城市綠地固碳釋氧和降溫增濕功能研究進(jìn)展

寇思勇

（河北省眾聯(lián)能源環(huán)保科技有限公司河北石家莊050031）

城市綠地固碳釋氧和降溫增濕功能研究進(jìn)展

寇思勇

（河北省眾聯(lián)能源環(huán)保科技有限公司河北石家莊050031）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加劇，霧霾、沙塵、熱島效應(yīng)等城市環(huán)境問題日益顯著，生態(tài)系統(tǒng)也遭到嚴(yán)重破壞。實(shí)踐可知，城市綠地能夠顯著改善城市空氣循環(huán)，調(diào)節(jié)城市熱效應(yīng)，具有其他基礎(chǔ)設(shè)施沒有的綠化功能，因而近年來城市綠地的固碳釋氧和降溫增濕功能日益受到重視。目前國內(nèi)外學(xué)者多關(guān)注植物個體水平固碳釋氧和降溫增濕功能的研究，研究方法也有所不同，但基于植物群落總體生態(tài)功能的研究并不多見。本文在分析前人相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上總結(jié)其發(fā)展趨勢，為今后研究提供參考。

城市綠地；葉面積指數(shù)；固碳釋氧；降溫增濕；光合速率

作為城市生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分的城市綠地系統(tǒng)，主要由不同規(guī)模、不同性質(zhì)、不同類別的綠地組成，進(jìn)而形成相對穩(wěn)定且持續(xù)發(fā)展的城市綠色環(huán)境體系（王保忠,2004）。作為城市生態(tài)系統(tǒng)的主要內(nèi)容之一，城市綠地系統(tǒng)對調(diào)節(jié)城市空氣，優(yōu)化城市環(huán)境具有重要作用，其生態(tài)功能不容忽視。社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，除了提高人民生活質(zhì)量外，還衍生出一系列環(huán)境問題，如水土流失、物種數(shù)量遞減、空氣污染以及熱島效應(yīng)等。人們也越來越意識到，生活質(zhì)量的提高除了物質(zhì)提高外，環(huán)境質(zhì)量也應(yīng)相應(yīng)提升，因此城市綠地的生態(tài)功能也日益受到重視（毛齊正,2012）。從城市生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)出發(fā)，進(jìn)行城市綠地植物的生態(tài)功能的定量指標(biāo)研究和實(shí)驗(yàn)，會為不同城市的綠地規(guī)劃及城市森林建設(shè)的樹種選擇積累經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，為政府有關(guān)部門在應(yīng)對新的環(huán)境問題時，提出更合理的對策和措施提供有效的參考依據(jù)（賈佳,2010）。文章從研究內(nèi)容、方法和手段以及研究展望等方面對國內(nèi)外的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1　葉面積指數(shù)和綠量回歸模型研究

簡單來說，葉面積指數(shù)指一平方米土地上所種植物的葉片數(shù)量，此數(shù)量就是葉覆蓋量的無量綱度量。葉面積指數(shù)用于評價綠地本身的生態(tài)效益與綠化水平，建立園林植物計算葉面積指數(shù)的回歸模型是定量化研究城市園林生態(tài)效益的基礎(chǔ)。植被主要靠葉片來發(fā)揮生態(tài)功能，因而能夠?qū)Τ鞘芯G地冠層內(nèi)的許多生物化學(xué)過程及綠地生態(tài)功能（李海梅，2007；Nowak DJ.1994任海2005）。而葉面積的多少和最大限度地發(fā)揮植物的光合效能是衡量綠地生態(tài)功能大小的關(guān)鍵（陳芳,2006王忠君,2010）。

