農村坑塘溝渠3種優勢植物固碳釋氧降溫增濕能力比較研究

強 昕，劉海榮，孫 藝，齊立海，劉培輝

（1.天津農學院 園藝園林學院，天津 300384；2.天津市園林建設工程監理有限公司，天津 300384；3.天津匯誠園林綠化工程有限公司，天津 300384）

近些年，農村的快速發展導致環境問題日益惡化，人們也逐漸意識到鄉村可持續發展的迫切需要。坑塘（包括溝渠，下同）是農村生態的重要組成部分，它既可以是水產養殖的場所，可以是生態潤肺的濕地，也可以是美化村莊的風景線。但是如果污染治理不當，也會使坑塘成為農村人居環境的“瘤子”，而且很可能是惡性的[1-2]。綠色植物可以利用光合作用吸收空氣中的CO2、釋放O2到大氣中，從而減輕或消除熱島效應，減少空氣污染；還可通過蒸騰作用降低周圍空氣溫度、增加空氣濕度，達到降溫增濕的目的，改善小氣候環境，改善生態環境質量[3-6]。近年來，對園林植物固碳釋氧降溫增濕的研究主要集中在城市綠化植物群落、植物配置、植物生態效益等方面，常用的研究方法是公式計算和聚類分析。宋卓琴等[7]研究了太原市主要園林植物光合特性指標，并對其單位葉面積固碳釋氧降溫增濕能力進行初步評估和分類評價。徐冬云等[8]以引種的42種攀緣植物為材料，對光合蒸騰指標進行測定，認為植物對環境的固碳釋氧、降溫增濕等生態效益主要通過葉片進行光合作用和蒸騰作用來完成，并定量評價其生態效益并進行分類等級。趙萱和李海梅[9]測定了青島市11種地被植物的光合數據，分析了相關影響因子，研究主要地被植物固碳釋氧降溫增濕的能力。薛雪等[10]利用Li-6400XT便攜式光合儀對上海市6種園林綠化植物進行固碳釋氧降溫增濕分析，為合理選擇城市綠化植物來緩解熱島效應提供合理的選擇依據。于雅鑫[11]對長沙市12種木蘭科喬木進行景觀效果和生態效益的研究，為木蘭科植物開發利用和優良品種選擇提供理論依據。但是，我國地域遼闊，植物種類豐富多樣，而目前針對農村坑塘植物固碳釋氧降溫增濕能力的研究并不多見。

本研究在前期對天津市西青區大柳灘村振興大道周邊坑塘綠化植物應用現狀調查分析的基礎上，經查閱資料和實地勘察，選取了應用面積最廣的3種優勢植物為研究對象，通過運用CIRAS-2便攜式光合測定儀對試驗植株測定其光合速率和蒸騰速率，分析計算其固碳釋氧、降溫增濕能力，旨在為北方農村坑塘綠色植物的選擇提供一定的參考依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地點

天津是中國北方最大的沿海城市，位于華北平原北方，是北京通往東北、華東地區鐵路的交通樞紐和遠洋航運的港口。氣候屬暖溫帶半濕潤季風性氣候，四季氣候分明，春季多風，干旱少雨；夏季高溫，降雨量多；秋季涼爽，冷暖適中；冬季寒冷，干燥少雪。土壤多為鹽堿土。大柳灘村位于天津市西青區楊柳青鎮北部，京滬高速、津霸、津同公路臨村而過，村內交通便利，地理環境優越，自然資源豐富。

2.2 試驗材料

通過前期對大柳灘村振興大道周圍坑塘現有植物種類和生長狀況的調查基礎上，根據植物出現的頻率和重要值等綜合特征，選取了應用面積較大的3種優勢植物香蒲（Typha orientalis Presl）、蘆葦（Phragmites australis）、水蓼（Polygonum hydropiper）作為試驗材料。

2.3 試驗方法

2019年7月，選擇晴朗無風（土壤濕度以干為主）、早晚濕潤的天氣，在自然光照下、采用CIRAS-2便攜式光合測定儀，對植物活體進行連續的日光合速率和日蒸騰速率測定。測定時間段為8：00—17：00，每隔1 h測定1次，每個時間點的測定設定3次重復，共選擇3 d進行重復測定。具體操作為每種植物隨機選取生長健壯、大小相似的3個葉片進行測定。待系統穩定后，每個葉片取瞬時光合速率值，同時對蒸騰速率、氣孔導度、細胞間隙CO2濃度、葉面溫度等進行同步測定，3次重復，取平均值。以光合速率值和蒸騰速率值為基礎，通過公式定量計算研究3種植物固碳釋氧降溫增濕能力[2]。

