粤东高州油茶林固碳释氧及增湿降温能力计量评价*

刘 祯 傅志强 申春晖 奚如春

(华南农业大学 林学与风景园林学院/广东省森林植物种质创新与利用重点实验室, 广东 广州 510642)

随着全球工业化和城市化进程的不断发展,大气CO2排放量逐年增加, 气温同步上升, 环境问题日益严重[1-3]。 鉴此, 2020 年我国提出实施“碳达峰” 和“碳中和” 发展战略, 任务艰巨而意义重大。 双碳目标的提出彰显了我国积极应对气候变化的决心, 固碳释氧和增湿降温等生态效益的量化对研究双碳目标发挥着重要的支撑作用[4-5]。 绿色植物能够通过自身的光合和蒸腾作用固定CO2并释放O2, 具有固碳释氧和增湿降温等作用[6-8], 研究探讨森林生态系统服务的经济价值核算方法具有重要的学术意义和应用价值。

近年来, 国内外学者在植物固碳释氧和增湿降温等方面的研究也开始增加, 在城市森林群落的降温增湿效应[9-10]、 人工林生态系统[11-12]、 主要绿化树种[13-14]等方面的研究取得了显著成果。 油茶Camelliaoleifera属山茶科Theaceae 山茶属Camellia, 为我国主要经济林树种, 其栽培历史悠久, 种植面积广, 林分生物量大, 经济效益高,属优良生态经济型树种[15-16]。 高州油茶Camellia gauchowensis又名华南油茶、 大果油茶、 陆川油茶, 是华南区域主栽油茶品种之一, 其特点为树形高大, 产量高[21-22], 近年来, 广东省大力发展油茶产业, 高州油茶作为广东省本地油茶资源,它在取得良好经济效益的同时, 也发挥着重要的生态和社会效益[23-25]。 目前油茶的研究仅集中在种质资源评价、 生长发育和栽培管理技术等方面[17-20], 对其生态综合效益评价方面的研究严重滞后, 与此同时, 国内对于同一类型林分固碳释氧和增湿降温能力的核算研究甚少。

本文以揭阳市高州油茶林为研究对象, 通过测定其光合蒸腾参数, 利用同化量法和环境效益评价法核算其固碳释氧和增湿降温总量, 为其森林生态系统服务功能综合评价提供数据参考[24-25]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广东省揭阳市新西河水库库区,地处116°17′E, 23°41′N, 该地属亚热带季风气候, 日照充足、 雨量充沛、 夏长冬短, 终年无雪少霜。 年平均气温21.4 ℃, 平均降水量1 720 ～2 100 mm。 试验区总面积30 hm2林分为20 世纪70 年代初采用高州油茶实生苗栽植的人工林, 初始密度为2.5 m×3.0 m, 现林地保存株数900 株·hm-2, 平均地径7.85 cm, 平均树高3.5 m, 平均冠幅(东西×南北) 20 m2。 试验区林地总体坡向西北、 坡度30°～40°, 土壤类型为山地黄红壤,pH 值4.2～5.8, 土壤平均厚度65 cm, 养分等级中等。 目前该林分管理水平较高, 总体生长良好。

1.2 试验材料

2021 年5 月, 在试验区内进行全林踏查后,分别在上坡、 中坡和下坡选择具有代表性的地段内各设置3 个样地, 每个样地面积为20 m×20 m(有坡度时进行改平); 然后开展样地调查, 根据样地调查结果, 在每个样地内选择生长旺盛、 无病虫害的5 株平均木为样树, 做好标记, 并测定记录样树的地径、 树高和冠幅等生长指标(表1)。

表1 高州油茶不同坡位样地的样树生长指标Table 1 Growth index of C. gauchowensis sampled tree in different slope plots

1.3 试验方法

1.3.1 光合速率和蒸腾速率测定 于2021 年7

月、 9 月、 11 月和2022 年1 月、 3 月的中旬各样地分别选择5 株生长状况正常且相似的高州油茶为样树进行测定, 测定期间对样树进行常规的田间管理。 在各测定时间晴朗天气, 采用Li-6400 型便携式光合测定仪 (Steady State Promoter, Li-COR, Inc, USA) 进行测定, 测定日周期为8: 00—18: 00, 间隔2 h, 在每株树选取树冠中上部当年生枝条上顶端的第3～5 片成熟功能叶片,阳面和阴面各选择3 片, 测定光合速率和蒸腾速率。 每片叶重复测定记录5 次, 取阳面和阴面的平均值作为观测值进行统计和分析。

