摘要
通過(guò)在冬季對(duì)10種華南地區(qū)濕地木本植物的基礎(chǔ)信息、光合特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算,對(duì)比分析不同木本植物日固碳釋氧與日增濕降溫的能力,以期為構(gòu)建高固碳型的濕地生態(tài)系統(tǒng)提供參考。結(jié)果表明:在冬季,單位葉面積日固碳釋氧與增濕降溫能力較強(qiáng)的是灰莉Fagraea ceilanica、海桐Pittosporum tobira、懸鈴花Malvaviscus arboreus、白背絨香玫A(chǔ)rachnothryx leucophylla與垂枝紅千層Melaleuca viminalis;單位土地面積日固碳釋氧與增濕降溫能力較強(qiáng)的是海桐、懸鈴花、灰莉與鴛鴦茉莉Brunfelsia brasiliensis。整體上,常綠灌木固碳釋氧、增濕降溫能力優(yōu)于常綠喬木,鄉(xiāng)土植物優(yōu)于外來(lái)植物。因此,構(gòu)建高固碳型濕地應(yīng)以常綠植物與鄉(xiāng)土植物為主,采用喬灌草多層次結(jié)構(gòu)配置,依據(jù)光照條件精選植物,提升濕地固碳效能,確保碳儲(chǔ)存的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞
濕地植物;木本植物;光合特性;固碳釋氧;增濕降溫;華南地區(qū)
Abstract
The basic plant information and photosynthetic characteristics parameters of 10 wetland woody plants in South China were measured and calculated in winter, and the daily carbon fixation, oxygen release and daily humidification and cooling capabilities of different woody plants were compared and analyzed in order to provide a reference for the construction of high carbon fixation type wetland ecosystem. The results show that: In winter, Fagraea ceilanica, Pittosporum tobira, Malvaviscus arboreus, Arachnothryx leucophylla and Melaleuca viminalis had the best daily carbon fixation, oxygen release, humidification and cooling capacity per unit leaf area. The best daily carbon fixation, oxygen release, humidification and cooling capacity per unit land area were Pittosporum tobira, Malvaviscus arboreus, Fagraea ceilanica and Brunfelsia brasiliensis. On the whole, the capacity of carbon fixation and oxygen release, as well as humidification and cooling of evergreen shrubs was better than that of evergreen trees, and native plants were better than exotic plants.Therefore, the construction of high-carbon wetland should mainly consist of evergreen plants and native plants, adopt multi-level structure configuration of trees, shrubs and grasses, select plants according to light conditions, improve the carbon sequestration efficiency of wetland, and ensure the long-term stability of carbon storage.
Keywords
Wetland plant; Woody plant; Photosynthetic characteristic; Carbon fixation and oxygen release; Humidification and Cooling; South China
文章亮點(diǎn)
1)實(shí)地測(cè)量濕地木本植物基礎(chǔ)信息,通過(guò)測(cè)定光合日變化與凈光合速率對(duì)光的響應(yīng)曲線數(shù)據(jù),計(jì)算獲得植物冬季日固碳釋氧和增濕降溫量;2)對(duì)比分析10種華南地區(qū)濕地木本植物冬季日固碳釋氧和增濕降溫能力。