2.4 數據分析

采用SPSS 2018軟件對試驗數據進行整理分析。

3 結果與分析

3.1 3種植物光合速率日變化比較研究

從圖1可以看出，早晨隨著光照強度和溫度的增加，3種植物的光合速率均逐漸增加。香蒲的凈光合速率日變化為雙峰曲線，10時凈光合速率最大，為10.30 μmol·（m2·s）-1，為最高峰時刻，之后緩慢下降，在13—14時出現低谷；隨后繼續上升，在16時出現第2個小高峰，為8.27 μmol·（m2·s）-1；隨后快速降低，17時降至2.07 μmol·（m2·s）-1。蘆葦的凈光合速率日變化為單峰曲線，12時凈光合速率最大，為18.80 μmol·（m2·s）-1，隨后凈光合速率緩慢降低，17時降至7.77 μmol·（m2·s）-1。水蓼的凈光合速率日變化呈三峰曲線，3個峰值分別出現在11時、13時和15時，分別為17.33 μmol·（m2·s）-1、20.27 μmol·（m2·s）-1和13.33 μmol·（m2·s）-1，13時凈光合速率最大。綜上，在一日中，水蓼凈光合速率較香蒲變化劇烈，香蒲較蘆葦變化劇烈。香蒲的凈光合速率范圍在0.73～10.30 μmol·（m2·s）-1，蘆葦的凈光合速率范圍在7.10～18.80 μmol·（m2·s）-1，水蓼的凈光合速率范圍在0.33～20.27 μmol·（m2·s）-1。

圖1 3種優勢植物凈光合速率日變化

3種優勢植物日平均凈光合速率由小到大依次為香蒲6.56 μmol·（m2·s）-1、水蓼9.50 μmol·（m2·s）-1、蘆葦12.74 μmol·（m2·s）-1。8時凈光合速率值最低。中午12時左右，香蒲、水蓼均出現光合午休現象，原因是中午溫度過高，導致植物氣孔關閉，CO2濃度降低，光合作用減弱或者停止[12]。不同的植物凈光合速率基本表現為上午高于下午，與香蒲和蘆葦相比，水蓼一日中的凈光合速率變化較大，說明水蓼能夠對環境變化作出快速響應，以減少高溫及高光照等不利條件對其造成的傷害，植物的這種日凈光合速率變化規律將直接影響他們的固碳釋氧能力[13]。

3.2 3種植物蒸騰速率日變化比較研究

從圖2可以看出，香蒲的蒸騰速率日變化呈雙峰曲線，峰值分別出現在10時和15時，分別為10.63 mmol·（m2·s）-1和6.43 mmol·（m2·s）-1，10時蒸騰速率最高，12—15時維持相對平穩的狀態，17時降至5.13 mmol·（m2·s）-1。蘆葦的蒸騰速率日變化呈單峰曲線，峰值出現在13時，為10.17 mmol·（m2·s）-1，隨后略有下降，到17時降至4.53 mmol·（m2·s）-1。水蓼的蒸騰速率日變化呈三峰曲線，3個峰值分別出現在10時、12時和15時，分別為21.30 mmol·（m2·s）-1、20.07 mmol·（m2·s）-1和20.53 mmol·（m2·s）-1，最高峰出現在10時。總之，水蓼在一日中蒸騰速率日變化最為劇烈，3種優勢植物日平均蒸騰速率由大到小依次為水蓼為16.23 mmol·（m2·s）-1、蘆葦6.43 mmol·（m2·s）-1、香蒲6.29 mmol·（m2·s）-1，在一日中蒸騰速率最低值均出現在8時。水蓼的蒸騰速率變化范圍是9.83～1.30 mmol·（m2·s）-1；蘆葦蒸騰速率變化范圍是2.63～10.17 mmol·（m2·s）-1；香蒲蒸騰速率變化范圍是3.00～10.63 mmol·（m2·s）-1。

圖2 3種優勢植物蒸騰速率日變化

3.3 3種植物固碳釋氧能力比較研究

植物固碳釋氧能力依賴光合作用來完成，光合作用強弱與固碳釋氧能力成正相關。植物固碳釋氧量可根據凈光合速率得出。不同植物的固碳釋氧量是不同的，所測的3種優勢植物的日固碳釋氧量見表1。

