吳逢潤，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)碳儲存是全球碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。近年來，國家大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，強調(diào)轉(zhuǎn)變土地利用方式，推動城市綠地建設(shè)以調(diào)控城市生態(tài)系統(tǒng)碳庫[7-8]。從已有研究來看,城市生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及其動態(tài)變化的計算與評價仍是國內(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，重點關(guān)注土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響及其機制[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]。死亡后的殘體沉積、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)下墊面有機碳輸入的途徑之一[18]。探究嵌草式鋪裝的碳儲量特征，對客觀評價城市生態(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)中的碳儲存功能，本文在山東省新泰市布設(shè)采樣站點，調(diào)研分析嵌草式鋪裝系統(tǒng)地上及地下碳儲量特征，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137萬人，耕地面積7.07×102km2。該區(qū)域地屬暖溫帶大陸性半濕潤季風(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，新泰市被評為“全國十佳生態(tài)文明城市”和“國家園林城市”，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，鋪裝中生長優(yōu)勢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)影響提供了理想場地。

在新泰市域內(nèi)布設(shè)9個采樣站點。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)用相對較少。因此研究站點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，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，J為新汶中心醫(yī)院停車場。不同站點嵌草式鋪裝建成時間存在著一定差異。在每個站點設(shè)置3個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，帶回實驗室60 ℃烘干至恒重后稱重測量植被干重生物量(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樣方中隨機取4個土壤柱樣。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)測定地上生物有機碳含量[22]。土壤柱樣首先在烘箱中60 ℃烘干至恒重，稱量干重，測算土壤容重。將其中2個柱樣放入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目篩測定根系生物有機碳含量，測定方法及使用儀器與植物地上部分有機碳含量測定相同。另外2個柱樣用以測定土壤有機碳含量，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，以去除其中的無機碳成分。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，再用元素分析儀測定土壤有機碳含量[23]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

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

SOCstorage=C×B×D×100。

(1)

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

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

采用統(tǒng)計軟件包(IBM SPSS Statistics 21)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。對數(shù)據(jù)先進(jìn)行方差齊性檢驗，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)對植物生物量、植物及土壤有機碳含量、碳儲量的空間變化進(jìn)行差異的顯著性檢驗，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)分析檢驗嵌草式鋪裝系統(tǒng)地上、地下生物量與碳儲量之間的相關(guān)性[26]。

2 研究結(jié)果

2.1 嵌草式鋪裝生物量及生物碳儲量

嵌草式鋪裝系統(tǒng)生物量及碳儲量特征如圖2所示。圖中P值代表站點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、有機碳含量及碳儲量的空間分布(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)不同站點之間地上生物量有顯著差異(P<0.05)，其中D、G兩站點顯著高于其他站點，C站點地上生物量顯著偏低(P<0.05)；不同站點之間地下生物量整體沒有顯著差異(P>0.05)，但H站點地下生物量顯著高于其他站點(P<0.05)。

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

從圖2(c)可見，嵌草式鋪裝系統(tǒng)地上碳儲量分布范圍為2～11 g·m-2，在不同點之間整體差異顯著；不同站點地上碳儲量兩兩之間存在顯著差異，整體趨勢與區(qū)域地上生物量相似，D、G兩站點地上碳儲量顯著高于其他站點，C站點偏低(P<0.05)。系統(tǒng)根系碳儲量分布范圍約為1～12 g·m-2，在不同站點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量及總體碳儲量

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

圖3 新泰市嵌草式鋪裝系統(tǒng)土壤有機碳含量及碳儲量空間分布(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)總體碳儲量特征如圖4所示。由圖4可見，總體碳儲量平均為(279.2±45.8)g·m-2，不同站點嵌草式鋪裝總體碳儲量有顯著差異(P<0.05)?？傮w碳儲量空間分布特征與土壤碳儲量特征具有相似趨勢。其中B、D、G、H站點總體碳儲量顯著高于其他站點，A、C、J站點碳儲量顯著低于其他站點(P<0.05)。

