農(nóng)村坑塘溝渠3種優(yōu)勢植物固碳釋氧降溫增濕能力比較研究

強(qiáng) 昕，劉海榮，孫 藝，齊立海，劉培輝

（1.天津農(nóng)學(xué)院 園藝園林學(xué)院，天津 300384；2.天津市園林建設(shè)工程監(jiān)理有限公司，天津 300384；3.天津匯誠園林綠化工程有限公司，天津 300384）

近些年，農(nóng)村的快速發(fā)展導(dǎo)致環(huán)境問題日益惡化，人們也逐漸意識(shí)到鄉(xiāng)村可持續(xù)發(fā)展的迫切需要?？犹粒ò锨峦┦寝r(nóng)村生態(tài)的重要組成部分，它既可以是水產(chǎn)養(yǎng)殖的場所，可以是生態(tài)潤肺的濕地，也可以是美化村莊的風(fēng)景線。但是如果污染治理不當(dāng)，也會(huì)使坑塘成為農(nóng)村人居環(huán)境的“瘤子”，而且很可能是惡性的[1-2]。綠色植物可以利用光合作用吸收空氣中的CO2、釋放O2到大氣中，從而減輕或消除熱島效應(yīng)，減少空氣污染；還可通過蒸騰作用降低周圍空氣溫度、增加空氣濕度，達(dá)到降溫增濕的目的，改善小氣候環(huán)境，改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[3-6]。近年來，對園林植物固碳釋氧降溫增濕的研究主要集中在城市綠化植物群落、植物配置、植物生態(tài)效益等方面，常用的研究方法是公式計(jì)算和聚類分析。宋卓琴等[7]研究了太原市主要園林植物光合特性指標(biāo)，并對其單位葉面積固碳釋氧降溫增濕能力進(jìn)行初步評(píng)估和分類評(píng)價(jià)。徐冬云等[8]以引種的42種攀緣植物為材料，對光合蒸騰指標(biāo)進(jìn)行測定，認(rèn)為植物對環(huán)境的固碳釋氧、降溫增濕等生態(tài)效益主要通過葉片進(jìn)行光合作用和蒸騰作用來完成，并定量評(píng)價(jià)其生態(tài)效益并進(jìn)行分類等級(jí)。趙萱和李海梅[9]測定了青島市11種地被植物的光合數(shù)據(jù)，分析了相關(guān)影響因子，研究主要地被植物固碳釋氧降溫增濕的能力。薛雪等[10]利用Li-6400XT便攜式光合儀對上海市6種園林綠化植物進(jìn)行固碳釋氧降溫增濕分析，為合理選擇城市綠化植物來緩解熱島效應(yīng)提供合理的選擇依據(jù)。于雅鑫[11]對長沙市12種木蘭科喬木進(jìn)行景觀效果和生態(tài)效益的研究，為木蘭科植物開發(fā)利用和優(yōu)良品種選擇提供理論依據(jù)。但是，我國地域遼闊，植物種類豐富多樣，而目前針對農(nóng)村坑塘植物固碳釋氧降溫增濕能力的研究并不多見。

本研究在前期對天津市西青區(qū)大柳灘村振興大道周邊坑塘綠化植物應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，經(jīng)查閱資料和實(shí)地勘察，選取了應(yīng)用面積最廣的3種優(yōu)勢植物為研究對象，通過運(yùn)用CIRAS-2便攜式光合測定儀對試驗(yàn)植株測定其光合速率和蒸騰速率，分析計(jì)算其固碳釋氧、降溫增濕能力，旨在為北方農(nóng)村坑塘綠色植物的選擇提供一定的參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

天津是中國北方最大的沿海城市，位于華北平原北方，是北京通往東北、華東地區(qū)鐵路的交通樞紐和遠(yuǎn)洋航運(yùn)的港口。氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫦撅L(fēng)性氣候，四季氣候分明，春季多風(fēng)，干旱少雨；夏季高溫，降雨量多；秋季涼爽，冷暖適中；冬季寒冷，干燥少雪。土壤多為鹽堿土。大柳灘村位于天津市西青區(qū)楊柳青鎮(zhèn)北部，京滬高速、津霸、津同公路臨村而過，村內(nèi)交通便利，地理環(huán)境優(yōu)越，自然資源豐富。

