全 文 ：西北农业学报　2009 , 18(5):325-329
Acta A griculturae Boreali-occidentalis Sinica
爬山虎与五叶地锦对墙体降温效果差异及生理机制①
魏永胜1 ,2 ,芦新建3 ,周心澄3 , 4 ,王　堃2＊
(1.西北农林科技大学 生命科学学院 ,陕西杨凌　712100;2.中国农业大学动物科技学院 ,北京　100094;
3.北京林业大学水土保持学院 ,北京　100083;4.北京林业大学 边坡绿化研究所 ,北京　100083)
摘　要:为了研究不同攀缘植物对其所攀附的墙体的降温效果差异及其生理机制 ,以葡萄科爬山虎属的 2 种
藤本植物爬山虎和五叶地锦为材料 ,利用Optris M inisight 非接触红外测温仪测定植物冠层表面温度 、冠下墙
体表面温度和相应裸露墙体表面温度。用 L I-1600 稳态气孔计测定蒸腾 、相对湿度 、叶面温度 、叶室温度 、入
射光照强度 、反射光强和透射光强。采用 OS-30p 调制荧光仪测定叶绿素荧光参数 Fo , Fm , 并计算 Fv/ Fm 。
结果表明 ,爬山虎和五叶地锦对应裸墙温度日变化曲线均为倒“ V”字型 , 最高可达(41.0±0.08)℃和(42.5±
0.07)℃,日均降温(2.7±0.49)℃和(5.1±0.55)℃, 最高降温达到(8.2±0.58)℃和(11.0±0.28)℃。 五叶
地锦的蒸腾速率是爬山虎的 8.3 倍 , 达到(9.1±2.0)μg · s -1 · cm -2 , 并使照射到墙体上的光能减少了
5.6%,而且叶绿荧光参数 Fv/ Fm 为0.80±0.01 ,高于爬山虎的0.75±0.00。爬山虎 Fo 和 Fm 分别为 73.4±
0.98 和 295.2±2.96 ,而五叶地锦的分别为 63.6±1.17 和 315.8±13.7。因此 ,五叶地锦较爬山虎的降温效
果好 ,这种差异是蒸腾 、光反射与透射和叶片光化学作用的共同结果。
关键词:攀缘植物;爬山虎;五叶地锦;降温;生理机制
中图分类号:Q149;Q948 　　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:1004-1389(2009)05-0325-05
Cooling Effect and Physiological Mechanism of Parthenocissus
tricuspidata and Parthenocissus quinque f olia Planch.
WEI Yong sheng
1 , 2 , LU Xinjian3 , ZHOU Xincheng3 ,4 and Wang Kun2＊
(1.College of Life Science , Northw es t A&F University , Yanglin g Sh aanxi　712100 , Chin a;2.College of Anim al Science and
Technology , China Agricul tu ral University , Beijing　100094 China;3.S oi l and Water Conservation College , Beijing Foresty
University , Beijing　100083 , Ching;4.Slope Revegetation Ins ti tue , Beijing Fores ty University , Beijing　100083 , China)
Abstract:Parthenocissus tricuspidata and Parthenocissus quinque fol ia Planch.are used as vertical
greening plants to cover the building envelope widely .They can mitigate ambient temperature.In o r-
der to de termine the deviat ion betw een the cooling ef fects of them , non-contact inf rared temperature
thermometer (Optris Minisight), Li-1600 steady state po rometer and hand-held OS-30p chlo rophy ll
fluo rometer w ere employed to examine the temperature of bear w all , plant-covered w all , canopy , leaf
and ambient air , t ranspiration and stomatal resistance , leaf albedo and transmission , basic chlo rophy ll
fluo rescence Fo , Fm and Fv/F m .The result show ed that there w ere inve rted V-shaped curves for bo th
bare facade co rresponding tw o plants.The maximum bare w all temperature w ere(41.0±0.08)℃ and
(42.5±0.07)℃, mean day cooling values we re(2.7±0.49)℃and(5.1±0.55)℃, max imum cooling
values w ere(8.2±0.58)℃ and(11.0±0.28)℃ fo r P.Tricuspidata and P.quinque f ol ia Planch.,
respectively.Transpirat ion of P.quinque folia was(9.1±2.0)μg · s-1 ·cm-2 which w as 8.3 times
of P.Tricuspidata.The reduction pe rcentage of solar light w hich i rradiated on plant-cove red w all
w as 5.6%.Fv/F m was 0.80±0.01 higher than 0.75±0.00 fo r P.Tricuspidata.Fo and Fm were
①收稿日期:2009-03-19　　修回日期:2009-04-20
作者简介:魏永胜(1970-),男 ,天津市人 ,副教授。主要从事植物生理生态研究。 Email:w ysh70@126.com
＊通讯作者:王堃。
63.6±1.17and 315.8±13.7 , 63.6±1.17and 315.8±13.7 fo r P .Tricusp idata and P.quinque folia
Planch., respectively .It can be concluded from above results tha t the coo ling ef fects of w as higher
that as an integrate actions of t ranspirat ion , leaf albedo , transmission and pho tochemist ry.
