基于單木模型對溫州常見城市綠化樹種固碳增濕能力的比較

康華靖，王艷英，王令俐，李 紅

（溫州科技職業(yè)學(xué)院，浙江 溫州 325006）

基于單木模型對溫州常見城市綠化樹種固碳增濕能力的比較

康華靖，王艷英，王令俐，李 紅

（溫州科技職業(yè)學(xué)院，浙江 溫州 325006）

在比較單位葉面積固碳增濕能力的基礎(chǔ)上，結(jié)合樹種葉面積，研建了單木固碳模型并對其固碳增濕能力進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，以喬木樹種(胸徑為20 cm)為例，其日固碳放氧能力由大到小依次為小葉榕Ficus concinna、桉Eucalyptus robusta、樟Cinnamomum camphora、鵝掌楸Liriodendron chinense、白蘭Michelia alba和木犀Osmanthus fragrans，其值分別為3 376.538、1 603.181、416.308、368.626、252.232和39.444 g；其降溫增濕能力由大到小依次為小葉榕、桉、鵝掌楸、樟、白蘭和木犀；日蒸騰耗水量分別為859.960、259.532、118.930、97.646、69.308和33.344 g。該順序與單位葉面積固碳放氧和降溫增濕能力的順序有所不同。分析認(rèn)為，這是由于基于單位葉面積尺度上固碳能力的比較沒有考慮到不同樹種的樹冠大小等因素，而考慮其葉面積所構(gòu)建的單木固碳模型則更加準(zhǔn)確且具實(shí)用性。

綠化樹種；固碳放氧；降溫增濕；模型

大氣中CO2濃度的升高作為全球氣候變暖最主要的驅(qū)動力已經(jīng)得到廣泛的共識[1-2]。CO2濃度的升高破壞了大氣中的碳氧平衡，引起了全球氣候的變化。據(jù)預(yù)測，到2030年大氣中的CO2濃度將達(dá)到560 ppm以上，氣溫可能上升1.5～4.5 ℃[3-4]。城市綠地是地球植被的一個重要組成部分，起著固碳釋氧、降溫、增濕等多重生態(tài)效應(yīng)，可大幅改善城市環(huán)境。盡管城市區(qū)域僅占了地球表面的一小部分，但城市在促進(jìn)碳循環(huán)改變的過程中發(fā)揮著巨大的作用，而且其影響不僅僅局限于城市邊界之內(nèi)[5]。從這個意義上，城市生態(tài)系統(tǒng)是全球碳循環(huán)中的重要碳源/匯。隨著全球氣候變暖導(dǎo)致全世界范圍內(nèi)“低碳”、“減排”的呼聲越來越高，城市森林因其潛在的碳吸存能力而受到廣泛關(guān)注[6]。未來城市綠化中，在選擇樹種時其固碳能力應(yīng)當(dāng)首要考慮。因此，固碳釋氧與降溫增濕能力的研究變得極為重要。

固碳釋氧與降溫增濕能力的研究是城市綠地生態(tài)效益研究的基礎(chǔ)，也是綜合評價(jià)園林植物的基礎(chǔ)指標(biāo)。目前國內(nèi)已有學(xué)者對城市樹種的固碳增濕能力進(jìn)行了研究[7-11]。然而，現(xiàn)有研究幾乎均僅限于單位葉面積尺度上的固碳釋氧及降溫增濕能力的比較，而沒有考慮樹種的具體綠量，致使難以為城市森林生態(tài)效益的定量化研究和城市森林綠化樹種的合理配置及其規(guī)劃建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。為此，本項(xiàng)目以溫州主要城市綠化樹種為研究對象，在比較單位葉面積固碳增濕能力的基礎(chǔ)上，結(jié)合葉面積指數(shù)，構(gòu)建單株植物的固碳增濕模型，以期為更加準(zhǔn)確地探討城市綠化樹種的生態(tài)效益提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

溫州位于浙江省東南部，全境介于27°03′～28°36′N、119°37′～ 121°18′E 之間。溫州為中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬夏季風(fēng)交替顯著，溫度適中，四季分明，雨量充沛。年平均氣溫17.3～19.4℃。冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑。年降水量在1 113～2 494 mm之間。春夏之交有梅雨，7—9月間有熱帶氣旋，無霜期為241～326 d。年日照數(shù)在1 442～2 264 h之間。