“十四五”規(guī)劃藍(lán)圖已將“碳達(dá)峰”與“碳中和”目標(biāo)提升至國(guó)家層面,我國(guó)積極倡導(dǎo)并踐行綠色生產(chǎn)生活方式,以應(yīng)對(duì)全球氣候變化挑戰(zhàn)。濕地作為全球碳庫(kù)之一,通過(guò)植物的光合作用減少大氣中二氧化碳含量,具有重要的碳匯作用。同時(shí),濕地承擔(dān)著緩解城市熱島效應(yīng)、調(diào)節(jié)局部氣候的重要角色。研究濕地植物的固碳釋氧與降溫增濕能力,對(duì)于提升城市居住環(huán)境質(zhì)量、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)具有深遠(yuǎn)意義,是推動(dòng)城市可持續(xù)發(fā)展的重要力量。
濕地植物在廣義上可分為具有水陸兩棲生長(zhǎng)能力的兩棲植物、能生長(zhǎng)在中生環(huán)境與濕生環(huán)境的半濕生植物、需長(zhǎng)期生長(zhǎng)于濕生環(huán)境中的濕生植物,以及生長(zhǎng)于水中的水生植
物[1]。長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)在研究濕地植物方面取得顯著進(jìn)展,涵蓋濕地植物的種類(lèi)多樣性[2~3]、群落結(jié)構(gòu)[4~5]、水體凈化能力[6~7]、景觀構(gòu)建及應(yīng)用[8~9]、低成本養(yǎng)護(hù)[10]等多個(gè)方面。針對(duì)濕地植物固碳釋氧與增濕降溫能力的研究,國(guó)外多聚焦于比較分析植物不同部位(根、莖、葉)的固碳釋氧能力及其環(huán)境影響因素[11~12];國(guó)內(nèi)則側(cè)重于不同時(shí)空尺度與生境變化下植物能力表現(xiàn)的差異性[13~14]、生態(tài)服務(wù)價(jià)值核算[15~16]等。在研究對(duì)象上,草本植物相關(guān)研究數(shù)量遠(yuǎn)比木本植物多;在試驗(yàn)季節(jié)選擇上,研究多傾向于植物生長(zhǎng)旺盛的春、夏季。因此,本文選擇在植物生長(zhǎng)低谷期的冬季,比較分析濕地木本植物的光合特性,探討不同植物固碳釋氧與增濕降溫的能力的差異性,為高固碳效能型濕地景觀的選材與配置提供切實(shí)可靠的參考依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)地概況
本次試驗(yàn)地選取位于廣州市的中國(guó)科學(xué)院華南國(guó)家植物園(簡(jiǎn)稱(chēng)HN)與海珠國(guó)家濕地公園(簡(jiǎn)稱(chēng)HZ)。廣州地處中國(guó)南方丘陵地帶,屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候,冬季溫和濕潤(rùn)。廣州市2024年1月氣候影響評(píng)價(jià)報(bào)告顯示,1月全市平均氣溫為15.9℃,月雨量19.1 mm,各區(qū)平均氣溫在14.6~16.6℃[17]。華南國(guó)家植物園是水熱條件優(yōu)越且極具季風(fēng)常綠闊葉林特色的園區(qū),而海珠國(guó)家濕地公園內(nèi)河涌縱橫交錯(cuò),是濕地資源極其豐富的復(fù)合型濕地,兩處試驗(yàn)地均為濕地植物提供良好的生長(zhǎng)條件。
1.2 植物調(diào)查
首先對(duì)兩處試驗(yàn)地進(jìn)行濕地木本植物的外業(yè)調(diào)查,深入了解濕地木本植物種類(lèi)及其生境特點(diǎn)。為更好地突出木本植物在濕地中生長(zhǎng)的特點(diǎn),研究根據(jù)植物與水岸邊緣的距離,將木本植物劃分為水中栽植型和消落帶生長(zhǎng)型(與水岸邊緣距離不超過(guò)1 m),記錄在此范圍內(nèi)健康生長(zhǎng)的木本植物。調(diào)查得出華南國(guó)家植物園含有28種符合條件的濕地木本植物,隸屬于20科27屬,常綠樹(shù)種25種,落葉樹(shù)種3種,其中鄉(xiāng)土樹(shù)種20種,外來(lái)樹(shù)種8種;海珠國(guó)家濕地公園含有44種符合條件的濕地木本植物,隸屬于27科38屬,常綠樹(shù)種34種,落葉樹(shù)種10種,其中鄉(xiāng)土樹(shù)種29種,外來(lái)樹(shù)種15種。調(diào)查記錄的木本植物均為消落帶生長(zhǎng)型,其中兼具消落帶生長(zhǎng)型與水中栽植型2種類(lèi)型的植物共9種,主要為落羽杉Taxodium distichum與池杉Taxodium distichum var. imbricarium。
1.3 試驗(yàn)材料
在濕地公園植物調(diào)查的基礎(chǔ)上,依據(jù)中國(guó)濕地植物數(shù)據(jù)庫(kù)[18]、《中國(guó)常見(jiàn)濕地植物》[19]《廣東濕地植物》[1]《廣西濕地植物》[20]《廣東植物志》[21]《華南常見(jiàn)景觀植
物》[22]等書(shū)籍,以及查閱華南地區(qū)植物適應(yīng)性評(píng)價(jià)[23]與植物耐水淹篩選[24~25]等相關(guān)文獻(xiàn),結(jié)合實(shí)地測(cè)量的可操作性,選取主要的試驗(yàn)材料,包括華南國(guó)家植物園的垂枝紅千層Melaleuca viminalis、懸鈴花Malvaviscus arboreus、假連翹Duranta erecta、白背絨香玫A(chǔ)rachnothryx leucophylla、橢圓葉木藍(lán)Indigofera cassioides、黃蟬Allamanda schottii、鴛鴦茉莉Brunfelsia brasiliensis 7種植物,與海珠國(guó)家濕地公園的海桐Pittosporum tobira、灰莉Fagraea ceilanica、水石榕Elaeocarpus hainanensis、垂枝紅千層、白背絨香玫5種植物,并將兩園中的相同種類(lèi)標(biāo)記為垂枝紅千層HN、垂枝紅千層HZ、
