北京城区12种行道树树叶固碳能力比较研究.doc

北京城区12种行道树树叶固碳能力比较研究作 者： 陈梓睿 年 级： 初三年级 学 校：北京师范大学附属实验中学指导教师： 高付元1 陈建江1 刚永运2 学 校：1北京教学植物园 2北京师范大学附属实验中学 目录摘要21引言32材料与方法42.1落叶样本的采集42.1.1落叶样本采集地点的确定42.1.2落叶的生理状况与采集时间52.1.3 行道树落叶收集方法52.2样本前处理62.2.1落叶样本自然风干62.2.2样本称重62.2.3计算落叶样本叶面积62.2.4计算落叶单位重量对应的叶面积72.2.5研磨制粉72.3测定落叶贮碳量72.3.1方法原理72.3.2仪器设备82.3.3样品含量测定83实验结果计算与分析83.1落叶样本含碳量比例83.2行道树绿量计算93.3行道树树叶总贮碳量104讨论与结论115收获与体会126致谢 13参考文献13附件14北京城区12种行道树树叶固碳能力比较研究陈梓睿北京师范大学附属实验中学初三指导教师 高付元1 陈建江1 刚永运21北京教学植物园 2 北京师范大学附属实验中学摘要行道树是城市植被的重要组成部分，选用固碳能力强的优良树种作为城市行道树对于改善城市生态环境具有积极作用。本文以北京城区道路两旁的12种常见落叶乔木行道树落叶为研究对象，采用燃烧氧化非色散红外吸收法测定自然风干并且粉碎处理后的落叶样本的总碳（TC）。采用比重测量法得到单位重量树叶对应的叶面积，根据植物绿量一元回归方程（本文以统一的树木胸径15cm计算）得到全树的树叶总面积。综合单位重量落叶贮碳量与面积值，计算各种行道树树叶的固碳能力。实验结果表明12种行道树中，毛泡桐、白蜡、椿树、英国梧桐的落叶总贮碳量相对较多，相对较少的为银杏、白玉兰与火炬树，其中毛泡桐（胸径15厘米单株的贮碳量：11628.3g）为树叶贮碳量最多的树种。城市绿化中采用毛泡桐、白蜡、椿树、英国梧桐等行道树种可以有效提高对CO2的固化能力，达到美化环境且降低城市温室效应的目的。关键词：北京、城市、行道树、树木落叶、贮碳量151引言由温室效应引发的气候变暖问题成为全球的焦点，全球气候变暖严重影响自然生态系统和人类生存与发展。引起温室效应的原因有多种，其中与人类生产生活中二氧化碳的排放密切相关；国际上采取多种途径减少CO2的排放并且尽量增加空气中CO2固定。这是一项长期而艰巨的任务，需要世界各国的共同努力。随着城市化进程的加快，全球植被由于种种原因，以惊人速度逐年减少。在现有知识的基础上，本人了解主要的碳库便是森林、树木，所以，随着植被的减少，CO2的空气含量必然增加。城市植被不仅可以美化城市，改善居民生活环境，而且对城市生态环境的净化起着尤其重要的作用。例如：降低城市中的CO2含量、降温、增湿、滞尘、减菌等。因此，城市植被已经成为维持城市良好生态环境的关键支撑和维持城市可持续发展的重要基础设施1。在现代高楼林立的城市生态中的行道树的固碳作用和地位更加明显，在北京很多街边绿地被拓宽的马路占有，因此对行道树的研究越来越多。北京市园林科学研究所在上世纪80年代中期开始，在国内率先定量研究城市生态效益问题，对于城市绿地固碳释氧能力的研究归根结底在于研究植物的光合能力和绿量大小2。城市发展到今天，园林树木已开始成为陆地生态系统碳循环中的一个重要贮存库，其吸收汇已不容忽视。针对这一情况，国际气候变化委员会（IPCC）明确指出，如城市树木、行道树等数量较多，生物量的贮量变化较大，应对其碳汇作用进行估算。