高校校園綠地植物群落固碳效益分析及高固碳植物群落優化對策
---以湖南城市學院為例

周小梅李曦蕊

(1.湖南城市學院，湖南 益陽 413000；2.西北農林科技大學，陜西 咸陽 712100)

自工業化革命以來，城市不斷擴張，由人類活動造成的二氧化碳等溫室氣體濃度持續增加，全球變暖已成為國內外研究的熱點問題。IPCC第5次評估報告[1]預測，2016—2035年全球地表平均氣溫將升高0.3～0.7℃，2081—2100年將升高0.3～4.8℃，這將對全球的生態環境提出重大挑戰。目前我國CO2排放總量已超過美國，成為世界第一排放大國，因此國際社會迫切要求我國進行減排，我國面臨著巨大的減排壓力。而1997年簽署的《京都協議書》讓更多的學者開始了對固碳的研究，并提出綠色植物的固碳可以減少大氣中二氧化碳濃度，這已經成為國際公認緩解氣候變暖的有效途徑[2]。

然而，目前針對城市綠地固碳釋氧能力的研究主要有居住區綠化樹種固碳釋氧和降溫增濕效應研究、華南居住區綠地碳匯作用研究及其在全生命周期收支評價中的作用[3，4]；陳娟等[5]、邵永昌等[6]、郝鑫杰等[7]分別研究了武漢、上海、呼和浩特城市常見植物的光合特性及固碳釋氧能力并對測試植物日固碳釋氧量進行聚類分析，篩選出高固碳釋氧的樹種；依蘭等[8]對城市公園綠地的植物群落固碳能力進行研究分析，這些研究結果均為該地區生態建設提供了數據支持。但目前針對校園綠地尺度方面的探索不足，對于校園綠地植物群落固碳效益的研究缺乏定量化分析。

校園是學生接受教育的主要場地，校園綠地是校園景觀系統的重要組成之一，而植物群落是校園綠地的主要組成部分，對綠地固碳效益的發揮有重要影響，其能夠通過自身的光合作用吸收大氣中二氧化碳，從而減少大氣中的碳含量，改善由溫室效益帶來的氣候問題，同時也能增加校園整體的固碳效益。因此，需要對校園植物群落的固碳效益進行系統分析，從植物結構層次、郁閉度、樹種組成、栽植密度等方面分析植物群落的特征因子與固碳效益之間的關系，并針對校園植物群落存在的問題，進行高固碳化植物配置，提高校園整體固碳水平。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

湖南城市學院位于湖南省益陽市朝陽開發區梓山湖畔，總校園面積占94.33hm2，建筑占地58萬m2，綠化率為62%。經過調查分析，校園內共記錄主要植物83種，共涵蓋38科，以喬木為主，其次是灌木和草本，還有少量的竹類等其他植物，大部分植物資源為人工種植。本文對校園植物群落的結構相關性分析利用了ArcGis軟件的柵格法。通過建立漁網，根據場地的面積與研究精度，使用適當的格網面積對場地進行劃分，并編輯出相應場地空間信息的柵格圖，再導入每個格網空間的植被信息并同時進行類別的劃分，全面綜合考慮群落的空間結構和層次結構，進行植物結構層次的顯示，見圖1。群落具有4種不同的層次結構：喬灌、喬草、灌草、喬灌草。在植物群落的選取上盡量每一種結構都有所涉及，使后期的調研具有覆蓋性，在植物群落固碳量的比較上更具說服力和真實性。通過前期調研，共選取了13個群落結構相對穩定，生長狀況較好的具有代表性的植物群落，面積在520～2400m2，見圖2。

圖1 校園植物層次分布圖

圖2 群落選取圖

1.2 指標測定

植物的胸徑、樹高、冠幅等指標采用胸徑尺、卷尺等工具進行測定，同時記錄每個群落的樹種、數量、層次結構等群落特征指標，并計算其群落的郁閉度、栽植密度等，利用Excel對不同群落的特征因子進行對比分析，以及不同群落特征因子對群落固碳量的影響程度分析。

