十一種大型水生植物固碳能力研究

陳苗　張才學　孫省利

摘 要 選取十一種常見并具觀賞價值的大型水生植物，采用培養(yǎng)箱培養(yǎng)的方法來研究其固碳能力。經過4個月的培養(yǎng)，對這十一種植物莖葉含水率、有機碳含碳率和有機碳含量進行分析，并探討這些植物莖葉的固碳能力。結果表明：從植株部位的固碳能力分析，葉比莖的固碳能力強；從植株整體碳增量的平均值分析，碳增量順序為睡蓮>大薸>狐尾藻>美人蕉>再力花>澤瀉>水鱉>香菇草>梭魚草>花葉蘆竹>水竹。固碳能力最強的為睡蓮，其次為大薸，固碳能力最弱的為水竹。從生活類型分析，浮水植物的固碳增匯能力最好，漂浮植物次之，挺水植物最差。

關鍵詞 大型水生植物；含碳率；碳含量；固碳能力

中圖分類號：Q945 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.13.004

自工業(yè)革命以來，人類由于大量使用化石燃料，致使大氣CO2濃度升高，溫室效應明顯。為了應對全球氣候變化，各國均制訂了各種節(jié)能減排措施，以期遏制氣候不斷惡化趨勢。植物通過碳儲存可以減少大氣中CO2的增長，對穩(wěn)定全球氣候和減輕溫室效應發(fā)揮著重要作用。近年來，造林種草等植被恢復方法被認為是減少溫室氣體排放和控制全球變暖的重要舉措。由于不同地區(qū)、不同生境植被類型的多樣性，致使同一類型植被或不同植物的固碳增匯能力存在較大差異，針對不同生境篩選高效固碳植物已成為研究的熱點 [1-3]。

本文選取不同生活方式的十一種常見大型水生植物（挺水植物、沉水植物、浮葉植物和漂浮植物），通過培養(yǎng)研究其固碳能力，篩選出強固碳能力的物種，以期為水環(huán)境污染治理、景觀生態(tài)和節(jié)能減排等提供生物修復材料。

1 材料與方法

1.1 植物選取

根據(jù)植物在水中的生活方式，分別選取有代表性的四大類型植物：1）浮水植物，水鱉（Hydrocharis dubia）、睡蓮（Nymphaea tetragona）；2）挺水植物，香菇草（Hydrocotyle vulgaris）、花葉蘆竹（Arundo donax var. versicolor）、梭魚草（Pontederia cordata）、再力花（Thalia dealbata）、澤瀉（Alisma plantago-aquatica）、水竹（Phyllostachys heteroclada）、美人蕉（Canna indica）；3）沉水植物，狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）；4）漂浮植物，大薸（Pistia stratiotes）。大型水生植物采自田野或濕地。

1.2 培養(yǎng)方法

培養(yǎng)用水采自天然湖水，水樣盛于98 cm×80 cm×65 cm的塑料箱中，水深約為箱高的2/3。每一種植物取數(shù)株（整株連根）進行簡單清洗，用塑料筐裝好并用泥土蓋住根部防止植株傾倒，用繩子將塑料筐固定于塑料箱中，并保證箱中的水能沒過塑料筐的2/3。在室外自然環(huán)境下進行培養(yǎng)。

1.3 樣品預處理

于2016年6月和10月分別摘取各培養(yǎng)箱中生長狀況優(yōu)良、健康完好的植物數(shù)株，除去枯葉和腐爛部分，用超純水洗凈后晾干，將根、莖、葉分離并剪碎，用精密電子天平分別稱取各新鮮植物根、莖、葉，置于冷凍干燥器中冷凍干燥，直至恒質量。取出稱取質量。用粉碎機和研磨缽將干燥后樣品分別粉碎過篩，置于小型密封袋中密封好，放入干燥器中待測。

1.4 分析方法

植物有機碳含碳率的測定采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法，用過量的重鉻酸鉀-硫酸溶液將植物的有機碳氧化成二氧化碳，而重鉻酸離子被還原成三價鉻離子，剩余的重鉻酸鉀用二價鐵的標準溶液滴定，由有機碳被氧化前后重鉻酸根離子變化來計算植物有機碳含碳率。

