城市常见植被固碳与VOC排放的相关性及其应用潜力

刘益曦，胡 春，刘培蕾，朱圣潮

（1.温州科技职业学院 温州市农业科学研究院，浙江 温州 325006；2.温州市城市规划设计研究院，浙江 温州 325027）

城市常见植被固碳与VOC排放的相关性及其应用潜力

刘益曦1，胡 春1，刘培蕾2，朱圣潮1

（1.温州科技职业学院 温州市农业科学研究院，浙江 温州 325006；2.温州市城市规划设计研究院，浙江 温州 325027）

以温州市区为研究区域，采用野外样方调查和实验室模拟相结合方法，研究常见绿化树种固碳能力和VOC的排放量及两者的相关性。结果表明：从单位土地面积日均固碳能力和VOC排放量上来看，灌木的VOC排放量相对较低且固碳能力较强。从整株水平上，固碳能力较好的树种VOC排放量也相对较高。植物固碳能力和VOC排放量具有种特异性，单位土地面积水平上固碳量高且VOC排放量较小的树种有：山茶、石楠、海桐、十大功劳、红花檵木、蚊母树、夹竹桃、白兰花、桂花和香叶树，可以作为城市绿化的推荐树种。

城市绿化树种；植物固碳；植物挥发性有机化合物；温州市

城市是碳源产生的集中地[1-2]，城市植被作为森林碳库的一个部分，在缓解城市温室效应和全球气候变暖占据至关重要的地位[3]。树木因树种、个体大小、叶量以及空气条件的不同，其固碳能力存在明显差异[4-6]。目前大部分对植物碳汇的研究集中在对总体碳汇效益、不同植被类型碳汇效益的研究[7-9]，城市常用绿化植物的固碳释氧的研究[10-12]，而缺乏在种间和个体水平上碳汇能力的研究。因此开展物种水平上城市植被碳汇能力的研究，筛选生长快、固碳能力强的树种进行城市植被的合理配置，对于寻找城市“碳中立”途径具有重要的意义。

城市植被对环境也有负面影响[13]。研究表明，植物在生长发育过程中释放挥发性有机化合物（VOC，volatile organic compound）是大气中VOCs的重要源[14-16]，在全球水平上，植被释放的生物源VOC占全部VOC的比例高达90%[17]。随着城市绿化量的增加，城市植被VOC释放对大气总VOCs的贡献有可能大幅度升高[13-18]。而空气中高浓度VOCs与城市中常见的热岛效应、臭氧浓度变化和灰霾天气（细微颗粒物质、气溶胶和光化学烟雾等）产生有密切关系[3,19-21]。此外，VOC的排放还可导致大气氧化性的增强，使二次有机气溶胶的量增加，因而VOC对灰霾的形成具有极大的贡献。因此，如何布局城市植被，充分发挥植被改善环境的效应、避免其对环境的负面影响，对于建立生态城市群有重要意义。

树木VOCs的排放速率和组成成分在不同树种及同属不同种树木之间有较大差异[21-24]，物种水平的差异是决定树木VOCs排放的首要因素。我国从90年代开始植物源VOC的研究，迄今为止测定了我国境内的138个树种[23]和178种草本植物[25]，建立了中国植被 VOC 排放清单[26]。城市树种释放研究主要在北京[27]、杭州[23]和大连[28]等城市开展。

本研究在浙东沿海地区选择有代表性的经济发达城市温州主要绿化树种为研究对象，系统开展温州市常见绿化树种的固碳和VOC排放能力的调查，以期推选出固碳能力强、VOC排放量少的绿化树种，为优化城市绿化配置、降低城市树木VOC排放量及提高碳汇功能等提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

温州市位于浙江省东南部，沿海城市，属于亚热带季风气候，是浙江省南部的政治、文化、经济、交通中心（27°03′～ 28°36′ N、119°37′～121°18′ E），属亚热带海洋季风湿润性气候区。市区由鹿城、龙湾、瓯海三区组成，截止到到2012年底，建成区总面积204 km2，人口155万人，绿化覆盖率约为35.62%。

1.2 样地实测数据

根据温州市建成区主要植被分布信息，及绿化实际情况，选取常用绿化树木45种（含变种）作为研究对象，包括常绿灌木7种、常绿乔木13种、落叶乔木25种（详见表1）。取样调查时间为2013年8月。

