草坪生态的碳汇与碳源.docx

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1、草坪生态的碳汇与碳源自工业革命以来，由于土地利用变化和化石燃料大量使用等人类活动的不断加强，大气中CO2、CH4、N20等主要温室气体的浓度不断上升。由人类活动所排放的温室气体导致的温室效应约占全球总温室效应的70%以上Ll,而其中C02浓度的持续上升是引起全球气候变暖的主要原因2。故以C02为核心的全球碳循环过程研究迅速成为全球气候变化研究的热点。随着城市化的不断推进，城市的用地面积不断增加，使得城市化在陆地生态系统碳循环中的影响越来越大。据估计，目前世界人口几乎一半都生活在城市，并且到2025年这个比例将达到58%3。草坪是城市绿地系统的重要组成部分，它在提供人们休闲、娱乐和美学功能的同时

2、，也具有调节城市小气候中碳氧平衡的作用4,其面积也在随着城市面积的扩大而增加，且已经成为城市生态系统的重要部分之一5。因此，开展城市草坪生态系统碳循环的研究，对揭示城市化对陆地生态系统碳平衡的影响，准确评估城市草坪生态系统的碳汇贡献等都具有十分重要的作用。生态系统C02净交换量(NetEcosystemCOZExchange,NEE)是衡量生态系统碳氧平衡和碳汇与碳源动态的关键指标，它是生态系统群落总光合与群落总呼吸之间平衡的结果。但是，目前国内外绝大部分NEE的实测研究都集中在森林、草原、农田和湿地生态系统，对城市草坪生态系统NEE的研究鲜有报道，大量的研究还主要集中在草坪植物初级生产力、生

3、物量动态和土壤有机碳动态等方面，因此，本研究从NEE的相关研究中综述了国内外关于城市草坪生态系统中碳汇与碳源的研究进展。1草坪生态系统中碳汇与碳源的相关研究Ll草坪植物生物量、叶面积指数和净初级生产力草坪植物生物量由地上部分生物量和地下部分生物量组成，其积累程度与草坪的再生能力、恢复能力和定植速度等有密切关系，是评价草坪品质的指标。同时，草坪群落地上和地下生物量的比例(F/C)也是衡量植物群落光合固碳能力的重要指标。F/C值大，表明群落光合固碳效率高6。叶面积指数(LAI)是衡量植被覆盖度的一个指标，它的大小可以直接影响到植被覆盖下土壤的微气候7,也对植被固碳能力有重要影响。郝彦宾等8发现，在

4、土壤水分不缺乏的情况下，C02通量与叶面积指数和地上生物量之间具有很好的相关性。净初级生产力(NPP)是绿色植物通过光合作用同化的有机物质总量减去由于呼吸损失的那部分,即单位面积与单位空间内绿色植物光合作用产物的净积累。对于草地群落而言，初级生产力的形成是碳素向群落内输入的主要途径9L因此，它也是反映植物固碳能力的一个重要指标。不同草坪植物地上和地下生物量的比例不同。孙吉雄和张志豪LlO1对甘肃几种草坪草地上、地下生物量比较的结果显示，狗牙根(CynOdOndaCtyIon)的F/C为4.87,结缕草(Zoysiajaponica)的F/C为18.24,匍匐剪股颖(AgrOStiSStolon

5、ifera)的F/C为2.52,粗茎早熟禾(Poatrivialis)的F/C为486o梁曦等11研究灌水对冷季型混播草坪生物量影响表明，由高羊茅(Festucaarundinacea),草地早熟禾(PoaPratenSiS)和多年生黑麦草(LOIiUnIPerenne)以7：2：1比例组成的混播草坪的F/C值在0.60L840我国内蒙古草地早熟禾、紫羊茅(F.rubra),高羊茅、多年生黑麦草等不同比例混播草坪的F/C值在1.0-2.1120同样，不同种或同一种不同品种的草坪植物的LAl也不相同。余高镜等13对外引高羊茅品种生物学特性的研究指出，39个高羊茅品种的LAI在0.2831.32o

