宁夏4种灌木光合固碳能力的比较

李志刚，朱强，李健

（种苗生物工程国家重点实验室宁夏林业研究所，宁夏银川750004）

宁夏4种灌木光合固碳能力的比较

李志刚，朱强，李健

（种苗生物工程国家重点实验室宁夏林业研究所，宁夏银川750004）

通过对叶片光合速率及植株生物量的测定，研究了宁夏4种常见灌木的固碳潜力。结果表明，从4种灌木单个叶片的光合角度研究固碳能力，生长旺盛季（7月）表现为互叶醉鱼草（Buddlejaalternifolia）＞蒙古扁桃（Amygdalusmongolica）＞沙木蓼（Atraphaxisbracteata）＞宁夏枸杞（Lyciumbarbarum）；全生长季为宁夏枸杞＞互叶醉鱼草＞沙木蓼＞蒙古扁桃。经过对4种灌木的单位叶面积和全株叶面积的测定，研究了全株灌木的固碳潜力，结果显示，不论是7月的全株日均碳同化量还是全生长季的全株日均碳同化量，都表现出互叶醉鱼草＞宁夏枸杞＞沙木蓼＞蒙古扁桃的规律，与生物量测定的结果完全吻合。说明，从植物光合角度研究固碳能力有必要从全株叶片水平的光合进行考虑。另外，由于宁夏枸杞经济林具有良好的水肥管理措施，推测经济林有较强的固碳能力，应予以重视。

宁夏；灌木；固碳；光合

随着人们对全球气候变化的认识，植物的固碳功能和碳汇造林已备受学者关注。目前，植物固碳现状和潜力的研究多集中于基于生物量或林木蓄积量的测定而间接测定出陆地生态系统或植物群落的碳储量，其次是采用涡度相关法或涡度协方差法直接测定生态系统CO2的通量［1-7］，对于不同植物种之间固碳能力的研究也多采用生物量比较法［8-9］，而植物光合作用是生态系统物质循环和能量流动的基础，也是植物固碳的最主要的方式，反映了植物改善环境的能力［10］。因此，也有采用测定植物光合作用估测植物固碳能力的研究，但是常常集中于单位叶面积叶片的光合固碳效率研究［11］，涉及单株叶面积比较的研究较少，这就可能掩盖了研究结果的真实性。随着对植被恢复等生态工程的重要性的认识，高效固碳释氧生态树种在植被恢复建设中应该予以考虑，尤其是在特定生态区下筛选既适宜当地自然生态条件又兼具较好生态效益的树种就显得更加有实际意义。因此，准确评价不同植物之间的固碳能力也就显得十分必要。本研究基于以上目的，选择宁夏常见的4种灌木林比较其固碳能力，旨在为宁夏干旱半干旱地区及其他类似生态区的植被恢复、碳汇造林及经济建设提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况 研究区设在银川植物园，地处宁夏回族自治区银川市西南，106°10′E，38°25′N，海拔1 166m。位于我国半荒漠地区，即草原向荒漠的过渡地带，贺兰山东麓洪积扇下缘沙地，有流动沙丘分布。日照充足、热量充沛、温差较大、风大沙多、干旱少雨、蒸发强烈。年平均气温8.5℃。日照时数2 710h，年降水量286mm［12］。

1.2 研究方法

1.2.1 研究对象 所研究的4种灌木互叶醉鱼草（Buddlejaalternifolia）、蒙古扁桃（Amygdalusmongolica）、沙木蓼（Atraphaxisbracteata）和宁夏枸杞（Lyciumbarbarum）均为宁夏原生境下常见的灌木植物，其中前3种2007年从宁夏贺兰山引种并在银川植物园建立种质资源圃（栽培株距为1m），占地面积均为500m2左右，每年通过滴灌系统浇水120～200 m3·667m-2（根据每年降水量不同有所调整）；宁夏枸杞（宁杞1号）亦于2007年在该植物园建立栽培试验地（株行距为1m×1m），面积2hm2，每年通过滴灌系统浇水230～259m3·667m-2。以上4种灌木灌木林每年均有施肥处理，其土壤条件如表1所示。

表1 不同灌木林地0～40cm土壤特征Table 1 Characteristics of soil at 0-40cm of different shrub lands

1.2.2 测定方法

同化速率的测定：首先，2010年根据天气状况在灌木生长季节（5―10月）的每月中旬选择无风、晴朗的天气进行光合潜力的季节动态测定，采用CI-340便携式光合仪依次在一天中的09：00、13：00和17：00分别测定4种灌木光合速率；同时，在灌木生长最旺盛的季节（7月）选择晴朗、无风的天气进行光合潜力的日动态测定（仍选中旬），从08：00-18：00每隔2h测定一次，完成所有灌木的测定。以上测定时均从每个灌木冠层中部位置的东南西北4个方向各选择一片叶片进行测定。

灌木同化率的估算：7月日碳同化总量是净光合速率曲线与时间横轴围合的面积，利用光合速率对时间的积分求得，日均碳同化率（即平均光合速率）为碳同化总量值与时间的比值。生长季灌木每月的日平均净光合速率为每月中旬所测得的3个时间点净光合速率的平均值，平均碳同化率估算方法同7月日均碳同化率。