表1 3種植物固碳釋氧量

從表1可以看出，香蒲日光合總量為230.88 mmol·（m2·d）-1，固碳量為10.16 g·（m2·d）-1，釋氧量為7.16 g·（m2·d）-1；蘆葦日光合總量為431.76 mmol·（m2·d）-1，固碳量為19.00 g·（m2·d）-1，釋氧量為13.38 g·（m2·d）-1；水蓼日光合總量為331.02 mmol·（m2·d）-1，固碳量為14.56 g·（m2·d）-1，釋 氧 量 為10.26 g·（m2·d）-1。香蒲和蘆葦的固碳量、釋氧量在0.05水平上差異顯著；香蒲和水蓼的固碳量、釋氧量在0.05水平上差異不顯著；蘆葦和水蓼的固碳量、釋氧量在0.05水平上差異不顯著。3種優勢植物中日光合總量由大到小依次為蘆葦431.76 mmol·（m2·d）-1、水 蓼331.02 mmol·（m2·d）-1、香 蒲230.88 mmol·（m2·d）-1。固碳量從大到小為蘆葦19.00 g·（m2·d）-1、水蓼14.56 g·（m2·d）-1、香蒲10.16 g·（m2·d）-1。釋氧量從大到小分別為蘆葦13.38 g·（m2·d）-1、水蓼10.26 g·（m2·d）-1、香蒲7.16 g·（m2·d）-1。蘆葦和香蒲日固碳釋氧量相差約1.87倍。3種植物日光合總量范圍在230.88～431.76 mmol·（m2·d）-1、日固碳量范圍在10.16～19.00 g·（m2·d）-1、日釋氧量范圍在7.16～13.38 g·（m2·d）-1。可見，坑塘中不同的植物種類，其固碳釋氧量存在一定差異，原因可能與葉片接受光照的多少及葉片的結構有關[14]。故在坑塘綠化建設中，在同等舒適怡人的景觀環境下，應優先推廣固碳釋氧能力較強的植物。

3.4 3種植物降溫增濕能力比較研究

植物在進行光合作用的過程中，會生成一部分水，蒸發并釋放到周圍的大氣環境中，在此過程中，蒸發會吸收環境中的一部分熱量，進而降低局部溫度，增加空氣濕度，改善周圍的小氣候。這也就是植物在環境中所起的降溫增濕作用的基本原理[15]。不同植物降溫增濕效應是不同的，以蒸騰速率日變化曲線為基礎，計算出植物的降溫量和增濕量，所測的3種優勢植物降溫增濕能力見表2。

表2 3種植物降溫增濕量

從表2可以看出，香蒲的日蒸騰總量為228.88 mol·（m2·d）-1，降溫量為0.88 ℃，增濕量為13.64%；蘆葦的日蒸騰總量為236.92 mol·（m2·d）-1，降溫量為0.91 ℃，增濕量為14.12%；水蓼的日蒸騰總量為578.80 mol·（m2·d）-1，降溫量為2.23 ℃，增濕量為34.50%。香蒲和蘆葦的降溫量、增濕量在0.05水平上差異不顯著；香蒲和水蓼的降溫量、增濕量在0.05水平上差異顯著；蘆葦和水蓼的降溫量、增濕量在0.05水平上差異顯著；3種優勢植物中，日蒸騰總量從大到小為水蓼578.80 mol·（m2·d）-1、蘆葦236.92 mol·（m2·d）-1、香蒲228.88 mol·（m2·d）-1。降溫量由大到小依次為水蓼2.23 ℃、蘆葦0.91 ℃、香蒲0.88 ℃。增濕量分別是水蓼34.50%、蘆葦14.12%、香蒲13.64%。水蓼和香蒲降溫增濕量相差約2.52倍。參試植物日蒸騰總量范圍在228.88～578.80 mol·（m2·d）-1、降溫量范圍在0.88～2.23 ℃、增濕量范圍在13.64%～34.50%。

綜上，在坑塘綠地環境中，應選擇增濕能力較強的植物進行植物景觀配置，既實現美化環境，同時也增加了局部小氣候的濕度[16]。

4 討論

植物種類和外界環境條件是植物固碳釋氧和降溫增濕能力的主要影響因子。當外界環境因素相同時，主要與植物種類有關。本試驗數據表明，香蒲、蘆葦的凈光合速率日變化為雙峰、單峰曲線，10時是香蒲的最大峰值，為10.30 μmol·m-2·s-1，12時是蘆葦的最大峰值，為18.80 μmol·m-2·s-1。水蓼的凈光合速率日變化曲線為三峰曲線，最大峰值出現在13時，為20.27 μmol·m-2·s-1。香蒲和水蓼蒸騰速率日變化為雙峰、三峰曲線，最大峰值均出現在10時，分別為10.63 mmol·m-2·s-1、21.3 mmol·m-2·s-1，蘆葦蒸騰速率日變化為單峰曲線,最大峰值出現在13時，其值為10.17 mmol·m-2·s-1。

