丁杰+李少寧+魯紹偉+石媛媛+趙云閣+楊新兵+陳波

摘要：以7種經(jīng)濟林為研究對象，于5—10月利用CI-340手持光合儀進行全天光合速率和蒸騰速率測定，計算其水分利用效率和固碳釋氧量。結(jié)果顯示：經(jīng)濟林樹種的水分利用率日變化為上午時段高于下午時段，其中水分利用率最大的樹種為蘋果（8.73 μmol/mmol），最小的為梨（3.99 μmol/mmol）；各樹種的固碳釋氧量月變化規(guī)律相同，均在5、6月最高，且各樹種年均日固碳、釋氧量分別在10.12 ～19.76、7.36 ～14.37 g/（m2·d） 之間，且釋氧量明顯低于固碳量；各樹種的單位葉面積年固碳釋氧量（棗>桃>蘋果>梨>杏>核桃>櫻桃）與單位面積果園內(nèi)各樹種的年固碳釋氧量（桃>棗>蘋果>梨>核桃>杏>櫻桃）排序不一致。根據(jù)7種經(jīng)濟林樹種水分利用率發(fā)現(xiàn)，北京地區(qū)蘋果的抗寒性較高，易成活。本研究表明，經(jīng)濟林的固碳釋氧功能在森林生態(tài)功能中同樣具有重要意義。

關(guān)鍵詞：經(jīng)濟林；水分利用率；固碳量；釋氧量；光合作用；抗寒性；森林生態(tài)功能

中圖分類號： S718.5 文獻標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）18-0130-04

收稿日期：2017-03-27

基金項目：北京市農(nóng)林科學(xué)院新學(xué)科培育項目（編號：KJCX20150205）；林木生態(tài)功能監(jiān)測與資源評價創(chuàng)新團隊項目（編號：TWKST 201609）；科技創(chuàng)新服務(wù)能力建設(shè)—協(xié)同創(chuàng)新中心—林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心（編號：PXM2017_014207_000043）；北京市農(nóng)林科學(xué)院科技創(chuàng)新團隊項目（編號：JWKST201609）。

作者簡介：丁 杰（1992—），女，河北固安人，碩士研究生，主要從事水土保持研究。E-mail：yixuandj@163.com。

通信作者：魯紹偉，博士，研究員，主要從事水土保持、森林生態(tài)服務(wù)功能研究，E-mail：hblsw8@163.com；楊新兵，博士，副教授，主要從事水土保持與森林生態(tài)研究，E-mail：yangxinbing2001@126.com。 隨著我國現(xiàn)代化進程的不斷加快，城市環(huán)境日益惡化，導(dǎo)致大氣中CO2濃度持續(xù)升高，全球“溫室效應(yīng)”更加嚴重。因此，全球氣候變暖受到全世界的高度關(guān)注。聯(lián)合國政府氣候變化委員會（IPCC）的報告顯示，近百年來地球已增溫 0.3～0.6 ℃，預(yù)計在22世紀中期會由于CO2濃度的倍增，使全球增溫1.5～4.5 ℃，直接導(dǎo)致海平面上升，同時造成旱澇災(zāi)害現(xiàn)象頻發(fā)，威脅人類生存[1-2]。水資源是地球的生命之源，是制約國家經(jīng)濟發(fā)展的重要因素之一。我國水資源總量為2.83萬億m3，但人均占有量還不足世界人均量的1/4[3]。北京市作為我國的首都，其人均水量僅為300 m3，為全國人均量的1/8，屬于嚴重缺水區(qū)域。基于以上情況，控制大氣CO2濃度和保護水資源成為世界關(guān)注的兩大熱點問題，而林木由于同時兼具固碳釋氧和保護水土的生態(tài)功能，更成為國內(nèi)外學(xué)者的研究重點。經(jīng)濟林作為具有巨大經(jīng)濟價值的植物，雖然在全球森林組成中占有的比例不高，但這并不能抹殺其在全球碳循環(huán)中的重要意義。同時，有效提高經(jīng)濟林抗旱能力及生產(chǎn)能力也具有重大意義。楊超等研究北京地區(qū)常見果樹蒸騰及降溫增濕作用時發(fā)現(xiàn)，經(jīng)濟林生態(tài)系統(tǒng)作為森林資源的重要成分，也具有顯著的降溫增濕能力[4]。但目前研究對象大多為綠化樹種[5-8]，對經(jīng)濟林樹種的研究涉及甚少。因此，研究以7種常見經(jīng)濟林樹種為對象，對其水分利用及固碳釋氧的功能開展量化測定，為經(jīng)濟林生態(tài)功能的精確評估提供基礎(chǔ)測算數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究地概況