1.2 樹種的選擇

在對溫州主要行道樹以及市區(qū)內(nèi)主要公園調(diào)查的基礎(chǔ)上，選擇樟Cinnamomum camphora、小葉榕 Ficus concinna、 木犀 Osmanthus fragrans、桉Eucalyptus robusta、白蘭 Michelia alba、鵝掌楸 Liriodendron chinense等6種喬木樹種；錦繡杜鵑 Rhododendron pulchrum、山茶 Camellia japoica、紅花檵木 Loropetalum chinense var. rubrum、紅葉石楠 Photinia fraseri、大葉黃楊 Buxus megistophylla、光葉海桐 Pittosporum glabratum和日本珊瑚樹 Viburnum odoratissimum var. awabuki 等7種灌木樹種進(jìn)行試驗(yàn)。其中樟、木犀、鵝掌楸、錦繡杜鵑選自溫州科技職業(yè)學(xué)院校園，桉、小葉榕和山茶選自景山植物園內(nèi)，白蘭、日本珊瑚樹、大葉黃楊和紅葉石楠等選自繡山公園及附近。選取的植株均長勢正常，沒有明顯的遮陽情況。喬木樹種的胸徑均集中在16～23 cm之間；灌木樹種中的山茶根徑集中在5 cm左右，其余灌木樹種均為綠籬狀，高度為1.2 m左右。

1.3 數(shù)據(jù)的測量

1.3.1 日變化的測量

為了準(zhǔn)確反映樹冠各層葉片的光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）等，根據(jù)樹種特點(diǎn)將樹冠分為內(nèi)外兩層，每層在四個不同方位各選擇一張葉片進(jìn)行標(biāo)記。由于光照強(qiáng)度對葉片光合作用速率影響較大，為了便于比較，根據(jù)外界光強(qiáng)測定情況，從早至晚（8:00、10:00、12:00、14:00、16:00和18:00，共計(jì)10 h）的外層光強(qiáng)設(shè)定分別為1 000、1 200、1 500、1 600、1 400 和 200 μmol·m-2s-1，內(nèi)層光強(qiáng)分別為100、150、200、200、120和80 μmol·m-2s-1。應(yīng)用Li-6400便攜式光合作用測定系統(tǒng)（Li-Cor, Lincoln, NE, USA）于植物生長盛期（8月）測定所標(biāo)記葉片的日變化，獲取凈光合速率日變化曲線。植物葉片暗呼吸速率（Rn）的測定是在暗處理20 min以上后進(jìn)行。

數(shù)據(jù)記錄之前儀器均進(jìn)行參比室和樣品室之間的匹配。根據(jù)市區(qū)大氣CO2濃度的觀測值，本試驗(yàn)中的 CO2濃度均為 400 μmol·mol-1。CO2濃度控制則是通過使用CO2小鋼瓶提供CO2來源，運(yùn)用Li-6400自帶的CO2注入系統(tǒng)，經(jīng)過儀器校對后使用。

1.3.2 葉面積的估算測量

為了全面估算單株葉面積，采用了單葉面積累加法（y1）、葉面積指數(shù)（LAI）估算法（y2）和樹冠面積相加法（y3）。單葉面積累加法（y1）即測量單片葉子的面積，然后根據(jù)小枝葉片數(shù)量逐級擴(kuò)展估算葉片總數(shù)，從而估算整株樹的葉面積；葉面積指數(shù)（LAI）估算法（y2）即利用SunScan冠層分析系統(tǒng)測定樹木的葉面積指數(shù)，然后根據(jù)樹冠的垂直投影面積，估算整株樹木的葉面積；樹冠面積相加法（y3）即測定其樹高（H）、胸徑（D）、冠幅（C）和冠高（H′），其中H值用測高器測定，D用胸徑尺測定，H′采用樹高減去主干高度求得，以此估算樹冠的表面積作為整株樹木的葉面積。雖然葉片主要生長在樹冠表面，但樹冠內(nèi)堂也有大量葉片，為此采用樹冠面積相加法（y3）時將樹冠分為2層，即表面一層和表面以內(nèi)20 cm處為一層。視樹冠為圓錐形估算其表面積。

由于不同樹種的園林綠化應(yīng)用形式有所不同，其葉面積的估算方式也有所不同。喬木樹種及單木種植且呈自然樹冠的灌木樹種（山茶），其葉面積的估算采用以上3種方法進(jìn)行，得出葉面積與胸徑的關(guān)系模型；大葉黃楊和光葉海桐則以球形為主，其葉面積的估算也采用以上3種方法進(jìn)行，得出葉面積與球徑的關(guān)系模型；而錦繡杜鵑、紅花檵木、紅葉石楠和日本珊瑚樹主要以綠籬造型為主，則以其頂面積的1 m2為單位進(jìn)行估算和比較。

