昆明市16種道路綠化樹種秋季固碳釋氧能力研究

李琬婷 楊藝寧 程小毛 黃曉霞

(西南林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，國家林業(yè)局西南風(fēng)景園林工程研究中心，云南 昆明 650224)

城市用地規(guī)模的需求銳增，伴隨一系列的環(huán)境問題，其中尤以溫室效應(yīng)最為突出。由于大氣中CO2濃度逐步上升[1]，使得溫室效應(yīng)的影響日益加劇[2]，這些多重因素的交互作用，使得全球氣候變暖趨勢自20世紀90年代后愈發(fā)明顯。因全球氣候變暖而對人類經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展所產(chǎn)生負面影響也層出不窮，減緩氣候變暖成為國際社會密切關(guān)注的熱點問題[3]。各國都在努力通過有效途徑來減緩溫室效應(yīng)所產(chǎn)生的不良影響，而植物可以稱得上最佳的綠色 “吸碳器”[4]。植物具有固碳釋氧的重要功能，對調(diào)節(jié)區(qū)域碳平衡起著重要作用，且不同種植物在全年中固碳釋氧能力各不相同[5-8]。國內(nèi)學(xué)者對城市綠化植物的葉面積指數(shù)、光合速率日變化、光合速率影響因子以及光合作用等方面進行綜合研究分析，發(fā)現(xiàn)各地區(qū)的綠化植物固碳釋氧能力由于各種因素而存在不同程度的差異性[9-10]；國外學(xué)者通過對美國各州的城市綠地進行定量化研究，發(fā)現(xiàn)城市綠地可通過調(diào)節(jié)濕度、局部溫度以及對熱量的調(diào)控等多種途徑來進行對CO2固定，進而估算整個城市綠地每年的固碳量[11-12]。

昆明市地處中國的西南地區(qū)，草木四季常青，道路綠化植物多達130余種。目前對昆明市綠化植物的研究主要集中于綠化樹種選擇[13]、病蟲害防治[14]、景觀效果[15]等方面，而關(guān)于昆明市道路綠化樹種秋季固碳釋氧定量化的研究較少。因此，本研究結(jié)合昆明市實際情況，選擇昆明市主干道路綠化中常見且在數(shù)量以及面積上均占優(yōu)勢的16種喬灌木為試材，對不同綠化樹種單位葉面積、單位土地面積秋季日固碳釋氧能力進行研究，為昆明市道路綠化樹種的選擇和改善周邊氣候環(huán)境提供一定的理論依據(jù)，為構(gòu)建城市綠化植物群落提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況

昆明市地處東經(jīng)102°10′～103°40′，北緯24°23′～26°22′，位于云貴高原中部，為山原地貌，屬于低緯度高原山地季風(fēng)氣候。植物資源豐富，植物區(qū)系以熱帶、亞熱帶成分居多[16]。以物種多樣性、觀賞特性多樣性及植物景觀多樣性出發(fā)為原則，選取昆明市盤龍區(qū)4條主干道白龍路 (102°75′～102°76′E，25°06′～25°07′N)、園博路 (102°75′～102°76′E，25°07′～25°08′N)、穿金路 (102°74′～102°75′E，25°07′～25°08′N)、人民東路 (102°75′～102°78′E，25°04′～25°05′N) 為樣地。

2 研究方法

2.1 調(diào)查對象及方法

在對昆明市道路綠化植物現(xiàn)有的植物種類和生長狀況進行調(diào)查與分析的基礎(chǔ)上，選擇在數(shù)量以及面積上均占優(yōu)勢的16種道路綠化樹種作為試驗材料 (表1)。采用抽樣法和全測法進行調(diào)查和進行各指標的測定分析，對于綠化簡單或者路段距離較短的街道；采用全測法，以使調(diào)查更具準確性。樣地的選取在綜合考慮小環(huán)境相似、所選植被在其中占據(jù)優(yōu)勢、有一定面積、植物配置方式合理等方面后，將距離較長的街道劃分成不同路段，每段路取配置比較均勻的100 m作為調(diào)查樣段，再根據(jù)單株樹種的生長狀況，抽樣法篩選出各條道路中的研究樹木，選擇標準為冠形勻稱、枝葉生長茂盛。