针对上述情况，许多学者在地上部生物量（指植物的干重，与碳贮量密切相关）与整株树木生物量之间的关系、城市树木生物量计算等方面开展了许多基础性研究3。目前我国学者的研究方法多数是采用树木生长季节计算其叶面积指数、光合速率，计算单位面积地被植物的释氧固碳4的方法进行。这些生物量方程针对的可能是单一树种或者是一批树种，有关于这方面的文献是不一致和不完整的。在应用特定的方程前，应该考虑这些方程原来是出自于哪个地方，这是因为，相似群组的树木在不同地理区域生长时，可能会有很大差别5 。植物从叶子从春季发芽到秋季落叶，固碳储存在根、茎和叶里，而传统方法研究观测叶子的光合固碳主要在生长季节。树木秋季落下的叶子中含有的碳能够从某一角度反映固碳能力的高低。对于城市行道树，树木吸收的CO2部分以落叶形式固定下来。落叶是树木新陈代谢的产物，其光合作用基本停止。因此测量落叶的贮碳量6，7，可以较客观准确地反映树叶吸收大气中CO2的能力，进而从一个方面反映出树对CO2的固化能力。目前北京地区还没有采用此方法研究行道树的固碳能力。 本课题研究目标是通过选取了北京城区道路两旁常见的12种乔木行道树作为研究对象，通过测定各种行道树落叶总碳量，对其树叶固碳能力进行研究，希望能够为首都北京未来行道树的选种工作提供一定的借鉴和参考意见，为人文北京、科技北京、绿色北京的城市建设贡献自己的力量；同时，也为我国应对世界气候变化做出自己的努力。本课题总体研究思路如图1所示。 图1. 行道树固碳能力比较研究技术路线2 材料与方法针对北京城区常见乔木落叶树种，通过向植物学专家与园林工作人员咨询请教，以及网上检索与查阅资料结果，选定以下12种乔木树种作为本课题的研究对象。具体树木种类包括：1白蜡（Fraxinus chinensis）、2银杏（Ginkgo biloba）、3国槐（Sophora japonica）、4毛白杨(Populus tomentosa)、5栾树（Koelreuteria paniculata）、6白玉兰（Magnolia denudata）、7柳树（Salix matsudana）、8椿树（Ailanthus altissima）、9英国梧桐(Platanus acerifolia)、10毛泡桐（Paulownia tomentosa）、11火炬树（Rhus typhina）、12合欢树（Albizzia julibrissn）8。测定行道树树叶固碳能力主要包括以下三个步骤：落叶样本的采集；样本前处理；测定落叶贮碳量。2.1落叶样本的采集2.1.1落叶样本采集地点的确定12种行道树选定之后，经过实地考察、网上搜索找到了12种行道树中前10种树木的分布地点。然后向北京市园林机关的老师咨询，终于确定了后两种行道树的分布地点。综合考虑交通、考察和落叶采集等因素，最终选择以下地点为实验样本采集点并标注地图上（如图2所示）详细列表见附件。图2. 12种行道树落叶采集地点2.1.2落叶的生理状况与采集时间树叶是一个生命体，在它的生长过程中，一直都在进行光合作用和呼吸等生命活动，对CO2的贮存也是动态变化的；另外树叶处于不同生长周期其贮碳量不同，而树叶的生长周期很难判定。树叶的自然凋落，标志着其生长周期的结束，其贮碳量也基本趋于稳定状态。因此，为了能够使实验数据更具科学性，本课题选用自然凋落的树叶作为检测样本。树叶样本采集时间选定为2010年9月初至2010年11月初，此时间段正是北京的初、中秋季节。秋季是落叶植物枝叶凋落的季节，同时初、中秋与晚秋或初冬相比，树叶自然凋落的比例更大，可明显减低由于风力因素等导致的树叶非自然凋落的概率，因此，此时收集样本能够保证正常样本的生长周期一致性又能够保证正常的样本数量。