劉 禎 傅志強(qiáng) 申春暉 奚如春

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院/廣東省森林植物種質(zhì)創(chuàng)新與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510642)

隨著全球工業(yè)化和城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展,大氣CO2排放量逐年增加, 氣溫同步上升, 環(huán)境問題日益嚴(yán)重[1-3]。 鑒此, 2020 年我國提出實(shí)施“碳達(dá)峰” 和“碳中和” 發(fā)展戰(zhàn)略, 任務(wù)艱巨而意義重大。 雙碳目標(biāo)的提出彰顯了我國積極應(yīng)對(duì)氣候變化的決心, 固碳釋氧和增濕降溫等生態(tài)效益的量化對(duì)研究雙碳目標(biāo)發(fā)揮著重要的支撐作用[4-5]。 綠色植物能夠通過自身的光合和蒸騰作用固定CO2并釋放O2, 具有固碳釋氧和增濕降溫等作用[6-8], 研究探討森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值核算方法具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。

近年來, 國內(nèi)外學(xué)者在植物固碳釋氧和增濕降溫等方面的研究也開始增加, 在城市森林群落的降溫增濕效應(yīng)[9-10]、 人工林生態(tài)系統(tǒng)[11-12]、 主要綠化樹種[13-14]等方面的研究取得了顯著成果。 油茶Camelliaoleifera屬山茶科Theaceae 山茶屬Camellia, 為我國主要經(jīng)濟(jì)林樹種, 其栽培歷史悠久, 種植面積廣, 林分生物量大, 經(jīng)濟(jì)效益高,屬優(yōu)良生態(tài)經(jīng)濟(jì)型樹種[15-16]。 高州油茶Camellia gauchowensis又名華南油茶、 大果油茶、 陸川油茶, 是華南區(qū)域主栽油茶品種之一, 其特點(diǎn)為樹形高大, 產(chǎn)量高[21-22], 近年來, 廣東省大力發(fā)展油茶產(chǎn)業(yè), 高州油茶作為廣東省本地油茶資源,它在取得良好經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí), 也發(fā)揮著重要的生態(tài)和社會(huì)效益[23-25]。 目前油茶的研究僅集中在種質(zhì)資源評(píng)價(jià)、 生長發(fā)育和栽培管理技術(shù)等方面[17-20], 對(duì)其生態(tài)綜合效益評(píng)價(jià)方面的研究嚴(yán)重滯后, 與此同時(shí), 國內(nèi)對(duì)于同一類型林分固碳釋氧和增濕降溫能力的核算研究甚少。

本文以揭陽市高州油茶林為研究對(duì)象, 通過測定其光合蒸騰參數(shù), 利用同化量法和環(huán)境效益評(píng)價(jià)法核算其固碳釋氧和增濕降溫總量, 為其森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)參考[24-25]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣東省揭陽市新西河水庫庫區(qū),地處116°17′E, 23°41′N, 該地屬亞熱帶季風(fēng)氣候, 日照充足、 雨量充沛、 夏長冬短, 終年無雪少霜。 年平均氣溫21.4 ℃, 平均降水量1 720 ～2 100 mm。 試驗(yàn)區(qū)總面積30 hm2林分為20 世紀(jì)70 年代初采用高州油茶實(shí)生苗栽植的人工林, 初始密度為2.5 m×3.0 m, 現(xiàn)林地保存株數(shù)900 株·hm-2, 平均地徑7.85 cm, 平均樹高3.5 m, 平均冠幅(東西×南北) 20 m2。 試驗(yàn)區(qū)林地總體坡向西北、 坡度30°～40°, 土壤類型為山地黃紅壤,pH 值4.2～5.8, 土壤平均厚度65 cm, 養(yǎng)分等級(jí)中等。 目前該林分管理水平較高, 總體生長良好。

1.2 試驗(yàn)材料

2021 年5 月, 在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)進(jìn)行全林踏查后,分別在上坡、 中坡和下坡選擇具有代表性的地段內(nèi)各設(shè)置3 個(gè)樣地, 每個(gè)樣地面積為20 m×20 m(有坡度時(shí)進(jìn)行改平); 然后開展樣地調(diào)查, 根據(jù)樣地調(diào)查結(jié)果, 在每個(gè)樣地內(nèi)選擇生長旺盛、 無病蟲害的5 株平均木為樣樹, 做好標(biāo)記, 并測定記錄樣樹的地徑、 樹高和冠幅等生長指標(biāo)(表1)。

