塔克拉瑪干沙漠公路人工防護林植被的C、N化學計量特征及其固存能力研究

高培，李從娟，唐俊妍

（1.新疆信息工程學校，新疆烏魯木齊 830013；2.中國科學院新疆生態與地理研究所，國家荒漠—綠洲生態建設工程技術研究中心，新疆烏魯木齊 830011；3.石河子大學農學院林學系，新疆石河子 832011）

塔克拉瑪干沙漠公路人工防護林植被的C、N化學計量特征及其固存能力研究

高培1，李從娟2*，唐俊妍3

（1.新疆信息工程學校，新疆烏魯木齊 830013；2.中國科學院新疆生態與地理研究所，國家荒漠—綠洲生態建設工程技術研究中心，新疆烏魯木齊 830011；3.石河子大學農學院林學系，新疆石河子 832011）

以塔克拉瑪干沙漠公路沿線生物防護林為研究對象，研究防護林三種主要建林植物不同器官的C、N含量及其生物量，并估算其C、N固存能力及固碳釋氧價值。結果顯示：沙拐棗每個器官的生物量均顯著高于梭梭和檉柳（P<0.05），個體的總生物量是梭梭和檉柳的2～3倍。整個防護林在建林8 a后的總生物量達到90 571.3 t。C、N含量在不同器官中的含量不盡相同，三種植物均表現為凋落物C含量最低。而植物葉中的N含量均顯著高于枝，凋落物和根系（P<0.05）。建林8 a后梭梭單株及凋落物的固碳量為1 404.6 g，固氮量為201.5 g，檉柳單株及凋落物的固碳量為1 449.7g，固氮量為195.4 g，沙拐棗單株及凋落物的固碳量和固氮量顯著高于其他兩種，分別為3 979.8 g、520.9 g，（P<0.05）。建林8 a后整個防護林的總固碳值為35 886.3 t，總固氮值為4 917.7 t。整個防護林的固碳總價值為22 555.3萬元，釋氧價值為50 320萬元，總的固碳釋氧價值達72 875.3萬元。

塔克拉瑪干沙漠；人工防護林；化學計量；C、N固存能力

塔里木沙漠公路防護林生態工程是世界上穿越流動沙漠最長的沙漠防護林，也是人工荒漠生態系統的典型代表。對于確保沙漠公路長久安全運行，塔里木盆地油氣資源勘探開發、南疆社會經濟發展、邊疆穩定和國防建設具有重要的戰略意義。防護林主要由沙拐棗、梭梭及檉柳等荒漠植物構成[1-2]。為了確保植物的正常生長，整個沙漠公路防護林采用地下咸水進行人工滴灌，如何用盡可能少的水資源發揮防護林正常的生態功能作用是目前研究的主要問題。在灌溉量減少的條件下，植物通過調整生物量分配將逆境傷害降低到最小來適應環境脅迫[3]。因此生物量的研究對生態系統的營養物質分配和碳循環，節約水資源，以及塔里木沙漠公路防護林功能的穩定和持續具有重要意義。

生態化學計量學是研究生態過程和生態作用中化學元素平衡的科學，它是生態學目前研究的熱點和重要內容[4-5]。C、N作為植物的基本化學元素，在植物生長和各種生理調節機能中發揮著重要作用。植物化學元素含量在各個器官間的分配不僅受植物自身生長型、生理特征和生活史的影響，也受生長地點養分有效性的制約[6-7]。而塔克拉瑪干沙漠公路人工防護林所在的干旱區除干旱、鹽堿外，土壤礦質營養元素貧乏也是一大特點，這種條件下開展生態化學計量學研究，可望探明極端貧瘠環境中，土壤C、N含量的缺乏對生物有效性將產生怎樣的影響，同時對研究極端干旱環境下植物對環境的適應等有重要意義[8]。