研究地為北京市農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)果樹研究所的種質(zhì)資源圃，位于北京市西北五環(huán)閔西橋附近，總面積約13 hm2，地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°13′13″、北緯 39°59′35″。氣候為典型的北溫帶半濕潤性大陸季風(fēng)氣候，年均日照2 000～2 800 h，年均溫度14.1 ℃，全年無霜期180 ～200 d，年均降水量483.9 mm，且80%集中于6、7、8月。資源圃內(nèi)分布有桃（Prunus persica）、杏（P. armeniaca）、蘋果（Malus pumila）、櫻桃（P. pseudocerasus）、梨（Pyrus spp.）、核桃（Juglansregia）和板栗（Castanea mollissima）等。

1.2 樹種選擇

研究選取北京地區(qū)栽植面積大、群眾認可度高的7種經(jīng)濟林樹種，各樹種林齡、土壤和水肥條件基本相近，即土壤水分充足，水肥良好（試驗樣樹基本情況詳見表1）。

1.3 數(shù)據(jù)測定及處理

試驗測定于2015年5—10月的每月15日左右，選晴朗無風(fēng)天氣，利用便攜式光合測定儀（CI-340，上海澤泉科技有限公司），其葉室大小為55 mm×20 mm，精度為2%～3.5%。在07：00—17：00間每隔2 h對7種經(jīng)濟林光合及蒸騰作用進行1次測定，每次選取向陽的3～5張葉片，測其瞬時凈光合速率（Pn）和蒸騰速率（E）。固碳釋氧研究一般不對林木的夜間暗反應(yīng)進行測量，因此根據(jù)經(jīng)驗值將其設(shè)定為20%[9]。水分利用率采用氣體交換法定量測定[10]。

林木水分利用率（WUE）計算公式：

WUE=Pn/E。

（1）

通過下列公式計算不同樹種固碳釋氧量[11]，其中，日凈同化量計算公式為

P=∑ji=1[（Pi+1+Pi）/2×（ti+1-ti）×3 600/1 000]。

（2）

式中：P為日凈同化量，mmol/（m2·d）；j為測定時間段內(nèi)的測定次數(shù)；Pi為初測點的瞬時光合速率，μmol/（m2·s）；Pi+1為下一測點的瞬時光合速率，μmol/（m2·s）；ti為初測點的瞬時時間，h；ti+1為下一測點的瞬時時間，h。endprint

林木光合作用方程式為

CO2+4H2O→CH2O+3H2O+O2。

式中：CO2的摩爾質(zhì)量為44 g/mol，O2的摩爾質(zhì)量為 32 g/mol，因此可以根據(jù)公式（3）、（4）計算日單位葉面積固碳釋氧量：