2.2 測定方法

植物光合速率的測定于2015年9—10月的上、中、下旬，選擇晴朗無風(fēng)的天氣，于同一地點、同一時間段內(nèi)利用LI-6400XT光合-熒光便攜式光合測定儀測定植物光合速率和蒸騰速率，每旬測1次，連續(xù)測6次。測定時隨機選取大小及長勢一致的各樹種各5株，對3片向陽面中部位置的葉片進行測定其瞬時光合速率，光強為測定時的自然光強，自8:00—18:00每隔2 h測定1次。用簡單積分法[17-18]計算植物葉片在測試當日的凈同化量。

2.3 分析方法

通常情況下，植物晚上的暗呼吸消耗量按照日間同化量的20%進行計算[19]，故參照邵永昌等[20]的方法測定并估算供試的16種綠化樹種的葉面積指數(shù)、日單株葉面積固碳釋氧量、單株植物單位土地面積的日固碳釋氧量以及植物秋季固碳釋氧總量，昆明地區(qū)植物秋季實際進行光合作用的平均天數(shù)約為75 d。

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件進行整理分析，多重比較采用Duncan′s檢驗方法，對16種測定樹種單位葉面積固碳釋氧量采用Word Method離差平方和法進行聚類分析。

表1 16種綠化樹種的基本情況Table 1 The basic situation of 16 kinds of green tree species

3 結(jié)果與分析

3.1 各樹種固碳釋氧基本指標分析

各樹種葉面積指數(shù)、日蒸騰總量見表2。

從表2可知，16種各樹種的葉面積指數(shù)為2.50～17.49；其中廣玉蘭 (Magnoliagrandiflora)、香樟 (Cinnamomumglanduliferum) 以及茶梅 (Camelliasasanqua) 的葉面積指數(shù)較高。喬、灌木植物的葉面積指數(shù)平均值為5.80～6.25，大小綜合排序為喬木 > 灌木，存在一定差值。常綠樹種與落葉樹種葉面積指數(shù)則表現(xiàn)為常綠樹種高于落葉樹種。各樹種的日蒸騰總量區(qū)別明顯，以香樟、假連翹 (Durantarepens)、天竺桂 (Cinnamomumpedunculatum) 居前3位，山茶、紅花檵木 (Loropetalumchinense)、茶梅位列后3位，這可能是由于不同植物所處環(huán)境如光照、水分、溫度、因子等差異使得其呈現(xiàn)出明顯的差異性。各樹種的日蒸騰總量均值為36.71 mmol/(m2·d)，喬木為38.83 mmol/(m2·d)，灌木為34.58 mmol/(m2·d)，喬木蒸騰強度高于于灌木，常綠樹種和落葉樹種日蒸騰總量的均值分別為36.94 mmol/(m2·d)和36.18 mmol/(m2·d)，常綠樹種略高于落葉樹種，喬木的蒸騰強度較大于灌木。

表2 各樹種葉面積指數(shù)、日蒸騰總量Table 2 The leaf area index and average photosynthetic rate of each tree species

3.2 單位葉面積固碳釋氧能力分析

不同植物相同環(huán)境由于其生理功能的區(qū)別，其固碳釋氧效果有很大差異性。各樹種單位葉面積的固碳釋氧量見表3。

表3 各樹種單位葉面積的固碳釋氧量Table 3 Carbon fixation and oxygen release per leaf area of each tree species

由表3可知，各樹種的日同化總量存在不同程度的差異，在喬木樹種中香樟、廣玉蘭、小葉榕 (Ficusconcinna) 的日同化總量相較其他各樹種處于前列，在灌木樹種中假連翹、紅葉石楠 (Photiniaserrulata)、八角金盤 (Fatsiajaponica) 以及小葉女貞 (Ligustrumquihoui) 日同化總量均高于其他4種供試灌木。日同化總量的最大值與最小值分別是假連翹 (349.98 mmol/(m2·s)) 和紅花檵木 (155.47 mmol/(m2·s))。各樹種單位葉面積固碳釋氧量存在較大差異，喬木單位葉面積平均固碳釋氧量低于灌木，灌木單位葉面積固碳量及釋氧量分別為 5.47～12.32 g/(m2·d) 及3.98～8.96 g/(m2·d)，這可能受樹種葉面積指數(shù)白天的凈光合速率以及夜間呼吸速率的影響；2個指標均以假連翹最高，紅花檵木最低。假連翹單位面積固碳釋氧量分別為12.32 g/(m2·d)和8.96 g/(m2·d)，高于紅花檵木55.60%和55.58%。各樹種固碳釋氧量從高到低依次排序為假連翹 > 紅葉石楠 > 八角金盤 > 小葉女貞 > 茶梅 > 毛杜鵑 > 山茶 > 紅花檵木。

