15种珍贵树种固碳释氧和降温增湿功能研究

吴培衍,吴艺东,林天民,卢敏勇

(龙海林下国有林场,福建漳州363000)

15种珍贵树种固碳释氧和降温增湿功能研究

吴培衍,吴艺东,林天民,卢敏勇

(龙海林下国有林场,福建漳州363000)

以漳州市龙海林下林场15种珍贵树种为材料,进行光合速率、叶面积指数和蒸腾速率的测定,对其固碳释氧和降温增湿功能进行量化研究。结果表明:石笔木有最大的叶面积指数,竹叶楠有最大的绿量,红叶乌桕的叶面积指数和绿量均最小。香樟、红锥、石笔木、蝴蝶树和油楠的固碳释氧能力在供试的珍贵树种中是较强的,而红叶乌桕和米老排的固碳释氧能力较弱。日降温增湿效果其从低到高的顺序为红色乌桕、米老排、火烧花、秋枫、檀香紫檀、降香黄檀、石笔木、油楠、竹叶楠、天竺桂、蝴蝶树、檀香、沉香、香樟和红锥。基于对供试15种珍贵树种固碳释氧和降温增湿能力的分析认为,红锥、香樟和蝴蝶树可作为优选树种。

珍贵树种;固碳释氧;降温增湿

生态风景林是城市森林的重要组成部分,是城市森林的一种高级表现形式,随着城市化的迅速发展,生态风景林在改善城市环境、提高生活环境质量等方面的作用日益受到重视,其发展也从过去的以观赏价值为主,向注重生态、观赏、游憩等综合效益的方向发展,推动城市园林绿地生态效益从定性转向定量研究。乔木树种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[1-3]。城市森林在进行树种的规划设计时,不仅要考虑树木的美学功能,更应注重其生态效益的发挥[4-6]。近年来,对城市森林方面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较少,有关珍贵树种的研究更是鲜见报道。本文对漳州市龙海林下国有林场内15种珍贵乔木树种的固碳释氧和降温增湿功能进行研究,以期为漳州市城市生态风景林的树种选择及环境效益的定量评价提供科学依据,为今后漳州城市森林的建设和改造提供参考。

1 试验区概况

漳州市地处南亚热带,属海洋性季风温暖湿润气候区,年均温21℃,无霜期＞330 d,年日照2 000～2 300 h,年积温7 701.5℃,年降雨量1 600～1 700 mm,土壤类型主要为红壤和砖红壤。漳州市龙海林下国有林场引进适宜在漳州地区生长的珍贵树种300多种,其中国家三级以上的保护树种69种。本研究在对漳州市龙海林下国有林场公园内珍贵树种种类和生长状况进行调查与分析的基础上,根据树种的生长状况、景观效果及重要值等综合特征,选择红叶乌桕、米老排、沉香、檀香、降香黄檀、天竺桂、秋枫、檀香紫檀、油楠、香樟、竹叶楠、红椎、石笔木、蝴蝶树和火烧花等15种珍贵树种作为研究对象(表1)。

表1 试验树种概况

2 研究方法

2.1 叶面积指数的测定

利用Li-2000植物冠层分析仪测定15种珍贵树种叶面积指数,在2014年6—8月期间,选择无风阴天的天气,每个树种选择3-5株树冠完整、个体相似的植株,在8:00—9:00期间,分别对每株树的叶面积指数进行采集。

2.2 单株树种的绿量计算

根据所测得的各树种叶面积指数,结合每种树种的树冠面积,得出单株树种的绿量。

本研究中试验所测树种的树冠均近似圆形,则树冠面积的计算公式:

式中,S1代表树冠面积,π取3.14,r为代表树冠半径。

从而单株树种的绿量计算公式为:

式中,LAI代表叶面积指数

2.3 固碳释氧量的测定

根据植物光合作用的原理,树种的固碳释氧和降温增湿效应的计算,依赖于对树种光合速率及蒸腾速率的测定。试验于2014年7-9月份在漳州市龙海林下国有林场内,利用Li-6400便携式光合测定系统于晴朗、无风的天气情况下,从早8:00到晚16:00每隔2 h测定1次。同一树种选健康植株3株,随机选取树木向阳面中部的叶片进行测定,每株取3～5片叶,待系统稳定后,每片叶取3个瞬时光合速率值。

