修剪高度對草地早熟禾草坪生態(tài)效益的影響

張慧敏，王建光，2，王明玖，2，葉文興，黃瑞霞，張忠婷

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011；2.草地資源教育部重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011)

由于人類活動的影響，1959-2008年，大氣中二氧化碳(CO2)的濃度從315.98 mg/L增加到 385.34 mg/L，年均增加1.39 mg/L，2019年突破415 mg/L，創(chuàng)造有史以來最高紀(jì)錄[1-2]。大氣中CO2濃度的增加直接加強了溫室效應(yīng)，使得全球氣候向不利于人類發(fā)展與生存的方向變化。草坪和草地、林地一樣，對地區(qū)性氣候要素如溫度、濕度等有調(diào)節(jié)作用。草坪生態(tài)系統(tǒng)的氣體調(diào)節(jié)功能和氣候調(diào)節(jié)功能是衡量其生態(tài)效益的重要服務(wù)效能。草坪草通過呼吸作用和光合作用維持大氣中CO2與氧氣(O2)的平衡[3-4]；同時，草坪草光合作用和蒸騰作用對太陽輻射有吸收和轉(zhuǎn)化作用，對周圍空氣起到降溫增濕的效果，使城市熱島效應(yīng)得以緩解[5]。

固碳釋氧量和釋水吸熱能力是配置園林綠化植物時必須考慮的因素，草坪在城市綠化中的地位一直備受爭議，因為在粗放養(yǎng)護下，它既沒有喬木顯著的遮蔭效益，也沒有灌木強大的生命力。草坪的修剪精細且繁瑣，后期的修剪等養(yǎng)護管理費用也較高[6]。修剪時不僅要考慮景觀效果，還要考慮修剪高度與頻度，以及草坪的生態(tài)服務(wù)效益。有關(guān)草坪生態(tài)效益的研究，大多將喬灌草群落作為對象，對草坪生態(tài)效益的獨立研究相對較少。目前，城市休閑草坪在修剪管護中處于兩種狀況，即在非重要場景中因顧及養(yǎng)護費用往往處于不修剪狀態(tài)，在重要場景中又因為過于顧及景觀而處于過低過頻的修剪。近年來的研究已經(jīng)證實，草坪的修剪高度與其景觀效果和養(yǎng)護費用均呈負相關(guān)[7]，但與其生態(tài)效益的關(guān)系尚未明確。基于此，本研究試圖探明草坪修剪高度與生態(tài)效益的關(guān)系，并確定在北方地區(qū)兼顧景觀效果和生態(tài)效益的最適草坪修剪高度。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)南校區(qū)(E 111°42′，N 40°48′，海拔1 060 m)。該地區(qū)年均氣溫6.7℃，無霜期140 d；年均降水量401.6 mm，年均蒸發(fā)量1 766.1 mm，6-9月的降水量占全年降水量的70%以上；0～30 cm土層田間持水量為25.15%，土壤質(zhì)地為砂質(zhì)粘壤土。屬于典型的半干旱溫帶大陸性氣候。

1.2 試驗材料

供試材料為2016年從美國進口草地早熟禾(Poapratensis)品種午夜(Midnight)建植的草坪，該材料屬于冷季型，為世界廣域性草坪草，在中國北方地區(qū)有廣泛的應(yīng)用。

1.3 試驗設(shè)計

采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置4個修剪高度(12、8、5和3 cm，分別簡稱為H12、H8、H5和H3)處理，以不修剪(絕對高度約31 cm，相對高度約18 cm，簡稱為CK)作為對照，3次重復(fù)，每個小區(qū)面積5 m×4.5 m，在每個小區(qū)四周均嵌入30 cm深的防滲膜進行隔離，在試驗地外圍設(shè)置1 m寬的保護行。

1.4 測定內(nèi)容及方法

1.4.1 葉面積指數(shù) 在每個試驗小區(qū)內(nèi)，隨機取3個10 cm×10 cm的草坪樣方，用剪刀剪下樣方內(nèi)草葉，放在已知面積的白紙上立即拍照，將照片導(dǎo)入ArcGIS打點定坐標(biāo)，再導(dǎo)入Cognition Developer 64 繪出葉片斑塊，最后導(dǎo)回ArcGIS算出樣方內(nèi)總?cè)~面積，葉面積指數(shù)=樣方內(nèi)總?cè)~面積/樣方面積。

