城市綠地固碳釋氧和降溫增濕功能研究進展

寇思勇

（河北省眾聯能源環保科技有限公司河北石家莊050031）

城市綠地固碳釋氧和降溫增濕功能研究進展

寇思勇

（河北省眾聯能源環保科技有限公司河北石家莊050031）

隨著我國經濟的飛速發展和城市化進程的加劇，霧霾、沙塵、熱島效應等城市環境問題日益顯著，生態系統也遭到嚴重破壞。實踐可知，城市綠地能夠顯著改善城市空氣循環，調節城市熱效應，具有其他基礎設施沒有的綠化功能，因而近年來城市綠地的固碳釋氧和降溫增濕功能日益受到重視。目前國內外學者多關注植物個體水平固碳釋氧和降溫增濕功能的研究，研究方法也有所不同，但基于植物群落總體生態功能的研究并不多見。本文在分析前人相關研究成果的基礎上總結其發展趨勢，為今后研究提供參考。

城市綠地；葉面積指數；固碳釋氧；降溫增濕；光合速率

作為城市生態系統重要組成部分的城市綠地系統，主要由不同規模、不同性質、不同類別的綠地組成，進而形成相對穩定且持續發展的城市綠色環境體系（王保忠,2004）。作為城市生態系統的主要內容之一，城市綠地系統對調節城市空氣，優化城市環境具有重要作用，其生態功能不容忽視。社會經濟的不斷發展，除了提高人民生活質量外，還衍生出一系列環境問題，如水土流失、物種數量遞減、空氣污染以及熱島效應等。人們也越來越意識到，生活質量的提高除了物質提高外，環境質量也應相應提升，因此城市綠地的生態功能也日益受到重視（毛齊正,2012）。從城市生態環境特點出發，進行城市綠地植物的生態功能的定量指標研究和實驗，會為不同城市的綠地規劃及城市森林建設的樹種選擇積累經驗和數據，為政府有關部門在應對新的環境問題時，提出更合理的對策和措施提供有效的參考依據（賈佳,2010）。文章從研究內容、方法和手段以及研究展望等方面對國內外的研究進展進行了綜述。

1　葉面積指數和綠量回歸模型研究

簡單來說，葉面積指數指一平方米土地上所種植物的葉片數量，此數量就是葉覆蓋量的無量綱度量。葉面積指數用于評價綠地本身的生態效益與綠化水平，建立園林植物計算葉面積指數的回歸模型是定量化研究城市園林生態效益的基礎。植被主要靠葉片來發揮生態功能，因而能夠對城市綠地冠層內的許多生物化學過程及綠地生態功能（李海梅，2007；Nowak DJ.1994任海2005）。而葉面積的多少和最大限度地發揮植物的光合效能是衡量綠地生態功能大小的關鍵（陳芳,2006王忠君,2010）。

徐陽等對上海地區黃楊、桂花、廣玉蘭以及香樟的樹高、冠層高、冠幅、胸徑等數據進行了測定和整理，建立了葉面積指數模型并進行了相關分析。陳芳等（2006）對武鋼廠區園林綠地層片結構以及蓋度進行了調查，借助GIS對其綠量進行了定量研究，得出結論：園林綠地的綠量取決于綠地面積、綠地的層片結構、不同層片植物的葉面積指數及其蓋度。黃景云（1996）和戚繼忠（2004）分別對樹干斷面參數和分枝斷面參數與單株葉面積的關系進行了相關性分析，并建立了回歸模型。通過易測的斷面參數利用建立的回歸模型估測總葉面積。鄭金雙等（2001）對茶稈竹林葉面積指數與年齡、胸徑、立竹密度、留枝盤數等因子的相關性進行回歸分析，得出了回歸方程。陳自新等（1998）對北京市常用并具有代表性的37種園林植物的綠量加以考察，并進行分析研究。研究人員經過實地考察，測定了不同園林中的植物，在對植物類別進行分類，將每種植物的葉面與胸徑、冠高或冠幅加以分析，進而建立了計算不同植株個體綠量的回歸模型。

