熊向艷，韓永偉*，高馨婷，尚洪磊，鄭燁，王寶良

1．中國環(huán)境科學研究院生態(tài)所，北京 100012

2．國家環(huán)境保護區(qū)域生態(tài)過程與功能評估重點實驗室，北京 100012

3．中國環(huán)境科學研究院，環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室，北京 100012

北京市城鄉(xiāng)結(jié)合部17種常用綠化植物固碳釋氧功能研究

熊向艷1，2，3，韓永偉1，2，3*，高馨婷1，2，3，尚洪磊1，2，3，鄭燁1，2，3，王寶良1，2，3

1．中國環(huán)境科學研究院生態(tài)所，北京 100012

2．國家環(huán)境保護區(qū)域生態(tài)過程與功能評估重點實驗室，北京 100012

3．中國環(huán)境科學研究院，環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室，北京 100012

固碳釋氧是植物的一項重要生態(tài)服務(wù)功能。以北京市朝陽區(qū)城鄉(xiāng)結(jié)合部17種常用綠化植物為研究對象，采用美國Li－6400便攜式光合測定儀和Li－2000冠層分析儀測定植物的光合速率和葉面積指數(shù)，通過聚類分析將其固碳釋氧能力分級，并對植物固碳釋氧效益進行了系統(tǒng)的定量研究。結(jié)果表明，17種常用綠化植物的光合速率曲線多呈單峰或雙峰趨勢，單位葉面積固碳量為2．92～13．81 g/(m2·d)，釋氧量為2．12～10．05 g/(m2·d);單位土地面積固碳量為11．00～92．71 g/(m2·d)，釋氧量為8．00～67．42 g/(m2·d)。單位葉面積固碳釋氧能力聚類分析表明，喬木(9種)分為兩級，灌木(5種)分為兩級，草本植物(3種)分為兩級;單位土地面積固碳釋氧能力分析表明，喬木(9種)分為兩級，灌木(5種)分為三級，草本植物(3種)分為兩級。因此，提高城鄉(xiāng)結(jié)合部林草植被系統(tǒng)的固碳釋氧效益，除選擇固碳釋氧能力較強的植物外，還應(yīng)綜合考慮擬選植物的結(jié)構(gòu)配置。

固碳釋氧;葉面積指數(shù);綠化植物;城鄉(xiāng)結(jié)合部;北京

城鄉(xiāng)結(jié)合部(rural|urban fringe)是城市與鄉(xiāng)村之間的過渡帶和交接部位，是城市向鄉(xiāng)村擴展、鄉(xiāng)村向城市發(fā)展的一個特殊區(qū)域，也是連接城鄉(xiāng)的橋梁和紐帶［1|3］。城鄉(xiāng)結(jié)合部林草植被系統(tǒng)具有較強的防風固沙、固碳釋氧、降溫增濕、涵養(yǎng)水源和保護生物多樣性等生態(tài)功能，對提升城郊生態(tài)防護功能和改善城區(qū)環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。然而，隨著城市化、工業(yè)化的快速發(fā)展，城鄉(xiāng)結(jié)合部植被系統(tǒng)不斷受到建設(shè)用地的擠壓，綠化覆蓋率不斷下降。加之，目前國內(nèi)外學者對城鄉(xiāng)結(jié)合部的研究主要集中在概念、結(jié)構(gòu)、功能、土地利用、社會經(jīng)濟等宏觀問題上［4|6］，鮮有對城鄉(xiāng)結(jié)合部植被生態(tài)服務(wù)功能的定量研究，致使城鄉(xiāng)結(jié)合部植被系統(tǒng)服務(wù)價值很難引起決策者的重視，不利于城市生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。筆者以城鄉(xiāng)結(jié)合部林草復(fù)合植被生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧功能為重點，選取北京市城鄉(xiāng)結(jié)合部常見的17種綠化植物，通過測定其光合速率和葉面積指數(shù)，比較分析不同植物單位葉面積和單位土地面積的固碳釋氧能力，并運用聚類分析方法對測試植物的固碳釋氧能力進行比較分級，以期為北京等同類城市城鄉(xiāng)結(jié)合部林草植被系統(tǒng)的構(gòu)建與保護提供理論支撐。

1 概況

研究區(qū)位于北京市主城區(qū)東部的朝陽區(qū)境內(nèi)。該區(qū)平均海拔34 m，總面積470．8 km2。多年平均氣溫11．6℃;年均降水量589．3 mm，蒸發(fā)量1 852 mm，為降水量的3．14倍。全年無霜期平均192 d，日照時數(shù)2 360．4 h;相對濕度59%，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候。地帶性植被為暖溫帶落葉闊葉林，以人工群落為主體，植物種類相對簡單。

