艾力江·麥麥提，買爾旦·阿不都卡德，木合太·尼亞孜，艾比布拉·艾合買提，庫爾班尼薩·艾力木

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園藝學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

1 引言

在當(dāng)前新經(jīng)濟(jì)常態(tài)下，大氣的污染指數(shù)也不斷加大，空氣中所含有的二氧化碳濃度不斷上升，城市環(huán)境面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。這樣當(dāng)全球發(fā)生溫室效應(yīng)時(shí)，讓更多的人們開始重視到“低碳”、“減排”的重要性。城市綠地因具有改善城市小氣候、吸收有害污染物等重要作用引起了廣大人們的重視。植物的生長過程就是碳素化合物逐步積累的一個(gè)過程，而這些碳素化合物主要來源于植物的光合作用[1]。一旦在空氣中所含有的CO2濃度增高的情況下，便會(huì)讓全球變暖，進(jìn)而影響到植物的生長[2]。因此，在植物的光合生理生態(tài)研究的過程中，應(yīng)該重點(diǎn)分析植物是如何響應(yīng)大氣中所含有CO2濃度升高的情況。在此方面，國內(nèi)研究多局限于草本植物，如田間作物和牧草的光合生理和產(chǎn)量品質(zhì)方面[3,4]，較少涉及木本植物。而對(duì)于專門分析烏魯木齊市常見園林綠化灌木對(duì)CO2濃度升高響應(yīng)和光合特性的研究還不夠完善。

近年來，烏魯木齊市為了積極響應(yīng)國家對(duì)創(chuàng)建文明城市的號(hào)召而大力推進(jìn)城市綠化建設(shè)，從外地引進(jìn)了大量的樹種。但是，很多植物在生長的過程中具有非常明顯的地區(qū)性，而相同的植物在不同的地區(qū)也會(huì)呈現(xiàn)出不同的生理生態(tài)特性。因此，可以采用氣體交換的技術(shù)來觀察植物發(fā)生光合作用時(shí)的參數(shù)，并充分利用合理的方法分析不同的樹種所具備的光合能力，以及環(huán)境適應(yīng)能力[5,6]。因此，這次在研究的過程中，通過選擇烏魯木齊中較為常見的5種綠化灌木，深入分析這幾種樹木在處理CO2濃度時(shí)的差異性，并積極地探究不同的樹種之間所具備的光合特性，以及當(dāng)大氣內(nèi)部的CO2濃度不斷升高的情況下其光合速率的變化，從而為現(xiàn)代化的城市選擇綠化樹種和采取科學(xué)合理的植物栽培管理方法提供了豐富的理論基礎(chǔ)。

2 材料與方法

試驗(yàn)于2018年5月至8月，在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)校園網(wǎng)室內(nèi)進(jìn)行。本試驗(yàn)選擇的樹種是烏魯木齊大道常用綠化灌木紫葉矮櫻(Prunus×cistenaN.E.Hansen ex Koehne)、金葉榆(Ulmuspumilacv ‘Jinye’)、水蠟(LigustrumobtusifoliumSieb.)、紫丁香(SyringaoblataLindl.)和榆葉梅 (Amygdalustriloba)。5月份從烏魯木齊市明珠花卉市場(chǎng)在選擇苗圃地的時(shí)候，應(yīng)該盡量選擇1～2年的帶土袋苗，并采用盆栽的形式。通常所選取的盆栽的盆的中央內(nèi)徑應(yīng)該為20 cm，而盆內(nèi)的土層厚度應(yīng)一般為35 cm。每種灌木種植10盆，共50盆，同種植物苗齡、高度、基徑和長勢(shì)情況基本相同，水分管理措施一致。