2.2 試驗(yàn)材料

通過前期對大柳灘村振興大道周圍坑塘現(xiàn)有植物種類和生長狀況的調(diào)查基礎(chǔ)上，根據(jù)植物出現(xiàn)的頻率和重要值等綜合特征，選取了應(yīng)用面積較大的3種優(yōu)勢植物香蒲（Typha orientalis Presl）、蘆葦（Phragmites australis）、水蓼（Polygonum hydropiper）作為試驗(yàn)材料。

2.3 試驗(yàn)方法

2019年7月，選擇晴朗無風(fēng)（土壤濕度以干為主）、早晚濕潤的天氣，在自然光照下、采用CIRAS-2便攜式光合測定儀，對植物活體進(jìn)行連續(xù)的日光合速率和日蒸騰速率測定。測定時(shí)間段為8：00—17：00，每隔1 h測定1次，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的測定設(shè)定3次重復(fù)，共選擇3 d進(jìn)行重復(fù)測定。具體操作為每種植物隨機(jī)選取生長健壯、大小相似的3個(gè)葉片進(jìn)行測定。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，每個(gè)葉片取瞬時(shí)光合速率值，同時(shí)對蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、細(xì)胞間隙CO2濃度、葉面溫度等進(jìn)行同步測定，3次重復(fù)，取平均值。以光合速率值和蒸騰速率值為基礎(chǔ)，通過公式定量計(jì)算研究3種植物固碳釋氧降溫增濕能力[2]。

2.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 2018軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 3種植物光合速率日變化比較研究

從圖1可以看出，早晨隨著光照強(qiáng)度和溫度的增加，3種植物的光合速率均逐漸增加。香蒲的凈光合速率日變化為雙峰曲線，10時(shí)凈光合速率最大，為10.30 μmol·（m2·s）-1，為最高峰時(shí)刻，之后緩慢下降，在13—14時(shí)出現(xiàn)低谷；隨后繼續(xù)上升，在16時(shí)出現(xiàn)第2個(gè)小高峰，為8.27 μmol·（m2·s）-1；隨后快速降低，17時(shí)降至2.07 μmol·（m2·s）-1。蘆葦?shù)膬艄夂纤俾嗜兆兓癁閱畏迩€，12時(shí)凈光合速率最大，為18.80 μmol·（m2·s）-1，隨后凈光合速率緩慢降低，17時(shí)降至7.77 μmol·（m2·s）-1。水蓼的凈光合速率日變化呈三峰曲線，3個(gè)峰值分別出現(xiàn)在11時(shí)、13時(shí)和15時(shí)，分別為17.33 μmol·（m2·s）-1、20.27 μmol·（m2·s）-1和13.33 μmol·（m2·s）-1，13時(shí)凈光合速率最大。綜上，在一日中，水蓼凈光合速率較香蒲變化劇烈，香蒲較蘆葦變化劇烈。香蒲的凈光合速率范圍在0.73～10.30 μmol·（m2·s）-1，蘆葦?shù)膬艄夂纤俾史秶?.10～18.80 μmol·（m2·s）-1，水蓼的凈光合速率范圍在0.33～20.27 μmol·（m2·s）-1。

圖1 3種優(yōu)勢植物凈光合速率日變化

3種優(yōu)勢植物日平均凈光合速率由小到大依次為香蒲6.56 μmol·（m2·s）-1、水蓼9.50 μmol·（m2·s）-1、蘆葦12.74 μmol·（m2·s）-1。8時(shí)凈光合速率值最低。中午12時(shí)左右，香蒲、水蓼均出現(xiàn)光合午休現(xiàn)象，原因是中午溫度過高，導(dǎo)致植物氣孔關(guān)閉，CO2濃度降低，光合作用減弱或者停止[12]。不同的植物凈光合速率基本表現(xiàn)為上午高于下午，與香蒲和蘆葦相比，水蓼一日中的凈光合速率變化較大，說明水蓼能夠?qū)Νh(huán)境變化作出快速響應(yīng)，以減少高溫及高光照等不利條件對其造成的傷害，植物的這種日凈光合速率變化規(guī)律將直接影響他們的固碳釋氧能力[13]。