6、郑锋先等14对青岛市园林绿地绿量的研究也指出，早熟禾、黑麦草和高羊茅的LAI分别为3.68、4.87和6.43。宗海波15对山东滨州常用地被植物生态效益的研究指出，沟叶结缕草(Z11atrella)的LAl为8.99,黑麦草过度显品种的LAl为11.05,特高品种为10.64o对草坪生态系统NPP的测定结果显示，其具有较高的固碳能力。温家石16发现，浙江台州街道上草坪的NPP为(0.6±0.1)t•hm2ftbull;a1,公园、校区和居民区草坪的NPP为(16.3±2.3)t•hm2•aIoFalkL17也发现，美国沃纳德克里克市草坪

7、的地上NPP为1.Ot•hm-2•a-lo此外，美国柯林堡市草坪的地上NPP为1.75t•hm-2•a-l18,弗朗特里戈市草坪的地上NPP是2.2t•hm-2•a-l19。F/C、LAl和NPP这3个指标都是反映植物光合固碳能力最重要的依据，同时也是研究生态系统功能和碳循环最基本的数量特征，可以估测生态系统吸收碳和储存碳的能力。但不足之处是不同类型的草坪植物F/C、LAl和NPP数值差异较大，这给估计整个草坪生态系统的碳吸存能力带来很大困难。总而言之，对于城市草坪生态系统来说，高的F/C、LAl和NPP可以说明其吸收碳和储存碳的能力

8、很强，很可能是一个强的碳汇。1.2草坪土壤有机碳积累变化动态草地生态系统中碳素主要贮存在地下土壤碳库中，土壤中的碳贮量占草地中总碳贮量的90%,所以说草地植被地上生物量中的碳贮量与土壤中的碳贮量相比非常少。土壤碳包括土壤有机碳和无机碳，由于土壤无机碳的更新周期很长，所以土壤有机碳的动态是决定草地生态系统碳平衡的主要因子20。此外，土壤有机碳主要分布于土壤上层Im深度以内，其含量是进入土壤的植物残体等有机质的输入与以土壤微生物分解作用为主的有机质的损失之间的平衡。而土壤有机碳库存量与进入土壤的植物凋落物和地上生物量呈线性正相关关系21。#p#分页标题#0#近几年，关于土壤有机碳动态的研究很多，已

9、成为全球环境变化研究的三大热点之一22。且研究内容主要集中在土壤有机碳密度和积累速率以及土地利用和覆盖变化对土壤有机碳含量的影响等方面。对城市草坪生态系统而言，由于受人为管理措施影响较大，草坪土壤往往具有更高的土壤有机碳密度。RiChard等23在对美国巴尔的摩市和丹佛市住宅区草坪土壤有机碳储存量的研究中发现，巴尔的摩市住宅区草坪土壤020CIn和0Im土层有机碳密度比当地农村天然森林几乎高出2倍;丹佛市住宅区草坪（建坪时间25年）土壤有机碳密度比当地天然矮草群落的也高出2倍多。Kaye等18也观察到，美国北科罗拉州的城市草坪在土层深度为030Cm时的土壤有机碳密度比当地天然矮草草原的高出45

10、%。同时，城市草坪土壤有机碳的积累速率也很高。因为城市草坪土壤受干扰程度小且受人为管理因素如灌溉和施肥影响较大，所以与天然草地和森林生态系统相比，城市草坪生态系统土壤有机碳的积累速率与其相当或者更高23。Qian和Follett24在美国都市区附近对15个高尔夫球场的土壤长期调查显示，土壤有机碳积累速率为0.9-1.0t•hm-2•a-l,并且在建坪3050年达到最大值，这个值高于天然草地(0.33t•hm-2•a-l)和半干旱草地(0.03tfebul1;hm-2&bul1;a-1)25-261o另外，土地利用和覆盖改变对城市草坪土壤有机碳含量的影响也

11、很大。特别是在城市化的进程中，土地利用方式和植被覆盖发生了很大变化，如林地和耕地变成了栽培草地等。耕地转变为草地后，土壤有机碳含量会大幅度增加，Gebhart27发现美国中部平原的耕地变成草地之后，在0300c土层中土壤有机碳含量增加了110.0g•m-2•a-l,Lugo28在亚热带湿润森林区的研究证明了农田被草地代替之后，土壤有机碳的平均积累速率为33.2g•m2febull;a-Io关于林地转变成草地后导致土壤有机碳含量变化的研究结果不一致,有的研究认为林地转变成草地后1225年，土壤有机碳含量将减少4%22%29,有的研究则认为土壤有机碳含量将增加9%10

