农村坑塘沟渠3种优势植物固碳释氧降温增湿能力比较研究

强 昕，刘海荣，孙 艺，齐立海，刘培辉

（1.天津农学院 园艺园林学院，天津 300384；2.天津市园林建设工程监理有限公司，天津 300384；3.天津汇诚园林绿化工程有限公司，天津 300384）

近些年，农村的快速发展导致环境问题日益恶化，人们也逐渐意识到乡村可持续发展的迫切需要。坑塘（包括沟渠，下同）是农村生态的重要组成部分，它既可以是水产养殖的场所，可以是生态润肺的湿地，也可以是美化村庄的风景线。但是如果污染治理不当，也会使坑塘成为农村人居环境的“瘤子”，而且很可能是恶性的[1-2]。绿色植物可以利用光合作用吸收空气中的CO2、释放O2到大气中，从而减轻或消除热岛效应，减少空气污染；还可通过蒸腾作用降低周围空气温度、增加空气湿度，达到降温增湿的目的，改善小气候环境，改善生态环境质量[3-6]。近年来，对园林植物固碳释氧降温增湿的研究主要集中在城市绿化植物群落、植物配置、植物生态效益等方面，常用的研究方法是公式计算和聚类分析。宋卓琴等[7]研究了太原市主要园林植物光合特性指标，并对其单位叶面积固碳释氧降温增湿能力进行初步评估和分类评价。徐冬云等[8]以引种的42种攀缘植物为材料，对光合蒸腾指标进行测定，认为植物对环境的固碳释氧、降温增湿等生态效益主要通过叶片进行光合作用和蒸腾作用来完成，并定量评价其生态效益并进行分类等级。赵萱和李海梅[9]测定了青岛市11种地被植物的光合数据，分析了相关影响因子，研究主要地被植物固碳释氧降温增湿的能力。薛雪等[10]利用Li-6400XT便携式光合仪对上海市6种园林绿化植物进行固碳释氧降温增湿分析，为合理选择城市绿化植物来缓解热岛效应提供合理的选择依据。于雅鑫[11]对长沙市12种木兰科乔木进行景观效果和生态效益的研究，为木兰科植物开发利用和优良品种选择提供理论依据。但是，我国地域辽阔，植物种类丰富多样，而目前针对农村坑塘植物固碳释氧降温增湿能力的研究并不多见。

本研究在前期对天津市西青区大柳滩村振兴大道周边坑塘绿化植物应用现状调查分析的基础上，经查阅资料和实地勘察，选取了应用面积最广的3种优势植物为研究对象，通过运用CIRAS-2便携式光合测定仪对试验植株测定其光合速率和蒸腾速率，分析计算其固碳释氧、降温增湿能力，旨在为北方农村坑塘绿色植物的选择提供一定的参考依据。

1 材料和方法

1.1 试验地点

天津是中国北方最大的沿海城市，位于华北平原北方，是北京通往东北、华东地区铁路的交通枢纽和远洋航运的港口。气候属暖温带半湿润季风性气候，四季气候分明，春季多风，干旱少雨；夏季高温，降雨量多；秋季凉爽，冷暖适中；冬季寒冷，干燥少雪。土壤多为盐碱土。大柳滩村位于天津市西青区杨柳青镇北部，京沪高速、津霸、津同公路临村而过，村内交通便利，地理环境优越，自然资源丰富。

2.2 试验材料

通过前期对大柳滩村振兴大道周围坑塘现有植物种类和生长状况的调查基础上，根据植物出现的频率和重要值等综合特征，选取了应用面积较大的3种优势植物香蒲（Typha orientalis Presl）、芦苇（Phragmites australis）、水蓼（Polygonum hydropiper）作为试验材料。

2.3 试验方法

2019年7月，选择晴朗无风（土壤湿度以干为主）、早晚湿润的天气，在自然光照下、采用CIRAS-2便携式光合测定仪，对植物活体进行连续的日光合速率和日蒸腾速率测定。测定时间段为8：00—17：00，每隔1 h测定1次，每个时间点的测定设定3次重复，共选择3 d进行重复测定。具体操作为每种植物随机选取生长健壮、大小相似的3个叶片进行测定。待系统稳定后，每个叶片取瞬时光合速率值，同时对蒸腾速率、气孔导度、细胞间隙CO2浓度、叶面温度等进行同步测定，3次重复，取平均值。以光合速率值和蒸腾速率值为基础，通过公式定量计算研究3种植物固碳释氧降温增湿能力[2]。

