太原市主要园林植物春季固碳释氧和降温增湿效应

时间：2024-05-25

宋卓琴，康红梅，牛艳，曹冬梅，张超，段九菊

（山西省农业科学院园艺研究所，山西太原030031）

城市园林绿化植物作为城市生态系统的重要组成部分，具有抗污抗菌、滞尘减噪、固碳释氧、降温增湿等作用[1]，对于优化城市环境、改善城市空气质量、实现城市生态系统良性循环具有非常重要的意义[2-3]。园林绿化植物通过光合作用，实现城市环境中的碳氧平衡，通过植物体遮阴反射和表面气孔的蒸腾作用，实现降温增湿，改善居住环境的小气候，增加环境的舒适度[4-7]。因此，在进行城市园林绿化植物配置时，不仅要考虑植物的景观效应，更应注重其生态效益的发挥[8]。

近年来，对城市园林绿化的研究主要集中在植物群落、植物配置、生态功能定量化等方面，常用的研究方法主要是公式计算和分类评价。刘雪莲等[9]研究了昆明市常见的18种常绿植物的光合特性，并对测试植物的单位叶面积固碳释氧能力进行了聚类分析；2015年邵永昌等[10]研究了上海地区的17种主要园林绿化树种的蒸腾特性，分析了相关影响因子，并对主要绿化树种的降温增湿功能进行定量计算和聚类分析。但是，我国地域辽阔，各地植物种类不同，且相同种类在不同地区所表现出的环境效应也不相同[11-12]。而目前针对山西地区的常见园林植物生态效应的相关研究较为缺乏。

本研究在项目组前期对太原市城区园林植物应用现状、景观配置、调查分析的基础上[13-14]，经资料分析与实地踏查，选取了太原市常见的34种园林植物作为研究对象，通过对其光合、蒸腾特性的测定以及对固碳释氧、降温增湿相关生态指标的分析评估，定量探究了常见园林植物的固碳释氧、降温增湿效应，旨在为城市园林绿化植物的种类选择、空间配置提供科学的理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

太原市位于山西省中北部的太原盆地，地理坐标为东经 111°30′～113°09′，北纬 37°27′～38°25′，市区坐落于汾河河谷平原上，平均海拔约800 m，属北温带大陆性气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，四季分明、日照充足，昼夜温差较大，无霜期平均202 d，年均降水量456 mm。在园林绿化植物区划中属暖温带绿化区，地带性植物为暖温带季风落叶阔叶林。截至2016年底，太原市城区园林绿化总面积12 654.6 hm2，绿化覆盖率达到41.65%，人均公园绿地面积11.88 m2。

1.2 试验材料

供试材料为太原市34种主要园林植物，其详细名录列于表1，其中，乔木8种，小乔木7种，灌木5种，绿篱灌木6种，地被5种，藤本3种。

表1 太原市34种主要园林植物名称

1.3 试验方法

1.3.1 光合特性测定试验在2017年4—5月进行，选择晴朗、无风的天气，在自然光照条件下用LI-6400型光合仪对植物叶片进行光合日变化测定，测定时间为8：00—18：00，每2 h测一次。在太行路及其附近的绿化带进行测定，定植年限为4 a，乔木、小乔木、灌木选择树体周围2 m内无高于1 m的植株，生长健壮、大小相似，每株选取向阳面中部的功能叶片，绿篱灌木、地被、藤本选择覆盖面积在10 m2左右的表面上部功能叶片，每种选3株，每株选3片叶进行测定，待光合仪数值稳定取瞬时光合参数值，3次重复，取平均值。

1.3.2 固碳释氧、增湿降温能力计算根据植物光合作用、蒸腾作用原理，植物的固碳释氧、降温增湿效应的计算，依赖于对植物光合速率及蒸腾速率的测定值。

1.3.2.1 固碳释氧能力计算参照杨士弘等[15]的方法计算净同化量。

式中，P为单位叶面积日同化总量（mmol（/m2·d）），Pi指初测点的瞬时光合速率，Pi＋1为下 1 个测定点的瞬时光合速率（μmol（/m2·s））；ti为初测点的时间（h），ti＋1为下一个测定点的时间（h），j为测定次数，3 600指每小时3 600 s；1 000指 1 mmol为1 000 μmol。