白背絨香玫HN、白背絨香玫HZ,以作區(qū)分。另外,選取11種植物測(cè)定其凈光合速率對(duì)光的響應(yīng)曲線作為擴(kuò)充論證數(shù)據(jù),包括華南國(guó)家植物園的藍(lán)花藤Petrea volubilis、小葉紫薇Lagerstroemia parviflora、蝶花莢蒾Viburnum hanceanum、夾竹桃Nerium oleander、龍柏Juniperus chinensis‘Kaizuca’、落羽杉、鷹爪花Artabotrys hexapetalus,海珠國(guó)家濕地公園的假蘋(píng)婆Sterculia lanceolata、陽(yáng)桃Averrhoa carambola、朱纓花Calliandra
haematocephala、蒲桃Syzygium jambos(表1)。
試驗(yàn)所選植株均為健康、無(wú)病蟲(chóng)害且生長(zhǎng)環(huán)境基本一致的成年植株,并遵循嚴(yán)格的試驗(yàn)材料篩選標(biāo)準(zhǔn),確保同一試驗(yàn)組所選植株長(zhǎng)勢(shì)與生長(zhǎng)年齡相對(duì)一致,控制不同植株測(cè)量數(shù)據(jù)間的誤差保持在一定限度內(nèi),以提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性。由于兩處試驗(yàn)點(diǎn)都種植了垂枝紅千層與白背絨香玫,選取不同地點(diǎn)的同種植物進(jìn)行不同的齡期與生長(zhǎng)形態(tài)的簡(jiǎn)單試驗(yàn)對(duì)比。在生長(zhǎng)年齡、高度及冠幅上,垂枝紅千層HZ的數(shù)值均顯著高于垂枝紅千層HN,白背絨香玫HN數(shù)值則略高于白背絨香玫HZ "。
1.4 試驗(yàn)方法
1.4.1 光合日變化測(cè)定
本試驗(yàn)采用美國(guó)LICOR-6800型便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng),試驗(yàn)于2024年1月8日—1月20日天氣晴朗、無(wú)風(fēng)或微風(fēng)時(shí)進(jìn)行,每種植物選取3株健康的植株,再隨機(jī)選取樹(shù)木向陽(yáng)面中部的3片葉片測(cè)定指標(biāo)。從8:00至18:00每隔2 h設(shè)置1個(gè)區(qū)間,共5個(gè)區(qū)間(即8:00—10:00,10:00—12:00,12:00—14:00,14:00—16:00,16:00—18:00),測(cè)定濕地木本植物全天各時(shí)段瞬時(shí)光合指標(biāo),包括凈光合速率Pn(單位為μmol·m-2·s-1)、蒸騰速率Tr(單位為mmol·m-2·s-1)、水分利用效率WUE,每個(gè)區(qū)間測(cè)量5次瞬時(shí)的光合指標(biāo)。
1.4.2 凈光合速率對(duì)光的響應(yīng)曲線測(cè)定
在光合日變化測(cè)定方法的基礎(chǔ)上,設(shè)定測(cè)定系統(tǒng)溫度為22±1 ℃,CO2濃度設(shè)置為400 μmol·mol-1,應(yīng)用紅藍(lán)光光源提供不同的光合有效輻射強(qiáng)度(PAR),梯度設(shè)置為
1 800、1 500、1 200、1 000、900、600、300、200、100、70、30和0 μmol·m-2·s-1,測(cè)定Pn-PAR曲線。根據(jù)葉子飄[26]對(duì)4種常用光響應(yīng)計(jì)算模型(直線雙曲線模型、非直線雙曲線模型、指數(shù)函數(shù)模型與直線雙曲線修正模型)的對(duì)比研究,可知直線雙曲線修正模型擬合曲線求出的表觀量子效率AQY、最大光合值Pmax、光飽和點(diǎn)LSP、光補(bǔ)償點(diǎn)LCP、暗呼吸速率Rd更為貼近實(shí)測(cè)值。因此,本文選用該模型進(jìn)行相關(guān)計(jì)算,確保計(jì)算所得數(shù)據(jù)具備真實(shí)有效性和準(zhǔn)確性。
1.4.3 固碳釋氧量的計(jì)算
在植物光合日動(dòng)態(tài)中,各時(shí)間段瞬時(shí)凈光合速率形成的曲線與時(shí)間橫軸圍合而成的面積,即為該植物日同化總量,設(shè)為A,計(jì)算公式為:
式中,日同化總量A的單位為mmol·m-2·s-1;Ai為初測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)凈光合速率,Ai+1為初測(cè)點(diǎn)下一點(diǎn)的瞬時(shí)凈光合速率,單位為μmol·m-2·s-1;ti為初測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)時(shí)間,ti+1為初測(cè)點(diǎn)下一點(diǎn)的瞬時(shí)時(shí)間,單位為h;j為測(cè)定次數(shù)。
通常情況下,植物夜間的暗呼吸消耗量按照日間同化量的20%計(jì)算[27],據(jù)此可算出植物日固碳釋氧的總量,計(jì)算公式為:
式中,為日固定二氧化碳的總量,為釋放氧氣的總量,單位為g·m-2·d-1。
