成都市沙河主要綠化樹種固碳釋氧和降溫增濕效益

張艷麗，費世民，李智勇，孟長來，徐 嘉

(1.中國林業(yè)科學研究院，北京 100091;2.四川省林業(yè)科學研究院，成都 610081)

21世紀城市應與大自然和諧共處，城市河流要更好的協(xié)調城市發(fā)展與環(huán)境的關系。河流廊道作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，發(fā)揮著改善城市地域內生態(tài)環(huán)境的重要作用。植物通過光合作用發(fā)揮固碳釋氧和降溫增濕的功能，對改善城市空氣質量，實現(xiàn)城市生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)具有重要意義［1-2］。因此，在進行河流植物廊道規(guī)劃時，不僅要考慮植物的美學功能，更應注重其生態(tài)效益的發(fā)揮，但同樣作為當?shù)爻鞘械闹饕参?，生態(tài)功能差別比較明顯，且相同樹種在不同地區(qū)所表現(xiàn)出的生態(tài)功能也大不相同［3-5］。近年來，對城市河流植物廊道的研究主要集中在植物群落植物配置等方面，而在生態(tài)功能定量化的研究還很少。本文對成都市沙河植物廊道的主要綠化樹種進行研究，以期對成都市河流廊道綠化樹種的合理配置及環(huán)境效益的定量評價提供科學依據(jù)，為今后城市森林特別是沿河流人工植物群落的建設和改造提供參考。

1 研究方法

1.1 試驗材料

在對成都市沙河植物廊道現(xiàn)有的植物種類和生長狀況進行調查與分析的基礎上，根據(jù)樹種出現(xiàn)的頻率及重要值等綜合特征，選擇水杉、天竺桂、香樟、垂柳、桂花、山杜英、銀杏和黃葛樹8種健康的成林植株作為試驗材料(表1)。

表1 試驗材料Table 1 Experimental materials

1.2 三維綠量的測定

根據(jù)實際情況，為計算方便將樹體近似的看作立方體。測定喬木樹種的冠幅和冠高，采用俞慧珍和葉年山［6］的徑-高樹冠綠量方程(表2)計算三維綠量。

為消除測量過程中偶然誤差的影響，采取多次測量求平均值的方法，使測量結果盡可能的精確。以被測樹為中心，在東南、西北方向上分別用測高儀測定株高X1，X2，根據(jù)樹高H=(X1+X2)/2，求出平均樹高H。再用皮尺或用測高儀(適用于冠下高較高的樹種)測出冠下高H1，根據(jù)冠高h=H-H1，求出冠高。

在樹冠邊緣上任取一點，經(jīng)樹干橫截面圓心取與之相對的另一點，測兩點間的距離D。重復3次，分別測得Dl、D2、D3。根據(jù)D=(D1+D2+D3)/3，計算得到平均冠幅D。

1.3 樹種葉面積的估算

本次研究采用以下樹木葉面積回歸模型估算不同樹種的葉面積量［7］:

式中，Y為葉面積總量;H為樹冠高度;D為樹冠直徑;S1=πD(H+D)/2

表2 三維綠量計算公式Table 2 Formula of Tridimensional Green Biomass

植物所覆蓋的的土地面積為植物樹冠投影面積S2(m2):S2=1/4πD2。因此，單株葉面積指數(shù)的計算公式為:ILA=Y/S2

1.4 固碳釋氧量的測定

根據(jù)植物光合作用原理，植物的固碳釋氧、降溫增濕效應的計算，依賴于對植物光合速率及蒸騰速率的測定。在樹木生長季，從闊葉樹種長出的葉達到儀器測量范圍(蓋滿整個葉室)開始。在2009年具有代表性的4月、7月、10月各選1周，于晴朗、無風的天氣情況下，在自然光照條件下，從8:00到18:00，每隔2 h用LI-6400XT型光合儀進行觀測。同一樣地內選擇健康植株3株，每株取3片葉，隨機選取樹木向陽面中部的葉片進行測定。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，每片葉取5個瞬時光合速率值。

用簡單積分法求得植物葉片在1d內的凈同化量。植物在測定當日的凈同化量計算公式為［8-11］:

