天津人民公园植物群落固碳释氧能力研究：关键特征因子筛选及密度优化

随着城市的快速扩张，人口增长、土地利用变化以及化石能源的大量开发利用等人类活动带来了大量的 CO2 排放，导致了全球变暖等一系列气候问题[1]。2020 年 9 月，中国 CO2 排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和。城市绿地作为城市区域最主要的近自然生态空间[2]，其中的植物群落通过光合作用固定大气中的 CO2，是城市中的天然碳汇[3-4]，在实现碳中和愿景中发挥着重要作用。

然而，在城市环境中，城市空间的有限性又导致城市绿地规模扩展受限[5]；同时，植物群落配置既受到树种组成、植物规格、群落结构等内在因素的影响，又受到立地条件和人为干扰等外界因素影响[6]，难以最大化植物群落固碳释氧效益。因此，通过探究影响植物群落固碳释氧效益的关键特征因子，找到提升植物群落碳汇效能的最优解，在现有的城市环境和资源限制下最大化城市绿地碳汇能力，是缓解城市气候变化问题、响应“双碳”目标的关键途径之一。

目前，针对植物群落固碳释氧效益的研究主要集中在两个方面：评估植物群落的固碳释氧能力；分析植物群落特征因子对群落固碳释氧能力的影响。

1）在评估植物群落固碳释氧能力方面，郜晴等[7] 通过分析不同生活型植物的固碳能力，得出单位覆盖面积下的日固碳能力排序为草本花卉>落叶乔木>常绿灌木>落叶灌木>常绿乔木>藤本；李锦凤等[8]研究了包头市主要综合公园中植物群落的固碳能力，认为选用树龄小、规格中等的植株能实现固碳效益最大化；王淑琼等[9] 对崇明岛滨海湿地植物群落固碳的时间动态与分布格局进行了研究，表明群落年固碳的快速积累期为 4—7 月。这类研究通过 City Green 计算系统[10]、同化量法[11-12]、生物量[9] 法等展开评估，但往往只分析某一种特征因子对固碳释氧效益的影响，未考虑其他因子。

2）在分析植物群落特征因子对群落固碳释氧能力的影响方面，张婉茹[13]研究了沈阳市不同群落特征因子在不同变化区间对植物群落固碳能力的影响，认为改变单一因子不能提升固碳效益；Zhang 等[14]建立统计模型，发现群落密度在调节植物群落固碳过程中起着关键作用。这类研究通过分析多个植物群落特征因子对群落固碳释氧效益的影响，归纳出绿地植物群落的高碳汇效益特征。然而，不同特征因子对群落固碳效益的影响程度并不相同，各特征因子之间也存在一定相关性，但目前对关键特征因子筛选的研究较为缺失。

综上所述，本研究以天津市典型百年城市公园——人民公园为研究区域，计算并评估不同植物群落的固碳释氧效益，分析群落特征因子对固碳释氧效益的影响并确定关键因子，提出提升植物群落固碳释氧效益的优化设计策略，为城市绿地高固碳释氧能力植物群落设计提供理论支撑与指导。

1 研究区域及方法

1.1 研究区域

人民公园位于天津市河西区东北部，总面积 14.2 hm2，属于暖温带半湿润大陆性季风气候。人民公园的历史可追溯至 1863 年，经过 120 余年的演替和管理，公园内的植被群落的物种组成、群落结构、生态功能已形成稳定的状态。综合考虑植物群落类型、植物丰富程度和所处位置等，在人民公园中选取60 个典型植物群落样地，确保样地类型多样且均匀分布，每个样地的面积为 10 m×10 m （图 1）。

1.2 研究方法

1.2.1 植物群落特征因子选取

分别选取层次结构、平均胸径、平均树高、平均冠幅、三维绿量及群落密度作为植物群落特征因子（表 1）。其中，层次结构反映群落垂直分布情况；平均胸径、树高和冠幅反映群落内树种规格情况；三维绿量反映群落绿量和生长状况，参考周坚华等[15] 的三维绿量模型计算；群落密度反映植物群落疏密程度。

1.2.2 植物群落固碳释氧量测算

本研究采用同化量法，在光照充足、风速较低的晴天条件下，于 2023 年 8—10 月每日 08：00—18：00 展开测定，每隔 2 h 进行一次。每种植物选取 3 株长势良好的植株，从各植株选取 3 片向阳且叶面完整、长势较好的叶片，分别使用 FK-GH60 光合作用测定仪测定光合速率值，活体叶面积测量仪 YMJ-D 和 LAI-2200C 冠层仪测定叶面积指数，测定结果并分别取平均值。

