徑流污染對2種地被植物固碳釋氧降溫增濕能力的影響

劉海榮 冀媛媛 姚艷麗

摘要：采用生物滯留柱模擬生物滯留池的試驗方法，研究徑流污染對2種地被植物固碳釋氧降溫增濕能力的影響。結果表明，自來水澆灌條件下，馬藺的固炭釋氧能力強于鳶尾，降溫增濕能力弱于鳶尾，但是二者的差異并不顯著;相對于自來水澆灌條件，地表徑流水均顯著提高了2種植物的固炭釋氧能力，這種提高作用對馬藺的影響比鳶尾更大;相對于自來水澆灌條件，地表徑流均降低了2種植物的降溫增濕能力，這種降低作用對馬藺的影響顯著，對鳶尾卻不明顯。

關鍵詞：地被植物;降溫增濕;固碳釋氧;徑流污染

中圖分類號：S688.401;X522 ? 文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）17-0257-04

隨著城市的發(fā)展和擴大，城市地面被大量鋼筋混泥土建筑以及硬化地面所覆蓋[1-2]，大氣污染物沉降、汽車尾氣、燃料泄露、輪胎磨損、動植物殘體、生活垃圾等在硬質地面上匯集，經地表徑流沖刷形成面源污染[3]，大量的地表徑流通過城市管網(wǎng)排入城市河道，雨季到來，城市管網(wǎng)無法在短時間內排出大量地表徑流，造成城市內澇，城市面源污染嚴重[4]。因此，城市管理者和研究者提出海綿城市建設的理念[5-6]，希望城市能夠像海綿一樣在下雨時吸水，在不下雨時釋放水，從而實現(xiàn)雨水的蓄、滯、滲、凈、用、排的合理利用目標[7]。生物滯留池作為低影響開發(fā)（low impact development，簡稱LID）體系中的一項重要技術[8-9]，在徑流量削減、徑流污染控制、地下水回補及景觀方面具有顯著的生態(tài)效應[10]，成為最具成本效益的雨水徑流管理方法[11-12]。因此，近年來關于雨水花園（生物滯留池）的研究較多，但多數(shù)集中在基質的配置、基質對污染物的去除效果這2個方面，而對于植物的生態(tài)效益研究較少。筆者采用生物滯留柱模擬生物滯留池的試驗方法，研究徑流污染對鳶尾（Iris tectorum Maxim.）和馬藺[I. lacteal Pall. var. chinensis （Fisch.） Koidz.]固碳釋氧降溫增濕能力的影響，為植物選擇提供科學依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗設計

1.1.1 生物滯留柱 選用直徑為25 cm、高為75 cm的塑料容器，下留4個直徑為0.5 cm的排水孔，將該塑料容器置于直徑為40 cm、高為15 cm的集水盤中，集水盤距上沿2 cm處設溢水孔1個、直徑0.5 cm，上接有溢水管，溢水管的水由燒杯進行收集。塑料容器從下至上依次為礫石層（粒徑

1.1.2 植物準備 2017年4月于天津市曹莊花卉市場選擇生長健壯、株高為10～15 cm的馬藺和鳶尾同期土培苗（育苗缽高10 cm，直徑10 cm）作為試驗材料。取5個生物滯留柱，每個土柱以相等間距栽植7個小缽鳶尾，另取5個生物滯留柱，每個土柱以相等間距栽植7個小缽馬藺，以上土柱均澆灌地表徑流水，另每種植物各設5個對照（澆灌自來水）。試驗在具有均勻光照的條件下進行，防止雨淋。

1.1.3 澆灌水源 試驗使用的地表徑流水取自天津市西青區(qū)津靜路上。分別在徑流的起漲段、峰頂段、退水段各取樣3次，試驗前將徑流水混合均勻后立即取樣，并開始試驗。自來水取自天津農學院植物實驗室。

