北京市城乡结合部17种常用绿化植物固碳释氧功能研究

北京市城乡结合部17种常用绿化植物固碳释氧功能研究熊向艳;韩永伟;高馨婷;尚洪磊;郑烨;王宝良
【摘要】Carbon fixation and oxygen release ( CFOR ) is an important ecological service of the plants .Li-6400 portable photosynthesis test system and Li-2000 plant canopy test system were employed to observe the physiological velocity and leaf area index of 17 widely used afforestation plants in the rural-urban fringe of Chaoyang District , Beijing .The cluster analysis was adopted to classify their CFOR capacities , and the CFOR benefits evaluated quantitatively .The results indicated that the diurnal change curve of net photosynthesis rates of 17 experimental species has one or two peaks .The daily carbon fixation and oxygen release per unit leaf area was respectively 2 .92-13.81 g/(m2· d) and 2.12-10.05
g/(m2· d).The daily carbon fixation and oxygen release per unit land area was respectively 11.00-92.71 g/( m2· d) and 8.00-67.42
g/( m2· d).According to cluster analysis results , the CFOR capabilities per unit leaf area of 9 arbors are divided into two levels , 5 shrubs divided into two levels , and 3 herbs divided into two levels .The CFOR capabilities per unit land area of 9 arbors are divided into two levels , 5 shrubs divided into three levels , and 3 herbs divided into two levels .Therefore , in order to enhance the CFOR capabilities of the vegetation system in the rural-urban fringe , not only should the plants which have higher capabilities of CFOR be chosen , but also they should be configured properly through composite model .%固碳释氧是植物的一项重要生态服务功
能。

以北京市朝阳区城乡结合部17种常用绿化植物为研究对象，采用美国Li-6400便携式光合测定仪和Li-2000冠层分析仪测定植物的光合速率和叶面积指数，通过聚类分析将其固碳释氧能力分级，并对植物固碳释氧效益进行了系统的定量研究。

结果表明，17种常用绿化植物的光合速率曲线多呈单峰或双峰趋势，单位叶
面积固碳量为2.92～13.81 g/（m2· d），释氧量为2.12～10.05 g/（m2· d）；单位土地面积固碳量为11.00～92.71 g/（m2· d），释氧量为8.00～67.42 g/（m2· d）。

单位叶面积固碳释氧能力聚类分析表明，乔木（9种）分为两级，灌木（5种）分为两级，草本植物（3种）分为两级；单位土地面积固碳释氧能力分析表明，乔木（9种）分为两级，灌木（5种）分为三级，草本植物（3种）分为
两级。

因此，提高城乡结合部林草植被系统的固碳释氧效益，除选择固碳释氧能力较强的植物外，还应综合考虑拟选植物的结构配置。

【期刊名称】《环境工程技术学报》
【年(卷),期】2014(000)003
【总页数】8页(P248-255)
【关键词】固碳释氧;叶面积指数;绿化植物;城乡结合部;北京
【作者】熊向艳;韩永伟;高馨婷;尚洪磊;郑烨;王宝良
【作者单位】中国环境科学研究院生态所，北京 100012; 国家环境保护区域生态
过程与功能评估重点实验室，北京 100012; 中国环境科学研究院，环境基准与风
险评估国家重点实验室，北京 100012;中国环境科学研究院生态所，北京 100012; 国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室，北京 100012; 中国环境科学
研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012;中国环境科学研究
院生态所，北京 100012; 国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室，北
京 100012; 中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室，北京100012;中国环境科学研究院生态所，北京 100012; 国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室，北京 100012; 中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012;中国环境科学研究院生态所，北京 100012; 国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室，北京 100012; 中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012;中国环境科学研究院生态所，北京 100012; 国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室，北京100012; 中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室，北京100012
【正文语种】中文
【中图分类】X173
城乡结合部(rural\|urban fringe)是城市与乡村之间的过渡带和交接部位，是城市向乡村扩展、乡村向城市发展的一个特殊区域，也是连接城乡的桥梁和纽带
［1\|3］。