地面葉面積指數測定方法分為直接方法和間接方法。直接方法包括傳統的格點法和方格法、描形稱重法和儀器測定法。直接方法費時費力，現已逐漸不被采用。間接測定方法包括點接觸法、消光系數法和經驗公式法。經驗公式法是通過測量胸徑、樹高、冠層高、冠幅等相關參數建立與葉面積的回歸模型，以此來進行估算。經驗公式法有測量參數容易獲取，對植物破壞性小，效率高等優點，較多被采用（程學武，2010）。

2　城市綠地固碳釋氧和降溫增濕能力研究

城市綠地在改善碳氧平衡、降溫增濕、滯塵降噪、殺菌減菌、及吸收有毒氣體、凈化空氣等很多方面發揮著重要作用，由此可知城市綠地系統能夠調節城市生態環境，是城市未來發展的基礎和不可缺少的重要基礎設施。固碳釋氧和降溫增濕能力是城市綠地生態效益研究的基礎，也是綜合評價園林植物的基礎指標，在調節城市小氣候方面起著尤為重要的作用。因此，固碳釋氧和降溫增濕能力研究日益受到研究者的重視。

2.1定性研究

不同類型綠地在綠量、葉面積指數、構成結構、郁閉度上均有所不同，其降溫增濕和固碳釋氧能力也會不同。喬灌草類型綠地在綠量上較其他類型綠地要高，結構相對復雜，降溫增濕和固碳釋氧能力也更強。

秦俊等(2009)對上海市居住區23種植物群落的降溫增濕效應的觀察結果表明，幾乎一切植物都有降低溫度、增加空氣濕度的功效，但每種植物群落的郁閉度和構成以及類型結構均有所不同，因而其降溫增濕的程度也有所差別。在本次觀測的群落中，針葉林、針闊混交林和竹林的降溫增濕效應最強。張明麗等(2008)對上海市植物群落的研究也表明不同群落之間降溫增濕效果的差異。對結果分析可知，降溫增濕能力大小與群落結構、郁閉度、葉面積指數、植株高矮有關。與秦俊研究結果基本一致。馮義龍等(2008)通過對重慶市主城區綠地中園林植物群落調查及群落內外溫濕度的測定，分析了干擾程度、綠地類型、組成結構及郁閉度與群落降溫增濕能力的關系。研究結果表明，郁閉度(蓋度)越大，受干擾程度越低，增濕降溫效果越好，生態效益越好。

武小鋼等以太原市10個不同特征的城市綠地作為觀測樣本，對以下幾方面進行了研究：即，城市綠的綠量和葉面積指數，以及城市綠地的面積、周長面積比這四個綠地主要特征要素及其綠地調節溫度、增加濕度間的相關性進行了分析。研究結果顯示，如果在同一水平等級，則綠地調節溫度、濕度能力與綠地面積大小、綠量呈反比；如果在垂直水平上，綠地調節溫度、濕度能力與綠量、葉面積指數成正比關系。朱春陽等學者通過研究北京不同寬度帶狀綠地及其對降溫增濕效果的影響，得出以下結論：城市帶狀綠地越寬，其降溫增濕效益越顯著。當城市綠地面積達到整個城市的80%左右時，能充分發揮降溫增濕效應。降溫增濕效應與周長面積比的相關性與武小鋼的研究結果具有一致性（朱春陽，2011）。

國外學者也進行了相關方面的研究。Jauregui通過在雨季和非雨季對墨西哥公園的溫度情況進行研究，得出溫濕季節時，城市綠地的降溫作用比周邊環境溫度降低幅度出現顯著差異，說明，空氣濕度也是影響綠地降溫程度的因素之一。Ca等對日本東京城區某公園草地降溫效應的研究結果表明城市綠地有明顯的降溫效果，且綠地的降溫效果和綠地的面積有著一定關系。Bernatzky于20世紀80年代就發現，城市綠地能夠令空氣中的濕度增加5%至10%。Sevgi和Suleyman等對綠地增濕原因進行了進一步的研究，結果發現綠地的增濕效應主要是源于植被冠層的蒸騰作用。Nowak(2002)等的研究也發現城市綠地固碳釋氧效果受其結構和組成影響。Escobedo等的研究還發現，城市綠地固碳釋氧效應受不同城市環境和城市化類型的影響。