徐陽等對上海地區(qū)黃楊、桂花、廣玉蘭以及香樟的樹高、冠層高、冠幅、胸徑等數(shù)據(jù)進(jìn)行了測定和整理，建立了葉面積指數(shù)模型并進(jìn)行了相關(guān)分析。陳芳等（2006）對武鋼廠區(qū)園林綠地層片結(jié)構(gòu)以及蓋度進(jìn)行了調(diào)查，借助GIS對其綠量進(jìn)行了定量研究，得出結(jié)論：園林綠地的綠量取決于綠地面積、綠地的層片結(jié)構(gòu)、不同層片植物的葉面積指數(shù)及其蓋度。黃景云（1996）和戚繼忠（2004）分別對樹干斷面參數(shù)和分枝斷面參數(shù)與單株葉面積的關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)性分析，并建立了回歸模型。通過易測的斷面參數(shù)利用建立的回歸模型估測總?cè)~面積。鄭金雙等（2001）對茶稈竹林葉面積指數(shù)與年齡、胸徑、立竹密度、留枝盤數(shù)等因子的相關(guān)性進(jìn)行回歸分析，得出了回歸方程。陳自新等（1998）對北京市常用并具有代表性的37種園林植物的綠量加以考察，并進(jìn)行分析研究。研究人員經(jīng)過實(shí)地考察，測定了不同園林中的植物，在對植物類別進(jìn)行分類，將每種植物的葉面與胸徑、冠高或冠幅加以分析，進(jìn)而建立了計算不同植株個體綠量的回歸模型。

地面葉面積指數(shù)測定方法分為直接方法和間接方法。直接方法包括傳統(tǒng)的格點(diǎn)法和方格法、描形稱重法和儀器測定法。直接方法費(fèi)時費(fèi)力，現(xiàn)已逐漸不被采用。間接測定方法包括點(diǎn)接觸法、消光系數(shù)法和經(jīng)驗(yàn)公式法。經(jīng)驗(yàn)公式法是通過測量胸徑、樹高、冠層高、冠幅等相關(guān)參數(shù)建立與葉面積的回歸模型，以此來進(jìn)行估算。經(jīng)驗(yàn)公式法有測量參數(shù)容易獲取，對植物破壞性小，效率高等優(yōu)點(diǎn)，較多被采用（程學(xué)武，2010）。

2　城市綠地固碳釋氧和降溫增濕能力研究

城市綠地在改善碳氧平衡、降溫增濕、滯塵降噪、殺菌減菌、及吸收有毒氣體、凈化空氣等很多方面發(fā)揮著重要作用，由此可知城市綠地系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)城市生態(tài)環(huán)境，是城市未來發(fā)展的基礎(chǔ)和不可缺少的重要基礎(chǔ)設(shè)施。固碳釋氧和降溫增濕能力是城市綠地生態(tài)效益研究的基礎(chǔ)，也是綜合評價園林植物的基礎(chǔ)指標(biāo)，在調(diào)節(jié)城市小氣候方面起著尤為重要的作用。因此，固碳釋氧和降溫增濕能力研究日益受到研究者的重視。

2.1定性研究

不同類型綠地在綠量、葉面積指數(shù)、構(gòu)成結(jié)構(gòu)、郁閉度上均有所不同，其降溫增濕和固碳釋氧能力也會不同。喬灌草類型綠地在綠量上較其他類型綠地要高，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，降溫增濕和固碳釋氧能力也更強(qiáng)。

秦俊等(2009)對上海市居住區(qū)23種植物群落的降溫增濕效應(yīng)的觀察結(jié)果表明，幾乎一切植物都有降低溫度、增加空氣濕度的功效，但每種植物群落的郁閉度和構(gòu)成以及類型結(jié)構(gòu)均有所不同，因而其降溫增濕的程度也有所差別。在本次觀測的群落中，針葉林、針闊混交林和竹林的降溫增濕效應(yīng)最強(qiáng)。張明麗等(2008)對上海市植物群落的研究也表明不同群落之間降溫增濕效果的差異。對結(jié)果分析可知，降溫增濕能力大小與群落結(jié)構(gòu)、郁閉度、葉面積指數(shù)、植株高矮有關(guān)。與秦俊研究結(jié)果基本一致。馮義龍等(2008)通過對重慶市主城區(qū)綠地中園林植物群落調(diào)查及群落內(nèi)外溫濕度的測定，分析了干擾程度、綠地類型、組成結(jié)構(gòu)及郁閉度與群落降溫增濕能力的關(guān)系。研究結(jié)果表明，郁閉度(蓋度)越大，受干擾程度越低，增濕降溫效果越好，生態(tài)效益越好。

