植物固碳釋氧研究

本文部分內(nèi)容摘自：安徽農(nóng)業(yè)科學,Journal of Anhui AgriSci.2012,40(18):9688-9689

概述

工業(yè)化的迅速發(fā)展導致綠地面積大幅減少，大氣環(huán)境日益破壞，生存環(huán)境不斷受到威脅。綠色植物作為生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者，具有固碳釋氧的天然生理機能。固碳釋氧作為一種重要的生態(tài)功能，在自然界的物質(zhì)循環(huán)和能量流動中起著重要的調(diào)節(jié)作用。它對減輕自然環(huán)境的壓力，消弱“溫室效應”、“熱島效應”的影響，實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的自我保護和良性循環(huán)起著重要的作用［1］。

一、固碳釋氧定義

固碳（Garbon sequestration）,也叫碳封存，指以捕獲碳并安全封存的方式來取代直接向大氣中排放 CO2的過。釋氧(Oxygen Release)指某物質(zhì)經(jīng)過復雜的化學變化釋放出O2的過程［2］。對于綠色植物，固碳釋氧指在可見光的照射下，利用葉綠素等光合色素，將CO2和H2O轉(zhuǎn)化為能夠儲存的有機物并釋放出O2，維持空氣中的碳氧平衡的生化過程。

二、研究意義

空氣是人類生存所不可缺少的物質(zhì)，是重要的外環(huán)境因素之一。由于人類的活動頻繁，煤、石油、天然氣等消耗量激增,大氣中 CO2含量不斷增加。在過去的100年中CO2含量由295ul/L增加到320ul/L，引起大氣升溫，產(chǎn)生熱島效應，形成上空逆溫層，加劇了空氣的污染［3-4］。有研究表明當空氣中 CO2，濃度達到0.05% 時,人的呼吸受到影響；當含量達到0.2%-0.6%時更加危害人體健康［5］。綠色植物通過光合作用吸收 CO2和放出O2。這對于保持空氣中 CO2和O2的濃度，緩解或消除局部缺氧，改善局部地區(qū)空氣質(zhì)量，調(diào)節(jié)大氣碳氧平衡顯得尤為重要。因此，開展植物固碳釋氧研究，不僅能夠探索植物光合作用的生理機能，而且可為生態(tài)環(huán)境改善、綠地規(guī)劃設計等提供重要依據(jù)。

三、研究現(xiàn)狀

植物固碳釋氧的研究始于20 世紀六七十年代，近十幾年才被人們所重視。我國對植物固碳放氧的研究起步較晚，進入20世紀90年代后，林植物固碳放的研究才有了發(fā)展，逐漸取得一定的研究成果。

20世紀70年代以來，綠化植物的生態(tài)效益研究得到廣泛的發(fā)展，研究內(nèi)容涉及降溫增濕、吸收 CO2及有害氣體、釋放O2，抗污、滯塵、殺菌和減低環(huán)境噪音等［6］。目前的研究又有了新的進展，已從植物個體、群體的生態(tài)效益以及植物生態(tài)效益的生理機理等發(fā)展到定量研究這種作用與綠地定額的關系。在研究大氣污染方面，不但研究植物對污染物的凈化能力，而且較全面地分析植物葉片污染物含量的積累途徑以監(jiān)測大氣污染的程度和評價大氣環(huán)境質(zhì)量。研究表明，當綠化覆蓋率達到30%以上時，CO2的瞬時質(zhì)量濃度呈直線有規(guī)律的下降；當綠化覆蓋率達到50%時，空氣中的CO2保持在正常質(zhì)量濃度320 mg/kg。每公傾公園綠地每天可吸收C02  900 kg，可產(chǎn)生 O2600 kg［7］。