表1 温州市常用绿化树种Table 1 Major species of greening trees in Wenzhou

1.2.1 植物生长指标的测定及叶生物量的估算方法

每树种随机选取20个有代表性的个体进行生长指标的测定，主要包括胸径（D）、株高（H）和冠幅直径（R）。使用卷尺（量程5 m，最小刻度1 mm）测量离地面1.3 m高处的树干直径作为胸径数据。冠幅数据同样采用实地卷尺测量垂直投影直径，包括东西向和南北向，取其均值作为R值；近似认为冠幅投影为圆形，计算冠幅覆盖面积（C）。植物叶片生物量参照朱轶梅的公式进行估算[21]。

1.2.2 植物光合速率和叶面积指数的测定方法

本研究使用美国Li-Cor公司生产的便携式光合仪（Licor-6400）对供试的城市常见树种光合速率进行测定。选取3个晴朗无风的天气，分别进行3次测定。测定时，在自然光照下，于早上8点至下午6点之间每隔2 h测定一次。每树种每次选择5株生长健壮、具有代表性的个体，各选取生长良好、大小相似、生长阳面的5个叶片，每片叶片记录3个瞬间光合速率值，取其平均值。为保证结果的科学性及可比性，每次测定的所有供试树种，尽可能在一天内完成所有测定。同一仪器测定的个体保持一致，测定树种的顺序保持不变。

叶面积指数采用LAI-2000型植物冠层分析仪进行测定，每种植物选择3株有代表性的个体进行测定取其平均值[29]。

1.2.3 VOC排放速率的测定方法

每树种选择5株有代表性的个体，每株选取生长良好的3个树枝迅速带回实验室，采用动态封闭采样方法采集植物VOC[21,30-31]，每个树枝取2个重复。

VOC组分分析采用热脱附气相色谱质谱联用仪（GC/MS）进行[21-31]。具体测定方法如下：（1）热脱附仪：温度加热至300 ℃，时间300 s，吹气时间15 s，气流40 mL·min-1，气压范围为0.2～0.3。（2）气相色谱质谱联用仪：毛细管柱为19091P-S15（50 m×0.320 mm×8 μm）；载气压力为0.2；程序升温步骤为，初始温度70 ℃（保持7 min），以20 ℃·min-1程序升温至250 ℃（保持30 min）。（3）标准曲线：采用微量注射器手动进样法，标准液体积为1 μL。每个样品分析时间约为40 min。由于异戊二烯（ISOP）和单萜烯（TERP）是植物源VOC中排放量最大、反应活性最高的两类组分[17,32]，因此本研究将异戊二烯和单萜烯两种VOC作为主要研究对象。

1.3 植物平均光合速率和固碳能力的计算方法

在植物的光合作用日变化曲线中，其同化量是净光合速率曲线和时间横轴围合的面积[29]。供试植物在测定当日净同化总量的计算公式为：

式（1）中，P为测定日的净同化总量（8:00～18:00的净同化总量）（mmol·m-2d-1），pi为初测点的瞬时光合作用速率，pi+1为下一测点的瞬时光合作用速率（mmol·m-2s-1），ti为初测点的瞬时时间；ti+1为下一测点的时间（h），n为测定次数，3 600表示每小时3 600 s，1 000表示将1 000 μmol转化为 1 mmol。

用测定日的同化总量换算为测定日固定CO2量为：

式（2）中，wCO2为单位叶面积的叶片固定CO2的质量（g·m-2d-1），44为CO2的摩尔质量。

植物整株日均固碳量（g·tree-1d-1）计算公式为：

由于植物绿量的差异，我们用单位土地面积日均固碳量（g·m-2d-1）来比较不同树种固碳能力的差异[29]：

式（3）、（4）中，C表示冠幅覆盖面积。

1.4 VOC排放量的计算方法

由于其它来源的VOC排放具有极大的不确定性，且可能在总排放量中仅占了很小的一部分[17]，因而本研究中仅估算植物叶片的VOC排放量。

1.4.1 异戊二烯排放量计算方法

研究表明，在短期变化规律中，光合有效辐射PAR和叶面温度对异戊二烯的排放产生主要影响，通常其计算公式如下[21,23,27,32-33]：

式（5）中，EI为整株异戊二烯排放量，Ei为标准状态（温度为 30 ℃，PAR 为 1 000 μmol·m-2s-1）下该树种的排放速率（μg·g-1h-1）；Mi为该树种单株植物平均叶生物量；CP和CT分别为光修正系数和温度修正系数。