1.3 植物固碳效益的計算

1.3.1 群落年固碳總量計算

不同植物群落的固碳量組成包括喬木固碳、灌木固碳、地被草本及藤本植物的固碳。喬木是高校校園植被固碳的主體，且不同種類、不同規格的固碳量差異較大。其中小喬木與其他成片種植的灌木，則按灌木生物量方法計算，其他地被、草本植物的固碳量較少，可忽略不計[9]。植物年固碳總量計算公式：

式中，CS為年綠色碳匯總量，kg；Ctr為第i種喬木單棵植物的年固碳量，kg/棵；Ni為第i種喬木棵數；Csh為第m種灌木單位面積年固碳量，kg·hm-2；Sm為第m種灌木種植面積，hm2；j為喬木種類數；n為灌木種類數[9]。

1.3.2 喬木年固碳量的計算

根據對調研地植物群落調查所得的數據，運用樹木效益計算工具(National Tree Benefit Calculator)軟件，通過輸入樹木種類、胸徑、用地類型和地理位置信息，可自動計算場地中單株喬木的單位年固碳量，見圖3。在計算時，由于是基于美國的基礎數據，所以選擇與湖南相似緯度和氣候環境的德克薩斯休斯頓(美國德克薩斯州N25°50′～36°30′)作為類似地理位置；在樹種的選擇上，選擇相同樹種，若沒有對應樹種選擇，則選擇相似或同種科屬種的樹種進行替代[10]。所得結論會存在一定的相對誤差，但由于該模型中的數據全面、可信度高，因此可以作為湖南喬木固碳量計算的參考依據。

圖3 喬木年固碳量計算

圖4 場地植物群落結構的年固碳量

圖5 場地植物群落平均胸徑范圍的年固碳量

1.3.3 灌木年固碳量的計算

方燕輝[11]的研究表明，城市灌木在剪枝干擾下，其年凈生產力主要用于新生枝葉的構建。因此，灌木一年生枝生物量可以反映當年內的固碳能力。方精云等[12]對我國不同地區代表性植物各器官碳含量測定結果，采用0.5作為生物量—碳儲量轉換因子；任巧[13]測得上海灌木層平均單位面積生物量為3.963kg·m-2，湖南與上海同屬于亞熱帶季風性氣候，可將其替換使用，通過代入公式碳儲量=生物量×0.5[13]，計算得到湖南灌木年固碳量約為1.98kg·m-2。

1.4 數據分析

用Excel軟件完成全部數據處理和作圖，利用SPSS軟件進行相關性分析和聚類分析。

2 結果與分析

2.1 不同樹種對植物固碳效益的影響

根據前期的資料分析，不同植物的固碳能力會有所不同，而植物群落是由不同的單株植物組成，單株植物的固碳能力顯著，其整體固碳效益會相對較高，這在一定程度上說明了樹種組成對群落的固碳效益會產生一定影響。而本文共選取13個群落作為研究對象，對主要植物進行固碳能力測定，比較分析不同植物固碳效益之間的差異，見表1、表3。

表1 調研地主要植物的固碳能力分析

表2 調研地主要植物科屬的固碳能力分析

通過對植物進行科屬劃分，并分析其固碳能力的高低，見表2?？傻贸?，杜英科、大戟科、樟科、豆科、玄參科的固碳能力相對較高，其次是銀杏科、松科、杉科和木蘭科，其中山茶科、羅漢松科和金縷梅科的固碳能力相對較差。

總之，大規格樹種的固碳能力相對較強，而中等規格樹種的固碳能力相對居中且穩定，處于幼齡和老齡階段樹種的固碳能力相對較低且趨于不太穩定的狀態。因此，在后續的優化改造設計中可以適當結合大規格樹種和中等規格的樹種進行設計，同時選擇固碳能力較高的科屬樹種，以提高整體固碳水平。

2.2 植物群落的層次結構對固碳效益的影響

總體來看，植物群落的固碳效益與植物群落的結構層次呈正相關，即植物群落(復層)>植物群落(雙層)>植物群落(單層)，見圖6。具有多層結構的植物群落固碳效益更高，但不同層次結構的植物群落也可以通過樹種之間的搭配組成來彌補植物群落結構的不足。因此，在后續的設計中要盡可能多運用喬灌草復式結構層次，充分考慮植物群落的生態效益與景觀效益，以此達到最大化的固碳效益。

