12种木兰科乔木固碳释氧和降温增湿能力研究

12种木兰科乔木固碳释氧和降温增湿能力研究

于雅鑫;胡希军;金晓玲

【摘 要】选取木兰科的落叶齐木和常绿乔木各6种,采用Li-6400XT携带型光合作

用测量仪和ACCUPARLP-80型植物冠层分析仪测定各植物的光合速率、蒸腾速率

和叶面积指数,量化分析各树种单位土地面积上的固碳释氧和降温增湿能力.结果表

明,单位土地面积上,常绿树种的日固碳释氧能力排序为乐昌含笑＜平伐含笑＜紫花

含笑＜毛桃木莲＜观光木＜木莲,日降温增湿能力排序为乐昌含笑＜平伐含笑＜毛

桃木莲＜紫花含笑＜木莲＜观光木；落叶树种中的日固碳释氧能力排序为厚朴＜黄

花玉兰＜黄山木兰＜紫玉兰＜凹叶厚朴＜鹅掌楸,日降温增湿能力排序为厚朴＜黄

山木兰＜黄花玉兰＜凹叶厚朴＜紫玉兰＜鹅掌楸.综合分析发现,落叶乔木的固碳释

氧和降温增湿能力比常绿乔木好.

【期刊名称】《广东农业科学》

【年(卷),期】2013(040)006

【总页数】5页(P47-50,60)

