碳中和背景下船闸植被固碳研究——以成子河船闸为例

张杨 宿迁市成子河船闸管理处

李真真 杨松桦 东南大学交通学院

船闸在航运发展中具有重要的地位，江苏作为内河航运大省，通航船舶数量多，船舶过闸和闸区运行能耗较大，排放的CO较多，因此，控制和减少船闸运营期的碳排放是发展绿色交通的不二之选。闸区植被通过光合作用吸收空气中CO从而达到固碳作用，实现碳中和目标。以成子河船闸为研究对象，将闸区植被分为乔木、灌木、草本植物三类，定量化估算三类植被的固碳量，分析各类植被的固碳能力，为内河船闸闸区植被的选择提供参考，为船闸运营期实现碳中和提供理论依据。

1.成子河船闸概况

1.1 成子河船闸简介

成子河船闸位于宿迁市泗阳县城郊，上游衔接京杭运河，下游连接成子河航道，是沟通京杭运河与洪泽湖的一座通航建筑物。按IV级标准建设，船闸尺度为180×18×4米（闸室长×口门宽×槛上水深），最大设计船舶等级为500吨级，兼顾千吨级船舶。

1.2 自然环境概况

成子河船闸属北亚热带季风过渡性气候区，四季分明，无霜期较长。年均气温14.2℃左右，年均日照2215.9小时左右，年均降水量906.2毫米，地下水资源比较丰富，土壤类型为潮土。

1.3 闸区植被

成子河船闸闸区绿地植被种类可分为三类：乔木、灌木和草本。乔木又分为落叶乔木和常绿乔木，落叶乔木主要有水杉1600株、垂柳142株、枫树18株、银杏52株，常绿乔木主要有金桂21株、蜀桧37株、雪松29株、冬青723株。灌木主要有女贞102.2m、海桐392.7m、瓜子黄杨101.3m、红叶石楠117.9m。草本植物主要有细叶麦冬1995m和马尼拉2749.8m，此外还有杂草3518.7 m。

2.固碳能力估算方法

闸区植被固碳能力估算主要采用实地调研、查阅文献等方法，将闸区植被分为乔木、灌木和草本植物三类，乔木的碳储量采用生物量拓展因子法计算，灌木固碳量的计算采用同化量法，草本植物的碳储量采用生物量数据估算，通过对闸区内乔木、灌木和草本植物的固碳量计算和分析，进而估算闸区植被的总固碳量。

2.1 乔木固碳计算

研究发现多数乔木的固碳量、碳储量与胸径具有显著的正相关性，胸径的相对重要程度最高，因此乔木的碳储量采用生物量拓展因子法计算，相关实测变量为胸径，其他相关因子如含碳率、根茎比等变量参考自国家和IPCC碳计量参数的缺省值，胸径作为自变量，整株植物作为因变量的回归方程参考文献，具体如表1如示。

表1 整株植物日固碳量与胸径的回归方程

2.2 灌木固碳计算

灌木固碳量的计算常采用同化量法。通过测量植物单位面积的净光合作用速率，得到植物单位叶面积每天的净同化量，乘以植物的总叶面积、天数和数量，即得到该区域植被的年固碳量。总叶面积根据树木相关特征（树高、胸径、冠幅等），通过回归方程计算，单位叶面积净同化量回归模型已有充分的研究，可直接引用。植被单位叶面积净同化量是净光合速率曲线与时间横轴围成的面积，采用式（6）计算。

（6）式中：P 为测定日的净同化总量，mmol；P和P分别为初测点和下一测点的瞬时光合作用速率，umol·m·s；t和t分别为初测点和下一测点的瞬时时间；j为测试次数。

植物固碳量（CO）的计算，用测定日的同化量换算为测定日固定的CO，计算公式如式（7）。

（7）式中：44为CO的摩尔质量，g·mol；W为单位叶面积固定CO的质量，g·mol·d。

2.3 草本植物固碳计算

草地生物量是最为活跃的碳库，是土壤碳库的主要来源，从目前的研究来看，草地生态系统的碳固定要大于碳排放，表现为碳汇功能。采用生物量数据计算碳密度（g·C·m），计算公式如式（8）。