城乡结合部林草植被系统具有较强的防风固沙、固碳释氧、降温增湿、涵养水源和保护生物多样性等生态功能，对提升城郊生态防护功能和改善城区环境质量具有重要意义。

然而，随着城市化、工业化的快速发展，城乡结合部植被系统不断受到建设用地的挤压，绿化覆盖率不断下降。

加之，目前国内外学者对城乡结合部的研究主要集中在概念、结构、功能、土地利用、社会经济等宏观问题上［4\|6］，鲜有对城乡结合部植被生态服务功能的定量研究，致使城乡结合部植被系统服务价值很难引起决策者的重视，不利于城市生态系统的可持续发展。

笔者以城乡结合部林草复合植被生态系统的固碳释氧功能为重点，选取北京市城乡结合部常见的17种绿化植物，通过测定其光合速率和叶面积指数，比较分析不同植物单位叶面积和单位土地面积的固碳释氧能力，并运用聚类分析方法对测试植物的固碳
释氧能力进行比较分级，以期为北京等同类城市城乡结合部林草植被系统的构建与保护提供理论支撑。

研究区位于北京市主城区东部的朝阳区境内。

该区平均海拔34 m，总面积470．8 km2。

多年平均气温11．6℃;年均降水量589．3 mm，蒸发量1 852 mm，为降水量的3．14倍。

全年无霜期平均192 d，日照时数2 360．4 h;相对湿度59%，属暖温带半湿润大陆性季风气候。

地带性植被为暖温带落叶阔叶林，
以人工群落为主体，植物种类相对简单。

2.1 试验材料
通过对北京市朝阳区城乡结合部公园和道路绿地进行实地调查和统计，选择了使用频度较高的9种乔木，包括毛白杨、旱柳、洋白蜡、洋槐、白玉兰、二球悬铃木、龙爪槐、银杏、油松;5种灌木，包括紫叶李、连翘、金银木、大叶黄杨、金叶女贞;3种草本植物鸢尾、紫羊茅、草地早熟禾作为试验材料(表1)。

2.2 测定方法
2.2.1 光合速率的测定
试验于2010年7月进行，选择晴朗、无风或微风天气，采用Li－6400便携式光合测定仪(美国Li－Cor公司)，在自然条件下，8:00—18:00每2 h测定1次;选择树龄、树高、冠幅相近的健康植株3株为待测植物;每株植物随机选取多个待测叶片，其中乔木分东南西北4个方向和上中下3层选取大小相似、生长健壮的叶片
测试;灌木分东南西北4个方向选取4个叶片测试;草本植物在群落内按对角线选取3个叶片测试，每个叶片取3～6个瞬时光合速率值作为重复［7\|9］。

测试时，
阔叶乔灌木和草本植物选用光合叶室测定，针叶乔木则采用簇状叶室测定;若叶片
未充满叶室，阔叶树种和针叶树种的叶片面积分别采用方格法和体积法进行测定［10］。

2.2.2 叶面积指数的测定
选择7月晴朗、无风或微风天气，采用Li－2000植物冠层分析仪(美国)测定
8:00—9:00植物的叶面积指数，用90度的镜头盖在植物的4个不同方向各取一对观测值，再运用冠层分析仪的配套分析软件对采集的数据进行分析，最后计算叶面积指数，每个物种做3个重复，取其平均值［11\|13］。

2.3 计算方法
在植物光合速率日变化曲线中，其同化量是净光合速率曲线与时间横轴围合的面积［8］。

因此，植物的固碳释氧量可以在光合速率的基础上进行测定，使用简单积分法计算各种植物在测定当日的净同化量［14］。

假定光合有效辐射每天按10 h 计算，则植物净同化量为:
通过测定日同化总量换算为日单位叶面积固碳量:
根据光合作用的反应方程:
计算测定植物单位叶面积释氧量:
据此计算单株植物单位土地面积上的固碳量和释氧量:
式中，P为植物的同化总量，mmol/(m2·d);Pi为初测点的瞬时光合作用速率，
μmol/(m2·s);Pi+l为i+1时刻的瞬时光合作用速率;ti为初测点的瞬时时间，
h;ti+1为i+1测点的时间，h;j为测定次数; WCO2和WO2分别为植物单位叶面积固碳量和释氧量，g/(m2·d);44为CO2的摩尔质量;32为O2的摩尔质
量;QCO2和QO2分别为单株植物单位土地面积上的固碳量和释氧量，
g/(m2·d);LAI为植物的叶面积指数。