Key words:Climbing plants;Parthenocissus tricuspidata;Parthenocissus quinque folia Planch.;
Cooling ef fect;Physiological mechanism
　　攀缘植物是一类不能自由直立向上生长 ,但
可以通过主茎的缠绕或攀缘器官的攀缘在水平或
垂直空间内生长的植物[ 1-2] 。用于垂直绿化可以
在有限空间内增加绿化面积 ,提高绿化指数 。目
前 ,攀缘植物在绿化中的应用范围越来越广 ,不仅
用于城市垂直绿化[ 3] ,而且还用于高速公路路堑
边坡[ 4] 和山体断面等特殊条件下的绿化[ 5] ,可选
用的种类也越来越多[ 6- 7] 。因此 ,对于攀缘植物
的研究也越来越深入 ,不仅包括对其分类 、生长习
性和应用等方面的研究[ 8- 9] ,也包括对其生态效
益的研究 ,如在释氧 、固碳 、增湿和降温等方面均
有研究[ 10-11] 。对于其中降温效果的研究主要集中
在蒸腾降温方面 ,因为研究者可以利用蒸腾潜热
计算植物通过蒸腾对一定范围内环境空气的降温
效果[ 12] 。依据这一方法 ,张迎辉等[ 11]通过蒸腾潜
热计算了爬山虎(Parthenocissus tricuspidata)对
周周 1 000 m3 空气的降温增湿效果 ,结果表明可
以降温 0.45℃,增加湿度 0.39%。此外还可通过
计算植被对环境温度的影响[ 13-14] 估计因此而减少
的制冷能源消耗[ 15-17] 等。如 Alexandri 等[ 16-17] 计
算结果表明 ,在香港有植被的屋顶气温比没植被
的低 8.4℃,可降低制冷能耗 32%以上。但上述
研究多是针对植被整体而进行的 ,缺少对具体的
植物种类进行研究 ,尤其是对于模拟计算研究 ,所
用参数多是经验估计值 ,如 Alexandri 等[ 16] 在进
行模拟计算时 ,植被的反光率和气孔阻力分别取
值为 0.30 和 1 s · cm-1 。但实际上不同植物种
类因其叶片特性不同 ,反射能力和气孔阻力差异
是很大的 。照射在植物表面的辐射能除了通过蒸
腾散失以外 ,还应包括叶片的反射与透射 、对外长
波辅射(只有在植株温度高于环境温度时才发
生)、光合作用固定能量及植株自身温度变化吸收
或释放的能量[ 18] 。而关于这些组分对降温效果
的影响却很少涉及。叶绿素荧光技术可以测定植
物光合系统Ⅱ(PS Ⅱ)的潜在光能利用效率[ 19] ,而
且调制叶绿素荧光技术的发展使叶绿荧光参数的
测定变得非常简单[ 20] 。但没有研究者将这一指
标与攀缘植物对其所攀附墙体的降温度效果联系
起来进行研究 。此外 ,降温的对象主要是环境空
气 ,而很少对攀缘植物所攀附墙体的实际温度进
行研究 ,也就无从知道不同攀缘植物对墙体的降
温效果 ,也无法进一步推算因降温对建筑物整体
能量消耗(如空调耗电)的影响 。因此 ,应对与降
温效果有关的叶片特性进行更多的研究 ,不仅包
括蒸腾作用 , 还应包括叶片对光合有效辐射
(Pho to synthetically act ive radiation , PAR)的反
射 、透射和吸收利用能力 ,其中对 PA R的吸收利
用能力可以利用相关的叶绿荧光参数来解释 。从
而为垂直绿化中攀缘植物选择与利用提供科学依
据。
1　材料与方法
试验选择同为葡萄科(Vitaceae)爬山虎属
(Parthenocissus)的 2 种重要藤本植物爬山虎
(Parthenocissus tricuspidata)和五叶地锦(Par-
thenocissus quinque f ol ia Planch.)为材料 。2 种
植物分别生长于北京林业大学校园内学生公寓 5
号楼东墙和 3号楼东墙 ,攀缘高度均超过 10 m ,
覆盖宽度在 3 m 以上 ,厚度约为 0.3 m 。建筑均
为砖混结构。
利用 Optris M inisight ms+(Optris GmbH ,
Germany)非接触红外测温仪测定不同植物冠层
表面温度(T c)、植物覆盖下墙体表面温度(T uw)
