城市嵌草式铺装系统碳储量特征分析

吴逢润，李雪妍，高锋杰，王精龙，高海峰

(厦门理工学院环境科学与工程学院，福建 厦门 361024)

城市下垫面中不透水路面比例的不断升高已导致城市绿化率下降、内涝频发、热岛效应等问题[1-3]。大面积土壤封闭导致土壤功能退化，地表植被覆盖率降低[4]，过程中往往伴随着生态系统碳、氮等元素循环、固存途径的变化[5-6]。城市生态系统碳储存是全球碳循环的重要环节。近年来，国家大力推进生态文明建设，强调转变土地利用方式，推动城市绿地建设以调控城市生态系统碳库[7-8]。从已有研究来看,城市生态系统碳储量及其动态变化的计算与评价仍是国内外城市生态研究的重要问题。相关研究涉及城市森林、绿地、土壤等不同类型碳库，重点关注土地利用变化对生态系统碳储量的影响及其机制[9-10]。

嵌草式铺装是一种新型透水性铺装，指具有植草空隙，能够绿化城市路面的砖或空心砌块，已被应用于城市公园、停车场以及人行道地面[11-12]。因其含有植物-土壤-透水填料的多重结构，已有众多学者广泛研究了其增加城市绿地面积、增加物种多样性、增强降水入渗、削减城市地表径流、水质净化、调节区域小气候等方面的生态功能[13-15]。嵌草式铺装表层种植的草本植物可以通过光合作用固定大气当中的CO2，合成有机物转化为自身生物量进入城市生态系统[16-17]。死亡后的残体沉积、埋藏进入嵌草式铺装中的土壤层，也可以成为城市生态系统下垫面有机碳输入的途径之一[18]。探究嵌草式铺装的碳储量特征，对客观评价城市生态系统碳源汇功能具有重要意义。然而，目前鲜见相关主题研究。为深入了解城市嵌草式铺装系统中的碳储存功能，本文在山东省新泰市布设采样站点，调研分析嵌草式铺装系统地上及地下碳储量特征，以期为城市生态环境的综合治理和可持续发展提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区域和站点布设

新泰市地处山东省中部，位于北纬35°37′～36°07′、东经117°16′～118°之间，面积约1 946 km2，人口约137万人，耕地面积7.07×102km2。该区域地属暖温带大陆性半湿润季风气候区，四季分明，雨热同期，年均温度19.6 ℃,年均降雨量约467 mm。域内山区、丘陵、平原均有分布，丘陵区域占总面积的56%[19]。近年来，新泰市被评为“全国十佳生态文明城市”和“国家园林城市”，全市建成区绿化覆盖率44.8%[20]。城区内嵌草式铺装应用较为广泛，铺装中生长优势草本植物主要包括牛筋草(Eleusineindica(L.) Gaertn.)、地锦(Parthenocissustricuspidata)、萹蓄(Polygonumaviculare)等，为研究嵌草式铺装的生态影响提供了理想场地。

在新泰市域内布设9个采样站点。由于市域中部、东部为主城区；西部多为村镇分布区，嵌草式铺装应用相对较少。因此研究站点多分布于新泰市中部和东部，具体位置如图1所示。图中，A、B、C、D、F分别为玉璟花园、山能小镇、恒丰家园、青云花苑和幸福里小区停车场，E、G分别为电视塔公园、新甫山两处景区，H为孙村煤矿公司停车场，J为新汶中心医院停车场。不同站点嵌草式铺装建成时间存在着一定差异。在每个站点设置3个1 m×1 m的样方，样方之间距离30～50 m。

图1 研究区域及采样站点布设示意图Fig.1 Study area and sampling sites

1.2 样品采集与处理

在2021年8月进行样品采集。首先采集样方内地面的草本植物，利用枝剪紧贴地面剪下植物，带回实验室60 ℃烘干至恒重后称重测量植被干重生物量(g)。完成样方内地上植被收割后，用内径4.5 cm的针筒取样器在每个样方中随机取4个土壤柱样。由于嵌草式铺装中土层深度一般为6～8 cm[21]，因此统一取样深度为6 cm。