李輝等比較分析了北京城市居住區(qū)3種種結構型的綠地(喬灌草型、灌草型和草坪型)對環(huán)境的降溫增濕和CO2調(diào)節(jié)作用，定量評估了3 種綠地夏季降溫增濕效應。研究表明，喬灌草型綠地改善環(huán)境碳氧平衡、降溫增濕方面的作用優(yōu)于灌草型和草坪型2種綠地［6,8］。宋西德等選擇單株林木、片林、灌木林、草坪4 種典型綠地，以裸地為對照，對不同綠地在中心點不同距離水平方向及垂直方向降低空氣溫度、增加空氣濕度進行了觀測與研究，并對城市不同綠地的生態(tài)效應做出比較［9］。王曉明等以位于亞熱帶地區(qū)的城市公園綠地為例，選取碳氧平衡、水土涵養(yǎng)和小氣候調(diào)節(jié)3個方面的 CO2 - O2吸釋量、群落需水量、保土量、蒸散耗熱量等指標，對城市公園植被的不同群落結構類型進行了生態(tài)效應的定量評價。結果表明，有喬灌草3層結構的林地群落的生態(tài)效應平均為單層結構的草坪群落的2～3 倍［10］。李國泰對8種廣州園林植物進行了氣體交換參數(shù)的測定，結果表明消耗等量水分的樹種固定二氧化碳的數(shù)量不同。同時，對不同類植物光合與水分利用效率差別的比較，可為園林植物的選擇和栽培管理提供依據(jù)［11］。

范亞民以南寧青秀山城郊風景區(qū)作為研究對象，于2001年8月和10月對城郊綠地進行系統(tǒng)研究，測定不同植被類型的光合作用、固碳釋氧、綠量。結果表明，以喬灌草為主的綠地類型在固碳釋氧量、葉面積指數(shù)等方面明顯優(yōu)于喬木、灌木單純一種植物的配置模式，每平方米的綠地面積上每天可固碳34.27g，產(chǎn)氧24.19g 。由此可知，綠地獨特的下墊面及復層結構類型對環(huán)境質(zhì)量良性的生態(tài)影響是顯著的、多效的［12］。烏仁陶格斯以干旱半干早區(qū)達拉特電廠廠區(qū)綠化為例，評價了園林綠化所具有的調(diào)節(jié)碳氧平衡。根據(jù)該廠綠地系統(tǒng)中所選種的綠化樹種吸碳放氧的作用效果，落葉闊葉樹類的吸碳放氧最佳，其次為花灌木和針葉喬木樹種,草類最差［13］。史紅文等研究發(fā)現(xiàn)，灌木的光合速率和單位面積固碳釋氧量高于喬木，常綠植物的光合速率和單位面積固碳釋氧量高于落葉植物；喬木和落葉植物整株固碳釋氧量高于灌木和常綠植物［14］。譚慶等研究武漢 31 種野生地被植物，結果表明葉片顏色較深且偏革質(zhì)的植被固碳釋氧能力較強［15］。這主要和葉片葉綠素和花青苷的含有關?；ㄇ嘬蘸扛哂欣诠饽芪眨夂纤俾始哟?從而固碳釋氧能力高。同時發(fā)現(xiàn)，地被植物的固碳釋氧能力比一般喬木和灌木低，但是喬灌草復合結構的生態(tài)效益較高。

植物吸收CO2和釋放O2是其最基礎的生態(tài)功能。碳平衡效應的研究方法是測定植物的凈光合速率來確定碳氧平衡效應的差異，再與一定范圍內(nèi)該植物的綠量相乘，得到一種植物在一定范圍內(nèi)的效益值。有研究表明，不同的植物因生理特性不同，同化CO2和釋放O2的能力亦有差異；即使同一樹種，在不同的生長季節(jié)也有顯著的差異，生物量越大的植物光合能力越強，周碳釋氧量則越高，表現(xiàn)為喬木 >灌木>草本［16］?？紤]到環(huán)境因素和物種自身的差異，這一規(guī)律還需進一步驗證。從季節(jié)來看，植物固碳釋氧能力表現(xiàn)為夏季 >秋季>春季，主要是由于夏季溫度升高時，植物對光能的利用率或高，光合作用增強［17］。

四、研究方法

4.1適用產(chǎn)品

根據(jù)工況情況，M-3000C是對空間氣體連續(xù)自動監(jiān)測，系統(tǒng)測量出高精度CO2和高精度CH4， 采用紅外分析儀與 GC-FID工業(yè)在線氣相色譜［分析儀選型：M-6500紅外分析儀、M-6900在線色譜分析儀（VOCI閥+色譜柱FID檢測器）］。