1.3.2 数据收集 分别记录各样树的气孔导度(Gs)、 净光合速率(Pn)、 蒸腾速率(Tr)、 胞间CO2浓度(Ci)、 叶温 (Ta)、 空气的相对湿度(RH) 以及光合有效辐射(PAR) 等参数, 为避免单个时间段测定时间过长引起环境因子受到影响, 单次测量耗时在30 min 以内。

1.3.3 固碳释氧量计算 使用简单积分法[26]计算植物在测定当日的净同化量, 计算公式为:

式(1) 中;T为单位叶面积的净同化总量(mmol·m-2·d-1);Pi为初测点的瞬时净光合速率(μmol·m-2·s-1),Pi+1为下一测定点的瞬时净光合速率(μmol·m-2·s-1),ti为初测点的瞬时时间,ti+1为下一测定点的时间,i为测定次数。

一般情况下, 植物晚上的暗呼吸消耗量按照白天同化量的20%计算[2], 测定日的同化总量换算成该日的CO2总固定量, 计算公式为:

WCO2=T× (1- 0.2)× 44÷ 1 000 (2)

……

式(2) 中, WCO2为单位面积叶片固定CO2质量(g·m-2·d-1); 44 为CO2的摩尔质量(g·mol-1)。

式(3) 中,WO2为单位面积叶片进行光合作用时释放的O2质量(g·m-2·d-1); 32 为O2的摩尔质量(g·mol-1)。

1.3.4 增湿降温量计算 用简单积分法[26]计算植物的日蒸腾总量, 计算公式为:

式(4) 中,E为试验当日的蒸腾总量(mol·m-2·d-1),ei为初测时间点的蒸腾作用速率(mmol·m-2·d-1),ei+1则为紧邻的下个测定点的瞬时蒸腾作用速率;ti为初测时间,ti+1为下一测定点的时间,i为测定次数; 1 000 为1 mmol 换算成1 000 μmol。

参试树种的日增湿量计算公式为:

式(5) 中,WH2O为单位面积叶片的增湿量。

植物通过蒸腾作用使水分蒸发吸收热量, 单位面积的日吸热量计算公式如下:

式(6) 中,Q为单位叶面积每天吸收的热量(J·m-2·d-1);L为蒸腾潜热系数,L= 597-0.57 t, t 为试验日叶面的温度, 取平均值30 ℃;4.18 为1 kcal 相当于4.18 J。

植物蒸腾消耗热量Q 取自于周围1 000 m3的空气柱, 故蒸腾作用引起的气温下降值为:

式(7) 中, ΔT为下降的温度值; PC 为空气容积热容量, 为1 256 J·m-3·h-1。

1.3.5 叶面积指数及固碳释氧量、 降温增湿量计算单位林地面积树木的固碳释氧和增湿降温量能更准确地反映出树木的固碳释氧与增湿降温能力,也能更准确反映林分水平的生态效益[27-28]。 由此引入叶面积指数(LAI) 的概念, LAI 决定了森林的许多功能, 包括光合和蒸腾能力, 因此, LAI 常作为生态系统中的重要参数[29-30]。 采用叶面积回归模型[31]计算植物的叶面积总量, 计算公式为:

式(8) 中,Y为叶面积总量;H为树冠高度;D为树冠直径;S1=πD(H+D) /2

单株植物叶面积指数的计算公式为:

式(9) 中, LAI 为植物叶面积指数,S2为植物所覆盖的土地面积, 即植物树冠投影面积S2=1/4πD2。

单位面积林地日固碳量、 释氧量、 增湿量和降温量的参考自乔小菊和张艳丽的方法进行计算[14-31]。

公式分别为:

式(10) 中,QCO2为单位林地面积日固碳量;式(11) 中,QO2为单位林地面积日释氧量; 式(12) 中,QH2O为单位林地面积日增湿量; 式(13) 中,QΔT为单位林地面积日降温量。

1.4 数据处理

采用美国Li-COR 公司自带数据处理软件分析光合参数、 采用Microsoft Excel 2016、 SPSS 22.0和Origin 2018 软件进行数据统计分析和绘图。 在降水的条件下会影响植物的光合作用, 本文通过降水天数间接计算出揭阳市全年的光照天数, 并以此来估算全市高州油茶林分固碳释氧和增湿降温总量。