2.4 数据分析
利用Excel软件对试验数据进行统计和分析。

利用SPSS 18．0数理统计软件对17种常用绿化植物的单位叶面积固碳释氧能力和单位土地面积固碳释氧能力采用Word Method离差平方和法进行聚类分析［15］，分别得出聚类分析图并进行分析。

3.1 光合速率日变化曲线
光合作用是植物的重要生理功能，光合作用的强弱直接影响植物固碳释氧能力的发挥［16］。

植物总是生活在某种特定的环境中，并与外界环境间不断地进行物质和能量交换。

由于影响光合作用的环境因子(温度、光照、水分等)在一天中变化明显，因此，光合速率也会呈相应的变化规律［17］，图1为根据不同树种光合速率绘制的各植物净光合速率日变化曲线。

从图1可以看出，植物净光合速率曲线的第1个峰值多出现在10:00—12:00，第2个峰值多出现在14:00—16:00。

毛白杨、旱柳、洋白蜡、洋槐、大叶黄杨、二球悬铃木、白玉兰、连翘、龙爪槐、金银木、银杏、草地早熟禾的光合速率呈双峰曲线，油松、鸢尾、紫叶李、紫羊茅、金叶女贞的光合速率呈单峰曲线。

总体来看，旱柳和紫羊茅的净光合速率较高，金银木和草地早熟禾较低。

旱柳在10:00和14:00的峰值分别为9．65和11．34μmol/(m2·s);紫羊茅在12:00左右的峰值为11．51μmol/(m2·s);金银木在10:00和14:00峰值分别为 2．81和 4．89 μmol/(m2·s);草地早熟禾在10:00和16:00峰值分别为3．59和1．64μmol/(m2·s)。

从图1可以明显看出，大多数植物在12:00左右出现了光合午休现象，其与佟潇等［16］在沈阳、陈月华等［18］在长沙、史晓丽［19］在北京对植物光合速率的测定结果一致。

其可能是强光、高温、低湿、干旱等条件下胞间CO2浓度和气孔导度下降，叶片气孔关闭，影响CO2进入叶片内，从而导致植物的光合速率下降［14，20\|21］，也可能与植物光合细胞机构和功能有关［22\|23］。

3.2 植物单位叶面积固碳释氧量分析
植物通过光合作用发挥固碳释氧的功能，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［24］。

对17种常用绿化植物单位叶面积固碳释氧量进行了计算，结果见表2。

由表2可知，9种乔木单位叶面积固碳量为6．17～13．81 g/(m2·d)，释氧量为4．49～
10．05 g/(m2·d)。

其中，旱柳最高，其单位叶面积固碳量和释氧量分别为13．81和10．05 g/(m2·d);毛白杨最低，其单位叶面积固碳量和释氧量分别为6．17和4．49 g/(m2·d);2种植物相差1．24倍。

5种灌木植物单位叶面积固碳量为4．39～9．31 g/(m2·d)，释氧量为3．20～6．77 g/(m2·d)。

其中，大叶黄杨最高，其单位叶面积固碳量和释氧量分别为9．31和6．77 g/(m2·d);金银木最低，其单位叶面积固碳量和释氧量分别为 4．39和 3．20 g/(m2·d);2种植物相差1．12倍。

3种草本植物单位叶面积固碳量为2．92～12．82 g/(m2·d)，释氧量为2．12～9．32 g/(m2·d)。

其中，紫羊茅最高，其单位叶面积固碳量和释氧量分别为12．82和9．32 g/(m2·d);草地早熟禾最低，其单位叶面积固碳量和释氧量分别为2．92和2．12 g/(m2·d);2种植物相差 3．39倍。

