南京地區(qū)觀賞海棠樹種固碳釋氧與降溫增濕效益

陳小麗， 姜衛(wèi)兵， 魏家星， 張艷秋

(1.南京農(nóng)業(yè)大學園藝學院，江蘇南京 210095； 2.南京市莫愁湖管理處，江蘇南京 210029)

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市也在不斷向前發(fā)展，人們對城市環(huán)境的期望愈來愈高，園林建設(shè)相應(yīng)進入了高速發(fā)展的階段。海棠是中華民族的傳統(tǒng)名花，具有悠久的栽培歷史[1]，可以追溯到公元前800年。筆者所論述的觀賞海棠即是指觀賞價值較高的海棠類樹種資源[2]，包括蘋果屬(Malus)中果實直徑≤5 cm的種類和木瓜屬(Chaenomeles)中的一系列種和品種[3]，作為園林綠化中一個非常重要的觀賞集群，在城市園林建設(shè)中廣泛應(yīng)用。近年來城市所面臨的生態(tài)環(huán)境問題愈發(fā)突出，而園林綠化建設(shè)，作為解決城市環(huán)境問題的重要手段，通過科學合理的植物種植，可以最大限度地發(fā)揮園林植物的生態(tài)價值，這也是當今園林從業(yè)者所面臨的巨大挑戰(zhàn)[4]。

目前有關(guān)觀賞海棠的研究主要集中于海棠品種資源分類與利用研究、景觀價值評價、基礎(chǔ)生物學研究、海棠專類園規(guī)劃設(shè)計理論研究、品種資源及園林綠化應(yīng)用、部分果實的觀賞特性研究，還未見關(guān)于固碳釋氧、降溫增濕等生態(tài)效益的研究及報道。本研究以南京莫愁湖公園中的30個觀賞海棠種質(zhì)資源為研究對象，通過運用LI-6400XT便攜式光合測定儀對試驗植株進行光合速率和蒸騰速率的試驗測定，對其固碳釋氧、降溫增濕、水分利用效率等基本生態(tài)功能進行了研究，以期能夠指導觀賞海棠在南京地區(qū)城市綠地空間中的科學應(yīng)用，為促進生態(tài)園林城市的綠化建設(shè)，提出一定的參考依據(jù)。

1 研究地概況和研究材料

莫愁湖公園位于江蘇省南京市秦淮河西，距今已有1 500多年的悠久歷史，是六朝勝跡，又因豐富的人文內(nèi)涵，奠定了其江南古典名園的地位。園中的海棠類樹種資源從種植初始以來，已有多年的栽培歷史，海棠在莫愁湖公園扮演著極為重要的角色，園內(nèi)園林相關(guān)從業(yè)者每年都會引進不同的海棠類樹種，豐富莫愁湖海棠現(xiàn)狀景觀，至今有將近50多種不同的海棠樹種資源，累計約萬株海棠，規(guī)模宏大[5-7]。

結(jié)合南京的氣候和地理條件，根據(jù)對觀賞海棠園林應(yīng)用的現(xiàn)狀調(diào)查，選取立體條件和小氣候一致的莫愁湖公園內(nèi)的30種(品種)觀賞海棠類樹種作為研究對象(表1)。其中歐美海棠主要是從國外引進的，由美國和加拿大的苗圃和植物研究人員從自然雜交的海棠中選育出來的觀賞價值極高的樹種資源，將這類在歐美園林中廣泛應(yīng)用多年的觀賞海棠叫做歐美海棠。國外已經(jīng)培育出千余種歐美海棠品種，近年來，我國已經(jīng)從國外成功引進百余種觀賞價值極高的歐美海棠品種[8-12]。