3.2 3種植物蒸騰速率日變化比較研究

從圖2可以看出，香蒲的蒸騰速率日變化呈雙峰曲線，峰值分別出現(xiàn)在10時(shí)和15時(shí)，分別為10.63 mmol·（m2·s）-1和6.43 mmol·（m2·s）-1，10時(shí)蒸騰速率最高，12—15時(shí)維持相對平穩(wěn)的狀態(tài)，17時(shí)降至5.13 mmol·（m2·s）-1。蘆葦?shù)恼趄v速率日變化呈單峰曲線，峰值出現(xiàn)在13時(shí)，為10.17 mmol·（m2·s）-1，隨后略有下降，到17時(shí)降至4.53 mmol·（m2·s）-1。水蓼的蒸騰速率日變化呈三峰曲線，3個(gè)峰值分別出現(xiàn)在10時(shí)、12時(shí)和15時(shí)，分別為21.30 mmol·（m2·s）-1、20.07 mmol·（m2·s）-1和20.53 mmol·（m2·s）-1，最高峰出現(xiàn)在10時(shí)?？傊?，水蓼在一日中蒸騰速率日變化最為劇烈，3種優(yōu)勢植物日平均蒸騰速率由大到小依次為水蓼為16.23 mmol·（m2·s）-1、蘆葦6.43 mmol·（m2·s）-1、香蒲6.29 mmol·（m2·s）-1，在一日中蒸騰速率最低值均出現(xiàn)在8時(shí)。水蓼的蒸騰速率變化范圍是9.83～1.30 mmol·（m2·s）-1；蘆葦蒸騰速率變化范圍是2.63～10.17 mmol·（m2·s）-1；香蒲蒸騰速率變化范圍是3.00～10.63 mmol·（m2·s）-1。

圖2 3種優(yōu)勢植物蒸騰速率日變化

3.3 3種植物固碳釋氧能力比較研究

植物固碳釋氧能力依賴光合作用來完成，光合作用強(qiáng)弱與固碳釋氧能力成正相關(guān)。植物固碳釋氧量可根據(jù)凈光合速率得出。不同植物的固碳釋氧量是不同的，所測的3種優(yōu)勢植物的日固碳釋氧量見表1。

表1 3種植物固碳釋氧量

從表1可以看出，香蒲日光合總量為230.88 mmol·（m2·d）-1，固碳量為10.16 g·（m2·d）-1，釋氧量為7.16 g·（m2·d）-1；蘆葦日光合總量為431.76 mmol·（m2·d）-1，固碳量為19.00 g·（m2·d）-1，釋氧量為13.38 g·（m2·d）-1；水蓼日光合總量為331.02 mmol·（m2·d）-1，固碳量為14.56 g·（m2·d）-1，釋 氧 量 為10.26 g·（m2·d）-1。香蒲和蘆葦?shù)墓烫剂?、釋氧量?.05水平上差異顯著；香蒲和水蓼的固碳量、釋氧量在0.05水平上差異不顯著；蘆葦和水蓼的固碳量、釋氧量在0.05水平上差異不顯著。3種優(yōu)勢植物中日光合總量由大到小依次為蘆葦431.76 mmol·（m2·d）-1、水 蓼331.02 mmol·（m2·d）-1、香 蒲230.88 mmol·（m2·d）-1。固碳量從大到小為蘆葦19.00 g·（m2·d）-1、水蓼14.56 g·（m2·d）-1、香蒲10.16 g·（m2·d）-1。釋氧量從大到小分別為蘆葦13.38 g·（m2·d）-1、水蓼10.26 g·（m2·d）-1、香蒲7.16 g·（m2·d）-1。蘆葦和香蒲日固碳釋氧量相差約1.87倍。3種植物日光合總量范圍在230.88～431.76 mmol·（m2·d）-1、日固碳量范圍在10.16～19.00 g·（m2·d）-1、日釋氧量范圍在7.16～13.38 g·（m2·d）-1。可見，坑塘中不同的植物種類，其固碳釋氧量存在一定差異，原因可能與葉片接受光照的多少及葉片的結(jié)構(gòu)有關(guān)[14]。故在坑塘綠化建設(shè)中，在同等舒適怡人的景觀環(huán)境下，應(yīng)優(yōu)先推廣固碳釋氧能力較強(qiáng)的植物。

