浙江省高速公路沿线乔木碳储量研究

沈云龙，高 波，金仲秋，郭克俭，杨国福，史 琰 ，葛 滢 ，常 杰

（1.浙江省交通工程建设集团，浙江 杭州 310000；2.浙江交通职业技术学院，浙江 杭州 311112；3.浙江大学生命科学学院，浙江 杭州 310058）

近年来，浙江省高速公路快速发展，交通网络基本形成。至2010年底，浙江省共有国家级高速公路13条，省级高速公路23条，总里程达到3 383 km[1]。预计到“十二五”期末，全省高速公路将达到4 200 km。大量公路的建设促进了浙江省经济的发展，有利于城市的通达性和城市地域面积的扩张[2～3]。但由于缺少对沿线生态环境的足够重视，公路建设过程中产生的环境问题不断凸显。虽然在公路建设所占有的土地面积比例很小，但是其生态影响区域很大，这种生态影响区域占中国总面积的13.87%。因而，道路对环境质量都有非常重要的影响。尽管道路所占有的空间很少，但是道路沿线植被可提供相当大的收益来抵消或补偿人类活动所造成的生态负面影响[7～8]。

当前道路对陆地生态系统及水生态系统产生重要影响已经得到广泛的重视[3,9]。然而大部分研究主要集中在道路建设对周边自然环境的影响[10～11]，虽然也有一些研究将碳储量作为公路建设生态影响评价的定量指标进行探讨[12]，但很少有人对整个区域道路沿线植被的碳储量进行分析。

本文在实地调查的基础上，结合GIS及RS数据对浙江省高速公路沿线乔木的碳储量进行估算，比较高速公路沿线不同土地覆盖类别对乔木碳密度的影响，并通过与其它研究区域相比较，说明高速公路沿线植被具有相当大的碳积累潜力。

1 研究区域概况

浙江省位于长江三角洲下游，地理范围为 27º 06′ ～ 31º 31′ N，118º 01′ ～ 123º 10′ E，国土面积 101 800 km2。地处中国亚热带湿润气候区，年均降水量1 000 ～ 2 000 mm，年均气温15.3 ～ 18.5℃。

2 研究方法

2.1 样点设置、观测及数据搜集

浙江省横跨区域范围很广，地形地貌、气候条件、土壤及植被等生态、环境因子变化复杂，因而高速公路用地存在很大的异质性。本文选取长深高速公路、常台高速公路、沈海高速、沪渝高速公路、杭甬高速公路及台金高速公路这六条高速公路作为代表，其中长深高速、常台高速及沈海高速从北向南横跨浙江省的西部、中部及东部地区，沪渝高速、杭甬和台金高速沿东西方向分布在浙江省的北部、中部及南部，因而这六条高速公路沿线的植被信息能够很好的代表整个浙江省高速公路两侧植被的整体状况。

由于高速公路用地的异质性，因而设计时要分段、分立地条件进行。高速公路绿化设计与公路两旁的环境条件相结合，同时高速公路用地的树种选择与周围环境相协调[13～14]，因而高速公路土地覆盖类型会对高速公路用地的植被碳密度产生重要影响。基于1：4 000 000卫星遥感图片，依照 Morgan[15]的分类方法及实际的土地覆盖状况，将高速公路两侧用地划分为5种土地覆盖类型：农田、湿地、森林、村镇和裸土。基于遥感影像，利用GIS随机布点的功能，在1 530 km的高速公路沿线随机选取196个样点，其中每种土地覆盖类型沿线高速公路乔木林的样点数如表1。

使用航空图片及手持GPS仪进行样点定位。根据Rentch等人[16]的样方设定方法，确定沿着高速公路伸展方向的20 m宽的样方，并选取最短及最长的切面分别是5 m及40 m，切面与高速公路垂直，并从沿着高速公路方向的植被边缘开始取样，这些植被可能是自然生长的，也可能是人工种植的，依照植被结构的变化确定切面的长度；测量20 m宽的样地中胸径大于5 cm（DBH离地面1.3 m处）的所有乔木的种名（Species）、胸径（DBH）、株高（Height）和每种树的株数。