植物地上部分烘干、粉碎过100目筛，采用元素分析仪(Vario EL 111)测定地上生物有机碳含量[22]。土壤柱样首先在烘箱中60 ℃烘干至恒重，称量干重，测算土壤容重。将其中2个柱样放入100目网袋中冲洗去除杂质，烘干后分离获得植物根系称量地下生物量干重。然后将根系粉碎过100目筛测定根系生物有机碳含量，测定方法及使用仪器与植物地上部分有机碳含量测定相同。另外2个柱样用以测定土壤有机碳含量，通过干筛法过滤去除草根等杂质后进行研磨并过100目筛。取2 g过筛后的土样于离心管中，加入质量分数10%的盐酸，摇匀、静置12 h，以去除其中的无机碳成分。将样品进行离心，去除上层酸液，再用超纯水将酸化土壤反复清洗3次。清洗好的土样置于60 ℃烘箱中烘至恒重后，再用元素分析仪测定土壤有机碳含量[23]。

1.3 数据处理

以站点内多个样方地上及根系生物量、有机碳含量等数值的平均值作为站点整体的地上、根系生物量和有机碳含量。以地上生物量乘以有机碳含量计算植物地上碳储量，以植物地下生物量与根系有机碳含量相乘获得根系生物碳储量。利用徐艳等的方法[24]计算嵌草式铺装系统中的土壤碳储量，计算公式为：

SOCstorage=C×B×D×100。

(1)

式(1)中：SOCstorage为样方土壤有机碳储量(g·m-2)；C为土壤有机碳的平均含量(%)；D为土层厚度(cm)；B为土壤容重(g·m-3)。

将植物地上碳储量、根系碳储量以及土壤碳储量相加得到站点嵌草式铺装系统总体的碳储量。

采用统计软件包(IBM SPSS Statistics 21)进行数据处理。对数据先进行方差齐性检验，不具备方差齐性的数据需经四次方根转化后进行分析。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)对植物生物量、植物及土壤有机碳含量、碳储量的空间变化进行差异的显著性检验，再选用最小显著差法(LSD)进行均数间的多重比较[25]。其中，以P<0.05表示显著差异，P<0.001表示极显著差异。采用Pearson相关分析检验嵌草式铺装系统地上、地下生物量与碳储量之间的相关性[26]。

2 研究结果

2.1 嵌草式铺装生物量及生物碳储量

嵌草式铺装系统生物量及碳储量特征如图2所示。图中P值代表站点间整体差异的显著性水平；若相邻误差棒上方标注的字母不同，则表示站点存在两两之间的显著差异。后图亦同。

图2 新泰市嵌草式铺装系统生物量、有机碳含量及碳储量的空间分布(平均值±标准误)Fig.2 Spatial distribution of biomass,organic carbon content and vegetation carbon storage in Xintai City (mean±se)

由图2(a)可见，新泰市嵌草式铺装系统不同站点之间地上生物量有显著差异(P<0.05)，其中D、G两站点显著高于其他站点，C站点地上生物量显著偏低(P<0.05)；不同站点之间地下生物量整体没有显著差异(P>0.05)，但H站点地下生物量显著高于其他站点(P<0.05)。

由图2(b)可见，嵌草式铺装系统植物地上有机碳含量在不同站点间差异整体不显著(P>0.05)，但C站点植物有机碳含量显著低于其他站点(P<0.05)；不同站点之间根系有机碳含量整体没有显著差异(P>0.05)，但B、D、J站点显著高于其他站点(P<0.05)。

从图2(c)可见，嵌草式铺装系统地上碳储量分布范围为2～11 g·m-2，在不同点之间整体差异显著；不同站点地上碳储量两两之间存在显著差异，整体趋势与区域地上生物量相似，D、G两站点地上碳储量显著高于其他站点，C站点偏低(P<0.05)。系统根系碳储量分布范围约为1～12 g·m-2，在不同站点之间整体差异同样不显著(P>0.05)。