3.4 3種植物降溫增濕能力比較研究

植物在進(jìn)行光合作用的過程中，會(huì)生成一部分水，蒸發(fā)并釋放到周圍的大氣環(huán)境中，在此過程中，蒸發(fā)會(huì)吸收環(huán)境中的一部分熱量，進(jìn)而降低局部溫度，增加空氣濕度，改善周圍的小氣候。這也就是植物在環(huán)境中所起的降溫增濕作用的基本原理[15]。不同植物降溫增濕效應(yīng)是不同的，以蒸騰速率日變化曲線為基礎(chǔ)，計(jì)算出植物的降溫量和增濕量，所測的3種優(yōu)勢植物降溫增濕能力見表2。

表2 3種植物降溫增濕量

從表2可以看出，香蒲的日蒸騰總量為228.88 mol·（m2·d）-1，降溫量為0.88 ℃，增濕量為13.64%；蘆葦?shù)娜照趄v總量為236.92 mol·（m2·d）-1，降溫量為0.91 ℃，增濕量為14.12%；水蓼的日蒸騰總量為578.80 mol·（m2·d）-1，降溫量為2.23 ℃，增濕量為34.50%。香蒲和蘆葦?shù)慕禍亓俊⒃鰸窳吭?.05水平上差異不顯著；香蒲和水蓼的降溫量、增濕量在0.05水平上差異顯著；蘆葦和水蓼的降溫量、增濕量在0.05水平上差異顯著；3種優(yōu)勢植物中，日蒸騰總量從大到小為水蓼578.80 mol·（m2·d）-1、蘆葦236.92 mol·（m2·d）-1、香蒲228.88 mol·（m2·d）-1。降溫量由大到小依次為水蓼2.23 ℃、蘆葦0.91 ℃、香蒲0.88 ℃。增濕量分別是水蓼34.50%、蘆葦14.12%、香蒲13.64%。水蓼和香蒲降溫增濕量相差約2.52倍。參試植物日蒸騰總量范圍在228.88～578.80 mol·（m2·d）-1、降溫量范圍在0.88～2.23 ℃、增濕量范圍在13.64%～34.50%。

綜上，在坑塘綠地環(huán)境中，應(yīng)選擇增濕能力較強(qiáng)的植物進(jìn)行植物景觀配置，既實(shí)現(xiàn)美化環(huán)境，同時(shí)也增加了局部小氣候的濕度[16]。

4 討論

植物種類和外界環(huán)境條件是植物固碳釋氧和降溫增濕能力的主要影響因子。當(dāng)外界環(huán)境因素相同時(shí)，主要與植物種類有關(guān)。本試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，香蒲、蘆葦?shù)膬艄夂纤俾嗜兆兓癁殡p峰、單峰曲線，10時(shí)是香蒲的最大峰值，為10.30 μmol·m-2·s-1，12時(shí)是蘆葦?shù)淖畲蠓逯担瑸?8.80 μmol·m-2·s-1。水蓼的凈光合速率日變化曲線為三峰曲線，最大峰值出現(xiàn)在13時(shí)，為20.27 μmol·m-2·s-1。香蒲和水蓼蒸騰速率日變化為雙峰、三峰曲線，最大峰值均出現(xiàn)在10時(shí)，分別為10.63 mmol·m-2·s-1、21.3 mmol·m-2·s-1，蘆葦蒸騰速率日變化為單峰曲線,最大峰值出現(xiàn)在13時(shí)，其值為10.17 mmol·m-2·s-1。

本研究中，日光合總量由大到小為蘆葦、水蓼、香蒲，固碳釋氧量由大到小也為蘆葦、水蓼、香蒲；日蒸騰總量由大到小為水蓼、蘆葦、香蒲，降溫增濕量由大到小也為水蓼、蘆葦、香蒲。這與植物光合速率越高、固碳釋氧能力越強(qiáng)，蒸騰速率越高，降溫增濕能力越強(qiáng)的結(jié)論是一致的。

