魏永勝，蘆新建，趙廷寧，4，周心澄，4，王 堃

（1.西北農林科技大學 生命科學學院，陜西 楊凌 712100；2.中國農業(yè)大學 動物科技學院，北京 100094；3.北京林業(yè)大學 水土保持學院，北京 100083；4.北京林業(yè)大學 邊坡綠化研究所，北京 100083）

攀援植物是一類不能自由直立，須通過主莖的纏繞或攀緣器官的攀援才能在水平或垂直空間內生長的植物［1－2］，被廣泛地應用于垂直綠化，以增加綠化面積，提高綠化指數(shù)。對攀援植物的研究目前已經從分類、生長習性和應用等方面［3－4］轉入生態(tài)效益方面［5－6］，如在釋氧、固碳、增濕和降溫等。張迎輝等［6－7］通過蒸騰潛熱計算了爬山虎Parthenocissus tricuspidata對周圍1 000 m3空氣的降溫增濕效果，表明可以降溫0.45℃，增加濕度0.39%。照射在植物表面的輻射能，除通過蒸騰散失以外，還應包括葉片的反射與透射、對外長波幅射（只有在植株溫度高于環(huán)境溫度時才發(fā)生）、光合作用固定能量及植株自身溫度變化吸收或釋放的能量［8］。而關于這些組分對降溫效果的影響卻很少涉及。降溫的對象也是更多地關注環(huán)境氣溫，而很少對攀援植物所覆蓋的下墊面（如墻體）的實際溫度進行研究，更缺少在不同朝向墻體上的攀援植物降溫效果的研究資料。因此，也就無從知道攀援植物對墻體的整體降溫效果，當然也無法進一步推算因降溫對建筑物整體能量消耗（如空調耗電）的影響。本研究選擇生長在不同朝向的五葉地錦Parthenocissus quinquefolia為材料，研究它對不同朝向墻體的降溫效果，并通過蒸騰、光能利用效率（葉綠素熒光法）等指標解釋其降溫差異的生理學機制，以期為攀援植物在垂直綠化中的合理利用及其生態(tài)效應的定量化研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

試驗材料為生長于北京林業(yè)大學校園內學生公寓3號樓西和北2個朝向的墻體，5號樓東向墻體及南門值班室南墻上生長的五葉地錦。所選擇五葉地錦均已生長到建筑物頂部，覆蓋寬度在3 m以上。

利用Optris Minisight ms+（Optris GmbH，Germany）非接觸紅外測溫儀測定各方位裸露墻體表面溫度（Tbw），植物覆蓋下墻體表面溫度（Tuw）和植物冠層表面溫度（Tc）。Tbw與Tuw的差值為降溫值。測量時，測溫儀光學鏡頭離地高度為1.5 m左右，與待測物距離約為2.0 m（測量光斑的直徑為100 mm），且垂直于待測平面，每面墻體隨機測定5個點，點與點之間距離在0.5 m以上。被測墻體均為磚混結構，五葉地錦覆蓋厚度約為0.3 m。測量時間為8∶00－20∶00，2 h測定1次。

在 9∶00－10∶00利用Li-1600穩(wěn)態(tài)氣孔計（Li-Cor，USA）測定五葉地錦葉片的蒸騰速率（Tr），相對濕度（HR），葉面溫度（TL），葉室溫度（Ta）和光照強度。以光強測量儀直接對準太陽測量的結果為總光強（Li），垂直于葉片上表面10 cm測量的結果為反射光強（Lr），緊貼葉片下表面并保持上表面與入射光垂直所測結果為透射光強（Lt）。各個朝向隨機選5片葉測定，并做標記后用于測定葉綠素熒光。

在 9 ∶00 和 11 ∶00 利用 OS-30p（Ospi-Sciences，Inc.，USA）測定葉綠素熒光參數(shù)（Fo，F(xiàn)m），并計算Fv/Fm，F(xiàn)v＝Fm－Fo。測定前，夾上暗適應夾，進行15 min暗適應。

