基于大尺度条件探讨若干因素对植物热值的影响

高凯，宋赋，朱铁霞

（1.内蒙古民族大学农学院，内蒙古通辽028043；2.赤峰市巴林右旗索博日嘎镇草原站，内蒙古赤峰026164）

基于大尺度条件探讨若干因素对植物热值的影响

高凯1，宋赋2，朱铁霞1

（1.内蒙古民族大学农学院，内蒙古通辽028043；2.赤峰市巴林右旗索博日嘎镇草原站，内蒙古赤峰026164）

热值作为植物的重要属性，具有一定的稳定性，是衡量植物第一性生产力、植物营养价值的重要参考指标，也是生态系统研究过程的重要参数之一。然而在热值的研究过程中，人们往往针对某种植物，或者某地区的某些植物来展开研究，很少在大尺度上对植物热值进行系统的研究。本研究搜集1989―2010年维普《中文期刊数据库》（http：//www.cqvip.com）中公开发表的相关研究论文，对39个样地的547种植物的热值进行归类总结，在大尺度上探讨植物器官、科、生活型及经纬度对热值的影响。结果表明，不同生活型植物热值的顺序为乔木＞灌木＞草本，并且这种变化趋势不因植物种类和植物分布地区的变化而变化；草本与灌木植物叶片的热值最高、根系最低，而乔木则以枝条最高、根系最低；以草本和灌木植物为主的科，其热值要低于以乔木为主要组成的科，本研究所涉及的各科植物以藜科植物热值最低，杜鹃花科最高；植物的热值随着纬度的增加而升高。

热值；生活型；大尺度；乔木；草本植物；灌木

绿色植物通过光合作用将日光能转化为化学能贮藏于植物体内，这种潜在的化学能以植物热值含量的高低来表示，同时热值作为植物的重要属性，具有相对的稳定性。因此，利用能量的概念研究植物对自然资源的利用情况要比单一干物质测定更为准确［1］，同时其是衡量植物第一性生产力、植物营养价值的重要参考指标；并且热值与植物干物质相结合是评价生态系统初级生产力的重要内容，因此在生态系统的研究过程中热值是必不可少的参数之一［2］。

关于植物热值国外的研究历史要远远长于国内，有资料显示国外的植物热值研究起步于20世纪30年代，国内则始于20世纪70年代末80年代初，至今已有较丰富的研究成果［3］。在国外早在20世纪30年代Long［4］便对不同位置向日葵（Helianthusannuus）叶片的热值进行了观测，阐明了叶片分布与热值之间的关系。在此之后，针对生物个体、种群和群落等不同组织水平热值的研究更多的开展起来［5-8］，主要反映在生态系统中不同物质的热值及其变化机制以及生态过程中能量模型的研究［2］，例如：湖泊生态系统能量流动、植物个体的能量变化以及森林草原生态系统能量流动循环等［9-13］。而在国内，直到20世纪70年代末才有草甸常见植物热值的研究报道［14］，之后不少学者［2，15-16］对乔木、灌木、草本植物等热值也进行了相关报道。

但是，这些热值的研究主要停留在某生态系统、群落、植物个体的水平上，从某种程度来说是小尺度的、零散的、孤立的、不系统的。本研究总结目前国内的研究成果，在大尺度上探讨植物器官、科、生活型及经纬度对热值的影响，进一步归纳出不同层次上植物热值变化的空间特性、种间特性，以期为今后植物热值研究提供一定的指导。

1 数据来源

本研究查阅了1989-2010年维普《中文期刊数据库》（http：//www.cqvip.com）中公开发表的153篇相关研究论文，对其中45篇含有不同植物种热值相关数据的文献进行整理。但未收录发表于图书和其他非期刊资源的论文和一些早于1989年（维普）公开发表于期刊的文章，以及未正式出版的文献数据，因此在对各种植物热值分析上可能存在一定的误差。

2 数据处理

采用MicrosoftExcel对数据进行处理分析：将所有文章编码，逐篇摘录其中的样地地理信息（地点、经纬度等）、植物名、各器官（根、茎、叶、枝条、皮等）热值以及全株热值，并进行归类处理。植物生活型和科的划分严格参照《中国植被》［17］进行。最后共有39个样地547种植物热值数据。

