高速公路路域植被固碳量分析研究

龙圣勇，申家成，赵 红，董焕焕

(江西省交通科学研究院，江西 南昌 330200)

1 前 言

随着经济发展，全球温室效应日益严重，二氧化碳排放增加导致的全球气候变暖是当前国际社会最为关注的问题之一。从世界范围内看，二氧化碳主要来源于能源、交通和建筑领域等行业的排放。其中交通运输行业是全球第二大温室气体排放来源，占全球总温室气体排放的14%[1]。从1990年到2008年间，我国交通行业碳排放总量增速高达227.4%[2]。而在我国交通行业当中，高速公路运输占据了主要部分，根据交通运输部统计数据，2019年高速公路货物运输量172万t，占交通行业总货物运输量的59%。因此，控制和减少高速公路使用期间的碳排放是缓解我国碳排放的关键。

高速公路路域植被通过光合作用吸收空气中CO2从而达到固碳作用，进而降低高速公路运营期的碳排放。相比于减少交通行业碳排放，增加高速公路路域植被的固碳量更加经济可行。因此，对高速公路路域植被固碳量进行定量化估算和对植被品种的进行选择对增加路域固碳量显得尤为重要，而当前高速公路碳足迹过程中对路域植被碳抵消作用方面的研究较为缺乏。以江西省昌樟高速公路为研究对象，对路域植被固碳量进行定量化估算，分析各植被固碳能力，为江西省其他高速公路植被的选择提供参考，为绿色公路的建设提供理论依据。

2 高速公路概况

2.1 高速公路工程概况

选取江西省昌樟高速为研究对象。昌樟高速公路起点位于南昌市新建区省庄，途径丰城市、高安市和樟树市，终点位于樟树市昌傅镇，道路全长103.4 km。其中南昌至胡家坊段长70.4 km，胡家坊至昌傅镇段是昌樟高速公路的南延工程，长33 km。南昌至胡家坊段于1997年建成通车并投入运行，胡家坊至昌傅镇段于2001年通车并投入运行。2012年昌樟高速启动改扩建工程并于2015年建成通车。2014年5月，昌樟高速公路改扩建项目成功获得交通运输部绿色循环低碳公路主题性示范项目，成为江西省第一条“绿色循环低碳主题性示范公路”[3]。

2.2 自然环境概况

昌樟高速公路沿线属于中亚热带湿润气候区，雨量充沛，年平均气温在17～17.7 ℃之间。冬季寒冷，夏季炎热多雨。最大年降雨量为2 540 mm，且降雨最主要集中在4～6月，占全年降水量的48%。高速公路沿线地势西北高东南低，地形以中低山和微丘陵为主。沿线主要土壤类型为红砂岩、煤矸石、丘陵红壤土等。路线两侧以水稻田为主，自然植被破坏严重，多为人工次生林，以马尾松为主，小部分段落为苦楝次生树林[4]。

2.3 路域植被概况

结合建设期工程量清单，现场调研和其他文献资料对高速公路沿线中央分隔带、边坡、立交桥、互通区以及服务区路域植被进行了调查。中央分隔带防眩植物以蜀桧为主，有少量火棘球、海桐和桂花，地面满铺马尼拉草。边坡绿化主要以喷播草种为主，在建设初期采用了狗牙根、苇状羊茅和百喜草相搭配。上边坡未种植灌木，下边坡坡脚处未种植高大乔木。高速公路立交桥选用的绿化植被以灌木为主，主要包括小叶女贞、小叶黄杨、大叶黄杨和雀舌黄杨。公路互通区和枢纽所选择的绿化植被以灌木为主，包括红花檵木、花柏球等，还有少量乔木，包括樟树、桂花等[4]。

