劉敏敏,黃滿紅,楊振乾

(1.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201620; 2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院,湖南 410008)

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,全球的溫室效應(yīng)越來越嚴(yán)重.全球氣候變暖和其巨大的危害嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展,減少以二氧化碳為主的溫室氣體排放刻不容緩.而交通運(yùn)輸作為主要的碳排放源之一,是溫室氣體減排、緩解氣候變化的重要環(huán)節(jié).公路的綠化植物通過光合作用吸收二氧化碳的特殊生命活動(dòng)為減排提供了重要措施.植物最重要的功能之一是通過光合作用固碳放氧,通過吸收空氣中的CO2,在一定程度上減弱溫室效應(yīng)[1-2].目前,許多研究者對單種植物或植物小群落以及不同地區(qū)、不同類型園林植物進(jìn)行了光合速率的測定、固碳釋氧能力研究.如范亞民[3]以南寧青秀山城郊風(fēng)景區(qū)作為研究對象,對城郊綠地進(jìn)行系統(tǒng)研究,測定不同植被類型的光和作用、固碳釋氧和綠量.馮義龍等[4]對重慶市主城區(qū)綠地中園林植物群落調(diào)查及群落內(nèi)外溫濕度進(jìn)行測定,并根據(jù)干擾程度、綠地類型、組成結(jié)構(gòu)及郁閉度不同,分析比較群落的物種多樣性及其降溫增濕效應(yīng).陸貴巧等[5]對不同樹種各季節(jié)固碳釋氧能力進(jìn)行了研究與分析,得出了各樹種日固碳釋氧能力變化為夏季>秋季>春季的結(jié)論.趙萱等[6]測定不同地被植物光合生理生態(tài)指標(biāo),并對其固碳釋氧與降溫增濕效應(yīng)進(jìn)行了量化研究.本研究在他人研究的基礎(chǔ)上對南方某公路中主要綠化植物固碳釋氧與降溫增濕效益進(jìn)行了研究,并初步分析了氣孔導(dǎo)度和葉綠素與它們的凈同化量、固碳量與釋氧量之間的相關(guān)關(guān)系,以期為公路綠化樹種的選擇和配置提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

該區(qū)屬北亞熱帶季風(fēng)氣候,溫和濕潤,四季分明.年平均氣溫10.4 ℃,最高氣溫38.2 ℃,最低氣溫零下10.5 ℃,無霜期230 d.年平均降水量1 003.2 mm,雨日137 d.6～7月有梅雨,平均20 d左右.夏秋常有臺風(fēng)過境,平均每年1.5次.局部地區(qū)有時(shí)有龍卷風(fēng)、冰雹為害.秋冬多霧.易澇少旱.

1.2試驗(yàn)材料

對該區(qū)公路現(xiàn)有的植物種類進(jìn)行實(shí)地調(diào)查,選擇了上海市綠化中使用頻度較高的植物:香樟(Cinnamomumcamphora(Linn.)Presl)、珊瑚(Aucubaeriobotryaefolia)、棕櫚(Trachycarpusfortunei)、廣玉蘭(magnoliagrandiflora-linn)、石楠(Photiniaglabra)、紅葉石楠(Photiniaserrulata)、灑金東瀛珊瑚(Aucubajaponicavar.variegataD'Om-Brain)、麥冬(RadixOphiopogonis)、常春藤(Hederahelix)、扶芳藤(EuonymusfortuneiHand.-Mazz)共10種植物.

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 光合速率和氣孔導(dǎo)度的測定

采用美國Li-Cor公司生產(chǎn)的Li-6400便攜式光合儀進(jìn)行測量.選擇3～5月晴朗、無風(fēng)的天氣情況下,在自然光照條件下,從8:00～18:00每隔2 h測量1次.每次每個(gè)樹種選健康植株3株,隨機(jī)選取樹木的向陽面中部的3～5片葉進(jìn)行測定,待系統(tǒng)穩(wěn)定后,每片葉取3～6個(gè)瞬時(shí)光合速率值(Pn)和氣孔導(dǎo)度的值(Cs).進(jìn)行測試時(shí)葉室要將葉片夾緊,保證密封.

