哈爾濱丁香公園4種典型人工綠地群落碳密度研究

顧 韓， 施芋宇， 刁 潔， 劉 暢*

1.重慶交通大學， 重慶 400074 2.東北林業(yè)大學風景園林博士后流動站， 黑龍江 哈爾濱 150040

城市森林、公園、近自然林作為城市生態(tài)系統(tǒng)的生產者和消費者，通過光合作用吸收CO2，釋放O2，有效起到固碳釋氧、降低城市熱島效應、消減空氣顆粒物的作用[1]. 城市綠地是城市重要的碳庫，在減緩溫室氣體排放中扮演碳匯的作用. 但城市化的快速擴張，導致城市用地、下墊面改變[1-3]，影響城市綠地碳匯作用的發(fā)揮[4-5]. 近年來，在清潔發(fā)展機制與可持續(xù)發(fā)展模式的驅動引導下[6-8]，城市綠地在碳匯功能中的作用和地位得到了更多的關注[9-11]，而碳密度是生態(tài)系統(tǒng)碳匯的重要指標.

國內外學者在森林生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)及海洋生態(tài)系統(tǒng)中對碳密度、碳濃度、碳通量等問題進行了廣泛深入的研究[12-14]，并證明了其碳匯的潛力與生態(tài)價值[15-17]. 國外學者對大城市樹木碳密度的研究[18-19]表明，城市樹木的平均碳密度約為森林樹木平均碳儲量密度的1/2. Phillips等[20]通過分析美國10個城市植被覆蓋數(shù)據，明確了植物生物量、生長率、死亡率、枯落物比例與城市植被吸收CO2能力的強弱關系. Cameron等[21]指出城市園林生態(tài)系統(tǒng)服務價值與CO2濃度具有一定的相關性. ZHENG等[22]通過遙感技術建立了城市綠地植被指數(shù)與碳密度、碳儲量之間的回歸方程，發(fā)現(xiàn)植被指數(shù)(NDVI)與城市綠地碳匯相關性較好. 在城市碳匯方面，我國學者從種群、群落結構方面對碳儲量和碳密度分別開展研究，并探討了群落結構對固碳能力、造林綠化與氣候變化、碳匯三者之間的關系. 也有學者從土壤固碳能力提出公園下墊面的設計策略[23-25]. 唐琳[26]對呼和浩特市5個典型公園植物的生物量與碳儲量進行研究，揭示了園林植物的固碳效益. 徐亞如等[27]以武漢園博園為研究對象，利用RS和GIS，結合美國景觀績效平臺中的國家樹木效益計算器對林木植被年際碳匯效能及經濟價值、生態(tài)功能進行探討. 宗芮[28]以西安市域綠地為研究對象，利用Landsat影像構建CASA模型，對不同時期的西安市域綠地進行碳匯估算，并提出基于碳匯績效的市域綠地系統(tǒng)布局模式.

綜上，在全球氣候變暖及城市熱島加劇的背景下，城市綠地在城市生態(tài)系統(tǒng)中的固碳作用比以往受到了更多的關注，城市綠地中的植被、土壤受人類活動的影響強烈，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，空間異質性大，不易進行試驗監(jiān)測，導致目前城市綠地碳循環(huán)尚缺乏充分的觀測數(shù)據和相應的理論支持. 該研究以寒地城市公園綠地為研究對象，采用碳/氮分析儀測定法與標準木解析法，對公園4種人工綠地群落植被碳密度、生態(tài)系統(tǒng)碳密度(植被和土壤)進行研究，探討了不同人工群落碳密度分布差異，評定人工綠地的碳匯作用，以期為碳匯型城市公園綠地植被類型的選擇和規(guī)劃布局提供數(shù)據支持.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與樣點設置

研究地點位于哈爾濱市群力新區(qū)，地處群力大道與景江西路交匯處，丁香公園占地面積67.4 km2，是中心城區(qū)面積最大的城市綜合公園(見表1)，景觀整體性較高. 丁香公園土壤類型及公園植被具有典型的寒地特征(見表2). 公園建設于2010年，園內地形相對平坦，水體面積約占公園總面積的1/4，園內植物以人工栽植為主. 該研究于2018年5月下旬(即生長季初期)進行樣地設置，在丁香公園內選取4種典型人工綠地群落——落葉松林群落、白樺林群落、丁香群落、草地群落(見表1)，喬灌木生長年限超過10年，各樣地面積均為30 m×30 m，在每個樣地內再隨機設置3個小樣地，共12個樣點. 該研究于2018年5月對樣地內樹木進行調查，9月再對樣地內樹木進行每木調查，并收集植被、土壤以及凋落物樣品. 樣地內主要植物類型有落葉松(Larixgmelinii)、白樺(Betulapaltyphylla)、丁香(Syringaoblata)、榆葉梅(Amygdalustriloba)、玉簪(Hostaplantaginea)、早熟禾(PoaannuaLinn.).

