簡式屋頂綠化植物固碳釋氧效益比較

莫惠芝+殷金巖+許建新

摘 要：屋頂綠化近年來發展非常迅速，市場接受面越來越廣，但關于屋頂綠化生態效益定量化研究較少。比較研究了14種簡式屋頂綠化植物單位綠化面積和單位生物量的固碳釋氧效益，以期了解不同屋頂綠化植物對人居環境的改良作用，為屋頂綠化植物配置提供參考依據。結果表明，單位綠化面積的大花馬齒莧、毛馬齒莧、紫竹梅、錦繡莧和蘚狀景天具有很好的固碳釋氧效益，固碳量分別為13.75，13.64，12.33，11.15，10.62 g·m-2·d-1，釋氧量分別為10.00，9.92，8.97，8.11，7.72 g·m-2·d-1；單位生物量的蘚狀景天、費菜、錦繡莧、垂盆草和紫竹梅的固碳釋氧效益較好，固碳量分別為72.50，65.76，61.17，58.39，48.08 g·kg-1·d-1，釋氧量分別為52.73，47.83，44.50，42.46，34.97 g·kg-1·d-1。高效益植物的選擇及合理密植，是提高屋頂綠化固碳釋氧效益的重要措施。蘚狀景天、錦繡莧和紫竹梅是屋頂綠化植物配置較好的選擇，其次是大花馬齒莧及毛馬齒莧，玉吊鐘固碳釋氧效益最差，不應用于屋頂綠化。

關鍵詞：屋頂綠化；生態效益；CO2通量；固碳釋氧

中圖分類號：S731.5 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.09.022

Abstract：Roof greening was developing rapidly in recent years， and was becoming more and more popular in the market. But there were less researches about ecological effects of green roof. Study on the capabilities of 14 green roof plants on carbon sequestration and oxygen release per unit of green area and biomass， was to realize the improvement of living environment by different green roof plants， and to provide a reference for the configuration of green roof plants. The results showed that Portulaca grandiflora， Portulaca oleracea， Setcreasea purpurea， Alternanthera bettzickiana， Sedum polytrichoides had better capabilities of carbon sequestration and oxygen release per unit of green area. The daily amounts of carbon sequestration were 13.75， 13.64， 12.33， 11.15， 10.62 g·m-2·d-1， respectively， while oxygen release were 10.00， 9.92， 8.97， 8.11， 7.72 g·m-2·d-1， respectively. Sedum polytrichoides， Sedum kamtschaticum， Alternanthera bettzickiana， Sedum sarmentosum， Setcreasea purpurea were better per unit of biomass. The daily amounts of carbon sequestration were 72.50， 65.76， 61.17， 58.39， 48.08 g·kg-1·d-1， respectively， while oxygen release were 52.73， 47.83， 44.50， 42.46， 34.97 g·kg-1·d-1， respectively. Selection of high benefits plants with reasonable density， was the important measures to enhance the capabilities of carbon sequestration and oxygen release of green roof. Sedum polytrichoides， Alternanthera bettzickiana and Setcreasea purpurea were the best choice to green roof， and Portulaca grandiflora and Portulaca oleracea were secondary. With the worst capability of carbon sequestration and oxygen release， Kalanchce fedtschenkoi 'Rosy Dawn' was not suitable for the green roof.

Key words： green roof； ecological effects； CO2 flux； carbon sequestration and oxygen release

屋頂綠化是指在建筑物、構筑物的頂部、天臺、露臺之上進行的綠化和造園的一種綠化形式[1]，是城市立體綠化的重要方式之一。根據選用植物類型和設計復雜程度，屋頂綠化分為花園式屋頂綠化和簡式屋頂綠化。與植物層次豐富的花園式屋頂綠化相比，簡式屋頂綠化主要以草坪、景天科等抗性較強的地被植物進行綠化，具有造價低、維護簡易等特點，應用范圍更廣。較多研究表明，屋頂綠化具有固碳釋氧、降溫增濕、減噪隔音、凈化除塵、截留雨水等生態功能[2]。其中，以降溫增濕效應[3-6]和截留雨水[7-8]的研究居多，而關于屋頂綠化固碳釋氧效益的研究較少。在僅有的少量關于屋頂綠化固碳釋氧的研究報道中，以花園式屋頂綠化的研究較多[2，9-10]，簡式屋頂綠化較少。李輝等[11]采用國產CXH-05便攜式紅外線CO2分析儀定量評估了草坪型綠地的固碳釋氧效應；陳愛葵等[12]對屋頂綠化碳固定潛力進行了研究。繼續開展探討簡式屋頂綠化植物固碳釋氧效益的研究很有必要。endprint