從本試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在一天中同一株植物的凈光合速率、蒸騰速率在不同時(shí)刻的值存在差異，其隨著氣溫和光照強(qiáng)度變化而上下浮動(dòng)，這與康紅梅等[17]的研究結(jié)果一致。綠色植物的固碳釋氧效應(yīng)源于植物葉片的光合作用，降溫增濕效應(yīng)源于葉片的蒸騰作用，故植物的固碳釋氧降溫增濕能力也隨著溫度和光強(qiáng)的變化而波動(dòng)。

5 結(jié) 論

本研究利用便攜式光合測定儀，在自然條件下對3種優(yōu)勢植物進(jìn)行凈光合速率和蒸騰速率的測定，研究其固碳釋氧降溫增濕能力，得出以下結(jié)論：

香蒲、蘆葦、水蓼凈光合速率日變化曲線分別為雙峰、單峰、三峰，最大值分別出現(xiàn)在10時(shí)、12時(shí)、13時(shí)，其值分別是10.3 μmol·（m2·s）-1、18.8 μmol·（m2·s）-1、20.27 μmol·（m2·s）-1。香蒲、蘆葦、水蓼蒸騰速率日變化曲線分別為雙峰、單峰、三峰，最大值分別出現(xiàn)在10時(shí)、13時(shí)、10時(shí)，其值分別是10.63 mmol·（m2·s）-1、10.17 mmol·（m2·s）-1、21.3 mmol·（m2·s）-1。

日平均光合總量由大到小依次為蘆葦431.76 mmol·（m2·d）-1、水蓼331.02 mmol·（m2·d）-1、香蒲230.88 mmol·（m2·d）-1。日平均蒸騰總量由大到小依次為水蓼578.80 mol·（m2·d）-1、蘆葦236.92 mol·（m2·d）-1、香蒲228.88 mol·（m2·d）-1。

在相同條件下，固碳釋氧能力由大到小依次為蘆葦、水蓼、香蒲，其中固碳量分別為19.00 g·（m2·d）-1、14.56 g·（m2·d）-1、10.16 g·（m2·d）-1，釋氧量分別為13.38 g·（m2·d）-1、10.26 g·（m2·d）-1、7.16 g·（m2·d）-1，蘆葦?shù)墓烫坚屟跄芰κ窍闫训?.87倍。

在相同條件下，降溫增濕效應(yīng)由大到小依次為水蓼、蘆葦、香蒲，其中降溫量分別為2.23 ℃，0.91 ℃和0.88 ℃，增濕量分別為34.50%，14.12%和13.64%，水蓼的降溫增濕能力是香蒲的2.52倍。

無論是固碳釋氧能力還是降溫增濕能力最弱的均為香蒲。

綜上，由于不同植物的生理特性不同，因此植物的固碳釋氧、降溫增濕的能力也不一致[18]。建議在農(nóng)村坑塘綠化植物選擇中，可優(yōu)先選用蒸騰速率和光合速率較大的植物，而對于蒸騰速率和光合速率較小的植物，可作為點(diǎn)綴少量栽植。

本研究僅限于對單株植物單位葉面積的蒸騰能力和光合能力的測定，在進(jìn)行植物配置設(shè)計(jì)時(shí)，還需進(jìn)一步研究整株的蒸騰能力和光合能力，從而針對植物群落的整體固碳釋氧、降溫增濕效應(yīng)進(jìn)行分析計(jì)算；本試驗(yàn)僅測定了3種優(yōu)勢植物的固碳釋氧、降溫增濕能力以及細(xì)胞間隙CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、葉面溫度等光合指標(biāo)，并未對農(nóng)村坑塘綠化的重要內(nèi)容如植株的涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)小氣候環(huán)境、吸附粉塵等指標(biāo)進(jìn)行測定。本研究僅針對北方農(nóng)村坑塘溝渠3種優(yōu)勢植物為試驗(yàn)材料，研究其固碳釋氧、降溫增濕的能力，由于受到樣本數(shù)量的限制，因此其生態(tài)效益評(píng)估可能存在一定的誤差，今后還應(yīng)該大量取樣，選擇更為豐富的植物群落，綜合考慮綠量等因素的影響，才能更好地為北方農(nóng)村坑塘綠色植物的選擇提供充分的數(shù)據(jù)參考和理論依據(jù)。