WCO2=P×44/1 000；

（3）

WO2=P×32/1 000。

（4）

2 結(jié)果與分析

2.1 經(jīng)濟林樹種的水分利用日變化特征

由表2中的數(shù)據(jù)可見，7種經(jīng)濟林樹種的水分利用率日變化規(guī)律均為從07：00—17：00基本表現(xiàn)為下降趨勢，即上午時段各樹種的水分利用率較高。各樹種水分利用率的全天變化中，下降幅度最大的樹種為棗樹，其最大值出現(xiàn)在07：00，為12.23 μmol/mmol，最小值出現(xiàn)在17：00左右，其值為 2.61 μmol/mmol，下降幅度高達78.6%；日變化幅度最小的樹種為杏，最大值在09：00出現(xiàn)，但最小值在 15：00 左右出現(xiàn)，為3.51 μmol/mmol，相比09：00的最大值下降了 2.41 μmol/mmol。其余樹種日變化幅度介于 4.48～7.06 μmol/mmol 之間。由此可見，經(jīng)濟林樹種的水分利用率在上午時段較高，下午時段出現(xiàn)明顯降低，其原因為下午氣溫較高，導(dǎo)致植物葉片部分氣孔關(guān)閉，其光合速率較上午和早晨有所降低，而蒸騰作用卻明顯升高，從而導(dǎo)致水分利用率持續(xù)降低。

此外，由表2可得出，在7種經(jīng)濟林樹種的水分利用率日均值中，蘋果最大，其值是最小值梨的2.19倍，其次是桃、棗和櫻桃，分別為6.64、6.61、6.34 μmol/mmol，而其余樹種的水分利用率則明顯低于前幾種。由于植物在干旱條件下，其節(jié)水能力隨著水分利用率的提高而增強，且生產(chǎn)力、抗旱性也更高[12-13]。因此，根據(jù)不同經(jīng)濟林樹種的日均水分利用率可知，蘋果、桃、棗等因其水分利用率較高而具有較強的生產(chǎn)力，且在研究地（北京市）的抗寒性、抗旱性也較強，相應(yīng)的成活

率也高于其他樹種。

2.2 經(jīng)濟林樹種固碳釋氧量

2.2.1 各經(jīng)濟林樹種單位葉面積日凈同化量 7種經(jīng)濟林5—10月單位葉面積日凈同化量如圖1所示，棗的日凈同化量最大，其各月均值達到449.11 mmol/（m2·d）；日凈同化量最小的為櫻桃，其均值僅為棗的51%；其余樹種日凈同化量各月均值介于255.95～383.74 mmol/（m2·d）之間。從各樹種不同月份的日凈同化量來看，蘋果和櫻桃均在7月日凈同化量最高，分別為592.49、335.49 mmol/（m2·d）；桃、杏、梨等其余5種則在5、6月日凈同化量較高，其值明顯高于其他月份，而各樹種的最小值基本出現(xiàn)在10月。由此可見，各樹種在夏季生產(chǎn)力較高。由于樹種固定碳和釋放氧氣的能力隨著日凈同化量的增加而增強[14]。所以在其他條件相同的情況下，由于棗和桃的日凈同化量均值較大，可以考慮適當(dāng)多種植棗和桃來提高經(jīng)濟林生態(tài)系統(tǒng)的凈生產(chǎn)力。

2.2.2 各經(jīng)濟林樹種單位葉面積日固碳量 林木葉片能夠通過光合作用吸收CO2，改善環(huán)境質(zhì)量，但不同樹種的單位葉面積日固碳量不同。由圖2可知，蘋果、桃、杏、櫻桃、梨、棗、核桃5—10月單位葉面積日固碳量依次介于4.66 ～26.07、10.83～28.25、6.79～20.97、6.31～14.77、5.00～22.90、739～27.50、5.96～17.91 g/（m2·d）之間。其中，棗和桃的日固碳量最大，其最大值分別出現(xiàn)在5月[27.5 g/（m2·d）]和6月[28.25 g/（m2·d）]，最小值分別出現(xiàn)在10月和9月，僅是最大值的26.9%和38.3%；櫻桃的日固碳量最小，其最大值與棗和桃分別相差12.73、13.48 g/（m2·d）。