表1 高州油茶不同坡位樣地的樣樹生長指標(biāo)Table 1 Growth index of C. gauchowensis sampled tree in different slope plots

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 光合速率和蒸騰速率測定 于2021 年7

月、 9 月、 11 月和2022 年1 月、 3 月的中旬各樣地分別選擇5 株生長狀況正常且相似的高州油茶為樣樹進(jìn)行測定, 測定期間對(duì)樣樹進(jìn)行常規(guī)的田間管理。 在各測定時(shí)間晴朗天氣, 采用Li-6400 型便攜式光合測定儀 (Steady State Promoter, Li-COR, Inc, USA) 進(jìn)行測定, 測定日周期為8: 00—18: 00, 間隔2 h, 在每株樹選取樹冠中上部當(dāng)年生枝條上頂端的第3～5 片成熟功能葉片,陽面和陰面各選擇3 片, 測定光合速率和蒸騰速率。 每片葉重復(fù)測定記錄5 次, 取陽面和陰面的平均值作為觀測值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

1.3.2 數(shù)據(jù)收集 分別記錄各樣樹的氣孔導(dǎo)度(Gs)、 凈光合速率(Pn)、 蒸騰速率(Tr)、 胞間CO2濃度(Ci)、 葉溫 (Ta)、 空氣的相對(duì)濕度(RH) 以及光合有效輻射(PAR) 等參數(shù), 為避免單個(gè)時(shí)間段測定時(shí)間過長引起環(huán)境因子受到影響, 單次測量耗時(shí)在30 min 以內(nèi)。

1.3.3 固碳釋氧量計(jì)算 使用簡單積分法[26]計(jì)算植物在測定當(dāng)日的凈同化量, 計(jì)算公式為:

式(1) 中;T為單位葉面積的凈同化總量(mmol·m-2·d-1);Pi為初測點(diǎn)的瞬時(shí)凈光合速率(μmol·m-2·s-1),Pi+1為下一測定點(diǎn)的瞬時(shí)凈光合速率(μmol·m-2·s-1),ti為初測點(diǎn)的瞬時(shí)時(shí)間,ti+1為下一測定點(diǎn)的時(shí)間,i為測定次數(shù)。

一般情況下, 植物晚上的暗呼吸消耗量按照白天同化量的20%計(jì)算[2], 測定日的同化總量換算成該日的CO2總固定量, 計(jì)算公式為:

WCO2=T× (1- 0.2)× 44÷ 1 000 (2)

……

式(2) 中, WCO2為單位面積葉片固定CO2質(zhì)量(g·m-2·d-1); 44 為CO2的摩爾質(zhì)量(g·mol-1)。

式(3) 中,WO2為單位面積葉片進(jìn)行光合作用時(shí)釋放的O2質(zhì)量(g·m-2·d-1); 32 為O2的摩爾質(zhì)量(g·mol-1)。

1.3.4 增濕降溫量計(jì)算 用簡單積分法[26]計(jì)算植物的日蒸騰總量, 計(jì)算公式為:

式(4) 中,E為試驗(yàn)當(dāng)日的蒸騰總量(mol·m-2·d-1),ei為初測時(shí)間點(diǎn)的蒸騰作用速率(mmol·m-2·d-1),ei+1則為緊鄰的下個(gè)測定點(diǎn)的瞬時(shí)蒸騰作用速率;ti為初測時(shí)間,ti+1為下一測定點(diǎn)的時(shí)間,i為測定次數(shù); 1 000 為1 mmol 換算成1 000 μmol。

參試樹種的日增濕量計(jì)算公式為:

式(5) 中,WH2O為單位面積葉片的增濕量。

植物通過蒸騰作用使水分蒸發(fā)吸收熱量, 單位面積的日吸熱量計(jì)算公式如下:

式(6) 中,Q為單位葉面積每天吸收的熱量(J·m-2·d-1);L為蒸騰潛熱系數(shù),L= 597-0.57 t, t 為試驗(yàn)日葉面的溫度, 取平均值30 ℃;4.18 為1 kcal 相當(dāng)于4.18 J。

植物蒸騰消耗熱量Q 取自于周圍1 000 m3的空氣柱, 故蒸騰作用引起的氣溫下降值為:

