城市土地利用是否会降低区域碳吸收能力——台州市案例研究

植物生态学报 2010, 34 (6): 651–660 doi: 10.3773/j.issn.1005-264x.2010.06.004 Chinese Journal of Plant Ecology 9321b3b4cfc789eb172dc8ba ——————————————————

收稿日期Received: 2009-10-13 接受日期Accepted: 2010-01-07

* 通讯作者Author for correspondence (E-mail: jchang@9321b3b4cfc789eb172dc8ba) 城市土地利用是否会降低区域碳吸收能力?—— 台州市案例研究

温家石1 葛 滢1 焦 荔2 邓志平3 彭长辉4 常 杰1*

1浙江大学生命科学学院, 杭州 310058; 2杭州市环境监测总站, 杭州 310007; 3杭州植物园, 杭州 310013; 4ECO-MCS Lab, Institute of Environment Sciences, University of Quebec at Montreal (UQAM), Montreal, H3C 3P8, Canada

摘 要 城市土地利用显著改变了原有生态系统的结构和功能, 特别是建成区植被的碳吸收和碳储存能力。该研究通过实地调查和测量, 估算城市建成区内乔木、灌木、草坪的生物量和净初级生产力(net primary productivity, NPP ), 该方法考虑了园林管理(如修剪或割草)对建成区碳吸收和碳储存的影响。结果表明, 台州城市树木个体生物量年增量是野外森林中同类树木的近2倍; 乔木修剪量占乔木NPP 的1/3。目前台州市建成区的植被碳吸收能力为2.1 × 103 kg C ·hm –2·a –1 (其中乔木的贡献为64%, 灌木为9%, 草坪为27%), 低于本地野外森林同面积的碳吸收能力; 通过与野外常绿阔叶林比较发现, 增加台州建成区的绿化覆盖率(从23%提高到46%)即可补偿因城市扩张引起的植被碳吸收能力的损失。

关键词 生物量, 补偿, 净初级生产力, 修剪, 城市植被, 绿化覆盖

Does urban land use decrease carbon sequestration? —A case study in Taizhou, China WEN Jia -Shi 1, GE Ying 1, JIAO Li 2, DENG Zhi -Ping 3, PENG Chang -Hui 4, and CHANG Jie 1*

1

College of Life Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2Environmental Monitoring Station of Hangzhou, Hangzhou, 310058, China; 3Hangzhou Botanical Garden, Hangzhou 310058, China; and 4ECO-MCS Lab, Institute of Environment Sciences, University of Quebec at Montreal (UQAM), Montreal, H3C 3P8, Canada

Abstract

Aims Urban land use has dramatically changed ecosystem functions especially carbon sequestration and storage in the built-up area. Our objective was to assess carbon sequestration and storage by estimating the biomass and net primary productivity (NPP ) of urban vegetation including trees, shrubs and lawns with consideration of the effects of garden management (pruning and mowing).

Methods Biomass and NPP from all trees, shrubs and lawns were estimated from 346 random quadrats. Allometric equations were used to calculate tree biomass from diameter at breast height and total height. An increment borer was used to measure trunk increment. Biomass and NPP from shrubs and lawns were estimated by destructive sampling. Management activities were recorded through actual measurements and the records of gardeners.

Important findings Trunk growth rate of inpidual urban trees is two times that in native forest. Pruning accounts for 30% of tree NPP . Carbon sequestration per unit of Taizhou built-up area is estimated to be 2.1 × 103 kg C ·hm –2·a –1 (with trees, shrubs and lawns contributing 64%, 9% and 27%, respectively), which is lower than native forest. We infer that the carbon sequestration ability of Taizhou built-up area could meet the level of native evergreen broad-leaved forest if vegetation coverage is increased from 23% to 46%.

Key words biomass, compensation, net primary productivity, pruning, urban vegetation, vegetation coverage

城市化引起的土地利用和土地覆盖的变化在

全球尺度上极大地改变了城市生态系统过程和功

能(Alberti, 2005; Grimm et al ., 2008)。目前, 对城市

生态系统的研究还远落后于自然生态系统和农业

生态系统(Kaye et al ., 2005; Grimm et al ., 2008)。随

着全球温室效应的日益严重, 生态系统的碳循环已经成为全球研究的热点, 而城市地区碳循环数据的缺乏则成为研究区域乃至全球碳循环的瓶颈(Piao et al ., 2009)。 城市中植被的性质和特征与自然植被有很大

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不同: 1)建筑物和道路等不透水层加剧了城市植被的破碎化, 使城市生态系统内的植被具有很强的异质性(Grimm et al ., 2008); 2)人类的偏好使城市中植物种类的组成不同于当地自然植被, 却在全球尺度上与其他城市趋同(Grimm et al ., 2008); 3)园林养护措施减弱了环境对城市中植物的胁迫(Niinemets & Pe?uelas, 2007); 4)园林管理活动对植物枝叶进行修剪(Kaye et al ., 2005)。综上所述, 传统的自然生态系统的研究方法不能完全适用于城市生态系统(Golubiewski, 2006), 因此, 必须发展针对城市的方法以更准确地估算城市地区植被的碳吸收和碳储存(Jo & McPherson, 1995)。