葉片氣體交換參數(shù)的測(cè)定：在2018年7月和8月，選擇典型晴天，早晨9:00～11:00時(shí)，應(yīng)用Licor-6400型的便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)，全面測(cè)定植物進(jìn)行氣體交換的參數(shù)。光合——CO2(Pn-Ci)響應(yīng)曲線的測(cè)定時(shí)，設(shè)定光合有效輻射強(qiáng)度(PAR)為1300 μmol·m- 2·s- 1作為測(cè)定光強(qiáng), 以Li-6400-01液態(tài)CO2小鋼瓶為氣源，通過CO2注入系統(tǒng)控制葉室中CO2濃度分別為400、300、200、150、100、50、600、800、1000、1200 μmol·mol- 1的條件下測(cè)定葉片光合速率(Pn)。測(cè)定Pn前使用1300 μmol·m- 2·s- 1光源誘導(dǎo)10min。這樣當(dāng)大氣中所含有的CO2的濃度呈現(xiàn)出平衡的狀態(tài)時(shí)，便可以再測(cè)定Pn。這樣當(dāng)在測(cè)量的過程中，變異率小于0.05的情況時(shí)，便可以使用紅外氣體分析儀來全面進(jìn)行記錄。通常在測(cè)定的過程中應(yīng)該隨機(jī)選出3個(gè)非常典型的植株，而在對(duì)每株灌木進(jìn)行測(cè)定的過程中，應(yīng)該先測(cè)定灌木層最上端的一片和長勢(shì)較好的健康葉片。這樣通過將測(cè)定的結(jié)果平均值進(jìn)行分析。這樣便能夠根據(jù)數(shù)據(jù)分析和圖表的生成，采用Excel 2007軟件來完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 種灌木樹種光合速率對(duì)CO2濃度變化的響應(yīng)

植物氣體所具備的交換特征中非常重要的一個(gè)參數(shù)就是光合速率，其能夠在一定程度上反映出植物所具備的同化CO2的能力。從圖1中可以看出，不同灌木樹種的光合能力均存在差異，5種灌木中紫葉矮櫻的凈光合速率最高，為21.38 mol CO2m-2s-1，水蠟次之，為20.73 mol CO2m-2s-1，金葉榆(14.7 mol CO2m-2s-1)和榆葉梅(15.8 mol CO2m-2s-1)的差異不顯著，紫丁香的凈光合速率最低，為9.72 mol CO2m-2s-1。

理論上，大氣中所含有的CO2濃度在正常的情況下，植物發(fā)生光合作用時(shí)將始終處于未飽和的狀態(tài)，CO2濃度的增倍自然會(huì)刺激植物增加光合速率，提高光合產(chǎn)量[7]。從圖1中可以看出，外界CO2濃度增加提高了5種灌木葉片光合速率，隨著CO2濃度的增加，光合速率逐漸升高，但當(dāng)CO2濃度增加到一定程度時(shí)，光合速率增加明顯變緩，甚至達(dá)到了飽和點(diǎn)。另外，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出紫丁香的凈光合速率最低，且在50～1200 μmol·mol- 1CO2濃度范圍內(nèi)，凈光合速率未達(dá)到最大凈光合速率，說明紫丁香對(duì)外界CO2的適應(yīng)性較強(qiáng)。

圖1 外界CO2濃度升高對(duì)5種灌木葉片光合速率的影響

3.2 5種灌木樹種CO2響應(yīng)曲線的擬合

從Pn-Ci響應(yīng)曲線擬合參數(shù)計(jì)算結(jié)果可知(圖 2)，5種灌木中除紫丁香外，其余幾種灌木的羧化效率相對(duì)較高，尤其是紫葉矮櫻、金葉榆和水蠟的羧化速率較為接近，差異不明顯；而CO2補(bǔ)償點(diǎn)則以紫丁香最高，其次為榆葉梅和金葉榆，紫葉矮櫻和水蠟的CO2補(bǔ)償點(diǎn)是最低。

圖2 5種灌木樹種的CO2補(bǔ)償點(diǎn)和羧化效率

3.3 外界CO2濃度升高對(duì)5種灌木葉片氣孔導(dǎo)度與蒸騰速率的影響

圖3CO2濃度升高對(duì)5種灌木葉片氣孔導(dǎo)度的影響

從本試驗(yàn)的結(jié)果可以看出(圖3)，在相同的光合有效輻射強(qiáng)度下，隨CO2濃度增加，5種灌木樹種葉片氣孔導(dǎo)度值有降低的趨勢(shì)，其中金葉榆氣孔導(dǎo)度下降幅度較大，說明金葉榆葉片氣孔對(duì)外界CO2十分敏感；當(dāng)CO2濃度600 μmol·mol-1范圍內(nèi)，隨CO2濃度增加，其余4個(gè)樹種葉片氣孔導(dǎo)度的下降幅度表現(xiàn)出明顯減緩的趨勢(shì)。因而，與參試灌木樹種所生長的環(huán)境CO2濃度( 390-400 μmol·mol-1)相比，在外界CO2濃度倍增(1200 μmol·mol-1)時(shí)，5種灌木氣孔導(dǎo)度的降幅在35%～55%之間，其中降幅較大的種類有金葉榆和榆葉梅，均下降55%左右；其余三種植物降幅在35%～40%之間。