式中，Wco2为单位叶面积固定CO2的质量（g/（m2·d）），44 为 CO2的摩尔质量。根据光合作用的反应方程CO2＋4H2O→CH2O＋3H2O＋O2可以计算出该植物释放O2的质量。

式中，Wo2为单位叶面积固定氧气的质量（g/（m·2d））。32 为 O2的摩尔质量。

1.3.2.2 增湿降温能力计算参考赵瑞文等[16]的方法计算单位叶面积日蒸腾总量。

式中，E为单位叶面积日蒸腾总量（mol（/m·2d））；ei为初测点的瞬时蒸腾作用速率（mmol（/m2·s））；ei＋1为下一测定点的瞬时蒸腾作用速率（mmol（/m2·s））；ti为初测点的测试时间（h）；ti＋1为下一测定点的时间（h）；j为测试次数。3 600指每小时3 600 s；1 000 指 1 mol为 1 000 mmol。

用测定日的蒸腾总量换算为测定日释放水的质量WH2O（g（/m·2d））。

式中，18为H2O的摩尔质量。

式中，Q为单位叶面积日吸热量（J（/m·d））；W为植物单位叶面积日蒸腾总量（g（/m2·d））；L（cal）为蒸发耗热系数（L＝597－0.57×t，t为叶面温度）；1 cal＝4.18 J。2

式中，ΔT为降温值（℃）；pc为空气的容积热容量（1 256 J（/m·3h））；v为空气柱体积，为10 m2×100 m。

植物蒸腾而使周围在1 000 m3的空气柱中增加的单位叶面积的相对湿度为Δ（f%）。

式中，Δa为空气增加的绝对湿度（g/m3），Δe即为水汽压的增加值，T即为日均的叶面绝对温度值，T＝t＋273.16，e即为空气的饱和水汽压化。

1.4 数据分析

采用Excel 2013软件对试验数据进行整理分析。

2 结果与分析

2.1 春季园林植物单位叶面积的固碳释氧效应

从表2可以看出，6类34种园林植物中固碳释氧能力最强的是苜蓿，最弱的是鸢尾。8种乔木中固碳释氧能力最强的是泡桐，其固碳释氧能力是最弱的杨树的5.00倍；7种小乔木中最强的是卫矛，其固碳释氧能力是最弱的碧桃的3.09倍；5种灌木中最强的是珍珠梅，其固碳释氧能力是最弱的月季的1.76倍；6种绿篱灌木中最强的是小叶女贞，其固碳释氧能力是最弱的小叶黄杨的11.06倍；5种地被中最强的是苜蓿，其固碳释氧能力是最弱的鸢尾的114.86倍；3种藤本中最强的是山荞麦，其固碳释氧能力是最弱的五叶地锦的4.19倍。其中，差异最大的是地被，差异最小的是灌木。可见，同种类型不同物种之间固碳释氧能力差异比较大。通过计算同种类型园林植物的固碳、释氧量平均值可以得出，固碳释氧能力大小顺序为：小乔木>藤本>地被>灌木>绿篱灌木>乔木，其中，小乔木仅为乔木的1.31倍。可见，不同类型间固碳释氧能力差异较小。

表2 春季园林植物单位叶面积的固碳释氧量

2.2 春季园林植物单位叶面积的降温增湿效应

由表3可知，6类34种园林植物中降温增湿能力最强的是苜蓿，最弱的是麦冬。8种乔木中降温增湿能力最强的泡桐，其降温增湿能力是最弱的杨树的5.26倍；7种小乔木中最强的是卫矛，其降温增湿能力是最弱的碧桃的2.63倍；5种灌木中最强的是榆叶梅，其降温增湿能力是最弱的珍珠梅的2.50倍；6种绿篱灌木中最强的是小叶女贞，其降温增湿能力是最弱的小叶黄杨的6.19倍；5种地被中最强的是苜蓿，其降温增湿能力是最弱的麦冬的16.90倍；3种藤本中最强的是山荞麦，其降温增湿能力是最弱的五叶地锦的7.43倍。其中，差异最大的是地被，差异最小的是灌木。可见，同种类型的不同物种间差异较大。通过计算同种类型园林植物的降温值和增湿度平均值得出，降温增湿能力大小顺序为：藤本>地被>小乔木>灌木>乔木>绿篱灌木，其中，藤本仅为绿篱灌木的1.64倍。可见，不同类型间的降温增湿能力差异较小。

