4 種園林樹木樹冠微環(huán)境與增濕降溫的關(guān)系1)

劉瑞文 孫曉剛 郭太君 林萌

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，長(zhǎng)春，130118)

園林植物的生態(tài)功能在城市環(huán)境綠化中發(fā)揮著不可或缺的重要作用，園林植物通過(guò)吸收CO2釋放O2、增濕降溫、吸收有害氣體、降噪除塵等可以有效地改善環(huán)境質(zhì)量，在城市化加快發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)中給人們提供一個(gè)更好的生活環(huán)境。

樹冠是園林樹木增濕降溫和固碳釋氧的主要場(chǎng)所。葉幕(樹冠)微氣候是具有一定結(jié)構(gòu)形式的葉幕，對(duì)其自然氣候因素經(jīng)過(guò)若干不同級(jí)別的“環(huán)境—植物”界面過(guò)濾后形成的葉幕緊密表面和葉幕內(nèi)部的微氣候條件［1］。由于樹冠是一個(gè)立體的空間結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的不同部位葉片所處的微環(huán)境也有所不同，從而可能影響不同部位葉片的蒸騰作用能力產(chǎn)生強(qiáng)弱的差別。林萌等［2］指出，9 種園林樹木樹冠南側(cè)水平方向由外向內(nèi)不同部位的單位葉面積增濕、降溫量的變化，由樹冠表層向樹冠中心順次降低，并提出了園林樹木增濕、降溫量評(píng)價(jià)的適宜取樣部位。冷平生等［3］對(duì)5 種園林樹木向陽(yáng)成熟葉片蒸騰特性的研究發(fā)現(xiàn)，蒸騰速率主要受光合有效輻射、葉片溫度和氣孔導(dǎo)度等的影響。王華田等［4］研究發(fā)現(xiàn)，輻射強(qiáng)度和風(fēng)速是控制林冠蒸騰耗水的決定因素。在果樹生產(chǎn)方面，通過(guò)對(duì)不同樹形冠層微氣候的研究，總結(jié)出有利于提升果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)的樹形結(jié)構(gòu)［5-8］。

園林樹木增濕降溫生態(tài)功能，不僅與園林樹木的種類有關(guān)，也受環(huán)境條件的制約。由于樹木的生長(zhǎng)特性不同，其樹冠內(nèi)不同方位和部位接受的微環(huán)境亦有差別，可能影響樹冠不同方位各部位的增濕降溫生態(tài)效益。因此，文中旨在通過(guò)對(duì)4 種園林樹木樹冠不同方位各部位微環(huán)境和增濕降溫的研究，分析園林樹木增濕降溫生態(tài)功能的合理取樣部位以及增濕降溫生態(tài)功能與樹冠微環(huán)境的關(guān)系，以期更好地為園林樹木增濕降溫生態(tài)功能的評(píng)價(jià)和提高園林樹木增濕降溫生態(tài)效益提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)。吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)位于吉林省長(zhǎng)春市的東南部，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。年平均降水量522 mm，年平均氣溫4．8 ℃，最高氣溫39．5 ℃，最低氣溫-39．8 ℃，日照時(shí)間2 688 h。

試驗(yàn)選擇2013 年8 月下旬天氣晴朗的日期進(jìn)行(共進(jìn)行8 d)，期間的環(huán)境條件平均值為:空氣溫度30．9 ℃;光照強(qiáng)度1 641．95 μmol·m-2·s-1;空氣相對(duì)濕度44．37%;風(fēng)速0．86 m·s-1;大氣中CO2摩爾分?jǐn)?shù)394．85 μmol·mol-1。

2 材料與方法

選擇4 種常見的園林樹木作為試驗(yàn)材料(表1)。

將樹冠在水平方向上分為東側(cè)、南側(cè)、西側(cè)、北側(cè)四個(gè)方位，再將每個(gè)方位由外向內(nèi)分為表層(距樹冠表面10 cm，記為表層A)，之后再三等分，依次記為外層(B)、中層(C)和內(nèi)層(D)。分別取上述各層的中間部位葉片，具體分層位置及各測(cè)定點(diǎn)的位置如圖1 所示［2］。