圖6 場地不同植物群落郁閉度的年固碳量

2.3 植物群落的平均胸徑對固碳效益的影響

根據數據分析可知，當植物群落的胸徑范圍在15～27cm時，固碳效益先上升到一定程度之后再呈現出下降的趨勢，見圖5。從整體上看，植物群落的平均胸徑與固碳效益具有一定的相關性。其中植物群落平均胸徑在18～21cm范圍內的年固碳量最高，達267690.8kg·hm-2，遠高于平均胸徑在其他范圍內的植物群落，其相差約150000kg·hm-2；植物群落胸徑在21～24cm范圍內的年固碳量最低，只有53409.4kg·hm-2?？傮w來看，植物群落的平均胸徑對固碳效益的影響較大。因此，盡量選擇植物群落平均胸徑在18～21cm范圍內的樹種，以此提高校園整體固碳效益。

2.4 植物群落的郁閉度對固碳效益的影響

通過相關數據分析可知，植物群落的固碳效益與郁閉度具有正相關，總體呈上升趨勢，見圖6。當植物群落的郁閉度在0～0.2時，其固碳效益是最低，為19700.8kg·hm-2；郁閉度為0.8～1.0時，植物群落的固碳效益最大，為257552.3kg·hm-2；其中植物群落的郁閉度處于0.4～0.6時，植物群落的固碳效益還呈現了下降的趨勢，與植物群落郁閉度為0～0.2時的固碳效益相差不大。當植物群落的郁閉度大于0.6，其植物群落的固碳效益呈現較快的增長趨勢。因此，在后續的優化策略中可以考慮形成郁閉度較大的植物群落，但是考慮視線的通透性，不能盲目選擇最大的郁閉度，應該綜合考慮植物群落的固碳效益和景觀效果選擇最佳植物群落的郁閉度區間[14]，以0.7～0.9最佳，能充分提升植物群落的固碳效益。

2.5 植物群落的栽植密度對固碳效益的影響

將13個場地中的植物群落栽植密度分成5個不同的等級，對場地中不同范圍內的植物群落年固碳量進行分類，見圖7。通過對比可知，不同范圍內的植物群落栽植密度，其產生的固碳效益存在一定程度的差異，整體在0～1250株·hm-2的范圍內呈現先上升后下降的趨勢，其中在750～1000株·hm-2的栽植密度范圍內，植物群落的年固碳量最高，達245575kg·hm-2；而植物群落的栽植密度在0～250株·hm-2時，植物群落年固碳量最低，為23949kg·hm-2，相差約220000kg·hm-2；而處于其他栽植密度范圍內的固碳效益也不高，大約在100000kg·hm-2，整體上可以看出，適當的栽植密度對群落的固碳效益影響較大。因此，在后續的優化策略中可以根據適當的栽植密度來進行植物配置，以750～1000株·hm-2的栽植密度為宜，以實現植物群落的固碳效益最優化。

圖7 不同范圍內群落栽植密度的固碳效益與固碳量

2.6 不同群落特征指標與植物群落的固碳效益相關性分析

選取所有場地植物群落的郁閉度、平均胸徑、群落密度3項群落特征因子與固碳總量、固碳效益的計算數據，見圖8，將其導入SPSS 26.0軟件進行Pearson的相關性分析，其中r為不同變量之間的相關性系數，P代表顯著性。

圖8 不同植物群落的年固碳量

如表4所示，在固碳總量層面中，植物群落的平均胸徑與固碳總量具有顯著的相關性(r=0.750，p=0.005)，郁閉度、群落密度與固碳總量不具有顯著相關性(r=0.515，p=0.086；r=-0.364，p=0.245)；在固碳效益層面，植物群落的郁閉度與固碳效益具有顯著的相關性，而平均胸徑與固碳效益具有極顯著的相關性，群落密度與固碳效益不具有顯著相關性。

表4 不同群落特征指標與植物群落的固碳效益相關性分析

3 討論與結論

本文通過對湖南城市學院校園內13個典型植物群落進行實地調研與考察，得到固碳效益相關的數據；利用計算工具Tree Benefit Calculator軟件及有關的計算公式，推算出樣地內植物群落的固碳效益，分析討論校園內植物群落的固碳效益、相關的影響因素以及關于植物群落進行高固碳優化改造的策略等，具體的研究結論如下。

