径流污染对2种地被植物固碳释氧降温增湿能力的影响

刘海荣 冀媛媛 姚艳丽

摘要：采用生物滞留柱模拟生物滞留池的试验方法，研究径流污染对2种地被植物固碳释氧降温增湿能力的影响。结果表明，自来水浇灌条件下，马蔺的固炭释氧能力强于鸢尾，降温增湿能力弱于鸢尾，但是二者的差异并不显著;相对于自来水浇灌条件，地表径流水均显著提高了2种植物的固炭释氧能力，这种提高作用对马蔺的影响比鸢尾更大;相对于自来水浇灌条件，地表径流均降低了2种植物的降温增湿能力，这种降低作用对马蔺的影响显著，对鸢尾却不明显。

关键词：地被植物;降温增湿;固碳释氧;径流污染

中图分类号：S688.401;X522   文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）17-0257-04

随着城市的发展和扩大，城市地面被大量钢筋混泥土建筑以及硬化地面所覆盖[1-2]，大气污染物沉降、汽车尾气、燃料泄露、轮胎磨损、动植物残体、生活垃圾等在硬质地面上汇集，经地表径流冲刷形成面源污染[3]，大量的地表径流通过城市管网排入城市河道，雨季到来，城市管网无法在短时间内排出大量地表径流，造成城市内涝，城市面源污染严重[4]。因此，城市管理者和研究者提出海绵城市建设的理念[5-6]，希望城市能够像海绵一样在下雨时吸水，在不下雨时释放水，从而实现雨水的蓄、滞、渗、净、用、排的合理利用目标[7]。生物滞留池作为低影响开发（low impact development，简称LID）体系中的一项重要技术[8-9]，在径流量削减、径流污染控制、地下水回补及景观方面具有显著的生态效应[10]，成为最具成本效益的雨水径流管理方法[11-12]。因此，近年来关于雨水花园（生物滞留池）的研究较多，但多数集中在基质的配置、基质对污染物的去除效果这2个方面，而对于植物的生态效益研究较少。笔者采用生物滞留柱模拟生物滞留池的试验方法，研究径流污染对鸢尾（Iris tectorum Maxim.）和马蔺[I. lacteal Pall. var. chinensis （Fisch.） Koidz.]固碳释氧降温增湿能力的影响，为植物选择提供科学依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验设计

1.1.1 生物滞留柱 选用直径为25 cm、高为75 cm的塑料容器，下留4个直径为0.5 cm的排水孔，将该塑料容器置于直径为40 cm、高为15 cm的集水盘中，集水盘距上沿2 cm处设溢水孔1个、直径0.5 cm，上接有溢水管，溢水管的水由烧杯进行收集。塑料容器从下至上依次为砾石层（粒径

1.1.2 植物准备 2017年4月于天津市曹庄花卉市场选择生长健壮、株高为10～15 cm的马蔺和鸢尾同期土培苗（育苗钵高10 cm，直径10 cm）作为试验材料。取5个生物滞留柱，每个土柱以相等间距栽植7个小钵鸢尾，另取5个生物滞留柱，每个土柱以相等间距栽植7个小钵马蔺，以上土柱均浇灌地表径流水，另每种植物各设5个对照（浇灌自来水）。试验在具有均匀光照的条件下进行，防止雨淋。

1.1.3 浇灌水源 试验使用的地表径流水取自天津市西青区津静路上。分别在径流的起涨段、峰顶段、退水段各取样3次，试验前将径流水混合均匀后立即取样，并开始试验。自来水取自天津农学院植物实验室。

试验于2017年6—8月进行，以地表径流水对生物滞留柱进行浇灌，以自来水对对照组进行浇灌，在没有降水的落干期采用蒸馏水进行日常养护。

1.2 指标测定

于2017年8月中下旬的晴好、无风的天气情况下，采用CI-340便携式光合测定系统在每天09：00—17：00每1 h测量1次，共3次重复。随机选取马蔺和鸢尾生长健康的叶片，即从外面数第2张至第3张叶片进行活体测定（每个土柱取3～5张叶），待系统稳定后，每张叶片取3个瞬时光合速率值（Pn），同时对蒸腾速率（E）、气孔导度（Gs）、气温（Ta）、胞间CO2浓度（Ci）等进行同步测定。以光合速率值和蒸腾速率值为基础，参照已有的计算方法对2种植物的固碳释氧量[13-14]和降温增湿量进行计算[15]。

