北京市常見綠化樹種蒸騰特性與溫濕效益研究

殷亦佳，陳啟航，趙 芮，孫 苗，陳莉祺，李 飛，于曉南

(北京林業大學，北京 100083)

植物蒸騰作用是指水分從活的植物體表面(主要是葉片)以水蒸氣狀態散失到大氣中的過程[1]，液態的水經過植物葉片的氣孔和角質層，以氣態的形式散發到空氣中，并吸收空氣中的熱量，從而降低氣溫，增加大氣濕度并改善周圍環境的微氣候的效果[2]。

關于植物的溫濕效應，許多國內學者針對植物個體進行研究。莫健彬等[3]對上海138種園林植物進行了蒸騰速率的測定，并以此計算其降溫增濕能力；佟瀟等[4]在沈陽市、陳麗文等[5]在信陽市也進行了類似的研究。也有一些國內外學者選擇以綠地和植物群落為研究對象，秦俊等[6]在上海市對23種植物群落溫濕效應進行觀測，結果表明不同群落之間溫濕效應差異較大；N.J.Georgietal[7]在希臘11個城市公園中進行小氣候指標測試，探討了植物群落降溫増濕作用與樹冠遮擋太陽輻射的關系；吳菲等[8]研究了北京市玉淵潭公園6種不同下墊面四季溫濕效益的變化；常猛等[9]的研究表明麻櫟(Quercusacutissima)林生長季對于土壤溫濕度、氣溫和大氣相對濕度等主要小氣候要素有顯著的調節作用。

但在以往的研究中，大多測試區域都選取了開闊的綠地空間，而城市居住區綠地這一類光照條件受到一定限制的特殊綠地鮮少受到關注。因此，本研究選擇了具有代表性的北京市居住區中12個城市綠化骨干樹種，采用了實地監測的方法，測定其蒸騰速率及相關生理指標日變化，估算植物對周圍環境的降溫增濕量，為北京市居住區和城市綠地植物種植規劃提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

北京市位于華北平原北部，115.7°-117.4°E，39.4°-41.6°N，為典型的溫帶半濕潤大陸性季風氣候，受季風影響冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，春秋季節較短，四季分明。降水季節分配不均勻，全年降水80%主要集中在夏季6、7、8月。年平均日照時數在2 000～2 800 h，年平均氣溫12.3℃，1月平均氣溫-3.7℃，7 月平均氣溫 26.2℃[10]。

1.2 研究方法

1.2.1 測試區域設置 測試區域位于北京市海淀區逸成東苑居住區(圖1)，小區內樹種豐富，綠化環境在北京居住小區中比較具有代表性。

圖1 測試區域(逸成東苑居住區)地理位置Fig.1 Location of the test plot (Yicheng Dongyuan residential area)

1.2.2 供試樹種選擇 參考張寶鑫等[11]對北京地區園林樹種選擇和應用的研究，并結合對北京市城市綠地現有綠化樹種進行調查分析，選取測試區域內所種植的北京地區城市綠化中應用最為廣泛的落葉喬木8種、落葉灌木4種，對其蒸騰速率及其他光合生理參數日變化進行監測(表1)。

表1 供試樹種Table 1 Tree species tested

1.2.3 植物蒸騰速率測定 根據蒸騰作用的原理，采用美國Li-cor公司生產的LI-6400XT型光合儀，對植物蒸騰速率與光合生理相關參數進行測定。試驗在2018年4-5月進行，選擇晴朗無風的天氣，在自然光照下，測定時間為6：00-16：00，每2 h測定1次。測定樣本選擇生長健壯、大小相當、與建筑物位置關系較為一致的植株每種3株，植株中部枝條前端第3～5片成熟功能葉片，每株選取東、南、西、北4個方向上各1片葉分別進行測定，待儀器數值穩定時每片讀取3個瞬時光合速率值。對于較為高大的樹木，采用帶鉤的桿子將枝條勾到較低處以便測量。

1.2.4 樹種葉面積測定 參考范舒欣等[12]的描述，利用標準枝分層法，對供試植株全株葉片總量進行估算。單葉面積的測定采用王家保等[13]的方格計數法，計算單葉面積的平均值，再根據全株葉片總量估算，即得到樹種全株總葉面積。

1.2.5 降溫增濕能力估算

1.2.5.1 葉面積指數 葉面積指數(leaf area index,LAI)是指單位土地面積上植物葉片總面積占土地面積的倍數[14]，計算公式為：

LAI=Y/S

(1)

式中,Y為樹木全株總葉面積/m2；S為植株樹冠投影下的土地面積/m2，通過測量植株冠幅直徑并計算得出[15]。

1.2.5.2 日蒸騰總量 應用簡單積分法可根據葉片瞬時蒸騰速率計算出植物單位葉面積的日蒸騰總量/(mol·m-2·d-1)[16]。

1.2.5.3 蒸騰增濕 植物單位葉面積在測定日全天因為蒸騰作用釋放水的質量WH2O/(g·m-2·d-1)為：

WH2O=18·E

(2)

