基于熱島改善的16 種園林植物生態(tài)效益研究

王月容 叢日晨 金 鑫

（北京市園林科學(xué)研究院， 園林綠地生態(tài)功能評價(jià)與調(diào)控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100102）

城市園林綠地系統(tǒng)是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在美化城市面貌、保護(hù)城市生存環(huán)境、維持城市生態(tài)平衡方面起著積極作用。 城市綠化建設(shè)是改善城市生態(tài)環(huán)境與緩解城市熱島效應(yīng)最直接和最有效途徑。大量研究表明：城市綠化覆蓋率與熱島強(qiáng)度成反比，綠化覆蓋率越高，則熱島強(qiáng)度越低，當(dāng)一個(gè)區(qū)域綠化覆蓋率達(dá)到或大于30%時(shí)，綠地對城市熱島有較明顯的削弱作用，覆蓋率大于50%，綠地對城市熱島的削減作用極其明顯[1-2]。 城市綠地基于自身所固有的固碳釋氧、增濕降溫等生態(tài)功能，可以改善城市局部微氣候并提高環(huán)境舒適度，從而最大限度的滿足人居環(huán)境的需要[3-10]。 因此，在進(jìn)行園林綠地建設(shè)中，園林樹種的選擇與配置，不但應(yīng)考慮美學(xué)中有關(guān)色彩和季相、層次和意境等問題，還應(yīng)考慮植物的生物學(xué)特性、生態(tài)習(xí)性。因此本研究基于植物生態(tài)功能與光合作用的密切關(guān)系，通過光合作用測定儀平臺，測定分析不同園林植物光合作用特性，定量評估不同園林植物的固碳釋氧、蒸騰吸熱生態(tài)功能，進(jìn)而了解不同植物在改善生態(tài)功能方面的能力差異，旨在為綠地建設(shè)過程中合理配置與選擇利用園林植物，改善熱島、改善人居環(huán)境，提高城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等方面提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

在對北京城市多種綠地中優(yōu)勢樹種抽樣調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)平均樹高、胸徑等規(guī)格特征，在北京市園林科學(xué)研究院及周邊小區(qū)內(nèi)選擇具有代表性的國槐、銀杏、油松等16 種常見的優(yōu)勢的園林綠化植物作為試驗(yàn)材料，試驗(yàn)材料均選自于綠地群落中根系完整、生長良好、大小基本一致、無病蟲害的，無特殊園林管理養(yǎng)護(hù)。 具體實(shí)驗(yàn)材料特征見表1 所示。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 測定方法

儀器：美國LI-COR 公司生產(chǎn)的LI-6400XT 便攜式光合測定儀；

測定指標(biāo)：光合速率（Pn）、蒸騰速率（E）、葉片氣孔導(dǎo)度（C）、胞間CO2濃度（IntCO2）；

取樣方法：每種植物選取2 株標(biāo)準(zhǔn)木，每株選取3 枚生長良好、無病蟲害的新葉，每枚葉片測定3 次取平均值；

測定時(shí)間：2017 年6 至7 月底，選擇晴朗、無風(fēng)天氣，在自然光照條件下，在室外進(jìn)行活體測定，具體日期分別是6 月14 日、6 月26 日、7 月17 日、7月31 日四天。 從早8∶00 到晚期18∶00，每隔兩個(gè)小時(shí)測定一次。

表1 16 種園林植物試驗(yàn)材料

1.2.2 環(huán)境因子的測定

本研究使用手持式氣象站Kestrel-4500 袖珍式氣象測量儀和LI-6400 便攜式光合作用系統(tǒng)同步測定，同時(shí)記錄大氣溫度、空氣濕度、光合有效輻射、大氣CO2濃度、大氣水氣壓差等環(huán)境因子。

1.2.3 釋氧量、固碳量的計(jì)算

CO2也是“溫室效應(yīng)”氣體。 它的增加會引起城市局部地區(qū)的升溫，產(chǎn)生“熱島效應(yīng)”。園林植物通過光合作用吸收CO2，釋放如O2，從而降低了環(huán)境中的CO2濃度，補(bǔ)充了O2，從而保持了大氣中的碳氧平衡。 由植物葉片凈光合速率日變化可知日平均凈光合速率，可估算單位面積葉片每日所吸收的CO2量和釋放的O2量。 計(jì)算公式[11]：