本研究中，日光合總量由大到小為蘆葦、水蓼、香蒲，固碳釋氧量由大到小也為蘆葦、水蓼、香蒲；日蒸騰總量由大到小為水蓼、蘆葦、香蒲，降溫增濕量由大到小也為水蓼、蘆葦、香蒲。這與植物光合速率越高、固碳釋氧能力越強，蒸騰速率越高，降溫增濕能力越強的結論是一致的。

從本試驗結果可以看出，在一天中同一株植物的凈光合速率、蒸騰速率在不同時刻的值存在差異，其隨著氣溫和光照強度變化而上下浮動，這與康紅梅等[17]的研究結果一致。綠色植物的固碳釋氧效應源于植物葉片的光合作用，降溫增濕效應源于葉片的蒸騰作用，故植物的固碳釋氧降溫增濕能力也隨著溫度和光強的變化而波動。

5 結 論

本研究利用便攜式光合測定儀，在自然條件下對3種優勢植物進行凈光合速率和蒸騰速率的測定，研究其固碳釋氧降溫增濕能力，得出以下結論：

香蒲、蘆葦、水蓼凈光合速率日變化曲線分別為雙峰、單峰、三峰，最大值分別出現在10時、12時、13時，其值分別是10.3 μmol·（m2·s）-1、18.8 μmol·（m2·s）-1、20.27 μmol·（m2·s）-1。香蒲、蘆葦、水蓼蒸騰速率日變化曲線分別為雙峰、單峰、三峰，最大值分別出現在10時、13時、10時，其值分別是10.63 mmol·（m2·s）-1、10.17 mmol·（m2·s）-1、21.3 mmol·（m2·s）-1。

日平均光合總量由大到小依次為蘆葦431.76 mmol·（m2·d）-1、水蓼331.02 mmol·（m2·d）-1、香蒲230.88 mmol·（m2·d）-1。日平均蒸騰總量由大到小依次為水蓼578.80 mol·（m2·d）-1、蘆葦236.92 mol·（m2·d）-1、香蒲228.88 mol·（m2·d）-1。

在相同條件下，固碳釋氧能力由大到小依次為蘆葦、水蓼、香蒲，其中固碳量分別為19.00 g·（m2·d）-1、14.56 g·（m2·d）-1、10.16 g·（m2·d）-1，釋氧量分別為13.38 g·（m2·d）-1、10.26 g·（m2·d）-1、7.16 g·（m2·d）-1，蘆葦的固碳釋氧能力是香蒲的1.87倍。

在相同條件下，降溫增濕效應由大到小依次為水蓼、蘆葦、香蒲，其中降溫量分別為2.23 ℃，0.91 ℃和0.88 ℃，增濕量分別為34.50%，14.12%和13.64%，水蓼的降溫增濕能力是香蒲的2.52倍。

無論是固碳釋氧能力還是降溫增濕能力最弱的均為香蒲。

綜上，由于不同植物的生理特性不同，因此植物的固碳釋氧、降溫增濕的能力也不一致[18]。建議在農村坑塘綠化植物選擇中，可優先選用蒸騰速率和光合速率較大的植物，而對于蒸騰速率和光合速率較小的植物，可作為點綴少量栽植。

本研究僅限于對單株植物單位葉面積的蒸騰能力和光合能力的測定，在進行植物配置設計時，還需進一步研究整株的蒸騰能力和光合能力，從而針對植物群落的整體固碳釋氧、降溫增濕效應進行分析計算；本試驗僅測定了3種優勢植物的固碳釋氧、降溫增濕能力以及細胞間隙CO2濃度、氣孔導度、葉面溫度等光合指標，并未對農村坑塘綠化的重要內容如植株的涵養水源、調節小氣候環境、吸附粉塵等指標進行測定。本研究僅針對北方農村坑塘溝渠3種優勢植物為試驗材料，研究其固碳釋氧、降溫增濕的能力，由于受到樣本數量的限制，因此其生態效益評估可能存在一定的誤差，今后還應該大量取樣，選擇更為豐富的植物群落，綜合考慮綠量等因素的影響，才能更好地為北方農村坑塘綠色植物的選擇提供充分的數據參考和理論依據。