3 固碳能力估算方法

高速公路植被固碳能力估算主要采用实地调研、查阅文献等方法，针对每个树种和草本植物的固碳能力进行估算和分析，估算路域植被的总固碳量。根据目前已有的文献和研究，采用同化量法对植被的固碳能力进行估算。同化量法指通过测量植物单位面积的净光合作用速率，得到植物单位叶面积每天的净同化量，乘以植物的总叶面积和天数，进而可以计算出单株植物每年的固碳量，再乘以相应植物的数量，即可得到该区域植被的固碳能力。草本植物用单位面积净同化量乘以草本植物总覆盖面积，计算出该区域草本植物净同化量。单位叶面积净同化速率通过Lcpro+光合作用测定仪进行测量得到，试验选择5月晴朗、无风的天气，在自然光照射条件下，每次每个树种选择3株健康植株，采用Lcpro+光合作用测定仪进行光合作用速率的数据采集，从8∶00～18∶00每隔2 h采集1次。叶面积根据树木相关特征(树高、胸径、冠幅等)，通过回归方程计算而得[1，5-6]。各种植被的单位面积净同化量、总叶面积回归模型均有完备、丰富的数据，本研究将进行引用[7-13]。树高、胸径和冠幅的等树木特征数据将结合已有工程量清单和现场实地测量而得。植物固碳量计算：在植物光合作用日变化曲线中，其同化量是净光合速率曲线与时间横轴围合的面积。植物单位叶面积净同化量和固碳量可通过以下公式计算[14]。

单位叶面积净同化量的测算

3 600/1 000)

(1)

式中：P为测定日的净同化总量，mmol；Pi是初测点的瞬时光合作用速率，umol·m-2·s-1；Pi+1为下一测点的瞬时光合作用速率，umol·m-2·s-1；ti是初测点的瞬时时间；ti+1是下一测点的时间，h；j为测试次数。

植物固碳(CO2)量的计算，用测定日的同化量换算为测定日固定CO2量，公式：

WCO2=P×44/1 000

(2)

式中：44为二氧化碳的摩尔质量，g·mol-1；WCO2为单位面积的叶片固定CO2的质量，g·m-2·d-1。

4 结果与讨论

4.1 植物光合作用速率日变化曲线

植物固碳释氧是植物自身所具备的重要生态功能，固碳释氧能力是植物通过光合作用，与外界环境进行CO2和O2交换，不断地调节碳氧浓度比例，从而达到吸收CO2的效果。光合作用速率的强弱直接影响植物固碳释氧能力的发挥。植物光合作用速率受到环境因子(光照、温度、湿度等)影响，因此光合作用速率在一天时间内变化明显[15]。采用Lcpro+光合作用测定仪采集了昌樟高速19种绿化植物的光合作用速率，其中包括7种乔木和12种灌木。图1为9种绿化乔木的光合作用速率变化曲线。从图1可以看出，塔柏、广玉兰、杨树、樟树和桂花的光合作用速率曲线呈双峰型，第一个峰值多出现在10∶00，第二个峰值多出现在14∶00，其中广玉兰的净光合速率最高，净光合作用速率峰值为11.56 umol/(m·s)，峰值出现在10∶00。蜀桧和洒金柏的光合作用速率曲线呈单峰型，峰值分别出现在12∶00和14∶00。在统计的绿化乔木中，蜀桧的峰值光合作用速率最高，达到11.74 umol/(m2·s)，出现在14∶00。

图2为12种绿化灌木的光合作用速率变化曲线。从图2可以看出大叶黄杨、夹竹桃山茶花、桧柏球、海桐、瓜子黄杨和花石榴等7种灌木的光合作用速率变化曲线呈双峰型，第一个峰值一般出现在10∶00和14∶00。丰花月季、凤尾兰、小叶女贞、木槿和红花檵木等5种灌木的光合作用速率变化曲线呈单峰型，峰值一般出现在12∶00。绿化灌木中夹竹桃的净光合作用速率最高，峰值为9.82 umol/(m2·s)，峰值出现在14∶00。

总体而言，乔木的单位叶面积光合作用速率高于灌木的光合作用速率，乔木的光合作用速率日变化幅度相对灌木较大。从图1和图2中可以看出，大多数植物在12∶00左右会出现光合作用速率下降的情况，出现光午休现象[16]。导致这种现象的原因可能是强光、高温、低湿、干旱等条件下胞间CO2浓度和气孔导度下降， 植物为防止蒸腾过盛，气孔关闭，吸收二氧化碳极少，影响到光合反应速率[17]。

