 g/m2，他們估計底特律市可綠化的屋頂面積為219英畝 (1英畝=4046.856 m2)，如果全部進行綠化則可從大氣中吸收55000 t CO2。另一個在香港開展的研究觀測了屋頂綠地對其周邊空氣中CO2濃度的影響，結(jié)果表明在有陽光的白天，屋頂植被固定的CO2是其放出的9倍，故屋頂綠地可使其周邊空氣中的 CO2濃度降低2%［7］。

雖然屋頂綠地表現(xiàn)出一定的碳固定的潛力，植物種類、基質(zhì)厚度及配比和管理方式等因素均可能影響其凈固定量。本研究的目的是通過野外調(diào)查評價現(xiàn)有屋頂綠地的碳固定潛力，并對影響其碳固定能力的因子進行探討。

1 材料與方法

1.1 樣地的選擇

因為本地區(qū)的簡單式屋頂綠化選用的地被植物以草坪草為主，所以本研究選擇10個用草坪草建植的屋頂綠地作為調(diào)查和研究的對象，其中有9個屋頂綠地的主要建群種為朝鮮結(jié)縷草 (Zoysia tenuiflia)，只有1個以狗牙根 (Cynodon dactylon)為建群種。各綠地的澆水管理方法相近，其概況如表3－1所示。

1.2 同化箱試驗

用冠層同化箱 (CPY－4，高145 mm，底面直徑146 mm)連同CO2氣體分析儀 (EGM－4)對各樣地朝鮮結(jié)縷草植被的CO2通量進行測定 (圖1)。將同化箱底部的鋼環(huán)壓入綠地表面使同化箱形成密閉的空間，然后用CO2氣體分析儀對箱內(nèi)即時的CO2體積分數(shù)、CO2交換速率 (同化速率)和光合有效輻射 (PAR)進行為期5 min連續(xù)的監(jiān)測，每分鐘記錄一次數(shù)據(jù)。為了保證測定時外部條件基本一致，數(shù)據(jù)的收集于2012年2月1日至2012年3月15日之間分別選擇天氣條件相似的日期在10∶00－11∶00之間完成 (表1)。視各屋頂綠地的面積大小，每個屋頂選取4～6個監(jiān)測點。

圖1 冠層同化箱和CO2氣體分析儀Fig.1 Image of canopy assimilation chamber and environmental gas analyzer for CO2

表1 調(diào)查屋頂綠地的概況Table 1 Locations and descriptions of the tested green roofs

1.3 植物地上部碳儲量試驗

用同化箱測定后，在同一樣點用直徑為10 cm的采樣環(huán)對草坪草植被的地上部分進行采樣。環(huán)內(nèi)所有的植株地上部分均剪下并收集于紙質(zhì)樣袋中，在70℃的烘箱里烘1周至恒質(zhì)量后用磨粉機磨碎，過60目篩后存放于干燥器中。用CHNS元素分析儀 (The PerkinElmer 2400 Series)對樣品的有機碳含量進行測定。樣品的有機碳積累量為樣品干質(zhì)量和樣品有機碳含量的乘積。由于各屋頂綠地割草時間不同，采樣時各綠地草坪草植株的高度和植被厚度并不一致，故在采樣時也同時測量各樣點植被的厚度，樣點的植被厚度為隨機選取的5個植株株高的平均值。植被厚度直接影響到所采集樣品的地上部生物量。

1.4 基質(zhì)樣品的采集和測定

在采集地上部分的同一地點采集土壤樣品，風(fēng)干過篩后，測定其各項理化性質(zhì):pH值采用電位測定法測定［8］，電導(dǎo)率用電導(dǎo)率儀測定測定［8］，有機質(zhì)采用熱稀釋K2Cr2O7法測定［9］、全氮采用凱氏定氮法測定［9］、全磷采用HClO4－H2SO4消解，鉬銻抗比色法測定［9］、全鉀采用氫氧化鈉熔融法測定［9］。

1.5 統(tǒng)計分析

使用SPSS 13.0軟件進行方差分析，評價不同屋頂綠地碳固定量的差異顯著性，并以地上部分樣品的碳含量為因變量、基質(zhì)的理化參數(shù)為自變量進行線性回歸分析，評價基質(zhì)特性對植株地上部分碳含量及碳固定潛力的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 同化箱試驗

同化箱試驗的結(jié)果如表2所示，10個屋頂綠地上設(shè)置的同化箱中錄得的平均CO2體積分數(shù)降幅、下降比例和CO2交換速率分別為77.8×10－6、18.1%和－0.24 g·m－2·h－1。但各指標(biāo)內(nèi)數(shù)值的差異較大，CO2體積分數(shù)降幅在 23.50×10－6和162.00×10－6之間，下降比例在 5.9% ～42%，CO2交換速率在－0.06 ～ －0.46 g·m－2·h－1之間。因為都選擇了多云天氣進行測定，光合有效輻射值均較低 (170 ～751 μmol·m－2·s－1)。各綠地因割草時間不一致其植被厚度也不同，在2.1～3.5 cm之間。由此可見，在氣溫較低的多云的上午，屋頂朝鮮草植被對的CO2吸收速率大于釋放速率，所以有效降低了綠地周邊的CO2濃度。