表1 高速公路沿线土地覆盖类型和样点分布情况Table1 Land cover types and distribution of sample plots along highway

2.2 乔木生物量和碳储量的计算方法

通过文献对比，可以得到适合于不同地区的各乔木树种生物量异速生长方程，并根据降水、海拔、温度、经纬度等指标尽可能相似的原则，筛选出适合本地区的乔木生物量异速生长方程（表2）。如果没有树种专一性的生物量方程，可以使用同科或属的异速生长方程替代，在特殊情况下，使用硬木和软木的生物量方程计算。乔木碳储量以生物量乘以碳转化系数获得，其中碳转化系数使用国际统一标准0.5[30～31]。

表2 主要树种的生物量异速生长方程Table2 Allometric equations for biomass of main tree species

高速公路沿线乔木林的碳密度指单位面积的碳储量，即乔木林的碳储量除以乔木林的面积。高速公路沿线乔木林碳储量计算公式：

式中：C指高速公路沿线乔木林的碳储量，Bij为第i种土地覆盖类别沿线乔木林中第j个树种的平均生物量，Ai为第i种土地覆盖类别沿线乔木林的面积，Di为第i种土地覆盖类别沿线乔木的密度，Pij为第i种土地覆盖类别沿线乔木林中第j个树种占总乔木株树的比例，m为土地覆盖类别数，n为树种数。

2.3 乔木林碳储量的分析方法

使用SAS软件进行ANOVA方差分析及Tukey多重比较，评估不同土地利用类别对高速公路沿线乔木林碳密度的影响。

3 结果与分析

3.1 高速公路沿线树种调查

浙江省高速公路两侧的土地中99%以上的土地为农田、森林、村镇和湿地四种土地类型所覆盖，裸土只占很少的一部分，其中，47.15%由农田构成，森林及村镇分别占24.45%和19.62%，另外的8.59%是湿地。

调查了3 101棵乔木，40个树种，其中14个树种只在一个样方中出现（表3）。香樟（17.56%）、杨树（15.63%）、夹竹桃（11.52%）和湿地松（8.84%）约占总乔木株树的 53.55%。杜英、构树、红叶李、夹竹桃、柳树、栾树、湿地松、水杉、香樟、雪松、杨树和紫薇12种乔木在高速公路沿线广泛存在（表3）。

3.2 高速公路沿线乔木林的碳储量分析

浙江省高速公路沿线乔木林的总碳储量为149 780.99 t C，碳密度为2.40 kg C/m2。其中，82%（842 435.41 t）的碳储量储存在沿线农田及村镇的高速公路乔木林中。另外的13 854.84 t储存于沿线为森林的高速公路乔木林中，剩下的8.79 %（13 160.02 t）储存在毗邻湿地的乔木林中。森林和村镇间乔木林碳密度存在显著性差异（表4）。

由图1可知，乔木的胸径范围是5.0 ～ 39.5 cm（平均胸径11.91 cm）。在所有调查的样方内，有442棵胸径超过20 cm的乔木的碳储量（93 331.45 kg）远高于胸径低于10 cm的1 700棵乔木（11 597.88 kg）的碳储量。

表3 树种随土地覆盖类型的分布Table3 Tree species in sample plots and their land cover types

表4 高速公路沿线乔木林的碳密度和碳储量在不同土地覆盖类型的分布Table4 Carbon density and storage of trees and their land cover types

图1 乔木株数和碳储量随胸径的变化Figure1 Tree numbers and their changes of carbon storage with DBH

4 讨论

储存在植被中的碳储量作为一项生态系统服务功能，已经成为气候变化减缓政策的一个非常重要的方面，因此，碳储量的精确估测也越来越受到人们关注[32～33]。但是由于实验方法的有偏性与样方调查的局限性，只能得到接近真实值的估测值。

本文中，乔木林碳储量的估计误差是由于取样误差引起的，并受到乔木异速生长方程的影响。在选择生物量异速生长方程时，虽然考虑了降水、海拔、温度、经纬度等尽可能相似的原则，但是由于乔木生长在高速公路沿线，道路附近CO2及N浓度及化学药品可能会促进或抑制其生长[9,34]，这会对乔木异速生长方程的使用产生影响，因此在计算时不可避免的会造成一定的偏差。同时由于在计算高速公路沿线乔木的生物量时，利用单一的异速生长方程计算树种所有胸径范围的生物量，没有将适应于不同胸径、株高的生物量异速生长方程结合在一起使用，因而，这也可能造成生物量的偏差。