3.1 優化樹種選擇

盡量選用當地的本土樹種，遵循適地適樹的原則，鄉土植物相比于外來的物種具有更強的適應能力，能夠較快地適應校園內的生態環境；還能避免外來樹種引入后，產生與本土樹種不相適應、破壞生態系統的穩定進而導致植物群落的固碳效益降低的情況。在高固碳樹種的選擇上，盡可能使喬木的固碳能力較為突出，而灌木和地被植物選生長勢較好、枝繁葉茂、耐修建、耐養護管理、固碳能力強的樹種，如紫葉李、櫻花等木本植物以及郁金香和風信子等球根花卉；同時，在選擇固碳能力更高的樹種時，不僅需要考慮植物群落整體的功能特性以及美學價值，還需要選擇一些固碳能力更強的樹種，包括銀荊、杜英、香樟、紫薇等具有當地特色的鄉土樹種。還需綜合考慮植物群落顏色、形態和氣味等因素，合理安排落葉樹與常綠樹，闊葉樹與針葉樹等植物類型的比例，注重植物的四季景觀效果，營造怡人的校園景觀環境。

通過前期分析和相關資料查詢，見表5，總結出一些固碳效益較好的植物配置形式。香樟加構樹/棕櫚加紫葉李加海桐/珊瑚樹加月季加麥冬；杜英加桂花加紫薇/紫葉李加海桐/日本女貞加月季加麥冬；香樟/杜英加桂花加銀杏加小葉女貞/小葉黃楊加蚊母樹加杜鵑加麥冬；毛竹加羅漢松加臘梅/茶梅加紅花檵木加梔子/杜鵑加沿階草；香樟加櫻花加樂昌含笑加夾竹桃/海桐加麥冬；楓楊加紫葉李/櫻花加麥冬；構樹加木芙蓉/夾竹桃/蚊母樹加沿階草；廣玉蘭加南天竹加麥冬；女貞加石楠加八角金盤加沿階草；懸鈴木/香樟加桂花/棕櫚加四季桂/含笑加紅花檵木/迎春/茶梅加鳶尾/繡球；杜英加紅楓加紫葉李加麥冬；銀杏加麥冬；紫薇加垂絲海棠加山茶加麥冬。

表5 高固碳樹種應用推薦表

3.2 優化群落特征指標

植物不同的群落特征對其固碳效益具有一定影響，包括栽植密度、郁閉度、平均胸徑、平均冠幅等。在進行校園植物群落高固碳配置時需要綜合考慮各方面因素的影響，盡量全方位評價植物栽植的優劣條件，優化植物群落的特征指標，用最經濟的手段達到最優的生態效益，使得植物群落的固碳效益是最佳的。在郁閉度方面需要兼顧景觀視線和植物群落的固碳效益，盡量維持群落的郁閉度為70%～90%。在栽植密度方面要保證植株之間的生長環境，盡量保持植物群落的栽植密度為750～1000株·hm-2。而在植物群落的層次結構方面，要豐富群落垂直結構，盡可能選取高固碳效益的層次結構：喬灌草>喬草>灌草>單層結構以及針闊葉混交>闊葉混合>單層形式，以達到最優的植物群落固碳效益，更好滿足師生的需求，見表6。

表6 優化群落特征指標對策

本文通過計算軟件估算了植物群落的固碳量，并相應對其展開優化策略的研究。校園綠地植物群落的固碳效益研究為提高城市綠地的生態效益具有重要意義。希望在以后的學習研究中，能夠將更多有效的技術措施應用到植物群落固碳效益的動態研究中，進一步準確評估相關數據。同時還需重視GIS在植物群落固碳量評估研究中的應用，實現高效化、系統化、數據化應是未來植物群落固碳效益的研究方向。未來需要在更大尺度上提高植物群落的固碳效益，應重視不同個體甚至不同行業對固碳量的影響，更有效地緩解大氣中過度排放的二氧化碳量，并達到改善一系列城市病以及全球變暖等問題這一目標，更好構建人類命運共同體。