表1 哈爾濱中心城區(qū)公園綠地基本情況

表2 哈爾濱丁香公園樣地植物群落類型及基本特征

1.2 樣品采集與分析

1.2.1植被碳儲量測定

1.2.1.1喬木層生物量測定

在事先設置的公園樣地內對落葉松林落群、白樺林群落中胸徑大于4 cm的落葉松與白樺進行每木檢尺，然后按2 cm劃分徑級選取各徑級標準木(在各類型標準地附近相同林分中選取)，其中落葉松、白樺各15株，共選擇30株標準木，實測樹木根、干、枝、葉4個部位的生物量，利用生物量回歸模擬方程[29](見表3)，建立喬木各器官與胸徑的生物量及胸徑的相關回歸方程.

表3 哈爾濱丁香公園白樺、落葉松回歸模擬方程

1.2.1.2灌草層生物量測定

采用收獲法在30 m×30 m的標準地中，分別獲

取樣地中心和四角樣方中的灌木層與草本層，地上部分齊地面收割，地下部分分層取出(每10 cm一層，取至40 cm土壤)，將根系用清水洗凈帶回實驗室，對各器官總鮮質量進行稱重. 中心樣方5個，大小為2 m×2 m，四角樣方隨機設置10個，大小為1 m×1 m. 將采集的植物樣本在實驗室70 ℃下烘干48 h，至恒質量，待測.

1.2.1.3凋落物測定

于生長季末期，在4種群落樣地中分別設置3個20 cm×20 cm的樣方，收集全部凋落物，裝入封口袋，帶回實驗室70 ℃下烘干48 h，至恒質量.

1.2.1.4植被碳儲量測定

采用碳/氮分析儀Multi N/C 3100(Analytik Jena AG, Germany)分析喬木層、灌木層、草本層、凋落物層的有機碳含量，然后用各組分的生物量乘以碳含量，得到各植被層及凋落物層的碳儲量，四者之和為植被的碳儲量[30].

1.2.2土壤有機碳密度測定

每個標準樣地內隨機取3個土壤剖面，土壤深度為40 cm，40 cm以下為母質層. 確定土壤剖面后，用土壤環(huán)刀(100 cm3)每10 cm為一層取樣，取樣深度50 cm. 土樣用鋁盒裝好. 回實驗室后，在烘箱150 ℃下烘干24 h，測定其土壤容重；同時在同一土層深度取約500 g土樣裝入樣品袋，在實驗室風干后，去除樣品袋內大于2 mm的根系或巖石后，在70 ℃下烘干24 h. 然后，研磨粉碎、篩選，利用碳/氮分析儀分析各層土壤有機碳(SOC)含量和凋落物碳質量分數(shù)，計算4種群落的凋落物碳儲量和土壤碳儲量.

土壤有機碳密度是指單位面積一定深度的土層中SOC的含量，土層i的碳密度(SOCi，單位為kg/m2)的計算公式[23]：

(1)

式中：Ci為土層i的有機碳含量，g/kg；Di為土層i的容重，g/cm3；Ei為土層i的厚度，cm；Gi為土層i直徑大于2 mm石礫的占比，%.

如果某一土壤剖面由k層組成, 那么該剖面的碳密度為

1.2.3群落郁閉度

丁香公園植物群落的郁閉度采用目測法結合數(shù)字式植物冠層分析儀(CI-110型，CID，USA)進行測定，試驗操作遵循植物冠層分析儀相關要求.

1.2.4數(shù)據分析

該研究數(shù)據采用SPSS 18.0軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA). 采用T-檢驗分析不同數(shù)據組間的差異性, 單因素方差分析(one-way ANOVA)采用最小顯著差異法(LSD)，顯著性水平均設置為α=0.05.

2 結果與分析

2.1 丁香公園植被生物量

從表4可見，丁香公園4種群落間生物量存在顯著差異. 草地、丁香、白樺林、落葉松林群落的植被生物量在4.15～104.10 t/km2之間，落葉松林群落植被生物量最大，白樺林群落次之，草地群落最低，針葉類群落生物總量高于闊葉類植物群落.