武小鋼等以太原市10個不同特征的城市綠地作為觀測樣本，對以下幾方面進(jìn)行了研究：即，城市綠的綠量和葉面積指數(shù)，以及城市綠地的面積、周長面積比這四個綠地主要特征要素及其綠地調(diào)節(jié)溫度、增加濕度間的相關(guān)性進(jìn)行了分析。研究結(jié)果顯示，如果在同一水平等級，則綠地調(diào)節(jié)溫度、濕度能力與綠地面積大小、綠量呈反比；如果在垂直水平上，綠地調(diào)節(jié)溫度、濕度能力與綠量、葉面積指數(shù)成正比關(guān)系。朱春陽等學(xué)者通過研究北京不同寬度帶狀綠地及其對降溫增濕效果的影響，得出以下結(jié)論：城市帶狀綠地越寬，其降溫增濕效益越顯著。當(dāng)城市綠地面積達(dá)到整個城市的80%左右時，能充分發(fā)揮降溫增濕效應(yīng)。降溫增濕效應(yīng)與周長面積比的相關(guān)性與武小鋼的研究結(jié)果具有一致性（朱春陽，2011）。

國外學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)方面的研究。Jauregui通過在雨季和非雨季對墨西哥公園的溫度情況進(jìn)行研究，得出溫濕季節(jié)時，城市綠地的降溫作用比周邊環(huán)境溫度降低幅度出現(xiàn)顯著差異，說明，空氣濕度也是影響綠地降溫程度的因素之一。Ca等對日本東京城區(qū)某公園草地降溫效應(yīng)的研究結(jié)果表明城市綠地有明顯的降溫效果，且綠地的降溫效果和綠地的面積有著一定關(guān)系。Bernatzky于20世紀(jì)80年代就發(fā)現(xiàn)，城市綠地能夠令空氣中的濕度增加5%至10%。Sevgi和Suleyman等對綠地增濕原因進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)綠地的增濕效應(yīng)主要是源于植被冠層的蒸騰作用。Nowak(2002)等的研究也發(fā)現(xiàn)城市綠地固碳釋氧效果受其結(jié)構(gòu)和組成影響。Escobedo等的研究還發(fā)現(xiàn)，城市綠地固碳釋氧效應(yīng)受不同城市環(huán)境和城市化類型的影響。

2.2定量研究

降溫增濕和固碳釋氧能力的定量研究能夠更為準(zhǔn)確地給綠地建設(shè)提供指導(dǎo)，更加明確城市綠地在調(diào)節(jié)城市溫度與濕度方面作用顯著，同時也是城市綠地生態(tài)效益研究的重要內(nèi)容之一。在同一生長季節(jié)（月份），不同物種因生理特性的差異，降溫增濕和固碳釋氧能力有所不同；即使是同一物種，在不同季節(jié)（月份）的降溫增濕和固碳釋氧能力也有所差異。