（8）式中：α为有机碳含量（%）；M为地上或地下生物量（g·m）；S为草地面积（m）。

3.结果分析

实测成子河船闸闸区内各类乔木的平均胸径，根据表1计算得到各类乔木整株植物的日固碳量如表2所示。根据表2可知，在8 种乔木植物中，单株植物日均固碳量最高的冬青，为1967.2g·a，其次为水杉和银杏，分别为1577.1g·a和1055.8g·a，也具有较高的日均固碳量，单株植物日均固碳量最低的是蜀桧和雪松，仅为402.8g·a，说明乔木树种之间的单株植物平均日固碳量因植物物种和胸径的不同，变化较明显。根据估算，成子河船闸闸区的乔木日固碳量总计为4882.15kg。

表2 成子河船闸闸区整株乔木植物的平均胸径与日固碳量

根据式（6）和（7）并参考文献得到女贞、海桐、瓜子黄杨、红叶石楠相关灌木植物的各季节单位土地面积的固碳量如表3所示。根据表3，发现各树种不同季节的固碳量不同，均表现为春季和秋季较强，夏季次之，冬季较弱，这是由于夏季气温较高，光照较强，为防止蒸腾过剩，植物气孔部分关闭，CO供应不足导致光合作用速率下降，固碳量减少；冬季温度较低，光照强度降低，导致植物固碳量较少。其中女贞与海桐的单位土地面积的固碳能力因季节变化存在明显的差异，冬季的单位土地面积固碳能力明显较弱，不及夏季的1/2；瓜子黄杨与红叶石楠的单位土地面积固碳量四季变化浮动较小。经过计算发现，女贞、海桐、瓜子黄杨、红叶石楠的日均单位土地面积固碳量分别为37.22g·m·d，48.8 g·m·d，29.74 g·m·d，32.94 g·m·d，海桐的日均单位土地面积固碳量最高，瓜子黄杨的日均单位土地面积固碳量最低。计算得到成子河船闸灌木日平均固碳量为24.44kg。

表3 成子河船闸闸区各灌木树种的固碳量

根据式（8）计算成子河船闸闸区草本植物的碳含量，取草地平均总生物量为1057.9g·C·m，不同研究得出的中国草地土壤有机碳库的平均有机碳含量为15%，根调研得到的成子河船闸闸区的草本植物面积为8263.5m，因此估算得到成子河船闸草地碳含量为1311.29kg。

综上所述，成子河船闸闸区的乔木日均固碳量总计为4882.15kg，灌木日均固碳量为24.44kg，草地的年均碳含量为1311.29kg，乔木的年固碳量最大，其次是灌木，草本植物的固碳量最低，且不同乔木树种之间的固碳能力差异较大，灌木树种之间的固碳能力差异较小。计算中发现，植被总固碳量不仅和植被物种有关，也与种植数量和面积有关，存在部分乔木植物的单株固碳能力强，但种植量较少，导致总固碳量偏低。因此，单株植物的日均固碳量是衡量一种植物固碳能力的一项重要指标。

4.结语

船闸闸区的植被已成为重要的碳汇来源，能够在一定程度上吸收船闸运营时的碳排放，为节能减排做出重要贡献。因此，合理配置闸区植被，使得闸区植被在有限的土地资源条件下发挥最大的碳中和能力，对未来建设绿色船闸起着重要作用。根据上述研究所得数据，考虑到各树种的生理特点与经济限制，为早日实现船闸运营期的碳中和，提出如下建议：（1）在保证闸区树种丰富和存活率高的前提下，尽量选择固碳能力强，占地面积小的植物进行种植和补种，如乔木植物尽量选择冬青、水杉，灌木植物尽量选择海桐等；（2）充分利用闸区的垂直空间，按照从下到上“草本植物+灌木+乔木”的群落结构布置，最大限度利用闸区有限的土地资源，提高闸区单位面积的固碳能力。