建筑物遮擋對鳶尾生長性狀的影響

陳安群，苗原，劉夢舟，馮童禹，宋永恒，劉銀占*

1.河南大學生命科學學院，河南 開封 475004；2.中國科學院沈陽應用生態研究所，遼寧 沈陽 110016

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建筑物遮擋對鳶尾生長性狀的影響

陳安群1，苗原1，劉夢舟2，馮童禹1，宋永恒1，劉銀占1*

1.河南大學生命科學學院，河南 開封 475004；2.中國科學院沈陽應用生態研究所，遼寧 沈陽 110016

摘要：城市化進程引起的高層建筑物的增加可以影響植物的生長發育，目前這一問題尚未受到廣泛關注。選擇開封某小區的鳶尾（Iris tectorum）作為研究對象，采用成對比較的實驗設計，研究了建筑物不同位置（樓南、樓北）的微氣候（包括土壤溫度、濕度和光照強度）和鳶尾的營養高度以及繁殖性狀（包括繁殖高度、花朵大小、花蕾密度、花朵密度、果實密度、座果率、顯蕾期、開花期、結實期等）。結果表明：由于建筑物的遮擋，樓北光照強度土壤溫度日均值、最大值、最小值分比樓南分別低1.0、1.7和0.7 ℃，樓北光照強度比樓南低了22.5 Klux，而樓南、樓北土壤濕度沒有顯著差異；樓北鳶尾的營養高度、生殖高度、花冠大小與樓南相比均有所降低。樓北花蕾密度、花密度、果實密度、座果率與樓南相比分別降低了55.2%，58.0%和70.7%。樓南側鳶尾的顯蕾時間、開花時間、結實時間分別集中在4月6日、13日、24日前后；樓北側鳶尾的顯蕾時間、開花時間、結實時間分別集中在4月8日、14日、25日前后。樓北鳶尾的顯蕾期、開花期比樓南分別顯著推遲了1.67和1.33 d，結實期沒有顯著差異。本研究證實了建筑物遮擋會抑制鳶尾生長和繁殖。因此在該物種培育和栽培中應當考慮建筑物本身的因素。

關鍵詞：建筑物；高度；繁殖性狀；顯蕾期；開花期

引用格式：陳安群，苗原，劉夢舟，馮童禹，宋永恒，劉銀占.建筑物遮擋對鳶尾生長性狀的影響［J］.生態環境學報，2016，25（4）:591-596.

CHEN Anqun，MIAO Yuan，LIU Mengzhou，FENG Tongyu，SONG Yongheng，LIU Yinzhan.Effect of Building-induce Shading on Growth Traits for Iris tectorum ［J］.Ecology and Environmental Sciences，2016，25（4）:591-596.

自工業革命以來，隨著生產力的迅速發展，世界城市化進程急劇加快，我國也是城市化進程較快的國家之一（Cumming et al.，2014；Hessler，2010；Qiu，2010）。城市化進程往往伴隨著土地利用方式的變化，這種變化改變了區域氣候和環境，可以在很大程度上影響植物的生長和繁殖。

關于城市化進程對植物生長繁殖的影響，目前多集中在城市熱島效應對植物物候的影響（Neil et al.，2006；Zhang et al.，2004a；Zhou et al.，2015；蔡紅艷等，2014；王靜等，2014；鄭祚芳等，2012）。這方面的研究表明，城市化進程可以導致土地結構、植被覆蓋等一系列的變化，進而引發城市熱島效應（Kalnay et al.，2003；Zhang et al.，2004b；張國華等，2012；趙小鋒等，2009）。由于植物物候是對溫度變化最為敏感的指標之一，城市化進程會引起植物物候的變化（Neil et al.，2006；Zhang et al.，2004a；Zhou et al.，2015；蔡紅艷等，2014；王靜等，2014；鄭祚芳等，2012）。城市化進程所導致的環境變化除熱島效應之外，還有高層建筑物的增加。這些建筑物會遮擋一部分光線，造成其不同方向上光照強度的差異。光照強度的差異會導致地表溫度的變化，進而有可能影響生態系統蒸散速率，引起土壤水分的差異。光照、溫度、水分是影響植物生長和繁殖的3個重要因素（Evans，2012）。已有研究證實，光照的變化會改變植物的光合作用（張峰等，2008），進而改變植物的生長發育狀況（馬銀山等，2014）。溫度變化除改變植物物候之外，還會改變植物的生理過程及生長繁殖（Dieleman et al.，2012；Wang et al.，2012；王海珍等，2015）。土壤水分狀況的變化也會影響植物的生長繁殖（Liu et al.，2015；Mu et al.，2013；安玉艷等，2012）。因此，高層建筑物的存在可能會影響植物的生長和繁殖。然而，與熱島效應對植物物候的影響研究相比，關于建筑物遮擋對植物的影響的研究還相當匱乏。開展這方面的研究不但可以了解植物本身對環境變化的響應，還可以為園林綠化提供理論指導和數據支持。因此，開展建筑物遮擋對植物生長繁殖性狀的影響研究十分必要。