和同朝向同侧邻近裸露墙体表面温度(T bw)。
Tbw与 Tuw的差值为降温值。测量时 ,测温仪光学
镜头离地高度为 1.5 m 左右 ,与待测物距离约为
2.0m(测量光斑的直径为 100 mm),且垂直于待
测平面 ,每面墙体随机测定 5个点 ,点之间距离在
0.5 m 以上 。测量时间为 8:00-20:00 ,每 2 h测
定一次。
在 9:00-10:00 利用 LI-1600 稳态气孔计
(Li-Cor , USA)测定蒸腾(T r)、相对湿度(RH)、
叶面温度(T l)、叶室温度(Ta)和光照强度 。以光
强测量直接对准太阳测量的结果为总光强(Li),
垂直于叶片上表面 10 cm 测量的结果为反射光强
(L r),紧贴叶片下表面并保持上表面与入射光垂
·326· 西　北　农　业　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　18 卷
直所测结果为透射光强(L t)。随机选 5 片叶测
定 ,并做标记后用于测定叶绿素荧光。
在 9:00 利用 OS-30p(O spi-Sciences , Inc.,
USA)测定叶绿素荧光参数 ,基础荧光 Fo 、最大荧
光 Fm , 并计算潜在 PAR利用率 F v/Fm , 其中可
变荧光 Fv =Fm -Fo 。测定前 ,夹上暗适应夹 ,进
行 15 min 暗适应 。数据用 SAS 软件分析(SAS
Institute , Inc.)进行方差分析和多重比较。
图 1　裸墙表面(A), P.quinquef olia 和 P.Tricuspidata.冠层下墙体表面(B)、冠层表面(C)温度日变化
Fig.1　Diurnal variation in temperature of bare wall(A), wass under canopy(B)and
on the canopy(C)of P.quinque folia and P.Tricus pidata.
2　结果与分析
2.1　2 种植物冠层温度 、冠下墙体温度及邻侧裸
墙温度日变化规律
图 1是爬山虎和五叶地锦同朝向同侧邻近裸
露墙体表面温度 Tbw 、冠层温度 Tc 和冠层下墙体
表面温度 。从图中可以看出 ,无论是 T bw 、T c 还
是 Tuc ,2种植物所对应的墙面温度日变化规律是
基本一致的。T bw曲线为倒“V”字型 ,峰值均出现
在上午 10:00 ,两个无覆盖墙面最高温度分别为
(41.0±0.08)℃和(42.5±0.07)℃,由于是 2个
不同建筑物 ,温度存在显著差异 ,对降温效果的分
析会产生影响。 T c 曲线同为“M ”型 ,2 个峰值分
别出现在 10:00 和 16:00。2 种植物对应的 Tuw
曲线不同 ,爬山虎所对应的 T uw曲线为“M”型 ,而
五叶地锦对应的 Tuw曲线为倒“U”字型 ,在 14:00
温度没有下降 。这表明 ,爬山虎和五叶地锦的冠
层温度在 10:00-16:00时间可以保持一个相对
隐定状态 ,也就是冠层温度不会随环境温度而过
度升高 ,同时能使其冠下墙体温度也维持在一个
低于或接近冠层的温度。这无疑与植物的蒸腾降
温有关[ 21] ,尤其是在 10:00 , T bw与 T uc差值对于
爬山虎和五叶地锦分别达到(8.2±0.58)℃和
(11.0±0.28)℃,日均降温分别为(2.7±0.49)℃
和(5.1±0.55)℃。尽管是 2个不同的建筑物 ,裸
墙温度相差(1.6±0.09)℃,但五叶地锦的 Tuc却
在多个时段低于爬山虎的 T uc ,二者的降温值相
差(2.7±0.71)℃(图 2)。因此五叶地锦的降温
能力高于爬山虎。
图 2　P.quinque folia 和 P.Tricuspidata.覆盖墙体
表面及相应裸墙表面温度日变化
Fig.2　Diurnal variation in temperature on differences
bare wall and wall covered by P.quinque folia
and P.Tricuspidata covered wall.