式中，p為測定日的同化總量(mmol·m-2·s-1);pi為初測點的瞬時光合作用速率;pi+1為下一測點的瞬時光合作用速率(μmol·m-2·s-1);ti為初測點的瞬時時間(h);ti+1為下一測點的時間(h);j為測試次數(shù)。3600指每小時3600s;1000 指1mol為1000μmol。

用測定日的同化總量換算為測定日固定CO2量為:

式中，44為二氧化碳的摩爾質量;WCO2為單位面積的葉片固定CO2的質量(g·m-2·d-1)

根據(jù)光合作用的反應方程CO2+4H2O→CH2O+3H2O+O2，可計算出該測定日植物釋放O2的量為:

(1)某植物單位葉面積平均每天吸收CO2和釋放O2量的計算公式:

式中，WCO2平均為某植物單位葉面積平均每天釋放O2量(g);WO2平均為某植物單位葉面積平均每天吸收CO2量;P平均為平均單位面積的日同化量(g·m-2·d-1)。

(2)單株植物單位土地面積上的日固碳釋氧量為:

式中，ILA為單株葉面積指數(shù);QCO2為日固定CO2的量(g·m-2·d-1);QO2為日釋放O2的量(g·m-2·d-1)。

(3)植物年吸收CO2和釋放O2總量的計算公式:

因為降雨量大于5 mm/d時，植物光合作用積累量與呼吸作用消耗量大致相抵。據(jù)成都市30a的氣象數(shù)據(jù)顯示，成都市一年中平均降雨量超過5 mm的天數(shù)為41.9 d，無霜凍期287 d，植物生長期252.6 d。由3月16日—11月22日的生長期中平均有40 d降雨量超過5 mm，因此植物1a實際進行光合作用的天數(shù)為212.6 d。

1.5 降溫增濕的測定

根據(jù)植物光合作用原理，蒸騰作用和光合作用的推動力都是太陽輻射能，水分的散失與CO2的吸收大體上經(jīng)過相同的途徑(方向相反)。液態(tài)的水經(jīng)過植物的蒸騰作用，由葉片的氣孔和角質層以氣態(tài)形式散發(fā)到空氣中，并從環(huán)境中吸收熱量，降低周圍環(huán)境中的溫度，增加濕度，從而達到改善周圍環(huán)境小氣候條件的作用。具體測定同固碳釋氧的測定。

(1)某天某種植物單位葉面積降溫增濕的量

式中，E為該植物在該測定日的蒸騰總量(mol·m-2·d-1);ei為初測點的瞬時蒸騰作用速率(mmol·m-2·s-1);ei+1為下一測點的瞬時蒸騰作用速率(mmol·m-2·s-1);ti為初測點的測試時間(h);ti+1為下一測點的時間(h);j為測試次數(shù)。3600指每小時3600s;1000指1mol為1000μmol。

用測定日的蒸騰總量換算為測定日釋放水的質量為:

式中，18為水的摩爾質量(g·m-2·d-1)。

每平方米葉片在一天中因蒸騰作用散失水分而吸收的熱量Q為:

式中，Q為單位葉面積每日吸收的熱量(J·m-2·d-1);W為植物日蒸騰總量(g·m-2·d-1);L為蒸發(fā)耗熱系數(shù)(L=597-0.57×t，t為溫度);4.18J=1Cal。測定日的 t值4 月為17.5℃，7 月為30.6℃，10 月為 26.6℃。

(2)某種植物單位葉面積日平均降溫增濕的量

式中，WH2O平均為某植物單位葉面積平均每天釋放H2O量(g);Q為某植物單位葉面積平均每天吸收的熱量(kJ·m-2·d-1);E平均為單位面積的日平均蒸騰量(mol·m-2·d-1)。