2.2 嵌草式铺装土壤碳储量及总体碳储量

嵌草式铺装系统土壤碳储量特征如图3所示。从图3(a)可见，不同站点之间土壤有机碳含量有显著差异(P<0.05)。其中G、H两站点土壤有机碳含量显著高于其他站点，A、C、J站点土壤有机碳含量显著低于其他站点(P<0.05)。从图3(b)可见，新泰市嵌草式铺装系统土壤碳储量分布范围约为50～550 g·m-2，在不同站点间差异同样显著(P<0.05)；B、D、G、H站点土壤碳储量显著高于其他站点(P<0.05)，A、C、E、J站点土壤碳储量显著偏低(P<0.05)。

图3 新泰市嵌草式铺装系统土壤有机碳含量及碳储量空间分布(平均值±标准误)Fig.3 Spatial distribution of soil organic carbon content and soil carbon storage in sites in Xintai City (mean±se)

新泰市嵌草式铺装系统总体碳储量特征如图4所示。由图4可见，总体碳储量平均为(279.2±45.8)g·m-2，不同站点嵌草式铺装总体碳储量有显著差异(P<0.05)。总体碳储量空间分布特征与土壤碳储量特征具有相似趋势。其中B、D、G、H站点总体碳储量显著高于其他站点，A、C、J站点碳储量显著低于其他站点(P<0.05)。

图4 嵌草式铺装系统碳储量空间变化(平均值±标准误)Fig.4 Spatial change of carbon storage in grass planting pavement (mean±se)

2.3 碳储量与地上、地下生物量的关系

新泰市嵌草式铺装系统碳储量与地上、地下生物量的相关系数R2具体如表1所示。嵌草式铺装地上生物量与地上碳储量(R2=0.999；P<0.001)、总体碳储量(R2=0.493；P<0.001)具有极显著相关关系；地下生物量与嵌草式铺装根系碳储量(R2=0.974；P<0.001)、土壤碳储量(R2=0.468；P<0.05)具有极显著或显著的相关关系。根系碳储量、土壤碳储量与嵌草式铺装系统总体碳储量之间具有显著或极显著相关关系。

表1 嵌草式铺装地上、地下生物量与碳储量的相关系数Table 1 Correlations between above and below ground biomass and carbon storage in grass planting pavement

3 讨论

3.1 城市嵌草式铺装系统的碳储量特征

本文以新泰市为例，调研分析了嵌草式铺装中植物和土壤碳储量特征。从研究结果来看，新泰市嵌草式铺装系统碳储量为(279.2±45.8)g·m-2，具有一定的碳储存功能。参考已有城市绿地碳储量相关研究，嵌草式铺装系统碳储量偏低[27]45，其中一个重要原因可能是嵌草式铺装系统土壤深度相对较小，而绿地碳储量调查关注的土层深度往往达到10～40 cm，如刘为华[27]58的研究表明，上海市城市绿地0～30 cm碳储量平均为25.8 kg·m-2，Canedoli等[28]167的研究调查了意大利米兰城市绿地表层40 cm的碳储量约为7.9 kg·m-2，陶晓[29]28的研究指出合肥市绿地土壤表层0～10 cm碳储量约为1.13 kg·m-2。本文结果表明土壤碳储量占据嵌草式铺装系统整体碳储量的主体地位，这与其他多数陆地生态系统相关研究的结果较为一致，已有研究指出，陆地生态系统土壤碳库碳储量整体是生物碳库的3～4倍以上[30]。在城市绿地生态系统中，土壤碳储量同样往往远高于地上及地下根系生物碳储量[31]。本文中，嵌草式铺装系统地上生物碳储量和地下根系碳储量相对较少，这主要是由于嵌草式铺装中生长的植物群落主要为低矮草本植物，密度及生物量相对较低，根系相对不发达，与森林等地上生物量相对庞大的生态系统具有明显差别[32-33]。

