上海主要绿化树种夏季蒸腾特性与降温增湿功能比较

邵永昌， 张金池， 孙永涛， 李娟娟， 庄家尧†, 李二焕， 薛雪

(1.南京林业大学 水土保持与生态修复实验室，210037，南京；2.江苏省南方现代林业协同创新中心，210037，南京；

3.国家林业局华东林业调查规划设计院，310019，杭州；4.迪士尼中国研究，200021，上海)



上海主要绿化树种夏季蒸腾特性与降温增湿功能比较

邵永昌1,2， 张金池1,2， 孙永涛3， 李娟娟4， 庄家尧1,2†, 李二焕1,2， 薛雪1,2

(1.南京林业大学 水土保持与生态修复实验室，210037，南京；2.江苏省南方现代林业协同创新中心，210037，南京；

3.国家林业局华东林业调查规划设计院，310019，杭州；4.迪士尼中国研究，200021，上海)

摘要：为了定量探究典型城市绿化树种夏季蒸腾耗水规律和降温增湿功能，用LI-6400XT光合作用仪测定了上海地区17个主要绿化树种蒸腾特性，分析了蒸腾作用主要影响因子的相关显著性，并对主要绿化树种的降温增湿功能进行定量计算和聚类分析。结果表明：1)供试树种蒸腾速率均表现出早晚低、午间前后高的特点，呈单峰或双峰曲线的日变化规律，冬青、榉树、白玉兰叶片蒸腾速率较高，广玉兰、栾树、蚊母树、深山含笑叶片蒸腾速率较低；2)除个别树种外，供试树种蒸腾速率与净光合速率、气孔导度、叶片温度、太阳辐射、气温呈正相关；3)冬青、香樟等单位土地面积日降温增湿功能较好，栾树、银杏、深山含笑、蚊母树、杜英、广玉兰降温增湿功能较弱。因此，城市绿化树种选择时，如果考虑以植物的降温增湿功能为主，则应选择冬青、香樟、白玉兰、无患子、榉树、鹅掌楸、悬铃木、三角枫、重阳木、桂花、石楠等降温增湿功能较好的树种，栾树、银杏、深山含笑、蚊母树、杜英、广玉兰等降温增湿功能较弱的树种可适量引种。

关键词：绿化树种； 蒸腾速率； 降温； 增湿； 蒸腾特性； 上海

项目名称： 国家自然科学基金“安徽大别山区GIS支持下的土壤侵蚀模型研究”(31170663)； 江苏省高等学校林学优势学科建设项目(164010641)； 江苏省研究生科研创新工程“城市森林控制热岛效应和对建筑环境降温增湿节能研究”(KYLX_0904)

随着全球气候变暖和城市化进程加速，城市下垫面和城区森林植被结构发生了剧烈的变化[1]，城市热岛效应成为人们关注的焦点[2]。城市森林通过吸收太阳能、进行蒸腾作用发挥降温增湿效益并通过光合作用吸收二氧化碳释放出氧气，从而影响大气环境的湿热属性，对缓解城市热岛效应有着显著作用[3]；因此，增加城市绿地面积和植被覆盖度、优化城市植被空间布局被认为是缓解城市热岛效应和应对全球气候变暖的重要策略[4-5]。目前城市植被作为城市结构中的自然生产力主体，其蒸腾作用及其降温增湿效应受到了广泛的关注[6]。

早在19世纪60年代，国外学者就对树木的蒸腾作用进行了研究，K.Ladefoged[7]提出使用整树容器法测定单木的蒸腾作用；到了19世纪80年代，E.A.N.Greenwood等[8]提出应用风调室法通过测定风调室内水汽增量和进出室内气体的水汽含量差来计算蒸散量，此法在国外应用较为广泛；D.H.Knight等[9]和J.Roberts[10]用此法分别对黑松(Pinusthunbergii)与欧洲赤松(Pinussylvestris)进行过测定。国内学者最早使用快速称量法来研究林木枝叶的蒸腾作用。邓继峰等[11]使用此法对盐池地区3种典型树种的蒸腾速率进行了研究；19世纪90年代，稳态气孔计法和光合作用测定方法成为了国内研究林木枝叶蒸腾作用的主要方法，赵哈林等[12]使用光合作用测定系统研究了沙埋对沙米(Agriophyllumsquarrosum)幼苗蒸腾特性的影响，吴明开等[13]研究了药用植物白及的蒸腾生理生态与抗旱特性。近年来，国内外学者们主要采用热扩散式探针法对林木单木的蒸腾作用进行测定[14]，该方法不仅可以灵敏反应瞬时蒸腾量，还可以进行长期连续观测，能较好地满足蒸腾作用研究的要求[15-16]。