植物最重要的功能之一是通過光合作用固碳釋氧，通過吸收空氣中的CO2在一定程度上減弱溫室效應[13]。本研究對14種常用簡式屋頂綠化植物進行了固碳釋氧效益的定量測量與分析，旨在豐富目前屋頂綠化生態效益研究數據，并為簡單式屋頂綠化植物的選擇與配置提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本研究以14種常用簡式屋頂綠化植物為試驗材料（表1），其中，莧科植物1種，鴨跖草科植物3種，馬齒莧科植物2種，景天科植物8種。

1.2 試驗方法

試驗在東莞市鐵漢生態旅游開發有限公司中心實驗室樓頂進行。于2015年9月5日，將試驗植物分別按模塊式屋頂綠化建設要求，扦插栽植于尺寸為40 cm（長）×40 cm（寬）×10 cm（高）的種植模塊中，每個種植模塊栽植一種植物，使覆蓋度達90%；常規管理40 d，待植物生根長葉，覆蓋率達100%后，對植物進行CO2通量日變化和生物量的測量。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 CO2 通量日變化的測量 選擇天氣晴朗的白天，從8：00—18：00每隔2 h用EGM-4 環境氣體監測儀連接CPY-4 氣體同化室覆蓋于植物綠化表面，測量植物CO2通量，每種植物3個重復。

1.3.2 生物量的測量 待CO2通量日變化的測量結束后，將同化室覆蓋面積處的植物地上部分收集于牛皮紙信封中置于85 ℃的烘箱中烘干，稱取植物干質量，計算單位綠化面積的生物量。

1.3.3 固碳釋氧量計算 參考李輝等[14]的方法并根據實際情況進行適當修改，計算植物的日固碳釋氧量。

1.4 數據分析

使用Excel 2013進行數據的統計分析及圖表制作，采用SPSS 19.0進行單因素方差分析（one-way ANOVA），通過Post-Hoc多重比較Tukey檢驗進行植物物種間差異性分析。

2 結果與分析

2.1 14種簡式屋頂綠化植物單位綠化面積CO2通量日變化特征

光合有效輻射（PAR）和溫度是影響CO2通量的重要環境因子[15]。對光合有效輻射和溫度的測量結果表明，測量日為10月中旬，PAR值較夏季低，介于0～1 063 μmol·m-2·s-1，從8：00開始隨時間的推移逐漸增大，在12：00達到最大值，之后逐漸減小，日落時間為17：45，18：00的PAR值為0 μmol·m-2·s-1。測量日溫度介于28.64～38.86 ℃，溫度的變化與PAR值呈正相關，最高溫度出現在12：00，最低溫度出現在18：00（圖1）。

CO2 通量是指一定時間內通過一定面積的CO2 的量，該值為正值時說明植物呼吸速率大于光合速率，植物吸收O2放出CO2；為負值時說明植物光合速率大于呼吸速率，植物吸收CO2放出O2。對14種簡式屋頂綠化植物進行CO2 通量日變化的測量結果表明，不同植物在不同時間點的CO2通量存在較大差異（圖2），其中，玉吊鐘的CO2通量值在任何測量時間點均為正值，表明植物在白天處于吸收O2放出CO2狀態，其CO2通量值與PAR值呈正相關，PAR值越大，CO2通量值越大；其余13種植物在18：00之前，CO2通量值均為負值，18：00植物的CO2通量值為正值；洋竹草、金葉佛甲草、鋪地錦竹草、蘚狀景天、垂盆草和八寶景天在8：00時CO2通量值最小，表明植物此時的光合作用最強，吸收的CO2量最多；錦繡莧、毛馬齒莧、紫竹梅和綠景天的CO2通量的最小值出現在10：00，說明植物在10：00時的光合作用最強；落地生根、費菜和大花馬齒莧的CO2通量的最小值在14：00，說明此時植物的光合作用最強。

