8 種園林灌木光合特性及固碳釋氧能力分析

李長愛,郭春鳳,劉 玲,黃 鎮(zhèn),李亞亮,王 慧,劉海濤

(1.淮南師范學(xué)院 生物工程學(xué)院,安徽淮南 232038;2.資源與環(huán)境生物技術(shù)重點實驗室,安徽淮南 232038; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,陜西楊凌 7121000)

光合作用是植物將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的主要途徑,植物在光合作用過程中吸收CO2,釋放出O2[1-2],可緩解城市溫室效應(yīng),改善生態(tài)環(huán)境[3-4]。不同時期的同一植物和同一時期的不同植物在光合固碳釋氧能力上有所差異[5-6]。例如,張鵬等[7]選擇7月、10月、1月和4月分別對2a生嫁接石碌含笑進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)其單位葉面積日固碳釋氧量為10月>7月>4月>1月。郭暉等[8]研究顯示,常見綠化植物的單位葉面積日固碳量表現(xiàn)為灌木>喬木。另外,馮晶紅等[9]的研究結(jié)果表明,單位葉面積的日固碳釋氧量為草本>灌木>喬木,單位土地面積上的日固碳及釋氧量為灌木>喬木>草本。灌木是園林綠化植物的主要組成部分,因而對其不同種類的光合固碳釋氧能力的比較研究具有一定意義。

作為植物進(jìn)行光合作用的主要器官,葉片通過氣孔與外界進(jìn)行氣體交換,從而促進(jìn)植物的生長[10]。李玉鳳等[11]以桂林喀斯特石山常見植物為研究對象,發(fā)現(xiàn)葉片單位面積最大凈光合速率與氣孔導(dǎo)度之間極顯著正相關(guān)(P<0.01)。郭小龍等[12]對灰楸不同雜交組合雜種后代的葉片性狀與光合性能指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)性分析,結(jié)果顯示,最大凈光合速率與葉面積呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。目前對植物葉片形態(tài)的研究除了常見的葉片表型[13]及解剖結(jié)構(gòu)特征[14]外,還包括氣孔微形態(tài)。但氣孔密度、氣孔長度、寬度等微形態(tài)方面的研究主要集中在大豆、茶樹等農(nóng)作物[15-16],以及蔬菜[17]、中草藥[18]、園林喬木[19-20]、地被植物[21-22],對灌木氣孔微形態(tài)的研究較少,因而對其與固碳釋氧能力的相關(guān)性研究也較少。

本研究選取8種江淮地區(qū)常見園林灌木作為試驗材料,測定凈光合速率、單株葉面積指數(shù)、葉面積、氣孔密度、氣孔長度等指標(biāo),研究各類灌木的固碳釋氧能力,并分析其與單株葉面積指數(shù)、葉面積及氣孔微形態(tài)的相關(guān)性,以期為城市園林綠化生態(tài)設(shè)計中灌木樹種的選擇提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及材料來源

試驗地選在淮南師范學(xué)院泉山校區(qū),位于長江以南,淮河中游的淮南市(116°21′5″～ 117°12′30″E,31°54′8″～33°00′26″ N),屬大陸性暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候,四季分明,日照充足,近10 a平均氣溫為16.6 ℃,年平均降水量為 1 078.0 mm。

通過查閱安徽省植物志,并對淮南市進(jìn)行實地調(diào)查,篩選出使用頻率較高,且有一定觀賞價值的8種園林灌木,其中4 種落葉灌木,分別為火棘(Pyracanthafortuneana)、錦帶花(Weigelaflorida)、紅瑞木(Cornusalba)、棣棠(Kerriajaponica);4 種常綠灌木,分別為紅葉石楠(Photiniafraseri)、梔子(Gardeniajasminoides)、珊瑚樹(Viburnumodoratissimum)、金邊黃楊(Euonymusjaponicus),以上灌木隸屬5科。于2022年4-5月,選取8～9 a生灌木(每種隨機選3株)作為試驗材料,要求取樣地點一致,株高基本相同、長勢良好、無病蟲害。灌木具體特征見表1。