1.3 数据分析

采用SPSS 18.0对数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 2种地被植物净光合速率比较分析

地表径流水浇灌的马蔺净光合速率日变化呈单峰曲线（图1），最高值出现在11：00，达到12.06 μmol/（m2·s）;之后净光合速率逐渐下降，15：00降至1.85 μmol/（m2·s）。自来水浇灌的马蔺净光合速率日变化呈双峰曲线，第1个高峰出现在11：00，达到10.53 μmol/（m2·s）;之后迅速下降，在13：00—14：00出现低谷;随后继续上升，15：00出现第2个小高峰，值为5.85 μmol/（m2·s）;之后缓慢下降，17：00降至全天的最低值3.2 μmol/（m2·s）。地表径流水浇灌的鸢尾净光合速率日变化呈双峰曲线，从09：00开始就维持较高的净光合速率水平;之后隨着光照度的增加，至10：00达到全天的最大值9.19 μmol/（m2·s）;之后缓慢下降，至14：00降到低谷，为4.86 μmol/（m2·s）;随后的15：00出现全天的第2个小高峰，为5.02 μmol/（m2·s）;随后逐渐下降，17：00降至全天的最低值。自来水浇灌的鸢尾净光合速率日变化呈3峰曲线，3个峰值分别出现在10：00、13：00、15：00，分别为 5.39、7-30、6.93 μmol/（m2·s），其中最高峰出现在13：00。不同水质浇灌，不同的植物净光合速率呈现完全不同的变化规律。总体来说，马蔺在1 d中的净光合速率较鸢尾变化剧烈，无论是地表径流水浇灌还是自来水浇灌，马蔺的净光合速率峰值均高于鸢尾。地表径流水浇灌的马蔺净光合速率范围为1-85～12.06 μmol/（m2·s），自来水浇灌的马蔺净光合速率范围为3.23～10.53 μmol/（m2·s）;地表径流水浇灌鸢尾净光合速率范围为2.77～9.19 μmol/（m2·s），自来水浇灌的鸢尾净光合速率范围为2.45～7.30 μmol/（m2·s）。不同水质浇灌的马蔺和鸢尾净光合速率基本表现为上午高于下午，与鸢尾相比，马蔺1 d的净光合速率变化较大，这说明马蔺能够对环境变化作出快速响应，以减少高温及高光照度等不利条件对其造成的伤害，植物的这种日净光合速率变化规律将直接影响它们的固碳释氧能力。

2.2 2种地被植物蒸腾速率比较分析

地表径流水浇灌的马蔺蒸腾速率日变化呈双峰曲线（图2），峰值分别出现在10：00、13：00，分别为 1.57、1.85 mmol/（m2·s）;17：00降至全天的最低值 0.13 mmol/（m2·s）。自来水浇灌的马蔺蒸腾速率日变化呈单峰曲线，最高峰出现在11：00，为2.40 mmol/（m2·s）;随后迅速下降，至14：00—15：00维持1个相对平稳的状态;随后继续下降，17：00降至全天的最低值0.43 mmol/（m2·s）。地表径流水浇灌的鸢尾蒸腾速率日变化呈双峰曲线，第1个峰值出现在11：00，为1.96 mmol/（m2·s）;随后略有下降，13：00 出现第2个峰值，为1.54 mmol/（m2·s）;17：00降至全天的最低值0.37 mmol/（m2·s）。自来水浇灌的鸢尾蒸腾速率日变化曲线为单峰曲线，峰值出现在13：00，为 2.57 mmol/（m2·s）。总体来说，自来水浇灌的2种植物蒸腾速率日变化均为单峰曲线，且變化剧烈;而地表径流水浇灌的为双峰曲线，变化较为平缓。马蔺和鸢尾的最大峰值均表现为自来水>地表径流;最大的峰值除自来水浇灌的鸢尾外多数出现在11：00左右。说明地表径流中的污染物对植物的蒸腾作用产生了一定的抑制作用。