2.2定量研究

降溫增濕和固碳釋氧能力的定量研究能夠更為準確地給綠地建設提供指導，更加明確城市綠地在調節城市溫度與濕度方面作用顯著，同時也是城市綠地生態效益研究的重要內容之一。在同一生長季節（月份），不同物種因生理特性的差異，降溫增濕和固碳釋氧能力有所不同；即使是同一物種，在不同季節（月份）的降溫增濕和固碳釋氧能力也有所差異。

韓煥金等（2007）利用LAC-4型紅外氣體分析系統對哈爾濱市26種主要綠化樹種7月的降溫增濕效應進行了觀測，并對日釋水總量和降溫度數進行了計算。研究顯示，不同類型的植物，其降溫增濕效應有所不同。喬木中，白樺樹日間增濕效果最明顯，樟子松效果最差；小喬木中，文冠果的日間增濕效果最明顯，野梨、稠李效果最差；而大多數灌木的日間水蒸氣蒸發量和吸熱量存在較大差異。廖榮等（2012）對成都市32種立體綠化植物降溫增濕效應進行了定量計算和定性比較。研究結果顯示，四季變化也會對植物降溫增濕效果產生影響，且這種效應有一定規律可循，通常來說，這些樹種的蒸騰作用和降溫效果夏季時表現最為明顯，冬季最不顯著，春季和秋季處于中間水平；而增濕效果則是秋季最明顯，夏季次之，春季和冬季最不顯著。

劉維東等（2012）定量計算了成都25種屋頂綠化木本植物的日釋水量，并對不同物種進行了差異性分析。結果表明：單株植物的葉面積越大，其蒸騰能力越強，降溫增濕效果越明顯。綠葉植物同彩葉植物相比其降溫增濕效果較差，落葉植物則比四季常青植物降溫增濕效果顯著，喬木植物高于灌木，而觀花植物則比觀葉植物效果顯著。李想等（2008）的相關研究表明，彩葉植物比常綠植物的日蒸騰吸熱量與釋水量高出很多，這與劉維東等人的研究結果相一致；在固碳釋氧能力的比較上，彩葉植物較常綠植物要強的多，這可能與彩葉植物中花青苷的含量有關。灌木樹種要顯著高于喬木樹種，這與之前的結果存在差異。可能原因是在自然條件下，大氣顆粒物可能在植物葉片上形成一層物理屏障，使光能利用率降低，從而減弱光合作用。

國外對綠地植物固碳釋氧的定量研究相對較少，主要是對綠地年固碳能力的估算。Mcpherson（1998）托市的城市綠地固碳能力進行了定量估算，得出綠地通過光合作用每年平均可固定CO2約1.2t hm-2a-1。Nowak和Crane（2002）以及Pataki（2006）通過研究美國各州的綠地情況得出，綠地以調節局部溫度、濕度、熱量的方式加快土壤對二氧化碳的吸收，從而預估出城市綠地每年吸收二氧化的總量。

3　手段與方法

植物固碳釋氧能力高低可通過測定其瞬時光合速率來進行比較。通過測定光合作用白天的同化量，由此得出樹種在單位面積內每天排出二氧化碳的量以及釋放氧氣的量。采用光合作用測試儀器能夠得出瞬時光合速率，將其代入當天凈同化量公式可得出植物當天單位面積內的凈同化量。計算公式如下：

P為測定日的單位面積的同化總量，通常以mmol/(m2·d)為單位，Pi表示初測時間點的瞬時光合作用速率，而下一時間點測定的瞬時光合作用速率則用Pi+1表示，Pi和Pi+1都是以μmol/( m·2s)為單位，ti表示初測時間點的瞬時時間，ti+1為下一時間點的