表1 試驗(yàn)材料基本情況

圖1 樹冠分層及測(cè)定點(diǎn)分布模式圖

采用美國(guó)PP Systems 國(guó)際有限公司生產(chǎn)的CIRAS-2 便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)，測(cè)定蒸騰速率、光照強(qiáng)度、空氣溫度、葉面溫度、空氣相對(duì)濕度、空氣CO2摩爾分?jǐn)?shù)、細(xì)胞間隙CO2摩爾分?jǐn)?shù)、氣孔導(dǎo)度;使用蘇州特安斯有限公司生產(chǎn)的TASI-8818數(shù)字式風(fēng)速計(jì)，測(cè)定樹冠不同部位風(fēng)速。測(cè)定時(shí)間段為每天的08:00—16:00，每2 h 測(cè)定一次，每天測(cè)定兩個(gè)樹種，每個(gè)樹種8 d 分別測(cè)定4 次，每個(gè)樹種后兩次測(cè)定順序與前兩次相反。每種樹木選擇長(zhǎng)勢(shì)相似、生長(zhǎng)環(huán)境相同的3 株，每個(gè)測(cè)定點(diǎn)選取3 片葉片，每個(gè)葉片3 次取值，最后結(jié)果取平均值。

增濕、降溫量的計(jì)算:根據(jù)測(cè)定各樹種各測(cè)定點(diǎn)的蒸騰速率，計(jì)算試材當(dāng)日蒸騰總量。公式［9］為:

式中:E 為測(cè)定日的蒸騰總量(mol·m-2·d-1);ei為初測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)蒸騰速率(mmol·m-2·s-1);ei+1為下一測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)蒸騰速率(mmol·m-2·s-1);ti為初測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)時(shí)間(h);ti+1為下一測(cè)點(diǎn)的時(shí)間(h);j為測(cè)試次數(shù)。根據(jù)下述公式計(jì)算日蒸騰量(g·m-2·d-1)。

日蒸騰水分質(zhì)量:WH2O=E×18。

水分蒸發(fā)吸收熱量:M=WH2O×L×4．18。

式中:M 為單位葉面積每日吸收的熱量，單位為J·m-2·d-1;L 為蒸發(fā)耗熱系數(shù)(L=597-0．57×t，t 為測(cè)定日的溫度);4．18 為1 cal=4．18 J。由此可計(jì)算出各植物每平方米葉片在測(cè)定日吸收熱量的值。又因植物蒸騰消耗熱量(M)是取自于周圍1 000 m3的空氣柱(10 m2×100 m)，使該氣柱溫度下降。故氣溫下降值用下式計(jì)算［8］。

蒸騰吸熱的氣溫下降值:ΔT=M/PC。

式中:ΔT 為下降溫度(℃);PC為空氣容積熱容量，為1 256 J·m-3·h-1。

測(cè)定數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析通過(guò)EXCEL 軟件、SPSS數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3．1 樹冠不同部位和不同方位增濕、降溫量的變化

樹冠同一部位不同方位間單位葉面積增濕、降溫量的變化，由大到小呈現(xiàn)為南側(cè)、東側(cè)、西側(cè)、北側(cè);同一方位不同部位間由大到小呈現(xiàn)為表層、外層、中層、內(nèi)層的變化規(guī)律(表2)。如樹冠南側(cè)、東側(cè)、西側(cè)、北側(cè)各方位的單位葉面積增濕量依次為3．62、3．30、2．65、2．07 kg·m-2·d-1，降溫量依次為0．29、0．26、0．21、0．17 ℃;樹冠南側(cè)的單位葉面積增濕、降溫量較北側(cè)分別提高了74．88%、70．59%。表層、外層、中層和內(nèi)層的單位葉面積平均增濕量依次是4．13、3．24、2．55、1．70 kg·m-2·d-1，降溫量分別為0．33、0．26、0．20、0．15 ℃;表層較內(nèi)層單位葉面積增濕、降溫量分別提高了142．94%、120．00%。樹冠整體單位葉面積增濕量平均為2．91 kg·m-2·d-1、降溫量平均為0．235 ℃，其與樹冠不同部位比較，表層和外層單位葉面積平均增濕、降溫量較平均值分別提高了41．92%、40．43%和11．34%、10．64%，中層和內(nèi)層較平均值分別下降了12．37%、14．89%和41．58%、36．17%;與樹冠不同方位比較，樹冠南側(cè)和東側(cè)單位葉面積平均增濕、降溫量較平均值分別提高了24．4%、23．4%和13．4%、10．64%，樹冠西側(cè)和北側(cè)較平均值分別下降了8．93%、10．64%和28．87%、27．66%。