圖4 嵌草式鋪裝系統(tǒng)碳儲量空間變化(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量(R2=0.999；P<0.001)、總體碳儲量(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量(R2=0.974；P<0.001)、土壤碳儲量(R2=0.468；P<0.05)具有極顯著或顯著的相關(guān)關(guān)系。根系碳儲量、土壤碳儲量與嵌草式鋪裝系統(tǒng)總體碳儲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量特征。從研究結(jié)果來看，新泰市嵌草式鋪裝系統(tǒng)碳儲量為(279.2±45.8)g·m-2，具有一定的碳儲存功能。參考已有城市綠地碳儲量相關(guān)研究，嵌草式鋪裝系統(tǒng)碳儲量偏低[27]45，其中一個重要原因可能是嵌草式鋪裝系統(tǒng)土壤深度相對較小，而綠地碳儲量調(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碳儲量約為1.13 kg·m-2。本文結(jié)果表明土壤碳儲量占據(jù)嵌草式鋪裝系統(tǒng)整體碳儲量的主體地位，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)土壤碳庫碳儲量整體是生物碳庫的3～4倍以上[30]。在城市綠地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤碳儲量同樣往往遠(yuǎn)高于地上及地下根系生物碳儲量[31]。本文中，嵌草式鋪裝系統(tǒng)地上生物碳儲量和地下根系碳儲量相對較少，這主要是由于嵌草式鋪裝中生長的植物群落主要為低矮草本植物，密度及生物量相對較低，根系相對不發(fā)達(dá)，與森林等地上生物量相對龐大的生態(tài)系統(tǒng)具有明顯差別[32-33]。

盡管嵌草式鋪裝系統(tǒng)的碳儲量相對不大，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)碳儲量。若約2 000 m2的停車場整體采用嵌草式鋪裝，區(qū)域總體的碳儲量將達(dá)到約560 kg。假設(shè)一中小型城市中有500個同等規(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)域碳儲存潛力。

3.2 城市嵌草式鋪裝系統(tǒng)碳儲量空間差異及其影響因素

從本文結(jié)果來看，不同站點嵌草式鋪裝系統(tǒng)的總體碳儲量存在顯著差異。其中，地下根系生物碳儲量在不同站點間差異不顯著，但地上生物碳儲量和土壤碳儲量在不同站點之間具有顯著差異，因此地上生物碳儲量和土壤碳儲量可能是決定區(qū)域嵌草式鋪裝碳儲存功能變化的關(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)碳儲量[16-17]。本文中不同站點嵌草式鋪裝系統(tǒng)的生物量差異顯著而生物有機碳含量差異不顯著，結(jié)合相關(guān)分析中地上碳儲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，本文中土壤有機碳含量和土壤碳儲量在不同站點的差異顯著，土壤碳儲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產(chǎn)物大部分被儲藏在地下，綠地土壤中的有機碳主要是由植物殘體提供的[34]，而自然條件下植物殘體的進(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)境因子對土壤及生物碳儲存具有潛在重要影響——如以往研究認(rèn)為土壤有機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碳儲量的影響最為關(guān)鍵[35]。本文中，站點A、C、J的嵌草式鋪裝土壤層質(zhì)地相對堅硬，整體較為干燥，可能是該站點植被生物量、碳儲量顯著偏低的主要原因。同時，處于醫(yī)院停車場的J站點植被生物量明顯偏低，植物生長狀況偏差。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)院停車場相對小區(qū)停車場車流量更大，可能是導(dǎo)致相應(yīng)站點植被生物量等指標(biāo)偏低的原因，進(jìn)而間接影響了總體的碳儲存特征。

4 結(jié)論

本文在山東省新泰市開展現(xiàn)場采樣調(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)具有一定碳儲存功能。

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

3)地上生物碳儲量、根系生物碳儲量及土壤碳儲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量(R2=0.999；P<0.001)、總體碳儲量(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、客觀評價城市生態(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)，未來需結(jié)合相關(guān)影響因子的長期取樣監(jiān)測，精準(zhǔn)量化嵌草式鋪裝系統(tǒng)碳儲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。