測定在不同的時(shí)間點(diǎn)光強(qiáng)度不同,從8:00～18:00每隔2 h測量1次的光強(qiáng)度分別為:918.18、1 004.89、1 455.67、1 018.45、887.95、205.98 μmol·m-2·s-1.測定時(shí)采用普通葉室,葉室的面積是固定的3 cm×2 cm,測定時(shí)保證葉片充滿葉室就可確定測定的面積是6 cm2.測定針狀葉片時(shí),采用多個(gè)葉片并列不能存在縫隙的方法進(jìn)行,保證葉片填滿葉室,測定面積是6 cm2.

用當(dāng)日凈同化量計(jì)算公式計(jì)算樹種當(dāng)日凈同化量,將樹木當(dāng)日凈同化量換算成固定CO2量、釋放O2量.

1.3.2 葉綠素的測定

取所測的10種植物的新鮮葉片,洗凈后用吸水紙吸干表面水分,作為試驗(yàn)材料.將干凈葉片剪碎后,準(zhǔn)確稱取0.5 g(精確到0.1 mg),放入50 mL 比色管中,加入25 mL提取液.葉綠素提取液為:95% 丙酮—乙醇(用體積比為2∶1 的丙酮—無水乙醇混合液配成95% 的水溶液).比色管加塞放置于25 ℃生化培養(yǎng)箱內(nèi)暗中提取葉綠素.每種提取方法重復(fù)3 次.采用分光光度計(jì)測定其含量,計(jì)算提取液中葉綠素濃度,換算為每克鮮葉葉綠素含量mg·g-1鮮重.

1.3.3 固碳釋氧能力計(jì)算方法

在植物光合作用日變化曲線中,其同化量是凈光合速率曲線與時(shí)間橫軸圍合的面積[7].以此為基礎(chǔ),設(shè)凈同化量為P,通常用以下公式計(jì)算固碳釋氧量[8].各種植物在測定當(dāng)日的凈同化量計(jì)算公式為:

其中:P為測定日的凈同化總量,單位為mmol·m-2·s-1;Pi是初測點(diǎn)的瞬時(shí)光合作用速率;Pi+1為下一測點(diǎn)的瞬時(shí)光合作用速率,單位為μmol·m-2·s-1;ti是初測點(diǎn)的瞬時(shí)時(shí)間;ti+1是下一測點(diǎn)的時(shí)間,單位為h;j為測試次數(shù).

植物固碳(CO2)釋氧量的計(jì)算,用測定日的同化量換算為測定日固定CO2量,公式[8]:

WCO2=P·44/1000,

式中:44為二氧化碳的摩爾質(zhì)量,單位為g·mol-1;WCO2為單位面積的葉片固定CO2的質(zhì)量,單位為g·m-2·d-1.

同時(shí)根據(jù)植物光合作用過程反應(yīng)式[7]:CO2+4H2O→CH2O+3H2O+O2,可計(jì)算出該測定日植物釋放氧氣的質(zhì)量,公式為:

WO2=P·32/1000,

式中:32為氧氣的摩爾質(zhì)量,單位為g·mol-1;WO2為單位面積的葉片固定CO2的質(zhì)量單位為g·m-2·d-1.

1.3.4 降溫增濕量能力計(jì)算方法

測定植物的蒸騰速率,從而求得植物的日釋放水量和降低的溫度,計(jì)算公式如下[6].設(shè)日蒸騰總量為E,各種植物在測定當(dāng)日蒸騰總量的計(jì)算公式為:

其中:E為測定日的蒸騰總量,單位為mmol·m-2·s-1;ei為初測點(diǎn)的瞬時(shí)蒸騰作用速率;ei+1為下一測點(diǎn)的瞬時(shí)蒸騰作用速率,單位為μmol·m-2·s-1;ti為初測點(diǎn)的瞬時(shí)時(shí)間;ti+1為下一測點(diǎn)的時(shí)間,單位為h;j為測試次數(shù).

設(shè)每平方米葉片在一天中因蒸騰作用散失水分而吸收的熱量為Q,公式:

Q=E×L×18,

式中:Q為單位葉面積每日吸收的熱量,單位為J·m-2·s-1.L為蒸發(fā)耗熱系數(shù)(L=2 495-2.38×t,t為測定日葉面溫度),單位為J·g-1·℃-1.由此可計(jì)算出各植物每平方米葉片在測定日吸收熱量的值.

降溫的公式[9]如下:

ΔT=Q/(pc×v),

式中:ΔT為降溫值,單位℃;pc為空氣的容積熱容量,單位為J·m-3·h-1,v為空氣柱體積,單位為m3.