表4 丁香公園不同群落植被生物量

白樺林、落葉松林兩種喬木群落植被生物量分別為75.91、104.10 t/km2，落葉松林群落生物量是白樺林群落生物量的1.37倍. 通過群落垂直層植被生物量分析可知，白樺林與落葉松林群落草本層、灌木層、喬木層生物量存在差異. 其中，白樺林群落與落葉松林群落喬木層占比均超過90%，但白樺林群落的灌木層、草本層生物量占比均高于落葉松林群落，白樺林群落的草本灌木層生物量占比為8.96%，落葉松僅為2.39%.

灌木層生物量在丁香、白樺林和落葉松林3種群落中呈遞減的趨勢，丁香群落灌木層生物量最高，是白樺林群落、落葉松林群落生物量的2.19和7.01倍. 4種群落草本層生物量呈不規(guī)則分布，草地群落草本層生物量最大，白樺林群落次之，丁香與落葉松林群落草本層生物量接近，從草地群落到落葉松林群落灌木層生物量呈顯著陡降趨勢.

2.2 丁香公園4種人工綠地群落植被碳密度

由表5可見，寒地城市公園4種人工綠地群落植被的碳密度有較大差異，碳密度分布在(0.50±0.03)～(9.15±0.08)kg/m2之間，丁香群落、白樺林群落、落葉松林群落比草地群落碳密度顯著提高了2.02～17.30倍(P<0.05)，白樺林群落、落葉松林群落較丁香群落分別顯著提高了4.95和5.05倍(P<0.05). 因此，丁香公園4種人工綠地群落植被碳密度分布呈現(xiàn)出由單一結構群落向復雜結構群落增加的變化趨勢.

表5 丁香公園4種群落草本、灌木、喬木及凋落物層碳密度情況

進一步分析發(fā)現(xiàn)，4種群落植被碳密度的垂直分配格局也存在明顯差異. 草本層中，碳密度最高的是草地群落，是其他3種群落草本層碳密度的2.24～3.17倍(P<0.05)，碳密度呈現(xiàn)由草地群落向落葉松林群落遞減的趨勢；灌木層碳密度分布最高的是丁香群落，是白樺林群落和落葉松林群落的2.51與3.05倍(P<0.05). 4種群落凋落物層碳密度呈現(xiàn)草本群落<丁香群落<落葉松林群落<白樺林群落的特征，白樺林群落凋落物層的碳密度最高，是草地群落、丁香群落和落葉松林群落的7.25、4.14、1.43倍；白樺與落葉松林群落的碳密度大小由喬木層和凋落物層決定，落葉松林群落喬木層碳儲量是白樺林群落喬木層的1.18倍(P<0.05). 喬木層和凋落物層碳密度之和占其群落碳密度總量的93.29%～98.42%，灌木層占比為3.17%～4.95%，草本層占比最小，為1.31%～1.76%. 由此可見，群落垂直結構及植物類型可能影響綠地群落植被的碳密度.

注：不同大寫字母表示不同群落類型間的土壤有機碳密度存在顯著差異，小寫字母表示同群落類型間的土壤有機碳密度存在顯著差異. 圖1 丁香公園土壤有機碳密度及分布Fig.1 The density and distribution characteristics of soil organic carbon in Syringa Park

2.3 丁香公園4種人工綠地群落土壤有機碳密度

研究表明，哈爾濱丁香公園綠地土壤有機碳密度呈現(xiàn)出由草本群落結構向針葉群落結構遞減的趨勢(見圖1). 丁香公園4種人工綠地群落土壤有機碳密度在(19.11±6.26)～(28.28±4.55)kg/m2之間. 草地群落土壤碳儲量最高，白樺林群落最低，丁香群落、白樺林群落、落葉松林群落土壤有機碳較草地群落分別降低了4.31%～32.43%(P<0.05).

通過對4種群落不同深度土壤有機碳密度分析發(fā)現(xiàn)，群落土壤有機碳密主要分布在10～20 cm土層，在10～50 cm土層隨土壤深度的增加有機碳密度呈遞減的特征.