陸地生態系統中的森林植被固定并減少大氣中的二氧化碳、提高并增加大氣中的氧氣，這對維持地球大氣中二氧化碳和氧氣的動態平衡、減少溫室效應等有著巨大和不可替代的作用。我國關于區域尺度森林碳儲量研究始于20世紀90年代中期，劉國華等[9-10]、方精云等[11-13]對我國森林生物量和碳儲量及其動態變化進行了研究。許文強等[14]對我國區域性森林生物量和碳儲量進行了測算和研究。以往的研究大多是在較宏觀的層次上以全球、國家、大流域等為統計單位，計算指標中的數據采用的又是全國的平均值，進而推廣到大的層次上，導致最終統計數據誤差較大，很難較準確地量化不同生境、地理條件下各個地理區域森林生態系統的服務功能及其價值。尤其是對荒漠地區人工防護林的固碳釋氧的研究未見報道，因此，本研究在以往研究的基礎上，以塔克拉瑪干沙漠公路沿線人工防護林為研究對象，結合整株挖掘法和樣方調查法相結合綜合研究防護林三種主要建林植物不同器官的C、N含量及其生物量，進而估算其C、N固存能力及固碳釋氧價值。

1 研究區概況

塔克拉瑪干沙漠地處新疆塔里木盆地，是我國最大的流動沙漠。其氣候極端干燥，年降水量僅10～ 60 mm，而年均蒸發量達2 500～3 400 mm[15-17]；夏季炎熱，最高溫度達67.2℃；風沙活動強烈，最大瞬時風速達20.0 m/s，自然條件惡劣，植被種類極為貧乏，素有“死亡之海”之稱[18]。本研究在塔克拉瑪干沙漠公路沿線防護林進行，整個沙漠公路人工防護林生態工程長達436 km，林帶面積3 128 hm2。分別在沙漠公路1，6，13，15，17，41號井進行（這些點是自沙漠公路防護林建立后經過多年調查研究而確立的研究點，具有一定的代表性）。其概況見表1；最終將6個地點平均得到最終的生物量。其特殊的地理環境和極端的氣候特征（干旱，高溫，多風沙，土壤極為貧瘠），加之高礦化度咸水灌溉（高鹽堿）使其在生態學上的獨特性顯而易見。因此，在這種條件下開展植物與土壤化學計量特征的研究，對于探明極端干旱環境下植物對環境的適應有重要意義。

2 材料與方法

2.1 生物量法介紹

植物合成的碳水化合物將轉化成植物的枝、花、葉、果和根，使植物各部分組織得以不斷生長，這一部分組織統稱為植物的生物量。生物量法通過測試現存有機體的干重（植物體所固定的有機體的量值）來計算植物固碳量。生物量法主要是采用收獲法進行測定，在林分生長好的典型地段設置標準樣地，皆伐樣地內所有的植物，伐倒后按一定的程序（地上、地下）全部收獲稱重、并烘干測干重率。以樣方的平均值推算全林或其中各單株植物的生物量。生物量法的實質是以時間作為單因素的量化研究，它以植物生長的開始作為時間計算的起點，植物皆伐時為時間計算的終點，以其生長年份為考察期進行年均生長量的計算。本研究采取整株挖掘法，同時結合植被調查結果，最終估算整個沙漠公路防護林及凋落物量以及固碳釋氧價值。

2.2 植物樣品采樣和C、N分析

2012年8月，即沙漠公路防護林建林8 a后，在塔克拉瑪干沙漠公路沿線的6個采樣點（表1），每個地點選擇生長良好的每種植物5株，且為植物樣方調查的平均值大小（株高1.2～1.8 m，冠幅1.3～1.7 m×1.3～1.7 m，基莖為5～8 cm），使其具有單株的代表性。其基本特征及名錄見表2。該區土壤屬于典型的風沙土，沙漠公路沿線防護林的植被蓋度約為70%，梭梭，檉柳和沙拐棗的平均冠幅在1～2 m×1～2 m，采用整株挖掘法分別計算其葉、枝、根和凋落物量，因以往研究表明，凋落物主要分布在0～20 cm層，因此本研究采集0～20 cm層凋落物，并將其充分混勻，不考慮分層。將采集的植物樣品帶回室內后，放入60℃烘箱內烘干48 h，隨后將烘干的不同器官用植物粉碎機粉碎，保存起來用于葉片C、N含量的分析。C含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定，N含量采用凱氏定氮法（K-370）測定[18]。