護理禮儀屬于職業(yè)禮儀范疇，是護理工作者在進行醫(yī)療護理和健康服務過程中形成的被大家公認的和自覺遵守的行為規(guī)范與準則[1]。隨著醫(yī)學模式的轉變，護士不僅要掌握專業(yè)知識和技能，還要具備一定的人文修養(yǎng)[2]，為患者提供更優(yōu)質的護理服務，避免護患糾紛的發(fā)生；不僅具備嫻熟的技能和較強的病情觀察能力，還應具有良好的職業(yè)禮儀素質與溝通能力。護理禮儀與人際溝通是培養(yǎng)護理專業(yè)學生職業(yè)禮儀素質和溝通能力的一門人文學科。為了解護生對本課程教學的滿意度，筆者對我院2013級大專護生進行了教學滿意度調查，現(xiàn)報告如下。

(3)綠地蒸騰降溫作用的計算

考慮到空氣的湍流、對流和輻射作用，空氣與葉面之間及空氣微氣團之間不斷地進行熱量擴散和交換，取底面積為10 m2、厚度為100 m的空氣柱作為計算單元。在此空氣柱體中，因植物蒸騰消耗熱量(Q)是取自于周圍1000 m3的空氣柱體，故使氣柱溫度下降。氣溫下降值用下式表示:

式中，Q為綠地植物蒸騰使其單位體積空氣損失的熱(J·m-3·h-1);pc為空氣的容積熱容量(1256 J·m-3·h-1)。

2 結果與分析

2.1 葉面積指數(shù)分析

由表3可知，各樹種三維綠量除山杜英、水杉差異不顯著，其他差異較顯著，而單株葉面積除香樟和黃葛樹差異不顯著，其他差異較顯著。垂柳的三維綠量最高，為42.86 m3，依次是香樟、黃葛樹、銀杏、桂花、天竺桂、水杉，山杜英的三維綠量最低，為3.12 m3。單株葉面積，垂柳最高為49.71 m2，其次是黃葛樹、香樟、銀杏、天竺桂、桂花、水杉，山杜英最低為8.69 m2。表明植株三維綠量越大，其總葉面積就越大。葉面積大小對凈化空氣、防污滯塵、降低噪音等綜合環(huán)境效應有很大影響，因此應當多選擇單株葉面積較大的樹種以增加對環(huán)境的貢獻率。葉面積指數(shù)水杉最高，為8.01，依次為銀杏、山杜英、香樟、垂柳、天竺桂、黃葛樹，桂花最低為2.86。水杉的平均單位體積葉面積最高為4.62 m2/m3，依次是天竺桂、山杜英、桂花、銀杏、黃葛樹，垂柳最低為1.16 m2/m3，這反映了水杉枝葉茂密，樹冠郁閉度較高;垂柳枝葉相對分散，導致其單位體積內的葉面積最低。單位體積葉面積取決于該植株單位體積的大小，因此葉面積大，其單位體積葉面積不一定大。

表3 單株三維綠量、葉面積、葉面積指數(shù)、單位體積葉面積Table 3 Tridimensional green biomass，leaf area，leaf area index and leaf area per unit volme of each tree

2.2 固碳釋氧能力分析

2.2.1 各季節(jié)日固碳釋氧量分析

不同植物在同一季節(jié)的單位葉面積固碳釋氧量有明顯差異(表4)。在春季，香樟具有較高的固碳釋氧量，從大到小的排列順序是:香樟＞黃葛樹＞山杜英＞天竺桂＞桂花＞垂柳＞銀杏＞水杉。夏季，垂柳具有較高的固碳釋氧能力，從大到小順序有所變動，排列順序為:垂柳＞黃葛樹＞桂花＞香樟＞山杜英＞銀杏＞水杉＞天竺桂。秋季，桂花的固碳釋氧較強，從大到小排列順序為:桂花＞垂柳＞香樟＞山杜英＞黃葛樹＞天竺桂＞銀杏＞水杉，落葉樹種銀杏、水杉、垂柳和黃葛樹的光合速率下降很多，這跟其生長周期有關。