鳶尾（Iris tectorum）是北方常見的綠化植物之一，種植面積及分布范圍十分廣泛（黃蘇珍等，2003），是對環境變化較為敏感的植物（林兵等，2005；劉國華等，2011；劉慧春等，2015）。因此，選擇鳶尾作為研究對象，研究建筑物遮擋對不同栽種位置上的鳶尾生長及繁殖情況的影響，以期為園林植物培育和城市綠化提供基礎數據和科學依據。

1　材料與方法

1.1實驗地概況

研究地點位于河南省開封市龍亭區“龍翔香格里拉小區”內（北緯34°49′33″，東經114°19′19″，海拔72 m）。開封市年均溫為14 ℃，年均降雨量670 mm。該小區落成于2010年，小區內建筑物均為6層高的樓房，每棟樓的長度在42～63 m之間，高度約為19 m，樓南北間距在14～16 m之間。樓南北兩側的土壤均為該小區建設前的農田土，樓南、樓北土壤質地一致。2010年在樓房主體南北兩側的草坪上各均種植2 m寬、同一批次的鳶尾，視土壤情況不定期同時澆水，以保證鳶尾生長的需要。

1.2樣地選取與微氣候監測

2013年3月下旬在該小區內，選取3棟南北方向土壤情況較為一致的樓房。每棟樓房南北兩側相同距離（距離樓房主體1 m）按照成對設計，分別劃定5個50 cm×50 cm的樣方，整個小區共選擇15對樣方。每棟樓選取1對樣方，埋設紐扣溫度計（I-Button，美國美信公司生產）進行土壤溫度監測。監測深度為地下5 cm，數據記錄頻率為每小時1次。在整個實驗周期內，采用土壤水分速測儀（TDR 300，美國光譜技術公司）每隔10天監測土壤濕度1次。選取2個晴天采用照度計（TES-1332A，臺灣泰仕電子工業股份有限公司）監測每棟樓房南北樣方的光照強度差異。監測時間為早上8:00，中午12:00，下午4:00。3個時間點的平均值作為光照強度的日均值。

1.3植物生長性狀監測

1.3.1形態學指標

在每個樣方選取3株鳶尾，有明顯的生長（3 月19）開始觀測，花箭出現作為高生長末期（4月21）。每3～5天測量1次植物的株高、花柄長度、花冠的長與寬，株高的平均值作為該樣方的平均株高；每3～5天每個樣方測量3株鳶尾的花冠長度、花冠寬度，花冠長度與寬度的乘積代表花冠大小；每次測量時每株植物葉片的最大高度作為其營養高度，花箭或者花朵的最大高度作為其繁殖高度。

1.3.2繁殖性狀

繁殖性狀：在結實末期，調查每個樣方的花蕾密度（每平米內的花蕾總數，包括已經開花和結果的花蕾）、花密度（每平米內的花朵總數，包括已經結果的花朵）、果實密度（每平米內的果實總數）以及座果率（果實數占花朵數和果實數之和的百分比）。

1.3.3物候觀測

記錄每個樣方第一個花蕾、花朵、果實出現的時間，并轉化為數值形式（day of year，DOY）。具體轉化方式為：將每個樣方的物候時間先在Excel里面轉化為數值形式，然后減去當年1月1日所對應的數值，再加1，所得數值為DOY值。比如說：某樣方花蕾出現時間為4月6日，在Excel里面輸入2013-4-6，并轉化為數值后為41370，2013年1 月1日對應的數值為41275，則該樣方花蕾期的DOY值為：41370-41275+1=96。每棟樓南、北5個樣方的DOY分別取平均值，作為該棟樓南北的花蕾期、開花期、結實期。

1.4數據分析

每棟樓樓南、樓北的數據分別取平均值之后，采用重復測量方差分析建筑物和時間對各個指標的影響。采用成對t檢驗分析每次測量樓南樓北各個指標的差異。以上指標均采用SPSS 19.0（IBM，Armonk，New York）完成。