在植物的葉片逐步向外擴(kuò)散的過程中主要是依靠氣孔，而當(dāng)氣孔中存在的阻力是限制水蒸氣向外擴(kuò)散的一個(gè)非常重要的因素。因此，當(dāng)大氣中所含有的CO2氣體濃度呈現(xiàn)出不斷增加的現(xiàn)象時(shí)，便會(huì)在一定程度上降低葉片氣孔的導(dǎo)度，增加葉片向外排放水分的阻力，這樣能夠大幅度降低葉子的蒸騰效率[8]。本試驗(yàn)結(jié)果表明(圖4)，5種灌木中除紫丁香外，其它四種灌木葉片蒸騰速率，隨著CO2濃度升高而表現(xiàn)出先緩慢下降，后持續(xù)迅速下降的趨勢(shì)。其中金葉榆蒸騰速率下降幅度最大，在外界CO2濃度 50～1200 μmol·mol-1時(shí)，紫丁香葉片的蒸騰速率曲線呈平穩(wěn)趨勢(shì)(2.2～3.2)。

圖4 CO2濃度升高對(duì)5種灌木葉片蒸騰速率的影響

4 結(jié)語

在現(xiàn)代城市工業(yè)化發(fā)展速度不斷加快的背景下，產(chǎn)生了大量的CO2氣體，這樣也讓整個(gè)地球形成了溫室效應(yīng)。其中，綠色植物一般在生長的過程中可通過光合作用與蒸騰作用產(chǎn)生多重生態(tài)效應(yīng)，從而達(dá)到改善現(xiàn)代城市環(huán)境的目的。植物發(fā)生精光合作用的高低將在一定程度上影響固碳釋氧的能力。因此，研究植物光合作用對(duì) CO2響應(yīng)模型可估算植物的飽和 CO2濃度，以及固定 CO2的最大潛能等[1,2]。本研究所選5種灌木樹種葉片凈光合速率隨CO2濃度升高而增加，但不同灌木種類對(duì)高CO2濃度的反應(yīng)存在較大差異，指示了不同樹種間的氣體交換能力差別較大，5種灌木中紫葉矮櫻的凈光合速率最高，水蠟次之，金葉榆和榆葉梅的差異不顯著，紫丁香的凈光合速率最低。同樣，紫葉矮櫻，水蠟和金葉榆的化效率較高，說明這三種灌木具有較強(qiáng)的光合能力，具有較強(qiáng)的吸收光能的作用，以及水分的利用作用。然而，這些與他們所具備的遺傳特性存在非常緊密的關(guān)系，這也充分說明了不同的植物在相同環(huán)境下的適應(yīng)能力存在著一定的差異性。試驗(yàn)結(jié)果表明紫丁香的凈光合速率和羧化速率最低，且在50～1200 μmol·mol-1CO2濃度范圍內(nèi)，未達(dá)到最大凈光合速率，而葉片的蒸騰速率曲線呈平穩(wěn)趨勢(shì)，說明紫丁香對(duì)外界CO2的適應(yīng)性較強(qiáng)。

通過深入分析植物生理生態(tài)學(xué)的內(nèi)容，當(dāng)植物發(fā)生光合作用和蒸騰作用時(shí)，也是對(duì)二氧化碳和水分交換的過程，而這個(gè)過程主要是通過葉子的氣孔來控制二氧化碳等氣體的參數(shù)變化[1,7]。根據(jù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)大氣中所含有的二氧化碳的量呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)時(shí)，便會(huì)讓五中灌木葉的氣孔導(dǎo)度降低33%，所以在一定程度上加大了葉片向外排放水分的量，最大限度提升植物的水分利用效率。這在一定程度上對(duì)推動(dòng)城市綠化發(fā)展具有非常重要的意義。