數(shù)據(jù)用SAS軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 不同朝向裸露墻體、冠下墻體及冠層溫度日變化規(guī)律

不同朝向的裸露墻體表面溫度Tbw的日變化規(guī)律是顯著不同的（圖1A），4條曲線均為明顯單峰型，且峰值依次出現(xiàn)，東向墻體溫度在10∶00最先達到峰值，其后是南向墻體，在14∶00出現(xiàn)，最后是西向和北向墻體，同時出現(xiàn)在16∶00。而五葉地錦覆蓋下的墻體表面溫度 Tuw日變化（圖1B）不同于Tbw，主要體現(xiàn)在線型和峰值出現(xiàn)的時間不同。東向和南向的Tuw分別在10∶00和14∶00達到較高值后，溫度的升高較為緩慢，且最高值顯著低于Tbw。而西向和北向的Tuw峰值出現(xiàn)的時刻與Tbw相同，但溫度低于Tbw。4個朝向的最高值均出現(xiàn)在16∶00。不同朝向五葉地錦冠層表面溫度Tc的日變化如圖1C所示，東向Tc曲線為 “M”型，其他3個朝向的Tc日變化與Tbw相同，且最高溫度出現(xiàn)的時間也相同，但數(shù)值均低于相應的Tbw。

圖1 不同朝向五葉地錦冠層（A）、冠層下墻體表面（B）和相應裸墻表面（C）溫度日變化Figure 1 Temperature diurnal variation of bare wall（A），wall under canopy（B）and canopy（C）of different orientations

不同朝向五葉地錦的降溫效果以Tuw－Tbw的值（Td）來表示（表1）。從朝向看，位于東墻上的五葉地錦降溫的效果最好，墻體溫度平均下降值為（5.40±0.61）℃，而北墻上的則只有（0.48±0.07）℃。按時間分析，10∶00至16∶00降溫效果好，降溫在3.6～5.6℃。位于東墻的五葉地錦對墻體的降溫效果在10∶00可達（12.40±0.14）℃，是所有時段與朝向中最高的，其他3個朝向的降溫最高值均出現(xiàn)在14∶00。Td與 Tbw的 Pearson相關系數(shù)為 0.879 4（Td＝－15.90+0.58 Tbw，P＜0.000 1，若按多項式回歸，相關系數(shù)會更高，為0.909 9，則Td＝15.90－1.30 Tbw+0.03 T2bw），與Tc的相關系數(shù)為0.531 4（P＜0.000 1），Tbw與 Tc的相關系數(shù)為 0.806 8（P＜0.000 1）。由此可見，Tc與 Td均受到Tbw的強烈影響，也表明，在高溫季節(jié)五葉地錦可以有效地降低墻體表面溫度。但東、西和北3個朝向的Tbw日均值差異并不顯著，分別為（30.40± 0.32），（29.60± 0.69）和（29.30± 0.49）℃（P＜ 0.050 0，n＝ 35），顯著低于南向的（32.90±0.74）℃。而日均降溫值（表1）差異顯著，表明不同朝向墻體上的五葉地錦的生理生態(tài)特性對降溫效果的影響是顯著的。

表1 不同朝向有無五葉地錦的墻體表面溫度差值的日變化Table 1 Diurnal variation（Td）of difference between Tuwand Tbwon different orientations

2.2 不同朝向五葉地錦葉片對入射光的反射、透射及蒸騰速率差異

不同朝向五葉地錦葉片對光的反射、透射及蒸騰等相關數(shù)據(jù)（表2）顯示，五葉地錦葉片所接受的有效光能輻射以東向和南向的高，其次為西向，而北向最低。而反射率在東向和南向高于西向和北向，但東南之間，西北之間差異不顯著。透射率則以東向最高，其他3個朝向間差異不顯著，均低于東向。反射率與透射率之和，除東向和北向之間存在顯著差異外，其他任意2個朝向間均無差異。因此可以表明，朝向對五葉地錦葉片反射能力和透射能力均有影響，但對兩者的和影響相對較小。各朝向葉片溫度均低于或接近葉室溫度，差異不顯著，表明葉片與環(huán)境間的長波能量交換并不多。蒸騰速率以東向葉片最高，其他3個朝向間差異不顯著，且低于東向。而氣孔阻力則以西向葉片最高，而其他3個朝向間差異不顯著。