2.3 固碳釋氧價值的估算

采用碳稅法評價各類型固定二氧化碳的價值，采用工業制氧法計算各類型釋放氧氣的價值。固碳價格采用瑞典碳稅率150美元·t-1（合人民幣1200元·t-1）；制氧價格采用我國衛生部網站（http://www. moh.gov.cn）2007年春季發布的氧氣平均價格1 000元·t-1。

根據最新的國家標準《森林生態系統服務功能評估規范》（LY/T1721-2008），計算固碳釋氧功能的價值采用公式（2）、（3）進行計算：

式中U固碳為林分年固碳價值/（元·a-1），C碳為固碳價格/（元·t-1），1.63為計算系數，R碳為CO2中碳的含量，為27.27%，B年為林分凈生產力/（t·hm-2·a-1），A為林分面積/hm2。

式中U釋氧為林分年釋氧價值/（元·a-1），1.19為計算系數，B年為林分凈生產力/（t·hm-2·a-1），C氧為氧氣價格，A為林分面積/hm2。

2.4 數據分析

應用Excel 2003和SPSS 13.0統計分析軟件對測定數據進行整理，分析3種植物不同器官的生物量及C、N含量。所有統計數據以平均值表示，采用單因素方差分析分別對不同器官的生物量以及不同物種相同器官的C、N含量進行差異性檢驗（P<0.05）。

3 結果與分析

3.1 生物量及C，N含量在不同器官的分配

由表3知，塔克拉瑪干沙漠公路防護林三個物種不同器官，凋落物量及總生物量均存在較大差異，由表中可看出，沙拐棗每個器官的生物量均顯著高于梭梭和檉柳（P<0.05），個體的總生物量是梭梭和檉柳的2～3倍。整個防護林在建林8 a后的總生物量達到116 786.4 t。

由表4可知，同一物種不同器官的C含量存在一定的差異，其中，梭梭根系的C含量顯著高于枝，葉以及凋落物的C含量，且凋落物C含量最低（P< 0.05）；而檉柳的根系和枝C含量顯著高于葉和凋落物，同樣是凋落物C含量最低（P<0.05）；沙拐棗不同器官C含量表現為枝和葉含量相對較高，根系次之，凋落物最低（P<0.05）。總之，這3種植物凋落物C含量均表現為最低。同一物種不同器官的N含量也存在一定的差異，3種植物的葉N含量均顯著高于枝和根系以及凋落物（P<0.05）。

同一器官C含量在不同物種間存在顯著差異，對于葉和枝而言，C含量在不同物種間的排序為沙拐棗>檉柳>梭梭，且達到顯著水平（P<0.05）；而凋落物C含量表現為檉柳和沙拐棗較高（P<0.05），3個物種根系的C含量不存在顯著差異（P>0.05）。然而，同一器官N含量在不同物種間的含量不盡相同，沙拐棗的葉N含量顯著高于檉柳和梭梭（P<0.05），枝N含量為梭梭>沙拐棗>檉柳，根系N含量為檉柳>沙拐棗>梭梭，凋落物N含量為梭梭>檉柳>沙拐棗（P<0.05）。

3.2 防護林植物C、N固存能力及固碳釋氧價值

由于3種植物的個體生物量存在顯著差異，其固碳和固氮能力也存在顯著差異（P<0.05），梭梭單株及凋落物的固碳量為1 404.6 g，固氮量為2 01.5 g，檉柳單株及凋落物的固碳量為1 449.7 g，固氮量為195.4 g，沙拐棗單株及凋落物的固碳量為3 979.8g，固氮量為520.9 g，顯著高于其他兩種（P<0.05）（表5）。說明沙拐棗較其他兩種植物具有更大的固碳和固氮能力。建林8 a后整個防護林的總固碳值為35 886.3 t，總固氮值為4917.7 t。整個防護林建林8 a后的固碳總價值為22 555.3萬元，釋氧價值為50 320萬元，總的固碳釋氧價值達72 875.3萬元（表6）。換算成每年每平方公頃的固碳價值為9 013元/（hm2·a），釋氧價值為20 109元/（hm2·a），總的固碳式樣價值為29 122元/（hm2·a）。

