不同朝向的五葉地錦對(duì)墻體的降溫效果及生理機(jī)制

魏永勝，蘆新建，趙廷寧，4，周心澄，4，王 堃

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院，北京 100094；3.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京 100083；4.北京林業(yè)大學(xué) 邊坡綠化研究所，北京 100083）

攀援植物是一類不能自由直立，須通過主莖的纏繞或攀緣器官的攀援才能在水平或垂直空間內(nèi)生長的植物［1－2］，被廣泛地應(yīng)用于垂直綠化，以增加綠化面積，提高綠化指數(shù)。對(duì)攀援植物的研究目前已經(jīng)從分類、生長習(xí)性和應(yīng)用等方面［3－4］轉(zhuǎn)入生態(tài)效益方面［5－6］，如在釋氧、固碳、增濕和降溫等。張迎輝等［6－7］通過蒸騰潛熱計(jì)算了爬山虎Parthenocissus tricuspidata對(duì)周圍1 000 m3空氣的降溫增濕效果，表明可以降溫0.45℃，增加濕度0.39%。照射在植物表面的輻射能，除通過蒸騰散失以外，還應(yīng)包括葉片的反射與透射、對(duì)外長波幅射（只有在植株溫度高于環(huán)境溫度時(shí)才發(fā)生）、光合作用固定能量及植株自身溫度變化吸收或釋放的能量［8］。而關(guān)于這些組分對(duì)降溫效果的影響卻很少涉及。降溫的對(duì)象也是更多地關(guān)注環(huán)境氣溫，而很少對(duì)攀援植物所覆蓋的下墊面（如墻體）的實(shí)際溫度進(jìn)行研究，更缺少在不同朝向墻體上的攀援植物降溫效果的研究資料。因此，也就無從知道攀援植物對(duì)墻體的整體降溫效果，當(dāng)然也無法進(jìn)一步推算因降溫對(duì)建筑物整體能量消耗（如空調(diào)耗電）的影響。本研究選擇生長在不同朝向的五葉地錦Parthenocissus quinquefolia為材料，研究它對(duì)不同朝向墻體的降溫效果，并通過蒸騰、光能利用效率（葉綠素?zé)晒夥ǎ┑戎笜?biāo)解釋其降溫差異的生理學(xué)機(jī)制，以期為攀援植物在垂直綠化中的合理利用及其生態(tài)效應(yīng)的定量化研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)材料為生長于北京林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)學(xué)生公寓3號(hào)樓西和北2個(gè)朝向的墻體，5號(hào)樓東向墻體及南門值班室南墻上生長的五葉地錦。所選擇五葉地錦均已生長到建筑物頂部，覆蓋寬度在3 m以上。

利用Optris Minisight ms+（Optris GmbH，Germany）非接觸紅外測溫儀測定各方位裸露墻體表面溫度（Tbw），植物覆蓋下墻體表面溫度（Tuw）和植物冠層表面溫度（Tc）。Tbw與Tuw的差值為降溫值。測量時(shí)，測溫儀光學(xué)鏡頭離地高度為1.5 m左右，與待測物距離約為2.0 m（測量光斑的直徑為100 mm），且垂直于待測平面，每面墻體隨機(jī)測定5個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)與點(diǎn)之間距離在0.5 m以上。被測墻體均為磚混結(jié)構(gòu)，五葉地錦覆蓋厚度約為0.3 m。測量時(shí)間為8∶00－20∶00，2 h測定1次。

在 9∶00－10∶00利用Li-1600穩(wěn)態(tài)氣孔計(jì)（Li-Cor，USA）測定五葉地錦葉片的蒸騰速率（Tr），相對(duì)濕度（HR），葉面溫度（TL），葉室溫度（Ta）和光照強(qiáng)度。以光強(qiáng)測量儀直接對(duì)準(zhǔn)太陽測量的結(jié)果為總光強(qiáng)（Li），垂直于葉片上表面10 cm測量的結(jié)果為反射光強(qiáng)（Lr），緊貼葉片下表面并保持上表面與入射光垂直所測結(jié)果為透射光強(qiáng)（Lt）。各個(gè)朝向隨機(jī)選5片葉測定，并做標(biāo)記后用于測定葉綠素?zé)晒狻?/p>