而旱柳和草地早熟禾二者相差3．73倍。

3.3 植物单位土地面积固碳释氧量分析
对17种常用绿化植物单位土地面积固碳释氧量进行了计算，结果见表3。

由表3可知，9种乔木植物单位土地面积固碳量为 30．56～92．71 g/(m2·d)，释氧量为22．23～67．42 g/(m2·d)。

其中，二球悬铃木最高，其单位土地面积固碳量和释氧量分别为92．71和67．42 g/(m2·d);毛白杨最低，其单位土地面积固碳量和释氧量分别为30．56和22．23 g/(m2·d);2种植物相差2．03倍。

5种灌木植物单位土地面积固碳量为 17．76～34．80 g/(m2·d)，释氧量为12．91～25．31 g/(m2·d)。

其中，大叶黄杨最高，其单位土地面积固碳量和释氧量分别为34．80和25．31 g/(m2·d);金银木最低，其单位土地面积固碳量和释氧量分别为17．76和12．91 g/(m2·d);2种植物相差0．96倍。

3种草本植物单位土地面积固碳量为 11．00～26．05 g/(m2·d)，释氧量为8．00～18．95 g/(m2·d)。

其中，鸢尾最高，其单位土地面积固碳量和释氧量分别为26．05和18．95
g/(m2·d);草地早熟禾最低，其单位土地面积固碳量和释氧量分别为11．00和
8．00 g/(m2·d);2种植物相差1．34倍。

而二球悬铃木和草地早熟禾二者相差7．43倍。

结果表明，在引入叶面积指数后，植物单位土地面积固碳释氧量与单位叶面积固碳释氧量相比明显不同。

其中，二球悬铃木单位叶面积固碳量和释氧量虽不是最高，分别为12．49和9．09 g/(m2·d)，但其叶面积指数为7．42，远高于其他植物，使得其单位土地面积固碳释氧量大大提高，因此是植物配置较好的选择。

而紫羊茅单位叶面积固碳量和释氧量虽较高，分别为12．82和9．32 g/(m2·d)，但其叶
面积指数为1．58，远低于其他植物，使得其单位土地面积固碳释氧量大大降低。

单株植物叶面积和叶面积指数反映树木叶片的疏密程度，叶面积指数越大，说明单位土地上的叶面积越多，叶片的层叠程度越大，对光能可形成多层利用，减少光能的浪费［25］。

因此，整株植物的固碳释氧能力不仅取决于植物白天的净光合速
率和夜间呼吸速率，还取决于该树种叶面积指数［7］。

而对绿化植物而言，人工修剪量、年度凋落量和动物取食量也是重要影响因素［26］。

3.4 植物固碳释氧能力聚类分析
利用SPSS18．0数理统计软件，对17种常用绿化植物单位叶面积固碳释氧量采
用Word Method离差平方和法进行聚类分析，结果如图2所示。

由图2可知，
9种常用绿化乔木单位叶面积固碳释氧能力分成两级，二球悬铃木、油松、龙爪槐、旱柳、洋白蜡、白玉兰为一级，其固碳量为 10．53～13．81 g/(m2·d)，释氧量
为7．94～10．05 g/(m2·d);洋槐、银杏、毛白杨为二级，其固碳量为6．17～8．61 g/(m2·d)，释氧量为4．49～6．26 g/(m2·d)。

5种常用绿化灌木单位叶
面积固碳释氧能力也分成两级，紫叶李、大叶黄杨、金叶女贞为一级，其固碳量为8．99～9．31 g/(m2·d)，释氧量为 6．54～6．77 g/(m2·d);连翘、金银木为二级，其固碳量为4．39～4．46 g/(m2·d)，释氧量为3．20～3．24 g/(m2·d)。

3种常用绿化草本植物单位叶面积固碳释氧能力也分成两级，鸢尾、草地早熟禾为一
级，其固碳量为2．92～6．34 g/(m2·d)，释氧量为2．12～4．61 g/(m2·d);紫羊茅为二级，其固碳量为 12．82 g/(m2·d)，释氧量为9．32 g/(m2·d)。