2 研究方法

2.1 生態(tài)價值的試驗方法

植物的固碳釋氧、降溫增濕、水分利用效率等生態(tài)指標是植物光合作用的具體反映，可通過植物的光合和蒸騰速率測量得到。由于觀賞海棠樹種都是落葉樹種，因此本次試驗測定時間選在2015年5月底、7月底和9月底，在南京市莫愁湖公園，于自然光照條件下的無風晴天，從08：00到18：00，運用特定儀器LI-6400XT型光合儀每間隔2 h對試驗樹種進行試驗測定。具體操作為選取冠型均勻、生長良好、枝葉茂盛的健康植株，以郭太君等的研究原則進行葉片的選擇：每次測量均隨機選取植物向陽面健康枝條上中部的4～6葉位的3張符合條件的功能葉運進行葉片的光合速率和蒸騰速率的試驗測定，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，讀取瞬時速率值[13-17]，取平均值作為換算固碳釋氧量和降溫增濕量等生態(tài)指標的基礎(chǔ)數(shù)值；以此對觀賞海棠樹種3季的光合和蒸騰作用速率進行測定，并通過定量計算研究試驗樹種的固碳釋氧、降溫增濕、水分利用效率。

表1 研究材料

2.2 固碳釋氧量的計算

(1)通過簡單積分求和法求得每個試驗對象的葉片在 1 d 內(nèi)的凈同化量。公式如下：

式中，P代表的是某植物的日同化總量，mmol/(m2·s)；pi為該植物初測點的瞬時光合速率；pi +1為下一測量時間點的瞬時光合速率，μmol/(m2·s)；ti相應(yīng)的為初測點的瞬時時間，h；ti +1則為該植物下一個測定點對應(yīng)的時間，h；j為試驗測量的次數(shù)。3 600指的是每小時3 600 s；1 000則是1 mmol為 1 000 μmol。

(2)用測定日的同化總量換算出測定日固定CO2量為

WCO2=p·44÷1 000。

式中，44代表的是CO2的摩爾質(zhì)量；WCO2代表的是植物單位葉面積固定CO2的質(zhì)量，g/(m2·d)。

(3)另外根據(jù)植物的光合作用反應(yīng)方程式：CO2+4H2O→CH2O+3H2O+O2，能夠計算出該植物在測定日的單位葉面積釋放O2的量：

WO2=p·32÷1 000。

(4)某植物單位葉面積日平均吸收 CO2和釋放 O2量的計算公式如下：

WCO2平均=P平均×44÷1 000；

WO2平均(g) =P平均×32÷1 000；

P平均(g) = (P春+P夏+P秋)÷3。

式中：WCO2平均代表的是某種植物單位葉面積日固定的CO2量，g；WO2平均代表的是某種植物單位葉面積日平均釋放O2的量，g；P平均為代表的是某種植物單位葉面積日同化總量，g/(m2·d) 。

2.3 降溫增濕量的計算

植物降溫增濕主要是通過蒸騰作用實現(xiàn)的，也是植物光合作用的體現(xiàn)，因此降溫增濕相關(guān)數(shù)據(jù)的測定具體方法同固碳釋氧的測定。

(1)用簡單積分法求得每個試驗對象的葉片在1 d內(nèi)的單位葉面積降溫增濕的量即蒸騰總量E。計算公式如下：

式中，E為植物在測定當日的蒸騰總量，mol/(m2·d)；ei為該植物初測點的瞬時蒸騰作用速率，mmol /( m2·s)；ei +1為下一測點的瞬時蒸騰作用速率，mmol/(m2·s)；ti為初測點的測試時間，h；ti +1為下一測點的測試時間，h；j為當天測試的總次數(shù)。3 600指的是每小時3 600 s；1 000指的是1 mol為1 000 mmol。

(2)通過測定日的蒸騰總量能夠換算出測定日釋放水的質(zhì)量：

WH2O(g)=E×18。

式中，18為水的摩爾質(zhì)量。

每平方米葉片在1 d中因蒸騰作用散失水分而吸收的熱量Q為

Q=W×L×4.18。

式中，Q為單位葉面積每日吸收的熱量，J/(m2·d)；W代表植物日蒸騰總量，mol/(m2·d)；L代表蒸發(fā)耗熱系數(shù)(L=597-0.57×t，t為溫度)；4.18 J = 1 Cal。2015年測定日的t值5月為27.52 ℃，7月為36.29 ℃，10月為29.52 ℃。