表1　建筑物不同位置微氣候（平均值±標準誤）Table 1 Microclimate parameters at different sides of the building （Mean± SE）

2　結果與分析

2.1樓南樓北微氣候的差異

由于儀器原因，只收集到3月20日到4月10日的土壤溫度數據。在這段時期內，土壤溫度日均值、最大值和最小值均隨著時間變化而呈現顯著變化（表1）；建筑物遮擋顯著影響土壤溫度。與樓南相比，樓北的土壤溫度日均值、最大值、最小值分別降低1.0（F=190.3，P＜0.001）、1.7（F=30.8，P=0.005）和0.7 ℃（F=16.8，P=0.015，表1），土壤濕度沒有顯著變化（F=0.5，P=0.501，表1），光照強度降低了22.5 KLux（F=321.7，P＜0.001，表1）。

2.2樓南樓北鳶尾形態學指標的差異

重復測量方差分析結果顯示，營養高度（F=229.7，P＜0.001）、生殖高度（F=236.2，P＜0.001）、花大小（F=8.79，P=0.010）均在時間尺度上存在顯著差異，隨著時間的推移，植物個體和花冠幅度顯著增加（圖1）。建筑物對營養高度（F=15.95，P=0.016）、生殖高度（F=30.91，P=0.005）、花大小（F=48.20，P=0.002）均存在顯著影響。樓北植株的營養高度、生殖高度、花大小均低于樓南，且在半數以上的調查時間內，樓南樓北的差異達到或接近顯著水平（圖1）。

圖1　建筑物不同位置鳶尾的形態學指標Fig.1 Morphological parameters for Iris tectorum planted at different sides of the building

2.3樓南樓北鳶尾繁殖性狀的差異

配對t檢驗分析結果表明，建筑物對花蕾密度、花朵密度、果實密度以及座果率均有顯著影響。與樓南相比，樓北鳶尾的花蕾密度、花朵密度、果實密度、座果率分別下降55.2%（t=5.47，P=0.032，圖2a）、58.0%（t=5.11，P=0.036，圖2b）、70.7%（t=8.51，P=0.014，圖2c）和2.7%（t=8.00，P=0.015，圖2d）。

2.4樓南樓北鳶尾生殖物候的差異

“龍翔香格里拉”小區樓南側鳶尾的顯蕾時間、開花時間、結實時間分別集中在4月6日（DOY：96）、13日（DOY：103）、24日（DOY：114）前后。樓北側鳶尾的顯蕾時間、開花時間、結實時間分別集中在4月8日（DOY：98）、14日（DOY：104）、25（DOY：115）日前后（圖3）。與樓南相比，樓北鳶尾的顯蕾時間和開花時間分別推遲了1.67 d（t=6.25，P=0.025，圖3）和1.33 d（t=20.00，P=0.002，圖3）。同時樓北鳶尾的結實時間與樓南相比也略有推遲，但是結果并不顯著（t=2.65，P=0.118，圖3）。

3　討論與結論

3.1討論

觀測結果表明，樓北鳶尾無論是營養高度還是生殖高度均低于樓南。由于土壤濕度在樓南、樓被間沒有顯著變化，因此可以排除土壤濕度變化對植物生長的影響。生殖高度的變化可以歸結為兩方面的原因。其一，由于建筑物的遮擋，樓北光照強度顯著低于樓南。光照是植物進行光合作用的必要條件，光照強度和質量均會顯著影響植物光合過程（冷寒冰等，2014；劉國華等，2011；王博軼等，2005），而光合作用是提供植物生長所必需的物質的主要途徑。建筑物遮擋引起的光照輕度的下降，會降低植物光合作用速率（Chen et al.，2014；于盈盈等，2011），導致碳水化合物積累速率降低，無法為植物的快速生長提供必要的物質基礎，從而使得植物生長減緩。其二，建筑物遮擋使得陰面溫度低于陽面。鳶尾的發芽與生長發生在春季，低溫是春季植物生長發育的主要限制因子（馬海慧，2004），較低的溫度導致陰面植株個體較小。考慮到鳶尾具有較強的耐陰性（郭冰冰，2007；吳永華等，2011），推測建筑物遮擋引起的低溫可能是導致陰面植株個體矮小的主要因素。