試驗于2017年6—8月進行，以地表徑流水對生物滯留柱進行澆灌，以自來水對對照組進行澆灌，在沒有降水的落干期采用蒸餾水進行日常養(yǎng)護。

1.2 指標測定

于2017年8月中下旬的晴好、無風的天氣情況下，采用CI-340便攜式光合測定系統(tǒng)在每天09：00—17：00每1 h測量1次，共3次重復。隨機選取馬藺和鳶尾生長健康的葉片，即從外面數(shù)第2張至第3張葉片進行活體測定（每個土柱取3～5張葉），待系統(tǒng)穩(wěn)定后，每張葉片取3個瞬時光合速率值（Pn），同時對蒸騰速率（E）、氣孔導度（Gs）、氣溫（Ta）、胞間CO2濃度（Ci）等進行同步測定。以光合速率值和蒸騰速率值為基礎，參照已有的計算方法對2種植物的固碳釋氧量[13-14]和降溫增濕量進行計算[15]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 18.0對數(shù)據(jù)進行分析。

2 結果與分析

2.1 2種地被植物凈光合速率比較分析

地表徑流水澆灌的馬藺凈光合速率日變化呈單峰曲線（圖1），最高值出現(xiàn)在11：00，達到12.06 μmol/（m2·s）;之后凈光合速率逐漸下降，15：00降至1.85 μmol/（m2·s）。自來水澆灌的馬藺凈光合速率日變化呈雙峰曲線，第1個高峰出現(xiàn)在11：00，達到10.53 μmol/（m2·s）;之后迅速下降，在13：00—14：00出現(xiàn)低谷;隨后繼續(xù)上升，15：00出現(xiàn)第2個小高峰，值為5.85 μmol/（m2·s）;之后緩慢下降，17：00降至全天的最低值3.2 μmol/（m2·s）。地表徑流水澆灌的鳶尾凈光合速率日變化呈雙峰曲線，從09：00開始就維持較高的凈光合速率水平;之后隨著光照度的增加，至10：00達到全天的最大值9.19 μmol/（m2·s）;之后緩慢下降，至14：00降到低谷，為4.86 μmol/（m2·s）;隨后的15：00出現(xiàn)全天的第2個小高峰，為5.02 μmol/（m2·s）;隨后逐漸下降，17：00降至全天的最低值。自來水澆灌的鳶尾凈光合速率日變化呈3峰曲線，3個峰值分別出現(xiàn)在10：00、13：00、15：00，分別為 5.39、7-30、6.93 μmol/（m2·s），其中最高峰出現(xiàn)在13：00。不同水質澆灌，不同的植物凈光合速率呈現(xiàn)完全不同的變化規(guī)律。總體來說，馬藺在1 d中的凈光合速率較鳶尾變化劇烈，無論是地表徑流水澆灌還是自來水澆灌，馬藺的凈光合速率峰值均高于鳶尾。地表徑流水澆灌的馬藺凈光合速率范圍為1-85～12.06 μmol/（m2·s），自來水澆灌的馬藺凈光合速率范圍為3.23～10.53 μmol/（m2·s）;地表徑流水澆灌鳶尾凈光合速率范圍為2.77～9.19 μmol/（m2·s），自來水澆灌的鳶尾凈光合速率范圍為2.45～7.30 μmol/（m2·s）。不同水質澆灌的馬藺和鳶尾凈光合速率基本表現(xiàn)為上午高于下午，與鳶尾相比，馬藺1 d的凈光合速率變化較大，這說明馬藺能夠對環(huán)境變化作出快速響應，以減少高溫及高光照度等不利條件對其造成的傷害，植物的這種日凈光合速率變化規(guī)律將直接影響它們的固碳釋氧能力。