單株植物單位土地面積上的日固碳釋氧量:春季，香樟最高，固碳釋氧分別為29.07 g·m-2·d-1和21.14 g·m-2·d-1，水杉最低，分別為10.83 g·m-2·d-1和7.87 g·m-2·d-1;順序為香樟＞山杜英＞黃葛樹＞銀杏＞天竺桂＞垂柳＞桂花＞水杉。夏季，水杉最高，固碳釋氧分別為100.52 g·m-2·d-1，和73.11 g·m-2·d-1，天竺桂最低分別為11.62 g·m-2·d-1和8.45 g·m-2·d-1;順序為水杉＞山杜英＞銀杏＞垂柳＞香樟＞黃葛樹＞桂花＞天竺桂。秋季，垂柳最高，固碳釋氧分別為46.52 g·m-2·d-1和33.83 g·m-2·d-1，天竺桂最低，分別為22.44 g·m-2·d-1和16.32 g·m-2·d-1;順序為:垂柳＞桂花＞山杜英＞水杉＞香樟＞銀杏＞黃葛樹＞天竺桂。

用日均凈光合速率來分析8種植物日固碳釋氧量的季節(jié)變化，不同植物表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。3個季節(jié)植物生長的固碳釋氧量夏季最高(表4)，樹種各季節(jié)的固碳釋氧能力表現(xiàn)出夏季＞秋季＞春季。

2.2.2 年固碳釋氧能力分析

由表5可知，不同樹種間的年固碳釋氧效應差異明顯。其中，平均單位面積的日同化量，桂花最高，為287.40 mol·m-2·d-1，在固碳釋氧能力上也高于其他樹種，平均日固碳量為12.65 g·m-2·d-1，釋氧量為9.20 g·m-2·d-1;其次為垂柳，平均日固碳量為12.65 g·m-2·d-1，釋氧量為9.20 g·m-2·d-1;水杉最低，平均日固碳量為6.46 g·m-2·d-1，釋氧量為4.70 g·m-2·d-1。單位葉面積平均每天固碳釋氧順序為:桂花＞垂柳＞香樟＞黃葛樹＞山杜英＞銀杏＞天竺桂＞水杉。植物年固碳釋氧總量垂柳最高，分別為131.30 kg和95.49 kg;水杉最低，分別為20.89 kg和15.19 kg。年固碳釋氧順序為:垂柳＞香樟＞黃葛樹＞銀杏＞桂花＞天竺桂＞水杉＞山杜英。計算結果表明，所測試樹種白天固定CO2的質量平均為10.10 g·m-2·d-1，釋放O2的質量平均為7.43 g·m-2·d-1。年固定CO2的質量平均為60.19 kg株-1，釋放 O2的質量平均為43.77 kg/株。

表4 樹種各季節(jié)日固碳釋氧能力Table 4 Daily carbon sequestration and oxygen release capabilities of trees in different seasons

表5 樹種年固碳釋氧能力Table 5 Annual carbon sequestration and oxygen release capabilities of trees

2.3 降溫增濕能力分析

2.3.1 各季節(jié)日降溫增濕能力分析

本文通過測定各樹種在春、夏、秋三季的蒸騰速率日變化來估算單位葉面積降溫增濕能力，結果表明，在同一季節(jié)不同植物有明顯差異，而同一植物在不同季節(jié)也有明顯變化。

從表6可以看出，春季，銀杏蒸騰吸熱量最高，為2007.16 kJ·m-2·d-1，日釋水總量為817.99 g·m-2·d-1，降溫度數(shù)能達到0.13℃。最弱的是桂花，蒸騰吸熱量僅有605.31 kJ·m-2·d-1，日釋水總量僅有246.68 g·m-2·d-1，降溫效果只有0.04℃。從大到小排列順序為:銀杏＞垂柳＞水杉＞山杜英＞香樟＞黃葛樹＞天竺桂＞桂花。夏季，水杉的蒸騰吸熱量最高，為8931.20 kJ·m-2·d-1，日釋水總量為3686.69 g·m-2·d-1，降溫度數(shù)能達到0.59℃。最弱的是桂花，蒸騰吸熱量僅有4922.41 kJ·m-2·d-1，日釋水總量僅有2031.91 g·m-2·d-1，降溫效果只有0.33℃。從大到小排列順序為:水杉＞山杜英＞天竺桂＞垂柳＞黃葛樹＞香樟＞桂花＞銀杏。秋季，垂柳蒸騰吸熱量最高，為3870.85 kJ·m-2·d-1，日釋水總量為1882.82 g·m-2·d-1，降溫度數(shù)能達到0.26℃。最弱的是銀杏，蒸騰吸熱量僅有988.96 kJ·m-2·d-1，日釋水總量僅有985.41 g·m-2·d-1，降溫效果只有0.07℃。從大到小排列順序為:垂柳＞山杜英＞水杉＞香樟＞黃葛樹＞天竺桂＞桂花＞銀杏。

