太原市主要園林植物春季固碳釋氧和降溫增濕效應(yīng)

宋卓琴，康紅梅，牛 艷，曹冬梅，張 超，段九菊

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所，山西太原030031）

城市園林綠化植物作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有抗污抗菌、滯塵減噪、固碳釋氧、降溫增濕等作用[1]，對(duì)于優(yōu)化城市環(huán)境、改善城市空氣質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)城市生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)具有非常重要的意義[2-3]。園林綠化植物通過(guò)光合作用，實(shí)現(xiàn)城市環(huán)境中的碳氧平衡，通過(guò)植物體遮陰反射和表面氣孔的蒸騰作用，實(shí)現(xiàn)降溫增濕，改善居住環(huán)境的小氣候，增加環(huán)境的舒適度[4-7]。因此，在進(jìn)行城市園林綠化植物配置時(shí)，不僅要考慮植物的景觀效應(yīng)，更應(yīng)注重其生態(tài)效益的發(fā)揮[8]。

近年來(lái)，對(duì)城市園林綠化的研究主要集中在植物群落、植物配置、生態(tài)功能定量化等方面，常用的研究方法主要是公式計(jì)算和分類評(píng)價(jià)。劉雪蓮等[9]研究了昆明市常見(jiàn)的18種常綠植物的光合特性，并對(duì)測(cè)試植物的單位葉面積固碳釋氧能力進(jìn)行了聚類分析；2015年邵永昌等[10]研究了上海地區(qū)的17種主要園林綠化樹(shù)種的蒸騰特性，分析了相關(guān)影響因子，并對(duì)主要綠化樹(shù)種的降溫增濕功能進(jìn)行定量計(jì)算和聚類分析。但是，我國(guó)地域遼闊，各地植物種類不同，且相同種類在不同地區(qū)所表現(xiàn)出的環(huán)境效應(yīng)也不相同[11-12]。而目前針對(duì)山西地區(qū)的常見(jiàn)園林植物生態(tài)效應(yīng)的相關(guān)研究較為缺乏。

本研究在項(xiàng)目組前期對(duì)太原市城區(qū)園林植物應(yīng)用現(xiàn)狀、景觀配置、調(diào)查分析的基礎(chǔ)上[13-14]，經(jīng)資料分析與實(shí)地踏查，選取了太原市常見(jiàn)的34種園林植物作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)其光合、蒸騰特性的測(cè)定以及對(duì)固碳釋氧、降溫增濕相關(guān)生態(tài)指標(biāo)的分析評(píng)估，定量探究了常見(jiàn)園林植物的固碳釋氧、降溫增濕效應(yīng)，旨在為城市園林綠化植物的種類選擇、空間配置提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

太原市位于山西省中北部的太原盆地，地理坐標(biāo)為東經(jīng) 111°30′～113°09′，北緯 37°27′～38°25′，市區(qū)坐落于汾河河谷平原上，平均海拔約800 m，屬北溫帶大陸性氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，四季分明、日照充足，晝夜溫差較大，無(wú)霜期平均202 d，年均降水量456 mm。在園林綠化植物區(qū)劃中屬暖溫帶綠化區(qū)，地帶性植物為暖溫帶季風(fēng)落葉闊葉林。截至2016年底，太原市城區(qū)園林綠化總面積12 654.6 hm2，綠化覆蓋率達(dá)到41.65%，人均公園綠地面積11.88 m2。

1.2 試驗(yàn)材料

供試材料為太原市34種主要園林植物，其詳細(xì)名錄列于表1，其中，喬木8種，小喬木7種，灌木5種，綠籬灌木6種，地被5種，藤本3種。

表1 太原市34種主要園林植物名稱

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 光合特性測(cè)定 試驗(yàn)在2017年4—5月進(jìn)行，選擇晴朗、無(wú)風(fēng)的天氣，在自然光照條件下用LI-6400型光合儀對(duì)植物葉片進(jìn)行光合日變化測(cè)定，測(cè)定時(shí)間為8：00—18：00，每2 h測(cè)一次。在太行路及其附近的綠化帶進(jìn)行測(cè)定，定植年限為4 a，喬木、小喬木、灌木選擇樹(shù)體周圍2 m內(nèi)無(wú)高于1 m的植株，生長(zhǎng)健壯、大小相似，每株選取向陽(yáng)面中部的功能葉片，綠籬灌木、地被、藤本選擇覆蓋面積在10 m2左右的表面上部功能葉片，每種選3株，每株選3片葉進(jìn)行測(cè)定，待光合儀數(shù)值穩(wěn)定取瞬時(shí)光合參數(shù)值，3次重復(fù)，取平均值。