2.2.3 各經(jīng)濟林樹種單位葉面積日釋氧量 7種經(jīng)濟林在 5—10月單位葉面積日釋氧量如圖3所示，5—10月日釋氧量依次（蘋果、桃、杏、櫻桃、梨、棗和核桃）介于3.39～18.96、7.88～20.55、4.94～15.25、4.59～10.75、3.64～16.65、5.38～20.00、 4.33～13.02 g/（m2·d）之間。各樹種的日釋

氧量與其日固碳量月變化規(guī)律一致，即除個別樹種外，各樹種的日釋氧量均在5、6月較高，10月較低；各樹種的日釋氧量大小排序與日固碳量也基本一致，即棗>桃>蘋果>梨>杏>核桃>櫻桃，且棗的年平均日釋氧量是櫻桃的1.95倍。

綜合上述數(shù)據(jù)分析并結(jié)合表3可得知，7種經(jīng)濟林單位葉面積固碳量、釋氧量在不同月份變化趨勢一致，且各樹種單位葉面積年固碳量與釋氧量大小排序也完全相同。全年平均日固碳量變化范圍為10.12～19.76 g/（m2·d），日釋氧量介于7.36～14.37 g/（m2·d）之間，明顯低于固碳量。各樹種的日固碳量、釋氧量均在5、6月較高，進入7、8月后出現(xiàn)明顯下降，進入10月后，隨著環(huán)境的改變各樹種自身生理特性弱化，其固碳釋氧能力相應(yīng)最弱。引起這種變化的原因是5、6月日照時間長，太陽輻射量較高，導(dǎo)致各樹種的光合作用增強，其固碳量、釋氧量相應(yīng)較大；而7、8月雖然日照時間較長，但由于氣溫偏高，林木葉片出現(xiàn)“光合午休”現(xiàn)象，即部分葉片氣孔關(guān)閉，其光合作用受到抑制。因此，7、8月各樹種的固碳釋氧量呈大幅下降趨勢。

2.2.4 各經(jīng)濟林樹種單株固碳釋氧量 由各經(jīng)濟林單位面積林地上的年固碳量、年釋氧量（表4）可知，單位面積林地上7種供試經(jīng)濟林的年固碳量和年釋氧量大小排序完全相同，均為桃>棗>蘋果>梨>核桃>杏>櫻桃，其中固碳量、年釋氧量最大的桃樹均約為最小櫻桃的2倍。但單位葉面積年固碳量、年釋氧量大小排序與其稍具不同，單位葉面積年固碳量、年釋氧量最大的為棗樹（35.57、25.87 t/hm2），單位面積果園內(nèi)各樹種的年固碳、釋氧量最大的為桃樹（13.80、10.04 t/hm2）。由此可見，單位面積果園內(nèi)林木的固碳、釋氧量不僅與凈光合速率有關(guān)，更與栽植密度、各樹種的葉面積指數(shù)以及人為修剪等因素密切相關(guān)。endprint

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

3.1.1 不同樹種水分利用率對比 水分利用率是植物生存的關(guān)鍵因子，客觀反映植物對水分的利用狀況，同時它也是反映植物生長中能量轉(zhuǎn)化效率的重要指標(biāo)[15-16]。了解植物的水分利用率既可以掌握植物的生存適應(yīng)對策，又可對有限的水資源進行人為調(diào)控來達到高產(chǎn)[17]。因此，植物的水分利用率成為研究關(guān)注的焦點。金華等對阿克蘇8種常見樹種葉片水分利用率的研究顯示，不同樹種間的水分利用率存在一定差異，以核桃和蘋果為最高[15]。而本研究中以蘋果和桃的水分利用率為最高，這主要是由于研究地域不同，其環(huán)境因子，如光照度、氣溫及相對濕度等都存在明顯差異，因此研究結(jié)果有所差異。研究中各經(jīng)濟林樹種的水分利用率均表現(xiàn)為上午時段高于下午時段，這一結(jié)果與楊新兵的研究結(jié)果[18]完全一致，產(chǎn)生這一現(xiàn)象是因為下午溫度較高，植物葉片氣孔關(guān)閉，其光合速率較上午和早晨有所降低，而蒸騰作用增強，最終導(dǎo)致水分利用率出現(xiàn)持續(xù)降低的現(xiàn)象。此外，研究結(jié)果還顯示出不同樹種水分利用率的日變化幅度不同，相比其他樹種，棗樹的變化幅度最大，由07：00的最大值（12.23 μmol/mmol），到17：00的最低值（2.61 μmol/mmol），下降幅度達到787%。針對經(jīng)濟林水分利用率的相關(guān)影響因素在這里并沒有進行細致深入的研究，今后有待進一步加強。