1.4.4 增濕降溫量的計(jì)算
在植物光合日動(dòng)態(tài)中,各時(shí)間段瞬時(shí)蒸騰速率形成的曲線與時(shí)間橫軸圍合而成的面積,即該植物日蒸騰總量E,計(jì)算公式為:
式中,E的單位為mol·m-2·d-1;ei為初測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)蒸騰速率,ei+1為初測(cè)點(diǎn)下一點(diǎn)的瞬時(shí)蒸騰速率,單位為mmol·m-2·s-1;ti為初測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)時(shí)間,ti+1初測(cè)點(diǎn)下一點(diǎn)的瞬時(shí)時(shí)間,單位為h;j為測(cè)定次數(shù)。
將上述計(jì)算所得的日蒸騰總量換算為日釋放水的總量,即日增濕總量W,公式為:
式中,W 的單位為g·m-2·d-1,18為水的摩爾質(zhì)量,單位為g·mol-1。
根據(jù)蒸騰吸熱的原理,植物的蒸騰作用可使周?chē)目諝庵?0 m2×100 m)溫度下降,每平方米葉片蒸發(fā)水分而吸收的熱量,即日吸收熱量Q,計(jì)算公式為:
式中,Q的單位為J·m-2·d-1,L為蒸發(fā)耗熱系數(shù),t為當(dāng)日的溫度。
根據(jù)上述計(jì)算,植物蒸騰吸熱的氣溫下降值即日降溫量△T,公式為:
△T=Q ÷ PC " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " (8)
式中,△T的單位為℃;PC為空氣容積熱容量(為
1 256 J·m-3·h-1)。
1.4.5 葉面積指數(shù)計(jì)算
葉面積指數(shù)LAI(Leaf Area Index)即植物總?cè)~面積與所覆土地面積之比。因每棵植株形態(tài)特征、綠量與理論值具有差異性,不能僅以單位葉面積的固碳量和蒸發(fā)量作為判定依據(jù)[17],引入LAI值能更準(zhǔn)確地表達(dá)不同植株的生態(tài)效益。單株樹(shù)木葉片總面積采用David J. Nowak[28]研究建立的城市樹(shù)木葉面積回歸模型進(jìn)行計(jì)算。該模型為綜合參考大量樹(shù)木的樹(shù)種、年齡、胸徑、樹(shù)高等基本參數(shù)的差異性所得,能有效減少誤差,其計(jì)算公式為:
S=πD(H+D)/2 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "(10)
式中,Y為植株總?cè)~面積,單位為m2;S為樹(shù)冠的垂直投影面積,H為樹(shù)高,D為樹(shù)冠直徑,單位為m;Sh為樹(shù)冠投影系數(shù)。樹(shù)冠投影系數(shù)是描述樹(shù)木冠層對(duì)陽(yáng)光遮擋程度的參數(shù),它反映樹(shù)木冠層的密度和對(duì)光線的攔截能力。Sh的值越大,表示樹(shù)木冠層越密集,對(duì)陽(yáng)光的遮擋越強(qiáng),因此對(duì)周?chē)h(huán)境的冷卻效果也越好。
通過(guò)上述計(jì)算公式,可求得葉面積指數(shù)LAI為:
根據(jù)葉面積指數(shù),可算出單株植物在其所覆蓋的土地面積上的日固碳量、日釋氧量、日增濕量、日降溫量,計(jì)算公式為:
1.4.6 水分利用效率計(jì)算
植物水分利用效率為衡量單位時(shí)間內(nèi)光合作用干物質(zhì)產(chǎn)量與耗水量之比,反映生長(zhǎng)過(guò)程中能量轉(zhuǎn)化效率,是評(píng)估作物產(chǎn)量與用水量關(guān)系及水分虧缺條件下植物生長(zhǎng)適宜度的關(guān)鍵綜合指標(biāo)。在葉片水平上的,水分利用效率通常定義為植物凈光合速率與蒸騰速率的比值,計(jì)算公式為:
本次試驗(yàn)調(diào)查記錄及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用Excel軟件,數(shù)據(jù)的分析、非線性回歸模型的擬合以及圖表制作等則采用SPSS和Graphpad Prism軟件。
2 結(jié)果與分析
2.1 光合參數(shù)的日變化分析
12個(gè)試驗(yàn)植物材料包含8種常綠灌木與2種常綠喬木,通過(guò)不同顏色的折線繪制試驗(yàn)植物光合參數(shù)的日變化,區(qū)分不同植物的試驗(yàn)地與生長(zhǎng)型。
在凈光合速率日變化方面,懸鈴花、鴛鴦茉莉、白背絨香玫HN、黃蟬、海桐的Pn曲線呈現(xiàn)單峰型曲線(圖1)。其中,同屬于喜陽(yáng)植物的海桐和懸鈴花峰值最高,數(shù)值可達(dá)
19.49 μmol·m-2·s-1和14.33 μmol·m-2·s-1,峰值后曲線逐漸下降。垂枝紅千層HZ 、垂枝紅千層HN 、假連翹、橢圓葉木藍(lán)、白背絨香玫HZ 、灰莉、水石榕的Pn曲線呈雙峰型曲線。第一輪峰值在中午11:00—13:00出現(xiàn),第一輪峰值出現(xiàn)1 h后發(fā)生“光合午休”現(xiàn)象,第二輪峰值在15:00左右出現(xiàn)。白背絨香玫在兩處試驗(yàn)地所測(cè)曲線走勢(shì)呈現(xiàn)相反的結(jié)果,可能是因?yàn)?個(gè)試驗(yàn)日的日照強(qiáng)度日變化差異與植物生長(zhǎng)狀態(tài)不同導(dǎo)致了誤差。此外,灰莉和垂枝紅千層HZ第二輪光合峰值高于首輪,結(jié)合同一時(shí)段Tr、WUE數(shù)值上升的結(jié)果,這可能與午后環(huán)境改善導(dǎo)致植物內(nèi)部水分狀況調(diào)整有關(guān)。按光合作用能力排序,從強(qiáng)到弱依次為海桐、懸鈴花、灰莉、白背絨香玫HZ 、鴛鴦茉莉、白背絨香玫HN 、假連翹、垂枝紅千
