21种常用灌木降温能力比较研究

2017-01-11刘海荣

天津农业科学 2016年12期

摘要：为了对沈阳市绿化树种的合理配置提供科学依据，本文以沈阳典型城市森林类型为试验区，利用LI-6400光合作用测定系统，采用自然条件下离体定位观测和室内分析相结合的方法，在常用灌木树种蒸腾生理特性分析的基础上，首次对沈阳市主要灌木树种的降温生态环境效益进行了系统研究。结果表明，21种常用灌木单位叶面积的降温效应表现为接骨木>蔷薇>风箱果>东北山梅花>京山梅花>大花水亚木>五叶地锦>黄刺玫>水腊>朝鲜黄杨>鸡树条荚迷>紫叶小檗>金银忍冬>金钟连翘>珍珠绣线菊>忍冬>榆叶梅>紫丁香>锦带花>红瑞木>茶条槭。

关键词：灌木；生态效益；蒸腾作用；降温

中图分类号：S731.2 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.12.002

Comparative Study of the Ability to Cool Down of 21 Kinds of Commonly Used Shrubs

LIU Hairong

（Tianjin Agricultural University， Tianjin 300384， China）

Abstract：The eco-environmental benefit of urban forest was quantitatively estimated based on the processes of photosynthesis and transpiration， which can provide scientific basis for the reasonable layout of urban tree species and for the evaluation of the eco-environmental benefits of urban forest. The function types of the urban forest in Shenyang City were selected as the experimental sites， the heat absorbance of the urban forest of Shenyang City with a LI-6400 photosynthesis system. The order according to the daily heat absorbance capabilities per unit leaf area of the main shub species were Sambucus williamsii> Rosa glauca> Physocarpus amurensis> Philadelphus schrenkii> Philadelphus pekinensis> Hydrangea paniculata var. grandiflora> Parthenocissus quinquefolia> Rosa xanthina> Ligustrum obtusifolium> Buxus sinica> Viburnum sargentii> Berberis thunbergii var. atropurpurea> Lonicera maackii> Forsythia suspense> Spiraea triloba> Loucea japonica> Prunus triloba> Syringa oblate> Weigela florida> Cornus alba> Acer ginnala.

Key words： shub species；eco-environmental benefit；transpiration； cool down

随着城市化进程的加速和城市环境问题的加剧，人们越来越认识到城市绿地系统对城市生态环境可持续发展的重要作用[1-3]。在有限的空间和土地中，要提高城市绿地的生态效益，就必须注重增加绿地面积的数量和提高绿地的质量[4-7]。在城市特定的条件下，建立生态与景观相协调的人工植物群落，使城市土地资源的利用达到生态、社会、经济三大效益的最佳结合，是提高城市绿地质量的关键所在。在城市绿化工作中，需要以植物选择方面的研究成果作科学合理的、量化的理论指导，通过因地制宜地进行城市绿地系统的树种配置，使城市生态效益与景观效益和谐共生，进而充分发挥城市绿地系统的各种效益[8-10]。

1 材料和方法

1.1 试验区自然概况

中国科学院沈阳树木园位于辽宁省沈阳市内的东南部，地理位置为41°46′N，123°26′E，占地面积约5 hm2。属于暖温带半湿润季风型大陆性气候，四季分明，雨热同季。年平均气温为7.4 ℃，一月平均气温为27.5 ℃，极端最高气温38.3 ℃，极端最低气温为-32.3 ℃。年平均降水量为755.4 mm，集中在6—8月，占全年的64.4%，无霜期为150 d，年均日照时数2 425.4 h，年蒸发量1 408 mm。

1.2 试验材料

在前期充分调研的基础上，通过咨询相关专家，确定供试验用树种21种，其中常绿灌木1种，藤木1种，落叶灌木19种（表1）。

1.3 试验方法

（1）确定标准木。根据沈阳市城市主要绿化树种平均状况，选择试验样地中的标准木（与每种植物的平均树高、胸径、冠幅近似的植株）作为试验材料。准确测量标准木的树高、胸径、冠幅、健康状况等，并挂牌标记。

（2）标准木蒸腾速率测定。在中国科学院沈阳树木园中随机选择标准植株3株，于2015年6月中旬至8月中旬晴好、无风的天气情况下，采用LI-6400 便携式光合测定系统（美国LI-COR 公司生产）在每日6：00—18：00 每2 h 测量1次，设3 次重复。随机选取树木东南方向向阳枝条上的“功能叶”，即从顶端数第3～6片叶进行离体测定（每株取3～5 片叶），待系统稳定后，每片叶取3个瞬时蒸腾速率（E ），并对光强（PAR）等进行同步测定[11]。