M-3000C氣體在線連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)，由采樣系統(tǒng)、樣品預處理系統(tǒng)、運行保障系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)等組成，該系統(tǒng)具有維護標定、故障診斷/報警功能，并配有工控機，可以連接業(yè)主指定的電腦，無線傳輸?shù)娇蛻暨h端顯示器等，并上傳上級領導部門。

4.2產(chǎn)品概述

通過該氣體自動監(jiān)測系統(tǒng)獲取培養(yǎng)箱內(nèi)的CO2、O2、CH4氣體的濃度變化的觀測數(shù)據(jù)，進一步掌握氣體濃度動態(tài)變化，為建立氣體濃度變化數(shù)據(jù)庫及排放源和吸收匯估算、比較、驗證評估系統(tǒng)奠定基礎，為有效評估固碳提供科技支撐?？梢砸劳袑W校的的物聯(lián)監(jiān)測網(wǎng)，建立氣體監(jiān)測體系。

本項目通過監(jiān)測要素，分別為二氧化碳、甲烷氣體監(jiān)測，實現(xiàn)從在線監(jiān)測、分析、標校，到觀測氣體數(shù)據(jù)規(guī)范統(tǒng)一 數(shù)據(jù)管理、數(shù)值模式分析以及業(yè)務化服務的一體化專業(yè)平臺。

氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設，即：儀器分析系統(tǒng)、配套系統(tǒng)（在線進氣系統(tǒng)，樣氣選擇與控制系統(tǒng)，標定模塊）、氣體數(shù)據(jù)評估系統(tǒng)和在線監(jiān)測系統(tǒng)。

M-3000C氣體自動監(jiān)測系統(tǒng)，從培養(yǎng)箱內(nèi)采樣口采集植物釋放中的氣體，通過采樣探頭、樣氣傳輸單元、預處理單元，送至紅外分析儀及GC-FID檢測單元。從而檢測出氣態(tài)污染物的濃度，并在控制單元的控制下進行校準功能。

產(chǎn)品正常運行的狀態(tài)為：

A、在綠色植物生長階段，先分析監(jiān)測CO2與O2的濃度：樣氣首先由采樣探頭吸入工藝管道內(nèi)采出，通過三通閥等進入分析柜，先一路進入紅外分析儀進行測量CO2與O2的濃度，分析后的氣體再循環(huán)排到培養(yǎng)箱內(nèi)，保持培養(yǎng)箱內(nèi)的氣體組分不變；

B、在植物死亡階段，通過閥門的切換，另一路氣體進入色譜儀的十通注射閥注入色譜柱進行分離，后送入FID檢測器檢測，檢測的信號通過分析儀器工作站軟件分析后，以數(shù)據(jù)的形式在工控機顯示CH4的數(shù)值，分析儀器測量后氣體進入再排到培養(yǎng)箱內(nèi)，保持氣體組分不變。

4.3特點及優(yōu)勢

高精度CH4的測量：系統(tǒng)氫氣、空氣流量全部采用電子流量控制，不受環(huán)境壓力、溫度變化影響，讀數(shù)準確可靠；柱箱控制精度優(yōu)于±0.05℃，可編程的最大3階線性升溫，重現(xiàn)性好。 FID檢測器具有自動點火功能，火焰熄滅后自動切斷氫氣，具有氫氣泄漏監(jiān)測和保護系統(tǒng)，安全可靠；超溫自動保護功能，免于器件的損壞。

高精度CO2的測量：系統(tǒng)允許氣體模塊的零點和跨度等校準操作，內(nèi)部循環(huán)式散熱和保溫結構，恒溫控制設計，用戶可以通過移動網(wǎng)絡（GSM/4G/5G）或局域網(wǎng)(有線/無線)實現(xiàn)遠程控制及故障診斷。模塊化設計采用模塊化設計，方便維護以及組合。體積小巧體積小巧，占地少，便于運輸與安裝，低耗能。

五、結論

目前，植物固碳釋氧方面的研究已經(jīng)取得一定的成果,但是研究重點集中于喬木、灌木等園林植物，針對草本植物和半灌木研究較少，特別是在自然環(huán)境中生長的野生植物資源就鮮有報道。我國作為植物資源大國有著豐富的植物資源和多樣的生態(tài)環(huán)境，所以有必要開展野生植物固碳釋氧方面的研究。

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