2 結(jié)果與分析

2.1 光合作用和氣孔導(dǎo)度日變化曲線

植物總是生活在某種特定環(huán)境中,并且與外界環(huán)境之間不斷地進(jìn)行著物質(zhì)能量交換.由于影響光合作用的環(huán)境因子(溫度、光照、水分等)在一天中發(fā)生明顯的變化,因此光合速率也呈現(xiàn)出相應(yīng)的變化規(guī)律[10].春季大部分植物葉未完全展開,因葉齡較低,生理代謝功能較弱,因此光合速率較低.一天中隨著光合有效輻射和溫度的升高,其凈光合速率的值逐漸增大.

對10種植物的凈光合速率的日變化和氣孔導(dǎo)度進(jìn)行了測定,繪制了植物的凈光合速率和氣孔導(dǎo)度日變化曲線,日變化曲線見圖1、2.

圖1 常綠植物光合速率日變化曲線

圖2 常綠植物氣孔導(dǎo)度日變化曲線

從圖1中可以看出,除珊瑚外的植物的凈光合速率日變化曲均呈雙峰曲線.扶芳藤的凈光合速率明顯高于其他植物,扶芳藤在早上10:00時(shí)達(dá)到第一個(gè)高峰,值為8.62 μmol·m-2·s-1,第二個(gè)峰值是在下午14:00左右出現(xiàn),值是5.45 μmol·m-2·s-1,在12:00時(shí)凈光合速率值明顯下降.扶芳藤的凈光合速率最小值在下午18:00左右達(dá)到2.01 μmol·m-2·s-1,最大值與最小值相差6.61 μmol·m-2·s-1,扶芳藤相較于其他植物而言在測定的一天中變化幅度是最大的.珊瑚的凈光合速率日變化曲線呈單峰,在10:00左右出現(xiàn)峰值7.92 μmol·m-2·s-1.草本植物麥冬的凈光合速率明顯低于其他植物.總的來看,藤本植物扶芳藤和常春藤的凈光合速率較大,而草本植物麥冬的凈光合速率較低.

從圖2可以看出,珊瑚的氣孔導(dǎo)度日變化曲線呈單峰曲線,其他植物均呈雙峰曲線.扶芳藤和常春藤的氣孔導(dǎo)度值明顯高于其他植物,麥冬的氣孔導(dǎo)度值較低,第1個(gè)峰值出現(xiàn)在10∶00左右,值分別為0.092、0.063、0.023 mol H2O·m-2·s-1,扶芳藤和常春藤在16∶00左右出現(xiàn)第2個(gè)峰值,而麥冬的第2個(gè)峰值出現(xiàn)在14∶00左右.

從圖1和圖2可以看出,10種植物除了個(gè)別植物,其他植物光合速率和氣孔導(dǎo)度的日變化曲線均表現(xiàn)為雙峰曲線或近似雙峰曲線,植物的氣孔導(dǎo)度的日變化趨勢與光合速率的日變化趨勢大體相同.常綠植物中的草本植物凈光合速率最低,藤本植物比其他植物高.光合速率和氣孔導(dǎo)度的第1個(gè)峰值多出現(xiàn)在10∶00左右,第2個(gè)峰值多出現(xiàn)在14∶00～16∶00之間.在中午12∶00時(shí)多數(shù)植物凈光合速率的日變化出現(xiàn)“光合午休”現(xiàn)象.中午隨著光合有效輻射的增強(qiáng),多數(shù)植物出現(xiàn)光合午休現(xiàn)象.這可能是在高光強(qiáng)下,大氣濕度降低,水分的過度消耗造成氣孔關(guān)閉[11]、氣孔傳導(dǎo)率下降[11],而氣孔關(guān)閉導(dǎo)致二氧化碳供應(yīng)不足從而導(dǎo)致光合作用減弱.

2.2 固碳釋氧結(jié)果分析

植物通過光合作用來實(shí)現(xiàn)固碳釋氧的能力,對于降低溫室效應(yīng)、改善環(huán)境質(zhì)量具有重要意義.不同的樹種因生理特性不同,同化CO2和釋放O2的能力亦有差異[13].不同植物固碳釋氧能力是不同的,所測的10種植物的固碳釋氧量見表1.