韓煥金等（2007）利用LAC-4型紅外氣體分析系統(tǒng)對哈爾濱市26種主要綠化樹種7月的降溫增濕效應(yīng)進(jìn)行了觀測，并對日釋水總量和降溫度數(shù)進(jìn)行了計算。研究顯示，不同類型的植物，其降溫增濕效應(yīng)有所不同。喬木中，白樺樹日間增濕效果最明顯，樟子松效果最差；小喬木中，文冠果的日間增濕效果最明顯，野梨、稠李效果最差；而大多數(shù)灌木的日間水蒸氣蒸發(fā)量和吸熱量存在較大差異。廖榮等（2012）對成都市32種立體綠化植物降溫增濕效應(yīng)進(jìn)行了定量計算和定性比較。研究結(jié)果顯示，四季變化也會對植物降溫增濕效果產(chǎn)生影響，且這種效應(yīng)有一定規(guī)律可循，通常來說，這些樹種的蒸騰作用和降溫效果夏季時表現(xiàn)最為明顯，冬季最不顯著，春季和秋季處于中間水平；而增濕效果則是秋季最明顯，夏季次之，春季和冬季最不顯著。

劉維東等（2012）定量計算了成都25種屋頂綠化木本植物的日釋水量，并對不同物種進(jìn)行了差異性分析。結(jié)果表明：單株植物的葉面積越大，其蒸騰能力越強(qiáng)，降溫增濕效果越明顯。綠葉植物同彩葉植物相比其降溫增濕效果較差，落葉植物則比四季常青植物降溫增濕效果顯著，喬木植物高于灌木，而觀花植物則比觀葉植物效果顯著。李想等（2008）的相關(guān)研究表明，彩葉植物比常綠植物的日蒸騰吸熱量與釋水量高出很多，這與劉維東等人的研究結(jié)果相一致；在固碳釋氧能力的比較上，彩葉植物較常綠植物要強(qiáng)的多，這可能與彩葉植物中花青苷的含量有關(guān)。灌木樹種要顯著高于喬木樹種，這與之前的結(jié)果存在差異?？赡茉蚴窃谧匀粭l件下，大氣顆粒物可能在植物葉片上形成一層物理屏障，使光能利用率降低，從而減弱光合作用。

國外對綠地植物固碳釋氧的定量研究相對較少，主要是對綠地年固碳能力的估算。Mcpherson（1998）托市的城市綠地固碳能力進(jìn)行了定量估算，得出綠地通過光合作用每年平均可固定CO2約1.2t hm-2a-1。Nowak和Crane（2002）以及Pataki（2006）通過研究美國各州的綠地情況得出，綠地以調(diào)節(jié)局部溫度、濕度、熱量的方式加快土壤對二氧化碳的吸收，從而預(yù)估出城市綠地每年吸收二氧化的總量。

3　手段與方法

植物固碳釋氧能力高低可通過測定其瞬時光合速率來進(jìn)行比較。通過測定光合作用白天的同化量，由此得出樹種在單位面積內(nèi)每天排出二氧化碳的量以及釋放氧氣的量。采用光合作用測試儀器能夠得出瞬時光合速率，將其代入當(dāng)天凈同化量公式可得出植物當(dāng)天單位面積內(nèi)的凈同化量。計算公式如下：

P為測定日的單位面積的同化總量，通常以mmol/(m2·d)為單位，Pi表示初測時間點(diǎn)的瞬時光合作用速率，而下一時間點(diǎn)測定的瞬時光合作用速率則用Pi+1表示，Pi和Pi+1都是以μmol/( m·2s)為單位，ti表示初測時間點(diǎn)的瞬時時間，ti+1為下一時間點(diǎn)的

依據(jù)下述公式可得出每日二氧化碳質(zhì)量以及每日釋放氧氣質(zhì)量以g/(m2·d)。

日固定CO2的質(zhì)量計算公式為：WCO2=P·44/1000；

日釋放O2的質(zhì)量計算公式為：WO2=P·32/1000。（趙萱，2009）各樹種日單位面積蒸騰量計算公式：

其中，E代表測試當(dāng)天的蒸騰總量，以mol/(m·d)為單位；ei表示初測時的瞬時蒸騰作用速率，以ei+1表示下一時間點(diǎn)測定的蒸騰作用速率，均以mmol/(m2·s)為單位；ti為初測時間點(diǎn)的瞬時時間，ti+1為下一時間點(diǎn)的測定時間；j為測試次數(shù)。根據(jù)下述公式計算日蒸騰量，也就是日增濕量，單位是kg/(m2·d)。