為了構(gòu)建葉面積與胸徑之間的關(guān)系模型，所選喬木樹種的胸徑主要集中在10～25 cm，每種樹種15株左右；所選灌木樹種中，山茶主要集中在3～9 cm，大葉黃楊和光葉海桐的球徑主要集中在20～50 cm，錦繡杜鵑、紅花檵木、紅葉石楠和日本珊瑚樹的綠籬造型高度主要集中在80～100 cm。

1.4 數(shù)據(jù)分析

按李想等[12]方法計(jì)算不同樹種的固碳放氧及降溫增濕能力。為了更直觀比較，將CO2吸收速率、O2釋放速率和蒸騰速率分別換算成CO2同化量、O2釋放量和蒸騰量（單位為g·m-2d-1）。結(jié)合葉面積指數(shù)，構(gòu)建綠化樹種的固碳放氧模型。采用SPSS19.0進(jìn)行方差差異顯著性分析。每個測量數(shù)據(jù)均5～7次重復(fù)，取其平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 常見綠化樹種光合速率日變化及固碳放氧的比較

通過光合速率的日變化首先估算出日固定CO2和釋放O2的量，再結(jié)合暗呼吸速率，計(jì)算出日凈固碳量和日凈釋放O2量（見表1和表2）。由表1和表2可知，喬木樹種單位葉面積日固碳量由高到低依次為桉、小葉榕、樟、白蘭、鵝掌楸和木犀，其值分別為22.485、15.042、14.841、8.898、8.533和1.830 g·m-2d-1；單位葉面積日放氧量依次分別為 16.353、10.940、10.794、6.471、6.206和1.331 g·m-2d-1。灌木樹種單位葉面積日固碳量由高到低依次為紅花檵木、紅葉石楠、光葉海桐、錦繡杜鵑、日本珊瑚樹、山茶和大葉黃楊，其值分別 為 12.939、9.589、7.092、5.770、4.981、4.915和3.262 g·m-2d-1；單位葉面積日放氧量依次分別為 9.410、6.974、5.158、4.197、3.622、3.575和2.372 g·m-2d-1。

表1 喬木樹種光合速率日變化及單位葉面積固碳放氧量?Table 1 Daily change of photosynthetic rate and the daily capacity of per unit leaf area regarding the carbon fixation and oxygen release of the arbor species

表2 灌木樹種光合速率日變化及單位葉面積固碳放氧量Table 2 Daily change of photosynthetic rate and the daily capacity of per unit leaf area regarding the carbon fixation and oxygen release of the shrub species

2.2 常見綠化樹種單位葉面積蒸騰量的比較

通過蒸騰速率的日變化計(jì)算出日蒸騰耗水量（見表3和表4）。由表3可知，喬木樹種單位葉面積蒸騰量由高到低依次為小葉榕、桉、樟、鵝掌楸、白蘭和木犀，其值分別為3.831、3.640、3.481、2.753、2.445和1.547 g·m-2d-1。由表4可知，灌木樹種單位葉面積蒸騰量由高到低依次為紅花檵木、紅葉石楠、日本珊瑚樹、光葉海桐、大葉黃楊、錦繡杜鵑和山茶，其值分別為6.691、4.945、3.449、2.948、2.432、2.123 和 1.237 g·m-2d-1。

表3 喬木樹種蒸騰速率日變化及單位葉面積蒸騰量?Table 3 Daily change of transpiration rate and the daily capacity of per unit leaf area regarding the transpiration of the arbor species

表4 灌木樹種蒸騰速率日變化及單位葉面積蒸騰量Table 4 Daily change of transpiration rate and the daily capacity of per unit leaf area regarding the transpiration of the shrub species

2.3 常見綠化樹種固碳放氧及蒸騰量模型的構(gòu)建

以葉面積作為因變量，胸徑或球徑作為自變量，進(jìn)行不同模型的擬合，以相關(guān)系數(shù)平方（R2）擬合優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果顯示，多項(xiàng)式回歸是其最佳擬合效果，模型方程見表5和表6。結(jié)合單位葉面積的固碳量和蒸騰量，進(jìn)而建立了單木固碳模型（見表5和表6）。

為了便于比較，以葉面積指數(shù)估算方法的模型為例，設(shè)定固定的胸徑（20 cm）或球徑（50 cm）進(jìn)行樹種固碳放氧和降溫增濕能力的比較（見表7）。結(jié)果表明，在相同的球徑條件下，大葉黃楊的固碳放氧及降溫增濕功能低于后者光葉海桐；在相同的胸徑條件下，喬木樹種的固碳放氧能力由大到小依次為小葉榕、桉、樟、鵝掌楸、白蘭和木犀，其值分別為3 376.538、1 603.181、416.308、368.626、252.232 和 39.444 g。