表1 8種園林灌木特征

1.2 研究方法

1.2.1 葉面積指數(shù)估算 利用測高儀,分別從每株灌木的東南、西北兩個方向上量取樹高,計算平均樹高(h);從樹冠邊緣任選3點,經(jīng)樹干中心點量取冠幅,并計算每株樹的平均冠幅(D);量出冠下高度(H1),根據(jù)冠高H=h-H1,求得冠高H。單株植物葉面積總量及葉面積指數(shù)計算公式[23]如下:

Y=exp(0.603 1+0.237 5H+0.690 6D-0.012 3S1)+0.182 4

式中,Y為單株葉面積總量,H為冠高,D為冠幅,S1=πD(H+D)/2。

LAI=Y/S2

S2=1/4πD2

式中,LAI為單株葉面積指數(shù),S2為植物樹冠投影面積。

1.2.2 光合速率日變化測定 利用便攜式光合測定系統(tǒng)(美國PP-SYSTEMS公司,TPS-2)對8種灌木的光合生理參數(shù)連續(xù)觀測。每株灌木隨機標(biāo)記3 枚葉片(均為樹冠中下部外圍向陽方向長勢良好,完全展開的倒三葉)進(jìn)行測定。試驗選擇在晴朗、無云、微風(fēng)天氣,從8:00-18:00對所選樹種進(jìn)行凈光合速率觀測,每隔2 h進(jìn)行1 次,計算每種灌木每一時段的凈光合速率平均值作為單次測量結(jié)果。

1.2.3 光合固碳計算 各植物當(dāng)日測定的日凈同化量是依據(jù)光合速率,以簡單積分法計算得出[24],其公式為:

上式中,P為日凈同化總量(mmol·m-2·d-1),Pi為植物始測時的光合速率(μmol·m-2·s-1),Pi+1為下一測時的光合速率(μmol·m-2·s-1),ti指始測時的瞬時時間,ti+1指的是下一測時的瞬時時間,j為1 d內(nèi)所測次數(shù)。

單位葉面積的日固定CO2量和日釋放O2量由植物日凈同化總量換算,其計算公式[25]如下:

WCO2=P×(1-0.2)×44/1 000

WO2=P×(1-0.2)×32/1 000

式中,WCO2與WO2為植物單位葉面積的日固定CO2量(g·m-2·d-1)和日釋放O2量 (g·m-2·d-1),44與32分別為CO2和O2的摩爾質(zhì)量。

單株單位土地面積上的日固定 CO2量與釋放 O2量計算公式[25]為:

QCO2=WCO2×LAI

QO2=WO2×LAI

式中,QCO2為單株單位土地面積上的日固定CO2量(g·m-2·d-1),而QO2為單株單位土地面積上的日釋放O2量(g·m-2·d-1),LAI為單株葉面積指數(shù)。

1.2.4 葉面積測定 待光合參數(shù)測定后,選取標(biāo)記葉片,采用葉面積測量儀(浙江托普儀器有限公司,YMJ-A)對8種灌木的葉面積進(jìn)行測定。

1.2.5 葉片電鏡掃描樣制取 葉片面積測定后,將標(biāo)記的葉片采下帶回實驗室,依據(jù)王崇英等[26]的方法制樣并略作修改:將葉片切割成邊長為 0.5 cm的正方形小塊,后將其撥入盛有0.1 mol/L磷酸緩沖液(pH=7.2)的青霉素瓶中,朝一個方向輕輕搖動沖洗1 h,然后把葉片放入2%的戊二醛中固定3 h。用30%-無水乙醇逐級脫水后,將樣品放入附有吸水紙的培養(yǎng)皿中,置于陰涼通風(fēng)處干燥,待用。

