烏魯木齊城市綠化樹種光合能力對CO2濃度增高的響應

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

(新疆農業(yè)大學 林學與園藝學院，新疆 烏魯木齊 830052)

1 引言

在當前新經濟常態(tài)下，大氣的污染指數也不斷加大，空氣中所含有的二氧化碳濃度不斷上升，城市環(huán)境面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。這樣當全球發(fā)生溫室效應時，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，便會讓全球變暖，進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，應該重點分析植物是如何響應大氣中所含有CO2濃度升高的情況。在此方面，國內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量品質方面[3,4]，較少涉及木本植物。而對于專門分析烏魯木齊市常見園林綠化灌木對CO2濃度升高響應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國家對創(chuàng)建文明城市的號召而大力推進城市綠化建設，從外地引進了大量的樹種。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來觀察植物發(fā)生光合作用時的參數，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，以及當大氣內部的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合理的植物栽培管理方法提供了豐富的理論基礎。

2 材料與方法

試驗于2018年5月至8月，在新疆農業(yè)大學校園網室內進行。本試驗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在選擇苗圃地的時候，應該盡量選擇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徑應該為20 cm，而盆內的土層厚度應一般為35 cm。每種灌木種植10盆，共50盆，同種植物苗齡、高度、基徑和長勢情況基本相同，水分管理措施一致。

葉片氣體交換參數的測定：在2018年7月和8月，選擇典型晴天，早晨9:00～11:00時，應用Licor-6400型的便攜式光合作用測定系統(tǒng)，全面測定植物進行氣體交換的參數。光合——CO2(Pn-Ci)響應曲線的測定時，設定光合有效輻射強度(PAR)為1300 μmol·m- 2·s- 1作為測定光強, 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的條件下測定葉片光合速率(Pn)。測定Pn前使用1300 μmol·m- 2·s- 1光源誘導10min。這樣當大氣中所含有的CO2的濃度呈現(xiàn)出平衡的狀態(tài)時，便可以再測定Pn。這樣當在測量的過程中，變異率小于0.05的情況時，便可以使用紅外氣體分析儀來全面進行記錄。通常在測定的過程中應該隨機選出3個非常典型的植株，而在對每株灌木進行測定的過程中，應該先測定灌木層最上端的一片和長勢較好的健康葉片。這樣通過將測定的結果平均值進行分析。這樣便能夠根據數據分析和圖表的生成，采用Excel 2007軟件來完成。

3 結果與分析

3.1 種灌木樹種光合速率對CO2濃度變化的響應

植物氣體所具備的交換特征中非常重要的一個參數就是光合速率，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)生光合作用時將始終處于未飽和的狀態(tài)，CO2濃度的增倍自然會刺激植物增加光合速率，提高光合產量[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CO2濃度增加到一定程度時，光合速率增加明顯變緩，甚至達到了飽和點。另外，從試驗結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，凈光合速率未達到最大凈光合速率，說明紫丁香對外界CO2的適應性較強。

圖1 外界CO2濃度升高對5種灌木葉片光合速率的影響

3.2 5種灌木樹種CO2響應曲線的擬合

從Pn-Ci響應曲線擬合參數計算結果可知(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補償點則以紫丁香最高，其次為榆葉梅和金葉榆，紫葉矮櫻和水蠟的CO2補償點是最低。

圖2 5種灌木樹種的CO2補償點和羧化效率

3.3 外界CO2濃度升高對5種灌木葉片氣孔導度與蒸騰速率的影響

圖3CO2濃度升高對5種灌木葉片氣孔導度的影響

從本試驗的結果可以看出(圖3)，在相同的光合有效輻射強度下，隨CO2濃度增加，5種灌木樹種葉片氣孔導度值有降低的趨勢，其中金葉榆氣孔導度下降幅度較大，說明金葉榆葉片氣孔對外界CO2十分敏感；當CO2濃度600 μmol·mol-1范圍內，隨CO2濃度增加，其余4個樹種葉片氣孔導度的下降幅度表現(xiàn)出明顯減緩的趨勢。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，5種灌木氣孔導度的降幅在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散的過程中主要是依靠氣孔，而當氣孔中存在的阻力是限制水蒸氣向外擴散的一個非常重要的因素。因此，當大氣中所含有的CO2氣體濃度呈現(xiàn)出不斷增加的現(xiàn)象時，便會在一定程度上降低葉片氣孔的導度，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]。本試驗結果表明(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。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，紫丁香葉片的蒸騰速率曲線呈平穩(wěn)趨勢(2.2～3.2)。

圖4 CO2濃度升高對5種灌木葉片蒸騰速率的影響

4 結語

在現(xiàn)代城市工業(yè)化發(fā)展速度不斷加快的背景下，產生了大量的CO2氣體，這樣也讓整個地球形成了溫室效應。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生多重生態(tài)效應，從而達到改善現(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 CO2響應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，但不同灌木種類對高CO2濃度的反應存在較大差異，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的光合能力，具有較強的吸收光能的作用，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系，這也充分說明了不同的植物在相同環(huán)境下的適應能力存在著一定的差異性。試驗結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，未達到最大凈光合速率，而葉片的蒸騰速率曲線呈平穩(wěn)趨勢，說明紫丁香對外界CO2的適應性較強。

通過深入分析植物生理生態(tài)學的內容，當植物發(fā)生光合作用和蒸騰作用時，也是對二氧化碳和水分交換的過程，而這個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變化[1,7]。根據相關的實驗表明，當大氣中所含有的二氧化碳的量呈現(xiàn)出上升的趨勢時，便會讓五中灌木葉的氣孔導度降低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。這在一定程度上對推動城市綠化發(fā)展具有非常重要的意義。