2.4 数据分析

采用SPSS 2018软件对试验数据进行整理分析。

3 结果与分析

3.1 3种植物光合速率日变化比较研究

从图1可以看出，早晨随着光照强度和温度的增加，3种植物的光合速率均逐渐增加。香蒲的净光合速率日变化为双峰曲线，10时净光合速率最大，为10.30 μmol·（m2·s）-1，为最高峰时刻，之后缓慢下降，在13—14时出现低谷；随后继续上升，在16时出现第2个小高峰，为8.27 μmol·（m2·s）-1；随后快速降低，17时降至2.07 μmol·（m2·s）-1。芦苇的净光合速率日变化为单峰曲线，12时净光合速率最大，为18.80 μmol·（m2·s）-1，随后净光合速率缓慢降低，17时降至7.77 μmol·（m2·s）-1。水蓼的净光合速率日变化呈三峰曲线，3个峰值分别出现在11时、13时和15时，分别为17.33 μmol·（m2·s）-1、20.27 μmol·（m2·s）-1和13.33 μmol·（m2·s）-1，13时净光合速率最大。综上，在一日中，水蓼净光合速率较香蒲变化剧烈，香蒲较芦苇变化剧烈。香蒲的净光合速率范围在0.73～10.30 μmol·（m2·s）-1，芦苇的净光合速率范围在7.10～18.80 μmol·（m2·s）-1，水蓼的净光合速率范围在0.33～20.27 μmol·（m2·s）-1。

图1 3种优势植物净光合速率日变化

3种优势植物日平均净光合速率由小到大依次为香蒲6.56 μmol·（m2·s）-1、水蓼9.50 μmol·（m2·s）-1、芦苇12.74 μmol·（m2·s）-1。8时净光合速率值最低。中午12时左右，香蒲、水蓼均出现光合午休现象，原因是中午温度过高，导致植物气孔关闭，CO2浓度降低，光合作用减弱或者停止[12]。不同的植物净光合速率基本表现为上午高于下午，与香蒲和芦苇相比，水蓼一日中的净光合速率变化较大，说明水蓼能够对环境变化作出快速响应，以减少高温及高光照等不利条件对其造成的伤害，植物的这种日净光合速率变化规律将直接影响他们的固碳释氧能力[13]。

3.2 3种植物蒸腾速率日变化比较研究

从图2可以看出，香蒲的蒸腾速率日变化呈双峰曲线，峰值分别出现在10时和15时，分别为10.63 mmol·（m2·s）-1和6.43 mmol·（m2·s）-1，10时蒸腾速率最高，12—15时维持相对平稳的状态，17时降至5.13 mmol·（m2·s）-1。芦苇的蒸腾速率日变化呈单峰曲线，峰值出现在13时，为10.17 mmol·（m2·s）-1，随后略有下降，到17时降至4.53 mmol·（m2·s）-1。水蓼的蒸腾速率日变化呈三峰曲线，3个峰值分别出现在10时、12时和15时，分别为21.30 mmol·（m2·s）-1、20.07 mmol·（m2·s）-1和20.53 mmol·（m2·s）-1，最高峰出现在10时。总之，水蓼在一日中蒸腾速率日变化最为剧烈，3种优势植物日平均蒸腾速率由大到小依次为水蓼为16.23 mmol·（m2·s）-1、芦苇6.43 mmol·（m2·s）-1、香蒲6.29 mmol·（m2·s）-1，在一日中蒸腾速率最低值均出现在8时。水蓼的蒸腾速率变化范围是9.83～1.30 mmol·（m2·s）-1；芦苇蒸腾速率变化范围是2.63～10.17 mmol·（m2·s）-1；香蒲蒸腾速率变化范围是3.00～10.63 mmol·（m2·s）-1。

图2 3种优势植物蒸腾速率日变化

3.3 3种植物固碳释氧能力比较研究

植物固碳释氧能力依赖光合作用来完成，光合作用强弱与固碳释氧能力成正相关。植物固碳释氧量可根据净光合速率得出。不同植物的固碳释氧量是不同的，所测的3种优势植物的日固碳释氧量见表1。