P=日平均凈光合速率（μmolCO2m-2S-1）×光合時(shí)間（12 小時(shí)）×3600（s）×10-6

其中，P 為日同化總量，單位：（molm-2d-1）；Wco2為單位面積葉片日固定CO2的質(zhì)量，單位：（gm-2d-1），44 是CO2的摩爾質(zhì)量；Wo2為單位面積葉片日釋放O2的質(zhì)量，單位：（gm-2d-1），32 是O2的摩爾質(zhì)量。

1.3.2 降溫增濕功能的量化計(jì)算

植物經(jīng)過蒸騰作用，向環(huán)境中散失水分，增加了空氣濕度。 液態(tài)的水由植物葉片的氣孔和角質(zhì)層以氣態(tài)形式散發(fā)到空氣中，同時(shí)需要大量的從周圍環(huán)境中吸熱，這樣可以降低周圍的溫度。這種增濕降溫作用特別是在炎熱的夏季，能提高城市居民生活環(huán)境舒適度，對改善城市小氣候條件有非常大的作用。通常用樹木的單位面積日釋放水的質(zhì)量（WH2O）作為增濕功能的指標(biāo)； 用樹木的單位面積日吸收的熱量（Q）作為降溫功能的指標(biāo)，對16 種園林樹種進(jìn)行比較。 計(jì)算公式[11]：

E=日平均蒸騰速率（mmolH2Om-2s-1）×光合時(shí)間（12 小時(shí)）×3600（s）×10-3

其中E 為測定日蒸騰量，單位：（molm-2d-1）；WH2O 為單位面積葉片日釋放水的質(zhì)量，單位：（gm-2d-1），18 是H2O 的摩爾質(zhì)量。

計(jì)算公式：Q= WH2O×L×4.18 L=597－0.57×T

其中：Q 為單位葉面積日吸收的熱量，單位是：Jm-2d-1；L 為蒸發(fā)耗熱系數(shù)；T 為葉面溫度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

將LI-6400XT 系統(tǒng)測定的數(shù)據(jù)卸載到電腦中，所有數(shù)據(jù)用SPSS、EXCEL 分析軟件整理，并進(jìn)行作圖及統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 16 種園林植物的光合特性分析

葉片光合速率的日變化，反映出一天中光合作用的時(shí)間持續(xù)能力。 由于影響光合作用的主要環(huán)境因子（光照、溫度、濕度等）在一天中呈現(xiàn)明顯的日變化，因此光合作用也呈現(xiàn)出各種日變化規(guī)律。圖1 所示為毛白楊、國槐、鵝掌秋等16 種園林樹種凈光合速率的日變化特征曲線。由圖l 可知，雪松、油松、垂柳等樹種的光合速率的日變化均表現(xiàn)為單峰曲線。但最高峰的出現(xiàn)時(shí)間不一樣，毛白楊、國槐、流蘇、垂柳、雪松等的最大峰值出現(xiàn)在10∶00 前后，白蠟、欒樹、元寶楓、油松等樹種的最大峰值出現(xiàn)在為午前高峰型12∶00 前后。而榆樹的最大峰值出現(xiàn)在14∶00 前后，為午后高峰型。 16 種園林樹種凈光合速率域值在（4.10-10.16）umolm-2s-1，具體單位面積的日平均凈光合速率排序?yàn)槌舸唬緡保久讞睿緳铇洌居軜洌景紫灒玖魈K＞鵝掌秋＞元寶楓＞油松＞雪松＞白玉蘭＞垂柳＞銀杏、白皮松、檜柏。 總體上落葉闊葉樹種的日勻凈光合速率比針葉樹種高。