層HN 、橢圓葉木藍(lán)、黃蟬、垂枝紅千層HZ 、水石榕。整體來(lái)看,常綠喬木凈光合速率低于常綠灌木。
在蒸騰速率日變化方面,冬季氣溫下降,日照時(shí)長(zhǎng)縮短,植物生理活動(dòng)減弱,本試驗(yàn)所測(cè)蒸騰速率數(shù)值不高,普遍在0~4.5 mmol·m-2·s-1波動(dòng)(圖2)。其中,垂枝紅千
層HN與白背絨香玫HZ曲線波動(dòng)幅度較大,兩者蒸騰曲線變化均受環(huán)境因素影響:垂枝紅千層HN晨間蒸騰速率高,隨光照增強(qiáng)和溫度升高而上升,又因“光合午休”現(xiàn)象而蒸騰速率急劇下降;白背絨香玫HZ因云層消散光照增強(qiáng),蒸騰速率急升急降以適應(yīng)強(qiáng)光的變化,隨后穩(wěn)定下降。按蒸騰作用能力排序,從強(qiáng)到弱依次為垂枝紅千層HN 、懸鈴花、海桐、灰莉、鴛鴦茉莉、白背絨香玫HZ 、白背絨香玫HN 、垂枝紅千層HZ、橢圓葉木藍(lán)、水石榕、假連翹、黃蟬。常綠灌木和常綠喬木的蒸騰速率無(wú)明顯差異。
在水分利用效率日變化方面,影響WUE的有外部影響因素與內(nèi)部影響因素,外部影響因素包括溫度、光強(qiáng)、濕度、CO2濃度等,內(nèi)部影響因素包括根系生長(zhǎng)分布、葉片氣孔運(yùn)行機(jī)制、遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)等[19]。冬季濕地木本植物的WUE曲線整體在0.42~9.11波動(dòng),曲線呈緩升緩降趨勢(shì),少部分植物在16:00左右出現(xiàn)WUE升高的現(xiàn)象,如假連翹、鴛鴦茉莉、水石榕。從外部影響因子分析,傍晚環(huán)境光照強(qiáng)度與溫度下降,植物凈光合速率與蒸騰速率同步下降,植物通過(guò)關(guān)閉氣孔減少水分的蒸騰損失,優(yōu)化內(nèi)部的水分利用效率,導(dǎo)致WUE值升高。按水分利用能力排序,從強(qiáng)到弱依次為假連翹、鴛鴦茉莉、黃蟬、白背絨香玫HN、水石榕、橢圓葉木藍(lán)、海桐、懸鈴花、灰莉、白背絨香玫HZ、垂枝紅千
層HN、垂枝紅千層HZ。常綠灌木水分利用能力整體優(yōu)于常綠喬木(圖3)。
2.2 凈光合速率對(duì)光的響應(yīng)曲線分析
光響應(yīng)曲線是描述植物凈光合速率隨光照強(qiáng)度變化的曲線。由于試驗(yàn)植物材料的AQY數(shù)據(jù)少且較為分散,Pmax、LSP與LCP數(shù)值變化大,且冬季氣候影響曲線真實(shí)性,難以獲得準(zhǔn)確的LSP與LCP值。為確保分析準(zhǔn)確,補(bǔ)選11種濕地木本植物光響應(yīng)數(shù)據(jù)輔助論證。從Pn-PAR曲線中可知(圖4),大部分植物的Pn隨著PAR的增加而增加,在達(dá)到光飽和點(diǎn)之后,曲線逐漸趨于平緩。在相同PAR條件下,Pn數(shù)值越大,說(shuō)明植物具有越強(qiáng)的光能利用能力與碳同化能力。圖中藍(lán)花藤、垂枝紅千層HN與海桐曲線整體Pn數(shù)值最高,其冬季光能利用能力與碳同化能力較強(qiáng);其次為白背絨香
玫HN、鴛鴦茉莉、懸鈴花、小葉紫薇、橢圓葉木藍(lán)、龍柏、蝶花莢蒾、朱纓花、白背絨香玫HZ、陽(yáng)桃、灰莉、假連翹、黃蟬、夾竹桃、垂枝紅千層HZ、蒲桃;整體數(shù)值最低的為落羽杉、鷹爪花、假蘋(píng)婆、水石榕。按生活型對(duì)植物的光能利用能力進(jìn)行綜合排序,從強(qiáng)到弱依次為常綠藤本、常綠灌木、常綠喬木、落葉灌木、落葉喬木。此外,鄉(xiāng)土植物與外來(lái)植物沒(méi)有明顯的差異,多數(shù)外來(lái)引進(jìn)植物(如藍(lán)花藤、鴛鴦茉莉等)對(duì)華南地區(qū)生長(zhǎng)環(huán)境適應(yīng)良好。
具體來(lái)看(表2),光響應(yīng)曲線的斜率即為表觀量子效率AQY,在弱光階段該值越大,說(shuō)明植物在利用弱光進(jìn)行光合作用時(shí)的效率越高。本試驗(yàn)植物AQY平均值約為0.05,假連翹數(shù)值最大,為0.09,說(shuō)明它能在較低光照強(qiáng)度下更有效地進(jìn)行光合作用,從而積累更多的有機(jī)物。Pmax能反映葉片光合作用的效率與強(qiáng)度。藍(lán)花藤的Pmax值最大,為18.65 μmol·m-2·s-1,其次為垂枝紅千層HN、白背絨香
玫HN與海桐。LSP數(shù)值越高,說(shuō)明植物對(duì)強(qiáng)光耐受能力越強(qiáng) ;LCP數(shù)值越低,說(shuō)明植物對(duì)弱光利用能力越強(qiáng)。試驗(yàn)中,對(duì)強(qiáng)光耐受能力較強(qiáng)的5種植物為小葉紫薇、海桐、鴛鴦茉莉、朱纓花、龍柏;對(duì)弱光利用能力較強(qiáng)的5種植物為落羽杉、鷹爪花、假連翹、陽(yáng)桃、蒲桃。
2.3 固碳釋氧與增濕降溫能力分析
根據(jù)植物凈光合速率日變化數(shù)據(jù),計(jì)算得出濕地木本植物的日固碳釋氧量與日增濕降溫量(表3)。從單位葉面積計(jì)算日固碳釋氧量來(lái)看,海桐日固碳量和釋氧量最高,分別為11.91 g·m-2·d-1、8.67 g·m-2·d-1。按單位葉面積日固碳釋氧量排序,從高到低依次為海桐、懸鈴花、灰莉、鴛鴦茉莉、白背絨香玫HN、白背絨香玫HZ、假連翹、垂枝紅千