采用相同方法，对17种常用绿化植物单位土地面积固碳释氧量进行聚类分析，结果如图3所示。

由图3可知，9种乔木单位土地面积固碳释氧能力分为两级，二
球悬铃木、油松为一级，其固碳量为77．64～92．71 g/(m2·d)，释氧量为56．46～67．42 g/(m2·d);旱柳、毛白杨、龙爪槐、白玉兰、洋槐、银杏、洋白
蜡为二级，其固碳量为 30．56～59．54 g/(m2·d)，释氧量为22．23～43．30
g/(m2·d)。

5种灌木单位土地面积固碳释氧能力分为三级，大叶黄杨、紫叶李为一级，其固碳量为32．87～34．80 g/(m2·d)，释氧量为23．91～25．31
g/(m2·d);连翘、金叶女贞为二级，其固碳量为24．47～27．69 g/(m2·d)，释氧量为17．79～20．14 g/(m2·d);金银木为三级，其固碳量为17．76 g/(m2·d)，释氧量为12．91 g/(m2·d)。

3种草本植物单位土地面积固碳释氧能力分成两级，鸢尾、紫羊茅为一级，其固碳量为20．25～26．05 g/(m2·d)，释氧量为14．71～18．95 g/(m2·d);草地早熟禾为二级，其固碳量为11．00 g/(m2·d)，
释氧量为8．00 g/(m2·d)。

植物固碳释氧能力聚类分析表明，乔木、灌木和草本植物固碳释氧能力有明显分级。

张艳丽等［7，11］认为，在植被配置中，应以乔木为主，辅以灌木和草本植物组成多复层结构，并配以比例，使具有不同生态特性的植物各尽所能，充分利用阳光、水分、土地空间等资源，组建和谐有序的群落，增强规模效应，才能提高整个系统的生态效益。

综上所述，植物的固碳释氧过程是十分复杂的动态生物学过程［27］，除了与植
物物种、生长状况有关外，还与小气候环境的温度、湿度、土壤、采样点等因素有关，而城乡结合部植被生态系统的固碳释氧效益不仅与植物的光合作用有关，还与三维绿量、郁闭度等因素有关，需在今后的工作中进一步深入论证。

(1)通过对北京市朝阳区城乡结合部17种常用绿化植物光合速率的研究，结果表明，毛白杨、旱柳、洋白蜡、洋槐、大叶黄杨、二球悬铃木、白玉兰、连翘、龙爪槐、金银木、银杏、草地早熟禾的光合速率呈双峰曲线，油松、鸢尾、紫叶李、紫羊茅、金叶女贞的光合速率呈单峰曲线;植物光合速率曲线峰值多出现在10:00—12:00和14:00—16:00。

(2)17种常用绿化植物单位叶面积固碳量为2．92～13．81 g/(m2·d)，释氧量为2．12～10．05 g/(m2·d)。

同化总量最高的是旱柳，为313．96 mmol/(m2·d)，其单位叶面积固碳释氧量也高于其他植物，固碳量和释氧量分别为13．81和10．05 g/(m2·d);其次是紫羊茅，固碳量和释氧量分别为12．82和9．32
g/(m2·d);草地早熟禾最低，固碳量和释氧量分别为2．92和2．12 g/(m2·d);旱
柳和草地早熟禾二者相差3．73倍。

(3)17种常用绿化植物单位土地面积固碳量为11．00～92．71g/(m2·d)，释氧量为8．00～67．42 g/(m2·d)。

单位土地面积固碳释氧量最高的是二球悬铃木，固碳量和释氧量分别为92．71和67．42 g/(m2·d);其次是油松，固碳量和释氧量
分别为77．64和56．46 g/(m2·d);草地早熟禾最低，固碳量和释氧量分别为11．00和8．00 g/(m2·d);二球悬铃木和草地早熟禾二者相差7．43倍。

(4)北京市城乡结合部林草植被系统在植物选择时，乔木优选二球悬铃木、油松、
旱柳、洋槐，灌木优选大叶黄杨、紫叶李、金叶女贞、连翘，草本植物优选鸢尾、紫羊茅，并通过乔灌草(如二球悬铃木、大叶黄杨、鸢尾)、乔灌(如油松、紫叶李)
或灌草(如金叶女贞、紫羊茅)等多层复合配置模式增加叶面积指数，从而提高整个植被系统的固碳释氧能力。

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