2.2 2種地被植物蒸騰速率比較分析

地表徑流水澆灌的馬藺蒸騰速率日變化呈雙峰曲線（圖2），峰值分別出現(xiàn)在10：00、13：00，分別為 1.57、1.85 mmol/（m2·s）;17：00降至全天的最低值 0.13 mmol/（m2·s）。自來水澆灌的馬藺蒸騰速率日變化呈單峰曲線，最高峰出現(xiàn)在11：00，為2.40 mmol/（m2·s）;隨后迅速下降，至14：00—15：00維持1個相對平穩(wěn)的狀態(tài);隨后繼續(xù)下降，17：00降至全天的最低值0.43 mmol/（m2·s）。地表徑流水澆灌的鳶尾蒸騰速率日變化呈雙峰曲線，第1個峰值出現(xiàn)在11：00，為1.96 mmol/（m2·s）;隨后略有下降，13：00 出現(xiàn)第2個峰值，為1.54 mmol/（m2·s）;17：00降至全天的最低值0.37 mmol/（m2·s）。自來水澆灌的鳶尾蒸騰速率日變化曲線為單峰曲線，峰值出現(xiàn)在13：00，為 2.57 mmol/（m2·s）?？傮w來說，自來水澆灌的2種植物蒸騰速率日變化均為單峰曲線，且變化劇烈;而地表徑流水澆灌的為雙峰曲線，變化較為平緩。馬藺和鳶尾的最大峰值均表現(xiàn)為自來水>地表徑流;最大的峰值除自來水澆灌的鳶尾外多數(shù)出現(xiàn)在11：00左右。說明地表徑流中的污染物對植物的蒸騰作用產生了一定的抑制作用。

2.3 2種地被植物固碳、釋氧量比較分析

以凈光合速率變化曲線為基礎，參照李想等的計算方法[16]可計算出不同水質澆灌條件下2種植物的日光合總量、固碳量、釋氧量（表1）。地表徑流水澆灌的馬藺日光合總量為 184.39 mmol/（m2·d）、固碳量為8.11 g/（m2·d）、釋氧量為5.72 g/（m2·d），自來水澆灌的馬藺日光合總量為 168.79 mmol/（m2·d）、固碳量為7.43 g/（m2·d）、釋氧量為5.23 g/（m2·d），不同水質澆灌的馬藺固碳量、釋氧量表現(xiàn)為地表徑流水>自來水，2種水質澆灌的馬藺固碳量、釋氧量在0.05水平上差異顯著;地表徑流水澆灌的鳶尾日光合總量為 178.68 mmol/（m2·d）、固碳量為7.86 g/（m2·d）、釋氧量為5.54 g/（m2·d），自來水澆灌的鳶尾日光合總量為 164.39 mmol/（m2·d），固碳量為7.23 g/（m2·d），釋氧量為5.10 g/（m2·d），不同水質澆灌的鳶尾固碳量、釋氧量表現(xiàn)為地表徑流水>自來水，2種水質澆灌的鳶尾固碳量、釋氧量在0.05水平上差異顯著;不同水質澆灌條件下2種植物固碳量、釋氧量均為馬藺>鳶尾，其中地表徑流水澆灌的馬藺和鳶尾固碳量、釋氧量在0.05水平上差異顯著，而自來水澆灌的馬藺和鳶尾固碳量、釋氧量差異不顯著。不同水質澆灌條件下2種植物固碳量、釋氧量均表現(xiàn)為地表徑流水>自來水，且差異顯著，說明地表徑流水中的污染物對2種植物生態(tài)效益具有影響，地表徑流水中的總磷、氨態(tài)氮、總氮含量較自來水高得多，它們促進了2種植物的光合作用;不論是地表徑流水澆灌還是自來水澆灌，固碳量、釋氧量均表現(xiàn)為馬藺>鳶尾，其中地表徑流水澆灌的差異顯著，而自來水差異不顯著，說明地表徑流水中的污染物對2種植物光合速率產生了不同程度的影響，對馬藺的影響較大。

