基于热岛改善的16 种园林植物生态效益研究

王月容 丛日晨 金 鑫

（北京市园林科学研究院， 园林绿地生态功能评价与调控技术北京市重点实验室， 北京 100102）

城市园林绿地系统是城市生态系统的重要组成部分，在美化城市面貌、保护城市生存环境、维持城市生态平衡方面起着积极作用。 城市绿化建设是改善城市生态环境与缓解城市热岛效应最直接和最有效途径。大量研究表明：城市绿化覆盖率与热岛强度成反比，绿化覆盖率越高，则热岛强度越低，当一个区域绿化覆盖率达到或大于30%时，绿地对城市热岛有较明显的削弱作用，覆盖率大于50%，绿地对城市热岛的削减作用极其明显[1-2]。 城市绿地基于自身所固有的固碳释氧、增湿降温等生态功能，可以改善城市局部微气候并提高环境舒适度，从而最大限度的满足人居环境的需要[3-10]。 因此，在进行园林绿地建设中，园林树种的选择与配置，不但应考虑美学中有关色彩和季相、层次和意境等问题，还应考虑植物的生物学特性、生态习性。因此本研究基于植物生态功能与光合作用的密切关系，通过光合作用测定仪平台，测定分析不同园林植物光合作用特性，定量评估不同园林植物的固碳释氧、蒸腾吸热生态功能，进而了解不同植物在改善生态功能方面的能力差异，旨在为绿地建设过程中合理配置与选择利用园林植物，改善热岛、改善人居环境，提高城市生态环境质量等方面提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

在对北京城市多种绿地中优势树种抽样调查的基础上，根据平均树高、胸径等规格特征，在北京市园林科学研究院及周边小区内选择具有代表性的国槐、银杏、油松等16 种常见的优势的园林绿化植物作为试验材料，试验材料均选自于绿地群落中根系完整、生长良好、大小基本一致、无病虫害的，无特殊园林管理养护。 具体实验材料特征见表1 所示。

1.2 试验方法

1.2.1 测定方法

仪器：美国LI-COR 公司生产的LI-6400XT 便携式光合测定仪；

测定指标：光合速率（Pn）、蒸腾速率（E）、叶片气孔导度（C）、胞间CO2浓度（IntCO2）；

取样方法：每种植物选取2 株标准木，每株选取3 枚生长良好、无病虫害的新叶，每枚叶片测定3 次取平均值；

测定时间：2017 年6 至7 月底，选择晴朗、无风天气，在自然光照条件下，在室外进行活体测定，具体日期分别是6 月14 日、6 月26 日、7 月17 日、7月31 日四天。 从早8∶00 到晚期18∶00，每隔两个小时测定一次。

表1 16 种园林植物试验材料

1.2.2 环境因子的测定

本研究使用手持式气象站Kestrel-4500 袖珍式气象测量仪和LI-6400 便携式光合作用系统同步测定，同时记录大气温度、空气湿度、光合有效辐射、大气CO2浓度、大气水气压差等环境因子。

1.2.3 释氧量、固碳量的计算

CO2也是“温室效应”气体。 它的增加会引起城市局部地区的升温，产生“热岛效应”。园林植物通过光合作用吸收CO2，释放如O2，从而降低了环境中的CO2浓度，补充了O2，从而保持了大气中的碳氧平衡。 由植物叶片净光合速率日变化可知日平均净光合速率，可估算单位面积叶片每日所吸收的CO2量和释放的O2量。 计算公式[11]：

P=日平均净光合速率（μmolCO2m-2S-1）×光合时间（12 小时）×3600（s）×10-6

其中，P 为日同化总量，单位：（molm-2d-1）；Wco2为单位面积叶片日固定CO2的质量，单位：（gm-2d-1），44 是CO2的摩尔质量；Wo2为单位面积叶片日释放O2的质量，单位：（gm-2d-1），32 是O2的摩尔质量。

1.3.2 降温增湿功能的量化计算

植物经过蒸腾作用，向环境中散失水分，增加了空气湿度。 液态的水由植物叶片的气孔和角质层以气态形式散发到空气中，同时需要大量的从周围环境中吸热，这样可以降低周围的温度。这种增湿降温作用特别是在炎热的夏季，能提高城市居民生活环境舒适度，对改善城市小气候条件有非常大的作用。通常用树木的单位面积日释放水的质量（WH2O）作为增湿功能的指标； 用树木的单位面积日吸收的热量（Q）作为降温功能的指标，对16 种园林树种进行比较。 计算公式[11]：