2.3 2种地被植物固碳、释氧量比较分析

以净光合速率变化曲线为基础，参照李想等的计算方法[16]可计算出不同水质浇灌条件下2种植物的日光合总量、固碳量、释氧量（表1）。地表径流水浇灌的马蔺日光合总量为 184.39 mmol/（m2·d）、固碳量为8.11 g/（m2·d）、释氧量为5.72 g/（m2·d），自来水浇灌的马蔺日光合总量为 168.79 mmol/（m2·d）、固碳量为7.43 g/（m2·d）、释氧量为5.23 g/（m2·d），不同水质浇灌的马蔺固碳量、释氧量表现为地表径流水>自来水，2种水质浇灌的马蔺固碳量、释氧量在0.05水平上差异显著;地表径流水浇灌的鸢尾日光合总量为 178.68 mmol/（m2·d）、固碳量为7.86 g/（m2·d）、释氧量为5.54 g/（m2·d），自来水浇灌的鸢尾日光合总量为 164.39 mmol/（m2·d），固碳量为7.23 g/（m2·d），释氧量为5.10 g/（m2·d），不同水质浇灌的鸢尾固碳量、释氧量表现为地表径流水>自来水，2种水质浇灌的鸢尾固碳量、释氧量在0.05水平上差异显著;不同水质浇灌条件下2种植物固碳量、释氧量均为马蔺>鸢尾，其中地表径流水浇灌的马蔺和鸢尾固碳量、释氧量在0.05水平上差异显著，而自来水浇灌的马蔺和鸢尾固碳量、释氧量差异不显著。不同水质浇灌条件下2种植物固碳量、释氧量均表现为地表径流水>自来水，且差异显著，说明地表径流水中的污染物对2种植物生态效益具有影响，地表径流水中的总磷、氨态氮、总氮含量较自来水高得多，它们促进了2种植物的光合作用;不论是地表径流水浇灌还是自来水浇灌，固碳量、释氧量均表现为马蔺>鸢尾，其中地表径流水浇灌的差异显著，而自来水差异不显著，说明地表径流水中的污染物对2种植物光合速率产生了不同程度的影响，对马蔺的影响较大。

2.4 2种地被植物降温增湿量比较分析

以蒸腾速率日变化曲线为基础，可计算出不同水质浇灌条件下2种植物的日蒸腾总量、释水量、吸热量、降温幅度、相对湿度增加值（表2）。地表径流水浇灌的马蔺日蒸腾总量为 56.63 mol/（m2·d）、释水量为1 019.30 kg/（m2·d）、吸热量为 2 470.41 kJ/（m2·d）、降温幅度为0.22 ℃、相对湿度增加值为3.38%，自来水浇灌的马蔺日蒸腾总量为 76.36 mol/（m2·d），释水量为1 374.41 kg/（m2·d），吸热量为 3 331.05 kJ/（m2·d），降温幅度为0.29 ℃，相对湿度增加值为4.55%，不同的水质浇灌的马蔺降温幅度、相对湿度增加值表现为自来水>地表径流水，2种水质浇灌的马蔺降温幅度、相对湿度增加值在0.05水平上差异显著;地表径流水浇灌的鸢尾日蒸腾总量为 71.51 mol/（m2·d）、释水量为 1 287.14 kg/（m2·d）、吸热量为 3 119.55 kJ/（m2·d）、降温幅度为0.28 ℃、相对湿度增加值为4-26%，自来水浇灌的鸢尾日蒸腾总量为80.12 mol/（m2·d）、释水量为1 442.23 kg/（m2·d）、吸热量为3 495.43 kJ/（m2·d）、降温幅度为0.31 ℃、相对湿度增加值为4.78%，不同的水质浇灌的鸢尾降温幅度、相对湿度增加值表现为自来水>地表径流水，2种水质浇灌的鸢尾降温增湿量差异不显著;不同水质浇灌条件下2种植物降温幅度、相对湿度增加值均为鸢尾>马蔺，其中地表径流水浇灌的马蔺和鸢尾降温幅度、相对湿度增加值在0.05水平上差异显著，而自来水浇灌的马蔺和鸢尾降温幅度、相对湿度增加值差异不显著。不同水质浇灌条件下2种植物降温幅度、相对湿度增加值均表现为自来水>地表径流，马蔺差异显著，而鸢尾差异不显著，说明地表径流水中的污染物对马蔺生态效益具有影响，地表径流水中的总磷、氨态氮、总氮含量较自来水高得多，他们降低了马蔺的蒸腾作用;不论是地表径流水浇灌还是自来水浇灌，降温幅度、相对湿度增加值均表现为鸢尾>马蔺，其中经地表径流水浇灌后2种植物降温幅度、相对湿度增加值差异显著，而自来水差异不显著，说明地表径流水中的污染物对2种植物蒸腾速率产生了不同程度的影响，对鸢尾的影响较大。