2.4 2種地被植物降溫增濕量比較分析

以蒸騰速率日變化曲線為基礎，可計算出不同水質澆灌條件下2種植物的日蒸騰總量、釋水量、吸熱量、降溫幅度、相對濕度增加值（表2）。地表徑流水澆灌的馬藺日蒸騰總量為 56.63 mol/（m2·d）、釋水量為1 019.30 kg/（m2·d）、吸熱量為 2 470.41 kJ/（m2·d）、降溫幅度為0.22 ℃、相對濕度增加值為3.38%，自來水澆灌的馬藺日蒸騰總量為 76.36 mol/（m2·d），釋水量為1 374.41 kg/（m2·d），吸熱量為 3 331.05 kJ/（m2·d），降溫幅度為0.29 ℃，相對濕度增加值為4.55%，不同的水質澆灌的馬藺降溫幅度、相對濕度增加值表現(xiàn)為自來水>地表徑流水，2種水質澆灌的馬藺降溫幅度、相對濕度增加值在0.05水平上差異顯著;地表徑流水澆灌的鳶尾日蒸騰總量為 71.51 mol/（m2·d）、釋水量為 1 287.14 kg/（m2·d）、吸熱量為 3 119.55 kJ/（m2·d）、降溫幅度為0.28 ℃、相對濕度增加值為4-26%，自來水澆灌的鳶尾日蒸騰總量為80.12 mol/（m2·d）、釋水量為1 442.23 kg/（m2·d）、吸熱量為3 495.43 kJ/（m2·d）、降溫幅度為0.31 ℃、相對濕度增加值為4.78%，不同的水質澆灌的鳶尾降溫幅度、相對濕度增加值表現(xiàn)為自來水>地表徑流水，2種水質澆灌的鳶尾降溫增濕量差異不顯著;不同水質澆灌條件下2種植物降溫幅度、相對濕度增加值均為鳶尾>馬藺，其中地表徑流水澆灌的馬藺和鳶尾降溫幅度、相對濕度增加值在0.05水平上差異顯著，而自來水澆灌的馬藺和鳶尾降溫幅度、相對濕度增加值差異不顯著。不同水質澆灌條件下2種植物降溫幅度、相對濕度增加值均表現(xiàn)為自來水>地表徑流，馬藺差異顯著，而鳶尾差異不顯著，說明地表徑流水中的污染物對馬藺生態(tài)效益具有影響，地表徑流水中的總磷、氨態(tài)氮、總氮含量較自來水高得多，他們降低了馬藺的蒸騰作用;不論是地表徑流水澆灌還是自來水澆灌，降溫幅度、相對濕度增加值均表現(xiàn)為鳶尾>馬藺，其中經地表徑流水澆灌后2種植物降溫幅度、相對濕度增加值差異顯著，而自來水差異不顯著，說明地表徑流水中的污染物對2種植物蒸騰速率產生了不同程度的影響，對鳶尾的影響較大。

