十一種大型水生植物固碳能力研究

陳苗　張才學(xué)　孫省利

摘 要 選取十一種常見并具觀賞價(jià)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(jīng)過4個(gè)月的培養(yǎng)，對(duì)這十一種植物莖葉含水率、有機(jī)碳含碳率和有機(jī)碳含量進(jìn)行分析，并探討這些植物莖葉的固碳能力。結(jié)果表明：從植株部位的固碳能力分析，葉比莖的固碳能力強(qiáng)；從植株整體碳增量的平均值分析，碳增量順序?yàn)樗?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(qiáng)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(guān)鍵詞 大型水生植物；含碳率；碳含量；固碳能力

中圖分類號(hào)：Q945 文獻(xiàn)標(biāo)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(yīng)明顯。為了應(yīng)對(duì)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(shì)。植物通過碳儲(chǔ)存可以減少大氣中CO2的增長，對(duì)穩(wěn)定全球氣候和減輕溫室效應(yīng)發(fā)揮著重要作用。近年來，造林種草等植被恢復(fù)方法被認(rèn)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(duì)不同生境篩選高效固碳植物已成為研究的熱點(diǎn) [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(qiáng)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(fù)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(jìn)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(jìn)行培養(yǎng)。

1.3 樣品預(yù)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(zhì)量。取出稱取質(zhì)量。用粉碎機(jī)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(cè)。

1.4 分析方法

植物有機(jī)碳含碳率的測(cè)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(jī)碳氧化成二氧化碳，而重鉻酸離子被還原成三價(jià)鉻離子，剩余的重鉻酸鉀用二價(jià)鐵的標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，由有機(jī)碳被氧化前后重鉻酸根離子變化來計(jì)算植物有機(jī)碳含碳率。

1.5 統(tǒng)計(jì)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(zhì)量，M2為植物樣品烘干后質(zhì)量。

WOC =C×（V1-V2）×0.0030/M×（1-WH2O）×100%

（2）

（2）式中WOC為有機(jī)碳含碳率（%），C為硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度（mol·L-1），V1為滴定空白樣品時(shí)硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液的消耗量（mL），V2為滴定樣品時(shí)硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)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(jī)碳含量（g·kg-1）。

2 結(jié)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(fù)增長。從莖、葉含碳率對(duì)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(jī)碳含量

大型水生植物莖、葉6月和10月的有機(jī)碳含量列于表3。美人蕉的有機(jī)碳含量最高，花葉蘆竹次之，水竹最低。從起始（6月）有機(jī)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(jī)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(fù)增長量最大。從植物類型的增長趨勢(shì)分析，浮水植物有機(jī)碳增長量大，漂浮植物次之，挺水植物最小。從莖、葉有機(jī)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(duì)十一種大型水生植物莖、葉有機(jī)碳含量進(jìn)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(xì)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(zhì)也相對(duì)較充足，而高含碳量的營養(yǎng)物質(zhì)在運(yùn)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(jī)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(jī)碳往根莖傳輸相對(duì)較慢，導(dǎo)致光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)物多儲(chǔ)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(jīng)過4個(gè)月的培養(yǎng)，其有機(jī)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(jī)碳增量均最大，其次為大薸，最差為水竹和花葉蘆竹，其有機(jī)碳含量出現(xiàn)較大的負(fù)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(jī)碳含量大幅上升。睡蓮喜陽，5—9月生長旺盛，而試驗(yàn)期間正值盛夏季，陽光猛烈，睡蓮光合作用強(qiáng)，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(yàn)設(shè)置的培養(yǎng)水深一樣，故其長勢(shì)好。大薸生長期在6—9月，跟試驗(yàn)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(zhì)以供開花結(jié)果，故其葉片有機(jī)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(fù)增長。究其原因有：1）挺水植物喜清潔水質(zhì)，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(qiáng)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(nèi)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(nèi)水深變化劇烈，水生植物對(duì)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(duì)幾種挺水植物生長繁殖的影響，發(fā)現(xiàn)深水（60 cm）處理對(duì)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(yīng)該在0～30 cm[5]。試驗(yàn)期間有段時(shí)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(jī)碳含量均低于同時(shí)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(duì)淺的水深更適合狐尾藻的生長，株高和生物量都會(huì)有所增長[6]。豆勝等研究發(fā)現(xiàn)，狐尾藻在培養(yǎng)時(shí)出現(xiàn)部分時(shí)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(qiáng)及碳源有關(guān)，陸生植物獲得的光照較強(qiáng)，而水生植物部分或全部沉沒于水中，獲得的光照相對(duì)較弱；另外，植物光合作用時(shí)所需CO2的供應(yīng)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(duì)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(qiáng)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(jié)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?yàn)槠≈参?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(shì)大，葉比莖的固碳能力好。本次試驗(yàn)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(zé)任編輯：丁志祥）