用日蒸騰量來分析8種植物降溫增濕的季節(jié)變化，不同植物表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。通過對3個季節(jié)植物生長的降溫增濕量，樹種夏季的降溫增濕量最高(表6)，樹種各季節(jié)的降溫增濕能力表現(xiàn)出夏季＞秋季＞春季。

表6 樹種各季節(jié)日降溫增濕能力Table 6 Daily heat absorbing and water releasing capabilities of trees in every seasons

2.3.2 單位葉面積日平均降溫增濕能力分析

整株植物的日蒸騰釋水量取決與其單位葉面積日蒸騰量，因此植物的生態(tài)效益與物種的生態(tài)學特征緊密相關。由表7可以看出，不同樹種間的單位葉面積日平均蒸騰量、平均日釋水量和日平均蒸騰吸熱量差異明顯，均為垂柳最高，分別為112.46 mol·d-1·m-2、2024.27 g·d-1·m-2、4931.38 kJ·d-1·m-2，最低為桂花，分別為53.58 mol·d-1·m-2、964.40 g·d-1·m-2、2349.40 kJ·d-1·m-2。從高到低的順序為垂柳＞山杜英＞水杉＞天竺桂＞黃葛樹＞香樟＞銀杏＞桂花。降溫增濕能力，垂柳最強。所以垂柳能發(fā)揮較好的生態(tài)功能適宜大面積綠化。

植物由于蒸騰作用使其周圍空氣降溫程度因植物蒸騰作用強弱而不同，蒸騰最強的垂柳可使其周圍1000 m3空氣降溫0.33℃;水杉和山杜英可使周圍1000 m3空氣降溫0.28℃;蒸騰最弱的桂花可使周圍1000 m3空氣降溫0.16℃，銀杏的降溫值與其相近為0.17℃。順序從高到底依次為垂柳、山杜英、水杉、天竺桂、黃葛樹、香樟、銀杏、桂花。這個降溫值，是在充分考慮了大氣的對流、湍流、輻射產(chǎn)生的熱量交換的基礎上做出的。所測試樹種白天釋放的H2O質量平均為1470.78 g·d-1·m-2，吸收熱量平均3426.60 kJ·d-1·m-2。相當于每公頃森林葉面積上每天蒸騰14.71 t的H2O，消耗3426.60 kJ的熱能。

表7 樹種單位葉面積日平均降溫增濕能力Table 7 Daily average heat absorbing and water releasing capabilities of per unit leaf areaof trees