研究发现, 城市化对植被碳的吸收和储存能力存在相互矛盾。一方面, 城市中的不透水层降低了植被覆盖率, 造成建成区单位面积碳的吸收和储存能力降低(Shochat et al ., 2006; Xu et al ., 2007; Grimm et al ., 2008); 另一方面, 人工管理、热岛效应和相对较低的臭氧浓度等可能使单株树木的生长速度高于野外(Gregg et al ., 2003; Shochat et al ., 2004; Kaye et al ., 2005; Golubiewski, 2006)。植被覆盖的减少和单株生产力的提高这两个相反的驱动力使得城市化地区植被碳吸收能力存在不确定性。

现有城市碳吸收能力和碳储存量的研究主要集中在干旱和半干旱地区(Shochat et al ., 2004; Kaye et al ., 2005; Golubiewski, 2006)。湿润地区城市植被实测很少, 仅见于遥感估测的工作(Milesi et al ., 2003; Xu et al ., 2007; Yu et al ., 2009)。因此, 对湿润地区城市植被碳吸收能力和碳储存量的实地调查研究就成为全球尺度上研究城市化影响碳循环极需解决的问题之一。

中国东南沿海是近年来中国城市化速度最快的地区之一(Zhao et al ., 2006)。本研究选择浙江省台州市作为中国东南部快速城市化地区新兴城市的代表, 研究城市植被的碳吸收能力和碳储存量, 目的在于: 1)实地调查亚热带湿润气候年轻城区中树木生长状况; 2)估测建成区的碳吸收能力和碳储存量并与本地的野外森林进行比较; 3)探索补偿因城市扩张导致碳吸收能力损失的可能性。

1 研究方法

1.1 基本概念

本研究所用到的“建成区”是指城市行政区内已

成片开发建设的、市政公用设施和公共设施基本具备的地区(中国建设部, 1998), 这里特指外围主要道路框围的城市主体, 不包括水体。为了与建成区的定义一致, 本研究中的城市植被(建成区中绿色植物覆盖的土地, 中国建设部, 1998)不包括大面积的原生态自然植被(如山体植被和森林公园等), 但包括少数自然生长的草类和灌木以及遗留地边缘的人工管理植被。本研究中的“绿化覆盖率”指建成区内植被冠层的垂直投影覆盖面积占建成区面积的比率。 1.2 研究地点

本研究设置在浙江省台州市建成区(28o33′– 28o42′ E, 121o11′–121o33′ N)。台州市濒临东海, 地处亚热带湿润气候区, 年平均气温17.1 , ℃年平均降水量1 521 mm 。潜在植被为常绿阔叶林。台州市建成区面积自1994–2007 年间, 已从37 km 2增长到了117 km 2, 相应的建成区绿化覆盖面积也由406 hm 2增长到了2 691 hm 2, 涵盖大小街道300余个、公园100余个, 以及商业区、机关、学校和居民区等, 绿化覆盖率达23% (中国统计局, 1995, 2008)。 1.3 取样和分析方法

植被均匀度是决定样方大小和重复次数的关键因素。与野外植被相比, 城市生境异质性高, 均匀度低, 因而城市植被样方大小和数量与野外应有差别。由于目前有关的方法论研究较少, 本研究取样数目参考已有的城市植被同类研究。美国科罗拉多州的Front Rage 城区内共设置53个样地测量城市植被(Golubiewski, 2006); 芝加哥(城区面积588 km 2)和纽约(城区面积945 km 2)调查城市乔木时各设立了200个400 m 2的样方(Nowak & Crane, 2002)。本研究在台州市117 km 2建成区中设立了67个400 m 2的乔木样方、105个1 m 2灌丛样方和174个0.125 m 2草坪样方(草坪样方面积参照Kaye et al ., 2005)。利用遥感技术提取建成区主要植被分布信息, 再根据典型性和代表性原则设立乔木、灌木和草坪样方。由于城市人工种植树木分布相对稀疏, 对灌丛和草坪遮阴影响较小, 取样时忽略林下与非林下灌丛、草坪的区别。样地中的园林管理活动的定量数据通过跟踪测量和查阅园林工人工作记录来进行统计分析。

1.3.1 乔木生物量和NPP 测算

乔木的67个样方中共有1 125株树, 测量指标

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主要包括胸径(D )和株高(H )。台州城市乔木主要是本地种, 外来引入树种比例较低, 其中亚热带的典型树种香樟(Cinnamomum camphora )占总数的70%左右。本研究采用香樟人工林的异速生长公式(姚迎九等, 2003)计算其生物量(B cc ), 该人工林同处于亚热带(年降水量1 430 mm, 年平均气温17.4 ℃)且位于城郊, 也有人工管理, 所以对该模型参数不做调整, 碳转化系数取0.5 (Kaye et al ., 2005; Zhang et al ., 2007):