图1 7种乔木光合作用速率日变化表

图2 12种灌木光合作用速率日变化表

4.2 乔木年固碳量

根据各树种单位叶面积净同化量、总叶面积和数量可得到各乔木树种的年固碳量，见表1。

由表1可知，在7种乔木中，单株植物平均固碳量最高的为广玉兰，其年平均固碳量为151.39 kg；单株植物平均固碳量最低的为洒金柏，其年平均固碳量为0.74 kg。除此之外，樟树也有较高的单株植物平均固碳量，其单株植物年平均固碳量为52.92 kg。对比不同乔木的单株植物平均固碳量可以得知，7种乔木的单株植物平均固碳量标准差为49.57，乔木树种之间的单株植物平均固碳量因植物物种的不同，单株变化较大。根据估算可得，该高速公路路域乔木的年固碳量总计为295 t。

表1 路域乔木净同化量数据表

4.3 灌木年固碳量

根据各树种单位叶面积净同化量、总叶面积和数量可得到各灌木树种的年固碳量，见表2。

由表2可知，在12种灌木中，单株植物年平均固碳量最高的为夹竹桃，其年平均固碳量为23.64 kg；单株植物年平均固碳量最低的为红花檵木，其年平均固碳量为3.91 kg。对比不同灌木的单株植物平均固碳量可以得知，12种灌木的单株植物平均固碳量标准差为5.75，灌木树种之间的单株植物平均固碳量因植物物种的不同，单株变化较小。整体而言，12种灌木树种的平均单株植物固碳量为8.35 kg·a-1，远低于7种乔木的36.46 kg·a-1。但是也有个别灌木例如夹竹桃的单株植物平均固碳量达到了乔木植物的水平，因此在灌木植物占地面积较小的情况下，这类植物更适合选择作为高速公路路域绿化植被。根据估算可得，该高速公路路域乔木的年固碳量总计为2 342 t。

表2 路域灌木净同化量数据表

4.4 草本植物年固碳量

通过测算草本植物单位面积生物量，乘以转换系数0.5即可得到单位面积固碳量(以C计)，再根据高速公路工程量清单提供的草本植物面积，即可得到草本植物的年固碳量(以C计)，最后转换为以CO2计具体见表3。

表3 路域草本植物净同化量数据表

经估算可得，该高速公路路域草本植物的年固碳量在233 t左右。

总体而言，从固碳总量上分析，灌木的年固碳量最大，其次是乔木的固碳量，固碳量最低的为草本植物。然而总固碳量不仅和植被物种有关，也与种植面积有关。某些乔木的单株固碳能力强，单株植物平均固碳量较高，但由于种植量较少，导致总固碳量也偏低。因此，单株植物平均固碳量是衡量一种植物固碳能力的一项重要指标。

4.5 结果分析

(1)绿化植物光合作用速率在一天之内随着时间的变化而变化，多数植物的光合作用速率变化曲线呈双峰型，少数植物的光合作用速率变化曲线呈单峰型。光合作用速率变化曲线出现双峰型的原因可能是由于温度、湿度等环境因子的变化，导致植物出现光午休现象，导致光合作用速率降低。

(2)路域植被固碳量结果分析表明：乔木中广玉兰和樟树的固碳能力较强，单株植物平均固碳量分别为151.39 kg和52.93 kg；灌木中夹竹桃的固碳能力较强，单株植物平均固碳量为23.64 kg。不同乔木树种之间固碳能力差异较大，而不同灌木树种之间固碳能力差异不大，且总体而言，乔木的固碳能力强于灌木。

5 结 语

高速公路路域植被已经成为重要的碳汇，能够在一定程度上抵消交通运输中碳的排放，为节能减排做出重要贡献。因此，如何合理选择路域植被的配置，使得路域植被在有限的土地资源条件下发挥最大的碳中和能力，对于未来绿色公路的建设起着重要作用。根据以上研究所得数据，结合生理要求和经济性要求，建议如下：(1)在建设和养护的过程中，在保证树种丰富和存活率高的前提下，尽量选择固碳能力强，占地面积小的植物进行种植和补种；(2)在垂直空间上，充分利用空间，实现从下到上“草本植物+灌木+乔木”的群落结构，最大程度的利用有限的土地空间；(3)该公路在后期养护过程中，推荐补种以下树种，乔木：广玉兰和樟树；灌木：夹竹桃和山茶。根据实际情况，合理搭配乔木、灌木和草本植物可以最大化空间利用，从而提高高速公路路域植被的固碳能力。