3.1.2 不同樹種固碳釋氧能力對比 森林植被通過光合作用，將CO2經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)生成碳水化合物，并釋放O2，從而達到固碳釋氧的效果，這對于提高城市空氣質(zhì)量、維持生態(tài)平衡和促進可持續(xù)發(fā)展有十分重要的意義[19]。不同樹種因其生理特性不同，固碳釋氧能力具有一定的差異[20]。林欣等研究了18種常見灌木樹種，發(fā)現(xiàn)其中的馬纓丹 、假連翹 、黃葉榕和紅桑的日凈固碳釋氧能力最強，其固碳量、釋氧量分別介于7～10、5～7 g/（m2·d）之間[21]；陸貴巧等在遼寧省大連市對主要行道綠化樹種的固碳釋氧能力進行研究，結(jié)果顯示，其日均固碳量、釋氧量分別在6.48～13.61、4.28～9.90 g/（m2·d） 范圍內(nèi)[22]。與綠化樹種相比，研究中7種不同經(jīng)濟林樹種的固碳量[10.12～19.76 g/（m2·d）]、釋氧量[7.36～14.37 g/（m2·d）]明顯較高，這說明蘋果、桃和杏等7種經(jīng)濟林樹種的固碳釋氧能力高于大多數(shù)綠化樹種，這主要是由于經(jīng)濟林樹種的光合作用不僅須要維持自身的生理需求，還須要為其果實生長提供營養(yǎng)，因此其光合能力較高。此外，大量研究顯示，綠化樹種的固碳釋氧量有明顯的季節(jié)變化，通常為夏季>秋季>春季[23-24]。而經(jīng)濟林樹種固碳釋氧量則在7、8月出現(xiàn)明顯下降，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是研究區(qū)域（北京市）在7、8月溫度偏高，各經(jīng)濟林樹種受到高溫脅迫影響，部分氣孔關(guān)閉，導(dǎo)致其固碳釋氧能力下降。

3.2 結(jié)論

通過測定對比7種常見經(jīng)濟林樹種的水分利用率和固碳釋氧能力發(fā)現(xiàn)，各樹種的水分利用率日變化均為上午時段高于下午時段。其中，變化幅度最大的樹種為棗，最小的為杏；各樹種間水分利用率最大和最小樹種分別為蘋果和梨。各樹種的日固碳釋氧量月變化趨勢完全一致，即5、6月值最大，7、8月有顯著下降；各樹種單位葉面積年固碳量、釋氧量大小排序均為棗>桃>蘋果>梨>杏>核桃>櫻桃，經(jīng)濟林樹種的單位葉面積日均固碳量和釋氧量分別為10.12～19.76、7.36～14.37 g/（m2·d），而單位面積果園內(nèi)各樹種的年固碳量、年釋氧量大小排序均為桃>棗>蘋果>梨>核桃>杏>櫻桃。這些結(jié)果說明經(jīng)濟林樹種不僅具有較大的經(jīng)濟價值，其水分利用和固碳釋氧能力同樣具有不可忽視的重大意義，為未來經(jīng)濟林發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)，有利于發(fā)揮經(jīng)濟林的生態(tài)功能。

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