1.4.2 凈光合速率與蒸騰速率 測試于2019年8-10月進行，每月選取晴朗無云的一天進行測定，測定時間為8∶00～18∶00點，每隔2 h測定一次，每個小區(qū)隨機選取3片修剪后的剩余葉片，通過LI-6400XT便攜式光合測量儀，采用開放氣路，使用紅藍光源葉室，控光1 800 mv，控溫25℃，在室外進行活體測試，得到凈光合速率及蒸騰速率的日動態(tài)曲線。

1.4.3 固碳釋氧量計算 在光合作用日變化曲線中，運用積分法，凈同化量是由凈光合速率曲線和時間橫軸圍合的面積，設(shè)凈同化量為Pd，則各處理草坪草在測定當(dāng)日的凈同化量計算公式為：

(1)

式中：Pd為各處理草地早熟禾草坪在測定日的凈同化量，單位mmol/(s·m2)；Pi為初測點的瞬時光合作用速率，Pi+1為下一測點的瞬時光合作用速率，單位μmol/(m2·s)；Ti為初測點測試時間，Ti+1為下一測點時間，單位小時(h)；j為測試次數(shù)，3 600指1 h=3 600s，1 000指1 mol=1 000 μmol。

①設(shè)單位葉面積日固定CO2的質(zhì)量為WCO2，則：

WCO2=Pd×44/1000

(2)

式中：44為CO2的摩爾質(zhì)量，單位g/mol，WCO2單位為g/(m2·d)。

根據(jù)光合作用反應(yīng)方程：CO2+H2O—→ CH2O+O2，

②設(shè)單位葉面積日釋放O2質(zhì)量為WO2，則

WO2=Pd×32/1000

(3)

式中：32為O2的摩爾質(zhì)量，單位g/mol，WO2單位為g/(m2·d)。

③設(shè)單位面積草坪日固碳量、釋氧量分別為Gd(CO2)和Gd(O2)，則：

Gd(CO2) =LAI×WCO2

(4)

Gd(O2) =LAI×WO2

(5)

式中：LAI為葉面積指數(shù)，Gd(CO2)和Gd(O2)的單位均為g/(m2·d)。

1.4.4 釋水吸熱量計算 同理，在蒸騰作用日變化曲線圖中，草地早熟禾的蒸騰總量是由蒸騰速率曲線和時間橫軸圍合的面積，設(shè)蒸騰總量為Ed，則各處理草坪草在測定當(dāng)日的蒸騰總量計算公式為：

(6)

式中，Ed為該測定日的蒸騰總量，單位mol/(s·m2)；Ei為蒸騰作用速率，Ei+1為下一測點的瞬時蒸騰作用速率，單位mmol/(s·m2)；Ti為初測點的測試時間，Ti+1為下一測點的測試時間，單位為小時(h)；j為測試次數(shù)。

①設(shè)單位葉面積日釋放水的質(zhì)量為WH2O，則：

WH2O=Ed×18

(7)

式中：18為H2O的摩爾質(zhì)量，單位g/mol，WH2O單位g/(m2·d)。

②設(shè)單位葉面積吸熱量為Qd，則：

Qd=WH2O×L×4.186 8

(8)

式中：Qd為單個葉片每日吸收的熱量，單位J/(m2·d)；L為蒸發(fā)耗熱系數(shù)(L=597-0.57×t)，指在t溫度下，使1 g水汽化所需要吸收的熱量，t為測定日的溫度，597為0℃時的蒸發(fā)潛熱，1 J=4.186 8cal。測定日的t值8月為28℃ ，9月為19℃ ，10月為13℃。

③設(shè)單位面積草坪釋日水量、吸熱量為Gd(H2O)、Qa，則：

Gd(H2O)=LAI×WH2O

(9)

Qa=LAI×Qd

(10)

式中：Gd(H2O)單位為g/(m2·d)，Qa單位為J/(m2·d)，LAI為葉面積指數(shù)。

考慮到空氣湍流、對流和輻射作用，空氣與葉面之間及空氣微氣團之間不斷進行熱量擴散和交換，故取底面積為10 m2，高100 m的空氣柱作為計算單元，在此體積為1 000 m3的空氣柱體中，氣溫下降值用下式表示：

Q=Qa/1 000

(11)

ΔT=Q/ρc

(12)

式中，Q為草草地早熟禾蒸騰使其單位體積空氣損失的熱量，單位J/m3；ρc為空氣的容積熱容量，取值為1 256 J/(m3·℃)；ΔT為降溫量，單位℃。

1.4.5 生態(tài)效益綜合評價 運用隸屬函數(shù)分析，以各指標(biāo)平均隸屬函數(shù)值進行生態(tài)效益綜合評價。因本研究評價指標(biāo)均與生態(tài)效益呈正相關(guān)關(guān)系，故隸屬函數(shù)值為：