表1 3种植物固碳释氧量

从表1可以看出，香蒲日光合总量为230.88 mmol·（m2·d）-1，固碳量为10.16 g·（m2·d）-1，释氧量为7.16 g·（m2·d）-1；芦苇日光合总量为431.76 mmol·（m2·d）-1，固碳量为19.00 g·（m2·d）-1，释氧量为13.38 g·（m2·d）-1；水蓼日光合总量为331.02 mmol·（m2·d）-1，固碳量为14.56 g·（m2·d）-1，释 氧 量 为10.26 g·（m2·d）-1。香蒲和芦苇的固碳量、释氧量在0.05水平上差异显著；香蒲和水蓼的固碳量、释氧量在0.05水平上差异不显著；芦苇和水蓼的固碳量、释氧量在0.05水平上差异不显著。3种优势植物中日光合总量由大到小依次为芦苇431.76 mmol·（m2·d）-1、水 蓼331.02 mmol·（m2·d）-1、香 蒲230.88 mmol·（m2·d）-1。固碳量从大到小为芦苇19.00 g·（m2·d）-1、水蓼14.56 g·（m2·d）-1、香蒲10.16 g·（m2·d）-1。释氧量从大到小分别为芦苇13.38 g·（m2·d）-1、水蓼10.26 g·（m2·d）-1、香蒲7.16 g·（m2·d）-1。芦苇和香蒲日固碳释氧量相差约1.87倍。3种植物日光合总量范围在230.88～431.76 mmol·（m2·d）-1、日固碳量范围在10.16～19.00 g·（m2·d）-1、日释氧量范围在7.16～13.38 g·（m2·d）-1。可见，坑塘中不同的植物种类，其固碳释氧量存在一定差异，原因可能与叶片接受光照的多少及叶片的结构有关[14]。故在坑塘绿化建设中，在同等舒适怡人的景观环境下，应优先推广固碳释氧能力较强的植物。

3.4 3种植物降温增湿能力比较研究

植物在进行光合作用的过程中，会生成一部分水，蒸发并释放到周围的大气环境中，在此过程中，蒸发会吸收环境中的一部分热量，进而降低局部温度，增加空气湿度，改善周围的小气候。这也就是植物在环境中所起的降温增湿作用的基本原理[15]。不同植物降温增湿效应是不同的，以蒸腾速率日变化曲线为基础，计算出植物的降温量和增湿量，所测的3种优势植物降温增湿能力见表2。

表2 3种植物降温增湿量

从表2可以看出，香蒲的日蒸腾总量为228.88 mol·（m2·d）-1，降温量为0.88 ℃，增湿量为13.64%；芦苇的日蒸腾总量为236.92 mol·（m2·d）-1，降温量为0.91 ℃，增湿量为14.12%；水蓼的日蒸腾总量为578.80 mol·（m2·d）-1，降温量为2.23 ℃，增湿量为34.50%。香蒲和芦苇的降温量、增湿量在0.05水平上差异不显著；香蒲和水蓼的降温量、增湿量在0.05水平上差异显著；芦苇和水蓼的降温量、增湿量在0.05水平上差异显著；3种优势植物中，日蒸腾总量从大到小为水蓼578.80 mol·（m2·d）-1、芦苇236.92 mol·（m2·d）-1、香蒲228.88 mol·（m2·d）-1。降温量由大到小依次为水蓼2.23 ℃、芦苇0.91 ℃、香蒲0.88 ℃。增湿量分别是水蓼34.50%、芦苇14.12%、香蒲13.64%。水蓼和香蒲降温增湿量相差约2.52倍。参试植物日蒸腾总量范围在228.88～578.80 mol·（m2·d）-1、降温量范围在0.88～2.23 ℃、增湿量范围在13.64%～34.50%。

综上，在坑塘绿地环境中，应选择增湿能力较强的植物进行植物景观配置，既实现美化环境，同时也增加了局部小气候的湿度[16]。

4 讨论

植物种类和外界环境条件是植物固碳释氧和降温增湿能力的主要影响因子。当外界环境因素相同时，主要与植物种类有关。本试验数据表明，香蒲、芦苇的净光合速率日变化为双峰、单峰曲线，10时是香蒲的最大峰值，为10.30 μmol·m-2·s-1，12时是芦苇的最大峰值，为18.80 μmol·m-2·s-1。水蓼的净光合速率日变化曲线为三峰曲线，最大峰值出现在13时，为20.27 μmol·m-2·s-1。香蒲和水蓼蒸腾速率日变化为双峰、三峰曲线，最大峰值均出现在10时，分别为10.63 mmol·m-2·s-1、21.3 mmol·m-2·s-1，芦苇蒸腾速率日变化为单峰曲线,最大峰值出现在13时，其值为10.17 mmol·m-2·s-1。

