對南方公路常綠植物固碳釋氧和降溫增濕的研究

劉敏敏,黃滿紅,楊振乾

(1.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201620; 2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院,湖南 410008)

隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展,全球的溫室效應(yīng)越來越嚴重.全球氣候變暖和其巨大的危害嚴重影響經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展,減少以二氧化碳為主的溫室氣體排放刻不容緩.而交通運輸作為主要的碳排放源之一,是溫室氣體減排、緩解氣候變化的重要環(huán)節(jié).公路的綠化植物通過光合作用吸收二氧化碳的特殊生命活動為減排提供了重要措施.植物最重要的功能之一是通過光合作用固碳放氧,通過吸收空氣中的CO2,在一定程度上減弱溫室效應(yīng)[1-2].目前,許多研究者對單種植物或植物小群落以及不同地區(qū)、不同類型園林植物進行了光合速率的測定、固碳釋氧能力研究.如范亞民[3]以南寧青秀山城郊風(fēng)景區(qū)作為研究對象,對城郊綠地進行系統(tǒng)研究,測定不同植被類型的光和作用、固碳釋氧和綠量.馮義龍等[4]對重慶市主城區(qū)綠地中園林植物群落調(diào)查及群落內(nèi)外溫濕度進行測定,并根據(jù)干擾程度、綠地類型、組成結(jié)構(gòu)及郁閉度不同,分析比較群落的物種多樣性及其降溫增濕效應(yīng).陸貴巧等[5]對不同樹種各季節(jié)固碳釋氧能力進行了研究與分析,得出了各樹種日固碳釋氧能力變化為夏季>秋季>春季的結(jié)論.趙萱等[6]測定不同地被植物光合生理生態(tài)指標,并對其固碳釋氧與降溫增濕效應(yīng)進行了量化研究.本研究在他人研究的基礎(chǔ)上對南方某公路中主要綠化植物固碳釋氧與降溫增濕效益進行了研究,并初步分析了氣孔導(dǎo)度和葉綠素與它們的凈同化量、固碳量與釋氧量之間的相關(guān)關(guān)系,以期為公路綠化樹種的選擇和配置提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)域概況

該區(qū)屬北亞熱帶季風(fēng)氣候,溫和濕潤,四季分明.年平均氣溫10.4 ℃,最高氣溫38.2 ℃,最低氣溫零下10.5 ℃,無霜期230 d.年平均降水量1 003.2 mm,雨日137 d.6～7月有梅雨,平均20 d左右.夏秋常有臺風(fēng)過境,平均每年1.5次.局部地區(qū)有時有龍卷風(fēng)、冰雹為害.秋冬多霧.易澇少旱.

1.2試驗材料

對該區(qū)公路現(xiàn)有的植物種類進行實地調(diào)查,選擇了上海市綠化中使用頻度較高的植物:香樟(Cinnamomumcamphora(Linn.)Presl)、珊瑚(Aucubaeriobotryaefolia)、棕櫚(Trachycarpusfortunei)、廣玉蘭(magnoliagrandiflora-linn)、石楠(Photiniaglabra)、紅葉石楠(Photiniaserrulata)、灑金東瀛珊瑚(Aucubajaponicavar.variegataD'Om-Brain)、麥冬(RadixOphiopogonis)、常春藤(Hederahelix)、扶芳藤(EuonymusfortuneiHand.-Mazz)共10種植物.

1.3 試驗方法

1.3.1 光合速率和氣孔導(dǎo)度的測定

采用美國Li-Cor公司生產(chǎn)的Li-6400便攜式光合儀進行測量.選擇3～5月晴朗、無風(fēng)的天氣情況下,在自然光照條件下,從8:00～18:00每隔2 h測量1次.每次每個樹種選健康植株3株,隨機選取樹木的向陽面中部的3～5片葉進行測定,待系統(tǒng)穩(wěn)定后,每片葉取3～6個瞬時光合速率值(Pn)和氣孔導(dǎo)度的值(Cs).進行測試時葉室要將葉片夾緊,保證密封.

測定在不同的時間點光強度不同,從8:00～18:00每隔2 h測量1次的光強度分別為:918.18、1 004.89、1 455.67、1 018.45、887.95、205.98 μmol·m-2·s-1.測定時采用普通葉室,葉室的面積是固定的3 cm×2 cm,測定時保證葉片充滿葉室就可確定測定的面積是6 cm2.測定針狀葉片時,采用多個葉片并列不能存在縫隙的方法進行,保證葉片填滿葉室,測定面積是6 cm2.