依據下述公式可得出每日二氧化碳質量以及每日釋放氧氣質量以g/(m2·d)。

日固定CO2的質量計算公式為：WCO2=P·44/1000；

日釋放O2的質量計算公式為：WO2=P·32/1000。（趙萱，2009）各樹種日單位面積蒸騰量計算公式：

其中，E代表測試當天的蒸騰總量，以mol/(m·d)為單位；ei表示初測時的瞬時蒸騰作用速率，以ei+1表示下一時間點測定的蒸騰作用速率，均以mmol/(m2·s)為單位；ti為初測時間點的瞬時時間，ti+1為下一時間點的測定時間；j為測試次數。根據下述公式計算日蒸騰量，也就是日增濕量，單位是kg/(m2·d)。

日蒸騰水分質量計算公式為：WH2O=E·18。

水分蒸發吸收熱量的計算公式：Q=WH2O·L·4.18；

式中，Q為單位葉面積每日吸收的熱量，單位為J/(m2·d)；L為蒸發系數，L=597-0.57·T，T為測定日的溫度（佟瀟，2010）。

根據這一公式就能推出植物單位平方米內葉片在測定當天吸收熱量的總量。又因植物蒸騰消耗熱量是取自于周圍1000m3的空氣柱，導致氣柱溫度有所下降。因而氣溫下降值用以下公式表示(韓煥金，2005)。

蒸騰吸熱的氣溫下降值計算公式：△T=Q/PC

其中，△T為下降溫度（℃），PC為空氣容積熱容量，單位為1256J/(m3·h)。

單株植物的日固碳釋氧值可以利用以下公式計算：

式中Y是單株植物的日固碳釋氧值（g），a是單位葉面積日固碳釋氧值（g/m2），c是葉面積指數，d是冠幅（m）。

植物群落的降溫增濕效應多是利用溫濕度計等儀器對所選樣地（含參照樣地）進行測定比較，而后分析不同因素與降溫增濕效應之間的相關性。

方精云等學者通過清查我國森林資源相關資料和文獻，根據當中的生物量實測資料，推出了生物量換算因子法，從而構建了生物量及其與儲蓄量間的關聯性，兩者間的線性關系為：

其中，a是常數，b也是常數；a代表樹干木材生物量及其與林木總生物量的比值，b代表地上或地下部分生物量占林木總生物量的百分比；B表示生物量；V則表示蓄積量。

國家林業行業標準(LY/T1721－2008)“森林生態系統服務功能評估規范”中提供的植被固碳公式為：G植物固碳=1.63R碳AB年式中G植物固碳為植被年固碳量（t·a-1），R碳是CO2碳的含量，為27.27%；A為林分面積（hm2）；B年為林分單位凈生產力（t/hm2·a）。后兩種方法一般用于森林群落固碳量的計算，尚未見用于對城市綠地群落的研究。

4　研究展望

4.1對城市綠地降溫增濕效應的研究主要集中為定性分析比較，多以植物群落為研究基礎，對所選樣地進行溫濕度的實時監測，分析綠地類型、結構、郁閉度等與溫濕差異的關系；而固碳釋氧能力的研究多見于定性計算，常見于以單位面積的光合速率為基礎，進而計算單位面積日同化量和單株日同化量。城市綠地降溫增濕能效應的定量計算和群落固碳釋氧效應的相關研究并不多見。

4.2城市綠地固碳釋氧和降溫增濕功能研究一般有兩種方法：（1）以實測數據為依據的實地采樣法，（2）以GIS為基礎采用定量遙感反演的方法。當前，絕大多數研究均采用實地采樣法開展，尤其是固碳釋氧效應的相關研究；定量遙感反演方法的應用相對較少，主要集中在降溫增濕效應研究。由于遙感影像獲取地表數據更加方便快捷，省時省力等優點，隨著遙感技術的日益成熟，定量遙感反演方法將扮演更重要的角色。

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