2.2 14種簡式屋頂綠化植物單位綠化面積的日固碳釋氧量

14種簡式屋頂綠化植物單位綠化面積日固碳釋氧量的計算結果表明，不同植物的日固碳釋氧量的差異較大（表2）。同屬馬齒莧科的大花馬齒莧和毛馬齒莧的日固碳釋氧量均大于其他科植物，大花馬齒莧的日固碳釋氧量最大，單位綠化面積的日固碳量為13.75 g·d-1，日釋氧量為10.00 g·d-1；單位綠化面積毛馬齒莧的固碳量為13.64 g·d-1，釋氧量為9.92 g·d-1。鴨跖草科的紫竹梅第三，單位綠化面積的日固碳量為12.33 g·d-1，日釋氧量為8.97 g·d-1。與紫竹梅同科但不同屬的鋪地錦竹草和洋竹草的固碳釋氧量較少，鋪地錦竹草的日固碳量為4.09 g·m-2·d-1；日釋氧量為2.98 g·m-2·d-1；洋竹草的日固碳量為3.79 g·m-2·d-1；釋氧量為2.76 g·m-2·d-1。單位綠化面積的玉吊鐘日固碳釋氧效益最差，每天放出4.84 g的CO2，吸收3.52 g的O2。14種植物單位綠化面積固碳釋氧效益大小順序排列為大花馬齒莧>毛馬齒莧>紫竹梅>錦繡莧>蘚狀景天>費菜>落地生根>垂盆草>八寶景天>金葉佛甲草>綠景天>鋪地錦竹草>洋竹草>玉吊鐘。

2.3 14種簡式屋頂綠化植物單位生物量的日固碳釋氧量

測定一種植物的生物量，對于評價該植物的生產力及提高養護管理水平和充分發揮植物綜合效益有著重要意義[16]。本研究對14種簡式屋頂綠化植物進行了單位綠化面積生物量的測量，結果表明，玉吊鐘生物量最大，為528.82 g·m-2；其次是大花馬齒莧，單位綠化面積的生物量有481.18 g·m-2；毛馬齒莧第3，生物量為335.54 g·m-2；垂盆草的生物量最低，為109.3 g·m-2（表3）。對各種植物單位生物量的固碳釋氧量進行了計算，結果表明單位生物量的蘚狀景天日固碳釋氧量最大，其固碳量為72.50 g·kg-1·d-1，釋氧量為52.73 g·kg-1·d-1。其次是費菜，固碳量為65.76 g·kg-1·d-1，釋氧量為47.83 g·kg-1·d-1；錦繡莧第3，固碳釋氧量分別為61.19，44.50 g·kg-1·d-1。玉吊鐘白天吸收O2并放出CO2，每千克干質量的玉吊鐘每天放出CO2 9.18 g，吸收O2 6.68 g（表4）。14種植物單位生物量的固碳釋氧效益大小順序排列為蘚狀景天>費菜>錦繡莧>垂盆草>紫竹梅>八寶景天>毛馬齒莧>綠景天>金葉佛甲草>洋竹草>大花馬齒莧>落地生根>玉吊鐘。endprint

3 結論與討論

3.1 14種簡式屋頂綠化植物固碳釋氧效益評價

陳愛葵等[12]使用CPY-4和EGM-4進行屋頂綠化碳固定潛力研究，但其僅在10：00—11：00進行了5 min的連續監測，其結果僅反映植物在測量時間段的CO2通量。然而，CO2通量受溫度和光強影響，隨時間變化對CO2通量日變化進行測量，才能更準確地計算CO2通量的日固定量。本研究對14種簡式屋頂綠化植物進行CO2通量日變化的測量，并計算日固碳釋氧量，結果表明，單位綠化面積大花馬齒莧、毛馬齒莧、紫竹梅、錦繡莧和蘚狀景天具有較好的固碳釋氧效益，而單位生物量的蘚狀景天、費菜、錦繡莧、垂盆草和紫竹梅的固碳釋氧效益較好，單位綠化面積的玉吊鐘、大花馬齒莧、毛馬齒莧及落地生根具有較大的生物量。屋頂綠化植物單位綠化面積的固碳釋氧效益是植物自身的固碳釋氧能力及單位綠化面積植物生物量的綜合結果。玉吊鐘和落地生根生物量較大，但其自身的固碳釋氧效益小，導致其單位綠化面積的固碳釋氧效益也??；而大花馬齒莧及毛馬齒莧雖然單位生物量固碳釋氧效益并非最佳，但生物量較大，從而其單位綠化面積的固碳釋氧效益也大。因此，高效益植物的選擇及適當的密植，是充分展現簡式屋頂綠化固碳釋氧效益的重要措施。本研究測量的14種植物中，蘚狀景天、錦繡莧及紫竹梅合理的密植能表現出很好的固碳釋氧效益，是屋頂綠化植物配置很好的選擇，其次可選擇大花馬齒莧及毛馬齒莧。