用當日凈同化量計算公式計算樹種當日凈同化量,將樹木當日凈同化量換算成固定CO2量、釋放O2量.

1.3.2 葉綠素的測定

取所測的10種植物的新鮮葉片,洗凈后用吸水紙吸干表面水分,作為試驗材料.將干凈葉片剪碎后,準確稱取0.5 g(精確到0.1 mg),放入50 mL 比色管中,加入25 mL提取液.葉綠素提取液為:95% 丙酮—乙醇(用體積比為2∶1 的丙酮—無水乙醇混合液配成95% 的水溶液).比色管加塞放置于25 ℃生化培養(yǎng)箱內(nèi)暗中提取葉綠素.每種提取方法重復(fù)3 次.采用分光光度計測定其含量,計算提取液中葉綠素濃度,換算為每克鮮葉葉綠素含量mg·g-1鮮重.

1.3.3 固碳釋氧能力計算方法

在植物光合作用日變化曲線中,其同化量是凈光合速率曲線與時間橫軸圍合的面積[7].以此為基礎(chǔ),設(shè)凈同化量為P,通常用以下公式計算固碳釋氧量[8].各種植物在測定當日的凈同化量計算公式為:

其中:P為測定日的凈同化總量,單位為mmol·m-2·s-1;Pi是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,單位為μmol·m-2·s-1;ti是初測點的瞬時時間;ti+1是下一測點的時間,單位為h;j為測試次數(shù).

植物固碳(CO2)釋氧量的計算,用測定日的同化量換算為測定日固定CO2量,公式[8]:

WCO2=P·44/1000,

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

同時根據(jù)植物光合作用過程反應(yīng)式[7]:CO2+4H2O→CH2O+3H2O+O2,可計算出該測定日植物釋放氧氣的質(zhì)量,公式為:

WO2=P·32/1000,

式中:32為氧氣的摩爾質(zhì)量,單位為g·mol-1;WO2為單位面積的葉片固定CO2的質(zhì)量單位為g·m-2·d-1.

1.3.4 降溫增濕量能力計算方法

測定植物的蒸騰速率,從而求得植物的日釋放水量和降低的溫度,計算公式如下[6].設(shè)日蒸騰總量為E,各種植物在測定當日蒸騰總量的計算公式為:

其中:E為測定日的蒸騰總量,單位為mmol·m-2·s-1;ei為初測點的瞬時蒸騰作用速率;ei+1為下一測點的瞬時蒸騰作用速率,單位為μmol·m-2·s-1;ti為初測點的瞬時時間;ti+1為下一測點的時間,單位為h;j為測試次數(shù).

設(shè)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為Q,公式:

Q=E×L×18,

式中:Q為單位葉面積每日吸收的熱量,單位為J·m-2·s-1.L為蒸發(fā)耗熱系數(shù)(L=2 495-2.38×t,t為測定日葉面溫度),單位為J·g-1·℃-1.由此可計算出各植物每平方米葉片在測定日吸收熱量的值.

降溫的公式[9]如下:

ΔT=Q/(pc×v),

式中:ΔT為降溫值,單位℃;pc為空氣的容積熱容量,單位為J·m-3·h-1,v為空氣柱體積,單位為m3.

2 結(jié)果與分析

2.1 光合作用和氣孔導(dǎo)度日變化曲線

植物總是生活在某種特定環(huán)境中,并且與外界環(huán)境之間不斷地進行著物質(zhì)能量交換.由于影響光合作用的環(huán)境因子(溫度、光照、水分等)在一天中發(fā)生明顯的變化,因此光合速率也呈現(xiàn)出相應(yīng)的變化規(guī)律[10].春季大部分植物葉未完全展開,因葉齡較低,生理代謝功能較弱,因此光合速率較低.一天中隨著光合有效輻射和溫度的升高,其凈光合速率的值逐漸增大.

對10種植物的凈光合速率的日變化和氣孔導(dǎo)度進行了測定,繪制了植物的凈光合速率和氣孔導(dǎo)度日變化曲線,日變化曲線見圖1、2.