2 结果与分析

2.1 高州油茶单位叶面积的日固碳量、 释氧量、增湿量和降温量

根据公式(1)、 (2)、 (3)、 (4)、 (5)、 (6) 和(7) 分别计算得到高州油茶单位叶面积的日固碳量、释氧量、 增湿量和降温量(表2)。 由表2 可知, 高州油茶单位叶面积日固碳量平均值为6.777 g·m-2·d-1, 但其固碳能力存在季节差异, 其中9 月的固碳能力最强, 固碳量为8.481g·m-2·d-1, 11 月的最弱, 固碳量为5.461 g·m-2·d-1; 单位叶面积日释氧量平均值为4.929 g·m-2·d-1, 也存在季节差异, 释氧量9 月最大, 为6.168 g·m-2·d-1, 11 月最小, 为3.971g·m-2·d-1, 单位叶面积日固碳量和释氧量由大到小顺序均为9 月＞7 月＞1 月＞3 月＞11 月。

表2 单位叶面积高州油茶日固碳释氧量和增湿降温量Table 2 Dailyand per unit leaf area carbon sequestration, oxygen release, humidification and cooling of C. gauchowensis

由表2 可知, 高州油茶单位叶面积日增湿降温作用最大的是7 月, 增湿量为1 751.544 g·m-2·d-1, 降温量为0.338 ℃; 最小的是3 月, 增湿量为670.680 g·m-2·d-1, 降温量为0.129 ℃, 1 月和3月的差异不大。 由此可见, 高州油茶的增湿降温作用受大气温度的影响。 其日增湿降温作用由大到小顺序均为7 月＞9 月＞11 月＞1 月＞3 月。

2.2 单位土地面积的日固碳量、 释氧量、 增湿量和降温量

根据公式(8) 和(9) 分别计算得到高州油茶的叶面积指数为2.78。 由公式(10)、 (11)、 (12)和(13) 分别计算得到高州油茶单位土地面积的日固碳量、 释氧量、 增湿量和降温量(表3)。 从表3可看出, 单位土地面积日固碳量、 释氧量、 增湿量和降温量平均值分别为18.841 g·m-2·d-1、13.702 g·m-2·d-1、 3 030.402 g·m-2·d-1、0.585 ℃。 单位林地面积的日固碳量和释氧量均为9月最大, 固碳量和释氧量分别为23.577 g·m-2·d-1和17.147 g·m-2·d-1, 单位土地面积的日增湿量和降温量均为7 月最大, 增湿量和降温量分别为4 869.292 g·m-2·d-1和0.940 ℃, 单位叶面积固碳释氧量和增湿降温量与单位土地面积固碳释氧量和增湿降温量明显不同, 由此说明, 树木的固碳释氧和增湿降温能力不仅和生理特性有关, 还与树形、叶面积等生长指标有关。

表3 单位土地面积高州油茶日固碳释氧量和增湿降温量Table 3 Dailyand per unit land area carbon sequestration, oxygen release, humidification and cooling of C. gauchowensis

2.3 揭阳市现有高州油茶林固碳释氧和增湿降温效益估算

据统计, 截至2019 年揭阳市内现有高州油茶林种植面积为1 400 hm2, 以此来估算揭阳市内高州油茶林的固碳释氧和增湿降温效益。 树木在垂直降水天气条件下, 会影响植物光合和蒸腾作用, 由此引入日照时数的概念[27], 揭阳市气候特征明显, 结合有效日照时数, 得到高州油茶林全年固碳释氧和增湿降温总量, 采用揭阳市近15 年(2007—2021 年)全年日照时数(图1) 均值计算揭阳市全年有效日照天数为230 d (全天日照时数约为7.2 h)。

图1 2007—2021 年揭阳市全年日照时数Fig.1 Annual sunshine hours and in Jieyang from 2007 to 2021

计算结果为, 揭阳市内现有高州油茶林全年固碳量、 释氧量、 增湿量和降温量分别为6.07 万t、 4.41 万t、 975.79 万t、 1.88×109℃。 采用环境效益评价法, 并将固碳释氧和增湿降温能力货币化, 采用碳税法计算固定CO2的效益, 即采用瑞典最新碳税率137.24 美元·t-1(取2023 年2 月美元对人民币汇率中间价6.89 元计算其影子价格为945.58 元·t-1), 采用工业制氧成本价格1 000 元/t计算释放O2的效益, 采用揭阳市工业用水价格2.30 元·t-1计算增湿的效益, 采用揭阳市农业生产电度电价0.637 元·kWh-1(以空调每匹每小时耗电量0.74·kWh-1, 降温为2.1 ℃为比例进行计算) 计算降温的效益。 揭阳市高州油茶林固碳价值、 释氧价值、 增湿价值和降温价值分别为0.57亿元·a-1、 0.44 亿 元·a-1、 0.22 亿 元·a-1、4.23 亿元·a-1, 总经济效益为5.68 亿元·a-1,由此可见高州油茶年货币效益最高的是降温价值,其次是固碳价值、 释氧价值和增湿价值。