表3 春季园林植物单位叶面积的降温增湿量

续表3

2.3 园林植物固碳释氧、降温增湿能力评价

对6类34种园林植物单位叶面积固碳释氧、降温增湿能力进行分类评价，固碳释氧能力的评价标准为：Wco2＞12 g/（m2·d）为强，Wco2介于8～12 g/（m2·d）为中，Wco2＜8 g/（m2·d）为弱；降温增湿能力的评价标准为：ΔT＞4℃为强，ΔT介于2～4℃为中，ΔT＜2 g/（m2·d）为弱。

由表4可知，8种乔木，臭椿、黄金槐、泡桐的固碳释氧、降温增湿能力均强，白蜡、国槐中等，银杏、垂柳、杨树弱；7种小乔木，卫矛的固碳释氧、降温增湿能力均强，紫叶李、丁香的固碳释氧能力强，金叶榆的降温增湿能力强，仅次于卫矛；5种灌木，连翘、珍珠梅的固碳释氧能力强，降温增湿能力中等，榆叶梅的降温增湿能力强，固碳释氧能力中等，月季的固碳释氧能力弱；6种绿篱灌木，固碳释氧、降温增湿能力均以小叶女贞强，红瑞木、金叶女贞中等，胶东卫矛、紫叶小檗、小叶黄杨弱；5种地被固碳释氧、降温增湿能力均以苜蓿、萱草强，玉簪、麦冬、鸢尾弱；3种藤本，山荞麦的固碳释氧、降温增湿能力均强，五叶地锦弱，金银花固碳释氧能力强，降温增湿能力中等。

表4 太原市园林植物单位叶面积固碳释氧、降温增湿能力评价

3 讨论

植物的固碳释氧、降温增湿能力受多种因素的影响，其中主要是植物本身和外界环境因素，同一种植物在不同地区以及不同生长季节的固碳释氧、降温增湿能力也不同[17-18]。本项目不仅对34种园林植物春季的固碳释氧、降温增湿生态效应进行了研究，而且对秋季的情况也进行了研究[19]，2个季节的结果显示，春季净光合速率的测定值比秋季的偏低，主要是由于春季光照弱、温度低，叶片较嫩、较薄，组织结构发育不完全，光合能力未达到最佳，导致单位叶面积的固碳释氧、降温增湿能力均较弱。这与张婧雯[20]的研究结果一致，光合速率、蒸腾速率与表皮细胞的厚度、海面组织、叶片的厚度呈正相关，光合速率越高、固碳释氧能力越强，则蒸腾速率越高，降温增湿能力也越强[21]。

不同植物因其生理特性的不同，固碳释氧、降温增湿的能力也不同[22]。本研究中，卫矛、小叶女贞单位叶面积固碳释氧、降温增湿能力强，银杏属于较弱的植物，国槐、西府海棠等能力中等，这与前人的研究结果一致[21，23-24]。本研究结果还表明，园林植物不同类型间固碳释氧、降温增湿能力差异不大，固碳释氧能力较强的小乔木仅是乔木的1.31倍，降温增湿能力较强的藤本仅是绿篱灌木的1.64倍；而同种类型的不同物种间差异较大，其中，地被的不同物种间差异最大，固碳释氧能力苜蓿是鸢尾的113.09倍，降温增湿能力苜蓿是麦冬的16.8倍，这与秦俊等[25]、陈少鹏[26]的研究结果一致。

通过对园林绿化植物固碳释氧、降温增湿能力进行分类评价，将强度一致的植物分为一类[21]，可为园林植物选择与应用提供依据。本研究结果显示，在考虑固碳释氧及降温增湿能力时，首选高光合、高蒸腾能力的植物，如乔木的泡桐、小乔木的卫矛、灌木的珍珠梅或榆叶梅、绿篱灌木的小叶女贞、地被的苜蓿、藤本的山荞麦等。在兼顾园林配置、景观效果时，则可参照分类评价的结果，将相似度高的植物进行互换[24]，如同为小乔木的碧桃和金叶榆固碳释氧生态效应相近，但景观效果完全不同，在园林配置中可以更科学地应用。