(3)某植物單位葉面積的日平均降溫增濕量：

WH2O平均=E×18；

Q=W×L×4.18；

E平均= (E春+E夏+E秋)/3。

式中：WH2O平均代表某植物單位葉面積平均每天釋放的H2O的質(zhì)量，g；Q代表某植物單位葉面積平均每天吸收的熱量，kJ/(m2·d)；E平均代表某植物單位葉面積的日平均蒸騰量，mol/(m2·d)。

(4)由于空氣的湍流、對流和輻射等作用的影響，采用對空氣柱的方法來計算植物的降溫作用，即以10 m2×100 m的空氣柱，在1 000 m3的體積內(nèi)，使氣柱溫度下降。氣溫下降值用如下公式計算：

ΔT=Q/(pc×1 000×12)。

式中，Q代表植物通過蒸騰作用使單位體積空氣損失的熱量，J/(m3·h)；pc為空氣的容積熱容量，1 256 J/(m3·h)。

2.4 水分利用效率計算

植物水分利用效率(water use efficiency，WUE)能夠體現(xiàn)植物協(xié)調(diào)碳同化和水分耗散之間的關(guān)系能力，是其生存的較關(guān)鍵的影響因子。根據(jù)上述固碳釋氧和降溫增濕的相關(guān)計算公式，可以計算出每個試驗對象在1 d內(nèi)日平均的水分利用效率。

WUE=P/E。

式中，WUE代表植株水分利用效率，mmol/mol；P為植物葉片凈同化總量，mmol/(m2·d)；E為蒸騰總量，mol/(m2·d)。

2.5 數(shù)據(jù)處理

所有試驗數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2016軟件進行數(shù)據(jù)處理，并運用SPSS軟件對各試驗樹種的固碳釋氧、降溫增濕和水分利用率進行聚類分析[18-21]。

3 結(jié)果與分析

3.1 固碳釋氧能力分析

植物通過光合作用吸收空氣中的CO2，釋放出氧氣，這對改善城市空氣質(zhì)量、實現(xiàn)環(huán)境中的碳氧平衡具有重要的意義。

選取的30種觀賞海棠的試驗樹種，在單位葉面積下，植物的日平均固碳釋氧能力差異顯著，且同一植株單位葉面積下春、夏、秋3季所呈現(xiàn)的日平均固碳釋氧能力也有很大的差異：其中蘋果屬中的重瓣垂絲海棠、白花垂絲海棠、紫葉垂絲海棠、黃果茶海棠、綠豐、鉆石、高原之火以及木瓜屬中的木瓜、木瓜海棠、成都木瓜海棠、蒙山木瓜海棠、紅牡丹、莫愁紅、紅艷貼梗海棠、多彩 、大富貴、長壽樂這17種試驗樹種3季中春季的能力是最強的；另外13種試驗樹種夏季能力普遍比各自其他2季的能力強；除了矮紅倭海棠這一種試驗樹種秋季的固碳釋氧能力比其春季高以外，其他樹種春季能力都普遍高于秋季的，研究結(jié)果表明觀賞海棠生長期內(nèi)3季的日平均固碳釋氧能力并沒有一個很明顯的規(guī)律(表2)，和韓俊永等的夏季>秋季>春季這一結(jié)論[17，20]有出入，這說明其固碳釋氧能力與植物自身以及環(huán)境均有很大的關(guān)聯(lián)。植物光合作用是個十分復雜的生理過程，其光合效率不僅和植物葉片的葉綠素含量、葉片厚度等因素有關(guān)，也和其所處的生態(tài)環(huán)境，以及光強、氣溫、空氣相對濕度等因素有關(guān)。

