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(yàn)方法,研究徑流污染對(duì)2種地被植物固碳釋氧降溫增濕能力的影響。結(jié)果表明,自來水澆灌條件下,馬藺的固炭釋氧能力強(qiáng)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(duì)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(duì)馬藺的影響比鳶尾更大;相對(duì)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(duì)馬藺的影響顯著,對(duì)鳶尾卻不明顯。
關(guān)鍵詞:地被植物;降溫增濕;固碳釋氧;徑流污染
中圖分類號(hào):S688.401;X522 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A ?文章編號(hào):1002-1302(2019)17-0257-04
隨著城市的發(fā)展和擴(kuò)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(dòng)植物殘?bào)w、生活垃圾等在硬質(zhì)地面上匯集,經(jīng)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(shí)間內(nèi)排出大量地表徑流,造成城市內(nèi)澇,城市面源污染嚴(yán)重[4]。因此,城市管理者和研究者提出海綿城市建設(shè)的理念[5-6],希望城市能夠像海綿一樣在下雨時(shí)吸水,在不下雨時(shí)釋放水,從而實(shí)現(xiàn)雨水的蓄、滯、滲、凈、用、排的合理利用目標(biāo)[7]。生物滯留池作為低影響開發(fā)(low impact development,簡(jiǎn)稱LID)體系中的一項(xiàng)重要技術(shù)[8-9],在徑流量削減、徑流污染控制、地下水回補(bǔ)及景觀方面具有顯著的生態(tài)效應(yīng)[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(guān)于雨水花園(生物滯留池)的研究較多,但多數(shù)集中在基質(zhì)的配置、基質(zhì)對(duì)污染物的去除效果這2個(gè)方面,而對(duì)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(yàn)方法,研究徑流污染對(duì)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(xué)依據(jù)。
1 試驗(yàn)材料與方法
1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
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(gè)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(shè)溢水孔1個(gè)、直徑0.5 cm,上接有溢水管,溢水管的水由燒杯進(jìn)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(zhǔn)備 2017年4月于天津市曹莊花卉市場(chǎng)選擇生長(zhǎng)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(yàn)材料。取5個(gè)生物滯留柱,每個(gè)土柱以相等間距栽植7個(gè)小缽鳶尾,另取5個(gè)生物滯留柱,每個(gè)土柱以相等間距栽植7個(gè)小缽馬藺,以上土柱均澆灌地表徑流水,另每種植物各設(shè)5個(gè)對(duì)照(澆灌自來水)。試驗(yàn)在具有均勻光照的條件下進(jìn)行,防止雨淋。
1.1.3 澆灌水源 試驗(yàn)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(yàn)前將徑流水混合均勻后立即取樣,并開始試驗(yàn)。自來水取自天津農(nóng)學(xué)院植物實(shí)驗(yàn)室。
試驗(yàn)于2017年6—8月進(jìn)行,以地表徑流水對(duì)生物滯留柱進(jìn)行澆灌,以自來水對(duì)對(duì)照組進(jìn)行澆灌,在沒有降水的落干期采用蒸餾水進(jìn)行日常養(yǎng)護(hù)。
1.2 指標(biāo)測(cè)定
于2017年8月中下旬的晴好、無風(fēng)的天氣情況下,采用CI-340便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)在每天09:00—17:00每1 h測(cè)量1次,共3次重復(fù)。隨機(jī)選取馬藺和鳶尾生長(zhǎng)健康的葉片,即從外面數(shù)第2張至第3張葉片進(jìn)行活體測(cè)定(每個(gè)土柱取3~5張葉),待系統(tǒng)穩(wěn)定后,每張葉片取3個(gè)瞬時(shí)光合速率值(Pn),同時(shí)對(duì)蒸騰速率(E)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、氣溫(Ta)、胞間CO2濃度(Ci)等進(jìn)行同步測(cè)定。以光合速率值和蒸騰速率值為基礎(chǔ),參照已有的計(jì)算方法對(duì)2種植物的固碳釋氧量[13-14]和降溫增濕量進(jìn)行計(jì)算[15]。
1.3 數(shù)據(jù)分析
采用SPSS 18.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
2 結(jié)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(dá)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(gè)高峰出現(xiàn)在11:00,達(dá)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(gè)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(dá)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(gè)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(gè)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(zhì)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(zhì)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?qū)Νh(huán)境變化作出快速響應(yīng),以減少高溫及高光照度等不利條件對(duì)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(gè)相對(duì)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(gè)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