層HN、橢圓葉木藍(lán)、黃蟬、垂枝紅千層HZ、水石榕。從葉面積指數(shù)LAI來(lái)看,常綠灌木平均值為5.23,常綠喬木平均值為7.80,鄉(xiāng)土植物與外來(lái)植物的LAI值相近。白背絨香玫HZ的LAI值最大,為8.44;其次為垂枝紅千層HN、垂枝紅千層HZ、水石榕、鴛鴦茉莉、海桐、黃蟬、懸鈴花、灰莉、橢圓葉木藍(lán)、假連翹、白背絨香玫HN。從結(jié)合LAI計(jì)算所得的單位土地面積日固碳釋氧量來(lái)看,海桐的日固碳、釋氧量仍居高位,數(shù)值大幅上升,分別為78.03 g·m-2·d-1、
56.75 g·m-2·d-1。按單位土地面積日固碳釋氧量排序,從高到低依次為:海桐、懸鈴花、白背絨香玫HZ、鴛鴦茉莉、灰莉、垂枝紅千層HN、垂枝紅千層HZ、黃蟬、水石榕、橢圓葉木藍(lán)、假連翹、白背絨香玫HN。整體來(lái)看,木本植物單位土地面積日固碳釋氧顯著高于單位葉面積,垂枝紅千層HZ、鴛鴦茉莉等差異大,假連翹、白背絨香玫HN等差異小,可見(jiàn)植物綠量和生長(zhǎng)狀況對(duì)于其實(shí)際固碳釋氧量影響大。濕地木本植物按平均單位葉面積日固碳釋氧量排序,從高到低依次為常綠灌木、鄉(xiāng)土植物、外來(lái)植物、常綠喬木;按平均單位土地面積日固碳釋氧量排序,從高到低依次為常綠喬木、鄉(xiāng)土植物、常綠灌木、外來(lái)植物。
按單位葉面積日增濕降溫量排序,從高到低依次為白背絨香玫HZ、垂枝紅千層HN、懸鈴花、海桐、灰莉、水石榕、鴛鴦茉莉、垂枝紅千層HZ、白背絨香玫HN、橢圓葉木藍(lán)、假連翹、黃蟬。按單位土地面積日增濕量、降溫量排序,從高到低依次為白背絨香玫HZ、垂枝紅千層HN、海桐、懸鈴花、灰莉、水石榕、垂枝紅千層HZ、鴛鴦茉莉、黃蟬、橢圓葉木藍(lán)、白背絨香玫HN、假連翹。其中,由于白背絨香玫HZ與垂枝紅千層HN 在冬季生長(zhǎng)狀態(tài)良好,枝葉繁茂,其單位土地面積的日增濕量、降溫量最高,分別為20 691.50 g·m-2·d-1與14 889.26 g·m-2·d-11、40.33 ℃與29.02 ℃。假連翹單位土地面積日增濕、降溫量為1 846.32 g·m-2·d-1、3.60 ℃,在冬季日增濕降溫能力最弱。濕地木本植物按平均單位葉面積日增濕降溫量排序,從高到低依次為鄉(xiāng)土植物、常綠灌木、常綠喬木、外來(lái)植物;按單位土地面積日增濕降溫量排序,從高到低依次為常綠喬木、鄉(xiāng)土植物、常綠灌木、外來(lái)植物。
2.4 固碳釋氧與增濕降溫能力聚類(lèi)分析
綜合本試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過(guò)系統(tǒng)聚類(lèi)分析法對(duì)濕地木本植物單位葉面積與單位土地面積的日固碳釋氧量、增濕降溫量進(jìn)行等級(jí)分類(lèi),并繪制水平譜系圖(圖5~6)。按單位葉面積日固碳釋氧、增濕降溫能力排序,從強(qiáng)到弱可分為3級(jí):1級(jí)為灰莉、海桐、懸鈴花;2級(jí)為白背絨香玫HZ和垂枝紅千層HN;3級(jí)為垂枝紅千層HZ、水石榕、黃蟬、橢圓葉木藍(lán)、假連翹、鴛鴦茉莉和白背絨香玫HN。按單位土地面積日固碳釋氧、增濕降溫能力排序,從高到低可分為4級(jí):1級(jí)為海桐;2級(jí)為懸鈴花、灰莉、鴛鴦茉莉;3級(jí)白背絨香玫HZ與垂枝紅千層HN ;4級(jí)為垂枝紅千層HZ、水石榕、黃蟬、橢圓葉木藍(lán)、假連翹、白背絨香玫HN ??傮w來(lái)看,常綠灌木的固碳釋氧、增濕降溫能力優(yōu)于常綠喬木。
3 討論
在本試驗(yàn)中,大部分濕地木本植物在冬季表現(xiàn)出較高的光合活性。外部原因?yàn)槿A南地區(qū)冬季氣候適宜,對(duì)植物光合作用的負(fù)面影響相對(duì)有限;內(nèi)部原因?yàn)橹参飪?nèi)部生理機(jī)制的調(diào)節(jié)作用,植物通過(guò)調(diào)整氣孔閉合、葉綠素含量、酶活性等方式適應(yīng)外界環(huán)境變化,如“光合午休”是植物應(yīng)對(duì)環(huán)境日變化做出的保護(hù)措施。陳高路等[29]研究得出“光合午休”的成因可歸結(jié)為氣孔因素與非氣孔因素,兩者與光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度、氣孔限制值等生理指標(biāo)有關(guān);且楊通文等[30]研究進(jìn)一步指出季節(jié)變換會(huì)改變這些指標(biāo)對(duì)“光合午休”的影響程度。本試驗(yàn)中,垂枝紅千層、假連翹、橢圓葉木藍(lán)的Pn與Tr曲線走勢(shì)與出現(xiàn)峰值的時(shí)間基本一致,Tr隨氣孔閉合而下降,推斷這些植物可能主要受氣孔限制值指標(biāo)影響;白背絨香玫HZ、灰莉、水石榕的Pn與Tr曲線走勢(shì)與出現(xiàn)峰值的時(shí)間不一致,可能受環(huán)境光照、溫濕度等非氣孔因素影響。西雙版納熱帶植物園相關(guān)研究表明,植物中午的氣孔導(dǎo)度與枝條水分狀況呈正相關(guān),而非與葉片有