沿线为森林的高速公路乔木林的碳密度明显低于两侧为村镇的高速公路乔木林，因为前者的乔木密度低于后者，而且后者的乔木拥有更大的生物量（表4）。因此，如果将沿线为森林的高速公路乔木林的乔木密度增加至0.1株/m2，就能额外固定23 590 t C（在单株乔木碳储量不变的情况下），这相当于增加了高速公路沿线区域现有乔木的15.75%的碳储量。如果交通局能够采取这种树木种植方案，就可以保证长期的净碳储量，并将维持或减小潜在的负面影响（例如：由于树木遮挡所引起的安全疑虑）。

浙江省高速公路沿线乔木林的平均碳密度比杭州市野外森林及浙江省生态公益林的植被碳密度低（表5），这是因为浙江省高速公路建成时间比较短，乔木的平均胸径较小，并且呈左偏分布（图1）。但浙江省高速公路沿线乔木林的平均碳密度高于城市森林的碳密度，这是因为高速公路沿线乔木林具有比城市地区更高的乔木密度[35]，并且其生长条件较城市地区更加优越，因而高速公路沿线森林比城市森林在碳储存方面更有优势。高速公路沿线森林离成熟状态还相差很远，如果这些森林达到成熟林的状态，将吸收更多的CO2，在碳累积上有更大的潜力。

需要从各个方面增汇减排。本研究表明浙江省高速公路沿线乔木林以幼龄林为主，远低于成熟状态，若这些森林达到国家成熟林的平均水平（50 t C/hm2），将储存更多的CO2，更具增汇潜力。因而高速公路沿线植被的管理可以作为继替代能源及城市森林管理及野外森林管理之后的另一种非常有效的CO2减排策略。

表5 高速公路沿线乔木林与野外森林和城市森林碳密度的比较Table5 Comparison on carbon density between trees along highway and urban and wild forest

[1]浙江省统计局.浙江省统计年鉴2011[M].北京：中国统计出版社，2011.

[2]Li S M, Shum Y M.Impacts of the National Trunk Highway System on accessibility in China[J].J Transp Geog, 2001（9）：39－48.

[3]Forman R T T, Sperling D, Bissonette J A,et al.Road ecology: science and solution[M].Washington, DC: Island Press, 2003.

[4]李双成，许月卿，周巧富，等.中国道路网与生态系统破碎化关系统计分析[J].地理科学进展，2004（5）：78－85.

[5]Forman R T T.Estimate of the area affected ecologically by the road system in the United States[J].Conser Bioly, 2000（14）：31－35.

[6]Forman R T.Horizontal processes, roads, suburbs, societal objectives, and landscape ecology[A].Landscape ecological analysis: Issues and applications, 1999.35－53.

[7]Forman R T, Alexander L E.Roads and their major ecological effects[J].Ann Rev Ecol Sys, 1998（29）：207－231.

[8]Trammell T L E.The forgotten forest: ecosystem structure, function and services of forested verges along interstates in Louisville, KY[D].University of Louisville, 2010.

[9]) Trombulak S C, Frissel C A.Review of ecological effects of roads on terrestrial and aquatic communities[J].Conser Biol, 2000, 14（1）：18－30.

[10]Gelbard J L, and Belnap J.Roads as Conduits for Exotic Plant Invasions in a Semiarid Landscape[J].Conser Biol, 2003, 17（2）：420－432.

[11]William J M, John W D.Thinking big with whole-ecosystem studies and ecosystem restoration-a legacy of H.T.Odum[J].Ecol Mod,2004, 178（1-2）：133－135.

[12]Huang R Y, Yeh C H.Development of an assessment framework for green highway construction[J].J Chin Ins Eng,2008, 31（4）：573－585.

[13]常凤云.高速公路区域生态景观规划设计研究——以十天高速（安康—汉中段）为例[D].杨陵：西北农业科技大学，2010.