近年来，国内外许多学者们对城市植物的研究主要集中在植物群落的配置方面，对生态功能定量化的研究还很少[17-20]。本研究拟从不同树种蒸腾特性和降温增湿功能比较的角度出发，对上海地区17个常用绿化树种的蒸腾速率日变化及其影响因子、降温增湿功能进行分析比较，并对不同树种降温增湿功能进行了分类，定量化探究城市常见绿化树种的蒸腾特性和降温增湿功能，为城市森林和城市绿化的树种选择、植被群落的时空配置和改造提供科学理论依据。

1研究区概况

研究区位于上海市浦东川沙园林苗圃基地(E 121°39′，N 31°08′)，属北亚热带季风性气候，雨热同期，日照充分，雨量充沛，年均降水量1 048～1 138 mm。上海市夏季酷热，冬季湿冷，年均温15.2～15.9 ℃，年极端最高气温40.8 ℃(2013年8月7日)，年极端最低气温-2.1 ℃(1893年1月19日)，春秋较短，冬夏较长，试验地土壤类型为潴育水稻土。

2材料与方法

在对上海市现有的植物种类和生长状况进行调研分析的基础上，根据树种在城市绿化配置中出现的频率和重要性等综合指标，选择具有代表性的17种常用城市绿化植物树种为研究对象。测定树木均为12～15年生大苗，生长状况良好、无病虫害，无草本和地被层，其中，栾树、白玉兰、无患子、榉树、鹅掌楸、银杏、悬铃木、三角枫、重阳木、香樟、广玉兰、杜英间距为5.0 m×5.0 m，冬青、石楠、深山含笑、桂花、蚊母树间距为3.0 m×3.0 m。基本情况见表1。

表1　测试树种基本信息

2013年7月18—20日(晴天)，使用LI-6400XT便携式光合作用测定系统，采用标准叶室选取各树种中部冠层阳面中高部位树枝前端第3～5片成熟功能叶片，05:30—19:30每2 h测定叶片净光合速率(net photosynthetic rate,Pn)、蒸腾速率(transpiration rate,Tr)、气孔导度(stomatal conductance,Gs)、胞间CO2浓度(intercellular CO2concentration,Ci)、叶片温度(leaf blade temperature,Tl)、大气CO2浓度(atmospheric concentration of carbon dioxide,Ca)、叶温下水汽压差(leaf water pressure difference,VPDL)、光合有效辐射(photosynthetic active radiation,PAR)、气温(temperature,Ta)、相对湿度(relative humidity,RH)等参数，每个树种每天重复测定3次，连续测定3 d，取平均值。

2.1叶面积指数的测定

选取样地内树龄相同、冠型均匀、枝叶茂盛等代表性的试验树种各5株，使用LAI-2200冠层分析仪，用60°的镜头盖在植物的6个不同方向各取一组观测值，仪器自动计算出叶面积指数，每个树种做3个重复，取平均值作为最终观测值。

2.2降温增湿的计算

蒸腾总量[21-22]

(3 600/1 000))。

(1)

式中：E为植物在测定日的蒸腾总量，mol/(m-2·d)；ei和ei+1分别为初测点和下一测点的瞬时蒸腾速率，mmol/(m2·s)；ti和ti+1分别为初测点和下一测点的时间，h；n为测试次数。每小时为3 600 s；1 mol=1 000 mmol。

WH2O=18E。

(2)

式中WH2O为植物在测定日的蒸腾总质量，g/(m2·d)。

每m2叶片在1 d中因蒸腾作用散失水分而吸收的热量

Q=4.18WH2OL。

(3)

式中：Q为单位叶面积每日吸收的热量，J/(m2·d)；L为蒸发耗热系数(L=597-0.57t，t为平均温度，测定日的t值为32.6 ℃。)

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；因此取底面积为10 m2、厚度为100 m的空气柱作为计算单元，在此空气柱体中，气温下降值用下式表示：

ΔT=M/Cp。

(4)