表5 喬木樹種日固碳放氧量模型及蒸騰模型Table 5 The carbon fixation and oxygen release models, and the transpiration models of the arbor species

表6 灌木樹種日固碳放氧及蒸騰模型Table 6 The carbon fixation and oxygen release models, and the transpiration models of the shrub species

表7 不同樹種日固碳放氧及蒸騰量?Table 7 The daily capacity of carbon fixation, oxygen release and transpiration

3 結(jié)論與討論

固碳釋氧作為一種重要的生態(tài)功能，在自然界的物質(zhì)循環(huán)和能量流動中起著重要的調(diào)節(jié)作用。應(yīng)用氣體交換技術(shù)來測定氣體交換參數(shù)，如光合作用、蒸騰作用等，可用于分析植物的固碳釋氧及降溫增濕能力，為綠化樹種的選擇和栽培管理提供幫助[12]。

本文試驗(yàn)研究結(jié)果表明，喬木樹種單位葉面積日固碳量和日放氧量由高到低依次為桉＞小葉榕＞樟＞白蘭＞鵝掌楸＞木犀；灌木樹種單位葉面積日固碳量和日放氧量由高到低依次為紅花檵木＞紅葉石楠＞光葉海桐＞錦繡杜鵑＞日本珊瑚樹＞山茶＞大葉黃楊。降溫增濕的結(jié)果顯示，喬木樹種單位葉面積蒸騰量由高到低依次為小葉榕＞桉＞樟＞鵝掌楸＞白蘭＞木犀；灌木樹種單位葉面積蒸騰量由高到低依次為紅花檵木＞紅葉石楠＞日本珊瑚樹＞光葉海桐＞大葉黃楊＞錦繡杜鵑＞山茶。然而，以上結(jié)果只考慮了葉片尺度，而忽略了樹木的園林利用形式、樹冠等，如于佳[13]等對沈陽市7種常用園林植物碳匯功能研究表明，其單位葉面積固碳量為8.32～17.36 g·m-2d-1，年固碳量為8.70～270. 60 kg，并在此基礎(chǔ)上認(rèn)為為提高城市綠地碳匯功能，應(yīng)選擇碳匯能力強(qiáng)的植物；同樣，王麗勉[11]等對上海151種植物進(jìn)行了光合速率的測定結(jié)果表明，醉魚草Buddleja lindleyana等植物的固碳釋氧能力較強(qiáng)（固碳值大于12 g·m-2）。而醉魚草是小灌木，植株矮小，葉片稀疏，且在園林中的應(yīng)用大多為點(diǎn)綴植物，其固碳釋氧及降溫增濕的生態(tài)效應(yīng)較低。李俊美[14]等認(rèn)為高大的喬木是城市綠化的骨架，直接關(guān)系到城市綠化的景觀效果，其生態(tài)效益更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于灌木和草本植物的生態(tài)效益。由此可見，單位葉面積尺度上固碳能力的比較對指導(dǎo)城市高效固碳樹種的選擇具有較大局限性。陳月華[15]等認(rèn)為單位葉面積日固碳量灌木高于喬木，落葉植物高于常綠植物，這并不說明園林應(yīng)用中就應(yīng)該多種植灌木或者說多種植落葉植物，整體植物群落的固碳釋氧能力的發(fā)揮還與其中的植物個體本身的葉面積、冠幅等因素相關(guān)。

光合速率大小和單位葉面積固碳釋氧量反映了植物通過葉片光合作用固碳釋氧能力的強(qiáng)弱，而它們的整株固碳釋氧量則體現(xiàn)了植物個體在固碳釋氧方面的綜合水平。然而，目前大多數(shù)研究均僅限于單位葉面積尺度上的固碳釋氧及降溫增濕能力的比較[7-11]，而沒有考慮樹種的具體綠量，從而導(dǎo)致難以準(zhǔn)確反映整株樹種的固碳放氧及降溫增濕能力。葉面積指數(shù)，即一片林分或一株植物葉的表面積與土地表面積的比率，是衡量綠地生態(tài)效益及其綠化水平的指標(biāo)[16-17]。建立園林樹種葉面積指數(shù)（LAI）與冠幅、胸徑、樹高之間的回歸模型，進(jìn)而估算其綠量，是定量研究城市園林生態(tài)效益的基礎(chǔ)[16]。目前已有學(xué)者采用多種方法測定了城市綠地園林樹種的葉面積指數(shù)[16-18]，并逐漸在生態(tài)學(xué)、果樹和森林培育學(xué)中得到一定應(yīng)用[19-21]。