2 研究方法

2.1 試驗材料

通過對北京市朝陽區(qū)城鄉(xiāng)結(jié)合部公園和道路綠地進行實地調(diào)查和統(tǒng)計，選擇了使用頻度較高的9種喬木，包括毛白楊、旱柳、洋白蠟、洋槐、白玉蘭、二球懸鈴木、龍爪槐、銀杏、油松;5種灌木，包括紫葉李、連翹、金銀木、大葉黃楊、金葉女貞;3種草本植物鳶尾、紫羊茅、草地早熟禾作為試驗材料(表1)。

表1 試驗材料Table 1 Experimentalmaterials

2.2 測定方法

2.2.1 光合速率的測定

試驗于2010年7月進行，選擇晴朗、無風或微風天氣，采用Li－6400便攜式光合測定儀(美國Li－Cor公司)，在自然條件下，8:00—18:00每2 h測定1次;選擇樹齡、樹高、冠幅相近的健康植株3株為待測植物;每株植物隨機選取多個待測葉片，其中喬木分東南西北4個方向和上中下3層選取大小相似、生長健壯的葉片測試;灌木分東南西北4個方向選取4個葉片測試;草本植物在群落內(nèi)按對角線選取3個葉片測試，每個葉片取3～6個瞬時光合速率值作為重復(fù)［7|9］。測試時，闊葉喬灌木和草本植物選用光合葉室測定，針葉喬木則采用簇狀葉室測定;若葉片未充滿葉室，闊葉樹種和針葉樹種的葉片面積分別采用方格法和體積法進行測定［10］。

2.2.2 葉面積指數(shù)的測定

選擇7月晴朗、無風或微風天氣，采用Li－2000植物冠層分析儀(美國)測定8:00—9:00植物的葉面積指數(shù)，用90度的鏡頭蓋在植物的4個不同方向各取一對觀測值，再運用冠層分析儀的配套分析軟件對采集的數(shù)據(jù)進行分析，最后計算葉面積指數(shù)，每個物種做3個重復(fù)，取其平均值［11|13］。

2.3 計算方法

在植物光合速率日變化曲線中，其同化量是凈光合速率曲線與時間橫軸圍合的面積［8］。因此，植物的固碳釋氧量可以在光合速率的基礎(chǔ)上進行測定，使用簡單積分法計算各種植物在測定當日的凈同化量［14］。假定光合有效輻射每天按10 h計算，則植物凈同化量為:

通過測定日同化總量換算為日單位葉面積固碳量:

根據(jù)光合作用的反應(yīng)方程:

計算測定植物單位葉面積釋氧量:

據(jù)此計算單株植物單位土地面積上的固碳量和釋氧量:

式中，P為植物的同化總量，mmol/(m2·d);Pi為初測點的瞬時光合作用速率，μmol/(m2·s);Pi+l為i+1時刻的瞬時光合作用速率;ti為初測點的瞬時時間，h;ti+1為i+1測點的時間，h;j為測定次數(shù); WCO2和WO2分別為植物單位葉面積固碳量和釋氧量，g/(m2·d);44為CO2的摩爾質(zhì)量;32為O2的摩爾質(zhì)量;QCO2和QO2分別為單株植物單位土地面積上的固碳量和釋氧量，g/(m2·d);LAI為植物的葉面積指數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析。利用SPSS 18．0數(shù)理統(tǒng)計軟件對17種常用綠化植物的單位葉面積固碳釋氧能力和單位土地面積固碳釋氧能力采用Word Method離差平方和法進行聚類分析［15］，分別得出聚類分析圖并進行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 光合速率日變化曲線

光合作用是植物的重要生理功能，光合作用的強弱直接影響植物固碳釋氧能力的發(fā)揮［16］。植物總是生活在某種特定的環(huán)境中，并與外界環(huán)境間不斷地進行物質(zhì)和能量交換。由于影響光合作用的環(huán)境因子(溫度、光照、水分等)在一天中變化明顯，因此，光合速率也會呈相應(yīng)的變化規(guī)律［17］，圖1為根據(jù)不同樹種光合速率繪制的各植物凈光合速率日變化曲線。從圖1可以看出，植物凈光合速率曲線的第1個峰值多出現(xiàn)在10:00—12:00，第2個峰值多出現(xiàn)在14:00—16:00。毛白楊、旱柳、洋白蠟、洋槐、大葉黃楊、二球懸鈴木、白玉蘭、連翹、龍爪槐、金銀木、銀杏、草地早熟禾的光合速率呈雙峰曲線，油松、鳶尾、紫葉李、紫羊茅、金葉女貞的光合速率呈單峰曲線?？傮w來看，旱柳和紫羊茅的凈光合速率較高，金銀木和草地早熟禾較低。旱柳在10:00和14:00的峰值分別為9．65和11．34μmol/(m2·s);紫羊茅在12:00左右的峰值為11．51μmol/(m2·s);金銀木在10:00和14:00峰值分別為 2．81和 4．89 μmol/(m2·s);草地早熟禾在10:00和16:00峰值分別為3．59和1．64μmol/(m2·s)。