表2 同化箱試驗中各屋頂植被的碳通量參數(shù)1)Table 2 Canopy CO2flus of green roof vegetation in the chamberexperiment

2.2 植物地上部碳儲量試驗

所研究的10個屋頂綠地地上部生物量中平均固定的有機碳總量為92.55 g·m－2，但10個屋頂植被的固碳量差異較大，介于39.47～138.41 g·m－2(圖4)，整體差異顯著(P＜0.05)。植被單位面積的固碳量主要取決于生物量干質(zhì)量和其有機碳含量，因為各綠地的割草時間和頻度不同，采樣時各綠地的植被厚度差異較大，獲取樣品的生物量干質(zhì)量也因而出現(xiàn)較大的差異(0.93～3.16 g，圖2)，各樣品的有機碳含量則介于31.27% ～37.83%(圖3)。

圖2 各屋頂綠地地上部生物量樣品的干質(zhì)量Fig.2 Plant biomass(dry weight)of aboveground samples on the tested green roof

圖3 各屋頂綠地地上部生物量樣品的有機碳含量Fig.3 Organic carbon content of aboveground samples on the tested green roof

圖4 各屋頂綠地的單位面積有機碳固定量Fig.4 Plant aboveground organic carbon on the tested green roof

各屋頂綠地的基質(zhì)的理化性質(zhì)如表3所示，所調(diào)查10個綠地的基質(zhì)pH值在5.69～8.21，電導(dǎo)率在 42.4 ～186.9 μS·cm－1，基質(zhì)厚度在 6.15 ～7.25 cm。參照土壤養(yǎng)分分級的標(biāo)準(zhǔn)［10］，基質(zhì)全氮含量除了1、2號綠地達到豐富水平外，其余均處于缺乏水平;全磷含量除了2號綠地為中等水平外，其余均處于缺乏或甚缺乏水平;全鉀含量均處于缺乏水平;2號綠地的有機質(zhì)含量達到甚豐富水平，1號達到豐富水平，3、4、6、8 和10 號處于中等水平，5、7 和9號處于缺乏水平。

因為各供試綠地不同的割草時間和頻度直接影響了所采集樣品的生物量和測得的地上部固碳量，所以本研究把重點放在探討基質(zhì)特性對植物樣品有機碳含量以及植被碳固定潛力的影響上。基質(zhì)pH值、電導(dǎo)率、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀和厚度(表3)與植被地上部分含碳量的線性回歸分析顯示，只有基質(zhì)厚度與植被地上部分有機碳含量呈顯著相關(guān)(r2=0.93，圖5)?？梢娤鄬ζ渌砘再|(zhì)來說，基質(zhì)厚度可能是影響屋頂綠地植被地上部分有機碳含量和植被的碳固定潛力的重要因素。

表3 各屋頂綠地基質(zhì)的理化性質(zhì)Table 3 Physical and Chemical Properties of Substrate

圖5 樣品有機碳含量與基質(zhì)厚度的相關(guān)性Fig.5 Correlation between substrate depth and carbon content in plant sample

3 討論

同化箱碳通量的數(shù)據(jù)表明，在清冷多云的上午，簡單式屋頂綠地的植被對CO2的吸收速率高于釋放速率，在5 min的觀測時間內(nèi)同化箱內(nèi)的CO2體積分數(shù)的最大降幅可多達42%?？梢婋m然在光照強度和溫度均較低的條件下，屋頂綠地仍可以有效降低其周邊大氣中CO2的體積分數(shù)。Li et al［7］在香港的研究得出了類似的結(jié)果，在晴天風(fēng)力為2級的天氣條件下，16∶00前屋頂綠地周邊大氣中的CO2質(zhì)量濃度要比未綠化的屋頂周邊的質(zhì)量濃度低12.9 mg·m－3;而屋頂綠地白天吸收的CO2要比晚上釋放的要大得多。試驗中植被層CO2通量參數(shù)的變異較大，可能是因為植物的同化作用受到了測定時光強和溫度的影響，而這兩個影響因素在野外是隨時在變化的。