式（6）中，α和CL为经验系数，α= 0.002 7，CL=1.066；L为当前的光合有效辐射通量 μmol·m-2s-1。

温度修正系数：

式（7）中，CT1、CT2为经验系数，CT1= 950 00 J·mol-1，CT2= 230 000 J·mol-1；R为理想气体常数，R= 8.314 J·k mol-1；T（K）为叶温，参照 BEIS 模型的估算方法，叶温近似取环境温度值，以气温代替（下同）[5]；Ts为标准叶温，Ts= 303 K；TM为经验系数，TM= 314 K。

1.4.2 单萜烯排放量计算方法

温度是影响单萜烯排放速率的主要因素，因此其计算公式修正如下[32]：

式（8）中，ET为整株单萜烯排放量，Ei、Mi和CT的含义与式（5）相同。

式（9）中，β（0.09 K-1）为经验系数；T为叶片温度（K）；Ts为标准状况下的叶片温度（303 K）。

整株日均VOC排放量（g·tree-1d-1）为：

我们用单位土地面积日均VOC排放量（g·m-2d-1）表示不同树种的VOC排放能力：

式（11）中，C表示冠幅覆盖面积。

1.5 数据处理

采用SPSS 16.0统计分析软件进行数据处理和统计分析，采用Origin 8.0进行绘图。

2 结果与分析

2.1 植物固碳能力分析

由图1A可知，植物日均固碳能力（以单位土地面积日均固碳量表示）分布在1.87～59.17 g之间，排在前10位的分别是广玉兰、喜树、石楠、樟、米老排、槐树、桂、栾树、二球悬铃木和合欢，其中常绿乔木、灌木和落叶乔木分别占3种、2种和5种，排在后3位的分别是红叶李、垂柳和梅花（详见附录B）。乔灌木单位土地面积日均固碳量分别为17.87 g和19.94 g，灌木固碳能力略高于乔木；常绿乔木与落叶乔木单位土地面积日均固碳量分别为20.72 g和16.39 g，常绿乔木高于落叶乔木（图1A，表2）。

植物整株日均固碳量分布范围为14.75～3 779.57 g（图1B），排在前10位的分别是广玉兰、二球悬铃木、喜树、樟、栾树、水杉、小叶榕、浙江樟、米老排和槐树，其中包括常绿乔木和落叶乔木各5种（详见附录B）。乔灌木整株日均固碳量分别为806.27 g和59.68 g，乔木远高于灌木；常绿乔木与落叶乔木整株日均固碳量分别为1 062.59 g和672.98 g，常绿乔木高于落叶乔木（图1B，表2）。

图1 供试树种8月份单位土地面积叶片日均固碳量（A）和整株日均固碳量（B）Fig. 1 Amount of carbon fi xation in per unit area (A) and in whole individual (B) of tested species in August

2.2 植物VOC排放强度分析

由图2A可知，温州市主要绿化树种日均VOC排放能力（以单位土地面积日均VOC排放量表示）分布在0.56×10-2～85.3×10-2g，排放能力从低到高前10位的是山茶、石楠、海桐、樱花、十大功劳、红花檵木、蚊母树、鸡爪槭、夹竹桃和紫荆，其中7种为常绿灌木，排放量最高的3个种分别的是水杉、马尾松和二球悬铃木（详见表3）。乔灌木单位土地面积日均VOC排放量分别为2.09×10-2g和0.16×10-2g，乔木远高于灌木；常绿乔木与落叶乔木单位土地面积日均VOC排放量分别为2.41×10-2g和1.94×10-2g，常绿乔木高于落叶乔木。

表2 供试树种8月份单位土地面积叶片日均固碳量和整株日均固碳量Table 2 Leaves daily average carbon fixation amount and whole individual daily average carbon fixation amount per unit area of tested species in August