2.5 2種地被植物氣孔導度、胞間CO2濃度、葉綠素含量比較分析

由表3可以看出，不同水質澆灌的馬藺氣孔導度表現(xiàn)為自來水[47.63 mmol/（m2·s）]>地表徑流水[38.37 mmol/（m2·s）]，二者差異顯著，胞間二氧化碳濃度表現(xiàn)為自來水 （286.30 μmol/mol）>地表徑流水（171.82 μmol/mol），二者差異顯著，葉綠素含量表現(xiàn)為自來水（1.69 mg/g）>地表徑流水（1.39 mg/g），二者差異顯著;不同水質澆灌的鳶尾氣孔導度表現(xiàn)為地表徑流水 [53.36 mmol/（m2·s）]>自來水[39.15 mmol/（m2·s）]，二者差異顯著，胞間CO2濃度表現(xiàn)為自來水 （258.17 μmol/mol）>地表徑流水（255.89 μmol/mol），二者差異不顯著，葉綠素含量表現(xiàn)為自來水（1.32 mg/g）>地表徑流（1-11 mg/g），二者差異不顯著;2種植物降溫幅度、相對濕度增加值均表現(xiàn)為自來水>地表徑流水，相反固碳量、釋氧量表現(xiàn)均表現(xiàn)為地表徑流水>自來水，與自來水相比，地表徑流水中的污染降低了馬藺的氣孔導度，提高了鳶尾的氣孔導度，但2種植物的胞間CO2濃度均處于較低水平，與自來水相比，2種植物在地表徑流水澆灌下蒸騰速率均較低，因而影響了降溫幅度、相對濕度增加值。同時，污染物影響了葉綠素的合成或加速了葉綠素的分解，使葉綠素含量降低，這2個因素的影響都應該使植物的光合速率降低，但2種植物固碳量、釋氧量均表現(xiàn)為地表徑流水>自來水且差異達到顯著水平。氣孔導度和胞間CO2濃度是影響植物光合作用和蒸騰作用的重要因素，正常情況下氣孔導度與蒸騰作用、光合作用、胞間CO2濃度呈顯著正相關關系，胞間CO2濃度與光合作用呈顯著正相關關系，也就是說氣孔導度越大，蒸騰速率越快，胞間CO2濃度越大，凈光合速率越大。而本研究結果與此不同，地表徑流水澆灌的馬藺和鳶尾以比自來水低的氣孔導度、胞間CO2濃度、葉綠素含量獲得了更大的凈光合速率，更低的蒸騰速率，推測地表徑流水中的某些污染物對馬藺和鳶尾光合作用有促進作用。

另外，地表徑流水澆灌馬藺和鳶尾降溫幅度、相對濕度增加值、氣孔導度、胞間CO2濃度均表現(xiàn)為鳶尾>馬藺，固碳釋氧量表現(xiàn)為馬 藺> 鳶尾，且差異顯著，葉綠素含量表現(xiàn)為馬藺>鳶尾，差異不顯著;自來水澆灌的馬藺和鳶尾固碳量、釋氧量、葉綠素含量、氣孔導度、胞間CO2濃度均表現(xiàn)為馬藺>鳶尾，降溫幅度、相對濕度增加值表現(xiàn)為鳶尾>馬藺，其中固碳釋氧量、胞間CO2濃度、降溫幅度、相對濕度增加值差異不顯著，葉綠素含量、氣孔導度差異顯著。

3 討論與結論

通常情況下，植物葉片氣孔導度、胞間CO2濃度和葉綠素含量與凈光合速率和蒸騰速率呈正相關關系[17-18]，而本試驗數(shù)據(jù)表明，地表徑流水澆灌的鳶尾氣孔導度大于自來水澆灌條件下的氣孔導度，地表徑流水澆灌的馬藺氣孔導度小于自來水澆灌條件下的氣孔導度，除此之外，與自來水澆灌條件相比較，地表徑流水澆灌的2種植物胞間CO2濃度和葉綠素含量都較低，雖然蒸騰速率都相應有所降低，但是凈光合速率卻都顯著提高。地表徑流水的特殊水質是如何促進了2種植物光合作用的、其影響機理有待于進一步研究。

本研究采用生物滯留柱模擬試驗的方法，通過不同試驗條件下凈光合速率和蒸騰速率的測定，研究徑流污染對2種地被植物固碳釋氧降溫增濕能力的影響，得出如下結論：（1）自來水澆灌條件下，馬藺的固炭釋氧能力強于鳶尾，降溫增濕能力弱于鳶尾，但是兩者的差異并不顯著;（2）相對于自來水澆灌條件，地表徑流水均顯著提高了2種植物的固炭釋氧能力，這種提高作用對馬藺的影響比鳶尾更大;（3）相對于自來水澆灌條件，地表徑流水均降低了2種植物的降溫增濕能力，這種降低作用對馬藺的影響顯著，對鳶尾卻不明顯。

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