在 9 ∶00 和 11 ∶00 利用 OS-30p（Ospi-Sciences，Inc.，USA）測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)（Fo，F(xiàn)m），并計(jì)算Fv/Fm，F(xiàn)v＝Fm－Fo。測定前，夾上暗適應(yīng)夾，進(jìn)行15 min暗適應(yīng)。

數(shù)據(jù)用SAS軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同朝向裸露墻體、冠下墻體及冠層溫度日變化規(guī)律

不同朝向的裸露墻體表面溫度Tbw的日變化規(guī)律是顯著不同的（圖1A），4條曲線均為明顯單峰型，且峰值依次出現(xiàn)，東向墻體溫度在10∶00最先達(dá)到峰值，其后是南向墻體，在14∶00出現(xiàn)，最后是西向和北向墻體，同時(shí)出現(xiàn)在16∶00。而五葉地錦覆蓋下的墻體表面溫度 Tuw日變化（圖1B）不同于Tbw，主要體現(xiàn)在線型和峰值出現(xiàn)的時(shí)間不同。東向和南向的Tuw分別在10∶00和14∶00達(dá)到較高值后，溫度的升高較為緩慢，且最高值顯著低于Tbw。而西向和北向的Tuw峰值出現(xiàn)的時(shí)刻與Tbw相同，但溫度低于Tbw。4個(gè)朝向的最高值均出現(xiàn)在16∶00。不同朝向五葉地錦冠層表面溫度Tc的日變化如圖1C所示，東向Tc曲線為 “M”型，其他3個(gè)朝向的Tc日變化與Tbw相同，且最高溫度出現(xiàn)的時(shí)間也相同，但數(shù)值均低于相應(yīng)的Tbw。

圖1 不同朝向五葉地錦冠層（A）、冠層下墻體表面（B）和相應(yīng)裸墻表面（C）溫度日變化Figure 1 Temperature diurnal variation of bare wall（A），wall under canopy（B）and canopy（C）of different orientations

不同朝向五葉地錦的降溫效果以Tuw－Tbw的值（Td）來表示（表1）。從朝向看，位于東墻上的五葉地錦降溫的效果最好，墻體溫度平均下降值為（5.40±0.61）℃，而北墻上的則只有（0.48±0.07）℃。按時(shí)間分析，10∶00至16∶00降溫效果好，降溫在3.6～5.6℃。位于東墻的五葉地錦對(duì)墻體的降溫效果在10∶00可達(dá)（12.40±0.14）℃，是所有時(shí)段與朝向中最高的，其他3個(gè)朝向的降溫最高值均出現(xiàn)在14∶00。Td與 Tbw的 Pearson相關(guān)系數(shù)為 0.879 4（Td＝－15.90+0.58 Tbw，P＜0.000 1，若按多項(xiàng)式回歸，相關(guān)系數(shù)會(huì)更高，為0.909 9，則Td＝15.90－1.30 Tbw+0.03 T2bw），與Tc的相關(guān)系數(shù)為0.531 4（P＜0.000 1），Tbw與 Tc的相關(guān)系數(shù)為 0.806 8（P＜0.000 1）。由此可見，Tc與 Td均受到Tbw的強(qiáng)烈影響，也表明，在高溫季節(jié)五葉地錦可以有效地降低墻體表面溫度。但東、西和北3個(gè)朝向的Tbw日均值差異并不顯著，分別為（30.40± 0.32），（29.60± 0.69）和（29.30± 0.49）℃（P＜ 0.050 0，n＝ 35），顯著低于南向的（32.90±0.74）℃。而日均降溫值（表1）差異顯著，表明不同朝向墻體上的五葉地錦的生理生態(tài)特性對(duì)降溫效果的影響是顯著的。