Uij=(Xij-Xj min)/(Xj max-Xj min)(13)

式中：Uij表示i高度j指標(biāo)的生態(tài)效益隸屬函數(shù)值，其中i表示某一修剪高度處理，j表示某項指標(biāo)，Xij表示i高度處理下j指標(biāo)的測定值；Xj min表示所有處理中j指標(biāo)的最小值；Xj max表示所有處理中j指標(biāo)的最小值。

結(jié)合本研究的實際情況,將不同修剪高度處理的草地早熟禾草坪按照生態(tài)效益隸屬函數(shù)值劃分為3級：≥0.5為Ⅰ級；<0.5且≥0.3為Ⅱ級；<0.3為Ⅲ級。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

使用Excel 2010軟件對數(shù)據(jù)進行篩選與剔除，并繪圖制表；使用sas 9.0進行數(shù)據(jù)顯著性統(tǒng)計分析；結(jié)合ArcGIS與Cognition Developer 64 計算葉面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理草坪固碳釋氧能力分析

固碳和釋氧能力是評價草坪生態(tài)效益的重要指標(biāo)。以同一月不同處理分析，在8月和9月，固碳量均為CK>H12>H8>H5>H3，固碳量隨修剪高度的降低而降低；在10月，除H12外，固碳量也符合以上規(guī)律。8、9和10月4種處理的固碳量均與CK有顯著差異(P<0.05)。以同一高度處理不同月份分析，CK、H12、H8固碳量均為10月>9月>8月，而H5和H3均為10月>8月>9月。CK、H12的8、9和10月的固碳量均有顯著差異(P<0.05)，H8、H5、H3的9月固碳量與10月無顯著差異(P>0.05)(圖1-A)。

以同一月不同處理分析，在8、9和10月釋氧量均為CK>H12>H8>H5>H3，釋氧量隨修剪高度的降低而降低。8、9和10月4種修剪高度的釋氧量均與CK有顯著差異，其中在8月和10月，H12與H8、H5和H3無顯著差異(P>0.05)；在9月，H5和H3無顯著差異(P>0.05)。以同一高度處理不同月份分析，CK、H12、H8釋氧量均為10月>9月>8月，而H5和H3為10月>8月>9月。CK、H12和H8的8、9和10月份間的釋氧量均有顯著差異(P<0.05)，H5、H3的9月釋氧量均與10月無顯著差異(P>0.05)(圖1-B)。

圖1 不同月份各修剪高度處理草坪的日固碳量和日釋氧量Fig.1 Effects of mowing height on daily carbon fixation and oxygen release of lawn in different months注:不同小寫字母表示同月份下高度處理間差異顯著(P>0.05)；不同大寫字母表示同高度下月份間差異顯著P>0.05)

2.2 不同處理草坪釋水吸熱效果分析

草坪釋水、吸熱、降溫的能力是相輔相成的，是衡量草坪生態(tài)效益不可或缺的因素。以同一月不同處理分析，在8、9和10月釋水量均為CK>H12>H8>H5>H3，釋水量隨修剪高度的降低而降低。在8月，H12、H8的釋水量與CK無顯著差異(P>0.05)，H5、H3與CK有顯著差異(P<0.05)。在9月，4種修剪高度處理的釋水量均與CK有顯著差異(P<0.05)，其中，H12與H8、H8與H5、H5與H3無顯著差異(P>0.05)。在10月，除H12的釋水量與CK無顯著差異外，其他處理均與CK有顯著差異，其中H12與H8，H5與H3無顯著差異(P>0.05)。以同一高度處理不同月分析，各修剪高度處理釋水量均為8月>9月>10月，其中，CK的8月的釋水量與9月和10月均有顯著差異，H12釋水量8月與9月、10月均有顯著差異，H8的釋水量8、9和10月均無顯著差異，H5、H3的釋水量8月與9月和10月均有顯著差異(圖2-A)。

以同一月不同處理分析，8、9和10月吸熱量均為CK>H12>H8>H5>H3，吸熱量隨修剪高度的降低而降低。8、9和10月4種修剪高度處理的吸熱量均與CK有顯著差異。在3個月中，H12和H8、H5和H3的吸熱量均無顯著差異(P>0.05)。以同一高度不同月分析，各修剪高度處理吸熱量均為8月>9月>10月；CK、H8的8、9月的吸熱量均無顯著差異；H12、H5和H3的8、9和10月的吸熱量均有顯著差異(P<0.05)(圖2-B)。