2.1.3 行道树落叶收集方法在规划好的地点进行了行道树落叶样本收集工作，具体工作步骤如下：l 在落叶样本采集地点随机选取3株同种行道树，作详细的标记并拍照；l 测量目标行道树的高度、胸径等生理参数并做详细记录；l 采集目标行道树落叶约500g，将样本装袋并编号保存备下一步实验使用。落叶样本采集工作过程如图3所示。 图3. 落叶样本采集过程2.2样本前处理采集好行道树落叶样本，然后进行样本前处理工作的主要有如下5个步骤：2.2.1落叶样本自然风干将采集的落叶样本进行自然风干（如图4所示）；图4. 落叶样本自然风干2.2.2样本称重筛选风干好的落叶进行多次称重，并记录称重结果（如图5所示）；图5. 对落叶进行称重记录2.2.3计算落叶样本叶面积基于比重测量法，计算已称重落叶样本叶面积的具体方法为：选择标准A4打印纸，测量面积记为Sp、称重3张纸，取平均值，记为Gp；在A4纸上仔细绘出已称重落叶样本的轮廓，用剪刀将样本轮廓剪下，得到与样本相等面积的纸叶，对纸叶进行称重得重量Gpl，由式1、2可得纸叶面积Spl与实际落叶样本面积Sl。 （1） （2） 图6. 测量计算落叶样本的面积2.2.4计算落叶单位重量对应的叶面积计算单位重量（1克）落叶样本的叶面积Su，式3中Gl为Sl对应的叶重量；计算得到12种行道树的落叶单位重量对应的叶面积列于表1。 （3）表1. 落叶单位重量对应的叶面积（cm2/g）白蜡银杏国槐毛白杨栾树白玉兰柳树椿树英国梧桐毛泡桐火炬树合欢树76.99130.49112.6748.62149.68136.7295.1562.51180.9977.32138.9783.95落叶样本单位重量所对应的叶面积柱状图如图7所示，其中纵坐标为叶面积，单位：cm2；横坐标为行道树种类与表1对应。图7. 落叶单位重量对应的叶面积柱状图2.2.5研磨制粉将落叶样本进行研磨制粉操作，使样本变为粉末颗粒，然后装袋储存，以便测定试验使用。2.3测定落叶贮碳量2.3.1方法原理基本原理是：基于直接燃烧总碳（TC）测定法9，运用岛津TOC分析仪对已知重量的落叶粉末样本进行高温燃烧，使样本充分燃烧氧化，利用非分散红外吸收法检测CO2含量，计算出样本总碳含量。总碳量TC由总有机碳TOC与无机碳IC构成，其各种组成形式如图8所示。 图8. 总碳量TC的组成形式图2.3.2仪器设备1、岛津TOC SSM 5000A（固体采样模块）2、岛津TOC-V CPN（测试处理主机）3、METTLER TOLEDO天平4、通用计算机（用于软件操作）2.3.3样品含量测定具体测定实验步骤： 将SSM 5000A仪器进行预热，使仪器内温度达到900； 取落叶样本粉末约0.2g放入样品舟内，用MT天平准确称重并记录； 启动TC测定软件，将称重后的样品舟放入SSM 5000A中的高温燃烧腔中，输入样本重量； 运行TC测定软件，开始样本高温燃烧氧化实验； TOC-V通过非分散红外吸收法检测氧化实验所排放CO2含量，实时将数据显示于PC机； 高温燃烧氧化结束，记录CO2测定数据； 冷却样品舟后，将其从SSM 5000A中取出，进行下一组测定实验，每种树叶平行测定3份样本，完成落叶样本贮碳量的测定。3实验结果计算与分析3.1落叶样本含碳量比例基于12种行道树的落叶样本TC测定实验，得到了每种树落叶的贮碳量百分比Pc，实验数据如表2所示，落叶样本的碳含量百分比柱状图如图9示。表2. 