灌木叶面积及生物量的测量：灌木叶面积的测定在6、8和10月进行，选择阴天或早晨温度较低时，在试验地每种灌木选择能够代表群体长势特征的3株植株，将其叶片全部摘下带回室内进行测定。再从每株灌木叶片中选择能够代表全株群体长势的叶片20片，利用Li-3000C叶面积仪测定叶面积，同时称其鲜质量，然后根据已知面积单叶的鲜质量换算出全株的叶面积。在10月完成最后一次单叶面积和全株叶面积的测定工作后，将全株灌木连根尽可能完全挖出，取样深度为1m，此深度为灌木根系分布的最深深度。在挖取根系时沿主根和须根延伸方向尽可能取尽所有根系。取样完毕后将灌木的叶片、枝条和根系分开并置于85℃的烘箱中烘至质量恒定，完成生物量的测定。

1.2.3 数据分析 采用Excel 2003建立数据库并绘图，数据的显著性统计分析采用SPSS 13.0软件。

2 结果与分析

2.1 4种灌木的单位叶面积光合速率 光合速率是反映植物生长潜力和碳同化能力的一个重要指标。在本研究中，生长旺盛季节（7月）4种灌木的单位叶面积光合速率日动态有所不同（图1A），其中沙木蓼和宁夏枸杞呈单峰曲线，而互叶醉鱼草和蒙古扁桃呈现出双峰曲线，但不易看出4种植物的光合速率大小，而从日均光合速率值可以看出（图2），其大小顺序为互叶醉鱼草＞蒙古扁桃＞沙木蓼＞宁夏枸杞，其中蒙古扁桃与沙木蓼间差异不显著（P＞0.05）。全生长季日均光合速率又不同于生长旺盛季（图1，图2），从研究结果看，灌木间在全生长季的日均光合速率呈现出宁夏枸杞＞互叶醉鱼草＞沙木蓼＞蒙古扁桃的规律，其中前二者差异不显著，而且从日均光合速率的季节动态亦可以得出类似的结果（图1B），此结果完全不同于灌木间在生长旺盛季的日均光合速率规律，由此看来，单凭某一日或某一月的单位叶面积光合速率（或日同化量）并不能正确反映植物的单位叶面积碳同化能力，须从整个生长季进行全面研究。另外，从单位叶面积光合速率的季节动态结果可以看出（图1B），4种灌木的单位叶面积碳同化能力均在7月最大，5月或10月最小，在生长季均呈单峰曲线变化。

2.2 4种灌木叶面积与单株的碳同化潜力

理论上讲，植物全株叶片在全生长季的净光合速率值即全株年碳同化量才是真正意义上反映植物碳同化现状的值。将6、8和10月所测的得灌木单叶面积和全株叶面积求平均值，可以看出，这2个表征植物碳同化能力的叶面积指标在4种灌木间存在明显不同（图3），虽然平均单叶面积表现为沙木蓼＞宁夏枸杞＞互叶醉鱼草＞蒙古扁桃，四者差异显著（P＜0.05），但是平均全株叶面积却表现为互叶醉鱼草＞宁夏枸杞＞沙木蓼＞蒙古扁桃，且四者差异显著。在此基础上，本研究将平均光合速率和平均全株叶面积相乘得到全株的碳月均同化量（图4），结果表明，不论是7月的日均碳同化量还是全生长季的日均碳同化量，都表现为互叶醉鱼草＞宁夏枸杞＞沙木蓼＞蒙古扁桃，差异显著。说明研究某一植物的碳同化量必须从全株植株出发。

图1 4种灌木的单位叶面积光合日动态（A）与季节动态（B）Fig.1 Daily and seasonal dynamic of photosynthesis per unit leaf area of the 4shrub species

图2 4种灌木的平均单位叶面积光合速率Fig.2 Average photosynthetic rate per unit leaf area of the 4shrub species

2.3 4种灌木的生物量 植物生物量是反映植物碳汇大小的一个重要指标。在本研究中，4种灌木单位叶面积光合速率、单叶面积及全株日均碳同化量等指标间的表现规律并不一致，但是根据全株叶面积所计算出的全株月均碳同化量是可以反映灌木固碳能力的一个最终指标。然而对生物量的研究结果表明（表2），4种灌木生物量的大小顺序为互叶醉鱼草＞沙木蓼＞蒙古扁桃＞宁夏枸杞，与全株的日均碳同化量又存在不一致的情况，出现这种情况的原因是没有将宁夏枸杞每年修剪掉的枝条及采收的果实计算在内（表3），如果将这些生物量（1 114.76g）计算在内，则4年生宁夏枸杞的生物量累计可达到1 790.10g。此时，4种灌木的生物量大小顺序为互叶醉鱼草＞宁夏枸杞＞沙木蓼＞蒙古扁桃，完全和全株碳平均同化量一致。说明深入研究植物的固碳能力必须从研究全株碳同化量出发。

图3 4种灌木的单叶面积与全株叶面积Fig.3 Leaf area of single and whole plant of the 4shrub species

图4 4种灌木全株日均同化量Fig.4 Carbon sequestration of whole plant of the 4shrub species

表2 不同灌木的生物量Table 2 Biomass of different shrubs g

注：生物量以2010年统计的干物质计算；不同小写字母表示4种灌木间差异显著（P＜0.05），相同小写字母表示差异不显著（P＞0.05）。

Note：The biomass was the dry weight of 2010；Different lower case letters within the same row indicate significant difference at 0.05level.