表1 不同朝向有無五葉地錦的墻體表面溫度差值的日變化Table 1 Diurnal variation（Td）of difference between Tuwand Tbwon different orientations

2.2 不同朝向五葉地錦葉片對(duì)入射光的反射、透射及蒸騰速率差異

不同朝向五葉地錦葉片對(duì)光的反射、透射及蒸騰等相關(guān)數(shù)據(jù)（表2）顯示，五葉地錦葉片所接受的有效光能輻射以東向和南向的高，其次為西向，而北向最低。而反射率在東向和南向高于西向和北向，但東南之間，西北之間差異不顯著。透射率則以東向最高，其他3個(gè)朝向間差異不顯著，均低于東向。反射率與透射率之和，除東向和北向之間存在顯著差異外，其他任意2個(gè)朝向間均無差異。因此可以表明，朝向?qū)ξ迦~地錦葉片反射能力和透射能力均有影響，但對(duì)兩者的和影響相對(duì)較小。各朝向葉片溫度均低于或接近葉室溫度，差異不顯著，表明葉片與環(huán)境間的長波能量交換并不多。蒸騰速率以東向葉片最高，其他3個(gè)朝向間差異不顯著，且低于東向。而氣孔阻力則以西向葉片最高，而其他3個(gè)朝向間差異不顯著。

表2 不同朝向五葉地錦葉片光利用特性及相關(guān)生理指標(biāo)Table 2 Parthenocissus quinquefolia leaves characteristics of different orientations

2.3 不同朝向五葉地錦葉片的葉綠素?zé)晒馓匦?/h3>

對(duì)不同朝向五葉地錦的熒光參數(shù)的雙因素方差分析（表3）表明，長期在不同朝向生長的五葉地錦熒光參數(shù)Fo和Fv/Fm在不同時(shí)刻有顯著差異。而Fm相對(duì)穩(wěn)定，不隨時(shí)間變化。但進(jìn)一步的分析（表4）表明，對(duì)于Fo，隨冠層溫度的升高，東向、南向和西向五葉地錦的Fo降低，但北向的增加。Fm的變化趨勢與Fo相同。而Fv/Fm相對(duì)變化較小，北向2個(gè)時(shí)刻的值均較低，而其他3個(gè)朝向的值接近。變異系數(shù)（表4）分析也表明，F(xiàn)v/Fm更為穩(wěn)定。因此，生在東向、南向和西向五葉地錦對(duì)光能的潛在利用能力高于北向的五葉地錦。

表3 時(shí)間和朝向?qū)θ~綠素?zé)晒鈪?shù)Fo，F(xiàn)m及Fv/Fm影響的方差分析Table 3 ANOVA of time and orientation effects on fluorescence parameters Fo，F(xiàn)mand Fv/Fm

表4 不同時(shí)間和朝向的五葉地錦葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)及變異系數(shù)Table 4 Fluorescence parameters of Parthenocissus quinquefolia leaves of different orientations and time

2.4 對(duì)墻體的降溫值與各因素的相關(guān)性

通過這些數(shù)據(jù)對(duì)五葉地錦降溫效果中各組分的地位進(jìn)行判斷仍很困難。因此，將所有數(shù)據(jù)按下式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：X＝（xi－xm）/es。利用標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)計(jì)算降溫值與各因素的相關(guān)系數(shù)r（表5）。數(shù)據(jù)表明，除氣孔阻力（Rs）外，降溫值與其他因子均呈正相關(guān)，但僅與蒸騰速率（Tr），冠層溫度（Tc），葉綠素?zé)晒鈪?shù)（Fm），透射率及其與反射率之和的相關(guān)性達(dá)到顯著水平（P＜0.05，n＝20）。

表5 降溫效果與環(huán)境和生理因素的相關(guān)性Table 5 Correlation test of cooling value between condition and physiological factors