表2 不同朝向五葉地錦葉片光利用特性及相關生理指標Table 2 Parthenocissus quinquefolia leaves characteristics of different orientations

2.3 不同朝向五葉地錦葉片的葉綠素熒光特性

對不同朝向五葉地錦的熒光參數(shù)的雙因素方差分析（表3）表明，長期在不同朝向生長的五葉地錦熒光參數(shù)Fo和Fv/Fm在不同時刻有顯著差異。而Fm相對穩(wěn)定，不隨時間變化。但進一步的分析（表4）表明，對于Fo，隨冠層溫度的升高，東向、南向和西向五葉地錦的Fo降低，但北向的增加。Fm的變化趨勢與Fo相同。而Fv/Fm相對變化較小，北向2個時刻的值均較低，而其他3個朝向的值接近。變異系數(shù)（表4）分析也表明，F(xiàn)v/Fm更為穩(wěn)定。因此，生在東向、南向和西向五葉地錦對光能的潛在利用能力高于北向的五葉地錦。

表3 時間和朝向對葉綠素熒光參數(shù)Fo，F(xiàn)m及Fv/Fm影響的方差分析Table 3 ANOVA of time and orientation effects on fluorescence parameters Fo，F(xiàn)mand Fv/Fm

表4 不同時間和朝向的五葉地錦葉片葉綠素熒光參數(shù)及變異系數(shù)Table 4 Fluorescence parameters of Parthenocissus quinquefolia leaves of different orientations and time

2.4 對墻體的降溫值與各因素的相關性

通過這些數(shù)據(jù)對五葉地錦降溫效果中各組分的地位進行判斷仍很困難。因此，將所有數(shù)據(jù)按下式進行標準化：X＝（xi－xm）/es。利用標準化后的數(shù)據(jù)計算降溫值與各因素的相關系數(shù)r（表5）。數(shù)據(jù)表明，除氣孔阻力（Rs）外，降溫值與其他因子均呈正相關，但僅與蒸騰速率（Tr），冠層溫度（Tc），葉綠素熒光參數(shù)（Fm），透射率及其與反射率之和的相關性達到顯著水平（P＜0.05，n＝20）。

表5 降溫效果與環(huán)境和生理因素的相關性Table 5 Correlation test of cooling value between condition and physiological factors

3 討論

植被可以緩解城市熱島效應已成為一個共識［9－10］。目前的研究熱點主要集中于植被效應的定量化［11－12］，通過數(shù)學模型計算植被對環(huán)境溫度的影響［13－14］，以及因此而減少的制冷能源消耗［15－17］等。如 Alexandri等［16－17］計算結果表明，在香港，有植被的屋頂氣溫比沒植被的低8.4℃，可降低制冷能耗32%以上。但上述研究中所用植物的相關參數(shù)多是經驗估計值，如Alexandri等［16］在進行模擬計算時，植被的反光率和氣孔阻力分別取值為0.30和 1 s·cm－1。不同植物種類因其葉片特性不同，反射能力和氣孔阻力差異是很大的。同一種植物生長在不同環(huán)境下，差異也很大。如本研究中，東側墻體上五葉地錦葉反射率為（9.1 ± 0.3）%，而北側只有（7.0 ± 0.7）%，氣孔阻力東側的為（1.8 ± 0.4）s·cm－1，而南側可高達（15.6±3.7）s·cm－1。因此，應對具體植物展開研究。

