植物固碳释氧研究

本文部分内容摘自：安徽农业科学,Journal of Anhui AgriSci.2012,40(18):9688-9689

概述

工业化的迅速发展导致绿地面积大幅减少，大气环境日益破坏，生存环境不断受到威胁。绿色植物作为生态系统的初级生产者，具有固碳释氧的天然生理机能。固碳释氧作为一种重要的生态功能，在自然界的物质循环和能量流动中起着重要的调节作用。它对减轻自然环境的压力，消弱“温室效应”、“热岛效应”的影响，实现生态系统的自我保护和良性循环起着重要的作用［1］。

一、固碳释氧定义

固碳（Garbon sequestration）,也叫碳封存，指以捕获碳并安全封存的方式来取代直接向大气中排放 CO2的过。释氧(Oxygen Release)指某物质经过复杂的化学变化释放出O2的过程［2］。对于绿色植物，固碳释氧指在可见光的照射下，利用叶绿素等光合色素，将CO2和H2O转化为能够储存的有机物并释放出O2，维持空气中的碳氧平衡的生化过程。

二、研究意义

空气是人类生存所不可缺少的物质，是重要的外环境因素之一。由于人类的活动频繁，煤、石油、天然气等消耗量激增,大气中 CO2含量不断增加。在过去的100年中CO2含量由295ul/L增加到320ul/L，引起大气升温，产生热岛效应，形成上空逆温层，加剧了空气的污染［3-4］。有研究表明当空气中 CO2，浓度达到0.05% 时,人的呼吸受到影响；当含量达到0.2%-0.6%时更加危害人体健康［5］。绿色植物通过光合作用吸收 CO2和放出O2。这对于保持空气中 CO2和O2的浓度，缓解或消除局部缺氧，改善局部地区空气质量，调节大气碳氧平衡显得尤为重要。因此，开展植物固碳释氧研究，不仅能够探索植物光合作用的生理机能，而且可为生态环境改善、绿地规划设计等提供重要依据。

三、研究现状

植物固碳释氧的研究始于20 世纪六七十年代，近十几年才被人们所重视。我国对植物固碳放氧的研究起步较晚，进入20世纪90年代后，林植物固碳放的研究才有了发展，逐渐取得一定的研究成果。

20世纪70年代以来，绿化植物的生态效益研究得到广泛的发展，研究内容涉及降温增湿、吸收 CO2及有害气体、释放O2，抗污、滞尘、杀菌和减低环境噪音等［6］。目前的研究又有了新的进展，已从植物个体、群体的生态效益以及植物生态效益的生理机理等发展到定量研究这种作用与绿地定额的关系。在研究大气污染方面，不但研究植物对污染物的净化能力，而且较全面地分析植物叶片污染物含量的积累途径以监测大气污染的程度和评价大气环境质量。研究表明，当绿化覆盖率达到30%以上时，CO2的瞬时质量浓度呈直线有规律的下降；当绿化覆盖率达到50%时，空气中的CO2保持在正常质量浓度320 mg/kg。每公倾公园绿地每天可吸收C02  900 kg，可产生 O2600 kg［7］。

李辉等比较分析了北京城市居住区3种种结构型的绿地(乔灌草型、灌草型和草坪型)对环境的降温增湿和CO2调节作用，定量评估了3 种绿地夏季降温增湿效应。研究表明，乔灌草型绿地改善环境碳氧平衡、降温增湿方面的作用优于灌草型和草坪型2种绿地［6,8］。宋西德等选择单株林木、片林、灌木林、草坪4 种典型绿地，以裸地为对照，对不同绿地在中心点不同距离水平方向及垂直方向降低空气温度、增加空气湿度进行了观测与研究，并对城市不同绿地的生态效应做出比较［9］。王晓明等以位于亚热带地区的城市公园绿地为例，选取碳氧平衡、水土涵养和小气候调节3个方面的 CO2 - O2吸释量、群落需水量、保土量、蒸散耗热量等指标，对城市公园植被的不同群落结构类型进行了生态效应的定量评价。结果表明，有乔灌草3层结构的林地群落的生态效应平均为单层结构的草坪群落的2～3 倍［10］。李国泰对8种广州园林植物进行了气体交换参数的测定，结果表明消耗等量水分的树种固定二氧化碳的数量不同。同时，对不同类植物光合与水分利用效率差别的比较，可为园林植物的选择和栽培管理提供依据［11］。