E=日平均蒸腾速率（mmolH2Om-2s-1）×光合时间（12 小时）×3600（s）×10-3

其中E 为测定日蒸腾量，单位：（molm-2d-1）；WH2O 为单位面积叶片日释放水的质量，单位：（gm-2d-1），18 是H2O 的摩尔质量。

计算公式：Q= WH2O×L×4.18 L=597－0.57×T

其中：Q 为单位叶面积日吸收的热量，单位是：Jm-2d-1；L 为蒸发耗热系数；T 为叶面温度。

1.3 数据处理

将LI-6400XT 系统测定的数据卸载到电脑中，所有数据用SPSS、EXCEL 分析软件整理，并进行作图及统计分析。

2 结果与分析

2.1 16 种园林植物的光合特性分析

叶片光合速率的日变化，反映出一天中光合作用的时间持续能力。 由于影响光合作用的主要环境因子（光照、温度、湿度等）在一天中呈现明显的日变化，因此光合作用也呈现出各种日变化规律。图1 所示为毛白杨、国槐、鹅掌秋等16 种园林树种净光合速率的日变化特征曲线。由图l 可知，雪松、油松、垂柳等树种的光合速率的日变化均表现为单峰曲线。但最高峰的出现时间不一样，毛白杨、国槐、流苏、垂柳、雪松等的最大峰值出现在10∶00 前后，白蜡、栾树、元宝枫、油松等树种的最大峰值出现在为午前高峰型12∶00 前后。而榆树的最大峰值出现在14∶00 前后，为午后高峰型。 16 种园林树种净光合速率域值在（4.10-10.16）umolm-2s-1，具体单位面积的日平均净光合速率排序为臭椿＞国槐＞毛白杨＞栾树＞榆树＞白蜡＞流苏＞鹅掌秋＞元宝枫＞油松＞雪松＞白玉兰＞垂柳＞银杏、白皮松、桧柏。 总体上落叶阔叶树种的日匀净光合速率比针叶树种高。

叶片的蒸腾作用在一天中随时间的推移而变化，这不仅取决于树种，而且与叶片和个体发育年龄，特别是生理过程和昼夜节律等相关，同时受到外界环境条件的影响[3]。 由图2 可知，蒸腾速率的日变化。 臭椿、栾树等大部分树种呈单峰曲线变化，少数如国槐、白皮松等树种的的蒸腾速率的日变化呈双峰曲线。 等大部分树种，早晨随着太阳的升起，蒸腾速率升高，一般在10 点左右达到最高峰值，随着光照的增强，呈下降趋势，14 点左右又达到另一小峰值。此后随着光强的减弱，植物的蒸腾速率也开始下降。到傍晚时下降的一个较低的水平。蒸腾速率域值在（1.05-3.46）mmolm-2s-1。具体单位面积的日平均蒸腾速率排序为臭椿＞国槐＞毛白杨＞白蜡、栾树＞榆树＞油松＞雪松＞流苏＞元宝枫＞白皮松＞鹅掌秋＞垂柳＞白玉兰＞桧柏＞银杏。

2.2.2 环境因子分析

图1 16 种园林树种净光合速率日变化特征

图2 16 种园林树种蒸腾速率日变化特征

图3 大气温度、大气湿度、CO2 浓度日变化特征

图3所示的是大气温度、空气湿度、大气CO2浓度在6、7 月份的日变化。 测定的位置均选在被测植株所在的绿地内，有充分光照处，真实的反映了绿地内的一些环境因子的变化。 由图2 可知，大气温度，空气湿度、大气CO2浓度的变化的趋势有所不同，这更印证了植物改善小气候的作用。 气温在不同月份10 点或16 点左右最高，呈明显的波峰波谷变化趋势。 湿度一般在下午2 点最低，但总体趋势比较平滑，当然不同月份的趋势有有所不同，6 月份气温高，湿度低，但不同时段内相差较大。 CO2浓度的变化出现在10 点或14 点左右最高，不是在12 点最高，而是提前或拖后，它与温度变化密切相关。因此，温度是影响植物光合特性的主导因子。