3 结论与讨论

3.1 高州油茶单位叶面积和单位林地面积日固碳量、 释氧量、 增湿量和降温量在季节上存在明显差异。 有研究指出, 植物固碳释氧能力与外界环境有很大联系[32], 高州油茶固碳量和释氧量主要受到大气温度的影响较大, 而增湿量和降温量会同时受到光照强度和大气温度两个因素的制约。高州油茶的固碳释氧和增湿降温能力夏季大于冬季, 这与韩俊永[33]、 Zhang 等[34]的研究结果一致, 植物的净光合速率和蒸腾速率直接决定了植物单位叶面积的固碳释氧和增湿降温的能力, 适宜的高温会使植物光合能力提升[35], 因此在光合能力强的夏季, 其固碳释氧和增湿降温能力高于冬季。 通过将高州油茶的单位叶面积固碳释氧和增湿降温能力与于雅鑫等[36]研究的12 种木兰科乔木进行对比, 结果表明, 高州油茶有着与乐昌含笑和观光木相似的固碳释氧和增湿降温能力。本文估算所得揭阳市内高州油茶林固碳释氧年经济效益略高于郑淼[37]计算所得阔叶林固碳释氧总价值, 与山杨林固碳释氧总价值接近[38]。

高州油茶的固碳价值高于释氧价值, 这与李俊梅等[39]、 张志旭等[40]对森林生态系统的研究结果一致。 生态经济效益能更直观地体现森林的生态服务功能。 刘胜涛等[41]研究表明, 随着树木林龄的增长, 其固碳释氧能力还在继续增加, 由此产生的生态经济效益也在持续增加。 一些学者指出, 森林的固碳释氧价值缺少市场, 并不能产生直接可见的效益[23], 而高州油茶作为经济林树种, 在创造生态效益的同时, 也能产生直接的经济效益, 最终达到生态和经济的可持续发展[42-43]。

森林生态系统的服务功能受不同区域地理、生态、 气候等条件的影响[44]。 由于获取的数据有限, 本文利用揭阳市揭东区北部高州油茶林分的固碳释氧和增湿降温能力估算揭阳市内高州油茶林全年的固碳释氧和增湿降温价值, 并未考虑区域差异(如气候、 生物多样性和人类活动干扰程度等) 对结果的影响。 由于森林生态系统的复杂性及估算的价格参数和评估方法存在缺陷, 可能会导致对同一种林分生态经济效益的估算出现差异[45]。 我国环境经济学家最常使用的瑞典碳税率为150 美元·t-1, 本文采用瑞典最新碳税率137.24 美元·t-1计算高州油茶林分固定CO2的效益。 目前国内对于经济林分生态经济效益的计量分析文献较少, 因此本文可以进一步说明经济林在维护地区生态平衡所起的作用是显著的。

本文结果可以为我国油茶效益评价提供技术支持, 但本研究只采用了高州油茶一种, 缺乏与其他油茶对比的结果, 因此关于高州油茶和其他油茶固碳释氧和增湿降温能力的比较还需要完善。 赵文瑞等[46]研究表明, 树木的生态效益会随着地理位置和外界环境因子的变化而发生改变, 关于高州油茶在不同外界生长环境下的固碳释氧能力和增湿降温作用还需要进一步研究, 未来还将对广东省高州油茶林分的固碳释氧和增湿降温能力进行计量评价,从而为高州油茶的推广提供更多实践依据。

3.2 通过研究发现, 高州油茶固碳释氧和增湿降温能力夏季最强, 且明显高于冬季, 其单位叶面积日固碳量和释氧量的平均值分别为8.453 和6.148 g·m-2·d-1, 二者均为9 月最高, 11 月最低; 高州油茶单位叶面积日增湿量和降温量的平均值分别为1 090.073 g·m-2·d-1和0.210 ℃, 增湿降温作用最大的为7 月, 最小为3 月。 高州油茶单位林地面积固碳量、 释氧量、 增湿量和降温量的均值分别为18.841 g·m-2·d-1、 13.702 g·m-2·d-1、3 030.402 g·m-2·d-1、 0.585 ℃, 其中固碳释氧量均为9 月最大, 增湿降温量均为7 月最大。

采用环境效益评价法得到高州油茶固碳释氧和增湿降温能力的经济价值, 排序为降温价值＞固碳价值＞释氧价值＞增湿价值, 总经济效益为5.68亿元每年, 由此可见, 高州油茶对大气环境具有一定的调控功能, 具有良好的生态效益。