1.5 統(tǒng)計方法

WH2O=（M1-M2）/M1×100% （1）

（1）式中WH2O為含水率（%），M1為植物樣品烘干前質量，M2為植物樣品烘干后質量。

WOC =C×（V1-V2）×0.0030/M×（1-WH2O）×100%

（2）

（2）式中WOC為有機碳含碳率（%），C為硫酸亞鐵標準溶液的濃度（mol·L-1），V1為滴定空白樣品時硫酸亞鐵標準溶液的消耗量（mL），V2為滴定樣品時硫酸亞鐵標準溶液的消耗量（mL），M為樣品的稱取量（g）。

OC=WOC×WH2O×1000 （3）

（3）式中OC為有機碳含量（g·kg-1）。

2 結果與分析

2.1 大型水生植物的含水率

大型水生植物莖、葉的含水率列于表1。含水率最高的是大薸，其次是香菇草，最低的是狐尾藻。綜合分析葉含水率、莖含水率，以及二者均值，大小順序皆依次為漂浮植物>浮水植物>挺水植物>沉水植物。除狐尾藻外，其他水生植物含水率均為莖>葉。

2.2 大型水生植物的含碳率

大型水生植物莖、葉6月和10月的含碳率列于表2。美人蕉的含碳率最高，花葉蘆竹次之，大薸的含碳率最低。從起始（6月）含碳率來看，挺水植物平均值最高，沉水植物次之，漂浮植物最低；培養(yǎng)到10月，從含碳率的變化情況分析，睡蓮平均值增長最大，美人蕉次之，水竹、再力花呈現(xiàn)負增長。從莖、葉含碳率對比分析，除香菇草、澤瀉差別不大，水鱉莖大于葉外，其余基本上都是葉大于莖。

2.3 大型水生植物的有機碳含量

大型水生植物莖、葉6月和10月的有機碳含量列于表3。美人蕉的有機碳含量最高，花葉蘆竹次之，水竹最低。從起始（6月）有機碳含量來看，美人蕉最高，花葉蘆竹次之，狐尾藻最低；培養(yǎng)到10月，從有機碳含量的變化情況分析，睡蓮增長量最大，大薸次之，水竹出現(xiàn)負增長量最大。從植物類型的增長趨勢分析，浮水植物有機碳增長量大，漂浮植物次之，挺水植物最小。從莖、葉有機碳含量平均值分析，由大到小依次為美人蕉>花葉蘆竹>再力花>睡蓮>香菇草>水鱉>澤瀉>大薸>梭魚草>狐尾藻>水竹。

3 討論

3.1 大型水生植物的固碳能力

3.1.1 莖葉的固碳能力

對十一種大型水生植物莖、葉有機碳含量進行比較，顯示美人蕉、睡蓮和大薸葉低于莖，其他種類均為葉高于莖。仔細觀察各植物形態(tài)，發(fā)現(xiàn)美人蕉、睡蓮和大薸的葉片比較寬大，與太陽光接觸面較大，光合作用充分，因而其往根莖傳輸?shù)臓I養(yǎng)物質也相對較充足，而高含碳量的營養(yǎng)物質在運輸過程中因路徑變窄輸送速度變慢而積累起來，這可能是致使根莖有機碳累積較多、密度較大的原因。而葉片較小的種類，其葉片光合作用效率較高，固定的有機碳往根莖傳輸相對較慢，導致光合作用所產生的有機物多儲存在葉片中[4]。

3.1.2 植物類型的固碳能力

十一種大型水生植物經過4個月的培養(yǎng)，其有機碳含量均發(fā)生了大的變化。從植物種類分析，睡蓮生長最好，其莖葉的有機碳增量均最大，其次為大薸，最差為水竹和花葉蘆竹，其有機碳含量出現(xiàn)較大的負增長，按莖、葉碳增量的平均值排序，由大到小依次為睡蓮>大薸>狐尾藻>美人蕉>再力花>澤瀉>水鱉>香菇草>梭魚草>花葉蘆竹>水竹。按生活類型分析，浮水植物的固碳增匯能力最好，漂浮植物次之，挺水植物最差。浮水植物睡蓮和水鱉葉器官的固碳能力很好，有機碳含量大幅上升。睡蓮喜陽，5—9月生長旺盛，而試驗期間正值盛夏季，陽光猛烈，睡蓮光合作用強，是葉片碳含量增加大的主要原因；睡蓮生長最適水深25～30 cm，與試驗設置的培養(yǎng)水深一樣，故其長勢好。大薸生長期在6—9月，跟試驗期間一致，故大薸生長旺盛，碳含量增加。水鱉的花果期為8—10月，其葉片積累了大量的營養(yǎng)物質以供開花結果，故其葉片有機碳含量較高。