式(7) 中, ΔT為下降的溫度值; PC 為空氣容積熱容量, 為1 256 J·m-3·h-1。

1.3.5 葉面積指數(shù)及固碳釋氧量、 降溫增濕量計(jì)算單位林地面積樹木的固碳釋氧和增濕降溫量能更準(zhǔn)確地反映出樹木的固碳釋氧與增濕降溫能力,也能更準(zhǔn)確反映林分水平的生態(tài)效益[27-28]。 由此引入葉面積指數(shù)(LAI) 的概念, LAI 決定了森林的許多功能, 包括光合和蒸騰能力, 因此, LAI 常作為生態(tài)系統(tǒng)中的重要參數(shù)[29-30]。 采用葉面積回歸模型[31]計(jì)算植物的葉面積總量, 計(jì)算公式為:

式(8) 中,Y為葉面積總量;H為樹冠高度;D為樹冠直徑;S1=πD(H+D) /2

單株植物葉面積指數(shù)的計(jì)算公式為:

式(9) 中, LAI 為植物葉面積指數(shù),S2為植物所覆蓋的土地面積, 即植物樹冠投影面積S2=1/4πD2。

單位面積林地日固碳量、 釋氧量、 增濕量和降溫量的參考自喬小菊和張艷麗的方法進(jìn)行計(jì)算[14-31]。

公式分別為:

式(10) 中,QCO2為單位林地面積日固碳量;式(11) 中,QO2為單位林地面積日釋氧量; 式(12) 中,QH2O為單位林地面積日增濕量; 式(13) 中,QΔT為單位林地面積日降溫量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用美國Li-COR 公司自帶數(shù)據(jù)處理軟件分析光合參數(shù)、 采用Microsoft Excel 2016、 SPSS 22.0和Origin 2018 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和繪圖。 在降水的條件下會(huì)影響植物的光合作用, 本文通過降水天數(shù)間接計(jì)算出揭陽市全年的光照天數(shù), 并以此來估算全市高州油茶林分固碳釋氧和增濕降溫總量。

2 結(jié)果與分析

2.1 高州油茶單位葉面積的日固碳量、 釋氧量、增濕量和降溫量

根據(jù)公式(1)、 (2)、 (3)、 (4)、 (5)、 (6) 和(7) 分別計(jì)算得到高州油茶單位葉面積的日固碳量、釋氧量、 增濕量和降溫量(表2)。 由表2 可知, 高州油茶單位葉面積日固碳量平均值為6.777 g·m-2·d-1, 但其固碳能力存在季節(jié)差異, 其中9 月的固碳能力最強(qiáng), 固碳量為8.481g·m-2·d-1, 11 月的最弱, 固碳量為5.461 g·m-2·d-1; 單位葉面積日釋氧量平均值為4.929 g·m-2·d-1, 也存在季節(jié)差異, 釋氧量9 月最大, 為6.168 g·m-2·d-1, 11 月最小, 為3.971g·m-2·d-1, 單位葉面積日固碳量和釋氧量由大到小順序均為9 月＞7 月＞1 月＞3 月＞11 月。

表2 單位葉面積高州油茶日固碳釋氧量和增濕降溫量Table 2 Dailyand per unit leaf area carbon sequestration, oxygen release, humidification and cooling of C. gauchowensis

由表2 可知, 高州油茶單位葉面積日增濕降溫作用最大的是7 月, 增濕量為1 751.544 g·m-2·d-1, 降溫量為0.338 ℃; 最小的是3 月, 增濕量為670.680 g·m-2·d-1, 降溫量為0.129 ℃, 1 月和3月的差異不大。 由此可見, 高州油茶的增濕降溫作用受大氣溫度的影響。 其日增濕降溫作用由大到小順序均為7 月＞9 月＞11 月＞1 月＞3 月。

2.2 單位土地面積的日固碳量、 釋氧量、 增濕量和降溫量

根據(jù)公式(8) 和(9) 分別計(jì)算得到高州油茶的葉面積指數(shù)為2.78。 由公式(10)、 (11)、 (12)和(13) 分別計(jì)算得到高州油茶單位土地面積的日固碳量、 釋氧量、 增濕量和降溫量(表3)。 從表3可看出, 單位土地面積日固碳量、 釋氧量、 增濕量和降溫量平均值分別為18.841 g·m-2·d-1、13.702 g·m-2·d-1、 3 030.402 g·m-2·d-1、0.585 ℃。 單位林地面積的日固碳量和釋氧量均為9月最大, 固碳量和釋氧量分別為23.577 g·m-2·d-1和17.147 g·m-2·d-1, 單位土地面積的日增濕量和降溫量均為7 月最大, 增濕量和降溫量分別為4 869.292 g·m-2·d-1和0.940 ℃, 單位葉面積固碳釋氧量和增濕降溫量與單位土地面積固碳釋氧量和增濕降溫量明顯不同, 由此說明, 樹木的固碳釋氧和增濕降溫能力不僅和生理特性有關(guān), 還與樹形、葉面積等生長指標(biāo)有關(guān)。