在垂直分布上，草地與丁香群落高碳密度層分布在0～30 cm土層，其碳密度在20.71～21.52 kg/m2之間，占比均超過76%；白樺林與落葉松林群落碳密度分布均呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，在0～20 cm土層有機碳密度最大，占總碳密度的60%，20～40 cm土層次之，占16.78%～30.49%. 在水平分布上，草地與丁香群落0～40 cm各土壤層有機碳密度均較白樺林、落葉松林群落高15.15%～118.42%(P<0.05)，草地群落僅30～40 cm土壤層有機碳密度較丁香群落顯著高4.03%. 由此推測，哈爾濱丁香公園4種人工綠地群落土壤有機碳含量主要由0～30 cm土壤層中的碳密度決定.

2.4 丁香公園4種人工綠地群落生態(tài)系統(tǒng)碳密度

由表6可見，哈爾濱丁香公園草地群落、丁香群落、白樺林群落、落葉松林群落4種群落生態(tài)系統(tǒng)碳密度相近，其生態(tài)系統(tǒng)碳密度在(28.78±4.55)～(31.49±3.31)kg/m2之間. 草地群落生態(tài)系統(tǒng)的碳密度較白樺林和落葉松林群落顯著減低了7.76%～10.81%(P<0.05). 丁香群落碳密度最低，比丁香、白樺林、落葉松林群落生態(tài)系統(tǒng)碳密度低0.75%～7.76%(P>0.05). 白樺林群落生態(tài)系統(tǒng)碳密度較落葉松林群落低7.05% (P>0.05). 因此，通過數(shù)據分析推測，丁香公園4種人工綠地群落的生態(tài)系統(tǒng)碳儲量呈穩(wěn)定型分布格局.

表6 哈爾濱丁香公園綠地植物生態(tài)系統(tǒng)碳密度及占比

通過對各類型綠地生態(tài)系統(tǒng)碳密度的組成結構分析發(fā)現(xiàn)，4種人工綠地群落生態(tài)系統(tǒng)的碳密度均以土壤碳為主位. 其中，草地和丁香群落生態(tài)系統(tǒng)土壤有機碳密度占比在90%以上，白樺與落葉松林群落生態(tài)系統(tǒng)的碳密度構成發(fā)生變化，植被碳含量占比提高了22.01%～29.6%，但仍以土壤有機碳為主. 說明各人工綠地群落碳匯分配方式發(fā)生變化，草本群落綠地和灌叢群落綠地主要以形成土壤有機碳的方式將碳素儲存在土壤中，喬木群落綠地則以形成土壤有機碳與積累植被生物量兩種方式儲存碳素.

3 討論

在區(qū)域尺度上，植株的高度和胸徑直接影響植株的生物量[31]，根據筆者研究公園的4種群落的物種組成性質及數(shù)量特征信息分析發(fā)現(xiàn)，落葉松林及白樺林群落中植株的胸徑與高度處于優(yōu)勢地位，同時群落的物種組成豐富度、數(shù)量高于灌木和草本群落. 因此, 白樺林與落葉松林群落的生物量較大. 筆者研究的哈爾濱丁香公園植被生物量范圍為4.15～104.10 t/hm2,平均值為48.04 t/hm2，與杭州市植被的生物量平均值(32.52 t/hm2)[32]、西安市城市綠地4種典型灌木平均生物量(43.51 t/hm2)[33]相比，哈爾濱丁香公園植被生物量比杭州市、西安市分別高32.81%、10.10%，表明哈爾濱區(qū)域樣本的平均生物量積累較高，可能是因為低溫使樹木生長周期較長，積累了更多的生物量. 就目前的研究還不能全面反映中高緯度城市公園綠地生物量的準確數(shù)據，仍需要大量的觀測研究；同時，也應該加強對我國不同氣候區(qū)城市綠地植被生物量的觀測. 筆者研究結果與北方森林植被生物量范圍(37.01～134.45 t/hm2)[16,34]相比偏低，與我國森林生物量平均值波動范圍(4～324 t/hm2)[30]的下限接近，說明城市大型公園綠地具有與天然森林相近的植被生物量，但整體生物量仍小于森林.

植被的碳密度通常由植被的生物量決定，植物類型與密度是植被碳密度影響的主要因子. 丁香公園4種人工綠地群落的植被碳庫主要來源于生物量較大的白樺及落葉松喬木層，故白樺林與落葉松林群落的植被碳密度高于草地與丁香群落，說明針葉林較闊葉林在固碳能力上更具優(yōu)勢，灌木與草地的固碳能力較弱. 因此，公園綠地的植被碳密度呈現(xiàn)出由草本向喬木遞增的變化規(guī)律，其中，喬木層對群落植被碳匯的貢獻最高. 丁香公園植被碳密度平均值為5.04 kg/m2，接近北方森林植被的固碳估計值(4.0～6.4 kg/m2)[35-36]，說明寒地公園人工綠地具備類似北方森林植被的固碳能力，對城市碳匯有重要意義.