【关键词】木兰科;叶面积指数;固碳释氧;降温增湿

【作 者】于雅鑫;胡希军;金晓玲

【作者单位】中南林业科技大学风景园林学院,湖南长沙410004;中南林业科技大

学风景园林学院,湖南长沙410004;中南林业科技大学风景园林学院,湖南长沙

410004

【正文语种】中 文

【中图分类】Q949.747.1

木兰科植物是双子叶植物中历史最悠久的种群，是植物界的“活化石”[1]。我国

拥有木兰科植物11 属121 种，其自然地理分布主要位于长江淮河以南地区，向

东北部及西北部地区渐减。木兰科植物是我国亚热带地区常绿阔叶林的重要绿化树

种，被誉为“玉香海”，素以花大芳香、花期延绵、花色缤纷、花态各异而闻名。

其花或簇于枝顶或生于叶腋，其果或聚合果或翅果，其叶色或翠绿或银灰，其姿优

美多态、雅而不俗，是具有良好园林观赏价值和较高科研价值的一类植物[2]。

随着人们生活水平的提高，城市园林事业蓬勃发展，在本土特色风景园林的建设过

程中，木兰科植物越来越受到园林科技工作者的亲睐。近年来，木兰科植物的自然

生境破碎化严重，许多种类的生存受到胁迫，已成为国家保护植物。为扩大木兰科

植物的种群数量和分布范围，选择其作为城市园林主要绿化树种是对其较好的保护

方式[3]。然而目前多地出现了未经试验就盲目引种发展木兰科苗木的热潮，由于

缺乏深入的科学研究，并未到达预期的景观效果，甚至导致母株资源匮乏。因此，

遵循“先试验，再应用”的原则，才能为木兰科植物在城市园林绿化建设的应用中

提供更切实可靠的技术基础。

本研究以12 种观赏效果较佳的木兰科树种为材料，进行了光合作用和蒸腾作用试

验，量化探讨不同树种间的差异性，并对它们的固碳释氧和降温增湿效益进行了初

步评价分析，以期为城市园林绿化中木兰科植物种类的开发和利用提供科学的理论

依据，使木兰科观赏树种在景观生态建设和现代园林绿化中发挥积极的观赏价值和

生态学效益[4]。

风气候，夏季酷热期长，冬季湿冷多雨，年平均气温16.8～17.4℃，全年温差大，

极端高温可达40.6℃，极端低温仅为-12℃。降水多集中在5～7 月，年均降水量

约1 392.6 mm。

中南林业科技大学木兰园位于长沙市东南部，园内土质改良后适宜木兰科植物生长，

拥有木兰科植物9 属17 种，共同构成了主教学楼的景观。值得一提的是，2008

年春节前夕，我国遭遇特大雪灾，湖南成为受灾最为严重的地区之一，长沙出现持

续低温、雨雪和冰冻的极端天气，木兰园中的植物虽然在此次低温中遭受冻害，但

大部分种类被保存了下来，现今长势良好，说明中南林业科技大学木兰园中所引种

种类具有极佳的抗寒性和生态适应性。

1.2 试验材料

供试树种为中南林业科技大学木兰园中的12 种乔木，分别属于木兰科的玉兰属、

木兰属、含笑属、观光木属、木莲属和鹅掌楸属。其中，国家Ⅱ级保护植物3种，

分别为观光木、凹叶厚朴和鹅掌楸；国家Ⅲ级保护植物1 种，为黄山木兰。试验

土壤条件一致，试验树种树龄相近，生长状况基本相同。12 种试验树种的具体情

况见表1。

表1 12 种试验树种的具体信息树种乐昌含笑平伐含笑紫花含笑观光木木莲毛桃木

莲黄花玉兰紫玉兰厚朴凹叶厚朴黄山木兰鹅掌楸拉丁学名Michelia chapensis

Michelia cavaleriei Michelia crassipes Tsoongiodendron odorum

Manglietia fordiana Manglietia moto Yulania denudate Magnolia

liliflora Magnolia officinalis Magnolia officinalis Magnolia

cylindrica Liriodendron chinensis属名含笑属含笑属含笑属观光木属木莲属木莲

属玉兰属木兰属木兰属木兰属木兰属鹅掌楸属生活型常绿乔木常绿乔木常绿乔木常

绿乔木常绿乔木常绿乔木落叶乔木落叶乔木落叶乔木落叶乔木落叶乔木落叶乔木

1.3 试验方法

1.3.1 光合作用和蒸腾作用瞬时速率值的测定 在植物光合作用和蒸腾作用最强的夏

季（7 月末到8 月中旬），选择晴朗无风的天气条件，每种参试树种选择3 株，

在每株的冠层阳面选取5 片长势正常的成熟叶片，用Li-6400XT携带型光合作用

测量仪（美国LI-COR 公司）测定每个叶片的瞬时光合作用速率值 （Pn） 和瞬时

蒸腾作用速率值（E）。测定重复进行3 d，试验时段为8：00～18：00，以每2

h为1 个时间单位进行测试。

1.3.2 叶面积指数的测定 基于辐射测量法，采用ACCUPAR LP-80 型植物冠层分

析仪测量辐射透过率，得到叶面积指数。阴天时不需要对植物的冠层结构进行假设，

测量较为简单，因此试验选择无风的阴天，每种参试树种选择3 株，在早上8：