B cc = 0.1754 × (D 2H )0.8199

(1)

本地种秃瓣杜英(Elaeocarpus glabripetalus )、银杏(Ginkgo biloba )、枫香(Liquidambar formosana )和马尾松(Pinus massoniana )等约占城市乔木总数的24%。本研究组已在研究中发现本地常绿阔叶混交林中多个树种地上生物量(B com )很好地符合同一个方程(R 2 = 0.905 3; 刘其霞等, 2005), 这其中包括了台州市城市乔木的6个树种, 在没有其他本地树木生长模型的情况下, 本研究采用该方程计算其他树种的地上生物量:

B com = 0.0946 × (D 2H )0.8666

(2) 整株生物量由地上生物量通过根茎比4.28 (方精云等, 1996)得到。

Nowak (1994)提出, 在利用野外模型计算城市乔木生物量时需乘以0.8作为因子修正。然而该系数在本研究不适用: 1) Nowak (1994)在验证其模型估测的生物量和实际收获得到的生物量时, 使用的异速生长公式多数只包含胸径一个变量, 而没有株高, 而且Nowak (1994)认为城市中开放空地的树木较野外树木矮, 所以用模型估测出的生物量要高于真实生物量。但是本研究中使用的异速生长方程均是基于胸径和株高两个参数, 不会因为城市中乔木的株高较低而使模型存在高估; 2) Nowak (1994)认为城市树木的生物量会因为修剪而减少, 但本研究表明乔木修剪量平均仅占乔木单株生物量的7.5%左右, 修剪还会刺激树木补偿生长(McNaughton, 1979; Stabler, 2008)。此外, McHale 等(2009)在汇总了大量的城市和野外树木异速生长模型后发现, 0.8这个参数并不普遍适用, 需要重新考虑。因此, 本研究在利用野外树木异速生长公式计算城市乔木生物量时, 没有进行系数修正(修正因子为1)。

植被净初级生产力(net primary productivity, NPP )是植被净的碳获取量。野外研究中, 常用树木

生物量年增量(MABI tr )与年凋落量(L tr )和动物采食量(G tr )之和求得树木NPP (NPP tr ) (冯宗炜等, 1999; Zhang et al ., 2007):

NPP tr = MABI tr + L tr + G tr

(3) 采食指通过采食者或者其他方式除去枝叶的过程(Noy -Meir, 1993), 包括人为的园林修剪。由于园林管理, 城市乔木受昆虫和食草动物采食的量较小, 因此在计算城市乔木净初级生产力NPP tr –urban 时, 忽略昆虫和食草动物的采食量而用年修剪量(Pr tr )代替:

NPP tr -urban = MABI tr + L tr + Pr tr

(4)

本研究中的MABI tr 年平均生物量增量通过对样地中101棵样木进行钻芯取样来计算: 从年轮芯上测出树木前一年的胸径, 并通过胸径与株高的线性回归方程得到前一年的树高(Jo & McPherson, 1995), 算得生物量年增量(Nowak & Crane, 2002; Kaye et al ., 2005)。

年凋落量用树木现存叶生物量近似代替。由于香樟叶龄为1年左右, 因而采用香樟人工林的叶生物量公式(姚迎九等, 2003)计算香樟的叶生物量, 也即年凋落量:

L tr = B f = 0.0599 × (D 2H )0.5743

(5)

台州市除香樟外的大部分树种为落叶树, 落叶树的年凋落量采用姚丰平等(2003)的叶生物量占整株生物量比重的8.73%计算。

修剪量的测算过程为: 记录园林工人对样地中乔木的修剪频率, 并在修剪时, 直接收集修剪下来的树叶和枝条, 分株称鲜重。随机抽取其中一部分样品带回实验室于65 , 72℃ h 烘干至恒重后称干重。通过所得含水率将全部鲜重转化为干重, 得乔木的修剪量。

Nowak 和Crane (2002)在美国城市森林的研究中考虑了树木死亡导致的碳释放。然而, 在本调查中没有发现有死树, 因而忽略这部分。 1.3.2 灌丛生物量和NPP 测算

灌丛的105个样方中主要物种有小叶女贞(Ligustrum quihoui )、红花继木(Loropetalum chinense var. rubrum )、杜鹃(Rhododendron simsii )和大叶黄杨(Euonymus japonicas )等。测量其中所有灌丛的冠幅和株高, 并通过收获法分别测量其叶、茎、根的生物量。碳转化系数取0.5。

城市灌木净初级生产力(NPP shr –urban )的计算参

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考公式(3), 由于城市灌木一般都是在苗圃生长到一定大小后移来, 同时有研究发现其他城市灌木的MABI 所占总生产力的比例很小(Herte et al ., 1971), 考虑到城市间的绿化管理和环境的相对趋同(Grimm et al., 2008), 本研究计算灌丛生产力时也仅考虑其凋落量(L shr )和修剪量(Pr shr ):

