成都市沙河主要绿化树种固碳释氧和降温增湿效益

张艳丽，费世民，李智勇，孟长来，徐 嘉

(1.中国林业科学研究院，北京 100091;2.四川省林业科学研究院，成都 610081)

21世纪城市应与大自然和谐共处，城市河流要更好的协调城市发展与环境的关系。河流廊道作为城市生态系统的重要组成部分，发挥着改善城市地域内生态环境的重要作用。植物通过光合作用发挥固碳释氧和降温增湿的功能，对改善城市空气质量，实现城市生态系统良性循环具有重要意义［1-2］。因此，在进行河流植物廊道规划时，不仅要考虑植物的美学功能，更应注重其生态效益的发挥，但同样作为当地城市的主要植物，生态功能差别比较明显，且相同树种在不同地区所表现出的生态功能也大不相同［3-5］。近年来，对城市河流植物廊道的研究主要集中在植物群落植物配置等方面，而在生态功能定量化的研究还很少。本文对成都市沙河植物廊道的主要绿化树种进行研究，以期对成都市河流廊道绿化树种的合理配置及环境效益的定量评价提供科学依据，为今后城市森林特别是沿河流人工植物群落的建设和改造提供参考。

1 研究方法

1.1 试验材料

在对成都市沙河植物廊道现有的植物种类和生长状况进行调查与分析的基础上，根据树种出现的频率及重要值等综合特征，选择水杉、天竺桂、香樟、垂柳、桂花、山杜英、银杏和黄葛树8种健康的成林植株作为试验材料(表1)。

表1 试验材料Table 1 Experimental materials

1.2 三维绿量的测定

根据实际情况，为计算方便将树体近似的看作立方体。测定乔木树种的冠幅和冠高，采用俞慧珍和叶年山［6］的径-高树冠绿量方程(表2)计算三维绿量。

为消除测量过程中偶然误差的影响，采取多次测量求平均值的方法，使测量结果尽可能的精确。以被测树为中心，在东南、西北方向上分别用测高仪测定株高X1，X2，根据树高H=(X1+X2)/2，求出平均树高H。再用皮尺或用测高仪(适用于冠下高较高的树种)测出冠下高H1，根据冠高h=H-H1，求出冠高。

在树冠边缘上任取一点，经树干横截面圆心取与之相对的另一点，测两点间的距离D。重复3次，分别测得Dl、D2、D3。根据D=(D1+D2+D3)/3，计算得到平均冠幅D。

1.3 树种叶面积的估算

本次研究采用以下树木叶面积回归模型估算不同树种的叶面积量［7］:

式中，Y为叶面积总量;H为树冠高度;D为树冠直径;S1=πD(H+D)/2

表2 三维绿量计算公式Table 2 Formula of Tridimensional Green Biomass

植物所覆盖的的土地面积为植物树冠投影面积S2(m2):S2=1/4πD2。因此，单株叶面积指数的计算公式为:ILA=Y/S2

1.4 固碳释氧量的测定

根据植物光合作用原理，植物的固碳释氧、降温增湿效应的计算，依赖于对植物光合速率及蒸腾速率的测定。在树木生长季，从阔叶树种长出的叶达到仪器测量范围(盖满整个叶室)开始。在2009年具有代表性的4月、7月、10月各选1周，于晴朗、无风的天气情况下，在自然光照条件下，从8:00到18:00，每隔2 h用LI-6400XT型光合仪进行观测。同一样地内选择健康植株3株，每株取3片叶，随机选取树木向阳面中部的叶片进行测定。待系统稳定后，每片叶取5个瞬时光合速率值。

用简单积分法求得植物叶片在1d内的净同化量。植物在测定当日的净同化量计算公式为［8-11］:

式中，p为测定日的同化总量(mmol·m-2·s-1);pi为初测点的瞬时光合作用速率;pi+1为下一测点的瞬时光合作用速率(μmol·m-2·s-1);ti为初测点的瞬时时间(h);ti+1为下一测点的时间(h);j为测试次数。3600指每小时3600s;1000 指1mol为1000μmol。

用测定日的同化总量换算为测定日固定CO2量为:

式中，44为二氧化碳的摩尔质量;WCO2为单位面积的叶片固定CO2的质量(g·m-2·d-1)

根据光合作用的反应方程CO2+4H2O→CH2O+3H2O+O2，可计算出该测定日植物释放O2的量为:

(1)某植物单位叶面积平均每天吸收CO2和释放O2量的计算公式:

式中，WCO2平均为某植物单位叶面积平均每天释放O2量(g);WO2平均为某植物单位叶面积平均每天吸收CO2量;P平均为平均单位面积的日同化量(g·m-2·d-1)。

(2)单株植物单位土地面积上的日固碳释氧量为:

式中，ILA为单株叶面积指数;QCO2为日固定CO2的量(g·m-2·d-1);QO2为日释放O2的量(g·m-2·d-1)。

(3)植物年吸收CO2和释放O2总量的计算公式:

因为降雨量大于5 mm/d时，植物光合作用积累量与呼吸作用消耗量大致相抵。据成都市30a的气象数据显示，成都市一年中平均降雨量超过5 mm的天数为41.9 d，无霜冻期287 d，植物生长期252.6 d。由3月16日—11月22日的生长期中平均有40 d降雨量超过5 mm，因此植物1a实际进行光合作用的天数为212.6 d。

1.5 降温增湿的测定

根据植物光合作用原理，蒸腾作用和光合作用的推动力都是太阳辐射能，水分的散失与CO2的吸收大体上经过相同的途径(方向相反)。液态的水经过植物的蒸腾作用，由叶片的气孔和角质层以气态形式散发到空气中，并从环境中吸收热量，降低周围环境中的温度，增加湿度，从而达到改善周围环境小气候条件的作用。具体测定同固碳释氧的测定。

(1)某天某种植物单位叶面积降温增湿的量

式中，E为该植物在该测定日的蒸腾总量(mol·m-2·d-1);ei为初测点的瞬时蒸腾作用速率(mmol·m-2·s-1);ei+1为下一测点的瞬时蒸腾作用速率(mmol·m-2·s-1);ti为初测点的测试时间(h);ti+1为下一测点的时间(h);j为测试次数。3600指每小时3600s;1000指1mol为1000μmol。

用测定日的蒸腾总量换算为测定日释放水的质量为:

式中，18为水的摩尔质量(g·m-2·d-1)。

每平方米叶片在一天中因蒸腾作用散失水分而吸收的热量Q为:

式中，Q为单位叶面积每日吸收的热量(J·m-2·d-1);W为植物日蒸腾总量(g·m-2·d-1);L为蒸发耗热系数(L=597-0.57×t，t为温度);4.18J=1Cal。测定日的 t值4 月为17.5℃，7 月为30.6℃，10 月为 26.6℃。

(2)某种植物单位叶面积日平均降温增湿的量

式中，WH2O平均为某植物单位叶面积平均每天释放H2O量(g);Q为某植物单位叶面积平均每天吸收的热量(kJ·m-2·d-1);E平均为单位面积的日平均蒸腾量(mol·m-2·d-1)。

护理礼仪属于职业礼仪范畴，是护理工作者在进行医疗护理和健康服务过程中形成的被大家公认的和自觉遵守的行为规范与准则[1]。随着医学模式的转变，护士不仅要掌握专业知识和技能，还要具备一定的人文修养[2]，为患者提供更优质的护理服务，避免护患纠纷的发生；不仅具备娴熟的技能和较强的病情观察能力，还应具有良好的职业礼仪素质与沟通能力。护理礼仪与人际沟通是培养护理专业学生职业礼仪素质和沟通能力的一门人文学科。为了解护生对本课程教学的满意度，笔者对我院2013级大专护生进行了教学满意度调查，现报告如下。

(3)绿地蒸腾降温作用的计算

考虑到空气的湍流、对流和辐射作用，空气与叶面之间及空气微气团之间不断地进行热量扩散和交换，取底面积为10 m2、厚度为100 m的空气柱作为计算单元。在此空气柱体中，因植物蒸腾消耗热量(Q)是取自于周围1000 m3的空气柱体，故使气柱温度下降。气温下降值用下式表示:

式中，Q为绿地植物蒸腾使其单位体积空气损失的热(J·m-3·h-1);pc为空气的容积热容量(1256 J·m-3·h-1)。

2 结果与分析

2.1 叶面积指数分析

由表3可知，各树种三维绿量除山杜英、水杉差异不显著，其他差异较显著，而单株叶面积除香樟和黄葛树差异不显著，其他差异较显著。垂柳的三维绿量最高，为42.86 m3，依次是香樟、黄葛树、银杏、桂花、天竺桂、水杉，山杜英的三维绿量最低，为3.12 m3。单株叶面积，垂柳最高为49.71 m2，其次是黄葛树、香樟、银杏、天竺桂、桂花、水杉，山杜英最低为8.69 m2。表明植株三维绿量越大，其总叶面积就越大。叶面积大小对净化空气、防污滞尘、降低噪音等综合环境效应有很大影响，因此应当多选择单株叶面积较大的树种以增加对环境的贡献率。叶面积指数水杉最高，为8.01，依次为银杏、山杜英、香樟、垂柳、天竺桂、黄葛树，桂花最低为2.86。水杉的平均单位体积叶面积最高为4.62 m2/m3，依次是天竺桂、山杜英、桂花、银杏、黄葛树，垂柳最低为1.16 m2/m3，这反映了水杉枝叶茂密，树冠郁闭度较高;垂柳枝叶相对分散，导致其单位体积内的叶面积最低。单位体积叶面积取决于该植株单位体积的大小，因此叶面积大，其单位体积叶面积不一定大。

表3 单株三维绿量、叶面积、叶面积指数、单位体积叶面积Table 3 Tridimensional green biomass，leaf area，leaf area index and leaf area per unit volme of each tree

2.2 固碳释氧能力分析

2.2.1 各季节日固碳释氧量分析

不同植物在同一季节的单位叶面积固碳释氧量有明显差异(表4)。在春季，香樟具有较高的固碳释氧量，从大到小的排列顺序是:香樟＞黄葛树＞山杜英＞天竺桂＞桂花＞垂柳＞银杏＞水杉。夏季，垂柳具有较高的固碳释氧能力，从大到小顺序有所变动，排列顺序为:垂柳＞黄葛树＞桂花＞香樟＞山杜英＞银杏＞水杉＞天竺桂。秋季，桂花的固碳释氧较强，从大到小排列顺序为:桂花＞垂柳＞香樟＞山杜英＞黄葛树＞天竺桂＞银杏＞水杉，落叶树种银杏、水杉、垂柳和黄葛树的光合速率下降很多，这跟其生长周期有关。

单株植物单位土地面积上的日固碳释氧量:春季，香樟最高，固碳释氧分别为29.07 g·m-2·d-1和21.14 g·m-2·d-1，水杉最低，分别为10.83 g·m-2·d-1和7.87 g·m-2·d-1;顺序为香樟＞山杜英＞黄葛树＞银杏＞天竺桂＞垂柳＞桂花＞水杉。夏季，水杉最高，固碳释氧分别为100.52 g·m-2·d-1，和73.11 g·m-2·d-1，天竺桂最低分别为11.62 g·m-2·d-1和8.45 g·m-2·d-1;顺序为水杉＞山杜英＞银杏＞垂柳＞香樟＞黄葛树＞桂花＞天竺桂。秋季，垂柳最高，固碳释氧分别为46.52 g·m-2·d-1和33.83 g·m-2·d-1，天竺桂最低，分别为22.44 g·m-2·d-1和16.32 g·m-2·d-1;顺序为:垂柳＞桂花＞山杜英＞水杉＞香樟＞银杏＞黄葛树＞天竺桂。

用日均净光合速率来分析8种植物日固碳释氧量的季节变化，不同植物表现出不同的变化规律。3个季节植物生长的固碳释氧量夏季最高(表4)，树种各季节的固碳释氧能力表现出夏季＞秋季＞春季。

2.2.2 年固碳释氧能力分析

由表5可知，不同树种间的年固碳释氧效应差异明显。其中，平均单位面积的日同化量，桂花最高，为287.40 mol·m-2·d-1，在固碳释氧能力上也高于其他树种，平均日固碳量为12.65 g·m-2·d-1，释氧量为9.20 g·m-2·d-1;其次为垂柳，平均日固碳量为12.65 g·m-2·d-1，释氧量为9.20 g·m-2·d-1;水杉最低，平均日固碳量为6.46 g·m-2·d-1，释氧量为4.70 g·m-2·d-1。单位叶面积平均每天固碳释氧顺序为:桂花＞垂柳＞香樟＞黄葛树＞山杜英＞银杏＞天竺桂＞水杉。植物年固碳释氧总量垂柳最高，分别为131.30 kg和95.49 kg;水杉最低，分别为20.89 kg和15.19 kg。年固碳释氧顺序为:垂柳＞香樟＞黄葛树＞银杏＞桂花＞天竺桂＞水杉＞山杜英。计算结果表明，所测试树种白天固定CO2的质量平均为10.10 g·m-2·d-1，释放O2的质量平均为7.43 g·m-2·d-1。年固定CO2的质量平均为60.19 kg株-1，释放 O2的质量平均为43.77 kg/株。