范亚民以南宁青秀山城郊风景区作为研究对象，于2001年8月和10月对城郊绿地进行系统研究，测定不同植被类型的光合作用、固碳释氧、绿量。结果表明，以乔灌草为主的绿地类型在固碳释氧量、叶面积指数等方面明显优于乔木、灌木单纯一种植物的配置模式，每平方米的绿地面积上每天可固碳34.27g，产氧24.19g 。由此可知，绿地独特的下垫面及复层结构类型对环境质量良性的生态影响是显著的、多效的［12］。乌仁陶格斯以干旱半干早区达拉特电厂厂区绿化为例，评价了园林绿化所具有的调节碳氧平衡。根据该厂绿地系统中所选种的绿化树种吸碳放氧的作用效果，落叶阔叶树类的吸碳放氧最佳，其次为花灌木和针叶乔木树种,草类最差［13］。史红文等研究发现，灌木的光合速率和单位面积固碳释氧量高于乔木，常绿植物的光合速率和单位面积固碳释氧量高于落叶植物；乔木和落叶植物整株固碳释氧量高于灌木和常绿植物［14］。谭庆等研究武汉 31 种野生地被植物，结果表明叶片颜色较深且偏革质的植被固碳释氧能力较强［15］。这主要和叶片叶绿素和花青苷的含有关。花青苷含量高有利于光能吸收，光合速率加大,从而固碳释氧能力高。同时发现，地被植物的固碳释氧能力比一般乔木和灌木低，但是乔灌草复合结构的生态效益较高。

植物吸收CO2和释放O2是其最基础的生态功能。碳平衡效应的研究方法是测定植物的净光合速率来确定碳氧平衡效应的差异，再与一定范围内该植物的绿量相乘，得到一种植物在一定范围内的效益值。有研究表明，不同的植物因生理特性不同，同化CO2和释放O2的能力亦有差异；即使同一树种，在不同的生长季节也有显著的差异，生物量越大的植物光合能力越强，周碳释氧量则越高，表现为乔木 >灌木>草本［16］。考虑到环境因素和物种自身的差异，这一规律还需进一步验证。从季节来看，植物固碳释氧能力表现为夏季 >秋季>春季，主要是由于夏季温度升高时，植物对光能的利用率或高，光合作用增强［17］。

四、研究方法

4.1适用产品

根据工况情况，M-3000C是对空间气体连续自动监测，系统测量出高精度CO2和高精度CH4， 采用红外分析仪与 GC-FID工业在线气相色谱［分析仪选型：M-6500红外分析仪、M-6900在线色谱分析仪（VOCI阀+色谱柱FID检测器）］。

M-3000C气体在线连续监测系统，由采样系统、样品预处理系统、运行保障系统、在线监测系统等组成，该系统具有维护标定、故障诊断/报警功能，并配有工控机，可以连接业主指定的电脑，无线传输到客户远端显示器等，并上传上级领导部门。

4.2产品概述

通过该气体自动监测系统获取培养箱内的CO2、O2、CH4气体的浓度变化的观测数据，进一步掌握气体浓度动态变化，为建立气体浓度变化数据库及排放源和吸收汇估算、比较、验证评估系统奠定基础，为有效评估固碳提供科技支撑。可以依托学校的的物联监测网，建立气体监测体系。

本项目通过监测要素，分别为二氧化碳、甲烷气体监测，实现从在线监测、分析、标校，到观测气体数据规范统一 数据管理、数值模式分析以及业务化服务的一体化专业平台。

气体在线监测系统的建设，即：仪器分析系统、配套系统（在线进气系统，样气选择与控制系统，标定模块）、气体数据评估系统和在线监测系统。

M-3000C气体自动监测系统，从培养箱内采样口采集植物释放中的气体，通过采样探头、样气传输单元、预处理单元，送至红外分析仪及GC-FID检测单元。从而检测出气态污染物的浓度，并在控制单元的控制下进行校准功能。

产品正常运行的状态为：

A、在绿色植物生长阶段，先分析监测CO2与O2的浓度：样气首先由采样探头吸入工艺管道内采出，通过三通阀等进入分析柜，先一路进入红外分析仪进行测量CO2与O2的浓度，分析后的气体再循环排到培养箱内，保持培养箱内的气体组分不变；

B、在植物死亡阶段，通过阀门的切换，另一路气体进入色谱仪的十通注射阀注入色谱柱进行分离，后送入FID检测器检测，检测的信号通过分析仪器工作站软件分析后，以数据的形式在工控机显示CH4的数值，分析仪器测量后气体进入再排到培养箱内，保持气体组分不变。

4.3特点及优势

高精度CH4的测量：系统氢气、空气流量全部采用电子流量控制，不受环境压力、温度变化影响，读数准确可靠；柱箱控制精度优于±0.05℃，可编程的最大3阶线性升温，重现性好。 FID检测器具有自动点火功能，火焰熄灭后自动切断氢气，具有氢气泄漏监测和保护系统，安全可靠；超温自动保护功能，免于器件的损坏。

高精度CO2的测量：系统允许气体模块的零点和跨度等校准操作，内部循环式散热和保温结构，恒温控制设计，用户可以通过移动网络（GSM/4G/5G）或局域网(有线/无线)实现远程控制及故障诊断。模块化设计采用模块化设计，方便维护以及组合。体积小巧体积小巧，占地少，便于运输与安装，低耗能。

五、结论

目前，植物固碳释氧方面的研究已经取得一定的成果,但是研究重点集中于乔木、灌木等园林植物，针对草本植物和半灌木研究较少，特别是在自然环境中生长的野生植物资源就鲜有报道。我国作为植物资源大国有着丰富的植物资源和多样的生态环境，所以有必要开展野生植物固碳释氧方面的研究。

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