NPP shr –urban = L shr + Pr shr (6) 灌丛修剪量的测算与乔木的方法相同, 凋落量用灌丛的叶生物量近似代替。 1.3.3 草坪生物量和NPP 的测算

174个草坪样方中的主要物种有狗牙根(Cynodon dactylon )、匍匐剪股颖(Agrostis stolonif- era )、马尼拉结缕草(Zoysia matrella )和草地早熟禾(Poa pratensis )等。在园林工人割草的时候, 用耙子收集割下来的草, 烘干称重, 得到每次的单位面积割草量。生长季结束(11月), 将地上部分收割, 去除死物质, 65 ℃烘至恒重, 称量得到留茬生物量。考虑到草坪草根系较浅(Falk, 1976), 挖25 cm × 25 cm × 30 cm (长×宽×高)的土柱, 带回实验室分拣出根并除去死物质和泥土, 烘干称重, 得到根生物量(Jo & McPherson, 1995)。碳转化系数取0.42 (Kaye et al ., 2005)。

草本植被净初级生产力(NPP ln –urban )包括当年所有的割草量(C ln )和新增生物量(Falk, 1976)。割草量通过前面所述的收集法得到; 新增生物量通过由生长季结束后收集的地上残留生物量(SB ln )和根生物量(RB ln )乘以各自的当年新增生物量比率得到(Golubiewski, 2006), 该比率用其他城市草坪的研究结果近似代替, 分别取0.49和0.42 (Falk, 1976; Golubiewski, 2006):

NPP ln –urban = C ln + 0.49SB ln + 0.42RB ln (7) 1.3.4 建成区植被的碳吸收与碳储存

植被是建成区中主要的碳吸收者(大水体不计算在建成区面积中), 本研究通过乔木、灌木、草坪的NPP 计算出城市中植被每年积累的碳总量(AC uv ), 将其除以建成区面积(A bua )可得整个城市建成区碳吸收速率(CU bua ):

CU bua = AC uv / A bua = (αNPP tr + βNPP shr + γNPP ln ) × A uv / A bua (8) 其中, α、β和γ分别为乔木、灌丛和草坪在样地中所占的面积比例; A uv 是城市植被总面积。在计算时由于常用的卫星影像数据的空间分辨率不能达到所

需的精度要求, 植被区与非植被区的交错地带存在的混合象元使得分类时不能准确确定绿化覆盖边缘等问题, 建成区边缘也难于从遥感影像上确定, 因此选择用年鉴统计的建成区面积和建成区绿化覆盖面积进行计算。

同理, 可计算建成区碳密度(CD bua ):

CD bua = CS uv / A bua = (αB tr + βB shr + γB ln ) × A uv / A bua

(9)

其中, B tr 、B shr 和B ln 分别为乔木生物量、灌丛生物量和草坪生物量, CS uv 为建成区植被总碳储量。

2 结果

2.1 植被空间格局与树木径阶分布

台州建成区中乔木(平均密度为420株·hm –2)在城市植被中所占面积比例约为50%, 灌丛占28%, 草坪为22%。由于城区中大多数乔木是新移植过来的, 因而台州市乔木胸径和株高分布均为偏正态分布, 胸径众数为10–15 cm, 株高众数为5–7 m, 胸径大于40 cm 的乔木仅占总数的1%。又因为城区中大多数乔木都是从苗圃生长到一定大小(>3年)后才移植过来, 因而很少有胸径小于5 cm 或株高小于3 m 的个体(图1)。

2.2 城市植被的碳吸收能力

在台州乔木的NPP 中, 年平均生物量增量、年平均凋落量以及年平均修剪量的固碳量水平相当, 分别为(1.7 ± 0.15) × 103、(2.1 ± 0.25) × 103和(1.8 ± 0.15) × 103 kg C ·hm –2·a –1。灌丛的年平均凋落量固碳是年平均修剪量固碳的7倍, 分别为(0.7 ± 0.25) × 103和(0.1 ± 0.01) × 103 kg C ·hm –2·a –1。草坪年均生物量现存量高于年均修剪量(年平均割草量), 分别为(1.6 ± 0.42) × 103、

(0.7 ± 0.25) × 103 kg C ·hm –2·a –1 (图2A)。城市植被的年固碳量为23 949.9 × 103 kg C, 其中树木贡献了64%, 草坪贡献了27%, 灌木贡献了9%。整个建成区的碳吸收能力为2.1 × 103 kg C ·hm –2·a –1。

2.3 城市植被的碳储量

样方中, 乔木的生物量为(24.8 ± 2.9) × 103 kg C ·hm –2, 灌丛的生物量为(5.7 ± 1.9) × 103 kg C ·hm –2, 草坪的生物量为(4.4 ± 1.1) × 103 kg C ·hm –2 (图2B)。台州建成区植被总碳储量为91 763.1 × 103 kg C, 其中乔木总碳储量为66 467.7 × 103 kg C, 约是灌丛(15 338.7 × 103 kg C)与草坪(9 956.7 × 103 kg C)碳

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图1 城市乔木的胸径(A )和株高(B )分布。

Fig. 1 Size distribution of urban trees. A, Diameter at breast height. B, Inpidual height.