尽管嵌草式铺装系统的碳储量相对不大，但广泛采用嵌草式铺装替代不透水路面将一定程度提高城市生态系统碳储量。若约2 000 m2的停车场整体采用嵌草式铺装，区域总体的碳储量将达到约560 kg。假设一中小型城市中有500个同等规模的小区采用嵌草式铺装，城市生态系统增加的碳储量将达到280 t，而在大型及特大型城市该数值将更加庞大。因此，城市中合理广泛地应用嵌草式铺装能有效提高区域碳储存潜力。

3.2 城市嵌草式铺装系统碳储量空间差异及其影响因素

从本文结果来看，不同站点嵌草式铺装系统的总体碳储量存在显著差异。其中，地下根系生物碳储量在不同站点间差异不显著，但地上生物碳储量和土壤碳储量在不同站点之间具有显著差异，因此地上生物碳储量和土壤碳储量可能是决定区域嵌草式铺装碳储存功能变化的关键。类比城市绿地生态系统，以往研究中影响其碳储量的要素主要分为生物因素和非生物因素两类。植被丰度、生物量和群落组成等植被特征显著影响绿地生态系统碳储量[16-17]。本文中不同站点嵌草式铺装系统的生物量差异显著而生物有机碳含量差异不显著，结合相关分析中地上碳储量与生物量显著相关的结果，表明嵌草式铺装系统地上碳储量受到植物地上生物量的重要影响，这与以往城市绿地相关研究结果较为一致[28]169。同时，本文中土壤有机碳含量和土壤碳储量在不同站点的差异显著，土壤碳储量与地上生物量显著相关。以往研究也表明，绿地植被经过光合作用同化的植物有机产物大部分被储藏在地下，绿地土壤中的有机碳主要是由植物残体提供的[34]，而自然条件下植物残体的进入量由植被类型、植被丰度、生物量等群落特征共同决定。这表明有必要对嵌草式铺装中的植被进行合理规划选种和维护以提高嵌草式铺装系统碳储存功能。

嵌草式铺装中的土壤通常为人工铺设，不同区域嵌草式铺装土壤层的土壤质地、土壤含水率、容重等环境条件往往有所不同。这些环境因子对土壤及生物碳储存具有潜在重要影响——如以往研究认为土壤有机碳含量与土壤含水率有显著正相关关系[29]36。一些研究则指出土壤容重对碳储量的影响最为关键[35]。本文中，站点A、C、J的嵌草式铺装土壤层质地相对坚硬，整体较为干燥，可能是该站点植被生物量、碳储量显著偏低的主要原因。同时，处于医院停车场的J站点植被生物量明显偏低，植物生长状况偏差。阙彩霞[12]13的研究表明，嵌草式铺装中植被的生长状况与铺装的受践踏、碾压的频度有明显的负相关关系。医院停车场相对小区停车场车流量更大，可能是导致相应站点植被生物量等指标偏低的原因，进而间接影响了总体的碳储存特征。

4 结论

本文在山东省新泰市开展现场采样调研，研究探讨城市嵌草式铺装中的生物及土壤碳储量特征，得出如下主要结论：

1)新泰市嵌草式铺装系统总体碳储量平均为(279.2±45.8)g·m-2，表明嵌草式铺装系统具有一定碳储存功能。

2)新泰市嵌草式铺装系统中土壤碳储量分布范围约为50～550 g·m-2，占嵌草式铺装总体碳储量的主体地位。

3)地上生物碳储量、根系生物碳储量及土壤碳储量的空间分布特征有所不同。

4)嵌草式铺装地上生物量与地上碳储量(R2=0.999；P<0.001)、总体碳储量(R2=0.493；P<0.001)具有显著关系。表明通过栽种植物的合理配置与有效管理，能够提升嵌草式铺装系统的碳储存功能。

本文可为城市生态系统碳通量的精确模拟、细化城市生态系统碳预算、客观评价城市生态系统碳源汇功能等问题提供理论依据。但调查中未能获取相关环境因子和人为干扰因素的定量数据，未来需结合相关影响因子的长期取样监测，精准量化嵌草式铺装系统碳储存功能与生境因子的关系，进而全面厘清嵌草式铺装的生态效应，探讨其高效合理利用途径。