葉片的蒸騰作用在一天中隨時(shí)間的推移而變化，這不僅取決于樹種，而且與葉片和個(gè)體發(fā)育年齡，特別是生理過程和晝夜節(jié)律等相關(guān)，同時(shí)受到外界環(huán)境條件的影響[3]。 由圖2 可知，蒸騰速率的日變化。 臭椿、欒樹等大部分樹種呈單峰曲線變化，少數(shù)如國槐、白皮松等樹種的的蒸騰速率的日變化呈雙峰曲線。 等大部分樹種，早晨隨著太陽的升起，蒸騰速率升高，一般在10 點(diǎn)左右達(dá)到最高峰值，隨著光照的增強(qiáng)，呈下降趨勢，14 點(diǎn)左右又達(dá)到另一小峰值。此后隨著光強(qiáng)的減弱，植物的蒸騰速率也開始下降。到傍晚時(shí)下降的一個(gè)較低的水平。蒸騰速率域值在（1.05-3.46）mmolm-2s-1。具體單位面積的日平均蒸騰速率排序?yàn)槌舸唬緡保久讞睿景紫?、欒樹＞榆樹＞油松＞雪松＞流蘇＞元寶楓＞白皮松＞鵝掌秋＞垂柳＞白玉蘭＞檜柏＞銀杏。

2.2.2 環(huán)境因子分析

圖1 16 種園林樹種凈光合速率日變化特征

圖2 16 種園林樹種蒸騰速率日變化特征

圖3 大氣溫度、大氣濕度、CO2 濃度日變化特征

圖3所示的是大氣溫度、空氣濕度、大氣CO2濃度在6、7 月份的日變化。 測定的位置均選在被測植株所在的綠地內(nèi)，有充分光照處，真實(shí)的反映了綠地內(nèi)的一些環(huán)境因子的變化。 由圖2 可知，大氣溫度，空氣濕度、大氣CO2濃度的變化的趨勢有所不同，這更印證了植物改善小氣候的作用。 氣溫在不同月份10 點(diǎn)或16 點(diǎn)左右最高，呈明顯的波峰波谷變化趨勢。 濕度一般在下午2 點(diǎn)最低，但總體趨勢比較平滑，當(dāng)然不同月份的趨勢有有所不同，6 月份氣溫高，濕度低，但不同時(shí)段內(nèi)相差較大。 CO2濃度的變化出現(xiàn)在10 點(diǎn)或14 點(diǎn)左右最高，不是在12 點(diǎn)最高，而是提前或拖后，它與溫度變化密切相關(guān)。因此，溫度是影響植物光合特性的主導(dǎo)因子。

2.2.3 生態(tài)效益分析

16 種常見的園林植物在相同的環(huán)境條件下的固碳釋氧生態(tài)效益如表2 所示。 在相同的濕度、濕度、大氣CO2、濃度、一定的情況下，毛白楊、國槐、銀杏、海棠、碧桃、白蠟、垂柳、油松等大多數(shù)樹種的單位時(shí)間單位面積內(nèi)和單株的固碳釋氧量都不一樣，但比較來說， 單位時(shí)間單位面積內(nèi)的固碳釋氧量臭椿最高，白皮松最低，分別是（19.30gm-2d-1，14.04 gm-2d-1）和（19.30gm-2d-1，14.04gm-2d-1）。 按樹種同規(guī)格的25cm 胸徑單株來計(jì)算綠量，白蠟最高，油松最弱，分別是（5396.75g/株·d，3924.91g/株·d）和（1484.40 g/株·d，1079.56g/株·d），其日固碳量與日釋放氧氣量排序均為白蠟＞國槐＞臭椿＞欒樹＞鵝掌秋＞榆樹＞雪松＞流蘇＞毛白楊＞白皮松＞白玉蘭＞元寶楓＞垂柳＞檜柏＞銀杏＞油松。 總體上看，闊葉樹種的固碳釋氧生態(tài)效益比針葉樹好。