表4 树种各季节日固碳释氧能力Table 4 Daily carbon sequestration and oxygen release capabilities of trees in different seasons

表5 树种年固碳释氧能力Table 5 Annual carbon sequestration and oxygen release capabilities of trees

2.3 降温增湿能力分析

2.3.1 各季节日降温增湿能力分析

本文通过测定各树种在春、夏、秋三季的蒸腾速率日变化来估算单位叶面积降温增湿能力，结果表明，在同一季节不同植物有明显差异，而同一植物在不同季节也有明显变化。

从表6可以看出，春季，银杏蒸腾吸热量最高，为2007.16 kJ·m-2·d-1，日释水总量为817.99 g·m-2·d-1，降温度数能达到0.13℃。最弱的是桂花，蒸腾吸热量仅有605.31 kJ·m-2·d-1，日释水总量仅有246.68 g·m-2·d-1，降温效果只有0.04℃。从大到小排列顺序为:银杏＞垂柳＞水杉＞山杜英＞香樟＞黄葛树＞天竺桂＞桂花。夏季，水杉的蒸腾吸热量最高，为8931.20 kJ·m-2·d-1，日释水总量为3686.69 g·m-2·d-1，降温度数能达到0.59℃。最弱的是桂花，蒸腾吸热量仅有4922.41 kJ·m-2·d-1，日释水总量仅有2031.91 g·m-2·d-1，降温效果只有0.33℃。从大到小排列顺序为:水杉＞山杜英＞天竺桂＞垂柳＞黄葛树＞香樟＞桂花＞银杏。秋季，垂柳蒸腾吸热量最高，为3870.85 kJ·m-2·d-1，日释水总量为1882.82 g·m-2·d-1，降温度数能达到0.26℃。最弱的是银杏，蒸腾吸热量仅有988.96 kJ·m-2·d-1，日释水总量仅有985.41 g·m-2·d-1，降温效果只有0.07℃。从大到小排列顺序为:垂柳＞山杜英＞水杉＞香樟＞黄葛树＞天竺桂＞桂花＞银杏。

用日蒸腾量来分析8种植物降温增湿的季节变化，不同植物表现出不同的变化规律。通过对3个季节植物生长的降温增湿量，树种夏季的降温增湿量最高(表6)，树种各季节的降温增湿能力表现出夏季＞秋季＞春季。

表6 树种各季节日降温增湿能力Table 6 Daily heat absorbing and water releasing capabilities of trees in every seasons

2.3.2 单位叶面积日平均降温增湿能力分析

整株植物的日蒸腾释水量取决与其单位叶面积日蒸腾量，因此植物的生态效益与物种的生态学特征紧密相关。由表7可以看出，不同树种间的单位叶面积日平均蒸腾量、平均日释水量和日平均蒸腾吸热量差异明显，均为垂柳最高，分别为112.46 mol·d-1·m-2、2024.27 g·d-1·m-2、4931.38 kJ·d-1·m-2，最低为桂花，分别为53.58 mol·d-1·m-2、964.40 g·d-1·m-2、2349.40 kJ·d-1·m-2。从高到低的顺序为垂柳＞山杜英＞水杉＞天竺桂＞黄葛树＞香樟＞银杏＞桂花。降温增湿能力，垂柳最强。所以垂柳能发挥较好的生态功能适宜大面积绿化。

植物由于蒸腾作用使其周围空气降温程度因植物蒸腾作用强弱而不同，蒸腾最强的垂柳可使其周围1000 m3空气降温0.33℃;水杉和山杜英可使周围1000 m3空气降温0.28℃;蒸腾最弱的桂花可使周围1000 m3空气降温0.16℃，银杏的降温值与其相近为0.17℃。顺序从高到底依次为垂柳、山杜英、水杉、天竺桂、黄葛树、香樟、银杏、桂花。这个降温值，是在充分考虑了大气的对流、湍流、辐射产生的热量交换的基础上做出的。所测试树种白天释放的H2O质量平均为1470.78 g·d-1·m-2，吸收热量平均3426.60 kJ·d-1·m-2。相当于每公顷森林叶面积上每天蒸腾14.71 t的H2O，消耗3426.60 kJ的热能。

表7 树种单位叶面积日平均降温增湿能力Table 7 Daily average heat absorbing and water releasing capabilities of per unit leaf areaof trees