從圖1可以明顯看出，大多數(shù)植物在12:00左右出現(xiàn)了光合午休現(xiàn)象，其與佟瀟等［16］在沈陽、陳月華等［18］在長沙、史曉麗［19］在北京對植物光合速率的測定結(jié)果一致。其可能是強光、高溫、低濕、干旱等條件下胞間CO2濃度和氣孔導(dǎo)度下降，葉片氣孔關(guān)閉，影響CO2進入葉片內(nèi)，從而導(dǎo)致植物的光合速率下降［14，20|21］，也可能與植物光合細胞機構(gòu)和功能有關(guān)［22|23］。

圖1 17種植物的光合速率日變化Fig．1 Diurnal change of net photosynthesis rates of 17 different species

3.2 植物單位葉面積固碳釋氧量分析

植物通過光合作用發(fā)揮固碳釋氧的功能，對改善城市空氣質(zhì)量、實現(xiàn)城市生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)具有重要意義［24］。

對17種常用綠化植物單位葉面積固碳釋氧量進行了計算，結(jié)果見表2。由表2可知，9種喬木單位葉面積固碳量為6．17～13．81 g/(m2·d)，釋氧量為4．49～10．05 g/(m2·d)。其中，旱柳最高，其單位葉面積固碳量和釋氧量分別為13．81和10．05 g/(m2·d);毛白楊最低，其單位葉面積固碳量和釋氧量分別為6．17和4．49 g/(m2·d);2種植物相差1．24倍。5種灌木植物單位葉面積固碳量為4．39～9．31 g/(m2·d)，釋氧量為3．20～6．77 g/(m2·d)。其中，大葉黃楊最高，其單位葉面積固碳量和釋氧量分別為9．31和6．77 g/(m2·d);金銀木最低，其單位葉面積固碳量和釋氧量分別為 4．39和 3．20 g/(m2·d);2種植物相差1．12倍。3種草本植物單位葉面積固碳量為2．92～12．82 g/(m2·d)，釋氧量為2．12～9．32 g/(m2·d)。其中，紫羊茅最高，其單位葉面積固碳量和釋氧量分別為12．82和9．32 g/(m2·d);草地早熟禾最低，其單位葉面積固碳量和釋氧量分別為2．92和2．12 g/(m2·d);2種植物相差 3．39倍。而旱柳和草地早熟禾二者相差3．73倍。

3.3 植物單位土地面積固碳釋氧量分析

對17種常用綠化植物單位土地面積固碳釋氧量進行了計算，結(jié)果見表3。由表3可知，9種喬木植物單位土地面積固碳量為 30．56～92．71 g/(m2·d)，釋氧量為22．23～67．42 g/(m2·d)。其中，二球懸鈴木最高，其單位土地面積固碳量和釋氧量分別為92．71和67．42 g/(m2·d);毛白楊最低，其單位土地面積固碳量和釋氧量分別為30．56和22．23 g/(m2·d);2種植物相差2．03倍。5種灌木植物單位土地面積固碳量為 17．76～34．80 g/(m2·d)，釋氧量為12．91～25．31 g/(m2·d)。其中，大葉黃楊最高，其單位土地面積固碳量和釋氧量分別為34．80和25．31 g/(m2·d);金銀木最低，其單位土地面積固碳量和釋氧量分別為17．76和12．91 g/(m2·d);2種植物相差0．96倍。3種草本植物單位土地面積固碳量為 11．00～26．05 g/(m2·d)，釋氧量為8．00～18．95 g/(m2·d)。其中，鳶尾最高，其單位土地面積固碳量和釋氧量分別為26．05和18．95 g/(m2·d);草地早熟禾最低，其單位土地面積固碳量和釋氧量分別為11．00和8．00 g/(m2·d);2種植物相差1．34倍。而二球懸鈴木和草地早熟禾二者相差7．43倍。

表2 17種常用綠化植物單位葉面積固碳釋氧能力Table 2 Daily carbon fixation and oxygen release capabilities of17 different species per unit leaf area