關(guān)[31]。本次試驗(yàn)的白背絨香玫HZ、垂枝紅千層HN、水石榕、橢圓葉木藍(lán)具有明顯的“光合午休”特征,且WUE在光抑制現(xiàn)象后上升,表明這些植物在消耗較少水分的情況下能夠進(jìn)行更多的光合作用。結(jié)合上述研究成果,可推斷這4種植物可能內(nèi)部水分不足,尤其枝條的水分狀況較差,植物需要通過(guò)及時(shí)調(diào)整自身的生理活動(dòng)來(lái)平衡內(nèi)部水分環(huán)境,保障其枝條的水分儲(chǔ)存和正常運(yùn)輸。根據(jù)圖1與表2,深入分析“光合午休”出現(xiàn)的時(shí)間差異,垂枝紅千層HZ、垂枝紅千
層HN、橢圓葉木藍(lán)、假連翹與灰莉“光合午休”出現(xiàn)的時(shí)間晚于水石榕與白背絨香玫HZ,前者除垂枝紅千層HZ外,Pmax值較大,能耐受更長(zhǎng)時(shí)間的強(qiáng)光并將其高效地轉(zhuǎn)化成能量。垂枝紅千層HZ的Pmax值比垂枝紅千層HN的低,這表明植物的光利用能力受生長(zhǎng)環(huán)境差異影響。相反,白背絨香
玫HZ的AQY與Pmax值均處于較高的水平,但環(huán)境光照的快速增強(qiáng)促使葉片氣孔早閉,導(dǎo)致“光合午休”現(xiàn)象提前。
植物的生活型、生長(zhǎng)形態(tài)等因素對(duì)單位葉面積與單位土地面積的固碳釋氧、增濕降溫量的差異性具有重要影響。對(duì)
比分析HN和HZ的垂枝紅千層和白背絨香玫的試驗(yàn)數(shù)據(jù),
在單位葉面積的計(jì)算下,垂枝紅千層HN的A、 、W的值稍大于垂枝紅千層HZ,日增濕降溫?cái)?shù)值約為后者
的2倍;白背絨香玫HN與白背絨香玫HZ的A、W 、值基本一致,后者的E、與?T約為前者2倍有多。單位土地面積數(shù)據(jù)基于葉面積指數(shù)計(jì)算所得,故將植物的樹(shù)冠大小和葉片分布密度數(shù)據(jù)納入對(duì)比分析的考慮范圍,LAI越高,單位土地面積日固碳釋氧量與增濕降溫量越高。兩地垂枝紅千層的LAI相近,導(dǎo)致其固碳釋氧量、增濕降溫量差距不大;相比之下,白背絨香玫HZ的LAI約為白背絨香玫HN的4倍,白背絨香玫HZ固碳釋氧量、增濕降溫量顯著增加。僅從LAI計(jì)算公式中可知H、D、Sh為3個(gè)最重要的影響因子,但實(shí)際上LAI為多因子綜合作用的結(jié)果,并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。王永杰[32]通過(guò)研究福州城市公園樹(shù)木的LAI得出,喬木的LAI與樹(shù)高、胸徑、冠幅呈正相關(guān),灌木反之,且植株的生長(zhǎng)形態(tài)、樹(shù)形、葉片傾斜角、不同冠層的密度等因素對(duì)LAI有顯著影響。本試驗(yàn)中,兩地的垂枝紅千層的齡期、生長(zhǎng)形態(tài)等方面相差較大,但LAI計(jì)算結(jié)果顯示兩者整體形態(tài)差異不大。這是因?yàn)榇怪t千層HN較矮,其冠幅能夠更有效地利用空間,枝葉在三維空間內(nèi)均勻分布;而垂枝紅千層HZ較高且枝葉集中在植株中上層,在三維空間中的分布呈非均勻性。相比之下,白背絨香玫HZ雖高度和冠幅稍小,但葉片覆蓋面積較大,LAI值顯著增大。由此說(shuō)明,單位土地面積的固碳釋氧及增濕降溫效益與植物的形態(tài)特征密切相關(guān),其中LAI是反映這些特征的重要綜合指標(biāo)。
綜合多年來(lái)專(zhuān)家學(xué)者跨地域、跨季節(jié)的深入研究,可從多維度探討本試驗(yàn)濕地木本植物固碳釋氧與降溫增濕能力的差異。在整體層面上,試驗(yàn)結(jié)果顯示常綠灌木相較于常綠喬木展現(xiàn)出更強(qiáng)的固碳釋氧與降溫增濕能力,與郜晴等[33]基于445種植物研究得出的結(jié)論相同。在植物群落層面,侯文碩等[34]通過(guò)探究植物群落構(gòu)成與規(guī)格的差異對(duì)固碳釋氧效益的影響,得出喬灌草復(fù)合結(jié)構(gòu)不僅固碳釋氧量最大且涵蓋區(qū)間較寬,優(yōu)于喬草和喬灌結(jié)構(gòu);深圳種植的以假連翹為主的灌草群落在夏季的固碳效益較高,增濕效益中等,降溫效益較弱[35];南寧栽培的由假連翹、灰莉、黃蟬等組成的灌草組團(tuán)日增濕降溫效益中等偏下[36],這些與本試驗(yàn)中所測(cè)假連翹、灰莉增濕降溫效益較低的特性基本符合。由此說(shuō)明復(fù)雜植物群落結(jié)構(gòu)對(duì)固碳釋氧的增強(qiáng)作用,及木本植物在群落中的重要性。在個(gè)體層面,本試驗(yàn)中海桐在冬季展現(xiàn)出卓越的光合作用、固碳釋氧及增濕降溫能力,與晏增等[37]在鄭州冬季試驗(yàn)結(jié)論相同,且海桐不僅能為濕地生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能作出重要貢獻(xiàn),還兼具吸附塵土、凈化空氣的多重效
益[37]。此外,季節(jié)顯著影響植物生理活動(dòng),如栗學(xué)銘等[38]在茂名測(cè)得假連翹與灰莉在夏季的凈光合速率日變化曲線與本試驗(yàn)相似,均為雙峰型曲線,同時(shí)夏季凈光合速率數(shù)值整體高于冬季。在不同地理氣候地區(qū)栽培相同植物,植物的固碳能力表現(xiàn)存在差異性,如張壇爍[39]測(cè)得東北地區(qū)栽培的假連翹為高固碳植物,與本試驗(yàn)結(jié)果不相同,這說(shuō)明地域氣候等環(huán)境因素對(duì)植物固碳能力有重要影響。上述研究為后人從多維度理解植物在生態(tài)系統(tǒng)中的固碳釋氧與增濕降溫功能提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),為生態(tài)修復(fù)與城市規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。