根据光合作用原理和简单积分法计算植物的日净同化量[16]

P = \sum_{i=1^{n (\frac{P_i + P_{i+1{2) \times (t_{i+1 - t_i) \times 3600 \times \frac{1{1000

式中： P 为测定的单位叶面积日净同化总量，mmol\cdotm^{-2\cdotd^{-1； P_i 指初测点的瞬时光合速率，P_{i+1 为下一测点的瞬时光合速率，\mu mol\cdotm^{-2\cdots^{-1； t_i 为初测点的瞬时时间，t_{i+1 为下一测点的时间，h； n 为测试次数，次；3 600 指每小时 3 600 s；1 000 指 1 mmol 为 1 000 \mu mol。

将各乔木、灌木植物的 \frac{Q_{CO2{12 和 \frac{Q_{O2{32 乘以其冠幅面积，草本植物的 \frac{Q_{CO2{12 和 \frac{Q_{O2{32 乘以其占地面积，累加后得到各植物群落的固碳释氧量。

1.2.3 分析方法

利用 SPSS 软件，对植物群落特征因子与固 碳 释 氧 量 进行 Pearson 相 关 性 分 析 。 当p < 0.01 时变量间极显著相关；当 0.01 \le p < 0.05时显著相关；当 p \ge 0.05 时基本不相关。 r 为相关性系数，一般当 0.8 < |r| < 1.0 时变量间极强相关；0.6 < |r| \le 0.8 时强相关；0.4 < |r| \le 0.6 时中度相关；0.2 < |r| \le 0.4 时弱相关；0 < |r| \le 0.2时极弱相关或不相关。此外，对植物群落特征因子进行主成分分析，当 KMO 值大于 0.6且 Bartlett 球形度检验的显著性小于 0.05 时，表明数据适宜进行主成分分析。

2 研究结果

2.1 群落特征因子对固碳释氧效益的影响

2.1.1 不同层次结构植物群落的固碳释氧量

按乔灌草、乔灌、乔草、灌草、乔木、灌木结构对植物群落进行分类，不同类型群落的平均固碳释氧量排序为：乔灌草>乔草>乔灌>灌草>乔木>灌木结构。其中，乔灌草结构植物群落固碳释氧量数值分布跨度最大，乔木、灌木结构数值分布则相对集中（图 2）。

2.1.2 平均胸径与固碳释氧量的相关性

对植物群落平均胸径与固碳释氧量进行Pearson 相关性分析（图 3），发现二者极显著中度正相关 (r=0.574, p<0.01)；小平均胸径（ 0 \sim <0.2 m） 的 群 落 极 显 著 强 正 相 关 (r=0.625, p<0.01)；中平均胸径（0.2 \sim <0.3 m）的群落几乎无相关性 (r=0.416, p \ge 0.05)；大平均胸径（\ge 0.3 m）的群落显著强正相关 (r=0.645, 0.01 \le p < 0.05）。

2.1.3 平均树高与固碳释氧量的相关性

对植物群落平均树高与固碳释氧量进行Pearson 相关性分析（图 4），发现二者极显著强正相关 (r=0.631, p<0.01)；低平均树高 （0 \sim <6 m）的群落几乎不具有相关性 (r=0.210, p \ge 0.05)；高平均树高（\ge 6 m）的群落极显著中度正相关 (r=0.536, p<0.01)。

2.1.4 平均冠幅与固碳释氧量的相关性

对植物群落平均冠幅与固碳释氧量进行Pearson 相关性分析（图 5），发现二者极显著极强正相关 (r=0.852, p<0.01)；小平均冠幅（ 0 \sim <2 m） 的 群 落 极 显 著 强 正 相 关 (r=0.624, p<0.01)，中平均冠幅（2 \sim <4 m）的群落极显著中度正相关 (r=0.508, p<0.01)，大平均冠幅（\ge 4 m）的群落显著强正相关 (r=0.770, 0.01 \le p < 0.05）。

2.1.5 三维绿量与固碳释氧量的相关性

对植物群落总三维绿量与固碳释氧量进行 Pearson 相关性分析（图 6），发现二者极显著极强正相关 (r=0.844, p<0.01)；低三维绿量（0 \sim <3 m^3/m^2）的群落极显著极强正相关 (r=0.827, p<0.01)，高三维绿量（\ge 3 m^3/m^2）的群落极显著强正相关 (r=0.665, p<0.01)。