1.2.6 葉表面微形態(tài)觀察和相關(guān)指標(biāo)測定 利用離子濺射儀(北京意力博通技術(shù)發(fā)展有限公司,ETD-3000)對掃描樣進(jìn)行噴金處理,鍍膜厚度控制在5～10 nm,利用掃描電鏡(德國ZEISS公司,GeminiSEM300)觀察樣品下表皮,每種植物分別掃描3 張放大500 X的圖像和1張放大2～3 kx的氣孔圖像。將3張500 X的圖像導(dǎo)入AutoCAD 2020軟件,計算葉片觀察范圍的實際面積(S0)及氣孔的個數(shù)(N),采用公式SD=N/S0,求得氣孔密度(SD);每張圖像隨機選取3個氣孔,從保衛(wèi)細(xì)胞的外緣測量氣孔的長、寬和周長。

1.2.7 數(shù)據(jù)處理 利用Excel 2016與SPSS 26軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與單因素方差分析、Ward法聚類分析、Pearson相關(guān)性分析,試驗數(shù)據(jù)以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”的形式表示。日凈光合速率曲線圖使用Origin 2018軟件繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉面積指數(shù)測定

由表1可知,在植物單株總?cè)~面積,棣棠最大,為5.140 m2;其次是紅瑞木,為4.485 m2,與錦帶花差異不顯著(P>0.05),再次為紅葉石楠、梔子、珊瑚樹、火棘;金邊黃楊最小,為3.496 m2。單株葉面積指數(shù)為金邊黃楊>梔子>火棘>珊瑚樹>紅瑞木>錦帶花>紅葉石楠>棣棠,其中金邊黃楊比棣棠高4.604。冠幅為棣棠>錦帶花>紅瑞木>紅葉石楠 >珊瑚樹>梔子>火棘>金邊黃楊。研究表明,8種灌木單株葉面積指數(shù)與冠幅呈負(fù)相關(guān),單株葉面積指數(shù)比單株總?cè)~面積的差異顯著。

2.2 8 種灌木凈光合速率日變化

由8 種灌木光合速率日變化曲線(圖1)可知,從8:00-18:00,各類灌木的凈光合速率日變化均不相同,但主要分為“單峰型”與“雙峰型”兩類。金邊黃楊與棣棠屬于“單峰型”曲線植物,其凈光合速率在8:00-12:00逐漸升高,棣棠在中午12:00時許達(dá)到峰值,金邊黃楊則在下午 14:00左右達(dá)到峰值,其后凈光合速率都迅速下降。其他6 種均屬“雙峰型”,第一個峰值都出現(xiàn)在10:00左右,第二個峰值出現(xiàn)在14:00-16:00左右,此后數(shù)值均呈快速回落態(tài)勢。

圖1 8種灌木的凈光合速率

2.3 8種灌木日固碳釋氧量

由表2可知,8 種灌木的日凈同化總量為 87.60～287.16 mmol·m-2·d-1,單位葉面積的日固碳量為3.08～10.11 g·m-2·d-1,日釋氧量為2.24～7.35 g·m-2·d-1。植物的日凈同化總量越高,其單位葉面積的日固碳釋氧量也越高。8 種灌木單位葉面積的日固碳釋氧量為錦帶花>棣棠>金邊黃楊>珊瑚樹>紅瑞木>火棘>梔子>紅葉石楠。落葉樹種單位葉面積的日固碳釋氧量平均值為8.65與6.29 g·m-2·d-1,常綠樹種的平均值為6.05、4.40 g·m-2·d-1。錦帶花與棣棠,金邊黃楊、珊瑚樹、紅瑞木、棣棠與火棘的單位葉面積日固碳釋氧量差異不顯著 (P>0.05),但紅葉石楠、梔子與其他灌木的單位葉面積日固碳釋氧量差異顯著(P<0.05)。單株單位土地面積上的日固碳釋氧量方面,金邊黃楊最高,固碳量為82.47 g·m-2·d-1,釋氧量為60.00 g·m-2·d-1;其次是錦帶花,固碳與釋氧量分別為75.19與54.66 g·m-2·d-1,其后依次為珊瑚樹、火棘、紅瑞木、棣棠、梔子;紅葉石楠的固碳與釋氧量最小,分別為22.25和16.18 g·m-2·d-1。落葉灌木單株單位土地面積上的日固碳量與釋氧量平均值為64.43、46.87 g·m-2·d-1,常綠灌木的平均值為55.84、 40.62 g·m-2·d-1,也表現(xiàn)為落葉灌木>常綠灌木。