上述結(jié)果說(shuō)明，樹冠不同部位間的增濕、降溫量差異程度大于樹冠的不同方位，樹冠西側(cè)和外層更接近樹冠不同部位及不同方位單位葉面積增濕、降溫量的平均值。表明在進(jìn)行園林樹木增濕降溫生態(tài)功能評(píng)價(jià)時(shí)，合理的取樣部位應(yīng)是樹冠西側(cè)外層。以樹冠西側(cè)外層為園林樹木增濕降溫生態(tài)功能評(píng)價(jià)的取樣部位，4 種試材的單位葉面積增濕、降溫量在不同樹性間差異較大，而在相同樹性間基本相似。如屬于喬木型的桃葉衛(wèi)矛和山杏樹冠西側(cè)外層單位葉面積增濕量平均為3．16 kg·m-2·d-1、降溫量平均為0．25 ℃，屬于灌木型的大花水椏木和紅瑞木樹冠西側(cè)外層單位葉面積增濕量平均為2．7 kg·m-2·d-1、降溫量平均為0．21 ℃，前者是后者的1．2 倍;屬于灌木型的大花水椏木和紅瑞木單位葉面積平均增濕、降溫量分別為2．64 kg·m-2·d-1、0．21 ℃和2．72 kg·m-2·d-1、0．22 ℃;屬于喬木型的山杏和桃葉衛(wèi)矛分別為3．08 kg·m-2·d-1、0．25 ℃和3．18 kg·m-2·d-1、0．26 ℃，差別都不大。

表2 不同樹種樹冠不同方位及不同部位葉片單位葉面積增濕、降溫量的變化

3．2 樹冠不同部位微環(huán)境的變化

以樹冠不同方位各測(cè)定部位空氣CO2摩爾分?jǐn)?shù)(CR)、光照強(qiáng)度(Q)、空氣溫度(TI)、葉面溫度(TC)、空氣相對(duì)濕度(RH)和風(fēng)速(WS)6 個(gè)微環(huán)境，以及葉片的胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)(CI)和氣孔導(dǎo)度(GS)的平均值，統(tǒng)計(jì)分析樹冠不同部位上述8 個(gè)測(cè)定指標(biāo)由樹冠表層至內(nèi)層的變化特點(diǎn)，結(jié)果呈現(xiàn)出比較明顯的變化規(guī)律(表3)。各樹種CR的平均值由表層至內(nèi)層基本相同。各樹種CI和RH的平均值由樹冠表層至內(nèi)層呈逐漸升高的趨勢(shì)，除山杏不同部位的RH差異不明顯外，表層均顯著低于其他各部位。如CI外層至內(nèi)層較表層平均提高了18．52%～26．46%，RH提高了6．17%～10．40%。而各樹種Q、TI、TC、GS和WS的平均值由樹冠表層至內(nèi)層呈現(xiàn)大多數(shù)下降的趨勢(shì)，除山杏表層的TC與外層差異不明顯外，表層均極顯著高于其他各測(cè)定部位。各樹種Q 的平均值外層至內(nèi)層較表層平均下降了43．66%～95．22%;GS和WS的平均值分別較表層平均下降了22．14%～60．34%和25．61%～66．67%;TI和TC的平均值分別較表層降低1．7 ～2．1 ℃和1．4 ～1．8 ℃。在測(cè)定的8 個(gè)指標(biāo)中，4 個(gè)樹種不同部位與其平均值比較，基本表現(xiàn)出與外層接近，僅CI(大花水椏木、山杏)、GS(紅瑞木、山杏)、RH(山杏)與中層更接近一些。