3 结论与讨论

不同树种各季节固碳释氧能力有一定的差异，同一树种在不同的生长季节也有差异。所测树种固碳释氧能力表现为夏季＞秋季＞春季，这与陆贵巧［14］在大连和李永杰［15］在北京的研究结果相一致。而史晓丽［16］研究北京的行道树认为树种在不同季节固碳释氧量的总体变化趋势表现为夏季＞春季＞秋季。在夏季，垂柳具有较高的日固碳释氧能力，其次是香樟和银杏，这与王丽勉［5］在上海地区的研究结果一致。绿色植物的固碳释氧效应源于植物叶片的光合作用，是通过叶片表面与周围环境产生交流与相互作用完成的。单株叶面积和叶面积指数反应树木叶片的疏密程度，叶面积指数越大，说明单位土地上的叶面积越多，叶片的层叠程度越大，对光能可形成多层利用，减少了光能的浪费［9］。因此，对于整株植物的固碳释氧量不仅取决于白天的净光合速率和其夜间呼吸，还取决于该树种叶面积指数。同时人工修剪量、凋落物量和动物取食量的大小也是影响因素［17］。绿量研究、简易测定及环境效益之间的量化关系可为城市河流廊道的规划提供一定的理论依据［18］。因此，在评价绿地固碳释氧效应时，不能仅以植物的光合作用能力为评价指标，还应将植物绿量纳入综合考虑。研究结果表明，三维绿量与生态效益的高低总体来说成正比关系，即三维绿量越大，生态效益相对越好，这与陈芳［19］提出的绿量是反映及衡量绿色环境生态功效的结论是一致的。垂柳的年固碳释氧能力居所测树种之首，虽然其单位叶面积的日固碳释氧量不高，但其叶面积指数远高于其他树种，使得单株固碳释氧能力得到较大的提高，因此是植物配置中比较优秀的乔木树种。香樟的年固碳释氧能力也较强，因此，樟柳配置模式在改善空气质量方面具有较好的效果，是兼具生态效益和景观效果的绿化配置模式。桂花四季常青，枝叶繁茂，树龄长久，秋季开花，芳香四溢，其单位叶面积固碳释氧量居乔木之首，又因其强耐烟尘，抗污染及抗有毒气体能力，且适应粗放管理，具有较强的综合生态效应，应在城市绿地中大力推广。

植物的另一功能是降温增湿，植物一方面阻挡阳光，减少到达地面的辐射热量;另一方面通过蒸腾作用吸收周围环境中的热量降低空气温度，同时向环境中释放水分增加空气湿度，从而调节小气候［20］。因此，植物对城市热岛效应可以起到缓解作用，实现城市生态系统的良性循环。整个生长季节同一树种各季节的降温增湿能力表现出夏季＞秋季＞春季。而汪成忠［21］的研究则与本文的结果不一致，桂花的降温增湿能力表现为夏季＞春季＞秋季，这可能与所处的地理位置，生态环境有一定的关系。研究区乔木树种单位叶面积日平均蒸腾量、平均日释水量和日平均蒸腾吸热量，从高到低的顺序为:垂柳＞山杜英＞水杉＞天竺桂＞黄葛树＞香樟＞银杏＞桂花。由于垂柳年固碳释氧和年降温增湿能力优于其他树种，能发挥较好的生态功能，所以垂柳可在河流群落树种的选择中作为优选树种。

根据树种的固碳释氧和降温增湿能力，在树种选择时乔木树种优选垂柳、桂花、山杜英、香樟，而银杏的固碳释氧和降温增湿能力较弱，可作为长寿树种和观赏树种适量引种，不宜大面积绿化。沙河绿化树种中有高大乔木12.2×104株，如果按所测树种每株年固碳释氧量的平均值计算，沙河植物群落年总固碳量约为5.87×104t，总释氧量约为4.27×104t。因此，就研究区乔木树种而言，固碳释氧和蒸腾吸热量相当可观。

本文只针对乔木树种进行了实地测定，虽然灌木和草本植物在固碳释氧和降温增湿上不如乔木，但植物群落除了具有良好的生态效益外，还应兼顾景观多样性。因此，在河流廊道建设中，应以乔木为主，辅以灌木和花草组成乔灌花草多复层结构，并配以比例，使具有不同生态特性的植物各得其所，各尽所能，充分利用阳光、水分、土地空间，组建和谐有序的群落，增强规模效应，这样才能提高单位绿地上的三维绿量，进而提高绿地生态效益。在本次测定中，有些乔木树体高大，所以未能进行活体数据的采集，对测量结果会有一定的影响。

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