将全部植物数据归类进行统计分析和差异性检验：1）按器官分为杆（茎）、枝、叶、皮、根进行比较；2）按生活型分为乔木、灌木和草本进行比较，如只有各器官的热值，则该植物的总热值用各主要器官热值加权平均值代替；3）在科水平上对不同植物的热值进行比较；4）不同气候型植物的平均热值差异，草本植物采用全株干质量热值，木本植物采用各器官加权平均值。

3 结果

3.1 生活型对植物热值的影响 对39个样地的547种植物，按乔木、灌木和草本进行分类，之后对3种生活型的热值进行方差分析，得出乔木、灌木和草本3种生活型的热值顺序为乔木＞灌木＞草本，并且三者之间的差异均显著（P＜0.05）。

3.2 植物不同器官之间热值的差异特性 草本植物根、茎、叶热值变化顺序为叶＞茎＞根；乔木根、杆、叶、枝热值的顺序为枝＞叶＞杆＞根；灌木根、杆、叶、枝、皮的热值顺序为叶＞枝＞皮＞杆＞根；3种生活型叶片热值顺序为灌木＞乔木＞草本；杆（茎）热值顺序为乔木＞灌木＞草本；根系热值顺序为乔木＞灌木＞草本；枝条热值顺序为乔木＞灌木（表1）。

图1 生活型对热值的影响Fig.1 Effects of life-form on plant calorific value

表1 不同生活型植物不同器官的热值Table 1 Calorific values of different organs of plants MJ·kg-1

3.3 科水平植物热值的比较 对大量国内植物热值资料分科整理得出，不同科之间热值变化幅度较大，其中藜科的热值最低，为15.36MJ·kg-1，杜鹃花科最高，为21.802MJ·kg-1，约比藜科高42%；以草本和灌木植物为主的藜科、毛茛科、蓼科、莎草科、草茉莉科、蔷薇科、百合科、禾本科、大戟科、豆科等热值要低于以乔木为主要的杨柳科、柏科、五加科、姚金娘科、榆科、胡桃科、壳斗科、忍冬科、槭树科、桦树科、松科、山茶科、樟科、木樨科和杜鹃花科（表2），这也充分表明乔木热值高于草本和灌木这一规律；在草本和灌木为主要的植物科中，禾本科（18.501）和豆科（18.871）植物表现出较高的热值；植物根、茎、叶、皮及枝条热值在各科之间的变化情况与整株热值的变化表现出一致的规律。

3.4 空间分布对热值的影响 从低纬度到高纬度，乔木、灌木和草本3种生活型植物全株热值均呈现升高的变化趋势（表3）；乔木、灌木和草本各个营养器官热值的变化趋势与整株的变化趋势一致，也是随着纬度的升高热值表现出增加趋势；不同纬度条件下各种植物根、茎、叶、杆、皮等器官热值大小关系呈现出一致的变化规律，其中叶的热值最高，根的热值最低，这种关系没有因为纬度的变化而改变；乔木和灌木在有侧枝存在的情况下，侧枝的热值要高于杆、根和皮，低于叶；而乔木的皮与杆的热值没有固定的大小顺序。

表2 植物科之间的热值变化情况［2-3］，［14-16，19-22，24］Table 2 Dynamics of plant calorific values of different families