日蒸騰水分質(zhì)量計算公式為：WH2O=E·18。

水分蒸發(fā)吸收熱量的計算公式：Q=WH2O·L·4.18；

式中，Q為單位葉面積每日吸收的熱量，單位為J/(m2·d)；L為蒸發(fā)系數(shù)，L=597-0.57·T，T為測定日的溫度（佟瀟，2010）。

根據(jù)這一公式就能推出植物單位平方米內(nèi)葉片在測定當(dāng)天吸收熱量的總量。又因植物蒸騰消耗熱量是取自于周圍1000m3的空氣柱，導(dǎo)致氣柱溫度有所下降。因而氣溫下降值用以下公式表示(韓煥金，2005)。

蒸騰吸熱的氣溫下降值計算公式：△T=Q/PC

其中，△T為下降溫度（℃），PC為空氣容積熱容量，單位為1256J/(m3·h)。

單株植物的日固碳釋氧值可以利用以下公式計算：

式中Y是單株植物的日固碳釋氧值（g），a是單位葉面積日固碳釋氧值（g/m2），c是葉面積指數(shù)，d是冠幅（m）。

植物群落的降溫增濕效應(yīng)多是利用溫濕度計等儀器對所選樣地（含參照樣地）進(jìn)行測定比較，而后分析不同因素與降溫增濕效應(yīng)之間的相關(guān)性。

方精云等學(xué)者通過清查我國森林資源相關(guān)資料和文獻(xiàn)，根據(jù)當(dāng)中的生物量實(shí)測資料，推出了生物量換算因子法，從而構(gòu)建了生物量及其與儲蓄量間的關(guān)聯(lián)性，兩者間的線性關(guān)系為：

其中，a是常數(shù)，b也是常數(shù)；a代表樹干木材生物量及其與林木總生物量的比值，b代表地上或地下部分生物量占林木總生物量的百分比；B表示生物量；V則表示蓄積量。

國家林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(LY/T1721－2008)“森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范”中提供的植被固碳公式為：G植物固碳=1.63R碳AB年式中G植物固碳為植被年固碳量（t·a-1），R碳是CO2碳的含量，為27.27%；A為林分面積（hm2）；B年為林分單位凈生產(chǎn)力（t/hm2·a）。后兩種方法一般用于森林群落固碳量的計算，尚未見用于對城市綠地群落的研究。

4　研究展望

4.1對城市綠地降溫增濕效應(yīng)的研究主要集中為定性分析比較，多以植物群落為研究基礎(chǔ)，對所選樣地進(jìn)行溫濕度的實(shí)時監(jiān)測，分析綠地類型、結(jié)構(gòu)、郁閉度等與溫濕差異的關(guān)系；而固碳釋氧能力的研究多見于定性計算，常見于以單位面積的光合速率為基礎(chǔ)，進(jìn)而計算單位面積日同化量和單株日同化量。城市綠地降溫增濕能效應(yīng)的定量計算和群落固碳釋氧效應(yīng)的相關(guān)研究并不多見。

4.2城市綠地固碳釋氧和降溫增濕功能研究一般有兩種方法：（1）以實(shí)測數(shù)據(jù)為依據(jù)的實(shí)地采樣法，（2）以GIS為基礎(chǔ)采用定量遙感反演的方法。當(dāng)前，絕大多數(shù)研究均采用實(shí)地采樣法開展，尤其是固碳釋氧效應(yīng)的相關(guān)研究；定量遙感反演方法的應(yīng)用相對較少，主要集中在降溫增濕效應(yīng)研究。由于遙感影像獲取地表數(shù)據(jù)更加方便快捷，省時省力等優(yōu)點(diǎn)，隨著遙感技術(shù)的日益成熟，定量遙感反演方法將扮演更重要的角色。

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