1.3.2 固碳釋氧、增濕降溫能力計(jì)算 根據(jù)植物光合作用、蒸騰作用原理，植物的固碳釋氧、降溫增濕效應(yīng)的計(jì)算，依賴于對(duì)植物光合速率及蒸騰速率的測(cè)定值。

1.3.2.1 固碳釋氧能力計(jì)算 參照楊士弘等[15]的方法計(jì)算凈同化量。

式中，P為單位葉面積日同化總量（mmol（/m2·d）），Pi指初測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)光合速率，Pi＋1為下 1 個(gè)測(cè)定點(diǎn)的瞬時(shí)光合速率（μmol（/m2·s））；ti為初測(cè)點(diǎn)的時(shí)間（h），ti＋1為下一個(gè)測(cè)定點(diǎn)的時(shí)間（h），j為測(cè)定次數(shù)，3 600指每小時(shí)3 600 s；1 000指 1 mmol為1 000 μmol。

式中，Wco2為單位葉面積固定CO2的質(zhì)量（g/（m2·d）），44 為 CO2的摩爾質(zhì)量。根據(jù)光合作用的反應(yīng)方程CO2＋4H2O→CH2O＋3H2O＋O2可以計(jì)算出該植物釋放O2的質(zhì)量。

式中，Wo2為單位葉面積固定氧氣的質(zhì)量（g/（m·2d））。32 為 O2的摩爾質(zhì)量。

1.3.2.2 增濕降溫能力計(jì)算 參考趙瑞文等[16]的方法計(jì)算單位葉面積日蒸騰總量。

式中，E為單位葉面積日蒸騰總量（mol（/m·2d））；ei為初測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)蒸騰作用速率（mmol（/m2·s））；ei＋1為下一測(cè)定點(diǎn)的瞬時(shí)蒸騰作用速率（mmol（/m2·s））；ti為初測(cè)點(diǎn)的測(cè)試時(shí)間（h）；ti＋1為下一測(cè)定點(diǎn)的時(shí)間（h）；j為測(cè)試次數(shù)。3 600指每小時(shí)3 600 s；1 000 指 1 mol為 1 000 mmol。

用測(cè)定日的蒸騰總量換算為測(cè)定日釋放水的質(zhì)量WH2O（g（/m·2d））。

式中，18為H2O的摩爾質(zhì)量。

式中，Q為單位葉面積日吸熱量（J（/m·d））；W為植物單位葉面積日蒸騰總量（g（/m2·d））；L（cal）為蒸發(fā)耗熱系數(shù)（L＝597－0.57×t，t為葉面溫度）；1 cal＝4.18 J。2

式中，ΔT為降溫值（℃）；pc為空氣的容積熱容量（1 256 J（/m·3h））；v為空氣柱體積，為10 m2×100 m。

植物蒸騰而使周圍在1 000 m3的空氣柱中增加的單位葉面積的相對(duì)濕度為Δ（f%）。

式中，Δa為空氣增加的絕對(duì)濕度（g/m3），Δe即為水汽壓的增加值，T即為日均的葉面絕對(duì)溫度值，T＝t＋273.16，e即為空氣的飽和水汽壓化。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 春季園林植物單位葉面積的固碳釋氧效應(yīng)