表3 宁夏枸杞历年枝叶修剪量与干果产量Table 3 Amount of branch leaves pruning and fruit yield of Lycium barbarum g

3 讨论

3.1 全生长季单位叶片及全株叶片光合速率是反映植物碳同化率能力的可靠指标 光合速率是指植物单位叶面积单位时间同化CO2的量。国内有学者［13-16］在研究植物固碳释氧能力时，将单位叶面积的光合速率（或单位叶面积日同化总量）作为衡量不同植物固碳释氧能力的指标。从本研究结果看，植物单位叶面积的光合速率值和全生长季的光合速率值并不相等，而且认为全年的光合速率才是衡量植物固碳释氧能力的全面准确的指标，与前人观点有所不同。

另外，从本研究结果看，单位叶片光合速率（碳同化率）高的植物其全株的日均碳同化量不一定高，因为其全株的叶面积不一定大。因此，研究某一植物的固碳能力及年固碳量就应当研究全株植物在全年的碳同化率或净光合速率，进而估算出全株植物的年固碳量。也有学者［17-18］采用单位叶面积净同化率结合植株或植物群体的叶面积指数，有效地比较了不同植物间固碳能力，这与本研究的方法相似。

3.2 具有修剪等农艺措施的宁夏枸杞经济林具有很大的碳汇潜力 本研究结果表明，由于作为经济作物的宁夏枸杞具有良好的水肥管理条件，而且修剪的农艺措施还有可能促进其补偿性生长，如果将修剪的枝条和采摘的果实累加起来，则随着栽培时间的延长，宁夏枸杞的生物量积累在4种灌木中最大，其碳汇最终会超过其他3种灌木。因此，可以推测，经济林较其他灌木林可能具有更大的碳汇潜力。俞益武和徐秋芳［19］的研究结果也显示，天然林改为经济林后土壤的含碳量明显提高，说明其固碳能力得到了提高。根据孙颖等［20］对宁夏森林生态系统服务功能价值的统计结果显示，经济林的固碳制氧功能在其生态系统服务功能中居于首位，而且在各类森林生态系统中也是处于前列。据王兵和鲁绍伟［21］报道，目前全国经济林面积为2 139万hm2，占全国有林地面积的12.66%，其固碳释氧效益是不可估量的。因此，经济林是经济效益和生态效益兼具的生态系统，应当重视经济林的科学建设。

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A comparison of photosynthetic carbon sequestration of four shrubs in Ningxia

LI Zhi-gang，ZHU Qiang，LI Jian
（The State Key Laboratory of Seedling Bioengineering Ningxia Forestry Institute，Yinchuan 750004，China）

Carbon sequestration of four kinds shrubs in Ningxia was studied by testing leaf photosynthetic rate and plant biomass.The results indicated that if the research was on photosynthesis of each individual leaf，carbon sequestration was in the order ofBuddlejaalternifolia＞Amygdalusmongolica＞Atraphaxis bracteata＞Lyciumbarbarumin the vigorous growth season（in July）；orL.barbarum＞B.alternifolia＞A.bracteata＞A.mongolicain the whole growth season.We also measured a single-leaf area，the area of whole plant leaves and the carbon sequestration of whole plant.The results indicated that sequence of the average daily amount of carbon assimilation of the whole plant wasB.alternifolia＞L.barbarum＞A.bracteata＞A.mongolicain both of the vigorous growth season and the whole growth season.The similar results were obtained on the measurement of biomass.Therefore，it can be concluded that the plant carbon sequestration in whole plant leaves should be considered if the photosynthetic rate is used as a testing target.In addition，it should be paid attention that there is a strong carbon sequestration ofL.barbarumforests due to the good maintenance，such as irrigation and fertilizer.

Ningxia；shrubs；carbon sequestration；photosynthesis

LI Jian E-mail：lijian0630＠yahoo.com.cn

Q945.11

A

1001-0629（2012）03-0352-06

2011-04-20 接受日期：2011-06-20

宁夏自然基金项目“宁夏枸杞经济林生态系统碳汇能力的初步研究”（NZ10210）；宁夏科技攻关项目“银川腹部沙地植物碳汇能力评价与沙化土壤恢复模式研究”

李志刚（1985-），男，宁夏海原人，助理研究员，硕士，主要从事生态学与农林废弃物资源开发利用方向的研究工作。

E-mail：lizg001＠sina.com

李健 E-mail：lijian0630＠yahoo.com.cn