4 讨论

植物生活型是植物有机体（营养器官）对环境适应的表现形式，是自然地区特定生物气候作用下的产物。不同生活型植物的生态和生理学特征存在区别，并且在对环境的适应性方面具有质的差异。而热值作为植物的重要属性之一，具有相对的稳定性。人们对热值的研究中关于不同生活型植物之间热值的比较较多，主要在小尺度范围内对不同生活型植物之间的热值进行比较，来探讨不同生活型之间热值的区别，发现乔木、灌木和草本3种生活型之间的热值大小关系为乔木＞灌木＞草本［18-19］。分析也归纳出相同的结论，这表明生活型对植物热值的影响是相对比较稳定的，不受地域及种类的影响。而出现乔木＞灌木＞草本这种变化规律的主要原因可能是由于3种生活型之间木质素、纤维素以及淀粉含量存在一定差异，尤其是木质素和纤维素的含量以乔木最高，灌木次之，草本植物最低，而这种含碳化合物含量的差异最终导致了可燃烧物质碳含量的差异，从而促使乔木的热值最高，灌木次之，草本植物最低。植物能量在各营养器官的分布情况可以通过各个营养器官热值的高低来反映。而各器官热值的高低主要由各器官的结构、营养物质（粗脂肪、粗蛋白等）的含量所决定［20］。研究植物能量在植物各器官分布规律的过程中，发现植物的叶片是植物热值最高的器官，根系是热值最低的器官［2，21］。本研究在大尺度上以生活型为研究对象对植物各器官的热值进行比较，发现草本和灌木植物叶片的热值最高，根系的热值最低，这与前人的研究结论相一致［2，4］。而乔木则是以其枝条的热值最高，叶片次之，根系最低，产生这种差异可能主要由于以前的研究主要是针对某一地区的某种植物进行对比，而本研究是在大尺度、生活型的层次进行植物器官之间热值的比较。同时在植物器官研究过程中，也有少数文献中涉及到植物的花和果实，由于文献数量过少，无法进行统计，因此本研究没有涉及到这两方面，但是花和果实作为植物的重要组成部位，也是营养物质集中积累的部位，因此对其热值的研究也是比较重要的。在科的水平上对植物热值的研究，由于需要大量的测定结果，因此到目前为止相关报道较少。其中陈佐忠和张鸿芳［22］对内蒙古典型草原地带118种植物热值的测定，包括37个科，选取了含有6个种以上的科进行分析统计，发现在内蒙古典型草原以百合科最低，豆科最高，并且分析其原因可能是由于后者脂肪含量较高所致；郭继勋等［21］的研究发现东北羊（Leymuschinensis）草草地禾本科、菊科和豆科三大科植物全株平均热值无明显差异，但豆科植物根的热值明显高于禾本科和菊科根的热值。本研究对大量国内外植物热值资料分科整理和比较，发现以草本和灌木植物为主的各科热值要低于以乔木为主的各科热值，其中藜科的热值最低（15.36MJ·kg-1），杜鹃花科最高（21.802MJ·kg-1）；在草本和灌木为主要构成的植物科中，禾本科（18.501MJ·kg-1）和豆科（18.817MJ·kg-1）植物表现出较高的热值。在热值的研究过程中，空间分布对植物热值的影响一直是研究的热点，并且得出一致的结论，即随着纬度的增加，热值表现出增加的变化趋势［23-24］。本研究对国内18个地区的乔木、灌木和草本植物的热值进行比较也发现各个生活型植物的全株热值及其各器官热值均随着纬度的升高而表现出增加的趋势。产生这种结果的主要原因可能是随着纬度的增加，温度降低，植物为了适应低温条件，其有机物质大量积累，因此导致其热值随着纬度的升高而增加。

表3 不同经纬度条件下植物热值Table 3 Calorific values of plants at different locations

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Effects of several factors on plant calorific value based on large-scale conditions

GAO Kai1，SONG Fu2，ZHU Tie-xia1
（1.Inner Mongolia University for Nationalities，Tongliao 028043，China；2.Chifeng City Balinzuo Banner Suoboriga Town Grassland Office，Chifeng 024000，China）

Calorific value is one of the most important plant properties and is stabe normally.It is an important index on evaluating the plant primary productivity and plant nutrition，and also plays an important role in the process of ecology.In the researches of the plant calorific value，people paid much attention on just single plant species or some plant species grown in particular areas，but few people did some researches on large-scales conditions.We collected the published papers about the plant calorific value in PSTP（http：//www.cqvip.com）from 1989to 2010，classified and summarized the calorific values of 547plantsin 39plots，which attempted to discuss the effects of plant organ，family，life form，longitude and latitude on plant calorific values based on the large-scale conditions.The results showed that the order of calorific value of plants was Arbor＞shrub＞herbaceous，which did not show a variation tendency with the changes of the plant species and distribution.The calorific values of blades of herbaceous and shrubs were the highest，while those of roots were the lowest.For arbor，the calorific value of shoots was the highest，that of roots was also the lowest.The calorific value of a family which had mainly herbaceous and shrubs was lower than that of the family with most of arbors.The study also indicated that Chenopodiaceae plants had the lowest calorific value；Ericaceae had the highest value.The calorific value of plants also increased with increasing latitude.

calorific value；life-form；broad-scale；arbor；herb；shrub

GAO Kai E-mail：gaokai555＠126.com

Q94-33

A

1001-0629（2012）03-0453-06

2011-05-19 接受日期：2011-09-05

内蒙古民族大学博士科研启动课题（BS268）

高凯（1979-），男，吉林农安人，副教授，研究方向为草地资源与利用。E-mail：gaokai555＠126.com