在有效的生長期內(nèi)，日平均固碳釋氧能力最低的是木瓜屬的長壽樂海棠，最高的是蘋果屬中的歐美海棠魯?shù)婪颍謩e為4.24、3.08 g/(m2·d)和17.00、12.36 g/(m2·d)，固碳量相差12.76 g/(m2·d)，釋氧量相差9.28 g/(m2·d)，相差3倍，差距較大。通過聚類分析將其分為了4類，其中能力最強的有2種：魯?shù)婪?紫葉垂絲海棠；較高的有11種，分別為紅寶石>紫雨滴>重瓣垂絲海棠>紅麗>蒙山木瓜海棠>高原之火>白花垂絲海棠>冬紅果>綠豐>單白倭海棠>成都木瓜海棠；能力一般的有15種，分別為楸子>鉆石>雪球>毛山荊子>多彩>矮紅倭海棠>莫愁紅>黃果茶海棠>牡丹海棠=長壽冠>紅牡丹>紅艷貼梗海棠>木瓜海棠>木瓜>大富貴；能力較弱的有2種，為綠寶石>長壽樂。因此在城市綠化建設(shè)中，為了營造更加舒適怡人的景觀環(huán)境，在同等情況下，可以大力推廣固碳釋氧能力比較強的這13種海棠資源(表2)。

3.2 降溫增濕能力分析

城市熱島效應(yīng)對人居環(huán)境產(chǎn)生了很大的影響。尤其是炎熱的夏季，不僅造成用電壓力增大，也會讓人感到不適、心情煩躁，甚至會引起其他疾病[17]。而植物在進行光合作用的過程中，會生成一部分水，蒸發(fā)并釋放到周圍的大氣環(huán)境中，在此過程中，蒸發(fā)會吸收環(huán)境中的一部分熱量，進而降低局部溫度，增加空氣濕度，改善周圍的小氣候。這也就是植物在環(huán)境中所起的降溫增濕作用的基本原理[22]。

對于降溫能力的分析，本試驗著重研究夏季試驗樹種的降溫能力試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在同一個季節(jié)，不同的樹種資源夏季的降溫能力差異明顯，夏季降溫能力最強的是紅艷貼梗海棠，其降溫值是0.76 ℃，最弱的是木瓜，其降溫值是0.17 ℃，兩者夏季降溫值相差約0.59 ℃，接近4倍，差距明顯。夏季單位葉面積日平均降溫值根據(jù)聚類分析的結(jié)果，其中有4種海棠樹種降溫能力最強，分別是紅艷貼梗海棠>高原之火>紅麗>多彩；較高的有13種，分別是紅牡丹>紫葉垂絲海棠>楸子>鉆石>綠豐>成都木瓜海棠>莫愁紅>綠寶石>紫雨滴>魯?shù)婪?紅寶石>木瓜海棠>重瓣垂絲海棠>冬紅果；能力一般的有11種，分別為毛山荊子=單白倭海棠>大富貴>蒙山木瓜海棠=牡丹海棠>白花垂絲海棠=雪球>長壽樂>矮紅倭海棠>長壽冠；降溫能力較弱的有2種，為黃果茶海棠>木瓜(表3)。因此，在城市綠化中，可優(yōu)先考慮聚類分析中17種降溫能力比較強的海棠樹種資源，降低局部小氣候氣溫，緩解城市熱島效應(yīng)。