（3）降温能力计算方法。根据蒸腾速率值可计算出释放水的量，从而可以计算出降低空气温度的量，具体方法如下：在蒸腾日变化曲线图（图1）中，植物的蒸腾总量是由蒸腾速率曲线和时间横轴围合的面积[12-13]。

以此为基础，测定当日的蒸腾总量，设蒸腾总量为E，单位为mol·m-2·d-1，计算公式为：

式中：ei为初测点的瞬时蒸腾速率，ei+1为下一测点的瞬时蒸腾速率，单位为mmol·m-2·S-1；ti为初测点的测试时间，ti+1为下一测点的时间，单位为h；j为测试次数；3 600指3 600 s；1 000指1摩尔。换算为测定日全天释放水的质量为：W[H2O]=E×18 ，单位为g·m-2· d-1，式中18为水的摩尔质量，单位为g ·mol-1。

设每平方米叶片在一天中因蒸腾作用散失水分而吸收的热量为Q，则Q= W[H2O]×L×4.18

式中，Q为单位叶面积每日吸收的热量，单位为J·m-2·d-1。L为蒸发耗热系数（L=597-0.57×t，t为蒸发面的温度），4.18为1Cal=4.18 J，570为0 ℃时的蒸发潜热（Cal）。由此可计算出各树种每平方米叶片在测定日吸收热量的值。测定日均温为33.74 ℃。

计算绿地的蒸腾降温作用时，考虑到空气的湍流、对流和辐射作用，空气与叶面之间及空气微气团之间不断地进行热量扩散和交换，故取底面积为10 m2，厚度为100 m的空气柱作为计算单元。100 m代表现代城市覆盖层（屋顶至地面）的高度，10 m2为小气候的水平尺度。在此体积为1 000 m3的空气柱体中，因树木蒸腾消耗热量Q是取自于周围1 000 m3的空气柱体，故使气柱温度下降。气温下降值用下式表示：

ΔT=Q/PC /12/1 000

式中：Q为绿地植物蒸腾使其单位体积空气损失的热量（J·m-3·d-1）；ΡC为空气的容积热容量，其值为1 256 J·m-3·h-1，12为从早晨6：00到晚18：00共12 h。1 000为1 000 m3的空气柱体。

（4）数据统计分析。所有数据均使用Excel和SPSS软件进行数据分析处理。

2 结果与分析

2.1 常用灌木树种蒸腾速率日变化

蒸腾作用（Transpiration）是指水分以气体状态通过植物体的表面从体内扩散到大气中的过程，是表征植物水分代谢的一个重要生理指标[13-20]。

如图2所示，在这几种灌木中，风箱果、东北山梅花、大花水亚木、水腊、黄刺玫、金银忍冬、五叶地锦、鸡树条荚迷、忍冬、朝鲜黄杨的蒸腾作用曲线呈双峰型，其他树种均呈单峰型。接骨木蒸腾速率在10：27—14：07时较稳定，出现稳定的平台，蒸腾速率值在10 mmol·m-2·s-1左右，之后迅速下降，至18：00降为全天的最低值。紫叶小檗蒸腾速率随着温度和光合有效辐射的增大而逐渐增大，至11：10时，蒸腾速率上升为全天的最高值（8.7 mmol·m-2·s-1）。朝鲜黄杨的蒸腾曲线呈现出了双峰曲线，峰值出现在12：43和16：45，分别为10.9 mmol·m-2·s-1、6.55 mmol·m-2·s-1，14：27出现低谷（4.03 mmol·m-2·s-1），金钟连翘、京山梅花、蔷薇、珍珠绣线菊、榆叶梅的蒸腾曲线均为典型的单峰曲线，峰值出现在12：30左右，蔷薇的峰值较高为8.2 mmol·m-2·s-1，其次为京山梅花7.98 mmol·m-2·s-1，榆叶梅和珍珠绣线菊的峰值较低分别为5.91 mmol·m-2·s-1和5.87 mmol·m-2·s-1。茶条槭和紫丁香蒸腾速率值14：20达到了全天的最高值4.52 mmol·m-2·s-1。锦带花的蒸腾速率在9：00 —12：54期间出现了稳定的平台，午后14：32蒸腾速率也随之达到最高值（6.49 mmol·m-2·s-1），红瑞木蒸腾速率在9：40—11：05时一直较高，之后迅速下降，至18：45降为全天的最低值0.297 mmol·m-2·s-1。风箱果的蒸腾速率在10：37—12：29期间维持着较高的水平。大花水亚木有所不同，其蒸腾速率稳定的平台出现在12：00—14：00期间。大花水亚木随着温度的逐渐升高，蒸腾速率在10：30左右达到第1个峰值7.17 mmol·m-2·s-1，之后蒸腾速率稍有下降并维持较稳定状态。水腊和忍冬的曲线较相似，二者在8：20—11：00期间蒸腾速率值维持较高的水平之后稍有下降，在14：52左右蒸腾速率有所上升，全天的最高值分别为7.34 mmol·m-2·s-1和6.66 mmol·m-2·s-1。黄刺玫两个峰值分别出现在12：48和16：52，峰值和谷值之间相差不大，最高峰值为6.01 mmol·m-2·s-1，谷值为4.25 mmol·m-2·s-1，仅相差1.76 mmol·m-2·s-1。金银忍冬为典型的双峰曲线两峰值分别出现在10：01和14：16，第1个峰值较高为7.32 mmol·m-2·s-1，第2个峰值为5.60 mmol·m-2·s-1。五叶地锦和鸡树条荚迷的曲线较相似，二者均出现了两个峰值和一个较平缓的低谷，但鸡树条荚迷出现的时间要晚一些，五叶地锦在8：00和14：00出现峰值，在10：00—12：00期间出现谷值，而鸡树条荚迷是在10：00和16：00出现峰值，在12：00—14：00期间出现谷值，从一天来看五叶地锦的蒸腾速率值要高一些。