[14]徐文君，王树海，韩毅.高速公路绿化设计探讨[J].林业资源管理，2001（4）：31－35.

[15]Morgan E F, Brondizio E, Mausel P,et al.Integrating Amazonian Vegetation, Land－Use, and Satellite Data [J].Bioscience, 1994（44）：329－338.

[16]Rentch J S, Fortney R H, Stephenson S L,et al.Vegetation-site relationships of roadside plant communities in West Virginia, USA[J].J Appl Ecol, 2005（42）：129－138.

[17]姚迎九，康文星，田大伦.18年生樟树人工林生物量的结构与分布[J].中南林业大学学报，2003，23（1）：1－5.

[18]李建华，李春静，彭世揆.杨树人工林生物量估计方法与应用[J].南京林业大学学报（自然科学版）：2007，31（4）：37－40.

[19]杨桦，詹有生，曾志光，等.吉水三种造林模式林分生物量及生长量研究[J].江西农业大学学报，2004，26（2）：164－168.

[20]高智慧，蒋国洪，邢爱金，等.浙北平原水杉人工林生物量的研究[J].植物生态学与地植物学学报, 1992，16（1）：64－71.

[21]昊守蓉，杨惠强，蓉朱炜，等.马尾松林生物量及其结构的研究[J].福建林业科技，1999，26（1）：18－21.

[22]Nordh N E, Verwijst T.Above-ground biomass assessments and first cutting cycle production in willow (Salixsp.) coppice-a comparison between destructive and non－destructive methods [J].Biom Bioener, 2004（27）：1－8.

[23]陈启瑺.青冈林生产力研究[M].杭州：杭州大学出版社，1994.

[24]贺红早，黄丽华，段旭，等.贵阳二环林带主要树种生物量研究[J].贵州科学，2007，25（3）：33－39.

[25]Ter-Mikaelian M T, Korzukhin M D.Biomass equations for sixty-five North American tree species [J].For Ecol Manag, 1997（97）：1－24.

[26]杨修，吴刚，黄冬梅，等.兰考泡桐生物量积累规律的定量研究[J].应用生态学报，1999，10（2）：143－146.

[27]魏媛，喻理飞，张金池.喀斯特地区不同干扰条件下构树萌株种群生物量构成[J].南京林业大学学报（自然科学版），2007，31（1）：123－127.

[28]Jo H K, McPherson E G.Carbon storage and flux in urban residential greenspace [J].J Envir Manag, 1995（45）：109－133.

[29]Jo H K.Impacts of urban greenspace on offsetting carbon emissions for middle Korea [J].J Envir Manag, 2002（64）：115－126.

[30]Kaye J P, Mcculley R L, Burke I C.Carbon fluxes, nitrogen cycling and soil microorganisms in adjacent urban, native and agricultural ecosystems [J].Glob Chan Biol, 2005（11）：575－587.

[31]Hutyra L R, Yoon B, Alberti M.Terrestrial carbon stocks across a gradient of urbanization: A study of the Seattle, WA region [J].Glob Chan Biol, 2011, 17（2）：783－797.

[32]Schimel D.Terrestrial ecosystems and the carbon cycle [J].Glob Chan Biol, 1995（1）：77－91.

[33]Davies Z G, Edmondson J L, Heinemeyer A,et al.Mapping an urban ecosystem service: quantifying above-ground carbon storage at a city-wide scale [J].J Appl Ecol, 2011（48）：1 125－1 134.

[34]Gilbert N L, Woodhouse S, Stieb D M,et al.Ambient nitrogen dioxide and distance from a major highway [J].Sci Total Envir, 2003（312）：43

－46.

[35]温家石，葛滢，焦荔，等.城市土地利用是否会降低区域碳吸收能力？[J].植物生态学报，2010，34（6）：651－660.

[36]Zhao M, Kong Z H, Escobedo F J,et al.Impacts of urban forests on offsetting carbon emissions from industrial energy use in Hangzhou, China[J].J Environ Manag, 2010（91）：807－813.

[37]张骏，袁位高，葛滢，等.浙江省生态公益林碳储量和固碳现状及潜力[J].生态学报，2010，30（14）：3 839－3 848.