圖1 常綠植物光合速率日變化曲線

圖2 常綠植物氣孔導(dǎo)度日變化曲線

從圖1中可以看出,除珊瑚外的植物的凈光合速率日變化曲均呈雙峰曲線.扶芳藤的凈光合速率明顯高于其他植物,扶芳藤在早上10:00時達到第一個高峰,值為8.62 μmol·m-2·s-1,第二個峰值是在下午14:00左右出現(xiàn),值是5.45 μmol·m-2·s-1,在12:00時凈光合速率值明顯下降.扶芳藤的凈光合速率最小值在下午18:00左右達到2.01 μmol·m-2·s-1,最大值與最小值相差6.61 μmol·m-2·s-1,扶芳藤相較于其他植物而言在測定的一天中變化幅度是最大的.珊瑚的凈光合速率日變化曲線呈單峰,在10:00左右出現(xiàn)峰值7.92 μmol·m-2·s-1.草本植物麥冬的凈光合速率明顯低于其他植物.總的來看,藤本植物扶芳藤和常春藤的凈光合速率較大,而草本植物麥冬的凈光合速率較低.

從圖2可以看出,珊瑚的氣孔導(dǎo)度日變化曲線呈單峰曲線,其他植物均呈雙峰曲線.扶芳藤和常春藤的氣孔導(dǎo)度值明顯高于其他植物,麥冬的氣孔導(dǎo)度值較低,第1個峰值出現(xiàn)在10∶00左右,值分別為0.092、0.063、0.023 mol H2O·m-2·s-1,扶芳藤和常春藤在16∶00左右出現(xiàn)第2個峰值,而麥冬的第2個峰值出現(xiàn)在14∶00左右.

從圖1和圖2可以看出,10種植物除了個別植物,其他植物光合速率和氣孔導(dǎo)度的日變化曲線均表現(xiàn)為雙峰曲線或近似雙峰曲線,植物的氣孔導(dǎo)度的日變化趨勢與光合速率的日變化趨勢大體相同.常綠植物中的草本植物凈光合速率最低,藤本植物比其他植物高.光合速率和氣孔導(dǎo)度的第1個峰值多出現(xiàn)在10∶00左右,第2個峰值多出現(xiàn)在14∶00～16∶00之間.在中午12∶00時多數(shù)植物凈光合速率的日變化出現(xiàn)“光合午休”現(xiàn)象.中午隨著光合有效輻射的增強,多數(shù)植物出現(xiàn)光合午休現(xiàn)象.這可能是在高光強下,大氣濕度降低,水分的過度消耗造成氣孔關(guān)閉[11]、氣孔傳導(dǎo)率下降[11],而氣孔關(guān)閉導(dǎo)致二氧化碳供應(yīng)不足從而導(dǎo)致光合作用減弱.

2.2 固碳釋氧結(jié)果分析

植物通過光合作用來實現(xiàn)固碳釋氧的能力,對于降低溫室效應(yīng)、改善環(huán)境質(zhì)量具有重要意義.不同的樹種因生理特性不同,同化CO2和釋放O2的能力亦有差異[13].不同植物固碳釋氧能力是不同的,所測的10種植物的固碳釋氧量見表1.

表1 10種植物單位葉面積日固碳釋氧量

從表1可以看出,在10種植物中扶芳藤、珊瑚、常春藤的固碳釋氧量較高,固碳量分別為9.1、8.93、8.25 g/m2,釋氧量分別為6.62、6.49、6.0 g/m2.而棕櫚、麥冬的固碳釋氧量最低.而扶芳藤的固碳量約是麥冬的2倍.日固碳釋氧量最低的是草本植物麥冬,而藤本植物比其他植物高.

10種植物單位葉面積總體日固碳釋氧量大小排序為:扶芳藤、珊瑚、常春藤、石楠、香樟、廣玉蘭、灑金東瀛珊瑚、紅葉石楠、棕櫚、麥冬.

2.3 降溫增濕結(jié)果分析

從表2可以看出,各植物之間日蒸騰吸熱量與釋水量的順序為:石楠>麥冬>扶芳藤>珊瑚>廣玉蘭>常春藤>香樟>灑金東瀛珊瑚>紅葉石楠>棕櫚.其中以麥冬的蒸騰吸熱量最高,為2406.88 kJ·m-2,日釋水總量為991.10 g·m-2,降溫度數(shù)能達到0.19 ℃.最弱的是棕櫚,蒸騰吸熱量僅有943.69 kJ·m-2,日釋水總量僅有388.61 g·m-2,降溫度數(shù)只有0.075 ℃.總的來看,草本植物麥冬的蒸騰吸熱量和日釋水總量最高,最低的是棕櫚.

2.4 葉綠素的測定

不同植物的葉綠素含量不同,而植物的光合速率與葉綠素的含量有關(guān),對植物葉片的葉綠素進行測定,測定結(jié)果見表3.