式中：M绿地植物蒸腾使其单位体积空气损失的热，J/(m3·h)；Cp为空气的容积热容量(为1 256 J/(m3·h)。

单位体积空气所含的水汽质量，称绝对湿度，其单位为g/m3，则植物单位面积上的蒸腾对周围1 000 m3空气柱所增加的绝对湿度[21-22]

Δa=W/1 000。

(5)

式中W为1 000 m3空气柱的蒸腾强度，g/m3。

2.3数据分析

使用Microsoft Excel 2013 软件进行数据处理和表格制作，Origin 9.0绘制图件，采用SPSS 19.0统计分析软件进行蒸腾速率与影响因子的相关性分析和日降温增湿功能的聚类分析。

3结果与分析

3.1主要环境因子日变化

图1　主要环境因子日变化Fig.1　Diurnal changes of the main environmental factors

观测时间内PAR呈单峰曲线变化，13:30左右达到最大值(1 790 μmol/(m2·s)，随后逐渐减弱；经过夜间植物呼吸作用的富集，Ca在早晨(05:30)表现为最高值(366 μmol/mol)，在15:30左右形成一个低谷(349 μmol/mol)，此后有所回升，呈先下降后上升的趋势，与PAR日变化规律相反(图1a)；随着PAR的逐渐增大，Ta亦逐步升高，呈单峰型曲线，11:30—15:30空气温度较高，最高温度出现在13:30(34.85 ℃)，相对于PAR变化有所滞后，日变化幅度较大，温差达7 ℃；RH日变化与气温相反，呈“U”型曲线变化，05:30时RH最高(70.45%)，随着PAR和Ta的升高，RH逐渐降低，在13:30达到全天最低值(51.95%)，之后开始回升(图1(b))；RH与PAR、Ta分别呈显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)的负相关。

3.2蒸腾速率日变化

由图2可知：无患子、冬青蒸腾速率日变化表现为单峰曲线；石楠、蚊母树、桂花、香樟、白玉兰、银杏和悬铃木等蒸腾速率日变化为双峰曲线。在午间蒸腾速率出现轻微下降，可能是由于中午温度高，失水过多，导致气孔部分关闭所致；但这些树种在午间前后蒸腾速率都维持一个较高的水平，这和强烈的太阳辐射导致的高温低湿环境有关[23]：因为植物会通过提高蒸腾速率以降低叶温来维持叶片各器官的正常功能。重阳木、榉树、栾树、鹅掌楸、三角枫等落叶乔木蒸腾速率表现为明显的双峰曲线，09:30—11:30和15：30左右蒸腾速率出现峰值，夏季蒸腾速率日平均水平较高。深山含笑、广玉兰、杜英等常绿乔木蒸腾速率日变化较为平缓(图2)。

图2　供试树种蒸腾速率日变化Fig.2　Diurnal changes of transpiration rate of tested tree species

蒸腾速率在一定程度上反映植物适应逆境、调节水分损失和适应干旱环境的能力[24-25]。冬青、榉树、白玉兰、无患子具有较高的日均蒸腾速率，分别为2.109 、1.707、1.601 、1.587 mmol/(m2·s)，广玉兰、栾树、蚊母树、深山含笑日均蒸腾速率较低，分别为0.734 、0.728 、0.449 、0.379 mmol/(m2·s)。表明在相同环境下，冬青、榉树、白玉兰等树种较其他树种单位叶面积要消耗更多的水分，夏季高温天气中更应注意这些树种的养护与灌溉；就日均值而言，蒸腾速率由大到小分别为：冬青、榉树、白玉兰、无患子、香樟、三角枫、重阳木、鹅掌楸、悬铃木、桂花、石楠、银杏、杜英、广玉兰、栾树、蚊母树、深山含笑。

3.3蒸腾速率与影响因子相关性分析

由表2可知，除个别树种外，供试树种Tr与Pn、Gs、Tl、Rpa、Ta等呈正相关，其中Tr与Gs呈显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)的正相关。说明气孔导度的变化直接影响植物叶片蒸腾速率的大小，且一定程度上光强、气温越高，植物的蒸腾作用越强烈；大部分供试树种Tr与RH、Ca等呈负相关，日常城市绿化实践中，应注意对绿化树种进行合理的灌溉，避免植物在夏季午后高温低湿的气候环境下，因失水过多而导致植物功能器官的损坏。