除了高度之外，樓北鳶尾的花蕾密度、花朵密度、果實密度以及座果率均顯著低于樓南。這一結果同樣與建筑物遮擋引起的光照和溫度的變化有關。在前期的遮陰實驗及溫度控制實驗中，Kantolic et al.（2013）和馬翠云（2013）的研究結果與本研究一致，即遮陰可以降低繁殖構件數，低溫可以降低座果率；然而，呂晉慧等（2013）、余婷等（2015）發現適當遮陰可提高花朵數量；有些受春化作用控制較強的物種，溫度升高反而會降低它們的繁殖投入（Liu et al.，2012）。這種差異可能是由于不同物種對環境因子的耐受性不同所導致的。鳶尾雖然是一個較為耐陰的物種，但是其不存在春化作用，在該地區也不存在高溫限制，因此建筑物遮擋引起的低光照和低溫是鳶尾繁殖能力下降的主要原因。

圖2　建筑物不同位置鳶尾的繁殖性狀Fig.2 Reproductive traits for Iris tectorum planted at different sides of the building

圖3　建筑物不同位置鳶尾的物候時間（平均值±標準誤）Fig.3 Phenological date for Iris tectorum planted at different sides of the building

本研究中建筑物遮擋使得陰面繁殖物候比陽面推遲，這與多數增溫實驗的結果相一致（Wang et al.，2014；Guo et al.，2015），也與白崗栓等（2015）的遮陰實驗結果一致。不過多數遮陰實驗結果表明，植物存在避陰策略，陰暗處的植物往往會提前進入物候期（Cerdán et al.，2003；夏富才等，2012）。由此推測，鳶尾物候期的變化更大程度上歸因于建筑物遮擋引起的溫度變化。本研究結果也證實了城市化進程導致的環境變化與全球變化過程有相通之處（Neil et al.，2006），即城市化進程和全球氣候變化對植物物候的影響，主要都是通過改變環境溫度從而改變植物物候（Neil et al.，2006；Wolkovich et al.，2012），因此可以通過研究城市化對物候的影響來研究全球變化對物候的影響。

3.2結論

通過以上研究發現，（1）建筑物的遮擋使得局部小氣候發生顯著變化，樓北光照、溫度均低于樓南。（2）樓北鳶尾的營養高度、生殖高度、花大小、繁殖構件數（花蕾密度、花朵密度、花密度）、座果率均顯著低于樓南。（3）樓北鳶尾的繁殖物候顯著晚于樓南。研究證實高層建筑物會影響植物的生長發育過程，因此在城市綠化中，應當考慮建筑物對植物物候的影響。

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Effect of Building-induce Shading on Growth Traits for Iris tectorum

CHEN Anqun1，MIAO Yuan1，LIU Mengzhou2，FENG Tongyu1，SONG Yongheng1，LIU Yinzhan1
1.College of Life Sciences，Henan University，Kaifeng 475004，China； 2.Institute of Applied Ecology，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China

Abstract：Increasing numbers of tall building induced by urbanization can affect plant growth.However，this problem has been paid little attentions.Iris tectorum was selected as the study of materials in a residential district in Kaifeng city，and a paired-design was employed to compare the microclimate parameters，which included soil temperature，soil moisture and light intensity； vegetative height； and reproductive functional traits including reproductive height，flower size，flower bud density，flower density，fruit density，fruit set ratio，flower budding time，flowering time，and fruiting time for Iris tectorum at the different side （south，north） of building.The mean daily temperature at the north side of the building was 1.0，1.7 and 0.7 ℃ lower than that at the south side.Light intensity north side was 22.5 Klux lower than that at the south side.No significant difference of soil moisture at the different side has been detected during the experimental period.The vegetative growth height，reproductive height，and flower size at the north side was lower than that at the south side.Flower bud density，flower density，fruity density，and fruit set ratio at the north side was lower （55.2%，58.0% and 70.7%，respectively） than that at the south side.The flower budding time，flowering time，and fruiting time mainly occurred in April 8th，April 14th，and April 24th.Flower budding time and flowering time was 1.67 and 1.33 days later than that at the south side，but the fruiting time at the north time was similar with that at the south side.Our results has improved that building-induced shading can suppress the growth and reproductive of Iris tectorum，thus the horticultural management of this species must consider the impacts of building shading.

Key words：building； height； reproductive traits； flowering budding time； flowering time

DOI：10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.04.007

中圖分類號：Q948； X17

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5906（2016）04-0591-06

基金項目：國家自然科學基金項目（31200375）；國家博士后科學基金項目（2012M520066；2013T60699）；河南大學優秀青年培育基金項目（0000A40385）

作者簡介：陳安群（1980年生），女，助理實驗師，碩士，主要研究方向為化學計量學，植物生態學。Email:chenanqun03@163.com

*通信作者。Email:liuyinzhan.1@163.com

收稿日期：2015-11-17