(gè)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(duì)植物的蒸騰作用產(chǎn)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(chǔ),參照李想等的計(jì)算方法[16]可計(jì)算出不同水質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(duì)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(jìn)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(duì)2種植物光合速率產(chǎn)生了不同程度的影響,對(duì)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(chǔ),可計(jì)算出不同水質(zhì)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(duì)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(duì)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(duì)濕度增加值為4.55%,不同的水質(zhì)澆灌的馬藺降溫幅度、相對(duì)濕度增加值表現(xiàn)為自來水>地表徑流水,2種水質(zhì)澆灌的馬藺降溫幅度、相對(duì)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(duì)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(duì)濕度增加值為4.78%,不同的水質(zhì)澆灌的鳶尾降溫幅度、相對(duì)濕度增加值表現(xiàn)為自來水>地表徑流水,2種水質(zhì)澆灌的鳶尾降溫增濕量差異不顯著;不同水質(zhì)澆灌條件下2種植物降溫幅度、相對(duì)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(duì)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(duì)濕度增加值差異不顯著。不同水質(zhì)澆灌條件下2種植物降溫幅度、相對(duì)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(duì)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(duì)濕度增加值均表現(xiàn)為鳶尾>馬藺,其中經(jīng)地表徑流水澆灌后2種植物降溫幅度、相對(duì)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(duì)2種植物蒸騰速率產(chǎn)生了不同程度的影響,對(duì)鳶尾的影響較大。
2.5 2種地被植物氣孔導(dǎo)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(zhì)澆灌的馬藺氣孔導(dǎo)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(zhì)澆灌的鳶尾氣孔導(dǎo)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(duì)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(dǎo)度,提高了鳶尾的氣孔導(dǎo)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(duì)濕度增加值。同時(shí),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(gè)因素的影響都應(yīng)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(dá)到顯著水平。氣孔導(dǎo)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(dǎo)度與蒸騰作用、光合作用、胞間CO2濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系,胞間CO2濃度與光合作用呈顯著正相關(guān)關(guān)系,也就是說氣孔導(dǎo)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(jié)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(dǎo)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(cè)地表徑流水中的某些污染物對(duì)馬藺和鳶尾光合作用有促進(jìn)作用。
另外,地表徑流水澆灌馬藺和鳶尾降溫幅度、相對(duì)濕度增加值、氣孔導(dǎo)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(dǎo)度、胞間CO2濃度均表現(xiàn)為馬藺>鳶尾,降溫幅度、相對(duì)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(duì)濕度增加值差異不顯著,葉綠素含量、氣孔導(dǎo)度差異顯著。
3 討論與結(jié)論
通常情況下,植物葉片氣孔導(dǎo)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(guān)關(guān)系[17-18],而本試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,地表徑流水澆灌的鳶尾氣孔導(dǎo)度大于自來水澆灌條件下的氣孔導(dǎo)度,地表徑流水澆灌的馬藺氣孔導(dǎo)度小于自來水澆灌條件下的氣孔導(dǎo)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(yīng)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(zhì)是如何促進(jìn)了2種植物光合作用的、其影響機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。
本研究采用生物滯留柱模擬試驗(yàn)的方法,通過不同試驗(yàn)條件下凈光合速率和蒸騰速率的測(cè)定,研究徑流污染對(duì)2種地被植物固碳釋氧降溫增濕能力的影響,得出如下結(jié)論:(1)自來水澆灌條件下,馬藺的固炭釋氧能力強(qiáng)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(duì)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(duì)馬藺的影響比鳶尾更大;(3)相對(duì)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(duì)馬藺的影響顯著,對(duì)鳶尾卻不明顯。
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