2.5 2种地被植物气孔导度、胞间CO2浓度、叶绿素含量比较分析

由表3可以看出，不同水质浇灌的马蔺气孔导度表现为自来水[47.63 mmol/（m2·s）]>地表径流水[38.37 mmol/（m2·s）]，二者差异显著，胞间二氧化碳浓度表现为自来水 （286.30 μmol/mol）>地表径流水（171.82 μmol/mol），二者差异显著，叶绿素含量表现为自来水（1.69 mg/g）>地表径流水（1.39 mg/g），二者差异显著;不同水质浇灌的鸢尾气孔导度表现为地表径流水 [53.36 mmol/（m2·s）]>自来水[39.15 mmol/（m2·s）]，二者差异显著，胞间CO2浓度表现为自来水 （258.17 μmol/mol）>地表径流水（255.89 μmol/mol），二者差异不显著，叶绿素含量表现为自来水（1.32 mg/g）>地表径流（1-11 mg/g），二者差异不显著;2种植物降温幅度、相对湿度增加值均表现为自来水>地表径流水，相反固碳量、释氧量表现均表现为地表径流水>自来水，与自来水相比，地表径流水中的污染降低了马蔺的气孔导度，提高了鸢尾的气孔导度，但2种植物的胞间CO2浓度均处于较低水平，与自来水相比，2种植物在地表径流水浇灌下蒸腾速率均较低，因而影响了降温幅度、相对湿度增加值。同时，污染物影响了叶绿素的合成或加速了叶绿素的分解，使叶绿素含量降低，这2个因素的影响都应该使植物的光合速率降低，但2种植物固碳量、释氧量均表现为地表径流水>自来水且差异达到显著水平。气孔导度和胞间CO2浓度是影响植物光合作用和蒸腾作用的重要因素，正常情况下气孔导度与蒸腾作用、光合作用、胞间CO2浓度呈显著正相关关系，胞间CO2浓度与光合作用呈显著正相关关系，也就是说气孔导度越大，蒸腾速率越快，胞间CO2浓度越大，净光合速率越大。而本研究结果与此不同，地表径流水浇灌的马蔺和鸢尾以比自来水低的气孔导度、胞间CO2浓度、叶绿素含量获得了更大的净光合速率，更低的蒸腾速率，推测地表径流水中的某些污染物对马蔺和鸢尾光合作用有促进作用。

另外，地表径流水浇灌马蔺和鸢尾降温幅度、相对湿度增加值、气孔导度、胞间CO2浓度均表现为鸢尾>马蔺，固碳释氧量表现为马 蔺> 鸢尾，且差异显著，叶绿素含量表现为马蔺>鸢尾，差异不显著;自来水浇灌的马蔺和鸢尾固碳量、释氧量、叶绿素含量、气孔导度、胞间CO2浓度均表现为马蔺>鸢尾，降温幅度、相对湿度增加值表现为鸢尾>马蔺，其中固碳释氧量、胞间CO2浓度、降温幅度、相对湿度增加值差异不显著，叶绿素含量、气孔导度差异显著。

3 讨论与结论

通常情况下，植物叶片气孔导度、胞间CO2浓度和叶绿素含量与净光合速率和蒸腾速率呈正相关关系[17-18]，而本试验数据表明，地表径流水浇灌的鸢尾气孔导度大于自来水浇灌条件下的气孔导度，地表径流水浇灌的马蔺气孔导度小于自来水浇灌条件下的气孔导度，除此之外，与自来水浇灌条件相比较，地表径流水浇灌的2种植物胞间CO2浓度和叶绿素含量都较低，虽然蒸腾速率都相应有所降低，但是净光合速率却都显著提高。地表径流水的特殊水质是如何促进了2种植物光合作用的、其影响机理有待于进一步研究。

本研究采用生物滞留柱模拟试验的方法，通过不同试验条件下净光合速率和蒸腾速率的测定，研究径流污染对2种地被植物固碳释氧降温增湿能力的影响，得出如下结论：（1）自来水浇灌条件下，马蔺的固炭释氧能力强于鸢尾，降温增湿能力弱于鸢尾，但是两者的差异并不显著;（2）相对于自来水浇灌条件，地表径流水均显著提高了2种植物的固炭释氧能力，这种提高作用对马蔺的影响比鸢尾更大;（3）相对于自来水浇灌条件，地表径流水均降低了2种植物的降温增湿能力，这种降低作用对马蔺的影响显著，对鸢尾却不明显。

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