表1 10種植物單位葉面積日固碳釋氧量

從表1可以看出,在10種植物中扶芳藤、珊瑚、常春藤的固碳釋氧量較高,固碳量分別為9.1、8.93、8.25 g/m2,釋氧量分別為6.62、6.49、6.0 g/m2.而棕櫚、麥冬的固碳釋氧量最低.而扶芳藤的固碳量約是麥冬的2倍.日固碳釋氧量最低的是草本植物麥冬,而藤本植物比其他植物高.

10種植物單位葉面積總體日固碳釋氧量大小排序?yàn)?扶芳藤、珊瑚、常春藤、石楠、香樟、廣玉蘭、灑金東瀛珊瑚、紅葉石楠、棕櫚、麥冬.

2.3 降溫增濕結(jié)果分析

從表2可以看出,各植物之間日蒸騰吸熱量與釋水量的順序?yàn)?石楠>麥冬>扶芳藤>珊瑚>廣玉蘭>常春藤>香樟>灑金東瀛珊瑚>紅葉石楠>棕櫚.其中以麥冬的蒸騰吸熱量最高,為2406.88 kJ·m-2,日釋水總量為991.10 g·m-2,降溫度數(shù)能達(dá)到0.19 ℃.最弱的是棕櫚,蒸騰吸熱量僅有943.69 kJ·m-2,日釋水總量僅有388.61 g·m-2,降溫度數(shù)只有0.075 ℃.總的來看,草本植物麥冬的蒸騰吸熱量和日釋水總量最高,最低的是棕櫚.

2.4 葉綠素的測定

不同植物的葉綠素含量不同,而植物的光合速率與葉綠素的含量有關(guān),對植物葉片的葉綠素進(jìn)行測定,測定結(jié)果見表3.

表2 10種植物單位葉面積的日蒸騰釋水量及日蒸騰吸熱量

表3 10種植物葉片單位質(zhì)量的葉綠素含量

由表3可以看出,所測的10種植物中扶芳藤葉片的單位質(zhì)量的葉綠素含量最高,值為10.34 mg·g-1,最低的是棕櫚,值為2.06 mg·g-1.扶芳藤的葉片的單位質(zhì)量的葉綠素含量是棕櫚的5倍.植物葉片的單位質(zhì)量的葉綠素的含量從高到低是扶芳藤、常春藤、珊瑚、石楠、紅葉石楠、灑金東瀛珊瑚、廣玉蘭、麥冬、香樟和棕櫚.

2.5 相關(guān)性分析

植物的葉綠素、固碳釋氧和降溫增濕能力之間的相關(guān)關(guān)系用SPSS進(jìn)行分析,結(jié)果如表4.

表4 相關(guān)性分析

由表4可知,凈同化量、釋氧量和固碳量三者的相關(guān)性系數(shù)是1,日蒸騰總量、日釋水量、蒸騰吸熱量和降溫度數(shù)的相關(guān)性系數(shù)是0.997～1.降溫增濕與固碳釋氧量和葉綠素的相關(guān)性系數(shù)分別是0.235和0.387,相關(guān)性較低.葉綠素同固碳釋氧量的相關(guān)性是0.641,二者之間具有中強(qiáng)度相關(guān)性.

3 結(jié) 論

大多數(shù)植物的凈光合速率和氣孔導(dǎo)度的日變化曲線均呈雙峰曲線,光合速率的第一個(gè)峰值多出現(xiàn)在10∶00左右,第二個(gè)峰值多出現(xiàn)在14∶00～16∶00之間.固碳釋氧量、凈同化量和固碳量與葉綠素含量具有較好的相關(guān)性(P<0.05).凈光合速率與氣孔導(dǎo)度的日變化趨勢相似.

不同綠化樹種固碳釋氧和降溫增濕能力有一定的差異,在測試的10種植物中扶芳藤和常春藤的固碳釋氧和降溫增濕能力最強(qiáng),而紅葉石楠、棕櫚的固碳釋氧和降溫增濕能力最弱.在公路綠化時(shí),可以優(yōu)先選取固碳釋氧和降溫增濕能力相對較強(qiáng)的植物.而對于固碳釋氧和降溫增濕能力相對較弱的植物,可以作為點(diǎn)綴樹種少量種植.在進(jìn)行綠化樹種配置設(shè)計(jì)時(shí),還要考慮具體植物的綠量,對整棵樹的固碳釋氧和降溫增濕能力進(jìn)一步研究.

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