3.3 單位土地面積和單株植物秋季固碳釋氧變化

受葉面積指數(shù)的影響，植物單位土地面積固碳釋氧量間存在明顯差異。各樹種單位土地面積秋季固碳釋氧量見表4。

表4 各樹種單位土地面積秋季固碳釋氧量Table 4 Autumn carbon fixation and oxygen release on unit land area of each tree species

從表4可知，喬木單株葉面積遠高于灌木，其中廣玉蘭的單株葉面積最大，為312.25 m2，茶梅的單株葉面積最小，為3.58 m2。喬木中植物單株植物單位土地面積日固碳釋氧量大小排序為廣玉蘭 > 香樟 > 銀杏 (Ginkgobiloba)、天竺桂 > 滇樸 (Celtistetrandra) > 櫻花 (Cerasusserrulatavar.lannesiana) > 紫葉李 (Prunuscerasifera)、小葉榕 (Ficusconcinna)；灌木中單株植物單位土地面積日固碳釋放氧量排序為紅葉石楠 > 茶梅 > 毛杜鵑 > 假連翹 > 小葉女貞 > 山茶 > 八角金盤 > 紅花檵木；不同樹種的秋季固碳釋氧能力有明顯差別，單株植物秋季固碳總量變化趨勢與單位土地面積日固碳釋氧量大小變化基本一致。各喬、灌木單株植物秋季固碳釋氧量存在一定差異，喬木單株植物秋季固碳釋氧量平均值分別為57.29 kg、41.67 kg，灌木的單株植物秋季固碳釋氧量平均值為53.25 kg和38.73 kg，前者的單株植物秋季固碳釋氧量分別高于后者8%和7%。16種綠化樹種中，廣玉蘭的秋季固碳釋氧能力居所測綠化植物之首，香樟次之，雖然其單位葉面積的日固碳釋氧量并不算高，但其具有遠大于其他樹種的葉面積指數(shù)及較好的生長適應(yīng)能力，使得這些植物單株固碳釋氧能力得到較大的提升。

3.4 各樹種固碳釋氧能力聚類分析

由圖1可知，8種供試喬木單位葉面積固碳釋氧能力共分成3級，廣玉蘭及香樟為1級，固碳釋氧能力較強，其固碳釋氧量分別為9.95～11.3 g/(m2·d) 和7.24～8.22 g/(m2·d)；天竺桂、櫻花、紫葉李、銀杏、小葉榕、滇樸為2級，其固碳量為7.35～8.44 g/(m2·d)，釋氧量為5.35～6.14 g/(m2·d)，固碳釋氧能力次之；銀杏為3級，其固碳釋氧量依次為6.53 g/(m2·d)和4.75 g/(m2·d)，這可能是由于其為落葉樹種且冠幅不大以及葉面積指數(shù)小而影響其固碳釋氧能力低于其余7種喬木。8種供試灌木單位葉面積固碳釋氧能力也分成3級，小葉女貞、假連翹、八角金盤、紅葉石楠為1級，其固碳量9.96～12.32 g/(m2·d)，釋氧量為7.24～8.96 g/(m2·d)；毛杜鵑、茶梅、山茶為2級，其固碳量7.41～8.4 g/(m2·d)，釋氧量為5.39～6.11 g/(m2·d)；紅花檵木為3級，其固碳量為5.47 g/(m2·d)，釋氧量為3.98 g/(m2·d)。

圖1 各樹種單位葉面積固碳釋氧能力聚類分析Fig.1 Cluster analysis of carbon fixation and oxygen release capacity per unit leaf area of each tree species