表3 17種常用綠化植物單位土地面積固碳釋氧能力Table 3 Daily carbon fixation and oxygen release capabilities of 17 different species per unit land area

結(jié)果表明，在引入葉面積指數(shù)后，植物單位土地面積固碳釋氧量與單位葉面積固碳釋氧量相比明顯不同。其中，二球懸鈴木單位葉面積固碳量和釋氧量雖不是最高，分別為12．49和9．09 g/(m2·d)，但其葉面積指數(shù)為7．42，遠高于其他植物，使得其單位土地面積固碳釋氧量大大提高，因此是植物配置較好的選擇。而紫羊茅單位葉面積固碳量和釋氧量雖較高，分別為12．82和9．32 g/(m2·d)，但其葉面積指數(shù)為1．58，遠低于其他植物，使得其單位土地面積固碳釋氧量大大降低。單株植物葉面積和葉面積指數(shù)反映樹木葉片的疏密程度，葉面積指數(shù)越大，說明單位土地上的葉面積越多，葉片的層疊程度越大，對光能可形成多層利用，減少光能的浪費［25］。因此，整株植物的固碳釋氧能力不僅取決于植物白天的凈光合速率和夜間呼吸速率，還取決于該樹種葉面積指數(shù)［7］。而對綠化植物而言，人工修剪量、年度凋落量和動物取食量也是重要影響因素［26］。

3.4 植物固碳釋氧能力聚類分析

利用SPSS18．0數(shù)理統(tǒng)計軟件，對17種常用綠化植物單位葉面積固碳釋氧量采用Word Method離差平方和法進行聚類分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，9種常用綠化喬木單位葉面積固碳釋氧能力分成兩級，二球懸鈴木、油松、龍爪槐、旱柳、洋白蠟、白玉蘭為一級，其固碳量為 10．53～13．81 g/(m2·d)，釋氧量為7．94～10．05 g/(m2·d);洋槐、銀杏、毛白楊為二級，其固碳量為6．17～8．61 g/(m2·d)，釋氧量為4．49～6．26 g/(m2·d)。5種常用綠化灌木單位葉面積固碳釋氧能力也分成兩級，紫葉李、大葉黃楊、金葉女貞為一級，其固碳量為8．99～9．31 g/(m2·d)，釋氧量為 6．54～6．77 g/(m2·d);連翹、金銀木為二級，其固碳量為4．39～4．46 g/(m2·d)，釋氧量為3．20～3．24 g/(m2·d)。3種常用綠化草本植物單位葉面積固碳釋氧能力也分成兩級，鳶尾、草地早熟禾為一級，其固碳量為2．92～6．34 g/(m2·d)，釋氧量為2．12～4．61 g/(m2·d);紫羊茅為二級，其固碳量為 12．82 g/(m2·d)，釋氧量為9．32 g/(m2·d)。

圖2 喬木、灌木和草本植物單位葉面積固碳釋氧能力聚類分析Fig．2 Result of cluster analysis on the capability of carbon fixation and oxygen release per unit leaf area of 17 different species

采用相同方法，對17種常用綠化植物單位土地面積固碳釋氧量進行聚類分析，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，9種喬木單位土地面積固碳釋氧能力分為兩級，二球懸鈴木、油松為一級，其固碳量為77．64～92．71 g/(m2·d)，釋氧量為56．46～67．42 g/(m2·d);旱柳、毛白楊、龍爪槐、白玉蘭、洋槐、銀杏、洋白蠟為二級，其固碳量為 30．56～59．54 g/(m2·d)，釋氧量為22．23～43．30 g/(m2·d)。5種灌木單位土地面積固碳釋氧能力分為三級，大葉黃楊、紫葉李為一級，其固碳量為32．87～34．80 g/(m2·d)，釋氧量為23．91～25．31 g/(m2·d);連翹、金葉女貞為二級，其固碳量為24．47～27．69 g/(m2·d)，釋氧量為17．79～20．14 g/(m2·d);金銀木為三級，其固碳量為17．76 g/(m2·d)，釋氧量為12．91 g/(m2·d)。3種草本植物單位土地面積固碳釋氧能力分成兩級，鳶尾、紫羊茅為一級，其固碳量為20．25～26．05 g/(m2·d)，釋氧量為14．71～18．95 g/(m2·d);草地早熟禾為二級，其固碳量為11．00 g/(m2·d)，釋氧量為8．00 g/(m2·d)。