3.4降温增湿功能分析

使用SPSS 19.0统计分析软件，分别对测试树种单位叶面积和单位土地面积日降温增湿功能进行聚类分析研究，得到结果如表3所示。上海市主要绿化树种单位叶面积降温增湿功能为3类：第1类为白玉兰、无患子、榉树、三角枫、冬青、香樟，单位叶面积日降温和增湿值分别在0.193～0.280 ℃和1.406%～2.039%之间；第2类为鹅掌楸、银杏、悬铃木、重阳木、石楠、桂花，单位叶面积日降温和增湿值分别在0.145～0.166 ℃和1.054%～1.209%之间；第3类为栾树、深山含笑、蚊母树、杜英、广玉兰，单位叶面积日降温和增湿值分别在0.050～0.123 ℃和0.362%～0.896%之间。单位叶面积日降温增湿功能从大到小依次为：冬青、榉树、白玉兰、无患子、香樟、三角枫、重阳木、悬铃木、鹅掌楸、桂花、石楠、银杏、杜英、广玉兰、栾树、蚊母树、深山含笑。

表2　不同树种蒸腾速率(Tr)与光合生理参数相关性分析

注：**在0.01 水平(双侧)上显著相关;*在 0.05 水平(双侧)上显著相关。Note：**denotes significant correlation atP=0.01 probability level.*denotes significant correlation atP=0.05 probability level.

上海市主要绿化树种单位土地面积降温增湿功能分为3类：第1类为冬青、香樟，其降温增湿功能最好，单位土地面积日降温和增湿值分别在0.839～1.116 ℃和6.101%～8.115%之间；第2类为白玉兰、无患子、榉树、鹅掌楸、悬铃木、三角枫、重阳木、桂花、石楠，其单位土地面积日降温和增湿值分别在0.448～0.621 ℃和3.255%～4.514%之间；第3类为栾树、银杏、深山含笑、蚊母树、杜英、广玉兰，降温增湿功能较弱，单位土地面积日降温和增湿值分别在0.104～0.391 ℃和0.757%～2.846%之间。单位土地面积日降温增湿功能从大到小依次为：冬青、香樟、鹅掌楸、悬铃木、榉树、白玉兰、三角枫、无患子、重阳木、桂花、石楠、银杏、杜英、栾树、广玉兰、蚊母树、深山含笑。

4讨论

植物一方面通过冠层的阻挡作用减少到达地面的辐射，另一方面通过蒸腾作用向环境中释放水分，吸收环境中的热量，调节周边环境温度并增加空气湿度[26]；其树木冠层对太阳辐射的阻挡作用不仅与光环境密切相关，也与植物冠层的结构有关，如冠层结构、叶片的吸收和反射特性、叶面积等因素。本研究仅对植物叶片蒸腾作用进行了测定，得出理论蒸腾降温和增湿功能，植物实际调温增湿效应还需考虑树木冠层阻挡作用、叶面积指数、群落郁闭度等因素。

表3　不同树种降温增湿功能

植物由于蒸腾作用而具备使周围空气降温增湿的功能，不同树种间的单位叶面积日均蒸腾量、日均释水量和日均蒸腾吸热量差异明显，则其降温增湿效益也具有明显的差异性[26]。笔者研究结果表现出高蒸腾速率、高降温增湿能力的特点，其中冬青、榉树、白玉兰、香樟、鹅掌楸、桂花、广玉兰日均净蒸腾速率分别高出139%、116%、191%、24%、27%、50%、11%[20,27-28]，降温增湿功能分别高出134%、45%、42%、128%、161%、49%、9%[20,27-28]。这可能与本次试验是在2013年夏季上海地区的苗圃基地中进行有关；因为测试期间太阳辐射强度较大、气温较高，并且苗圃内养护管理条件较成熟、抚育管理措施恰当及时。

冬青、香樟、无患子、白玉兰、石楠 、悬铃木、鹅掌楸、重阳木、桂花、榉树、三角枫等降温增湿功能较好，从降温增湿角度可考虑作为城市常用的绿化树种；杜英、银杏、深山含笑、蚊母树、栾树、广玉兰等降温增湿功能一般，应注意这些树种与其他绿化树种的搭配，既能兼顾城市绿化的景观效果，又能很好地促进城市地区碳氧循环与热岛效应的缓解；同一类的树种又具有一定的生态相似性，在绿化树种选择与应用时考虑其降温增湿功能的同时，可以对降温增湿功能相似的树种进行合理搭配以满足景观的美学效果[29]。