2.2.3 生态效益分析

16 种常见的园林植物在相同的环境条件下的固碳释氧生态效益如表2 所示。 在相同的湿度、湿度、大气CO2、浓度、一定的情况下，毛白杨、国槐、银杏、海棠、碧桃、白蜡、垂柳、油松等大多数树种的单位时间单位面积内和单株的固碳释氧量都不一样，但比较来说， 单位时间单位面积内的固碳释氧量臭椿最高，白皮松最低，分别是（19.30gm-2d-1，14.04 gm-2d-1）和（19.30gm-2d-1，14.04gm-2d-1）。 按树种同规格的25cm 胸径单株来计算绿量，白蜡最高，油松最弱，分别是（5396.75g/株·d，3924.91g/株·d）和（1484.40 g/株·d，1079.56g/株·d），其日固碳量与日释放氧气量排序均为白蜡＞国槐＞臭椿＞栾树＞鹅掌秋＞榆树＞雪松＞流苏＞毛白杨＞白皮松＞白玉兰＞元宝枫＞垂柳＞桧柏＞银杏＞油松。 总体上看，阔叶树种的固碳释氧生态效益比针叶树好。

通常用树木的单位面积日释放水的质量（WH2O）作为增湿功能的指标，用树木的单位面积日吸收的热量（Q）作为降温功能的指标，通过科学有效的方法评估园林植物的降温增湿功能，有利于选择更好树种，营造生态效益高的园林绿地。 表3 是对16 种园林树种夏季的降温增湿功能存在差异进行比较。由表3 可知，16 种树种单位时间内单位叶面积日蒸腾量各不相同，臭椿最高149.44mol m-2d-1，最小的为银杏45.16 mol m-2d-1。按树种同规格的25cm 胸径单株来计算绿量，释水量吸热量白蜡最高，银杏最弱，分别是（852.50kg/株·d，2063044.89kj/株·d）和（167.17 kg/株·d，404527.26kj/株·d），其日释水量与吸热量排序均为白蜡＞国槐＞臭椿＞雪松＞栾树＞榆树＞白皮松＞流苏＞毛白杨＞鹅掌秋＞垂柳＞元宝枫＞白玉兰＞油松＞桧柏＞银杏。

表2 16 种园林树种固碳释氧生态效益

表3 16 种园林树种降温增湿生态效益

3 结论与讨论

基于相同环境条件下的16 种园林植物的光合速率、蒸腾速率的测定的基础下，定量进行单位时间单位叶面积内及单株植物的固碳释氧、蒸腾释水放热的生态效益评估，其温度变化对植物的光合特性和生态效益发挥具有主导作用，湿度变化不明显，并且表现出以下特征：

（1）16 种园林树种净光合速率日平均域值为（4.10-10.16）umolm-2s-1，具体单位面积的日平均净光合速率排序为臭椿＞国槐＞毛白杨＞栾树＞榆树＞白蜡＞流苏＞鹅掌秋＞元宝枫＞油松＞雪松＞白玉兰＞垂柳＞银杏、白皮松、桧柏。 总体上落叶阔叶树种的日匀净光合速率比针叶树种高。

（2）16 种园林植物的日均蒸腾速率域值为（1.05-3.46）mmolm-2s-1。具体单位面积的日平均蒸腾速率排序为臭椿＞国槐＞毛白杨＞白蜡、栾树＞榆树＞油松＞雪松＞流苏＞元宝枫＞白皮松＞鹅掌秋＞垂柳＞白玉兰＞桧柏＞银杏。

（3）综合上述研究结果，按树种同规格的25cm胸径单株来计算绿量，16 种园林植物中，按日固碳量、释水量及吸热量高至低的植物排序为：白蜡＞国槐＞臭椿＞雪松＞栾树＞榆树＞白皮松＞流苏＞毛白杨＞鹅掌秋＞垂柳＞元宝枫＞白玉兰＞油松＞桧柏＞银杏。因此从改善城市热岛效应、改善人居环境方面，绿地建设过程中应科学与合理的选择利用以上园林植物的生物学特性。

在自然条件下，植物的光合特性受生态环境中诸多的生态因子影响，是一个非常复杂的问题[11，13]，只有通过大量定量的试验研究才能说明影响因子与光合特性之间的关系。 由于受仪器设备和测定时间的限制，本研究只是对16 种常见的乔木园林树种在夏季相同环境条件下的光合特性进行了研究，由于试验树种的样本数量有限，再加上室外开放式的实验操作难度较大，其生态效益评估数据结果必然存在一定的误差，因此，今后还应选取大量的样本数和分季节性地进行研究，以便更好地为城市园林绿化的树种选择与配置提供更为充分的试验数据和理论指导，并最终为城市热岛改善与环境舒适度提升的绿地建设技术提供依据与参考。