式中,E為植物單位葉面積的日蒸騰總量(mol·m-2·d-1)。

以植物單位葉面積或單位土地面積上的蒸騰釋水對周圍1 000 m3空氣柱所增加的水汽質量(g·m-3)來衡量植物蒸騰對于周圍環境的增濕效益。

1.2.5.4 蒸騰耗熱 參考李輝等[18]的方法可計算出每平方米葉片在1 d中因蒸騰作用散失水分而吸收的熱量(J·m-2·d-1)[18]。

1.2.5.5 蒸騰降溫 根據植物蒸騰每小時從其周圍單位體積空氣吸收的熱量(J·m-3·h-1)和空氣的容積熱容量可以計算出植物單位葉面積及單位土地面積蒸騰作用使周圍氣溫下降值[19]。

1.2.5.6 水分利用效率 水分利用效率(water use efficiency,WUE)表征植物消耗單位水量所產生的同化量，對于處于干旱和半干旱地區的植物維持其正常生長具有非常重要的意義[20]。植物葉片的瞬時水分利用效率WUEi(μmol·mmol-1)等于凈光合速率和蒸騰速率的比值[21]。而植物單位葉面積在1日內的水分利用效率WUEd(mg·g-1)則可以采用1日內植物單位葉面積的光合固碳量(mg·m-2·d-1)與蒸騰釋水量(g·m-2·d-1)的比值求出[22]。

1.2.6 數據處理 使用Excel 2016軟件進行數據處理，Origin 2019對植物蒸騰速率日變化曲線進行繪制，采用IBM SPSS Statistics 24.0進行植物蒸騰速率與影響因子的相關性分析，并對不同樹種降溫增濕能力進行聚類分析。

2 結果與分析

2.1 蒸騰速率日變化

由圖2可知，春季北京市居住區內所測試的12種植物蒸騰速率日變化基本呈現出單峰和雙峰2種類型。懸鈴木、旱柳、玉蘭、榆葉梅、金銀木、紫丁香和連翹的蒸騰速率日變化為單峰曲線，其中懸鈴木、旱柳、玉蘭的蒸騰速率峰值在14：00左右，榆葉梅的蒸騰速率日變化曲線峰值為12：00，金銀木、紫丁香和連翹的蒸騰速率日變化曲線峰值在10：00；銀杏、日本晚櫻、西府海棠、碧桃和珍珠梅的蒸騰速率日變化則為雙峰曲線，第1個峰值基本在8：00～10：00，第2個峰值則在12：00～14：00。

圖2 12種綠化樹種蒸騰速率日變化Fig.2 Diurnal variations of transpiration rate of 12 greening tree species

2.2 12種綠化樹種平均蒸騰速率

由表2可知，12種綠化樹種日平均蒸騰速率值為0.66～2.78 mmol·m-2·s-1，均值為1.47 mmol·m-2·s-1，日平均蒸騰速率最高的是旱柳，按照日平均蒸騰速率從大到小排序為旱柳>榆葉梅>懸鈴木>西府海棠>珍珠梅>日本晚櫻>銀杏=碧桃>連翹>金銀木>紫丁香>玉蘭。植物葉面積指數為0.84～4.19，最高為紫丁香。

表2 不同樹種單位葉面積平均蒸騰速率及植物葉面積指數Table 2 Average transpiration rate per leaf area and leaf area index of different tree species

2.3 蒸騰速率與影響因子相關性分析

由表3可知，除個別樹種以外，樹木蒸騰速率與氣孔導度、凈光合速率、葉片溫度和光合有效輻射等呈正相關，與胞間CO2濃度呈負相關，其中與氣孔導度、凈光合速率、和光合有效輻射基本呈極顯著正相關(P<0.01)，與胞間CO2濃度呈極顯著負相關。

表3 12種園林樹木單位葉面積蒸騰速率(Tr)與光合生理參數相關性分析Table 3 Correlation analysis of transpiration rate of 12 tree species

2.4 水分利用效率

由表4可知，金銀木、紫丁香的水分利用效率較高，這意味著消耗同樣的水量可以固定更多的CO2，對于適應干旱環境具有十分重要的意義；碧桃、玉蘭、榆葉梅的水分利用效率較低，說明它們需要消耗更多的水分，通過蒸騰作用降低自身溫度，來適應高溫環境。

表4 不同樹種水分利用效率Table 4 Water use efficiency of different tree species

2.5 降溫增濕功能分析

2.5.1 單位葉面積降溫增濕量估算 12種綠化樹種單位葉面積日蒸騰總量在25.88～108.73 mol·m-2·d-1，植物蒸騰作用吸收熱量使周圍空氣溫度降低，并釋放水蒸氣使空氣濕度增加。12種綠化樹種可使周圍空氣降溫量在0.08～0.34℃，增濕量在0.47%～1.96%，單位葉面積日蒸騰總量最高的為旱柳；最弱的為玉蘭(表5)。

表5 不同樹種單位葉面積日蒸騰總量、降溫量、增濕量Table 5 Daily total transpiration,cooling rate,and humidification per leaf area of different tree species