然而，鮮有學(xué)者將葉片的固碳增濕能力與葉面積指數(shù)相結(jié)合，構(gòu)建基于單株植物的固碳模型。史紅文[22]等雖探討了植物整株固碳釋氧量，但所選樹種的樹冠及葉面積指數(shù)差異極大，難以準(zhǔn)確比較。為了更加全面準(zhǔn)確反映不同樹種的固碳放氧及降溫增濕能力，本項(xiàng)目進(jìn)一步估算了樹種的葉面積，并在此基礎(chǔ)上研建了單木固碳模型。以喬木樹種（胸徑為20 cm）為例，結(jié)果表明，其日固碳放氧能力由大到小依次為小葉榕、桉、樟、鵝掌楸、白蘭和木犀，其值分別為3 376.538、1 603.181、416.308、368.626、252.232和 39.444 g；其降溫增濕能力由大到小依次為小葉榕、桉、鵝掌楸、樟、白蘭和木犀；日蒸騰耗水量分別為859.960、259.532、118.930、97.646、69.308 和33.344 g。該順序與單位葉面積固碳放氧和降溫增濕能力的順序有所不同，其原因是由于不同樹種的葉面積大小不同所導(dǎo)致。單木固碳模型因考慮不同樹種的葉面積，即包括了不同樹種的生物學(xué)特性、園林綠化應(yīng)用形式等，因此更符合實(shí)際情況，對城市森林生態(tài)效益的定量化研究更加科學(xué)。

由于喬木樹種和灌木樹種在園林綠化中的應(yīng)用形式有所不同，因此未對兩者進(jìn)行比較。另外，本文主要從葉片尺度和單株樹木尺度比較了溫州城市常見園林綠化樹種的固碳釋氧及降溫增濕能力，如要全面比較園林綠化樹種的固碳釋氧及降溫增濕效應(yīng)，則需進(jìn)一步探討單位葉面積群落的固碳釋氧及降溫增濕能力。

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Comparison of carbon fi xation and humidi fi cation capabilities of the main greening tree species in Wenzhou

KANG Huajing, WANG Yanying, WANG Lingli, LI Hong
(Wenzhou Vocational College of Science and Technology, Wenzhou 325006, Zhejiang, China)

The study of the carbon fixation and humidification capacity is the fundamental research of ecological benefits of urban green space. However, exsiting research was mainly focused on the per unit leaf area scale, which had a large limitation in practical application. The carbon fi xation and humidi fi cation capacity of the main greening tree species in Wenzhou city was compared, and the carbon fi xation model of individual tree was constructed. Results calculated by the carbon fi xation model of individual tree showed that the order of daily carbon fi xing and oxygen releasing capabilities of arbor (diameter at breast height of 20 cm) from high to low was as follows: Ficus concinna, Eucalyptus robusta, Cinnamomum camphora, Liriodendron chinense, Michelia alba and Osmanthus fragrans.The values were 3 376.538, 1 603.181, 416.308, 368.626, 252.232 and 39.444 g, respectively. And the order of humidi fi cation capabilities from high to low was as follows: Ficus concinna, Eucalyptus robusta, Liriodendron chinense, Cinnamomum camphora, Michelia alba and Osmanthus fragrans. The values were 859.960、259.532、118.930、97.646、69.308 and 33.344 g, respectively. These orders of the carbon fi xation, oxygen release and transpiration amounts calculated by the per unit leaf area were different from the order that calculated by the carbon fi xation model of individual tree. The reason was that the total leaf area was ignored in the traditonal method. Thus, the carbon fi xation model of individual plant was more accurate to estimate the carbon fi xation and humidity increasing capacity.

greening tree species; carbon fi xation; humidi fi cation; model

S718.56

A

1673-923X(2017)07-0078-07

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.07.012

2016-03-15

浙江省科技廳項(xiàng)目（2014C25039）；溫州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（S20130003）；溫州市重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（C20150008）

康華靖，副教授，博士；E-mail：kanghuajing@126.com

李 紅，副研究員

康華靖，王艷英，王令俐，等. 基于單木模型對溫州常見城市綠化樹種固碳增濕能力的比較分析[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017, 37(7): 78-84, 98.

[本文編校：吳 毅]