植物的固碳释氧量基于光合速率测定,树种在测定当日的净同化量的计算公式为[3,7-8]:

其中:P为测定日的同化总量(mmol m-2d-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-2s-1):t1为初测点的瞬时时间;ti+1为下一测点的时间(h):j为测试次数;3 600指每小时3 600 s;1 000指1 mmol为1 000μmol。

将测定日的同化总量换算为测定日固定CO2的量,计算公式为:

式中:44为CO2的摩尔质量:WCO2为单位面积的叶片固定CO2的质量(g m-2d-1)

根据光合作用的反应方程CO2+4 H2O→CH2O+3 H2O+O2可计算出该测定日树种释放O2的质量(g m-2d-1)计算公式为:

式中:32为O2的摩尔质量;WO2为单位面积的叶片固定O2的质量(g m-2d-1)

2.4 降温增湿的测定

降温增湿量则基于蒸腾速率的测定,各种树种在测定当日蒸腾总量的计算公式为:

其中:E为测定日的蒸腾总量(mol m-2d-1); e为初测点的瞬时蒸腾作用速率:ei+1为下一测点的瞬时蒸腾作用速率(mmol m-2d-1);t1为初测点的瞬时时间:ti+1为下一测点的时间(h):j为测试次数;3 600指每小时3 600 s;1 000指1 mol为1 000 mmol。

用测定日的蒸腾总量换算为测定日释放水的质量WH2O(g m-2d-1),其计算公式为:

式中18为水的摩尔质量(g mol-1)。

每m2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kJ m-2d-1;L为蒸发耗热数(J g-1oC-1)(L=597-0.57×t,t为测定日的温度)。

蒸腾作用引起的气温下降值为:

式中,ΔT为温度的下降值;PC是空气容积热容量,为1 256 J m-3h-1,12指白天12 h。

3 结果与分析

3.1 叶面积指数和绿量分析

由表2可知,15种珍贵树种的叶面积指数LAI差异显著。15种珍贵树种叶面积指数LAI分布在0.4～7.4,其中红叶乌桕的叶面积指数最小,石笔木的最大。其他树种由小到大分别是沉香、檀香、米老排、红锥、降香黄檀、秋枫、天竺桂、蝴蝶树、檀香紫檀、油楠、香樟、竹叶楠、火烧花。

表2 单株叶面积指数、树冠面积、绿量

绿量的大小影响树木滞尘降噪、净化空气以及释放空气负离子等多种环境功能的发挥,因此,在城市森林规划设计选择绿量大的树种将有利于提高其对环境改善的贡献率[3]。而单株树种的绿量由树冠面积和叶面积共同决定。由表2可知,15种珍贵树种的绿量分布在5.1～323.72 m2之间,差异显著。竹叶楠单株绿量最大(323.72 m2),是最小红叶乌桕绿量的63.5倍,其它树种绿量由小到大的排序为红锥、沉香、檀香、秋枫、米老排、降香黄檀、天竺桂、蝴蝶树、石笔木、檀香紫檀、油楠、火烧花和香樟。

3.2 固碳释氧能力分析

光合速率大小和单位面积固碳释氧量反映了树木通过叶片光合作用固碳释氧能力的强弱。由表3可知,15种珍贵树种的净光合速率变化范围在1.63～8.28μmol m-2s-1,其中米老排的值最小,香樟的值最大,其他树种由小到大依次为红叶乌桕、秋枫、降香黄檀、檀香紫檀、天竺桂、沉香、檀香、竹叶楠、油楠、火烧花、蝴蝶树、石笔木和红锥。

净同化量是树种单位时间内光合作用产生的有机物与呼吸作用消耗的有机物间的差值。本文通过测定光合作用的净同化量值,计算其单位叶面积日固碳释氧量[9]。不同树种单位叶面积日固碳释氧量存在差异,其日固碳量变化范围在2.00～10.71 g m-2d-1之间,日释氧量变化范围在1.45～7.79 g m-2d-1之间,其中米老排的日固碳量和释氧量最小,香樟的值最大,其他树种由小到大依次为红叶乌桕、秋枫、降香黄檀、檀香紫檀、天竺桂、沉香、檀香、竹叶楠、火烧花、油楠、蝴蝶树、石笔木和红锥。