從試驗植株各季節(jié)日平均增濕能力來看，不同植物同一季節(jié)表現(xiàn)出不同的差異性，同一植物在各個季節(jié)的增濕能力也有明顯的差異，具體表現(xiàn)為夏季增濕能力明顯高于春秋2季，春秋差異不大，這充分說明植物的增濕能力和溫度、光強有很大的關(guān)系，溫度、光強越高，增濕能力越強。生長期內(nèi)單位葉面積日平均增濕能力最低的是木瓜屬的木瓜，最高的是木瓜屬的紅艷貼梗海棠，分別為784.09、2 959.85 g/(m2·d)，相差2 175.76 g/(m2·d)，接近3倍，差距也十分明顯；根據(jù)聚類分析的結(jié)果，其中能力強的有11種，從高到低依次為紅艷貼梗海棠>多彩>成都木瓜海棠>紫葉垂絲海棠>高原之火>紅麗>莫愁紅>魯?shù)婪?蒙山木瓜海棠>紅牡丹>綠豐；較高的也有11種，分別為重瓣垂絲海棠>鉆石>楸子>單白倭海棠>紫雨滴>大富貴>木瓜海棠>冬紅果>紅寶石>白花垂絲海棠>牡丹海棠；能力一般的有6種，分別為毛山荊子>長壽冠>矮紅倭海棠>綠寶石>雪球>長壽樂；能力弱的有2種，為黃果茶海棠>木瓜(表3)。所以綠化建設(shè)中，尤其是熱島效應(yīng)比較顯著的綠地環(huán)境，應(yīng)優(yōu)先選擇增濕能力較強的這些海棠樹種進行植物景觀配置，美化環(huán)境的同時，也增加了局部小氣候濕度。

表2 30種試驗樹種各季節(jié)單位葉面積的日平均固碳釋氧量 g/(m2·d)

3.3 水分利用效率分析

植物水分利用效率指的是植物消耗單位水分所生產(chǎn)的同化物質(zhì)的量，反映了植物耗水與其干物質(zhì)生產(chǎn)之間的關(guān)系，是能夠用來評價植物生長適宜程度的生態(tài)指標。其中蒸騰效率反映了作物本身的性能，本研究不涉及對土壤和水進行科學管理方面的相關(guān)研究，只是粗略測量，比較研究各觀賞海棠樹種間的水分利用效率。

試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，30種試驗樹種在生長季中，3季的水分利用效率最高的是春季，夏秋2季的水分利用效率差異不大。而且3季中，秋季除去落葉較早的紫雨滴、大富貴、長壽冠、綠寶石這4個樹種外，木瓜的水分利用效率是最高的，3季的數(shù)值分別是春天5.56 mmol/mol，夏天2.98 mmol/mol，秋天5.47 mmol/mol，3季中利用效率最低的春季是綠寶石，為2.09 mmol /mol，夏季為紅艷貼梗海棠和大富貴，均為 0.81 mmol/mol，秋天是長壽樂，為0.61 mmol/mol，與最高的差值分別為春季3.47 mmol/mol、夏季2.17 mmol/mol、秋季4.86 mmol/mol，差距較大(表4)。

生長期中日平均水分利用效率最低的是木瓜屬中的長壽樂，為1.51 mmol/mol，最高的是木瓜屬中的木瓜，為 4.67 mmol/mol，相差3.16 mmol/mol，相差2倍有余，且綠寶石為1.52 mmol/mol，紅艷貼梗海棠為1.53 mmol/mol，和長壽樂效率幾乎相當，根據(jù)聚類分析的結(jié)果，水分利用效率最高的有3種，為木瓜>黃果茶海棠>雪球；較高的有11種，為紅寶石>毛山荊子>魯?shù)婪?白花垂絲海棠>矮紅倭海棠>冬紅果>紫雨滴>楸子>重瓣垂絲海棠>紫葉垂絲海棠>紅麗；效率一般的也有11種，為單白倭海棠>高原之火>鉆石>綠豐>牡丹海棠>長壽冠>木瓜海棠>蒙山木瓜海棠>紅牡丹>成都木瓜海棠>大富貴；能力比較弱的有5種，分別是莫愁紅>多彩>紅艷貼梗海棠>綠寶石>長壽樂(表4)。水分利用效率越高，說明他們相較于其他海棠樹種具有較強的環(huán)境適應(yīng)能力，在同等情況下，在環(huán)境條件相對較差，養(yǎng)護成本不高的情況下，它們占有絕對的優(yōu)勢，因此在這樣的立地環(huán)境下，可以大量推廣。