4 討論

防護林3個主要物種的生物量存在顯著差異，沙拐棗的生物量顯著大于檉柳和梭梭，說明沙拐棗的生長速率較檉柳和梭梭快，因此其固碳，固氮能力也相對較強，這與其自身的生理生態特性是分不開的，同時也與植物本身的水分和養分利用效率有關，即就是沙拐棗的水分和養分利用效率較梭梭和檉柳高。但是，從沙漠公路沿線的調查發現，沙拐棗死亡最多，這可能因為沙拐棗的生命周期比較短，也可能因為其高效的水分和養分利用效率將生長環境中的資源消耗殆盡，導致死亡，這方面研究還有待進一步深入。此外，可采取平茬的方法使沙拐棗更新，這樣可以使其保持較高的固碳和固氮能力。

植物化學元素含量在各個器官間是環境和物種系統發育共同作用的結果[6，19]。同一物種不同器官的C、N含量均存在一定的差異，均表現為凋落物C含量顯著低于植物的葉，枝和根系，這與凋落物的分解是分不開的。同一物種不同器官的N含量也存在一定的差異，三種植物的葉N含量均顯著高于枝，凋落物和根系。由于陸地生態系統的復雜性及估算其固碳的技術方法存在缺陷等原因，對同一生態系統固碳量的估算會有差異，這種差異有時會達到數倍之大。國內外雖然對森林生態系統的服務功能分類不盡相同，而且固碳釋氧功能有多種名稱或類別，但實際的功能是一樣的。Costanza等[20]綜合了國際上已經出版的用各種不同方法對生態系統服務價值的評估研究結果，率先開展了全球生物圈生態系統服務價值的估算。根據Costanza[20]等的估算，森林生態系統氣候調節（溫室氣體調節等）的平均價值是141 $/（hm2·a），土壤形成(有機物積累等)的平均價值是10$/（hm2·a），原材料（木材等）的平均價值是138$/（hm2·a）。也有一些學者認為，Costanza等[20]對全球生態系統服務價值的評估結果難以令人信服，并存在一些分歧。盡管如此，Costanza等[20]為大區域的生態系統服務價值評估提供了可供參考的方法。趙同謙[21]認為森林生態系統的光能釋氧服務功能的價值為6 732.48×108元/a。余新曉等[22]根據全國第5次資源清查資料及Costanza等的計算方法估算了我國森林生態系統固碳釋氧服務功能的經濟價值是14 399.23×108元/a。本研究不同于以往的森林生態系統，而是一個人工荒漠生態系統，因此本研究采用整株采挖法進行估算。與方精云等[23]估算結果中的陜西省平均值183.14 g/（m2·a）存在很大差異，原因可能是：方精云等估算結果183.14 g/（m2·a）是在1996年利用全國第三次森林清查資料估算陜西省1984—1988年間的年固碳量均值。而本研究則是通過調查植被蓋度、植株高度、冠幅以及植株數，再結合植物生物量整株挖掘法獲得單株生物量，最終估算整個防護林的固碳量及固碳釋氧價值，防護林的固碳價值為9 013元/（hm2·a），釋氧價值為20 109元/（hm2·a），總的固碳式樣價值為29 122元/（hm2·a）。大于Costanza的估算結果。本研究與以往的估算結果存在差異，一方面因為其不同于以往的森林生態系統，是一種人工荒漠林；此外，本研究采用整株挖掘法獲得單株生物量，最終估算整個防護林的固碳量及固碳釋氧價值，相對于以往的估算更為準確，因此具有一定的科學性。