表3 15种珍贵树种单位叶面积的日固碳释氧量

3.3 降温增湿能力分析

树木的日蒸腾释水量取决于其单位叶面积日蒸腾量,由表4可知,不同树种的单位叶面积日蒸腾量、释水量、吸热量和降温度数差异明显,其变化范围分别为19.64～95.67 mol m-2d-1、353.50～1722.11 g m-2d-1、854.35～4162.06 kJ m-2d-1和0.06～0.28℃,均以红叶乌桕为最低,红锥最高。其他树种由小到大依次为米老排、火烧花、秋枫、檀香紫檀、降香黄檀、石笔木、油楠、竹叶楠、天竺桂、蝴蝶树、檀香、沉香和香樟。降温增湿能力以红锥最强。

表4 15种珍贵树种单位叶面积的日蒸腾释水量及吸热量

4 结论

单株绿量和叶面积指数反映了树木叶片的疏密程度,叶面积指数LAI越大,表明单位土地上叶片面积越大,叶片层叠度高,对光能形成了多层的利用,避免了光能的浪费,能提高了光能的利用效率[10]。本研究中石笔木有最大的叶面积指数,竹叶楠有最大的绿量,红叶乌桕的叶面积指数和绿量均最小。因此,在城市森林绿化过程中,石笔木和竹叶楠可作为备选树种,有利于增强城市森林对城市环境功能改善的贡献作用。

本研究结果表明香樟、红锥、石笔木、蝴蝶树和油楠的固碳释氧能力在供试的珍贵树种中是较强的(固碳值大于8 g m-2d-1),而红叶乌桕和米老排的固碳释氧能力较弱(固碳值小于3 g m-2d-1)。树种在发挥着固碳释氧功能的同时,还能发挥着降温增湿的作用。一方面通过阻挡阳光,减少到达地面的辐射量;另一方面通过蒸腾作用吸收周围环境中的热量,达到降低空气温度的目的[11]。本研究中珍贵树种单位叶面积日蒸腾量、日释水量、日吸热量和降温度数等指标,其从低到高的顺序为红色乌桕、米老排、火烧花、秋枫、檀香紫檀、降香黄檀、石笔木、油楠、竹叶楠、天竺桂、蝴蝶树、檀香、沉香、香樟和红锥。由于香樟、红锥和蝴蝶树的固碳释氧能力和降温增湿能力优于其他珍贵树种,能发挥较好的生态功能,因此,红锥、香樟和蝴蝶树可作为优选树种。

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Efficiency of Carbon Sequestration and Oxygen Release as well as Cooling and Humidification of 15 Precious Tree Species

Wu Peiyan,Wu Yidong,Lin Tianmin,Lu Minyong
(Longhai Linxia State-Owned Forest Farm,Zhangzhou 363000,China)

Taking 15 precious tree species in Longhai Linxia State-Owned Forest Farm in Zhangzhou City as materials,photosynthetic rate,leaf area index(LAI)&transpiration rate were determined.Result shows that leaf area index of Tutcheria championi are the maximum;the green biomass of Phoeba faberi are the maximum;the leaf area index and green biomass of Euphorbia cotinifolia are both minimum.The capability of carbon sequestration&oxygen release of Cinnamomum camphora,Castanopsis hystrix,Tutcheria championi,Heritiera parvifolia and Sindora glabra are stronger in these precious trees,while that of S.sebiferum and Mytilaria laosensis are weaker.The ascending order of effects of daily cooling and humidification is Euphorbia cotinifolia sebiferum,Mytilaria laosensis,Mayodendron igneum,Bischofia javanica,Pterocarpussantalinus,Dalbergia odorifera,Tutcheria championi, Sindora glabra,Phoebe faberi,Cinnamomum japonicum,Heritiera parvifolia,Santalum album,Aquilaria sinensis,Cinnamomum camphora and Castanopsis hystrix.Castanopsis hystrix,Cinnamomum camphora and Heritiera parvifolia were considered to be priority tree species by analyzing the efficiency of carbon sequestration and oxygen release as well as cooling and humidification among 15 precious tree species.

precious tree species;carbon sequestration and oxygen release;cooling and humidification

Q945.11

:A

10.13601/j.issn.1005-5215.2015.11.024

1005-5215(2015)11-0063-04

2015-10-12

漳州市科技计划项目

吴培衍(1971-),男,高级工程师,主要从事苗木栽培研究,Email:wpy98@sohu.com