2.1.6 群落密度与固碳释氧量的相关性

对 植 物 群 落 密 度 与 固 碳 释 氧 量 进行Pearson 相关性分析（图 7），二者极显著强正 相 关 (r=0.681, p<0.01)； 低 密 度 群 落 （0 \sim <0.2 株/m^2）几乎不具有相关性 (r=0.321, p \ge 0.05)，中密度群落（0.2 \sim <0.4 株/m^2）显著中度相关 (r=0.520, 0.01 \le p < 0.05)，高密度 群 落（ \ge 0.4 株/m^2） 几 乎 不 具 有 相 关 性 (r=0.084, p \ge 0.05)。

2.2 群落特征因子主成分分析

对各植物特征因子进行主成分分析，KMO值为 0.782，显著性为 0.001。主成分 1 的方差贡献率为 66.5%，主成分 2 为 18.4%，累计方差贡献率达 84.9%，能够对群落特征做出较好的解释（图 8）。植物群落特征因子成分得分系数（表 2）表明三维绿量对群落特征的影响最显著，其他特征因子的影响程度相近。

3 讨论

3.1 植物群落特征因子对固碳释氧效益的影响

3.1.1 层次结构对固碳释氧效益的影响

层次结构越复杂的植物群落，固碳释氧能力越强，与王芳[12]的研究结论一致。相同层次数量的植物群落中，包含乔木的群落固碳释氧能力优于无乔木群落，包含灌木的优于无灌木群落。这主要归因于多数乔木的单株固碳释氧量高于灌木，灌木又高于草本植物。然而，本研究中乔草结构群落的平均日固碳释氧量略高于乔灌结构群落，这可能是因为研究区域中存在大量早园竹等竹亚科植物，尽管属于草本植物，但单株日固碳量较高，超过了多数灌木甚至部分乔木。这体现了高固碳释氧能力植物对群落整体固碳释氧能力的显著影响力。

3.1.2 平均胸径对固碳释氧效益的影响

植物群落平均胸径显著影响固碳释氧效益。具体而言，当平均胸径为 0 \sim <0.2 m 时，对固碳释氧效益的影响较 0.3 \sim <0.4 m 时更为显著；而平均胸径为 0.2 \sim <0.3 m 时，对固碳释氧效益几乎没有影响。赵艳玲[18] 的研究也指出，随着平均胸径增加，植物群落固碳能力呈下降趋势。这可能是因为小胸径植物处于快速生长期，胸径的微小变化都能提升固碳释氧效率；而平均胸径处于 0.2 \sim <0.3 m 的植物处于生长和代谢的平衡状态，对固碳释氧的贡献相对有限。

3.1.3 平均树高对固碳释氧效益的影响

植物群落平均树高极显著影响固碳释氧效益，与余春华[19] 的研究结果一致。当群落平均树高<6 m 时，树高对固碳释氧量几乎没有影响，这可能是因为这类群落中存在大量低矮乔木和灌木，整体平均树高相对较低，而总固碳释氧量相对较高，弱化了树高和固碳释氧量之间的相关性。当树高\ge 6 m 时，由于高大树木具有更广阔的叶面积和更高的光合作用速率，能促进更多的 CO2 固定和 O2 释放，因此树高对固碳释氧量表现出显著的正向影响。

3.1.4 平均冠幅对固碳释氧效益的影响

植物群落平均冠幅极显著影响固碳释氧效益。张丽等[20] 的研究也得出了类似的结论。本研究进一步揭示，平均冠幅从 0 \sim <2 m 增长至 2 \sim <4 m 再至 4 \sim <6 m 的过程中，冠幅与固碳释氧量之间的相关性逐渐减弱。这表明，在冠幅较小的植物群落中，冠幅对固碳释氧能力的促进作用更为显著。这可能是因为较小冠幅植物的光合作用能力更依赖于冠幅的大小，而较大冠幅的植物受到生长空间的限制，冠幅的增加并不会进一步促进固碳释氧量的提升。

3.1.5 三维绿量对固碳释氧效益的影响

植物群落三维绿量极显著影响固碳释氧量效益，且二者之间的相关性系数高达 0.844。正如王敏等[21] 的观点，较高的三维绿量是植物碳汇能力的基本保障。在三维绿量为 0 \sim <3 m^3/m^2 的群落中，三维绿量对群落固碳释氧能力的影响比在三维绿量\ge 3 m^3/m^2 的群落中更显著。究其原因是在较低的三维绿量水平下，植物更依赖于生物量的增加以提升其固碳释氧能力；而在较高的三维绿量水平下，植物间的相互遮挡导致受光面积减少，三维绿量对固碳释氧能力的影响减弱。