4 結(jié)論
本實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)定光合日變化參數(shù)與Pn-PAR曲線,計(jì)算獲得10種華南地區(qū)濕地木本植物冬季日固碳釋氧和增濕降溫量,并對(duì)比分析其日固碳釋氧和增濕降溫能力。研究發(fā)現(xiàn):濕地木本植物凈光合速率日變化曲線主要表現(xiàn)為單峰型與雙峰型曲線,“光合午休”現(xiàn)象主要受植物自身光利用能力的限制及環(huán)境因素的調(diào)控。其中,海桐、懸鈴花、灰莉、鴛鴦茉莉、白背絨香玫冬季光合作用能力較強(qiáng),在低溫條件下仍能保持高效的光能轉(zhuǎn)換。假連翹、鴛鴦茉莉、黃蟬具有較好的水分利用能力,能良好適應(yīng)濕地系統(tǒng)中水分的波動(dòng)。通過(guò)分析Pn-PAR曲線可知,藍(lán)花藤、垂枝紅千層HN與海桐冬季光能利用能力與碳同化能力較強(qiáng)。在適應(yīng)光照強(qiáng)度變幅較大的環(huán)境中,鴛鴦茉莉的強(qiáng)光耐受性與弱光利用能力突出。總體上,在光能捕獲利用與固碳釋氧、與降溫增濕能力方面,常綠灌木優(yōu)于常綠喬木,鄉(xiāng)土植物優(yōu)于外來(lái)植物。
在構(gòu)建高固碳效能型濕地景觀時(shí),應(yīng)秉持喬灌草相結(jié)合的生態(tài)理念,以常綠植物與鄉(xiāng)土植物為主導(dǎo),適當(dāng)輔以落葉植物與外來(lái)植物。本次試驗(yàn)研究結(jié)果顯示,海桐、懸鈴花、灰莉、白背絨香玫等常綠灌木在增強(qiáng)濕地碳匯能力與優(yōu)化微氣候環(huán)境方面具有優(yōu)勢(shì)。常綠喬木垂枝紅千層與水石榕在冬季亦表現(xiàn)出良好的生態(tài)適應(yīng)性。在此基礎(chǔ)上,可引入諸如鴛鴦茉莉、假連翹、黃蟬及橢圓葉木藍(lán)等光合作用能力稍弱但同樣重要的植物種類(lèi),以構(gòu)建穩(wěn)定性強(qiáng)、層次豐富的濕地植物群落。依據(jù)光照條件,強(qiáng)光區(qū)宜種植小葉紫薇、海桐等喜光植物,蔭蔽區(qū)則適宜種植落羽杉、鷹爪花等耐陰種類(lèi)。在植物的生長(zhǎng)形態(tài)上,需注意樹(shù)形、枝形、葉形的搭配,結(jié)合植物生活型考慮高度與冠幅的修剪作業(yè)。
本試驗(yàn)所選植物較易成活、管養(yǎng)便利,既滿足觀賞美需求,又經(jīng)濟(jì)實(shí)用,期望為提升濕地生態(tài)系統(tǒng)景觀豐富度與生態(tài)價(jià)值提供有力支持。本試驗(yàn)季節(jié)為冬季,以木本植物為研究對(duì)象,結(jié)合華南地區(qū)鄉(xiāng)土植物與適應(yīng)性良好的外來(lái)植物作為研究材料,增設(shè)現(xiàn)有學(xué)術(shù)研究較少的植物,如橢圓葉木藍(lán)、白背絨香玫,分析其季節(jié)性光合變化、固碳釋氧與增濕降溫能力以補(bǔ)充研究領(lǐng)域空白。但因研究受限于時(shí)間與人力資源,未能針對(duì)濕地木本植物凈化水質(zhì)、降塵減噪、區(qū)域微氣候調(diào)節(jié)等生態(tài)功能進(jìn)行綜合性評(píng)估,也未能進(jìn)一步深化構(gòu)建高固碳型濕地植物群落結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)意見(jiàn)。因此,基于本次試驗(yàn)結(jié)果,未來(lái)將從更為宏觀的角度深化對(duì)濕地木本植物各項(xiàng)生態(tài)功能的研究,聚焦于尚未被充分探索的濕地植物,構(gòu)建更為詳盡的濕地植物數(shù)據(jù)庫(kù)。
注:本文圖片均為作者自繪。
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作者簡(jiǎn)介:
伍祖瑩/2000年生/女/廣東廣州人/仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院園藝園林學(xué)院(廣州 510225)/在讀碩士研究生/專(zhuān)業(yè)方向?yàn)轱L(fēng)景園林規(guī)劃與生態(tài)修復(fù)
王芙蓉/1996年生/女/四川巴中人/仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院園藝園林學(xué)院(廣州 510225)/在讀碩士研究生/專(zhuān)業(yè)方向?yàn)轱L(fēng)景園林規(guī)劃與生態(tài)修復(fù)
(*通信作者)許銘宇/1991年生/男/廣東汕尾人/博士/仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院園藝園林學(xué)院(廣州 510225)/高級(jí)工程師/研究方向?yàn)榱植萆鷳B(tài)修復(fù)與土地復(fù)墾綜合整治/E-mail:xmy4200@126.com
陳平/1968年生/男/江蘇南通人/碩士/仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院園藝園林學(xué)院(廣州 510225)/教授/研究方向?yàn)閲?guó)土空間生態(tài)修復(fù)與草資源開(kāi)發(fā)研究