储量之和的2.6倍。整个建成区的植被碳储存为(7.8 ± 1.3) × 103 kg C ·hm –2。

3 讨论

3.1 城市环境和管理对乔木的影响

台州城市乔木基本上都是本地种, 林龄集中在15–30年之间, 单株树的MABI (4.0 kg ·a –1)比野外常绿阔叶林(平均林龄26年, 林分密度1 258株·hm –2)的单株MABI (2.2 kg ·a –1, Zhang et al ., 2007)高出近1倍。这一结果与纽约城市中白杨(Populus deltoides )幼苗或芝加哥的阔叶树(增长速度高出野外1倍)的相同(Jo & McPherson, 1995; Gregg et al ., 2003)。有许多研究认为, 城市树木生长速度快的原因是城市环境, 如热岛效应、CO 2施肥效应或城市外的臭氧抑制(Gregg et al ., 2003; Zhou et al ., 2004; Niinemets & Penuelas, 2007), 也有研究认为是园林管理造成的(Rhoades & Stipes, 1999; Golubiewski, 2006; Stabler, 2008)。在台州, 城市树木在其生长过程中, 除了比野外有更大的生长空间外,

还受一系列园林管理措

图2 城市植被中乔木、灌木和草坪的生产力(A )和生物量(B )(平均值±标准误差)。草坪的径向增长一栏代表其新增生物量。

Fig. 2 Net primary productivity (A ) and biomass (B ) of trees, shrubs and lawns within urban vegetations (means ± SE ). Bar of lawn mean annual biomass increment (MABI ) means new growth of lawn biomass.

施的影响(表1), 如浇水和施肥供给其额外的营养和水分, 杀虫剂和灭菌剂的使用保护植物免受虫食。防树木倾倒、遮阴防太阳灼伤或排水防水淹等, 这些措施减轻了环境对植物的胁迫, 增强了植物的抗逆能力, 并促进了城市中植物的存活和生长。

尽管修剪造成的叶片损伤或缺失会影响植物的光合作用, 但根据“放牧优化假说”, 适当的采食不仅不会降低植物生长, 反而会刺激植物的生长, 从而提高其生产力和生物量(McNaughton, 1979)。关键是去叶刺激的程度, 例如去叶的面积占总叶面积的比例、水分和营养的供给, 去叶的时间以及去叶的频率和强度等是否适当(Nor -Meir, 1993)。已有实测研究表明, 香樟、马尾松以及榕树(Ficus mi-crocarpa )、欧洲夹竹桃(Nerium oleander )、墨西哥合欢(Prosopis juliflora )和黄葛榕(F . virens var. sub-lanceolata )等, 可以在对其树冠进行25%甚至更多

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的修剪后进行补偿生长(Bo, 2003; Elfadl & Luuk-kanen, 2003; Stabler, 2008)。在台州市, 出于美观和安全(防大风和台风)的目的, 乔木一般每年修剪2–4次, 总修剪量通常小于冠幅生物量的25%。根据我们观察, 园林修剪时往往具有选择性, 同化能力较弱的老残枝叶被修剪的比例较高。此外, 主要的一次修剪是在11月中旬开始进行, 此时光合作用相对较低。因此, 修剪对乔木的生物量年增长的负面影响较小。当然, 修剪会减少可凋落的枝叶, 目前对这种影响的研究仍较少(Parkinson et al ., 1999)。

一般认为, 树木修剪去掉大量枝叶会影响树木正常的凋落。然而, 对美国印第安纳河流域的红树林的研究发现, 如果以一年为周期, 选择性修剪并不影响植物的凋落量(Parkinson et al ., 1999)。目前, 在城市中测定凋落物的方法尚未建立, 因为野外用

的收集器在街道或者公园这种公共的场合易受到人为破坏。在这种情况下, 我们用叶生物量近似代替凋落量, 一方面可能因凋落叶生物量与修剪叶生物量的重叠而造成高估, 另一方面也会因忽略凋落枝条量造成对枝条修剪后的枝条凋落量的低估。但在没有更好的办法的情况下, 可以采用本折衷方法。

3.2 城市环境和管理对草坪的影响

人类偏好的相似使得草坪的管理方法和物种组成在全世界的城市间具有趋同性(Grimm et al ., 2008)。本研究的结果表明, 台州草坪的物种组成与地处干旱地区的美国科罗拉多州的Front range 相似(Golubiewski, 2006), 生物量和生产力也均落在前人关于城市草坪的研究结果范围内(表2)。在我们查找到的研究案例中, 城市草坪的生物量和生产力与