3.1.6 群落密度对固碳释氧效益的影响

植物群落密度显著影响固碳释氧量效益，与赵艳玲[18]的观点吻合。本研究还发现，在低密度和高密度条件下，群落固碳释氧效益与密度相关性弱；群落密度为 0.2 \sim <0.4 株/m^2时，群落固碳释氧效益受密度影响更显著。这说明在低密度条件下，树木规格、生长状况等其他因素成为影响固碳释氧效益的主导因素；而在高密度条件下，资源分配不均和植物生长受阻等问题会导致固碳释氧效益的降低。

3.1.7 植物群落特征因子对群落特征的影响

相较于其他群落特征因子，三维绿量对群落特征的影响最为显著。本研究进一步分析了各特征因子与固碳释氧量的相关性，发现三维绿量和平均冠幅对固碳释氧量的影响最显著，凸显了三维绿量在植物群落中的重要性。

3.2 城市植物群落高固碳释氧效益优化设计策略

3.2.1 以复层植物群落为主，提升高固碳释氧树种配置优先级

复层植物群落在固碳释氧能力上表现最优，双层群落次之，单层最弱。因此，设计植物群落时应以乔灌草复层结构为主。同时，具有高固碳释氧能力的树种对群落整体效益有显著影响。在进行植物配置时，应优先考虑这类树种。在本研究区域中，乔木层的毛白杨（Populus tomentosa）、绦柳（Salix matsudana ‘pendula’）、 国 槐 （ Sophora japonica） 等 ，灌木层的卵叶女贞（Ligustrum ovalifolium）、小叶黄杨（Buxus sinica）、珍珠梅（Sorbariasorbifolia）等以及草本层的早园竹（Phyllostachyspropinqua）、 软 叶 丝 兰 （ Yucca flaccida） 等 ，可作为打造高固碳释氧效益植物群落的首选植物。

3.2.2 选择适当规格树木，增加适量幼龄树

植物群落平均胸径、树高及冠幅均显著影响群落的固碳释氧能力，凸显树木规格对群落固碳释氧能力的重要影响力。本研究表明小胸径、小冠幅的植物群落在生长过程中固碳释氧能力的潜力更大。尽管大胸径、高树高、宽冠幅的群落在固碳释氧量上表现更佳，但大树移植面临着更高的难度、风险和成本。因此，应优先考虑由幼龄树种构成的群落，其平均胸径为 0 \sim <0.2 m、平均树高<6 m、平均冠幅为 0 \sim <2 m。

3.2.3 注重植物群落的垂直生长，通过合理养护提升三维绿量

植物群落三维绿量是影响固碳释氧效益的最关键因素。因此，在进行植物选择时，应优先考虑三维绿量较高的植物树种，如毛白杨、国槐、白蜡（Fraxinus chinensis）、冬青卫矛（Euonymus japonicus）、卵叶女贞等。同时，应实施科学有效的养护管理措施，如定期修剪、合理施肥、及时灌溉等，维持植物的健康生长状态，提升植物群落的三维绿量水平。

3.2.4 根据最适区间，控制植物栽植密度

适宜的群落密度对实现植物群落高固碳释氧价值至关重要。在进行植物配置时，应将群落密度控制在 0.2 \sim <0.4 株/m^2 范围内，以实现最佳固碳释氧效益。同时，对于低密度群落，应选择生长良好、规格适中的植物种类；对于高密度群落，可定期修剪和管理植物，以保持群落的通风和光照条件。

4 结论

通过对天津市人民公园中植物群落的固碳释氧效益研究，分析植物群落特征因子与固碳释氧量之间的相关性，并探讨关键特征因子，得出以下结果：1）层次结构越复杂的植物群落，固碳释氧能力越强；2）具备特定规格的植物群落（平均胸径为 0 \sim <0.2 m、平均树高<6 m、平均冠幅为 0 \sim <2 m）具有更强的固碳释氧潜力；3）0.2 \sim <0.4 株/m^2 是实现群落高固碳释氧效益的最适种植密度；4）各植物群落特征因子中，三维绿量对固碳释氧效益的正向影响最显著。根据以上结果，本研究提出适宜的植物群落优化设计策略，为城市绿地高固碳释氧能力植物群落设计提供理论支撑与指导。

然而，本研究也存在一定的局限性：1）实地调研时间集中在 8—10 月，缺少其他季节的数据；2）在实地调研过程中，收集部分数据时不是同时测定所有样地植物的光合速率，且未考虑周边地被或地表覆盖对测定结果的影响。未来还需要对植物群落进行动态、长期监测，以更全面地理解植物群落的动态生态过程；并进一步考虑周边环境对研究结果的影响，以提高研究的科学性。