12、%30。总之，与天然草地生态系统相比，城市草坪生态系统表现出更高的土壤有机碳密度和土壤有机碳积累速率，这为人们判断城市草坪生态系统是一个碳汇提供了可靠的依据。1.3草坪土壤呼吸强度土壤呼吸是全球碳循环中一个主要的流通环节，它导致土壤碳以C02的形式流向大气圈。通过土壤呼吸作用向大气释放C02的过程是全球碳排放的主要途径，也是大气C02重要的源，流通量为65-75pg•a-l,若全球土壤呼吸量增加10%将会超过由于人类活动导致的碳素释放总量，引起大气CO2浓度的较大波动，对全球碳循环和碳预算产生影响3132。草坪生态系统CO2的释放包括植物自养呼吸、凋落物层的异养呼吸和土壤呼吸,其中土

13、壤呼吸是草坪生态系统释放CO2最重要的来源。而土壤呼吸又包括3个生物学过程（土壤微生物呼吸、根呼吸和土壤动物呼吸）和1个非生物过程（含碳物质的化学氧化作用）。其中土壤动物呼吸和土壤中非生物过程释放的CO2量只占很小比例，在实际测量或估算中常被忽略3334。因此，通常所说的土壤呼吸主要是指根呼吸和土壤微生物呼吸。目前.，国内外对不同生态系统土壤呼吸的研究较多，但主要集中在森林和天然草原等自然生态系统，关于城市草坪土壤呼吸的研究较少35。随着人们对城市生态系统碳循环研究的不断重视，才陆续获得了一些城市草坪土壤CO2排放通量（土壤呼吸）的基础数据36。徐娇37对南京城市绿地不同植被类型土壤呼吸的研究

14、表明，不同植被类型的年均土壤呼吸速率有显著差异，其大小依次为草坪疏林近自然林，而且它们的土壤呼吸速率有明显的季节变化，夏季高，冬季低，草坪的土壤呼吸速率在1.4239-7.5826μmol&bul1;m-2&bu11;s-1；还指出土壤温度是草坪土壤呼吸季节变化的主要影响因子。Green和OIeSySZyn38在研究了美国菲尼克斯市草坪土壤呼吸的季节变化规律后发现，草坪全年土壤呼吸速率处于3.1611.37&muJmolfebull;m-2&bul1;s1,高峰出现在夏季的7、8月和春季的4月，低值出现在秋季和冬季，草坪土壤呼吸速率全年都高于当地天然沙漠生态系统，并指出土壤温度是影响草坪

15、土壤呼吸的关键因子。孙倩等39对上海典型城市草坪土壤呼吸特征的研究结果也发现，4种草坪类型（百慕大、黑麦草一百慕大混播、结缕草和狗牙根）的土壤呼吸速率均呈现明显的季节变化,最大值出现在78月，最小值出现在12月一翌年1月；4种草坪类型的土壤呼吸平均速率表现为百慕大草坪V黑麦草一百慕大草坪结缕草草坪狗牙根草坪，其中百慕大草坪的土壤呼吸速率变化范围处于O.132.25μmol•m-2•s1,狗牙根草坪的土壤呼吸速率变化范围处于1.21-9.27femu;mol&bul1;m-2febul1;s1。这说明草坪的土壤呼吸特征与草坪的植被类型之间有直接关系。可以看出，不同地区、

16、不同植被类型的草坪土壤呼吸速率都明显不同,但是它们的土壤呼吸季节变化特征大致相同，生长季大于非生长季,一般夏季最高，冬季最低。此外，与大多数自然草地生态系统相比,城市草坪生态系统中土壤呼吸排放的C02通量明显较高。由于土壤呼吸作用向大气释放C02是草坪生态系统碳循环中最重要的环节之一,所以，如何采取合理的措施减少草坪土壤C02排放量的问题对城市生态系统碳平衡和碳预算，以及定量分析碳汇源问题等都具有十分重要的意义。2草坪生态系统中碳汇与碳源的主要研究方法草坪生态系统中碳汇与碳源动态的直接观测方法就是NEE。然而，由于大气一植被一土壤之间的碳循环本身是一个极其复杂的生物学、化学和物理学过程，此外草坪生态系统同时受到自然和人为活动的双重影响，这些都给NEE的观测带来了很大的困难，所以对NEE的准确和长期观测是评价草坪生态系统碳汇与碳源的前提。目前，NEE的测