3.2 景天科植物屋頂綠化應用評價

具有較強抗旱能力的景天科植物常被用于簡式屋頂綠化。根據光合作用碳素同化方式的不同，高等植物可分成C3植物、C4植物和景天科植物酸代謝（Crassulacean acid metabolism，CAM）植物[17-18]。其中，CAM是植物適應高溫干旱環境的一種特殊光合類型，分為2類：專一CAM植物和兼性CAM植物。專一CAM植物始終進行CAM，不會因環境條件的改變而改變；兼性CAM植物在個體發育某一階段或在某些環境條件下表現為CAM[19]。本研究測量的14種植物中，景天科植物占有8種，玉吊鐘表現為白天吸收O2釋放CO2，釋放量隨光照強度的增加而增多，表現出CAM特性；其余7種景天科植物表現為白天吸收CO2釋放出O2，表現出C3植物特性，屬兼性CAM植物，在白天可固碳釋氧，產生生態效益。因此，在景天科植物屋頂綠化應用中，可選擇兼性CAM植物，既能產生較好的固碳釋氧效益，又具有較強的抗旱耐高溫能力。從生態效益角度考慮，在測量的8種景天科植物中，蘚狀景天和費菜均表現出較好的固碳釋氧效益，很適合于屋頂綠化的應用，而玉吊鐘則不太適合。

參考文獻：

[1]徐峰. 建筑環境立體綠化技術[M]. 北京： 化學工業出版社， 2014.

[2]李慧明. 廣州市屋頂綠化植物的選擇及生態效益研究[D]. 廣州： 華南理工大學， 2011.

[3]趙定國， 唐鳴放， 薛偉成， 等. 輕型屋頂景天綠化的降溫效果[J]. 建設科技， 2006（13）： 104-105.

[4]趙定國， 薛偉成. 輕型屋頂綠化的降溫效果[J]. 上海農業學報， 2006， 22（1）： 53-55.

[5]吳艷艷， 莊雪影， 雷江麗， 等. 深圳市重型與輕型屋頂綠化降溫增濕效應研究[J]. 福建林業科技， 2008， 35（4）： 124-129.

[6]鄒敏， 陳祥， 艾麗皎. 重慶市不同類型屋頂綠化的降溫增濕效應[J]. 城市環境與城市生態， 2014， 27（4）： 31-38.

[7]NICHOLAUS D， VANWOERT D， BRADLEY ROWE， et al. Green roof stormwater retention： effect of roof surface， slope， and media depth [J]. Journal of environment quality， 2005， 34（3）： 1036-1044.

[8]HILTEN R N， LAWRENCE T M， TOLLNER E M. Modelling stormwater runoff from green roofs with HYDRUS-1D [J]. Journal of hydrology， 2008， 358： 288-293.

[9]劉維東. 成都市屋頂綠化植物的選擇及其生態效益研究[D]. 雅安： 四川農業大學， 2006.

[10]崔潔. 成都市屋頂綠化植物及不同配置模式的生態效益比較研究[D]. 雅安： 四川農業大學， 2011.

[11]李輝， 趙衛智， 古潤澤， 等. 居住區不同類型綠地釋氧固碳及降溫增濕作用[J]. 環境科學， 1999， 20（6）： 41-44.

[12]陳愛葵， 陸劍， 袁劍剛， 等. 屋頂綠地碳固定潛力的研究[J]. 中山大學學報（自然科學版）， 2015， 54（1）： 89-95.

[13]陳月華， 廖建華， 譚事妮. 長沙地區19種園林植物光合特性及固碳釋氧測定[J]. 中南林業科技大學學報， 2012， 32（10）： 116-120.

[14]李輝， 趙衛智. 北京5種草坪地被植物生態效益的研究[J]. 中國園林， 1998， 14（4）： 36-38.

[15]李小梅， 張秋良. 環境因子對興安落葉松林生態系統CO2通量的影響[J]. 北京林業大學學報， 2015， 37（8）： 31-39.

[16]王迪生. 北京城區園林植物生物量的計測研究[J]. 林業資源管理， 2009（4）： 120-125.

[17]羅紅藝. C3植物、C4植物及CAM植物的比較[J].高等函授學報， 2001（5）： 35-38.

[18]唐微， 朱名安， 劉俊. C3，C4及CAM植物的光合速率日變化及葉綠素含量的比較[J]. 湖北農業科學， 2002（4）： 39-40.

[19]OSMOND C B. Crassulacean acid metabolism： a curiosity in context [J]. Annual review of plant physiology， 1978， 29： 379-414.endprint