落叶样本含碳量比例（%）白蜡银杏国槐毛白杨栾树白玉兰柳树椿树英国梧桐毛泡桐火炬树合欢树51.2948.0848.7247.3751.5144.5149.2348.5547.5650.3350.9749.98图9. 落叶样本的碳含量百分比由表2与图9可知，栾树落叶的TC含量百分比最高，达到了51.51%，而白玉兰的TC含量百分比最低，只有44.51%，这表明了栾树单位重量的落叶含碳量最高。3.2行道树绿量计算落叶样本的TC含量百分比数据只代表了单位重量落叶的贮碳能力，要想得到一棵树的贮碳能力，就要对整棵树进行计算。根据植物绿量一元回归方程10，为使数据对比更为准确，统一给定树木胸径为15cm。植物绿量一元回归方程的形式为： （4）其中ST为一棵树总的叶面积，单位为m2，k1为回归系数，k2为修正参数，W为树木的胸径，单位为cm；所得到12种行道树绿量数据如表3所示。表3. 12种行道树绿量统计（m2）白蜡银杏国槐毛白杨栾树白玉兰柳树椿树英国梧桐毛泡桐火炬树合欢树160.7591.46141.5385.97141.13121.97115.84117.12298.72178.65121.97121.97其中，需要强调的是白玉兰、火炬树与合欢树在文献中没有找到对应的回归方程，因此按乔木平均绿量给予赋值。 图10. 12种行道树绿量图3.3行道树树叶总贮碳量通过树木的总叶面积估算树叶的总重量GTL，再结合TC含量百分比Pc，可估算得到行道树树叶贮碳量，公式如下： （5）表4. 12种行道树树叶总贮碳量估算（g）白蜡银杏国槐毛白树栾树白玉兰柳树椿树英国梧桐毛泡桐火炬树合欢树10708.43369.96119.78376.04856.73970.95993.79096.17849.611628.34473.47261.3经过估算，可以得到12种行道树树叶的总含碳量，通过表4与图11可以明显看出毛泡桐、白蜡、椿树、英国梧桐是树叶贮碳量较多的树种。图11. 12种行道树树叶总贮碳量4讨论与结论4.1讨论4.1.1树木单位重量叶片的固碳能力具有差异性 研究通过分析比较研究，得出北京城区12种落叶行道树中树木叶片总碳平均百分比为49%，栾树落叶的总碳含量百分比最高，达到了51.5%；白玉兰的总碳含量最低只有44.51%，说明树木落叶中固定有较大比例的碳，同时树种之间的个体差异比较大。这一研究结果与史晓丽在北京市行道树固碳释氧滞尘效益的初步研究中，不同树种在同一季节的固碳释氧量不同 12 的结果呈现有同样的规律，同时说明采用研究秋季落叶固碳的方法具有较好的准确性。4.1.2 树种规格的选择方法的科学性 研究采用陈自新等在在上世纪80年代，在北京城市园林绿化生态效益的研究中的方法，统一胸径为15cm的树木固碳能力的方法计算树木固碳能力具有科学性。这一研究方法与谢军飞等在2007年开展的北京城市园林树木碳贮量与固碳量研究结果呈现相同的规律，乔木在树木总碳贮量中占较大比例，随着乔木的继续生长，树木还能固定一定量的CO3。在城市绿化工作中有效保护各种绿地中幼龄乔木，发挥其固定积累大气中CO 的作用，将有利于减缓大气中CO浓度的升高3。4.1.3 影响单株树种固碳能力的主要因素 课题研究的结果是英国梧桐的绿量最大，298.72m2；毛白杨和银杏绿量最小，分别为85.97m2和91.46m2，12种行道树平均绿量141.42m2。毛泡桐、白蜡、椿树、毛白杨、英国梧桐等的落叶总贮碳量相对较多，国槐和柳树中等，而银杏、白玉兰的落叶总贮碳量相对较少，其中毛泡桐（贮碳量是11628.3g）为树叶贮碳量最多的树种。研究结果说明单株树木的固碳能力强弱与绿量和单位重量落叶的固碳能力两项指标关系密切；同时说明速生树种固碳能力强，慢生树种固碳能力较弱。