3 結論與討論

不同樹種各季節(jié)固碳釋氧能力有一定的差異，同一樹種在不同的生長季節(jié)也有差異。所測樹種固碳釋氧能力表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季，這與陸貴巧［14］在大連和李永杰［15］在北京的研究結果相一致。而史曉麗［16］研究北京的行道樹認為樹種在不同季節(jié)固碳釋氧量的總體變化趨勢表現(xiàn)為夏季＞春季＞秋季。在夏季，垂柳具有較高的日固碳釋氧能力，其次是香樟和銀杏，這與王麗勉［5］在上海地區(qū)的研究結果一致。綠色植物的固碳釋氧效應源于植物葉片的光合作用，是通過葉片表面與周圍環(huán)境產(chǎn)生交流與相互作用完成的。單株葉面積和葉面積指數(shù)反應樹木葉片的疏密程度，葉面積指數(shù)越大，說明單位土地上的葉面積越多，葉片的層疊程度越大，對光能可形成多層利用，減少了光能的浪費［9］。因此，對于整株植物的固碳釋氧量不僅取決于白天的凈光合速率和其夜間呼吸，還取決于該樹種葉面積指數(shù)。同時人工修剪量、凋落物量和動物取食量的大小也是影響因素［17］。綠量研究、簡易測定及環(huán)境效益之間的量化關系可為城市河流廊道的規(guī)劃提供一定的理論依據(jù)［18］。因此，在評價綠地固碳釋氧效應時，不能僅以植物的光合作用能力為評價指標，還應將植物綠量納入綜合考慮。研究結果表明，三維綠量與生態(tài)效益的高低總體來說成正比關系，即三維綠量越大，生態(tài)效益相對越好，這與陳芳［19］提出的綠量是反映及衡量綠色環(huán)境生態(tài)功效的結論是一致的。垂柳的年固碳釋氧能力居所測樹種之首，雖然其單位葉面積的日固碳釋氧量不高，但其葉面積指數(shù)遠高于其他樹種，使得單株固碳釋氧能力得到較大的提高，因此是植物配置中比較優(yōu)秀的喬木樹種。香樟的年固碳釋氧能力也較強，因此，樟柳配置模式在改善空氣質量方面具有較好的效果，是兼具生態(tài)效益和景觀效果的綠化配置模式。桂花四季常青，枝葉繁茂，樹齡長久，秋季開花，芳香四溢，其單位葉面積固碳釋氧量居喬木之首，又因其強耐煙塵，抗污染及抗有毒氣體能力，且適應粗放管理，具有較強的綜合生態(tài)效應，應在城市綠地中大力推廣。

植物的另一功能是降溫增濕，植物一方面阻擋陽光，減少到達地面的輻射熱量;另一方面通過蒸騰作用吸收周圍環(huán)境中的熱量降低空氣溫度，同時向環(huán)境中釋放水分增加空氣濕度，從而調節(jié)小氣候［20］。因此，植物對城市熱島效應可以起到緩解作用，實現(xiàn)城市生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。整個生長季節(jié)同一樹種各季節(jié)的降溫增濕能力表現(xiàn)出夏季＞秋季＞春季。而汪成忠［21］的研究則與本文的結果不一致，桂花的降溫增濕能力表現(xiàn)為夏季＞春季＞秋季，這可能與所處的地理位置，生態(tài)環(huán)境有一定的關系。研究區(qū)喬木樹種單位葉面積日平均蒸騰量、平均日釋水量和日平均蒸騰吸熱量，從高到低的順序為:垂柳＞山杜英＞水杉＞天竺桂＞黃葛樹＞香樟＞銀杏＞桂花。由于垂柳年固碳釋氧和年降溫增濕能力優(yōu)于其他樹種，能發(fā)揮較好的生態(tài)功能，所以垂柳可在河流群落樹種的選擇中作為優(yōu)選樹種。

根據(jù)樹種的固碳釋氧和降溫增濕能力，在樹種選擇時喬木樹種優(yōu)選垂柳、桂花、山杜英、香樟，而銀杏的固碳釋氧和降溫增濕能力較弱，可作為長壽樹種和觀賞樹種適量引種，不宜大面積綠化。沙河綠化樹種中有高大喬木12.2×104株，如果按所測樹種每株年固碳釋氧量的平均值計算，沙河植物群落年總固碳量約為5.87×104t，總釋氧量約為4.27×104t。因此，就研究區(qū)喬木樹種而言，固碳釋氧和蒸騰吸熱量相當可觀。

本文只針對喬木樹種進行了實地測定，雖然灌木和草本植物在固碳釋氧和降溫增濕上不如喬木，但植物群落除了具有良好的生態(tài)效益外，還應兼顧景觀多樣性。因此，在河流廊道建設中，應以喬木為主，輔以灌木和花草組成喬灌花草多復層結構，并配以比例，使具有不同生態(tài)特性的植物各得其所，各盡所能，充分利用陽光、水分、土地空間，組建和諧有序的群落，增強規(guī)模效應，這樣才能提高單位綠地上的三維綠量，進而提高綠地生態(tài)效益。在本次測定中，有些喬木樹體高大，所以未能進行活體數(shù)據(jù)的采集，對測量結果會有一定的影響。

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