表1 样地园林管理情况

Table 1 Management regimes in study site

管理措施 Management regime 乔木 Tree

灌木 Shrub

草坪 Lawn

遮阴

Sun shielding 抵挡太阳暴晒 When sun is drying

抵挡太阳暴晒

When sun is drying

排水 Drainage 暴雨之后及时排水 After heavy rain

暴雨之后及时排水 After heavy rain 暴雨之后及时排水 After heavy rain 施肥

Fertilization 仅对新植小树施肥 When newly transplanted 仅对新植灌丛施肥 When newly transplanted 每年2–4次, 主要在春天施撒 2–4 times mainly in spring

固定 Fixation 台风来临前 Before typhoon – – 浇水 Irrigation 仅有少量几次, 主要在夏季 Few times a year and mainly in summer

比树木浇水频繁, 主要在夏季 More frequence than trees and mainly in summer

最为频繁, 主要在夏季

The most frequence and mainly in summer 修剪(割草) Pruning (mowing) 每年2–4次, 主要在秋冬季 2–4 times a year and mainly in spring and autumn 每年4–8次, 主要在生长季 4–8 times a year and mainly in spring and autumn

每年2–12次, 主要在生长季

2–12 times a year and mainly in spring and autumn

除虫 Anti -pest

在早春或夏季 In early spring and occasionally in summer

在早春或夏季 In early spring and occasionally in summer

在早春或夏季

In early spring and occasionally in summer

表2 不同气候条件下的5个城市的草坪地上部分生产力(平均值±标准误)

Table 2 Aboveground biomass and NPP (net primary productivity) of lawns and climate conditions among five cities (mean ± SE )

城市 City

年平均降水量 Annual average precipitation (mm) 年平均气温 Annual average temperature (oC) 地上生物量

Aboveground biomass (× 103 kg C·hm –2 ) 地上生产力

Aboveground NPP (× 103 kg C·hm –2·a –1) 来源 Source 中国台州

Taizhou, China 美国沃纳德克里克 Walnut creek, USA 510 8 0.5 1.0

Falk, 1976

美国柯林堡 Fort Collin, USA 385 9 – 1.75 Kaye et al ., 2005 美国芝加哥 Chicago, USA 965 15 0.81 0.4 Jo & McPherson,

1995

美国弗朗特里戈 Front range, USA

350

9

1.3 ± 0.1

2.2 ± 0.2

Golubiewski, 2006

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doi: 10.3773/j.issn.1005-264x.2010.06.004

城市的年平均降水或年平均气温并无相关性。这支持了Kaye 等(2005)认为的城市土地利用对草地生产力和生物量的影响可能大于气候因素对其影响的观点。

3.3 城市内凋落物和修剪物对长期碳汇的贡献

自然生态系统中植被的凋落部分和被啃食部分的碳一般会在3年甚至更短的时间中基本释放。然而, 城区绿色垃圾(包括凋落物和修剪物)却有着不同的命运——被运到垃圾填埋场深埋, 或者做成合成板材。填埋的绿色垃圾中有30%–50%的碳会被长期固存(Barlaz, 1998), 而制作家具的木块中的碳则可以被固存更长的时间。因此, 城市中的凋落物和修剪物比自然生态系统中的凋落物对碳汇的贡献更大。

3.4 城市碳吸收能力的降低与补偿的可能性

城市化导致不透水地面的比例增加, 植被覆盖率降低, 从而影响该区域的碳吸收能力(Imhoff et al ., 2000; Milesi et al ., 2003)。但是城市中植物的快速生长却能够补偿城市土地占用造成的吸碳能力的损失。在干旱、半干旱地区由于野外植被生产力低, 城市植被的地上生产力可以达到当地野外植被(矮草草原)的5倍之多(Kaye et al ., 2005)。可以推算, 如果该地区城市植被的覆盖率能达到野外的1/5, 就可以使单位面积的城市用地的碳吸收能力与当地野外植被相同。而在湿润地区, 由于野外植被生产力高, 因此虽然城市中植物的生长也高于野外, 但城市内外差异没有干旱、半干旱地区的城市明显(表3)。

然而, 由于城市土地占用而导致的碳吸收损失

可以通过提高城市绿化覆盖率来补偿(Jo, 2002; Shochat et al ., 2006)。Fuller 和Gaston (2009)在关于欧洲386个城市的研究中发现, 城市绿化覆盖面积的增长速度要大于城区面积的增长速度, 使得城市绿化覆盖率不断提升。与此趋势相同, 伴随着台州市建成区面积的扩张, 台州市建成区绿化覆盖面积从406 hm 2增长到2 691 hm 2, 绿化覆盖率从原来的10%增长到23% (图3)。假设城市植被结构和园林管理不变, 随着台州建成区绿化覆盖率的不断提升, 其碳吸收能力可以达到甚至超过野外森林的碳吸收水平(表3)。当台州市建成区的绿化覆盖率提高至46%时, 其碳吸收能力就可以与该地区潜在植被 ——常绿阔叶林持平。这意味着, 虽然城市占用了原属于植被的土地, 但由于管理和干扰增大了城市内植被的NPP , 如果台州建成区内达到46%的绿化覆盖率, 就能补偿相对自然生态系统损失的碳吸收能力。事实上, 要达到这一覆盖率也是有可能的, 在中国东南部, 很多城市的建成区绿化覆盖率都已经达到甚至超过了这个数值, 如南京(46%)、连云港(65%)等(中国统计局, 1996–2008)。此外, 考虑到随着树木的生长, 从幼年期到成年期的NPP 会提高(Barnes et al ., 1998), 因而在未来30–50年里达到补偿所需的绿化覆盖率会低于现在所需的绿化覆盖率。