在植物地上部固碳量試驗中，所調(diào)查的屋頂綠地地上部平均固定的有機碳量為92.55 g·m－2，植物通過光合作用將有機碳固定于植株的組織內(nèi)同時也通過植株的凋落物和根系的分泌物轉(zhuǎn)入基質(zhì)內(nèi)。可見屋頂植被可作為市區(qū)的碳庫發(fā)揮一定的固碳作用，但理論上當(dāng)屋頂綠地植被新陳代謝達到平衡后，這種固碳作用將依賴于通過刈割所去除的植物生物量的處置方式，例如，當(dāng)植物體被轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)燃料替代化石能源時，其固碳作用就是有效的。在野外調(diào)查所獲取的數(shù)據(jù)中，各屋頂植被的有機碳固定量有較大的差異，可能是因為許多因素影響了屋頂植被碳固定能力，這些因素包括:

1)植物的選擇:植物的選擇往往會影響植株地上部固碳量，因為不同的植物種的凈初級生產(chǎn)力及生物量在植株中的分配存在著較大的差別［11］。不同類型的植物的植株生物量和碳含量均有較大的差異，其建成的植被的固碳量也會有所差別。例如，維管植物植株組織的含碳量在45%～50%之間［12－14］，而肉質(zhì)植物組織的含碳量則略低［15］。本研究中所調(diào)查的屋頂植被中朝鮮結(jié)縷草的地上部分平均有機碳含量為34.68%。而Getter et al［6］對景天植物建成的屋頂植被的碳固定潛力進行研究的結(jié)果顯示，幾種景天植物在種植2年后(未進行過刈割)地上部的平均含碳量為42.1%，平均固碳量為168 g·m－2。可見不同植物種的含碳量和固碳量均有差別。由于屋頂綠化建植時要考慮到屋頂?shù)某兄叵拗担O(shè)計時常避免使用植株生物量過大的植物種，對于屋頂植被的固碳能力來說，植株含碳量高的植物種往往更有優(yōu)勢。

2)植被管理方法:澆水、施肥和刈割等管理方法對植物在屋頂上的生長情況影響很大，隨之也會影響到屋頂植被碳固定的能力［16］。因為在很多生態(tài)系統(tǒng)中水分和氮常是限制初級生產(chǎn)量的主要因子，所以施肥和澆水往往能提高植株的生物量［17］。修剪措施雖然減少了草坪植物的生物量，造成了營養(yǎng)物質(zhì)的損失，但也刺激了草坪植物的生長，促進其匍匐枝和枝條密度的提高，進而提高了草坪植物的葉面積指數(shù)，從而增強其光合固碳能力［18］。本研究調(diào)查的10個屋頂綠地的澆水和施肥方式均較一致(表1)，但剪草的次數(shù)和時間均不相同，直接影響了所能收集到的地上部分樣品的生物量，故各個屋頂植被地上部分固定的有機碳總量測定值有較大的差異。

3)基質(zhì)的特性:在各基質(zhì)特性參數(shù)與植物有機碳含量的線性回歸分析中，只有基質(zhì)厚度與樣品的有機碳含量呈顯著的正相關(guān)，說明相對于其它理化性質(zhì)來說，基質(zhì)厚度對植物地上部分有機碳含量的影響更大。相對于精細型的屋頂綠地等其他綠地類型來說，簡單型的屋頂綠化選用的都是非常耐貧瘠的植物種;而為了避免對接觸屋頂綠地的地表水造成污染，屋頂綠化所采用的基質(zhì)的氮、磷、有機質(zhì)等養(yǎng)分含量一般都要求保持在較低的水平［19］，所以一般基質(zhì)養(yǎng)分通常不是影響植被發(fā)展的限制性因子。許多研究表明屋頂綠地系統(tǒng)中最重要的限制性因子是水分因子［20］，基質(zhì)的厚度已被證實對屋頂綠地系中水分的有效性和可用性有顯著的影響，進而也顯著地影響了植物的生長和地上部分的含碳量［21－22］。另外有研究指出基質(zhì)的組分構(gòu)成也會影響屋頂綠地植物的生長和生物量積累進而影響地上部分固定的總碳量［23－24］。

4 結(jié)論

1)簡單式屋頂綠地在白天可以通過吸收和固定CO2，降低其周圍空氣中的CO2體積分數(shù)。在多云清冷的上午，由朝鮮結(jié)縷草建植而成的屋頂植被在1 h內(nèi)吸收的CO2可達0.46 g/m2，在5 min內(nèi)同化箱里CO2體積分數(shù)的降低幅度可達42%(162×10－6)。

2)以朝鮮結(jié)縷草、狗牙根等草坪草為主建成的屋頂綠地植被的地上部平均固定的有機碳為92.55 g/m2。故屋頂綠地是城市內(nèi)小型碳庫，具有一定的固碳作用。

3)在屋頂綠地基質(zhì)理化性質(zhì)參數(shù)中僅基質(zhì)厚度與植物地上部分的有機碳含量呈顯著的正相關(guān)，說明基質(zhì)厚度可能是影響屋頂綠地碳固定潛力的重要因素。

致謝:加利福尼亞大學(xué)伯克萊分校的楊君芷在文章的撰寫過程中給予了很大的幫助，特此致謝。

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