表3 單位土地面積高州油茶日固碳釋氧量和增濕降溫量Table 3 Dailyand per unit land area carbon sequestration, oxygen release, humidification and cooling of C. gauchowensis

2.3 揭陽市現(xiàn)有高州油茶林固碳釋氧和增濕降溫效益估算

據(jù)統(tǒng)計(jì), 截至2019 年揭陽市內(nèi)現(xiàn)有高州油茶林種植面積為1 400 hm2, 以此來估算揭陽市內(nèi)高州油茶林的固碳釋氧和增濕降溫效益。 樹木在垂直降水天氣條件下, 會(huì)影響植物光合和蒸騰作用, 由此引入日照時(shí)數(shù)的概念[27], 揭陽市氣候特征明顯, 結(jié)合有效日照時(shí)數(shù), 得到高州油茶林全年固碳釋氧和增濕降溫總量, 采用揭陽市近15 年(2007—2021 年)全年日照時(shí)數(shù)(圖1) 均值計(jì)算揭陽市全年有效日照天數(shù)為230 d (全天日照時(shí)數(shù)約為7.2 h)。

圖1 2007—2021 年揭陽市全年日照時(shí)數(shù)Fig.1 Annual sunshine hours and in Jieyang from 2007 to 2021

計(jì)算結(jié)果為, 揭陽市內(nèi)現(xiàn)有高州油茶林全年固碳量、 釋氧量、 增濕量和降溫量分別為6.07 萬t、 4.41 萬t、 975.79 萬t、 1.88×109℃。 采用環(huán)境效益評(píng)價(jià)法, 并將固碳釋氧和增濕降溫能力貨幣化, 采用碳稅法計(jì)算固定CO2的效益, 即采用瑞典最新碳稅率137.24 美元·t-1(取2023 年2 月美元對(duì)人民幣匯率中間價(jià)6.89 元計(jì)算其影子價(jià)格為945.58 元·t-1), 采用工業(yè)制氧成本價(jià)格1 000 元/t計(jì)算釋放O2的效益, 采用揭陽市工業(yè)用水價(jià)格2.30 元·t-1計(jì)算增濕的效益, 采用揭陽市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)電度電價(jià)0.637 元·kWh-1(以空調(diào)每匹每小時(shí)耗電量0.74·kWh-1, 降溫為2.1 ℃為比例進(jìn)行計(jì)算) 計(jì)算降溫的效益。 揭陽市高州油茶林固碳價(jià)值、 釋氧價(jià)值、 增濕價(jià)值和降溫價(jià)值分別為0.57億元·a-1、 0.44 億 元·a-1、 0.22 億 元·a-1、4.23 億元·a-1, 總經(jīng)濟(jì)效益為5.68 億元·a-1,由此可見高州油茶年貨幣效益最高的是降溫價(jià)值,其次是固碳價(jià)值、 釋氧價(jià)值和增濕價(jià)值。

3 結(jié)論與討論

3.1 高州油茶單位葉面積和單位林地面積日固碳量、 釋氧量、 增濕量和降溫量在季節(jié)上存在明顯差異。 有研究指出, 植物固碳釋氧能力與外界環(huán)境有很大聯(lián)系[32], 高州油茶固碳量和釋氧量主要受到大氣溫度的影響較大, 而增濕量和降溫量會(huì)同時(shí)受到光照強(qiáng)度和大氣溫度兩個(gè)因素的制約。高州油茶的固碳釋氧和增濕降溫能力夏季大于冬季, 這與韓俊永[33]、 Zhang 等[34]的研究結(jié)果一致, 植物的凈光合速率和蒸騰速率直接決定了植物單位葉面積的固碳釋氧和增濕降溫的能力, 適宜的高溫會(huì)使植物光合能力提升[35], 因此在光合能力強(qiáng)的夏季, 其固碳釋氧和增濕降溫能力高于冬季。 通過將高州油茶的單位葉面積固碳釋氧和增濕降溫能力與于雅鑫等[36]研究的12 種木蘭科喬木進(jìn)行對(duì)比, 結(jié)果表明, 高州油茶有著與樂昌含笑和觀光木相似的固碳釋氧和增濕降溫能力。本文估算所得揭陽市內(nèi)高州油茶林固碳釋氧年經(jīng)濟(jì)效益略高于鄭淼[37]計(jì)算所得闊葉林固碳釋氧總價(jià)值, 與山楊林固碳釋氧總價(jià)值接近[38]。