綠化植物在高溫季節(jié)降低環(huán)境溫度，可包括對環(huán)境空氣和下墊面影響2個方面。綠化方式可有平面和垂直2種。綠化植物在平面中有喬、灌、草，而垂直綠化中則主要是攀緣植物。目前，研究最多的是對環(huán)境空氣溫度的降溫效果［5－7，18］，其次是對下墊面的降溫效果研究，如杜克勤等［19］的研究表明，在夏季行道樹、攀緣植物和草坪可以使下墊面溫度分別比對應的裸地低2.2～3.2，2.7～3.9和9.8℃，降溫的主要方式是通過蒸騰作用產生的。我們的研究結果也表明，五葉地錦可以有效降低墻體溫度0.5～5.5℃。但這里是對垂直墻體的降溫效果，而不是對水平下墊面的影響。此外，降溫效果會因所處的朝向不同而產生差異，按東南西北順序依次降低。造成這種差異的原因，是由于所處墻體溫度、蒸騰、冠層溫度、葉片對入射光的反射、透射及利用能力等不同。盡管蒸騰是主要的生理因素（相關系數(shù)最高，r＝0.77），但高的蒸騰意味著高的失水，因此，選擇垂直綠化用植物時，不能僅考慮蒸騰。葉片對入射光的反射、透射及利用能力也與降溫效果呈顯著的正相關關系，這就為植物種的選擇提供了更科學的依據(jù)。此外，同一種植物在不同朝向降溫效果顯著不同，尤其是在北向墻體上，降溫效果最低。這固然受墻體溫度的影響，但其生理生態(tài)特征明顯不同。如，在16∶00，東向和北向墻體溫度分別為34.1℃和33.8℃，但降溫值卻分別為3.1℃和0.7℃，而蒸騰及潛在光能利用能力的卻有著顯著差異。這表明，五葉地錦種植在建筑物北側并不是理想選擇。夏漢平等［20］的研究結果也表明，異葉爬墻虎Parthenocissus heterophylla在長時間遮光后出現(xiàn)明顯落葉現(xiàn)象，不是遮光環(huán)境下的首選植物，其優(yōu)勢弱于薜荔 Ficus pumila。因此，在不同的朝向上應選擇不同的植物種。

綜上所述，不同朝向的五葉地錦有著不同的降溫效果，對北向墻體的降溫效果并不理想。降溫的效果主要受墻體溫度、蒸騰、冠層溫度、葉片對入射光的反射、透射及利用能力等的影響。對于蒸騰、冠層溫度、葉片對入射光的反射、透射及利用能力等生理生態(tài)因子對降溫效果的精細計算則有待于進一步研究。

［1］蔡永立，郭佳.藤本植物適應生態(tài)學研究進展及存在問題［J］.生態(tài)學雜志，2000，19（6）：28－33.CAI Yongli，GUO Jia.Progress and problem of vine adaptive ecology［J］.Chin J Ecol，2000，19（6）：28－33.

［2］陶建平，鐘章成.支持物傾角對攀援植物栝樓形態(tài)和生長的影響［J］.生態(tài)學報，2003，23（1）：1－7.TAO Jianping，ZHONG Zhangcheng.Effects of support angles on the morphology and growth in the herbaceous climber Trichosanthes kirilowii［J］.Acta Ecol Sin，2003，23（1）：1－7.

［3］涂淑萍，傅波.攀援植物在城市綠化中的應用研究［J］.江西農業(yè)大學學報，1996，18（4）：464－469.TU Shuping，F(xiàn)U Bo.A study on application of climbers in urban greening［J］.Acta Agric Univ Jiangxi，1996，18（4）：464－469.

［4］肖松江，孫振元，楊中藝，等.3種爬山虎屬植物23個生態(tài)型的耐蔭性研究［J］.中山大學學報：自然科學版，2006，45（2）：73－77 XIAO Songjiang，SUN Zhenyuan，YANG Zhongyi，et al.Shade-tolerance of 23 ecotypes within three species of Parthenocissus spp.collected from southern and middle parts of China［J］.Acta Sci Nat Univ Sunyatseni，2006，45（2）：73－77.