從表2可以看出，6類34種園林植物中固碳釋氧能力最強(qiáng)的是苜蓿，最弱的是鳶尾。8種喬木中固碳釋氧能力最強(qiáng)的是泡桐，其固碳釋氧能力是最弱的楊樹(shù)的5.00倍；7種小喬木中最強(qiáng)的是衛(wèi)矛，其固碳釋氧能力是最弱的碧桃的3.09倍；5種灌木中最強(qiáng)的是珍珠梅，其固碳釋氧能力是最弱的月季的1.76倍；6種綠籬灌木中最強(qiáng)的是小葉女貞，其固碳釋氧能力是最弱的小葉黃楊的11.06倍；5種地被中最強(qiáng)的是苜蓿，其固碳釋氧能力是最弱的鳶尾的114.86倍；3種藤本中最強(qiáng)的是山蕎麥，其固碳釋氧能力是最弱的五葉地錦的4.19倍。其中，差異最大的是地被，差異最小的是灌木?？梢?jiàn)，同種類型不同物種之間固碳釋氧能力差異比較大。通過(guò)計(jì)算同種類型園林植物的固碳、釋氧量平均值可以得出，固碳釋氧能力大小順序?yàn)椋盒棠?藤本>地被>灌木>綠籬灌木>喬木，其中，小喬木僅為喬木的1.31倍。可見(jiàn)，不同類型間固碳釋氧能力差異較小。

表2 春季園林植物單位葉面積的固碳釋氧量

2.2 春季園林植物單位葉面積的降溫增濕效應(yīng)

由表3可知，6類34種園林植物中降溫增濕能力最強(qiáng)的是苜蓿，最弱的是麥冬。8種喬木中降溫增濕能力最強(qiáng)的泡桐，其降溫增濕能力是最弱的楊樹(shù)的5.26倍；7種小喬木中最強(qiáng)的是衛(wèi)矛，其降溫增濕能力是最弱的碧桃的2.63倍；5種灌木中最強(qiáng)的是榆葉梅，其降溫增濕能力是最弱的珍珠梅的2.50倍；6種綠籬灌木中最強(qiáng)的是小葉女貞，其降溫增濕能力是最弱的小葉黃楊的6.19倍；5種地被中最強(qiáng)的是苜蓿，其降溫增濕能力是最弱的麥冬的16.90倍；3種藤本中最強(qiáng)的是山蕎麥，其降溫增濕能力是最弱的五葉地錦的7.43倍。其中，差異最大的是地被，差異最小的是灌木?？梢?jiàn)，同種類型的不同物種間差異較大。通過(guò)計(jì)算同種類型園林植物的降溫值和增濕度平均值得出，降溫增濕能力大小順序?yàn)椋禾俦?地被>小喬木>灌木>喬木>綠籬灌木，其中，藤本僅為綠籬灌木的1.64倍?？梢?jiàn)，不同類型間的降溫增濕能力差異較小。

表3 春季園林植物單位葉面積的降溫增濕量

續(xù)表3

2.3 園林植物固碳釋氧、降溫增濕能力評(píng)價(jià)

對(duì)6類34種園林植物單位葉面積固碳釋氧、降溫增濕能力進(jìn)行分類評(píng)價(jià)，固碳釋氧能力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：Wco2＞12 g/（m2·d）為強(qiáng)，Wco2介于8～12 g/（m2·d）為中，Wco2＜8 g/（m2·d）為弱；降溫增濕能力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：ΔT＞4℃為強(qiáng)，ΔT介于2～4℃為中，ΔT＜2 g/（m2·d）為弱。

由表4可知，8種喬木，臭椿、黃金槐、泡桐的固碳釋氧、降溫增濕能力均強(qiáng)，白蠟、國(guó)槐中等，銀杏、垂柳、楊樹(shù)弱；7種小喬木，衛(wèi)矛的固碳釋氧、降溫增濕能力均強(qiáng)，紫葉李、丁香的固碳釋氧能力強(qiáng)，金葉榆的降溫增濕能力強(qiáng)，僅次于衛(wèi)矛；5種灌木，連翹、珍珠梅的固碳釋氧能力強(qiáng)，降溫增濕能力中等，榆葉梅的降溫增濕能力強(qiáng)，固碳釋氧能力中等，月季的固碳釋氧能力弱；6種綠籬灌木，固碳釋氧、降溫增濕能力均以小葉女貞強(qiáng)，紅瑞木、金葉女貞中等，膠東衛(wèi)矛、紫葉小檗、小葉黃楊弱；5種地被固碳釋氧、降溫增濕能力均以苜蓿、萱草強(qiáng)，玉簪、麥冬、鳶尾弱；3種藤本，山蕎麥的固碳釋氧、降溫增濕能力均強(qiáng)，五葉地錦弱，金銀花固碳釋氧能力強(qiáng)，降溫增濕能力中等。