表2 8種灌木日凈光合同化量和固碳釋氧量

2.4 8 種灌木日固碳量的聚類

8 種灌木單位葉面積的日固碳量聚類結(jié)果(圖2)顯示,以歐氏距離10為閾值分為三類:第一類是錦帶花(10.11 g·m-2·d-1)和棣棠 (9.78 g·m-2·d-1);第二類是金邊黃楊、珊瑚樹、紅瑞木和火棘,單位葉面積的日固碳量為 6.91～7.93 g·m-2·d-1;第三類是梔子(5.25 g·m-2·d-1)與紅葉石楠(3.08 g·m-2·d-1)。

圖2 8種灌木單位葉面積日固碳量聚類分析樹狀圖

2.5 8種灌木葉片形態(tài)特征

由表3可知,8種灌木中,葉面積較大的是紅瑞木(44.88 cm2)和錦帶花(31.69 cm2);其次是珊瑚樹、紅葉石楠、棣棠,平均值為17.62 cm2～28.51 cm2;較小的是金邊黃楊、梔子和火棘,葉面積為6.82 cm2～13.12 cm2。表3與圖3顯示,梔子、火棘、金邊黃楊的氣孔密度最高;其次是紅葉石楠、棣棠、錦帶花;最小的是珊瑚樹和紅瑞木。由表3、圖4可知,8種灌木葉片氣孔的形態(tài)、大小各不相同,氣孔形狀主要為橢圓形或近圓形。錦帶花的氣孔周長最長,平均值為96.83 μm;其次是珊瑚樹、金邊黃楊和火棘,為81.02～77.32 μm;最小的是棣棠與梔子花,分別為54.77、 53.68 μm。氣孔長度為珊瑚樹>錦帶花>火棘>金邊黃楊>紅瑞木>紅葉石楠>梔子>棣棠;氣孔寬度為珊瑚樹>錦帶花>金邊黃楊>火棘>紅葉石楠>紅瑞木>梔子>棣棠。

圖3 8種灌木葉片下表皮掃描電鏡圖像

圖4 葉片氣孔掃描電鏡圖像

表3 8種灌木的葉片形態(tài)特征

2.6 葉片形態(tài)與光合固碳的相關(guān)性

由表4可知,8 種灌木的單位葉面積日固碳量與葉面積、氣孔長度、寬度呈正相關(guān),但相關(guān)性不顯著;單位葉面積日固碳量與LAI、氣孔密度,氣孔密度與氣孔長度、寬度、周長都呈負(fù)相關(guān),相關(guān)性也不顯著;葉面積與氣孔密度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01);氣孔長度與寬度、氣孔周長與長度、氣孔周長與寬度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。單株單位土地面積上的日固碳量與LAI、氣孔長度、寬度、周長呈正相關(guān),且與氣孔長度相關(guān)性顯著(P<0.05)。

表4 8種灌木日固碳量與葉片形態(tài)相關(guān)性

3 討 論

不同樹種,以及同一樹種在不同溫度、降水量、太陽光照強度等環(huán)境條件下,其光合固碳釋氧能力均會存在一定差異。本研究顯示,8種灌木日凈光合速率為錦帶花>棣棠>金邊黃楊>珊瑚 樹>紅瑞木>火棘>梔子>紅葉石楠。光合速率日變化曲線呈“雙峰型”和“單峰型”兩種;除棣棠與金邊黃楊之外,其他6種灌木均出現(xiàn)“光合午休”現(xiàn)象[27]。這與熊向艷等[28]得出的北京市17種常見綠化植物中大多數(shù)在12:00左右出現(xiàn)了“光合午休”現(xiàn)象的研究結(jié)論一致。此種現(xiàn)象的產(chǎn)生有氣孔原因和非氣孔原因,即葉片受到強烈的光照刺激后導(dǎo)致氣孔關(guān)閉或葉片遭受高溫和強光導(dǎo)致光合活性下降,從而影響光合速率[29]。羅孟容等[30]、周婷等[31]研究表明,梔子的日凈光合速率呈“雙峰型”曲線,與本研究得出的結(jié)果相同。李娟霞等[32]研究顯示,紅瑞木的日凈光合速率也呈明顯的“雙峰型”曲線,但數(shù)值大于本研究,分析原因可能是其研究時間選在夏季,而本研究時間在春季,綜合兩項研究結(jié)果說明,紅瑞木的日凈光合速率為:夏季>春季。劉雪蓮等[33]在冬季對紅葉石楠進(jìn)行研究得出的單位葉面積日固碳釋氧量比本研究中紅葉石楠的單位葉面積的日固碳釋氧量低,說明紅葉石楠的單位葉面積日固碳釋氧量表現(xiàn)為春季>冬季。以上與薛雪等[34]得出的同種樹種的日凈光合速率及單位葉面積日固碳釋氧量表現(xiàn)為夏季>秋季>春季>冬季的結(jié)論一致。