表3 30種試驗樹種各季節(jié)單位葉面積的日增濕量和夏季日平均降溫

4 結(jié)論與討論

本試驗所選的30種試驗樹種蘋果屬觀賞海棠與木瓜屬觀賞海棠的比例為1 ∶1，在南京城市公園中相對應(yīng)用較為廣泛，是具有一定代表性的觀賞海棠類樹種資源。通過對這些試驗樹種整個有效生長周期春、夏、秋3個季節(jié)的光合特性進行研究，結(jié)果表明，不同樹種資源其單位葉面積的日平均固碳釋氧、降溫增濕、水分利用效率差異明顯，且同一樹種不同季節(jié)的單位葉面積日固碳釋氧、降溫增濕、水分利效率等生態(tài)效益也存在明顯的差異，這充分說明，各樹種間植物的生態(tài)效益具有很大的差異。30種試驗樹種中，通過聚類分析，生長期內(nèi)日平均固碳釋氧能力最強的有2種，分別為魯?shù)婪?紫葉垂絲海棠；夏季日平均降溫能力比較強的有4種，分別是紅艷貼梗海棠>高原之火>紅麗>多彩；生長期內(nèi)日平均增濕能力強的有11種，為紅艷貼梗海棠>多彩>成都木瓜海棠>紫葉垂絲海棠>高原之火>紅麗>莫愁紅>魯?shù)婪?蒙山木瓜海棠>紅牡丹>綠豐；日平均水分利用效率最高的有3種，為木瓜>黃果茶海棠>雪球(表5)。園林工作人員在進行海棠的植物造景、園林綠化中可根據(jù)具體的城市環(huán)境選擇合適的植株進行植物配置，使城市生態(tài)效益和環(huán)境美化取得最佳效果。

另外，30種試驗樹種中蘋果屬的觀賞海棠單位葉面積下的日平均固碳釋氧能力、夏季日平均降溫能力、日平均增濕能力和水分利用效率都高于木瓜屬的試驗樹種；且不同生活型的基本生態(tài)效益也有明顯的區(qū)別，喬木類的固碳釋氧能力要高于灌木類的，這和董延梅等的研究結(jié)果[14]一致；夏季降溫能力喬木類的平均水平稍微低于灌木類的試驗樹種，但大體相當，這和陳少鵬等的研究結(jié)果[23]大致相同，但日平均增濕能力喬木類略低于灌木類的的；而不同生活型的WUE也不同，這和胡化廣等的研究結(jié)論[24]一致，喬木類的水分利用效率明顯高于灌木類的，這和渠春梅等的研究結(jié)論[25]不一致，這主要是因為植物的WUE除了受到植物自身的因子調(diào)節(jié)和影響，同時也受到環(huán)境的影響；另外彩葉類的觀賞海棠樹種資源這幾個方面的基本生態(tài)效益都高于非彩葉類的海棠樹種資源，具有明顯的規(guī)律性。

表4 30種試驗樹種各季節(jié)單位葉面積的日水分利用效率

表5 各類別試驗樹種生長期內(nèi)基本生態(tài)效益比較

在現(xiàn)階段生態(tài)問題日益突出的背景下，關(guān)于園林植物的科學應(yīng)用，更應(yīng)該有新的視角，探索生態(tài)效益最佳的植物樹種資源，為生態(tài)城市做貢獻。本試驗只針對部分觀賞海棠樹種資源的最基本生態(tài)指標(固碳釋氧、降溫增濕、水分利用效率等)進行了相關(guān)的研究，植物還有吸滯粉塵、殺菌防病、凈化空氣、消除噪音、水土保持等方面的作用與意義。因此，未來不僅可以擴大生態(tài)效益指標的研究規(guī)模，也可以對更多的植物資源進行生態(tài)效益方面的量化研究，以期為構(gòu)建生態(tài)園林城市，在植物配置方面提供理論和數(shù)據(jù)參考依據(jù)，為城市綠化提供更好、更科學合理、優(yōu)質(zhì)的園林服務(wù)。

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