5 結論

塔克拉瑪干沙漠公路防護林建林8 a后的總生物量達到90 571.3 t，凋落物總量為26 215.1 t。防護林三個主要物種的生物量存在顯著差異，沙拐棗的生物量顯著大于檉柳和梭梭，說明沙拐棗的生長速率較檉柳和梭梭快，因此其固碳、固氮能力也相對較強。

沙拐棗的單株固碳、固氮能力顯著高于梭梭和檉柳，其固碳釋氧價值顯著高于梭梭和檉柳。建林8 a后整個防護林及凋落物的總固碳值為35 886.3 t，總固氮值為4 917.7 t。整個防護林的固碳總價值為22 555.3萬元，釋氧價值為50 320萬元，總的固碳釋氧價值達72 875.3萬元。

塔克拉瑪干沙漠公路防護林3物種固碳釋氧的物質量、價值量差異較大，這與物種自身的生理特性，水熱條件，光合同化速率以及也表面特征密切相關。因此，以后可以加強其生理生態學方面的研究。塔克拉瑪干沙漠公路防護林植被除固碳釋氧功能外，還具有維持生物多樣性、凈化空氣、涵水保持、防風固沙、養分循環、發展沙產業等多項經濟、生態和社會服務功能，尤其是在沙漠公路防沙上發揮了巨大作用，保證了沙漠公路的暢通無阻。

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The C,N Stoichiometry and Sequestration Capacity of Artificial Shelterbelt Along the Taklimakan Desert Highway

GAO Pei1，LI Congjuan2，TANG Junyan3
（1.Xinjiang Information Engineering School,Urumqi 830013,China；2.Xinjiang Institute of Ecology and Geography，National Engineering Technology Research Center for Desert-Oasis Ecological Construction，Urumqi 830011，China；3.Forestry College,College of Agriculture in Shihezi University，Shihezi 832011，China）

In this study,we studied the C,N content and biomass of the three main shelterbelts plants along the Taklimakan Desert Highway,in order to estimate the C,N sequestration capacity and carbon sequestration,and oxygen release value.The results showed that:the biomass of each organ for Calligonum was significantly higher than that for Haloxylon and Tamarisk（P<0.05）,the total biomass of individuals for Calligonum was 2～3 times of that for Haloxylon and Tamarix.The total biomass for the entire shelter reached to 90 571.3 t when the shelterbelts had been constructed for eight years.Additionally,C,N contents were different significantly in different organs,the litter showed the lowest C content among the all three plants.The N contents in plant leaf were significantly higher than that in branches,litter and roots（P<0.05）.Carbon sequestration for individual Haloxylon and litter was 1 404.6 g after eight years,and the nitrogen-fixing quantity was 201.5 g,for Tamarisk carbon sequestration was 1 449.7g,nitrogen-fixing quantity was 195.4 g, while the Carbon sequestration and nitrogen-fixing quantity for Calligonumy were significantly higher,namely 3 979.8 g（C）,and 520.9 g（N）,（P<0.05）.After eight years of shelterbelt had been planted,the total carbon sequestration was 35 886.3 t,and total nitrogen was 4 917.7 t.The total value of the entire shelter sequestration was about 225.55 million yuan,and the oxygen releasing valuewa about 503.2 million yuan,the total value of carbon fixation and oxygen release reached to 728.753 million yuan.

Taklimakan Desert;artificial shelter；stoichiometric；carbon and nitrogen sequestration capacity

S161

B

1002-0799（2015）02-0063-06

高培，李從娟，唐俊妍.塔克拉瑪干沙漠公路人工防護林植被的C、N化學計量特征及其固存能力研究[J].沙漠與綠洲氣象，2015，9（2）：63-68.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.02. 010

2014-06-03；

2014-07-17

中科院西部博士專項（XBBS201205），國家自然科學基金（31300449；41030530），新疆維吾爾自治區科技支撐項目（201433101）和中國沙漠氣象科學研究基金（Sqj2013005）。

高培（1985-），女，講師，主要從事氣候變化方向的研究。E-mail：gaopei19850712@tom.com

李從娟（1982-），女，助理研究員，現從事生態學研究工作。E-mail：li_congjuan@163.com