高州油茶的固碳價(jià)值高于釋氧價(jià)值, 這與李俊梅等[39]、 張志旭等[40]對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)果一致。 生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益能更直觀地體現(xiàn)森林的生態(tài)服務(wù)功能。 劉勝濤等[41]研究表明, 隨著樹木林齡的增長, 其固碳釋氧能力還在繼續(xù)增加, 由此產(chǎn)生的生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益也在持續(xù)增加。 一些學(xué)者指出, 森林的固碳釋氧價(jià)值缺少市場, 并不能產(chǎn)生直接可見的效益[23], 而高州油茶作為經(jīng)濟(jì)林樹種, 在創(chuàng)造生態(tài)效益的同時(shí), 也能產(chǎn)生直接的經(jīng)濟(jì)效益, 最終達(dá)到生態(tài)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[42-43]。

森林生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能受不同區(qū)域地理、生態(tài)、 氣候等條件的影響[44]。 由于獲取的數(shù)據(jù)有限, 本文利用揭陽市揭東區(qū)北部高州油茶林分的固碳釋氧和增濕降溫能力估算揭陽市內(nèi)高州油茶林全年的固碳釋氧和增濕降溫價(jià)值, 并未考慮區(qū)域差異(如氣候、 生物多樣性和人類活動(dòng)干擾程度等) 對(duì)結(jié)果的影響。 由于森林生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性及估算的價(jià)格參數(shù)和評(píng)估方法存在缺陷, 可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)同一種林分生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益的估算出現(xiàn)差異[45]。 我國環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)家最常使用的瑞典碳稅率為150 美元·t-1, 本文采用瑞典最新碳稅率137.24 美元·t-1計(jì)算高州油茶林分固定CO2的效益。 目前國內(nèi)對(duì)于經(jīng)濟(jì)林分生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益的計(jì)量分析文獻(xiàn)較少, 因此本文可以進(jìn)一步說明經(jīng)濟(jì)林在維護(hù)地區(qū)生態(tài)平衡所起的作用是顯著的。

本文結(jié)果可以為我國油茶效益評(píng)價(jià)提供技術(shù)支持, 但本研究只采用了高州油茶一種, 缺乏與其他油茶對(duì)比的結(jié)果, 因此關(guān)于高州油茶和其他油茶固碳釋氧和增濕降溫能力的比較還需要完善。 趙文瑞等[46]研究表明, 樹木的生態(tài)效益會(huì)隨著地理位置和外界環(huán)境因子的變化而發(fā)生改變, 關(guān)于高州油茶在不同外界生長環(huán)境下的固碳釋氧能力和增濕降溫作用還需要進(jìn)一步研究, 未來還將對(duì)廣東省高州油茶林分的固碳釋氧和增濕降溫能力進(jìn)行計(jì)量評(píng)價(jià),從而為高州油茶的推廣提供更多實(shí)踐依據(jù)。

3.2 通過研究發(fā)現(xiàn), 高州油茶固碳釋氧和增濕降溫能力夏季最強(qiáng), 且明顯高于冬季, 其單位葉面積日固碳量和釋氧量的平均值分別為8.453 和6.148 g·m-2·d-1, 二者均為9 月最高, 11 月最低; 高州油茶單位葉面積日增濕量和降溫量的平均值分別為1 090.073 g·m-2·d-1和0.210 ℃, 增濕降溫作用最大的為7 月, 最小為3 月。 高州油茶單位林地面積固碳量、 釋氧量、 增濕量和降溫量的均值分別為18.841 g·m-2·d-1、 13.702 g·m-2·d-1、3 030.402 g·m-2·d-1、 0.585 ℃, 其中固碳釋氧量均為9 月最大, 增濕降溫量均為7 月最大。

采用環(huán)境效益評(píng)價(jià)法得到高州油茶固碳釋氧和增濕降溫能力的經(jīng)濟(jì)價(jià)值, 排序?yàn)榻禍貎r(jià)值＞固碳價(jià)值＞釋氧價(jià)值＞增濕價(jià)值, 總經(jīng)濟(jì)效益為5.68億元每年, 由此可見, 高州油茶對(duì)大氣環(huán)境具有一定的調(diào)控功能, 具有良好的生態(tài)效益。