喬木與灌木相比，兩種喬木與灌木樹冠表層與內(nèi)層微環(huán)境的變化幅度，Q、GS和RH表現(xiàn)為灌木大于喬木的趨勢(shì)，CI、TI、TC和WS表現(xiàn)為喬木大于灌木。如兩種灌木內(nèi)層的Q 較表層下降了99．10%，兩種喬木下降了91．23%;兩種灌木內(nèi)層的CI較表層提高了13．06%，兩種喬木為24．38%。

表3 不同樹種樹冠不同部位微環(huán)境的變化

3．3 樹冠不同方位微環(huán)境的變化

以不同樹種樹冠各方位表層、外層、中層和內(nèi)層各測(cè)定部位CR、Q、TI、TC、RH、CI、GS和WS的平均值，分析比較樹冠東側(cè)、南側(cè)、西側(cè)和北側(cè)4 個(gè)方位微環(huán)境的變化規(guī)律，其結(jié)果呈現(xiàn)出與樹冠不同部位微環(huán)境相似的變化規(guī)律(表4)。各樹種CR的平均值在樹冠東側(cè)、南側(cè)、西側(cè)和北側(cè)4 個(gè)方位間基本相似，其他各測(cè)定指標(biāo)在不同方位間多表現(xiàn)出顯著或極顯著差異。其中，各樹種Q、TI、TC、GS和WS的平均值由大到小的順序均表現(xiàn)為樹冠南側(cè)、東側(cè)、西側(cè)、北側(cè);各樹種CI和RH的平均值與上述微環(huán)境變化相反，由大到小的順序均呈現(xiàn)北側(cè)、西側(cè)、東側(cè)、南側(cè);樹冠不同方位上述8 項(xiàng)測(cè)定指標(biāo)與全株各方位平均值比較，無(wú)論是各個(gè)樹種，還是4 個(gè)樹種的平均值，均表現(xiàn)出樹冠西側(cè)與各方位的平均值比較接近。

喬木與灌木相比，兩種灌木與喬木樹冠北側(cè)較南側(cè)微環(huán)境的變化幅度，呈現(xiàn)為Q 和TC灌木(-94．93%和-2．53 ℃)與喬木(-94．14%和-2．50 ℃)相似，WS灌木(-66．67%)小于喬木(-81．67%)的變化幅度，其他表現(xiàn)為灌木大于喬木的。

綜合表3 和表4，對(duì)比分析樹冠不同部位與不同方位的微環(huán)境差異，進(jìn)一步探討園林樹木增濕、降溫量與樹冠微環(huán)境之間的關(guān)系，以及增濕降溫生態(tài)功能評(píng)價(jià)的合理取樣方法。CR在樹冠不同部位以及不同方位間基本相同，說(shuō)明樹冠中CR的變化與取樣方法基本無(wú)關(guān)。Q、GS、TI、TC和WS表現(xiàn)為表層和樹冠南側(cè)最高，內(nèi)層和樹冠北側(cè)最低;CI和RH表現(xiàn)為內(nèi)層和樹冠北側(cè)最高，表層和樹冠南側(cè)最低。在樹冠不同部位及不同方位的微環(huán)境變化幅度方面，樹冠表層與內(nèi)層、樹冠南側(cè)與北側(cè)比較，均呈現(xiàn)Q、GS和WS下降幅度較大，CI、TI、TC和RH下降幅度較小。

表4 不同樹種樹冠不同方位微環(huán)境的變化

3．4 樹冠微環(huán)境及其與增濕、降溫量之間的相關(guān)性

綜合分析4 個(gè)樹種樹冠不同方位各測(cè)定部位CR、Q、TI、TC、RH和WS6 個(gè)微環(huán)境因子，以及CI和GS與增濕、降溫量之間的相關(guān)性可以得出，Q、GS和WS與增濕、降溫量之間呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0．97 以上;CI和RH與增濕、降溫量之間分別呈顯著和極顯著的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到-0．93和-0．95;CR、TI和TC與增濕、降溫量之間的相關(guān)性不明顯(表5)。