5结论

不同树种夏季蒸腾速率日变化表现出不同的规律，但都有早晚低、午间前后高的特点，冬青、榉树、白玉兰、无患子等日均蒸腾速率较高，广玉兰、栾树、蚊母树、深山含笑日均蒸腾速率则相对较低；不同树种蒸腾速率对自然环境因子的响应各不相同，除个别树种外，供试树种蒸腾速率与净光合速率、气孔导度、叶片温度、太阳辐射、气温等呈正相关，气孔导度的变化直接影响植物叶片蒸腾速率的大小，且一定程度上光强、气温越高，植物的蒸腾作用越强烈。

不同树种夏季日降温增湿功能具有显著的差异，对于单位叶面积日降温增湿功能来说，白玉兰、无患子、榉树、三角枫、冬青、香樟日降温增湿功能较好，鹅掌楸、银杏、悬铃木、重阳木、石楠、桂花日降温增湿功能次之，栾树、深山含笑、蚊母树、杜英、广玉兰日降温增湿功能较弱；对于单位土地面积日降温增湿功能来说，冬青、香樟日降温增湿功能较好，白玉兰、无患子、榉树、鹅掌楸、悬铃木、三角枫、重阳木、桂花、石楠日降温增湿功能次之，栾树、银杏、深山含笑、蚊母树、杜英、广玉兰日降温增湿功能较弱。

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(责任编辑：程云郭雪芳)

Comparison of transpiration characteristics and cooling and humidifying

functions of the main greening tree species in summer in Shanghai

Shao Yongchang1,2, Zhang Jinchi1,2, Sun Yongtao3, Li Juanjuan4, Zhuang Jiayao1,2, Li Erhuan1,2, Xue Xue1,2

(1.Soil and Water Conservation and Ecological Restoration Laboratory of Nanjing Forestry University, 210037, Nanjing, China;

2.Co-Innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China, 210037, Nanjing, China;

3. East China Forestry Planning and Designing Institute, 310039, Hangzhou, China; 4. Disney Research China, 200021, Shanghai, China)

Abstract:In order to quantitatively explore the characteristics of transpiration water consumption and functions of cooling and humidification for the typical urban greening tree species in summer, we selected seventeen main greening tree species in Shanghai and measured their transpiration characteristics by using LI-6400 photosynthetic apparatus. The correlation between transpiration and the main influencing factors was analyzed, and the functions of cooling and humidification were estimated quantitatively by clustering analysis. The results showed that: 1) The daily variation of transpiration rate showed a pattern of “low in the morning and evening but high around noon”, presenting unimodal or bimodal distribution. Ilex chinensis, Zelkova schneideriana, and Magnolia alba had a high mean daily transpiration rate, while Magnolia grandiflora, Koelreuteria paniculata, Distylium racemosum, and Michelia maudiae had a much lower value. 2) Except for a very few tree species, the transpiration rate had a positive correlation with net photosynthetic rate, stomatal conductance, leaf temperature, solar radiation, air temperature, etc. 3) In terms of the capacity of daily cooling and humidifying per unit of land area, Ilex chinensis and Cinnamomum camphora were the higher, while that of Koelreuteria paniculata, Ginkgo biloba, Michelia maudiae, Distylium racemosum, Elaeocarpus decipiens, Magnolia grandiflora were relatively lower. When it comes to selecting tree species considering the capacity of cooling and humidifying, Ilex chinensis, Cinnamomum camphora, Magnolia alba, Sapindus mukorossi, Zelkova schneideriana, Liriodendron chinense, Platanus spp., Acer buergerianum, Bischofia polycarpa, Osmanthus fragrans, Photinia serrulata outperform others such as Koelreuteria paniculata, Ginkgo biloba, Michelia maudiae Distylium racemosum, Elaeocarpus decipiens and Magnolia grandiflora.

Keywords:greening tree species; transpiration rate; cooling; humidifying; transpiration characteristics; shanghai

通信作者†简介： 庄家尧(1969—)，男，博士，副教授。主要研究方向：森林水文。E-mail：nlzjiayao@njfu.edu.cn

作者简介：第一 邵永昌(1992—)，男，硕士研究生。主要研究方向为森林水文。E-mail：604460894@qq.com

收稿日期：2015-09-26修回日期： 2015-11-03

中图分类号：S731.2

文献标志码：A

文章编号：1672-3007(2015)06-0083-08