在干旱、半干旱地区, 由于城市中的乔木显著多于野外自然植被类型——草原生态系统, 因而城市中的植被生物量密度也几倍甚至十几倍于野外(Golubiewski, 2006), 这使得城市中储碳能力的损失得到了缓解或补偿。而在湿润地区, 野外植被以储碳能力很高的森林为主, 城市中增加任何构建植

表3 台州建成区达到本地森林的碳吸收所需覆盖率

Table 3 Carbon storage and sequestration of Taizhou built -up area and natural forest in southeast China and the compensation cov-erage by urban vegetation

生态系统 Ecosystem

碳储存

Carbon storage (× 103 kg C·hm –2)

碳吸收 Carbon sequestration (× 103 kgC·hm –2·a –1) 补偿覆盖率 Compensated coverage (%)

台州建成区 Taizhou built -up area 7.8**常绿阔叶林 Evergreen broad -leaved forest

44.6 a 4.2a 46 针阔混交林 Coniferous and broad -leaved mixed forest 35.0 a 3.3 a 36 12.5 b 2.2b 24 马尾松林 Pinus massoniana forest 25.6 a 2.5 a 27 20.0 b 2.2b 24 杉木林 Cunninghamia lanceolata forest

26.8 a 2.3 a 25

*, this study. a, Zhang et al ., 2007; b, Zhao & Zhou, 2005.

658 植物生态学报Chinese Journal of Plant Ecology 2010, 34 (6): 651–660

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图3 1995–2007年台州建成区面积和建成区绿化覆盖面积以及绿化覆盖率(中国统计局1996–2008)。

Fig. 3 Dynamic of the built up area and greenspace area in Taizhou City from 1995 to 2007 (China Statistical Bureau, 1996– 2008).

表4 不同气候带17个城市的城市森林的碳吸收(平均值±标准误差)

Table 4 Carbon sequestration of urban forest for 17 cities among the climate zones (mean ± SE )

城市 City

位置 Location

年平均降水 Mean annual precipitation (mm) 年平均气温Mean annual temperature (°C) 碳吸收 Carbon sequestration (× 103 kg C·hm –2·a –1)

来源 Source 中国台州 Taizhou, China 28°50′ N, 120°34′ E 1 521 17.1 0.90 ± 0.09* This study 美国亚特兰大 Atlanta, USA 33°46′ N, 84°25′ W 1 220 7.2 0.94 ± 0.13 Nowak & Crane, 2002 美国巴尔地摩 Baltimore, USA 39°17′ N, 76°39′ W 1 080 12.6 0.52 ± 0.07 Nowak & Crane, 2002 美国锡拉丘兹 Syracuse, USA 43°03′ N, 76°08′ W 984 8.7 0.54 ± 0.07 Nowak & Crane, 2002 美国波士顿 Boston, USA 42°21′ N, 71°03′ W 1 092 10.9 0.49 ± 0.06 Nowak & Crane, 2002 美国纽约 NewYork, USA 40°45′ N, 73°59′ W 1 262 8.7 0.26 ± 0.06 Nowak & Crane, 2002 美国新泽西 JerseyCity, USA 40°43′ N, 74°04′ W 1 016 11.0 0.15 ± 0.03 Nowak & Crane, 2002 美国费城 Philadelphia, USA 39°57′ N, 75°09′ W 1 068 12.9 0.31 ± 0.04 Nowak & Crane, 2002 美国芝加哥 Chicago, USA 41°54′ N, 87°39′ W 965 13.7 0.48 Nowak, 1994 韩国中浪 Junglang, Korea 36°43′ N, 126°58′ E 1 312 12.5 0.80 ± 0.12 Jo, 2002 韩国江南 Kangnam, Korea 37°30′ N, 127°02′ E 1 312 12.5 0.53 ± 0.06 Jo, 2002 韩国春川 Chuncheon, Korea 37°28′ N, 127°37′ E 1 217 11.0 0.56 ± 0.08 Jo, 2002 韩国江陵 Kangleung, Korea

37°47′ N, 128°40′ E

1 327

13.2

0.71 ± 0.10

Jo, 2002

*, 不考虑灌木和草坪, 而且乔木的净初级生产力只包括生物量年增量和凋落量, 凋落量用的是未发表的本地野外森林凋落量的数据。

*, No shrubs or lawns are included. Moreover, tree NPP (net primary productivity) only includes mean annual biomass increment and litter fall, the latter are using unpublished data of local forest litters instead.