2.2　爬山虎与五叶地锦叶片对入射光的反射 、透
射及蒸腾速率
对爬山虎与五叶地锦叶片的蒸腾与 PAR利
用能力测定结果(表 1)显示 ,二者的蒸腾速率和
气孔阻力存在在显著差异 ,五叶地锦的蒸腾速率
是爬山虎的 8.3倍 ,达到(9.1±2.0)μg · s-1 ·
cm-2 ,而气孔阻相应的也远低于爬山虎的(12.8
±3.14)s · cm-1 ,仅为(1.8±0.42)s · cm-1 。
这种差异会受到环境温度的影响 ,如墙体温度 、环
境气温和叶片温度的影响。但叶温(表 1)与环境
温度 ,及二者叶温之间的温差最大不超过 2.4℃。
·327·5 期　　　　　　　　　　魏永胜等:爬山虎与五叶地锦对墙体降温效果差异及生理机制
因此 ,由温度差异引起的饱和水汽压差值不足以
产生这样大的蒸腾差异。由于二者所处墙体朝向
相同 ,因此所接受的入射光强度没有显著差异。
叶片对光的反射与透射的总比率也没有显著差
异 ,照射到二者叶片上的光合有效辐射约 15%被
反射或透射。但对入射光的反射率与透射率存在
显著差异(表 1),爬山虎的透射/反射比为 1.5±
0.19 ,显著高于五叶地锦的透射/反射比 0.7±
0.04 。其中 ,反射率显著低于五叶地锦 ,而透射率
显著高于五叶地锦。五叶地锦对入射光的反射率
高而透射率低 ,反射率所高出部分约占入射光的
3.4%,而透射率所低部分约占入射光的 2.2%,
使照射到墙体上的 PAR减少了 5.6%,减少的这
部分 PAR将有助于降低墙体温度。
表 1　P.quinque folia 和 P.Tricus pidata叶片蒸腾 、气孔阻力 、温湿度及 PAR利用特性
Table 1　 Leaves transpiration , stomatal resistance, temperature, RH and PAR
utilization of P.quinque folia and P.Tricuspidata
爬山虎
P .Tr icuspidata 五叶地锦P.qu inquef olia
蒸腾速率 T ran spiration /(μg· s-1· cm-2) 1.1±0.17b 9.1±2.0a
气孔阻力 Stomatal resi stan ce /(s· cm -1) 12.8±3.14a 1.8±0.42b
入射光强 Ligt in tensity /(μmol· s -1·m-2) 583±61.4a 452±19.7a
反射率 Reflectivity / % 5.7±0.57b 9.1±0.33a
透射率 T ransmit tance ivi ty / % 8.0±0.64a 5.8±0.31b
反射+透射 Ref lectivi ty +t ran smit ti vi ty / % 13.7±0.81a 15.0±0.54a
透射/反射 T ransmi t tivity/ reflect ivity rat io 1.5±0.19a 0.7±0.04b
相对湿度 Relative h umidity / % 43.5±0.48a 39.3±0.08b
叶片温度 Temperatu re of leaf / ℃ 24.3±0.21b 25.7±0.25a
气叶室温度 temperatu re of leaf cham ber / ℃ 24.12±0.21b 26.2±0.07a
注:所有数据以平均值±标准误(n=5)形式表示
Note:Values are means ± S e(n=5)
表 2　P.Tricuspidata 和 P.quinquef olia
的叶片叶绿素荧光参数
Table 2　 Fluorescence PARameters of