表4 太原市園林植物單位葉面積固碳釋氧、降溫增濕能力評(píng)價(jià)

3 討論

植物的固碳釋氧、降溫增濕能力受多種因素的影響，其中主要是植物本身和外界環(huán)境因素，同一種植物在不同地區(qū)以及不同生長(zhǎng)季節(jié)的固碳釋氧、降溫增濕能力也不同[17-18]。本項(xiàng)目不僅對(duì)34種園林植物春季的固碳釋氧、降溫增濕生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行了研究，而且對(duì)秋季的情況也進(jìn)行了研究[19]，2個(gè)季節(jié)的結(jié)果顯示，春季凈光合速率的測(cè)定值比秋季的偏低，主要是由于春季光照弱、溫度低，葉片較嫩、較薄，組織結(jié)構(gòu)發(fā)育不完全，光合能力未達(dá)到最佳，導(dǎo)致單位葉面積的固碳釋氧、降溫增濕能力均較弱。這與張婧雯[20]的研究結(jié)果一致，光合速率、蒸騰速率與表皮細(xì)胞的厚度、海面組織、葉片的厚度呈正相關(guān)，光合速率越高、固碳釋氧能力越強(qiáng)，則蒸騰速率越高，降溫增濕能力也越強(qiáng)[21]。

不同植物因其生理特性的不同，固碳釋氧、降溫增濕的能力也不同[22]。本研究中，衛(wèi)矛、小葉女貞單位葉面積固碳釋氧、降溫增濕能力強(qiáng)，銀杏屬于較弱的植物，國(guó)槐、西府海棠等能力中等，這與前人的研究結(jié)果一致[21，23-24]。本研究結(jié)果還表明，園林植物不同類型間固碳釋氧、降溫增濕能力差異不大，固碳釋氧能力較強(qiáng)的小喬木僅是喬木的1.31倍，降溫增濕能力較強(qiáng)的藤本僅是綠籬灌木的1.64倍；而同種類型的不同物種間差異較大，其中，地被的不同物種間差異最大，固碳釋氧能力苜蓿是鳶尾的113.09倍，降溫增濕能力苜蓿是麥冬的16.8倍，這與秦俊等[25]、陳少鵬[26]的研究結(jié)果一致。

通過(guò)對(duì)園林綠化植物固碳釋氧、降溫增濕能力進(jìn)行分類評(píng)價(jià)，將強(qiáng)度一致的植物分為一類[21]，可為園林植物選擇與應(yīng)用提供依據(jù)。本研究結(jié)果顯示，在考慮固碳釋氧及降溫增濕能力時(shí)，首選高光合、高蒸騰能力的植物，如喬木的泡桐、小喬木的衛(wèi)矛、灌木的珍珠梅或榆葉梅、綠籬灌木的小葉女貞、地被的苜蓿、藤本的山蕎麥等。在兼顧園林配置、景觀效果時(shí)，則可參照分類評(píng)價(jià)的結(jié)果，將相似度高的植物進(jìn)行互換[24]，如同為小喬木的碧桃和金葉榆固碳釋氧生態(tài)效應(yīng)相近，但景觀效果完全不同，在園林配置中可以更科學(xué)地應(yīng)用。

4 結(jié)論

對(duì)34種測(cè)試植物單位葉面積固碳釋氧量、降溫增濕值進(jìn)行分類評(píng)價(jià)，分為強(qiáng)、中、弱3個(gè)等級(jí)。其中，喬木的泡桐、小喬木的衛(wèi)矛、綠籬灌木的小葉女貞、地被的苜蓿、藤本的山蕎麥固碳釋氧和降溫增濕能力均最強(qiáng)，灌木的珍珠梅固碳釋氧能力最強(qiáng)、榆葉梅降溫增濕能力最強(qiáng)。

不同園林植物光合速率越高、固碳釋氧能力越強(qiáng)，蒸騰速率越高、降溫增濕能力越強(qiáng)；同種類型不同物種間固碳釋氧能力、降溫增濕能力差異較大，均以地被最大、灌木最小，而不同類型間的差異較小。分為同一類的植物固碳釋氧、降溫增濕效應(yīng)相近，在綜合考慮園林配置、景觀效果的情況下可以互換，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)美與生態(tài)效益相結(jié)合。