以同一月不同處理分析，8、9和10月份降溫量均為CK>H12>H8>H5>H3，降溫量隨修剪高度的降低而降低；8、9和10月4種修剪高度的降溫量均與CK有顯著差異；在3個月份中，H12和H8、H5和H3的降溫量均無顯著差異(P>0.05)。以同一高度不同月份分析，各修剪高度處理的降溫量的大小關(guān)系均為8月>9月>10月；CK、H8的8、9月的降溫量均無顯著差異；H12、H5和H3的8、9和10月的降溫量均有顯著差異(P<0.05)(圖2-C)。

圖2 不同月份各修剪高度處理草坪的日釋水量、日吸熱量和降溫量Fig.2 Effects of mowing height on daily leaf transpiration,heat absorption,and decrease in temperature of the lawn in different months注:不同小寫字母表示同月份下高度處理間差異顯著(P>0.05)；不同大寫字母表示同高度下月份間差異顯著P>0.05)

2.3 不同處理草坪生態(tài)效益綜合評價

運用隸屬函數(shù)分析綜合評價生態(tài)效益，平均隸屬函數(shù)值越大，表明生態(tài)效益越大。在8、9 月，不同修剪高度草坪生態(tài)效益的隸屬函數(shù)值由大到小均為CK>H12>H8>H5>H3，生態(tài)效益隨修剪高度的降低而降低。在10月，不同修剪高度草坪生態(tài)效益的隸屬函數(shù)值由大到小為CK>H8>H12>H5>H3。依據(jù)生態(tài)效益的平均隸屬函數(shù)值的大小，把5個修剪高度草坪進行分級，CK為Ⅰ級，H12和H8為Ⅱ級，H5和H3為Ⅲ級(表1)。

表1 不同修剪高度處理草坪的生態(tài)效益綜合評價

3 討論

為確保試驗的可靠性與嚴(yán)謹(jǐn)性，本研究采用賴巧暉等[8]對6種攀緣植物的生態(tài)效益的研究方法。關(guān)于植物生態(tài)效益的研究，學(xué)者大多注重草坪與喬木和灌木的生態(tài)效益相比較，郝鑫杰等[9]對呼和浩特地區(qū)13種綠化植物的生態(tài)效益評估后發(fā)現(xiàn)，國槐、新疆楊和圓柏等喬木的固碳量大于早熟禾的固碳量，并且固碳量在6月前后與9月前后達到高值。趙志剛等[10]分析了南方常見不同類型綠化植物的生態(tài)效益，得出12種綠地植物的固碳釋氧的能力為春季>秋季。有關(guān)草坪生態(tài)效益的研究多為草種間的對比，李輝等[11]對不同結(jié)構(gòu)類型綠地生態(tài)效益做出研究，發(fā)現(xiàn)喬灌草類型>灌草類型>草坪型綠地；郭鵬等[12]研究了不同草坪草種的生態(tài)效益，得出在秋季，日蒸騰量、日吸熱量和日釋水量均為早熟禾>結(jié)縷草>麥冬；薛海麗等[13]通過試驗證明草坪植物對其周圍微氣候有一定的影響，能降低草坪近地面的空氣溫度，增加空氣濕度，提升體表舒適度。針對不同修剪高度的同種草坪的生態(tài)效益進行研究較少。本研究發(fā)現(xiàn)，隨修剪高度的降低，Gd(CO2)、Gd(O2)也降低，在8、9和10月，隨月份的推移，5種高度草坪的Gd(CO2)、Gd(O2)均呈上升趨勢。H12在10月的Gd(CO2)出現(xiàn)明顯降低的情況，可能是因測量中更換設(shè)備電池，重新開機后設(shè)備未穩(wěn)定所導(dǎo)致。由于修剪減小了草坪草葉片面積，蒸騰耗散量減小，使光合作用及有機物運輸轉(zhuǎn)化的速率減緩，所以Gd(CO2)、Gd(O2)也減小。8月光照強度較大，可能超出了草地早熟禾的光飽和點，產(chǎn)生光抑制現(xiàn)象，過剩的光能導(dǎo)致草地早熟禾光合作用減弱；高溫下蒸騰作用加強，葉片失水過多，造成氣孔開度下降，CO2供應(yīng)不足，光合速率下降，Gd(CO2)、Gd(O2)較小。在10月Gd(CO2)、Gd(O2)增加，原因有二：第一，呼和浩特地區(qū)10月早晚溫差大，白天日光充足，有利于光合作用進行，晚上溫度較低，呼吸作用減弱，降低有機物質(zhì)的消耗，有利于有機物質(zhì)積累；第二，草地早熟禾是冷季型草坪草，為耐寒植物，其光合作用的最低溫度與其細胞的結(jié)冰溫度更接近，以至于光合作用受溫度的抑制作用并不顯著。