植物固碳釋氧能力聚類分析表明，喬木、灌木和草本植物固碳釋氧能力有明顯分級。張艷麗等［7，11］認為，在植被配置中，應(yīng)以喬木為主，輔以灌木和草本植物組成多復(fù)層結(jié)構(gòu)，并配以比例，使具有不同生態(tài)特性的植物各盡所能，充分利用陽光、水分、土地空間等資源，組建和諧有序的群落，增強規(guī)模效應(yīng)，才能提高整個系統(tǒng)的生態(tài)效益。

圖3 喬木、灌木和草本植物單位土地面積固碳釋氧能力聚類分析Fig．3 Result of cluster analysis on the capability of carbon fixation and oxygen release per unit land area of 17 different species

綜上所述，植物的固碳釋氧過程是十分復(fù)雜的動態(tài)生物學過程［27］，除了與植物物種、生長狀況有關(guān)外，還與小氣候環(huán)境的溫度、濕度、土壤、采樣點等因素有關(guān)，而城鄉(xiāng)結(jié)合部植被生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧效益不僅與植物的光合作用有關(guān)，還與三維綠量、郁閉度等因素有關(guān)，需在今后的工作中進一步深入論證。

4 結(jié)論

(1)通過對北京市朝陽區(qū)城鄉(xiāng)結(jié)合部17種常用綠化植物光合速率的研究，結(jié)果表明，毛白楊、旱柳、洋白蠟、洋槐、大葉黃楊、二球懸鈴木、白玉蘭、連翹、龍爪槐、金銀木、銀杏、草地早熟禾的光合速率呈雙峰曲線，油松、鳶尾、紫葉李、紫羊茅、金葉女貞的光合速率呈單峰曲線;植物光合速率曲線峰值多出現(xiàn)在10:00—12:00和14:00—16:00。

(2)17種常用綠化植物單位葉面積固碳量為2．92～13．81 g/(m2·d)，釋氧量為2．12～10．05 g/(m2·d)。同化總量最高的是旱柳，為 313．96 mmol/(m2·d)，其單位葉面積固碳釋氧量也高于其他植物，固碳量和釋氧量分別為13．81和10．05 g/(m2·d);其次是紫羊茅，固碳量和釋氧量分別為12．82和9．32 g/(m2·d);草地早熟禾最低，固碳量和釋氧量分別為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種常用綠化植物單位土地面積固碳量為11．00～92．71g/(m2·d)，釋氧量為8．00～67．42 g/(m2·d)。單位土地面積固碳釋氧量最高的是二球懸鈴木，固碳量和釋氧量分別為92．71和67．42 g/(m2·d);其次是油松，固碳量和釋氧量分別為77．64和56．46 g/(m2·d);草地早熟禾最低，固碳量和釋氧量分別為11．00和8．00 g/(m2·d);二球懸鈴木和草地早熟禾二者相差7．43倍。

(4)北京市城鄉(xiāng)結(jié)合部林草植被系統(tǒng)在植物選擇時，喬木優(yōu)選二球懸鈴木、油松、旱柳、洋槐，灌木優(yōu)選大葉黃楊、紫葉李、金葉女貞、連翹，草本植物優(yōu)選鳶尾、紫羊茅，并通過喬灌草(如二球懸鈴木、大葉黃楊、鳶尾)、喬灌(如油松、紫葉李)或灌草(如金葉女貞、紫羊茅)等多層復(fù)合配置模式增加葉面積指數(shù)，從而提高整個植被系統(tǒng)的固碳釋氧能力。

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Analysis of Carbon Fixation and Oxygen Release Capabilities of 17 Afforestation Plants in Rural－urban Fringe in Beijing

XIONG Xiang|yan1，2，3，HAN Yong|wei1，2，3，GAO Xin|ting1，2，3，SHANG Hong|lei1，2，3，ZHENG Ye1，2，3，WANG Bao|liang1，2，3
1．Institute of Ecological Environment，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China
2．State Environment Protection Key Laboratory of Regional Ecosystem Structure and Services Evaluation，Beijing 100012，China
3．State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China

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 gx(m2·d)and 2．12|10．05 gx(m2·d)．The daily carbon fixation and oxygen release per unit land area was respectively 11．00|92．71 gx(m2·d)and 8．00|67．42 gx(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 intotwo 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 compositemodel．

carbon fixation and oxygen release;leaf area index;afforestation plants;rural－urban fringe;Beijing

X173

A

10．3969/j．issn．1674－991X．2014．03．041

1674－991X(2014)03－0248－08

2014－01－08

環(huán)境保護公益性行業(yè)科研專項(201009020－02，201209038－05)

熊向艷(1988—)，女，碩士研究生，主要從事農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能保護研究，xxy1768@126．com

*責任作者:韓永偉(1973—)，男，研究員，博士，主要從事農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能保護研究，hyw916@126．com