植物整株日均VOC排放量分布范围为6.14×10-3～18.81 g（图2B），排放量从低到高前10位分别是红花檵木、山茶、桂花、夹竹桃、鸡爪槭、梅花、红叶李、桃、樱花和红枫，其中落叶乔木占6种（详见附录C）。乔灌木整株日均VOC排放量分别为2.16 g和0.75 g，灌木小于乔木；常绿乔木与落叶乔木整株日均VOC排放量分别为1.27 g和2.62 g，常绿乔木小于落叶乔木（图2B，表3）。

2.3 植物VOC排放强度和固碳能力相关性分析

相关性分析发现，总体上单位土地面积日均固碳量和VOC排放量之间没有明显相关性（图3 A）。对不同生活型树种分别进行分析发现，常绿灌木单位土地面积日均固碳量和VOC排放量间呈较好的负相关关系，但相关性不显著（r=–0.577，p= 0.175）。若舍去离散度最大的树种（即山茶，如图3 B示），则二者之间负相关关系显著（r= –0.837，p= 0.038）。常绿乔木和落叶乔木均表现为正相关，但相关性不显著（图3 C和D）。

图2 供试树种8月份单位土地面积叶片日均VOC排放量（A）和整株日均VOC排放量（B）Fig. 2 Amount of VOC emissions in per unit area (A) and in whole individual (B) of tested species in August

表3 供试树种8月份单位土地面积叶片日均VOC排放量和整株日均VOC排放量Table 3 Leaves daily average VOC emissions amount and whole individual daily average VOC emissions amount per unit area of f tested species in August

图3 供试树种单位土地面积日均VOC排放量和固碳量相关关系Fig.3 Correlation between log VOC emissions and log carbon fi xation per unit area of tested species

单位土地面积日均固碳量较高（大于10 g）且VOC排放量较低（小于0.03 g）的树种为山茶、石楠、海桐、十大功劳、红花檵木、蚊母树、夹竹桃、白兰花、桂和香叶树。单位土地面积日均固碳量较低（小于10 g）且VOC排放量较高（大于0.1 g）的树种为垂柳、杜英、马尾松、水杉、榆树。

由图4 A可知，测定树种整株日均固碳量和VOC排放量间呈显著正相关（r= 0.501，p＜0.001），表明固碳能力较好的树种VOC排放量也相对较高。对不同生活型树种进行单独分析发现，常绿乔木和落叶乔木整株日均和VOC排放量之间表现为较好的正相关关系（图4）。常绿灌木整株日均固碳量和VOC排放量之间的相关关系不显著（r= 0.204，p= 0.661）；若舍去离散度最大的树种（即山茶，如图4示），则二者之间表现为较好的负相关关系（r= 0.445，p= 0.377），与单位土地面积日均固碳量和VOC排放量表现为相同的趋势。

图4 供试树种整株日均VOC排放量和固碳量相关关系Fig.4 Correlation between log VOC emissions and log carbon fi xation per tree of tested species

3 结论与讨论

城市绿地通过转化和固定太阳能，吸收二氧化碳释放氧气，对降低温室效应，调节大气中的碳氧平衡，维护生态平衡都有重要作用[34]。单位土地面积日均固碳量反映了植物通过叶片光合作用固碳能力的强弱，而整株固碳量则体现了植物个体在固碳方面的综合水平[11]。本研究中灌木的单位土地面积日均固碳量高于乔木，与国内其他学者的研究结果相同[11,29]。这可能是由于相对于乔木而言，灌木具有较高的叶面积指数（LAI）。由于城市的发展和扩张导致了大量化石燃料的燃烧[35]，增加了二氧化碳的大量释放，导致城市本身成为碳排放的集中地[1-2]。研究发现，通过城市绿化的不断完善，杭州与台州建成区的碳吸收能力已经达到甚至超过了野外常绿阔叶林水平[3]。我们的分析结果显示，个体水平上，由于乔木具有更大的冠幅，乔木的固碳量仍然占绝对优势，因此乔木在园林绿地固碳功能方面发挥主要作用，而灌木则可以通过合理密植及科学的修剪等园林管理措施来增加冠幅和叶面积指数以增加其固碳量[11]。这也或将为寻找城市“碳中立”的尝试提供参考[3]。