作為城市主要生物加濕器之一，草坪草通過蒸騰的方式將體內(nèi)的水分轉(zhuǎn)化為氣體釋放到大氣，而每轉(zhuǎn)化1 g的水需要從環(huán)境中吸收2 394 J的熱量[14]，以此達到既增濕又降溫的效果。有關(guān)園林綠化植物釋水吸熱的報道，主要是針對喬木、灌木和草坪群落研究的，衛(wèi)笑等[15]研究表明，不同結(jié)構(gòu)植物群落釋水吸熱效果具季節(jié)性，喬灌草結(jié)構(gòu)在春秋季節(jié)釋水吸熱效果顯著，而在夏季喬草結(jié)構(gòu)效果顯著；任斌斌等[16]研究北京居住區(qū)綠地結(jié)構(gòu)釋水吸熱效果表明，喬灌草綠地>喬草綠地>草坪型綠地。針對單一草坪釋水吸熱的研究較少，劉劍華[17]研究表明草坪的釋水吸熱能力隨垂直高度的升高而降低，在垂直高度15 cm處釋水吸熱效果最好，下降0.6℃。草地早熟禾釋水、吸熱、降溫能力因高度與月份而異，隨修剪高度的降低Gd(H2O)、Qa、ΔT均呈下降趨勢，在8、9和10月，隨時間的推移，各高度的以上指標(biāo)均逐漸減小。因為隨修剪高度降低，葉面積指數(shù)也減小，吸收的太陽輻射越少，反射的太陽輻射就越多，施加到周圍空氣的熱輻射量就越多：其次，修剪高度越低，草坪蒸散量也越小[18-19]，增加周圍空氣濕度的能力較弱，降溫效果越不顯著。8月氣溫較高，葉片溫度要高于大氣溫度[20]，所以氣孔下腔蒸氣壓的增加大于空氣蒸氣壓的增加，使葉片內(nèi)外蒸氣壓差增大，蒸騰速率較大，Gd(H2O)、Qa、ΔT也較大，9、10月光強逐漸減小，氣孔阻力也隨之減小，因此，各高度8、9和10月的Gd(H2O)、Qa、ΔT均減小。

草坪草的生態(tài)效益是多個指標(biāo)復(fù)合決定的，用單一的指標(biāo)判斷其生態(tài)效益具片面性，隸屬函數(shù)分析是對受多因素影響的事物做出綜合評價的有效方法，其評價結(jié)果不是絕對肯定或否定，而是以一個模糊集合來表示[21]，被廣泛地應(yīng)用于植物抗旱性[22]、耐鹽性[23]、耐寒性[24]等抗逆性的綜合評價。本研究運用隸屬函數(shù)分析，對5種修剪高度(含未修剪)草坪的生態(tài)效益進行綜合評價，依據(jù)隸屬函數(shù)平均值的大小，將5種修剪高度草坪的生態(tài)效益分為3級，CK為Ⅰ級，H12和H8為Ⅱ級，H5和H3為Ⅲ級。H3與H5修剪過低，不符合草坪1/3修剪原則，草坪草光合面積顯著減少，對草坪草本身是一種機械損傷，并且生態(tài)效益較差，管理不當(dāng)時極易出現(xiàn)斑禿現(xiàn)象，從而影響景觀效果，且再生速度較快，養(yǎng)護成本較高。不修剪(CK)草坪雖然生態(tài)效益最高，但因此長期不修剪，葉片長而倒伏，葉片得不到更新，生長遲緩，表現(xiàn)出葉片發(fā)黃且無色澤，不能滿足城市休閑草坪的景觀需求。H8與H12保留了維持草坪草正常活動的葉片長度，也可在小范圍內(nèi)起到降溫增濕的作用，其補償性生長較緩，非雨季修剪一次后景觀維持時間7-10天，是兼顧生態(tài)效益與景觀效果的適宜修剪高度。

4 結(jié)論

(1)草地早熟禾草坪的日固碳量、釋氧量、釋水量、吸熱量和降溫量均與草坪的修剪高度呈正相關(guān)。

(2)在8、9和10月，隨時間的推移，草坪的日固碳量和釋氧量呈上升趨勢，日釋水量、吸熱量和降溫量呈下降趨勢。

(3)既考慮草坪生態(tài)效益，又兼顧草坪景觀效果和養(yǎng)護費用情況下，干旱、半干旱區(qū)休閑草坪合理修剪高度以8～12 cm為宜。