表5 樹冠微環(huán)境及其與增濕、降溫量之間的相關(guān)性

各測(cè)定因子之間的相關(guān)性，Q、GS、TC和WS之間分別呈極顯著或顯著的正相關(guān)，RH、CI與Q、GS、TC、WS分別呈極顯著或顯著的負(fù)相關(guān)，而RH與CI之間呈極顯著的正相關(guān)。上述結(jié)果表明，Q、GS、TC和WS對(duì)提高園林樹木的增濕降溫生態(tài)功能具有積極的作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

人們?cè)谶M(jìn)行園林樹木增濕降溫生態(tài)功能評(píng)價(jià)時(shí)，通常取樹冠向陽(yáng)面外緣葉片的蒸騰速率來(lái)計(jì)算全樹增濕、降溫量［10-14］。由于樹冠不同部位環(huán)境條件的不同，導(dǎo)致樹冠由外至內(nèi)蒸騰速率依次降低，據(jù)此，林萌等［2］提出樹冠外圍南側(cè)外層是園林樹木單位葉面積的增濕、降溫量評(píng)價(jià)的合理取樣部位。本研究從樹冠不同方位及其不同部位單位葉面積增濕、降溫量的變化，均以外層與各方位及其不同部位的平均值比較接近，進(jìn)一步驗(yàn)證了林萌等［2］提出取樣部位的合理性。由于樹冠不同方位和部位的微環(huán)境，以及不同微環(huán)境與葉片單位面積增濕、降溫量的相關(guān)性的不同，會(huì)顯著影響園林樹木增濕降溫生態(tài)功能評(píng)價(jià)科學(xué)性。如樹冠不同方位和不同部位微環(huán)境的變化與其平均值比較，在測(cè)定的8 個(gè)因子中，除CR在樹冠不同部位以及不同方位間基本相同外，其他因子均以樹冠西側(cè)和外層更接近平均值，樹冠南側(cè)和外層極顯著高于或低于平均值。這一結(jié)果為進(jìn)一步證明樹冠西側(cè)外層作為園林樹木增濕降溫生態(tài)功能評(píng)價(jià)的合理性提供了佐證。

以樹冠西側(cè)外層為園林樹木增濕降溫生態(tài)功能評(píng)價(jià)的取樣部位，4 種試材的單位葉面積增濕、降溫量呈現(xiàn)為喬木型大于灌木型，這與李輝等［15］的報(bào)道相同。但樹冠表層至內(nèi)層單位葉面積增濕、降溫量的下降幅度上，則表現(xiàn)為灌木型大于喬木型，樹冠不同部位單位葉面積增濕、降溫量的變化幅度大于不同方位，這與樹冠微環(huán)境的變化相一致，這可能是導(dǎo)致上述變化的重要原因之一。另一方面，可能是由喬、灌木的冠幅、干高以及投影系數(shù)的不同導(dǎo)致的。此外，樹冠不同部位微環(huán)境的不同也可能導(dǎo)致葉片結(jié)構(gòu)等發(fā)生變化，進(jìn)而影響單位葉面積增濕、降溫量。

在不同方位各測(cè)定部位CR、Q、TI、TC、RH和WS微環(huán)境因子，以及CI和GS與增濕、降溫量之間，Q、GS、WS與增濕、降溫量之間呈極顯著的正相關(guān)，這與冷平生等［3］、王華田等［4］報(bào)道相同;CI和RH與增濕、降溫量之間分別呈顯著和極顯著的負(fù)相關(guān)。同時(shí)，各測(cè)定因子之間又相互影響，共同制約園林樹木增濕降溫生態(tài)功能的強(qiáng)弱。上述結(jié)果表明Q、GS和WS對(duì)提高園林樹木的增濕降溫生態(tài)功能具有積極的作用，CI和RH通過(guò)影響Q、GS和WS的水平而顯著降低園林樹木增濕、降溫量。因此，可以通過(guò)適宜的栽植密度和冠層結(jié)構(gòu)提高園林樹木增濕降溫生態(tài)功能。

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