2.5.2 單位土地面積對周圍環境降溫增濕量 由表6可知，單位土地面積上日蒸騰總量最高的為旱柳，達368.58 mol·m-2，可使周圍空氣溫度下降1.16℃，增濕6.63%；最低的為金銀木，可使周圍空氣溫度下降0.16℃，增濕0.89%。

表6 不同樹種單位土地面積日蒸騰總量、降溫量、增濕量Table 6 Daily total transpiration,cooling rate,and humidification per land area of different tree species

2.5.3 植物降溫增濕能力聚類分析 對12個樹種單位葉面積降溫增濕能力進行聚類(圖3)。12個樹種被聚為3類，其中旱柳是第一類，單位葉面積降溫增濕能力最強；懸鈴木、西府海棠、榆葉梅、珍珠梅為第2類，單位葉面積降溫增濕能力一般；碧桃、金銀木、玉蘭、銀杏、日本晚櫻、紫丁香、連翹為第3類，降溫增濕能力較弱。

圖3 植物單位葉面積降溫增濕能力聚類分析Fig.3 Cluster analysis of cooling and humidifying capacity per leaf area of different tree species

使用同樣的方法依據植物單位土地面積降溫增濕能力可將12個樹種聚為4類(圖4)。旱柳、榆葉梅為第1類，單位土地面積降溫增濕能力最強；懸鈴木為第2類，單位土地面積降溫增濕能力較強；玉蘭、銀杏、日本晚櫻、海棠、碧桃、紫丁香和連翹為第3類，單位土地面積降溫增濕能力一般；金銀木和珍珠梅為第4類，單位土地面積降溫增濕能力最弱。

圖4 植物單位土地面積降溫增濕能力聚類分析Fig.4 Cluster analysis of cooling and humidifying capacity per land area of different tree species

3 結論與討論

研究發現除個別樹種以外，樹木蒸騰速率與氣孔導度、凈光合速率、和光合有效輻射基本呈極顯著正相關(P<0.01)，與葉片溫度呈顯著正相關(P<0.05)，與胞間CO2濃度呈極顯著負相關。研究表明，在午間由于太陽輻射增強，植物通過關閉部分氣孔來避免光合器官受到破壞和水分過度散失，或是對葉肉光合活性(如RuBP羧化酶活性)降低、光呼吸和暗呼吸增高而引起胞間CO2濃度升高進行響應[23-24]。

研究將12個常見樹種根據其單位葉面積降溫增濕能力聚為3類，根據其單位土地面積降溫增濕能力聚為4類，結果表明，旱柳的日平均蒸騰速率和降溫增濕能力最強，能發揮較好的生態功能，這與張艷麗等[25]的研究結果一致。而榆葉梅、懸鈴木的降溫增濕能力也較強，這也與李想等[26]的研究結果一致。總體而言，植物瞬時蒸騰速率高，表明其在蒸騰過程中單位時間內吸收熱量和釋放水分的效率較高；而植物單位土地面積上的降溫增濕能力則與植株單位土地面積上的綠量緊密相關，一些枝繁葉茂、枝葉緊湊的植物如旱柳、懸鈴木等在單位土地面積的蒸騰總量高，因此降溫增濕效益也較高，而金銀木、珍珠梅等樹種相對而言枝干開展，葉片較為稀疏，其降溫增濕效益也相對較低。同一植物生長類型(如喬木與喬木、灌木與灌木之間)并沒有被明顯地聚為一類，不同樹種之間降溫增濕能力則有所差別，如旱柳單位葉面積和單位土地面積的降溫增濕能力在12個樹種中均為最強，而同為喬木的銀杏降溫增濕能力則較弱，這與趙志剛等[27]的研究結果一致，表明不同樹種之間主要是由于氣孔結構等自身因素的差異，體現在蒸騰速率上，進而造成了其對于環境的溫濕效應有所區別。

除此之外，不同植物的水分利用效率不同，針對植物這一特性，干旱地區種植規劃時可以優先選擇水分利用效率較高的植物如金銀木、紫丁香等。對于水分利用效率較低的植物，在管理養護時應當注意加強遮蔭、灌溉以降低蒸騰失水[28]。

本研究計算了樹種單位葉面積、單位土地面積的蒸騰量和對環境的降溫增濕作用，比較了不同樹種之間的降溫增濕能力的大小，這對于認識主要樹種調節環境小氣候的效應具有重要理論意義。植物蒸騰作用對于其周圍環境具有一定的降溫增濕作用，在種植規劃時選用降溫增濕能力強的樹種如旱柳等能夠更大程度上的發揮植物的生態效益。城市綠化中不可避免的一個問題是土地面積的限制，因此在種植規劃時還需考慮植株整體綠量綜合判斷其生態效益，可以優先選用在單位土地面積上降溫增濕效應較好的樹種。除此之外，本研究針對的是單體植物的溫濕效應，在實際的種植規劃中，還需考慮植物生長的適宜環境和景觀效果，以及造價與養護成本，合理配置，達到植物群落的整體生態效益最大化。