00～9：00 分别对每株树的8 个方向各取1 组数据，直接读出叶面积指数LAI。

1.4 相关计算

1.4.1 树种单位叶面积固碳释氧量的计算 测定完成后，通过公式计算参试树种当日

的净同化总量：

式中，P 代表参试树种测试当天的净同化总量，单位为mmol/m2·d；pi 代表初测

时间点的瞬时光合作用速率，pi+1则为紧邻的下个测定点的瞬时光合作用速率，

单位均为μmol/m2·d；ti 为初测时间，ti+1 则为下一测定点的时间，单位均为h；

3600 代表每小时为3 600 s，1 000 是指1 mmol换算为1 000 μmol。

以白天进行光合作用所吸收的CO2 量为基础，植物每天的净固碳量还应该扣除其

夜间暗呼吸所释放的CO2量。但是一般进行固碳释氧量的研究时不会测量植物夜

间的暗呼吸速率，因此可以根据经验值将其设定为20%[5]。根据绿色植物的光合

作用反应方程：CO2+4H2O→CH2O+3H2O+O2，可将树种的日净同化总量换

算为日净固碳量：

WCO2=（P×44÷1000）×80%

日释氧量为：

W表示植物日固碳量和日释氧量，单位均为g/m2·d；44、32 分别是CO2 和O2

的摩尔质量。

1.4.2 树种单位叶面积降温增湿量的计算 通过测得的蒸腾作用速率量化12 种树种

的降温增湿能力，各供试树种的日蒸腾总量为：

式中，E 代表参试树种测试当天的蒸腾总量，单位为mol/md；ei 代表初测时间

点的瞬时蒸腾作用速率，ei+1 则为紧邻的下个测定点的瞬时蒸腾作用速率，单位

均为mmol/m2·d；ti 为初测时间，ti+1 则为下一测定点的时间，单位均为h；3

600 代表每小时为3 600 s，1000 是指1 mmol换算为1 000 μmol。

参试树种的日增湿量为：

WH2 O=E×18

植物通过蒸腾作用导致水分蒸发而吸收热量，单位叶面积的日吸热量为：

Q=WH2O×L×4.18

式中，Q 代表单位叶面积每天吸收的热量，单位为J/md；L为蒸腾潜热系数，

L=597-0.57t，单位为J/g℃，t 为测试日叶面的温度，取平均值32℃；4.18 是指

1 卡相当于4.18 J。

植物蒸腾消耗热量Q 是取自于周围1 000 m3 的空气柱，故蒸腾作用引起的气温

下降值为：

式中，△T 代表下降温度值；PC 是空气容积热容量，为1 256 J/mh。

1.4.3 树种单位土地面积固碳释氧和降温增湿量的计算很多学者以株为单位衡量植

物的固碳释氧和降温增湿能力，但是不同植株的绿量有差异，不能单纯地认为树种

单株的固碳释氧量和降温增湿量越高，树种的生态效益就越好，而应引入叶面积指

数（即单株植物的表面积与土地表面积之比）的概念[6]来定量描述植物叶面的数

量变化[7]。利用植物的叶面积指数计算单株植物单位土地面积上的固碳释氧量和

降温增湿量，才能更确切地反映该树种的生态效益[8]。

单株植物单位土地面积上的日固碳量为

释氧量为

增湿量为

降温值为

2 结果与分析

2.1 光合速率和蒸腾速率的日变化情况

从图1 可以看出，12 种树种的光合速率日变化曲线均呈双峰型，两个高峰分别出

现在10：00 和16：00。紫花含笑和木莲在14：00 时光合速率有微小的回升，

出现一个小高峰，在16：00 时达到全天的第2 个大高峰。总体来看，落叶树种

比常绿树种的净光合速率高。落叶树种中，净光合速率最高的是鹅掌楸，双峰值分

别为13.6、6.8 μmol/m2·s；常绿树种中，净光合速率最高的是毛桃木莲，双峰

值分别为11.0、6.4 μmol/m2·s。从曲线走向可以明显看出，所有树种的净光合

速率在中午12：00 左右会出现一个低谷，即强光、高温和气孔导度等所导致的午

休现象。研究发现，夏季的光合有效辐射会在中午12：30 前后达到峰值，可见过

强的光照反而抑制光合作用。

图1 12 个树种光合速率的日变化曲线

从图2 可以看出，蒸腾速率日变化曲线呈双峰型的共有9 种树种，凹叶厚朴、厚

朴、紫花含笑、黄山木兰和紫玉兰的双峰值分别出现在10：00 和16：00；观光

木、木莲和毛桃木莲的双峰值出现在10：00 和14：00； 乐昌含笑的双峰值出现

在12：00 和16：00，分别为4.7、2.6 mmol/m2·s。剩余3种树种的蒸腾速率

日变化曲线均为单峰型，平伐含笑和鹅掌楸的高峰值出现在10：00，分别为5.04、

4.5 mmol/m2·s；黄花玉兰的高峰值出现在10：00，为6.7 mmol/m2·s。总体

来看，落叶树种比常绿树种的蒸腾速率高。陈涛等[9]对木兰科植物进行研究，发

现常绿类的导管分子窄长，端壁为梯状穿孔，穿孔板的横闩较多；而落叶类的导管

分子短宽，端壁为单穿孔式，说明常绿树种的气孔阻力比落叶树种大，从而导致常