2.2 常用灌木树种降温能力分析

由表2可以看出，21种常用灌木中，接骨木日蒸腾总量最大为300.38 mol·m-2·d-1，吸热量为13 064.89 kJ·m-3·d-1，可使周围1 000 m3的空气降温0.87 ℃，紫丁香的日蒸腾总量最低为99.34 mol·m-2·d-1，吸热量为4 315.03 kJ·m-3·d-1，可使周围1 000 m3的空气降温0.29 ℃。常用主要灌木树种单位叶面积的降温效应表现为：接骨木>朝鲜黄杨>风箱果>东北山梅花>紫叶小檗>京山梅花>金钟连翘>蔷薇>大花水亚木>水腊>黄刺玫>金银忍冬>茶条槭>五叶地锦>鸡树条荚迷>忍冬>榆叶梅>锦带花>红瑞木>珍珠绣线菊>紫丁香。

3 结论

（1）常用灌木树种蒸腾速率日变化。风箱果、东北山梅花、大花水亚木、水腊、黄刺玫、金银忍冬、五叶地锦、鸡树条荚迷、忍冬、朝鲜黄杨的蒸腾作用曲线呈双峰型，其他11种均呈单峰型。

（2）常用灌木树种单位叶面积的降温能力表现为接骨木>朝鲜黄杨>风箱果>东北山梅花>紫叶小檗>京山梅花>金钟连翘>蔷薇>大花水亚木>水腊>黄刺玫>金银忍冬>茶条槭>五叶地锦>鸡树条荚迷>忍冬>榆叶梅>锦带花>红瑞木>珍珠绣线菊>紫丁香。

（3）在城市绿化树种选择时，对于蒸腾速率较大的树种（如接骨木、朝鲜黄杨、风箱果等）可优先选用，而对于蒸腾速率较小的树种（如紫丁香、红瑞木、珍珠绣线菊等）可作为点缀树种少量栽植。

（4）本次试验，由于时间、人员、试验仪器等客观条件的限制，所测灌木仅为沈阳常用灌木树种的一部分，在以后的研究中要加大测量种类，为每一种灌木都建立一个数据库。

参考文献：

[1] 薛仁龙.城市园林绿化生态效益研究[D].杭州：浙江大学，2001.

[2] 樊平.北京地区屋顶绿化植物抗逆性研究[D].沈阳：沈阳农业大学，2004.

[3] 黄晓鸾.城市生存环境绿色量值群的研究[J].中国园林，1998，14（55）：61-63.

[4] 卓丽环.哈尔滨市紫丁香“绿量”的研究[D].哈尔滨：东北农业大学，2003.

[5] 陈自新.北京城市园林绿化生态效益研究[J].中国园林，1998，14（55）：98-100.

[6] 常金宝.干旱半干旱地区工矿城市森林建植技术与生态效益评估研究——以神东煤田及达电厂区绿化为例[D].北京：北京林业大学， 2004.