被都难以补偿土地利用方式改变造成的储碳能力的损失。以台州目前的23%的建成区绿化覆盖率,碳密度仅为7.6 × 103 kg C ·hm –2计算, 即使绿化覆盖率达到100%, 建成区碳密度也仅能达到33.0 × 103 kg C ·hm –2, 因而仅靠绿化覆盖率的提高, 无法使建成区储碳能力达到野外常绿阔叶林水平。

3.5 城市植被碳储存的降低

城市中乔木的储碳能力是整个城市植被储碳的主要部分。乔木中的大树(胸径大于73 cm)对碳储量的贡献是小树(胸径小于4 cm)的1 000倍甚至更多(Nowak & Crane, 2002)。这表明相同数量的幼树要比老树对碳储存的贡献低很多。在台州市, 由于多

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数植被为人工建设, 少有历史遗留, 因而大树的比例很低, 胸径大于40 cm 的乔木仅占乔木总数的1%。虽然灌木和草坪对建成区植被碳储存也有一定贡献, 但与乔木相比, 草本植物固定下来的大部分碳并不能长期积累; 灌丛由于受到严格的形体控制(修剪), 其径向增粗并不明显, 因而其固碳量随时间的增长也不大。因此, 台州这个年轻城市的植被碳储量(7.6 × 103 kg C ·hm –2)显著小于野外年轻的森林(44.6 × 103 kg C ·hm –2; Zhang et al ., 2007)。 3.6 估测的误差分析

以往对城市植被生产力的研究中并没有把修剪量计算在乔木的NPP 中(Nowak, 1994; Nowak & Crane, 2002; Kaye et al ., 2005), 本研究如果也不将修剪量考虑在内(如Kaye et al ., 2005), 则估算得到的乔木NPP 也是在前人研究结果范围内(表4)。但本研究通过将修剪量计算在乔木的NPP 中发现, 修剪量在乔木的NPP 中比例很大, 约30% (图2A), 在对NPP 的研究中, 不考虑乔木的修剪可能会明显低估城市乔木的NPP 。因此, 虽然本研究对修剪量的测量和凋落量的估算存在一定重叠, 给乔木NPP 的计算带来不确定性, 但相比前人计算城市乔木NPP 时不考虑修剪量而造成对结果的低估, 本研究的方法更为合理。当然城市内乔木修剪量的估算方法还需要进一步通过实验数据修正和改进。

4 结论

本研究通过实地调查及相关方法计算, 得到湿润地区建成区内外植被碳吸收能力的差异不如干旱地区城市内外植被碳吸收能力差异显著, 但在中国东南部城市植被现有的细致管理下, 适当提高城市绿化覆盖率也能够补偿城市因土地利用方式改变而损失的碳吸收能力, 但无法补偿建成区植被储碳能力的损失。同时, 本研究也为城市规划者提供了城市地区达到碳平衡的最低绿化覆盖率, 并为政府以及决策者在城市碳管理上提供了参考。 致谢 国家自然科学基金(30970281)和杭州市科技局重大科技创新项目(20092113A05)资助。 参考文献

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责任编委: 周广胜 实习编辑: 黄祥忠

城市土地利用是否会降低区域碳吸收能力?——台州市案例研究

作者：温家石， 葛滢， 焦荔， 邓志平， 彭长辉， 常杰， WEN Jia-Shi， GE Ying， JIAO Li， DENG Zhi-Ping ， PENG Chang-Hui， CHANG Jie

作者单位：温家石,葛滢,常杰,WEN Jia-Shi,GE Ying,CHANG Jie(浙江大学生命科学学院,杭州,310058)， 焦荔,JIAO Li(杭州市环境监测总站,杭州,310007)， 邓志平,DENG Zhi-Ping(杭州植物园,杭州,310013)， 彭长辉,PENG

Chang-Hui(ECO-MCS Lab,Institute of Environment Sciences,University of Quebec at Montreal

(UQAM),Montreal,H3C 3P8,Canada)

刊名：

植物生态学报

英文刊名：CHINESE JOURNAL OF PLANT ECOLOGY

年，卷(期)：2010,34(6)

被引用次数：7次

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7.陈文婧.李春义.何桂梅.王小平.查天山.贾昕北京奥林匹克森林公园绿地碳交换动态及其环境控制因子[期刊论文]-生态学报

2013(20)

引用本文格式：温家石.葛滢.焦荔.邓志平.彭长辉.常杰.WEN Jia-Shi.GE Ying.JIAO Li.DENG Zhi-Ping.PENG Chang-Hui.CHANG Jie城市土地利用是否会降低区域碳吸收能力?——台州市案例研究[期刊论文]-植物生态学报 2010(6)

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