3 討論

植被可以緩解城市熱島效應(yīng)已成為一個(gè)共識(shí)［9－10］。目前的研究熱點(diǎn)主要集中于植被效應(yīng)的定量化［11－12］，通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算植被對(duì)環(huán)境溫度的影響［13－14］，以及因此而減少的制冷能源消耗［15－17］等。如 Alexandri等［16－17］計(jì)算結(jié)果表明，在香港，有植被的屋頂氣溫比沒植被的低8.4℃，可降低制冷能耗32%以上。但上述研究中所用植物的相關(guān)參數(shù)多是經(jīng)驗(yàn)估計(jì)值，如Alexandri等［16］在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，植被的反光率和氣孔阻力分別取值為0.30和 1 s·cm－1。不同植物種類因其葉片特性不同，反射能力和氣孔阻力差異是很大的。同一種植物生長在不同環(huán)境下，差異也很大。如本研究中，東側(cè)墻體上五葉地錦葉反射率為（9.1 ± 0.3）%，而北側(cè)只有（7.0 ± 0.7）%，氣孔阻力東側(cè)的為（1.8 ± 0.4）s·cm－1，而南側(cè)可高達(dá)（15.6±3.7）s·cm－1。因此，應(yīng)對(duì)具體植物展開研究。

綠化植物在高溫季節(jié)降低環(huán)境溫度，可包括對(duì)環(huán)境空氣和下墊面影響2個(gè)方面。綠化方式可有平面和垂直2種。綠化植物在平面中有喬、灌、草，而垂直綠化中則主要是攀緣植物。目前，研究最多的是對(duì)環(huán)境空氣溫度的降溫效果［5－7，18］，其次是對(duì)下墊面的降溫效果研究，如杜克勤等［19］的研究表明，在夏季行道樹、攀緣植物和草坪可以使下墊面溫度分別比對(duì)應(yīng)的裸地低2.2～3.2，2.7～3.9和9.8℃，降溫的主要方式是通過蒸騰作用產(chǎn)生的。我們的研究結(jié)果也表明，五葉地錦可以有效降低墻體溫度0.5～5.5℃。但這里是對(duì)垂直墻體的降溫效果，而不是對(duì)水平下墊面的影響。此外，降溫效果會(huì)因所處的朝向不同而產(chǎn)生差異，按東南西北順序依次降低。造成這種差異的原因，是由于所處墻體溫度、蒸騰、冠層溫度、葉片對(duì)入射光的反射、透射及利用能力等不同。盡管蒸騰是主要的生理因素（相關(guān)系數(shù)最高，r＝0.77），但高的蒸騰意味著高的失水，因此，選擇垂直綠化用植物時(shí)，不能僅考慮蒸騰。葉片對(duì)入射光的反射、透射及利用能力也與降溫效果呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，這就為植物種的選擇提供了更科學(xué)的依據(jù)。此外，同一種植物在不同朝向降溫效果顯著不同，尤其是在北向墻體上，降溫效果最低。這固然受墻體溫度的影響，但其生理生態(tài)特征明顯不同。如，在16∶00，東向和北向墻體溫度分別為34.1℃和33.8℃，但降溫值卻分別為3.1℃和0.7℃，而蒸騰及潛在光能利用能力的卻有著顯著差異。這表明，五葉地錦種植在建筑物北側(cè)并不是理想選擇。夏漢平等［20］的研究結(jié)果也表明，異葉爬墻虎Parthenocissus heterophylla在長時(shí)間遮光后出現(xiàn)明顯落葉現(xiàn)象，不是遮光環(huán)境下的首選植物，其優(yōu)勢弱于薜荔 Ficus pumila。因此，在不同的朝向上應(yīng)選擇不同的植物種。

綜上所述，不同朝向的五葉地錦有著不同的降溫效果，對(duì)北向墻體的降溫效果并不理想。降溫的效果主要受墻體溫度、蒸騰、冠層溫度、葉片對(duì)入射光的反射、透射及利用能力等的影響。對(duì)于蒸騰、冠層溫度、葉片對(duì)入射光的反射、透射及利用能力等生理生態(tài)因子對(duì)降溫效果的精細(xì)計(jì)算則有待于進(jìn)一步研究。

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