绿树种的蒸腾速率较低。本试验中，蒸腾速率最低的是紫花含笑，这主要与其叶片

结构有关，紫花含笑的叶片革质，叶背密被红褐色绒毛，从而造成气孔阻力增大。

蒸腾速率越低，释水能力就越弱，节水能力就相对较强，因此，在一定程度上紫花

含笑的抗干旱性优于其他试验树种。

图2 12 个树种蒸腾速率的日变化曲线

2.2 树种单位叶面积固碳释氧和降温增湿能力分析

从表2 可以看出，12 种树种单位叶面积的固碳释氧量和降温增湿量变化较大。其

中，鹅掌楸单位叶面积的日同化总量最大，紫花含笑单位叶面积的日同化总量最小，

两者固碳量相差3.07 g/m2·d，释氧量相差2.79 g/m2·d；黄花玉兰单位叶面积

的日蒸腾总量最大，紫花含笑单位叶面积的日蒸腾总量最小，两者的增湿量相差1

006.92 g/m2d，日降温值相差0.19℃。落叶类与常绿类相比，6 种落叶树种的平

均日固碳量为8.27 g/m2·d，平均日释氧量为7.52 g/m2·d，平均日增湿量为2

237.49 g/m2·d，平均日降温值为0.43℃；6 种常绿树种的平均日固碳量为7.26

g/m2·d，平均日释氧量为6.60 g/m2·d，平均日增湿量为1 660.74 g/m2d，平

均日降温值为0.32℃。对12 种树种的固碳释氧和降温增湿能力进行比较分析，发

现不同树种间单位叶面积的固碳释氧和降温增湿能力不同，落叶树种的平均日固碳

释氧量和降温增湿量略高于常绿树种。

表2 12 种试验树种单位叶面积的固碳释氧量及降温增湿量树种乐昌含笑平伐含笑

紫花含笑观光木木莲毛桃木莲紫玉兰黄花玉兰厚朴凹叶厚朴黄山木兰鹅掌楸日同化

总量（mmol/m2·d）208.08 198.72 187.56 214.20 206.28 222.12 234.72

227.52 226.44 222.84 223.56 274.68固碳量（g/m2·d）7.32 6.99 6.60 7.54

7.26 7.82 8.26 8.01 7.97 7.84 7.87 9.67释氧量（g/m2·d）6.66 6.36 6.00 6.85

6.60 7.11 7.51 7.28 7.25 7.13 7.15 8.79日蒸腾总量（mol/m2·d）101.27

89.64 82.55 100.80 85.00 94.32 126.14 138.49 132.12 103.97 122.76 122.35

增湿量（g/m2·d）1822.86 1613.52 1485.90 1814.40 1530.00 1697.76

2270.52 2492.82 2378.16 1871.46 2209.68 2202.30降温值（℃）0.35 0.31

0.29 0.35 0.29 0.33 0.44 0.48 0.46 0.36 0.43 0.42

2.3 树种单位土地面积固碳释氧和降温增湿能力分析

从表3 可以看出，不同树种的叶面积指数差异较大，叶面积指数最小的是乐昌含

笑，仅为4.35；叶面积指数最大的是凹叶厚朴，达8.23。12 种树种单位土地面积

的固碳释氧量和降温增湿量变化较大。其中，乐昌含笑单位土地面积的固碳释氧量

最小，固碳量为31.86 g/m2·d，释氧量为28.97 g/m2·d；鹅掌楸单位土地面积

的固碳释氧量最大，固碳量为78.51 g/m2·d，释氧量为71.37 g/m2·d；鹅掌楸

单位土地面积的降温增湿量最大，日增湿量为17 882.68 g/m2·d，日降温值达

3.44℃；乐昌含笑单位土地面积的降温增湿量最小，日增湿量为7 929.44

g/m2·d，日降温值仅1.53℃。落叶类与常绿类相比，6 种落叶树种的平均日固碳

量为55.71 g/m2·d，平均日释氧量为50.65 g/m2·d，平均日增湿量为14

757.75 g/m2·d，平均日降温值为2.84℃；6 种常绿树种的平均日固碳量为47.86

g/m2·d，平均日释氧量为43.51 g/m2·d，平均日增湿量为10 878.42 g/m2·d，

平均日降温值为2.10℃。总体来说，不同树种间单位土地面积的生态效能有所不

同，落叶树种的日平均固碳释氧量和降温增湿量高于常绿树种。

表3 12 个树种单位土地面积的固碳释氧量及降温增湿量树种乐昌含笑平伐含笑紫

花含笑观光木木莲毛桃木莲紫玉兰黄花玉兰厚朴凹叶厚朴黄山木兰鹅掌楸叶面积指

数4.35 6.40 7.45 7.21 7.93 6.32 7.80 5.12 5.09 8.23 5.74 8.12固碳量

（g/m2·d）31.86 44.77 49.18 54.36 57.58 49.42 64.44 41.01 40.57 64.56

45.17 78.51释氧量（g/m2·d）28.97 40.70 44.71 49.42 52.35 44.92 58.59