本研究中，日光合总量由大到小为芦苇、水蓼、香蒲，固碳释氧量由大到小也为芦苇、水蓼、香蒲；日蒸腾总量由大到小为水蓼、芦苇、香蒲，降温增湿量由大到小也为水蓼、芦苇、香蒲。这与植物光合速率越高、固碳释氧能力越强，蒸腾速率越高，降温增湿能力越强的结论是一致的。

从本试验结果可以看出，在一天中同一株植物的净光合速率、蒸腾速率在不同时刻的值存在差异，其随着气温和光照强度变化而上下浮动，这与康红梅等[17]的研究结果一致。绿色植物的固碳释氧效应源于植物叶片的光合作用，降温增湿效应源于叶片的蒸腾作用，故植物的固碳释氧降温增湿能力也随着温度和光强的变化而波动。

5 结 论

本研究利用便携式光合测定仪，在自然条件下对3种优势植物进行净光合速率和蒸腾速率的测定，研究其固碳释氧降温增湿能力，得出以下结论：

香蒲、芦苇、水蓼净光合速率日变化曲线分别为双峰、单峰、三峰，最大值分别出现在10时、12时、13时，其值分别是10.3 μmol·（m2·s）-1、18.8 μmol·（m2·s）-1、20.27 μmol·（m2·s）-1。香蒲、芦苇、水蓼蒸腾速率日变化曲线分别为双峰、单峰、三峰，最大值分别出现在10时、13时、10时，其值分别是10.63 mmol·（m2·s）-1、10.17 mmol·（m2·s）-1、21.3 mmol·（m2·s）-1。

日平均光合总量由大到小依次为芦苇431.76 mmol·（m2·d）-1、水蓼331.02 mmol·（m2·d）-1、香蒲230.88 mmol·（m2·d）-1。日平均蒸腾总量由大到小依次为水蓼578.80 mol·（m2·d）-1、芦苇236.92 mol·（m2·d）-1、香蒲228.88 mol·（m2·d）-1。

在相同条件下，固碳释氧能力由大到小依次为芦苇、水蓼、香蒲，其中固碳量分别为19.00 g·（m2·d）-1、14.56 g·（m2·d）-1、10.16 g·（m2·d）-1，释氧量分别为13.38 g·（m2·d）-1、10.26 g·（m2·d）-1、7.16 g·（m2·d）-1，芦苇的固碳释氧能力是香蒲的1.87倍。

在相同条件下，降温增湿效应由大到小依次为水蓼、芦苇、香蒲，其中降温量分别为2.23 ℃，0.91 ℃和0.88 ℃，增湿量分别为34.50%，14.12%和13.64%，水蓼的降温增湿能力是香蒲的2.52倍。

无论是固碳释氧能力还是降温增湿能力最弱的均为香蒲。

综上，由于不同植物的生理特性不同，因此植物的固碳释氧、降温增湿的能力也不一致[18]。建议在农村坑塘绿化植物选择中，可优先选用蒸腾速率和光合速率较大的植物，而对于蒸腾速率和光合速率较小的植物，可作为点缀少量栽植。

本研究仅限于对单株植物单位叶面积的蒸腾能力和光合能力的测定，在进行植物配置设计时，还需进一步研究整株的蒸腾能力和光合能力，从而针对植物群落的整体固碳释氧、降温增湿效应进行分析计算；本试验仅测定了3种优势植物的固碳释氧、降温增湿能力以及细胞间隙CO2浓度、气孔导度、叶面温度等光合指标，并未对农村坑塘绿化的重要内容如植株的涵养水源、调节小气候环境、吸附粉尘等指标进行测定。本研究仅针对北方农村坑塘沟渠3种优势植物为试验材料，研究其固碳释氧、降温增湿的能力，由于受到样本数量的限制，因此其生态效益评估可能存在一定的误差，今后还应该大量取样，选择更为丰富的植物群落，综合考虑绿量等因素的影响，才能更好地为北方农村坑塘绿色植物的选择提供充分的数据参考和理论依据。