P.Tricuspidata and P.quinque folia
爬山虎
P.Tr icuspid ata 五叶地锦P.quinquef olia
Fo 73.4±0.98a 63.6±1.17b
Fm 295.2±2.96a 315.8±13.7a
Fv/ F m 0.75±0.00b 0.80±0.01a
2.3　爬山虎与五叶地锦叶片叶绿素荧光特性
爬山虎与五叶地锦叶片的 3个叶绿素荧光参
数(表 2)之间存在显著差异 。其 Fv/Fm 是潜在的
量子效率[ 22] ,可以用来反应对 PA R潜在利用能
力 , 五叶地锦的 Fv/Fm 要显著高于爬山虎 ,表明
其 PA R潜在利用率高于爬山虎。爬山虎的 Fo
显著高于五叶地锦但 Fm 显著低于五叶地锦 。Fo
常与天线叶绿素有关[ 19] ,而 Fm 是光合机构全部
PS Ⅱ中心关闭时荧光强度 , 此时非光化学粹灭最
小 ,既热耗散小[ 23] 。爬山虎 Fo 高而 Fm 低 ,表明
其与五叶地锦相比 ,对热耗散相对较高 。这种相
对低的 PA R利用能力和较高的热耗散 ,会对爬
山虎对墙体的降温效果产生影响 ,但程度目前还
无法确定 。
3　讨论
试验结果表明五叶地锦和爬山虎对其攀附的
墙体降温效果不同 ,这种差异不仅是蒸腾作用的
结果 ,而且叶片对 PAR的反射 、透射和利用能力
对降温效果也有贡献 ,其中以叶片反射 、透射和叶
绿荧光参数表征的叶片对 PA R的利用能力可以
用来解释五叶地锦降温能力高于爬山虎的原因。
植物通过蒸腾作用降低环境温度的研究已经
较多 ,但还有许多细节没有研究清楚 。如在研究
植物蒸腾作用对环境的影响时 ,研究者[ 11 , 12] 将植
物蒸腾可以影响的环境按10 m2 ×100 m 计算 ,但
水平绿化地能否影响到垂直高度 100 m 的范围 ,
与土壤的蒸发相比 ,哪种影响强度更大 ?垂直绿
化面能否影响到水平距离 10 m 内的环境 ?都是
值得研究的问题 。按照杨士弘[ 12] 和张迎辉等[ 11]
的方法计算 ,本文中五叶地锦通过蒸腾可以使周
围 1 000 m3空气温度下降约 0.63℃,而爬山虎只
能使气温下降 0.08℃,这显然无法使相应墙体表
面温度下降(11.0±0.28)℃和(8.2±0.58)℃。
因此 ,除蒸腾作用外 ,植物叶片的其他因素也影响
到了攀缘植物的降温效果。此外 ,在估算垂直绿
化对建筑能耗降低的模拟研究中[ 15-17] ,除了蒸腾
作用 ,植物的对光能的反射特性也被考虑 ,这进一
步表明蒸腾以外的因素在很大程度上影响着降温
的效果。在本试验中 ,五叶地锦可使照射到墙体
·328· 西　北　农　业　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　18 卷
上的 PAR减少了 5.6%,加强了降温较果 ,但具
体的降温值在本试验尚无法估算。因为试验中测
定的是植物对 PAR的利用能力 ,而 PA R仅占用
了全部太阳辐射能的 43%。叶片对 PA R以外的
辐射能是否有同样的反射或透射效果还无法确
定 ,有待于进一步研究。此外 ,叶绿素荧光参数研
究表明 ,五叶地锦具有相对较高的潜在 PA R利
用能力和较低的热耗散能力。但这种高的潜在的
PA R利用能力对环境温度的影响程度如何也需
要进一步研究。如果这些问题能够得到更为准确
的解释 ,那么就可以提高植物对建筑能耗的模拟
结果的准确性 ,也可以为垂直绿化中攀缘植物的
选择提供更多的理论依据 。毕竟仅依据蒸腾作用
来选择植物在全球水资源紧张的大环境下不是一
个好的方法。
　　致谢:感谢北京林业大学硕士研究生罗德和
董磊在测定工作中给予的帮助 。
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