4.1.4 北京地区树木固碳能力的选择 依据树木固碳能力指标，应兼顾树型、寿命长短、抗旱、耐踩踏和固碳能力等几项指标，综合评价能有效地提高北京行道树的选择的生态效益。根据研究结果结合树种的其它因素北京城区选用树种的顺序是白蜡、椿树、毛白杨、英国梧桐和国槐，其中椿树和国槐是本地的栽培历史悠久的树种，英国梧桐北京也有80年左右的树种8。采用这些树种可以有效提高对CO2的固化能力，达到降低城市温室效应的目的。4.1.5 课题研究的创新性 第一、课题是北京地区首次选择检测冬季落叶单位重量落叶的贮碳能力（TC含量）和绿量结合的方法来研究北京地区行道树木的固碳能力。第二、首次从固碳角度提出北京城区选用行道树种类的顺序是白蜡、椿树、毛白杨、英国梧桐和国槐，这一研究结果对北京新城区行道树种类选择绿化具有一定指导作用。4.1.6下一步研究的方向 “行道树树木秋季落叶固碳能力比较研究”的研究工作告一段落，但研究中还发现有很多问题值得深入讨论与思考。例如：落叶只能部分代表行道树固碳能力，如何在树木正常生长的过程中检测树木其他部分的贮碳能力？在选取行道树时需要考虑的包括贮碳能力在内的因素还有哪些？这些问题将结合前人的有关研究成果基础上，开展深入的综合研究，详细研究固碳不同季节取样方法的准确性。另外，叶子落后成为碳源，其中的碳多久放完？树的哪部分固碳能力最强？这些问题将是我将进一步的深入探讨。4.2 结论4.2.1北京城区道路两旁常见的12种乔木行道树固碳能力具有明显的差异。固碳能力较大的树种顺序是：毛泡桐白蜡椿树毛白杨英国梧桐国槐。4.2.2采用测定秋季落（TC含量）和绿量方法研究研究树木固碳能力的方法具有先进性。4.2.2课题研究成果科学性和可靠性强，对北京新城区绿化具有指导作用。5 收获与体会保护地球生态，关心全球气候变暖，促进低碳生活，是我们“地球村民”应尽的义务。通过所学的科学方法，通过敏锐的眼睛去关注身边生活，思考、解决遇到的问题，使我们的成长更有意义。我很感谢能有这样一次走进科学，锻炼自我的机会，通过课题研究，我不仅学习了植物知识、增长了实验技能更从中体会到了科学工作的付出与坚持。在实验设计开始阶段，我对植物了解很肤浅；随着研究的慢慢深入，我通过资料查阅、找专家咨询和实地考察已经和这些植物成为好朋友了。在夏秋换季时节，我开始了前期的准备和测量工作。我和父母有时中午顶着炎炎烈日一起外出实验，有时很晚披星戴月而归，父母平时本来就为了我没有休息过，现在又腾出大块时间帮助我；指导老师高老师经常和我探讨和寻求更科学的方法，一遍又一遍的校正数据，这些都让我认识到科学需要努力的付出。父母和老师，我真的感谢你们！对于实验中出现的困难和疑问，我也不再回避，而是不断调整心态思考解决的办法，不论困难多大都要坚持下来。在克服困难和解决疑惑过程中，我的思维更加开阔，能力也提高了许多。对于一些仍没有解决的问题，比如我在柳树树叶风干后多次称重时发现后期重量较前期重量略有增加，专家鼓励我将来有可能再进一步研究。同时我发现了有待改进的地方，比如我在将来的研究中为了使数据更准确，应该选用多次测量获得较准确数据，而非目测较平均的树木测量。另外我需要更多了解他人实验过程和获得数据的方法，从而提高研究的数据准确和方法灵活性。通过这次课题研究，我已经习惯上了用科学的眼光去看待问题，用科学的方法去解决问题，将研究中得到的体会和学习到的能力运用到生活和学习中来。最后，希望我的研究工作能够为北京市的行道树选取工作出一份力，希望首都北京的明天会越来越美好。6致谢