近年来，在研究城市绿地正面生态效应的同时，也有很多研究关注城市植被的负面效应，尤其是对植被VOC排放的研究。我国从90年代开始植物源VOC的研究，迄今为止测定了我国境内的138个树种[23]和178种草本植物[25]，建立了中国植被 VOC 排放清单[26]。但这些研究大多是个体水平、种群水平或者群落水平上的研究。本研究中，除了对植物个体水平上VOC排放能力的测算，我们还引入单位土地面积日均VOC排放量，以此来衡量植物叶片VOC排放能力的强弱。结果显示，灌木的单位土地面积VOC排放能力低于乔木，单位土地面积日均排放量最低的10个树种中，测定的7种常绿灌木均包含在内。推测其原因，可能是由于乔木具有较高的排放速率和较大的叶片生物量，但还需要进一步验证。

由于城市环境的特殊性，城市绿地的面积一般较小，多以小面积的人工绿化群落、稀疏种植的单株植物或疏林群落为主。因此，如何通过优化城市绿地组成、合理利用城市土地资源及其承载能力，提高城市绿地的生态效益就显得尤为重要。从单位土地面积日均固碳能力和VOC排放能力上来看，灌木的VOC排放能力相对较低且固碳能力较强（图3）。整株水平上，固碳能力较好的树种VOC排放量也相对较高（图4）。这表明在个体水平上，固碳量增加和VOC排放量减少之间只能达到“相对”水平，即一定VOC排放量范围内，可能存在固碳量相对较高的树种，反之亦然。因此，在城市绿化的实际布局过程中，从增加植被碳汇功能、降低VOC排放角度来看，常绿灌木应当成为首选树种。

通过在不同尺度上对温州市常用绿化树种短期固碳能力和VOC排放能力的测定和分析得出以下结论：

（1）植物固碳能力和VOC排放能力具有种特异性，物种是引起差异的首要决定因素；同一树种在单位土地面积水平上和个体水平上有差异；

（2）温州市常见绿化树种中，单位土地面积水平上固碳能力较强且VOC排放量较小的树种有：山茶、石楠、海桐、十大功劳、红花檵木、蚊母树、夹竹桃、白兰花、桂花和香叶树，可以作为城市绿化的推荐种；单位土地面积上固碳能力较弱且VOC排放量较大的树种有：垂柳、杜英、马尾松、水杉、榆树。

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Correlation between carbon fi xation and volatile organic compounds emission of common urban afforestation tree species and theirs application potential

LIU Yi-xi1, HU Chun1, LIU Pei-lei2, ZHU Sheng-chao1
(1.Wenzhou Vocational College of Science and Technology,Wenzhou Research Institute of Agricultural Sciences, Wenzhou 325006,Zhejiang, China; 2.Wenzhou Urban Planning & Design Institute, Wenzhou 325027, Zhejiang, China)

Carbon fi xation capacity and volatile organic compounds (VOC) emissions of common green plant species in Wenzhou city were investigated by using the methods of fi eld sampling and laboratory simulation. The results show that the shrubs had lower VOC emissions but higher carbon fi xation compared to tree species in per unit area; Taking individual plant as a unit, however, the species with higher carbon fi xation had higher VOC emissions; There was a species specif i city in carbon fi xation and VOC emissions among the common greening trees; Measuring in per unit area, the species with higher carbon fi xation and low VOC emissions wereCamellia japonica,Photinia serrulata,Pittosporum tobira,Mahonia fortunei,Loropetalum chinensevar.rubrum,Distylium racemosum,Nerium oleander,Michelia albaandLindera communis. These species could be recommended for urban virescence.

urban afforestation tree species; plants carbon fi xation; biogenic volatile organic compounds; Wenzhou city

S718.51+2.1；Q948.11

A

1673-923X(2015)04-0097-08

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.04.017

2014-09-03

城市植被VOC与林业碳汇功能研究（浙江省教育厅 Y201225248）；基于GIS的珊溪库区生态环境评价研究 （温州市科技局 S20130099）；珊溪库区生态农业建设工程课题研究（温州市委农办（市农业局）专项课题）

刘益曦，硕士研究生 通讯作者：朱圣潮，教授；E-mail：aests@sina.com

刘益曦,胡 春,刘培蕾,等. 城市常见植被固碳与VOC排放的相关性及其应用潜力[J].中南林业科技大学学报,2015,35(4):97-104,113.

[本文编校：文凤鸣]