單株葉面積指數(shù)能反應(yīng)葉片的層疊程度,體現(xiàn)單位土地上的葉面積量[35]。單株單位土地面積上的日固碳釋氧量受單株葉面積指數(shù)的影響,會隨植物生長年限、生長環(huán)境、人工修剪、澆水施肥等情況而有所改變,因而如何全面研究單株單位土地面積上的日固碳釋氧量仍然是一個復(fù)雜的難題。郭暉等[8]用單位葉面積的日固碳量、單株葉面積指數(shù)與單株冠幅面積相乘求得單株單位土地面積上的日固碳量為落葉灌木>常綠灌木;本研究采用姚俠妹等[25]的計算公式得出落葉灌木單株單位土地面積上的日固碳量與釋氧量同樣大于常綠灌木。金邊黃楊單位葉面積的日固碳量排名第三,但由于單株葉面積指數(shù)較大,單株單位土地面積上的日固碳量排名上升到第一。而棣棠單位葉面積的日固碳量排名第二,因單株葉面積指數(shù)較低,單株單位土地面積上的日固碳量排名下降到第六。因此研究灌木的固碳釋氧能力應(yīng)綜合考慮單位葉面積的日固碳釋氧量與單株單位土地面積上的日固碳釋氧量。

植物光合固碳釋氧過程由一系列復(fù)雜的生理反應(yīng)形成,這不僅與環(huán)境因子相關(guān),也與葉片的形態(tài)特征有關(guān)[36]。孫志超等[37]認(rèn)為葉片的微形態(tài)特征是其在長期適應(yīng)環(huán)境的過程中演化而成,具有一定的穩(wěn)定性。本研究發(fā)現(xiàn),8種灌木的葉面積與日固碳釋氧能力呈正相關(guān),與萬娟等[38]對簕竹屬10個竹種的研究結(jié)果相同。掃描電鏡觀察8種灌木的下表皮均發(fā)現(xiàn)氣孔的存在,肖遙等[19]、柏文富等[39]觀察灰楸與櫻花葉片下表皮也均看到氣孔,但上表皮皆未觀察到氣孔,說明若研究氣孔微形態(tài)應(yīng)選擇葉片的下表皮進(jìn)行觀察。本研究中氣孔密度與葉面積呈顯著負(fù)相關(guān),因而一般葉面積大的植物,其氣孔密度很可能會小。氣孔長度與單株單位土地面積上的日固碳量呈顯著正相關(guān),表明氣孔長度對研究單株單位土地面積上的日固碳量具有一定的參考價值。

綜合以上研究結(jié)論,在選擇園林綠化灌木樹種時,從生態(tài)角度,應(yīng)優(yōu)先選擇日固碳釋氧能力強的灌木,同時植物葉面積、單株葉面積指數(shù)與氣孔微形態(tài)可作為輔助數(shù)據(jù),在一定程度上為城鎮(zhèn)景觀綠化灌木的選擇與配置方式提供理論參考。此外,可以通過群植、叢植等手法來增加植物的葉面積指數(shù),從而增加固碳釋氧量。利用光照、水分等自然資源組建合理、有序的植物群落結(jié)構(gòu),發(fā)揮綜合生態(tài)效益。