培養(yǎng)期間挺水植物的固碳能力最差，無論是莖或葉的碳含量都呈負增長。究其原因有：1）挺水植物喜清潔水質，而培養(yǎng)用水存在一定污染，不適宜其生長，因而其固碳能力下降；2）夏天炎熱陽光猛，挺水植物葉片大面積與陽光接觸，不喜強光的種類如水竹生長狀況較差，其葉片脫水而枯萎，固碳能力最差，從挺水植物的含水率也可看出其體內水分的蒸發(fā)也較浮水植物、漂浮植物量大；3）湛江地區(qū)夏天為暴雨季節(jié)，自然條件下培養(yǎng)箱內水深變化劇烈，水生植物對環(huán)境的要求很大程度取決于水深，水分含量為限制植物生長的主要因素。袁桂香等研究了不同水深梯度對幾種挺水植物生長繁殖的影響，發(fā)現(xiàn)深水（60 cm）處理對4種挺水植物的生長和繁殖都有顯著的抑制作用，適宜的生長水深應該在0～30 cm[5]。試驗期間有段時間因遭遇暴雨，使得各種挺水植物長期浸泡于水中，植物的生長受抑制，固碳能力隨之下降。

沉水植物僅研究了狐尾藻，分析發(fā)現(xiàn)10月份狐尾藻莖和葉有機碳含量均低于同時期其余十種植物的碳含量平均值，含水率也是如此。柏祥等研究發(fā)現(xiàn)，相對淺的水深更適合狐尾藻的生長，株高和生物量都會有所增長[6]。豆勝等研究發(fā)現(xiàn)，狐尾藻在培養(yǎng)時出現(xiàn)部分時間水沒能沒過植株本身，令植物生長受到影響[7]。

3.2 與其他類型植物固碳能力的比較

本文研究的大型水生植物含碳率范圍在26.34%～52.65%，與其他類型植物比較，大型水生植物的含碳率最低（見表4）。水生植物的固碳能力不如陸生植物好，這可能與光強及碳源有關，陸生植物獲得的光照較強，而水生植物部分或全部沉沒于水中，獲得的光照相對較弱；另外，植物光合作用時所需CO2的供應情況不同，生活在空氣中的植物比生活在水中的植物更易獲得CO2。不同生境生活著不同的物種，通過對十一種常見大型水生植物固碳能力的研究，發(fā)現(xiàn)在污染較大的水環(huán)境中固碳能力較強的物種為睡蓮，其次為大薸，這可為水環(huán)境治理提供參考。

4 結論

除美人蕉與再力花外，多數(shù)大型水生植物莖葉含水率為莖>葉，含水率的范圍為46.46%～94.64%，其中莖葉含水率均值最高的植物為大薸，植物含水率均值的排序為漂浮植物>浮水植物>挺水植物>沉水植物。

除水鱉等4種植物外，多數(shù)大型水生植物莖葉含碳率為葉>莖。含碳率的范圍為20.31%～52.65%，其中各部位含碳率均值最高的植物為花葉蘆竹。葉比莖的含碳率變化幅度更大，其固碳能力更好。

除睡蓮等3種植物外，多數(shù)大型水生植物莖葉碳含量為莖>葉。碳含量范圍為204.25～403.23 g·kg-1，其中碳含量最高的植物為美人蕉。葉比莖的碳含量增減趨勢大，葉比莖的固碳能力好。本次試驗中固碳能力最好的植物為睡蓮，其次為水鱉，固碳能力最差的植物為水竹。

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（責任編輯：丁志祥）