［5］劉光立，陳其兵.成都市 4種垂直綠化植物生態(tài)學效應研究［J］.西華師范大學學報：自然科學版，2004，25（3）：259－262.LIU Guangli，CHEN Qibing.Study on the ecological benefits of four kinds of vertical plant in Chengdu［J］.J China West Norm Univ Nat Sci，2004，25（3）：259－262.

［6］張迎輝，姜成平，趙文飛，等.城市垂直綠化植物爬山虎的生態(tài)效應［J］.浙江林學院學報，2006，23（6）：669－672.ZHANG Yinghui，JIANG Chengping，ZHAO Wenfei，et al.Ecological effects of urban climbing plant Parthenocissus tricuspidata［J］.J Zhejiang For Coll，2006，23（6）：669－672.

［7］楊士弘.城市綠化樹木的降溫增濕效應研究［J］.地理研究，1994，13（4）：74－80.YANG Shihong.A study on the effect of decreasing temperature and increasing humidity of urban afforestation trees［J］.Geogr Res，1994，13（4）：74－80.

［8］關裕宓.植物的能量利用與熱機原理初探［J］.北京林業(yè)大學學報，1994，16（1）：75－94.GUAN Yufu.The principle of heat-engine in plants［J］.J Beijing For Univ，1994，16（1）：75－94.

［9］PICOT X.Thermal comfort in urban spaces：impact of vegetation growth，case study：Pizza della Scienze，Milan，Italy［J］.Energ Build，2004，36（4）：329－334.

［10］DIMOUDI A，IKOLOPOULOU M.Vegetation in the urban environment：microclimatic analysis and benefits［J］.Energ Build，2003，35：69－76.

［11］YU Chen，HIEN W N.Thermal benefits of city parks［J］.Energ Build，2006，38：105－120.

［12］KIKEGAWA Y，GENCHI Y，KONDO H，et al.Impacts of city-block-scale counter measures against urban heat island phenomena upon a building’s energy consumption for air conditioning［J］.Appl Energ，2006，83：649－668.

［13］ZHANG J Q，F(xiàn)ANG X P，ZHANG H X，et al.A heat balance model for partially vegetated surfaces［J］.Infrared Phys＆Technol，1997，38：287－294.

［14］TAHA H，DOUGLAS S，HANEY J.Mesoscale meteorological and air quality impacts of increased urban albedo and vegetation［J］.Energ Build，1997，25：169－177

［15］CA V T，ASAEDA T，ABU E M.Reductions in air-conditioning energy caused by a nearby park［J］.Energ Build，1998，29：83－92

［16］ALEXANDRI E，JONES P.Developing a one-dimensional heat and mass transfer algorithm for describing the effect of green roofs on the built environment comparison with experimental results［J］.Build Environ，2006，42：2835－2849.

［17］ALEXANDRI E，JONES P.Temperature decreases in an urban canyon due to green walls and green roofs in diverse climates［J］.Build Environ，2008，43：480－493.

［18］唐鳴放，白雪蓮.城市草坪的生態(tài)熱效益［J］.重慶環(huán)境科學，2001，23（1）：14－15.TANG Mingfang，BAI Xuelian.Ecological thermal effect of lawn on urban environment［J］.Chongqing Environ Sci，2001，23（1）：14－15.

［19］杜克勤，劉步軍，吳昊.不同綠化樹種溫濕度效應的研究［J］.農業(yè)環(huán)境保護，1997，16（6）：266－268.DU Keqing，LIU Bujun，WU Hao.Temperature and humidity effects of different plants［J］.Agro-Environ Prot，1997，16（6）：266－268.

［20］夏漢平，蔡錫安，彭彩霞.5種爬藤植物垂直綠化的效果比較［J］.草業(yè)學報，2007，16（3）：93－100.XIA Hanping，CAI Xi’an，PENG Caixia.Comparison of five lianas for vertical greening［J］.Acta Pratacult Sin，2007，16（3）：93－100.