37.28 36.88 58.69 41.06 71.37增湿量（g/m2·d）7929.44 10326.53 11069.96

13081.82 12132.90 10729.84 17710.06 12763.24 12104.83 15402.12

12683.56 17882.68降温值（℃）1.53 1.99 2.13 2.52 2.34 2.07 3.41 2.46 2.33

2.97 2.44 3.44

3 结论与讨论

研究发现，12 种木兰科乔木的固碳释氧和降温增湿能力存在一定的差异性。12 个

树种单位叶面积的固碳释氧能力排序为紫花含笑＜平伐含笑＜木莲＜乐昌含笑＜观

光木＜毛桃木莲＜凹叶厚朴＜黄山木兰＜厚朴＜黄花玉兰＜紫玉兰＜鹅掌楸，单位

叶面积的降温增湿能力排序为紫花含笑＜木莲＜平伐含笑＜毛桃木莲＜观光木＜乐

昌含笑＜凹叶厚朴＜鹅掌楸＜黄山木兰＜紫玉兰＜厚朴＜黄花玉兰； 而12 种树

种单位土地面积的固碳释氧能力排序为乐昌含笑＜厚朴＜黄花玉兰＜平伐含笑＜黄

山木兰＜紫花含笑＜毛桃木莲＜观光木＜木莲＜紫玉兰＜凹叶厚朴＜鹅掌楸，单位

土地面积的降温增湿能力排序为乐昌含笑＜平伐含笑＜毛桃木莲＜紫花含笑＜厚朴

＜木莲＜黄山木兰＜黄花玉兰＜观光木＜凹叶厚朴＜紫玉兰＜鹅掌楸。可见，在引

入叶面积指数这一概念后，固碳释氧和降温增湿能力的排序发生了变化。单位叶面

积固碳释氧量最大的鹅掌楸与最小的紫花含笑之间相差1.47 倍，降温增湿量最大

的黄花玉兰与最小的紫花含笑之间相差1.68 倍；但是，单位土地面积固碳释氧量

最大的鹅掌楸和最小的乐昌含笑之间相差2.46 倍，降温增湿量最大的鹅掌楸与最

小的乐昌含笑之间相差2.26 倍。单位叶面积的日固碳释氧量与日增湿降温量在不

同树种间的变化较小，而单位土地面积的固碳释氧量与增湿降温量在不同树种间的

差异较大。

单位叶面积的落叶树种与常绿树种之间的固碳释氧量相差1.14 倍，降温增湿量相

差1.35 倍；单位土地面积的落叶树种与常绿树种之间的固碳释氧量相差1.16 倍，

降温增湿量相差1.36 倍。可见，不论是单位叶面积还是单位土地面积，落叶树种

的固碳释氧和降温增湿能力都比常绿树种好。

研究发现，单位叶面积固碳释氧和降温增湿能力最强的是鹅掌楸，最弱的是紫花含

笑；单位土地面积固碳释氧和降温增湿能力最强的仍是鹅掌楸，最弱的则是乐昌含

笑。鹅掌楸不仅绿量较大，其光合速率和蒸腾速率也较高，说明鹅掌楸的生态效益

好，该树种应作为城市生态园林建设的骨干树种； 紫花含笑单位叶面积的固碳释

氧和降温增湿能力最弱，但其叶面积指数远高于乐昌含笑，导致单位土地面积上紫

花含笑的固碳释氧和降温增湿能力优于乐昌含笑，说明单位土地面积上的绿量大小

是决定树种固碳释氧量和增湿降温量的关键因素。

不同地区不同季节树种的光合作用和蒸腾作用差异很大。本研究结果基于长沙夏季

的地理气候条件，是在外界自然环境下进行的，试验日高温湿热导致气孔塞闭，植

物的光合作用和蒸腾作用受阻，又不能完全避免立地环境因素的影响，因此测得的

数据低于前人的研究结果，需要进一步减少试验误差，完善和深入试验研究，如人

为控制环境因子、增加试验次数等。

参考文献：

[1]朱雅安,刘德良.湖南野生木兰科植物资源及园林应用的探讨[J].湖南林业科

技,2002,29(3)：84.

[2]姜卫兵,曹晶,李刚,等.我国木兰科观赏新树种的开发及在园林绿化中的应用[J].上

海农业学报,2005,21(2)：68-73.

[3]孙起梦,刘兴剑,汤诗杰.南京木兰科观赏植物引种调查及适应性评价[J].安徽农业

科学,2008,36(23)：9967-9969.

[4]曹受金,刘辉华.木兰科观赏树种在园林绿化中的应用[J].安徽农业科

学,2006,34(23)：6183-6184.

[5]曾曙才,苏志尧,谢正生,等.广州白云山主要林分的生产力及吸碳放氧研究[J].华南

农业大学学报(自然科学版),2003,24(1)：17-19.

[6]徐玮玮,李晓储,汪成忠,等.扬州古运河风光带绿地树种固碳释氧效应初步研究[J].

浙江林学院学报,2007,24(5)：575-580.

[7]McPherson E ison of five methods for estimating leaf area

index of open -grown deciduous tree [J].Journal of

Arboriculture,1998,24(2)：98-111.

[8]陈少鹏,庄倩倩,郭太君,等.长春市园林树木固碳释氧与增湿降温效应研究[J].湖北

农业科学,2012,51(4)：750-756.

[9]陈涛,张宏达.木兰科植物地理学分析[J].武汉植物学研究,1996,14(2)：141-146.