丁香公園綠地群落生態(tài)系統(tǒng)碳密度構成以土壤有機碳為主，土壤有機碳約占83.31%，碳密度平均值為24.20 kg/m2，相比我國天然林與北方森林和土壤有機碳密度值(分別為10.9、8.5 kg/m2)有較大提高，可能是丁香公園所處的位置曾經是松花江的漫灘地，同時公園有大面積水體，使得土壤水分含量較高. 研究[30]表明，在水分含量較高的土壤環(huán)境，根呼吸、凋落物及微生物分解會收到抑制，從而減少公園土壤的碳排放，說明寒地公園綠地對城市碳匯有重要作用[35-38]. 筆者結果與王祖華等[39]研究的南京城市森林土壤有機碳密度結果(21.77 kg/m2)接近. 丁香公園植被碳密度較低可能與公園建成時間、喬木樹齡較小、游人對植被影響等因素有關. 在森林生態(tài)系統(tǒng)中，喬木多處于成年期，植被碳密度相對較高[40].

該研究中草地、丁香、白樺林和落葉松林4種人工綠地生態(tài)系統(tǒng)的碳密度值接近，其原因可能是4種群落生態(tài)系統(tǒng)碳元素的儲存與分配方式不同所致. 4種群落生態(tài)系統(tǒng)中，植被碳密度值從草地到落葉松林群落呈遞增趨勢，而土壤碳儲量總體上呈遞減趨勢，因此4種群落生態(tài)系統(tǒng)碳密度總量相近，說明不同植被群落生態(tài)系統(tǒng)的碳匯潛力在公園綠地中都具有重要的作用.

寒地公園植被生物量、群落垂直層生物量分布均存在差異，植被碳密度呈現(xiàn)由草地到木本遞增的趨勢. 土壤有機碳密度呈現(xiàn)由草地群落結構向針葉群落結構遞減的趨勢，說明公園綠地中的木本植物具有較好的碳匯潛力，因此可以考慮通過增加公園喬木的數(shù)量和比例來改善綠地土壤理化環(huán)境，促進城市公園綠地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯效能[25].

此次研究中采用了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤容重經驗值[41]，未對不同種植方式、植被類型的土壤容重進行深入研究，對研究結果及結論帶來了一定的不確定性與局限性. 因此，在實際使用過程中，仍需根據實際情況對不同綠地土壤的容重進行研究.

該研究采用生物量相對生長方程對城市公園綠地生物量進行估算，從而進一步估算公園綠地的碳密度，該研究方法成熟且適合中小尺度生物量的初步計算. 但考慮到現(xiàn)實取樣及人為因素的影響，通常會考慮選取生長較好的地段進行測定，從而導致結果偏高；同時，通過生物量相對生長方程計算得出的生物量值的精度要低于砍伐標準木建立的實地相對生長方程計算結果，這些因素均對此次研究的結果產生影響. 因此，對哈爾濱丁香公園及整個城市公園生態(tài)系統(tǒng)碳密度的研究仍需更深入的調查與分析.

4 結論

a) 丁香公園植被生物量分布在4.15～104.10 t/km2之間. 落葉松林群落植被生物量最大，白樺林群落次之，草地群落最低. 針葉類群落生物總量高于闊葉類植物群落. 群落中喬木、灌木、草本生物量分布占比有顯著差異.

b) 丁香公園綠地群落的碳密度呈現(xiàn)由單一結構群落向復雜結構群落增加的變化趨勢，碳密度分配格局呈草本群落<丁香群落<白樺林群落<落葉松林群落的變化特征.

c) 丁香公園土壤有機碳密度分布在(19.11±6.26)～(28.28±4.55)kg/m2之間，呈現(xiàn)由草本群落結構向針葉群落結構遞減的趨勢. 土壤有機碳密度由0～30 cm土層決定，在10～50 cm土層隨土壤深度的增加有機碳密度呈遞減的變化特征.

d) 丁香公園綠地生態(tài)系統(tǒng)碳密度相近，分布在(28.78±4.55)～(31.49±3.31)kg/m2之間. 草本和灌叢群落生態(tài)系統(tǒng)碳的儲存方式以土壤有機碳形式為主，喬木群落生態(tài)系統(tǒng)則以土壤有機碳、積累植被生物量兩種方式儲存碳素.

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