采用相同方法，對16種植物單位土地面積固碳釋氧量進行聚類分析表明，喬、灌木植物的固碳釋氧能力之間存在明顯分級。結(jié)果如圖 2所示，8種喬木單位土地面積固碳釋氧能力共分2級，廣玉蘭、香樟為1級，其固碳量為119.78～174.03 g/(m2·d)，釋氧量為87.13～126.63 g/(m2·d)；小葉榕、紫葉李、櫻花、天竺桂、滇樸、銀杏為2級，其固碳量為22.1～38.07 g/(m2·d)，釋氧量為16.09～27.69 g/(m2·d)。8種供試灌木單位葉面積固碳釋氧能力分成3級，小葉女貞、山茶、紅花檵木、八角金盤為1級，其固碳量為24.78～42.73 g/(m2·d)，釋氧量為18.03～31.06 g/(m2·d)；假連翹、毛杜鵑 (Rhododendronpulchrum) 為2級，其固碳量為54.45～62.27 g/(m2·d)，釋氧量為39.6～45.26 g/(m2·d)；茶梅、紅葉石楠為3級，固碳釋氧量的值分別為87.95～89.81 g/(m2·d)和63.97～65.38 g/(m2·d)。

圖2 各樹種單位土地面積固碳釋氧能力聚類分析Fig.2 Cluster analysis of carbon fixation and oxygen release capacity in unit land area of each tree species

4 結(jié)論與討論

植物固碳釋氧能力受到多種因素的影響，而植物自身和外界環(huán)境則是最受關(guān)注的影響因素。在昆明地區(qū)，道路綠化樹種的秋季釋氧量固碳釋氧效率大小為喬木 > 灌木，這與劉雪蓮等[21]的研究結(jié)果稍有差別，其研究中16種供試的喬、灌木植物的單位葉面積固碳釋氧能力高低不同但差異不大，而具體植物種類的固碳釋氧能力差異較大且結(jié)果偏高，這可能與測試時所選葉片為樣地陽面生長健壯且大小相近的葉片，而未考慮陰面的葉片以及植物的生長環(huán)境等因素有關(guān)。

衡量各樹種的固碳釋氧能力要把葉面積指數(shù)和單位葉面積的固碳釋氧能力等相關(guān)因素聯(lián)系起來綜合考慮[22]。受葉面積指數(shù)的影響，道路綠化樹種中喬、灌木的單位土地面積固碳釋氧量以及秋季固碳釋氧量具有明顯差異。與喬木相比，灌木的日同化總量和單位葉面積固碳釋氧量高于前者，但由于前者具有較大的冠幅和較高的葉面積指數(shù)，所以喬木在這方面仍占絕對優(yōu)勢，故喬木在城市綠地的生態(tài)功能方面發(fā)揮起主要作用，這與董延梅等[23]的研究結(jié)果相一致。對16種樹種的秋季固碳釋氧能力進行分析后，發(fā)現(xiàn)廣玉蘭與香樟的配置種植結(jié)構(gòu)在提高城市綠地的空氣質(zhì)量、美化環(huán)境等方面具有較好效果，是兼具生態(tài)及景觀效益的綠化配置模式。本研究中，喬木的日蒸騰總量、單株植物葉面積均高于灌木，雖然在測試植物中灌木的植物單位葉面積固碳釋氧量大于喬木，但由于喬木具有較強的生長優(yōu)勢，所以昆明市綠地的綠化樹種中喬木在綠地生態(tài)功能方面發(fā)揮其主導(dǎo)地位，灌木起輔助配合作用。在城市道路綠化樹種中通過對喬、灌木的合理的配置和科學(xué)的維護保養(yǎng)等措施來提高植物生長狀況從而達到提高植物固碳釋氧能力這一目的，這與熊向艷等[24]、代巍[25]的研究相類似。在城市道路綠化植被理想配置模式上，應(yīng)以喬木為主，灌木、草本植物作為輔助種植，來構(gòu)建一個具有較高的生物多樣性的復(fù)層群落結(jié)構(gòu)，且需要在落葉與常綠樹種的搭配時注意種植比例，讓各具生態(tài)特性的植物發(fā)揮其應(yīng)有的作用，合理充分的將水分、光照、溫度、空間等資源，將這些因子有機的結(jié)合構(gòu)成群落，增強其規(guī)模效應(yīng)，保證各生態(tài)因子之間的循環(huán)流動，這樣才能提高整個城市綠化道路的生態(tài)經(jīng)濟綜合效益。

綜上所述，植物固碳釋氧過程是由一系列復(fù)雜的動態(tài)能量流動所構(gòu)成的過程，這不僅僅與植物物種、生長情況等因素有關(guān)聯(lián)，還與所選的樣地的土壤、溫度等眾多因素有關(guān)。城市道路植被生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧能力不但與植物的光合作用有關(guān)，還與郁閉度、三維綠量等諸多因素相關(guān)，還需今后更多的研究進行深入全面的研究。