通常用樹木的單位面積日釋放水的質(zhì)量（WH2O）作為增濕功能的指標(biāo)，用樹木的單位面積日吸收的熱量（Q）作為降溫功能的指標(biāo)，通過科學(xué)有效的方法評估園林植物的降溫增濕功能，有利于選擇更好樹種，營造生態(tài)效益高的園林綠地。 表3 是對16 種園林樹種夏季的降溫增濕功能存在差異進(jìn)行比較。由表3 可知，16 種樹種單位時(shí)間內(nèi)單位葉面積日蒸騰量各不相同，臭椿最高149.44mol m-2d-1，最小的為銀杏45.16 mol m-2d-1。按樹種同規(guī)格的25cm 胸徑單株來計(jì)算綠量，釋水量吸熱量白蠟最高，銀杏最弱，分別是（852.50kg/株·d，2063044.89kj/株·d）和（167.17 kg/株·d，404527.26kj/株·d），其日釋水量與吸熱量排序均為白蠟＞國槐＞臭椿＞雪松＞欒樹＞榆樹＞白皮松＞流蘇＞毛白楊＞鵝掌秋＞垂柳＞元寶楓＞白玉蘭＞油松＞檜柏＞銀杏。

表2 16 種園林樹種固碳釋氧生態(tài)效益

表3 16 種園林樹種降溫增濕生態(tài)效益

3 結(jié)論與討論

基于相同環(huán)境條件下的16 種園林植物的光合速率、蒸騰速率的測定的基礎(chǔ)下，定量進(jìn)行單位時(shí)間單位葉面積內(nèi)及單株植物的固碳釋氧、蒸騰釋水放熱的生態(tài)效益評估，其溫度變化對植物的光合特性和生態(tài)效益發(fā)揮具有主導(dǎo)作用，濕度變化不明顯，并且表現(xiàn)出以下特征：

（1）16 種園林樹種凈光合速率日平均域值為（4.10-10.16）umolm-2s-1，具體單位面積的日平均凈光合速率排序?yàn)槌舸唬緡保久讞睿緳铇洌居軜洌景紫灒玖魈K＞鵝掌秋＞元寶楓＞油松＞雪松＞白玉蘭＞垂柳＞銀杏、白皮松、檜柏。 總體上落葉闊葉樹種的日勻凈光合速率比針葉樹種高。

（2）16 種園林植物的日均蒸騰速率域值為（1.05-3.46）mmolm-2s-1。具體單位面積的日平均蒸騰速率排序?yàn)槌舸唬緡保久讞睿景紫?、欒樹＞榆樹＞油松＞雪松＞流蘇＞元寶楓＞白皮松＞鵝掌秋＞垂柳＞白玉蘭＞檜柏＞銀杏。

（3）綜合上述研究結(jié)果，按樹種同規(guī)格的25cm胸徑單株來計(jì)算綠量，16 種園林植物中，按日固碳量、釋水量及吸熱量高至低的植物排序?yàn)椋喊紫灒緡保境舸唬狙┧桑緳铇洌居軜洌景灼に桑玖魈K＞毛白楊＞鵝掌秋＞垂柳＞元寶楓＞白玉蘭＞油松＞檜柏＞銀杏。因此從改善城市熱島效應(yīng)、改善人居環(huán)境方面，綠地建設(shè)過程中應(yīng)科學(xué)與合理的選擇利用以上園林植物的生物學(xué)特性。

在自然條件下，植物的光合特性受生態(tài)環(huán)境中諸多的生態(tài)因子影響，是一個(gè)非常復(fù)雜的問題[11，13]，只有通過大量定量的試驗(yàn)研究才能說明影響因子與光合特性之間的關(guān)系。 由于受儀器設(shè)備和測定時(shí)間的限制，本研究只是對16 種常見的喬木園林樹種在夏季相同環(huán)境條件下的光合特性進(jìn)行了研究，由于試驗(yàn)樹種的樣本數(shù)量有限，再加上室外開放式的實(shí)驗(yàn)操作難度較大，其生態(tài)效益評估數(shù)據(jù)結(jié)果必然存在一定的誤差，因此，今后還應(yīng)選取大量的樣本數(shù)和分季節(jié)性地進(jìn)行研究，以便更好地為城市園林綠化的樹種選擇與配置提供更為充分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)，并最終為城市熱島改善與環(huán)境舒適度提升的綠地建設(shè)技術(shù)提供依據(jù)與參考。