表2 10種植物單位葉面積的日蒸騰釋水量及日蒸騰吸熱量

表3 10種植物葉片單位質(zhì)量的葉綠素含量

由表3可以看出,所測的10種植物中扶芳藤葉片的單位質(zhì)量的葉綠素含量最高,值為10.34 mg·g-1,最低的是棕櫚,值為2.06 mg·g-1.扶芳藤的葉片的單位質(zhì)量的葉綠素含量是棕櫚的5倍.植物葉片的單位質(zhì)量的葉綠素的含量從高到低是扶芳藤、常春藤、珊瑚、石楠、紅葉石楠、灑金東瀛珊瑚、廣玉蘭、麥冬、香樟和棕櫚.

2.5 相關(guān)性分析

植物的葉綠素、固碳釋氧和降溫增濕能力之間的相關(guān)關(guān)系用SPSS進行分析,結(jié)果如表4.

表4 相關(guān)性分析

由表4可知,凈同化量、釋氧量和固碳量三者的相關(guān)性系數(shù)是1,日蒸騰總量、日釋水量、蒸騰吸熱量和降溫度數(shù)的相關(guān)性系數(shù)是0.997～1.降溫增濕與固碳釋氧量和葉綠素的相關(guān)性系數(shù)分別是0.235和0.387,相關(guān)性較低.葉綠素同固碳釋氧量的相關(guān)性是0.641,二者之間具有中強度相關(guān)性.

3 結(jié) 論

大多數(shù)植物的凈光合速率和氣孔導(dǎo)度的日變化曲線均呈雙峰曲線,光合速率的第一個峰值多出現(xiàn)在10∶00左右,第二個峰值多出現(xiàn)在14∶00～16∶00之間.固碳釋氧量、凈同化量和固碳量與葉綠素含量具有較好的相關(guān)性(P<0.05).凈光合速率與氣孔導(dǎo)度的日變化趨勢相似.

不同綠化樹種固碳釋氧和降溫增濕能力有一定的差異,在測試的10種植物中扶芳藤和常春藤的固碳釋氧和降溫增濕能力最強,而紅葉石楠、棕櫚的固碳釋氧和降溫增濕能力最弱.在公路綠化時,可以優(yōu)先選取固碳釋氧和降溫增濕能力相對較強的植物.而對于固碳釋氧和降溫增濕能力相對較弱的植物,可以作為點綴樹種少量種植.在進行綠化樹種配置設(shè)計時,還要考慮具體植物的綠量,對整棵樹的固碳釋氧和降溫增濕能力進一步研究.

參考文獻:

[1] 陳月華,廖建華,覃事妮.長沙地區(qū)19種園林植物光合特性及固碳釋氧測定[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2012,32(10):106-120.

[2] 段可可,牟瑞芳,陳雯.成都市綠地系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析[J].交通環(huán)保,2004,25(4):32-34.

[3] 范亞民.城郊綠地系統(tǒng)生物效應(yīng)研究——以南寧青秀山為例[D].長沙:中南林學(xué)院,2003.

[4] 馮義龍,田中,何定萍.重慶市區(qū)綠地園林植物群落降溫增濕效應(yīng)研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,36(7):2736-2739.

[5] 陸貴巧,尹兆芳,谷建才,等.大連市主要行道綠化樹種固碳釋氧功能研究[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006,29(6):49-51.

[6] 趙萱,李海梅.10種地被植物固碳釋氧與降溫增濕效益研究[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報,2009,21(1):44-47.

[7] 楊士弘.城市綠化樹木碳氧平衡效應(yīng)研究[J].城市環(huán)境與城市生態(tài),1996,9(1):37-39.

[8] 李想,李海梅,馬穎,等.居住區(qū)綠化樹種固碳釋氧和降溫增濕效應(yīng)研究[J].北方園藝,2008(8):99-102.

[9] 莫健彬,王麗勉,秦俊,等.上海地區(qū)常見園林植物蒸騰降溫增濕能力的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,35(30):9506-9507.

[10] 劉海榮.沈陽市常用灌木固碳釋氧降溫增濕能力的研究[D].沈陽:沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué),2007.

[11] HODGES J D.Patterns of photosynthesis under natural environmental conditions[J].Ecology,1967,48:234-242.

[12] P J 克累默爾.木本植物生理學(xué)[M].汪振儒譯.北京:中國林業(yè)出版社,1985.

[13] 潘瑞熾,董愚得.植物生理學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1995.