十一种大型水生植物固碳能力研究

陈苗　张才学　孙省利

摘 要 选取十一种常见并具观赏价值的大型水生植物，采用培养箱培养的方法来研究其固碳能力。经过4个月的培养，对这十一种植物茎叶含水率、有机碳含碳率和有机碳含量进行分析，并探讨这些植物莖叶的固碳能力。结果表明：从植株部位的固碳能力分析，叶比茎的固碳能力强；从植株整体碳增量的平均值分析，碳增量顺序为睡莲>大薸>狐尾藻>美人蕉>再力花>泽泻>水鳖>香菇草>梭鱼草>花叶芦竹>水竹。固碳能力最强的为睡莲，其次为大薸，固碳能力最弱的为水竹。从生活类型分析，浮水植物的固碳增汇能力最好，漂浮植物次之，挺水植物最差。

关键词 大型水生植物；含碳率；碳含量；固碳能力

中图分类号：Q945 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.13.004

自工业革命以来，人类由于大量使用化石燃料，致使大气CO2浓度升高，温室效应明显。为了应对全球气候变化，各国均制订了各种节能减排措施，以期遏制气候不断恶化趋势。植物通过碳储存可以减少大气中CO2的增长，对稳定全球气候和减轻温室效应发挥着重要作用。近年来，造林种草等植被恢复方法被认为是减少温室气体排放和控制全球变暖的重要举措。由于不同地区、不同生境植被类型的多样性，致使同一类型植被或不同植物的固碳增汇能力存在较大差异，针对不同生境筛选高效固碳植物已成为研究的热点 [1-3]。

本文选取不同生活方式的十一种常见大型水生植物（挺水植物、沉水植物、浮叶植物和漂浮植物），通过培养研究其固碳能力，筛选出强固碳能力的物种，以期为水环境污染治理、景观生态和节能减排等提供生物修复材料。

1 材料与方法

1.1 植物选取

根据植物在水中的生活方式，分别选取有代表性的四大类型植物：1）浮水植物，水鳖（Hydrocharis dubia）、睡莲（Nymphaea tetragona）；2）挺水植物，香菇草（Hydrocotyle vulgaris）、花叶芦竹（Arundo donax var. versicolor）、梭鱼草（Pontederia cordata）、再力花（Thalia dealbata）、泽泻（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湿地。

1.2 培养方法

培养用水采自天然湖水，水样盛于98 cm×80 cm×65 cm的塑料箱中，水深约为箱高的2/3。每一种植物取数株（整株连根）进行简单清洗，用塑料筐装好并用泥土盖住根部防止植株倾倒，用绳子将塑料筐固定于塑料箱中，并保证箱中的水能没过塑料筐的2/3。在室外自然环境下进行培养。

1.3 样品预处理

于2016年6月和10月分别摘取各培养箱中生长状况优良、健康完好的植物数株，除去枯叶和腐烂部分，用超纯水洗净后晾干，将根、茎、叶分离并剪碎，用精密电子天平分别称取各新鲜植物根、茎、叶，置于冷冻干燥器中冷冻干燥，直至恒质量。取出称取质量。用粉碎机和研磨钵将干燥后样品分别粉碎过筛，置于小型密封袋中密封好，放入干燥器中待测。

1.4 分析方法

植物有机碳含碳率的测定采用重铬酸钾-硫酸氧化法，用过量的重铬酸钾-硫酸溶液将植物的有机碳氧化成二氧化碳，而重铬酸离子被还原成三价铬离子，剩余的重铬酸钾用二价铁的标准溶液滴定，由有机碳被氧化前后重铬酸根离子变化来计算植物有机碳含碳率。

1.5 统计方法

WH2O=（M1-M2）/M1×100% （1）

（1）式中WH2O为含水率（%），M1为植物样品烘干前质量，M2为植物样品烘干后质量。

WOC =C×（V1-V2）×0.0030/M×（1-WH2O）×100%

（2）

（2）式中WOC为有机碳含碳率（%），C为硫酸亚铁标准溶液的浓度（mol·L-1），V1为滴定空白样品时硫酸亚铁标准溶液的消耗量（mL），V2为滴定样品时硫酸亚铁标准溶液的消耗量（mL），M为样品的称取量（g）。

OC=WOC×WH2O×1000 （3）

（3）式中OC为有机碳含量（g·kg-1）。

2 结果与分析

2.1 大型水生植物的含水率

大型水生植物茎、叶的含水率列于表1。含水率最高的是大薸，其次是香菇草，最低的是狐尾藻。综合分析叶含水率、茎含水率，以及二者均值，大小顺序皆依次为漂浮植物>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为茎>叶。

2.2 大型水生植物的含碳率

大型水生植物茎、叶6月和10月的含碳率列于表2。美人蕉的含碳率最高，花叶芦竹次之，大薸的含碳率最低。从起始（6月）含碳率来看，挺水植物平均值最高，沉水植物次之，漂浮植物最低；培养到10月，从含碳率的变化情况分析，睡莲平均值增长最大，美人蕉次之，水竹、再力花呈现负增长。从茎、叶含碳率对比分析，除香菇草、泽泻差别不大，水鳖茎大于叶外，其余基本上都是叶大于茎。

2.3 大型水生植物的有机碳含量

大型水生植物茎、叶6月和10月的有机碳含量列于表3。美人蕉的有机碳含量最高，花叶芦竹次之，水竹最低。从起始（6月）有机碳含量来看，美人蕉最高，花叶芦竹次之，狐尾藻最低；培养到10月，从有机碳含量的变化情况分析，睡莲增长量最大，大薸次之，水竹出现负增长量最大。从植物类型的增长趋势分析，浮水植物有机碳增长量大，漂浮植物次之，挺水植物最小。从茎、叶有机碳含量平均值分析，由大到小依次为美人蕉>花叶芦竹>再力花>睡莲>香菇草>水鳖>泽泻>大薸>梭鱼草>狐尾藻>水竹。

3 讨论

3.1 大型水生植物的固碳能力

3.1.1 茎叶的固碳能力

对十一种大型水生植物茎、叶有机碳含量进行比较，显示美人蕉、睡莲和大薸叶低于茎，其他种類均为叶高于茎。仔细观察各植物形态，发现美人蕉、睡莲和大薸的叶片比较宽大，与太阳光接触面较大，光合作用充分，因而其往根茎传输的营养物质也相对较充足，而高含碳量的营养物质在运输过程中因路径变窄输送速度变慢而积累起来，这可能是致使根茎有机碳累积较多、密度较大的原因。而叶片较小的种类，其叶片光合作用效率较高，固定的有机碳往根茎传输相对较慢，导致光合作用所产生的有机物多储存在叶片中[4]。

3.1.2 植物类型的固碳能力

十一种大型水生植物经过4个月的培养，其有机碳含量均发生了大的变化。从植物种类分析，睡莲生长最好，其茎叶的有机碳增量均最大，其次为大薸，最差为水竹和花叶芦竹，其有机碳含量出现较大的负增长，按茎、叶碳增量的平均值排序，由大到小依次为睡莲>大薸>狐尾藻>美人蕉>再力花>泽泻>水鳖>香菇草>梭鱼草>花叶芦竹>水竹。按生活类型分析，浮水植物的固碳增汇能力最好，漂浮植物次之，挺水植物最差。浮水植物睡莲和水鳖叶器官的固碳能力很好，有机碳含量大幅上升。睡莲喜阳，5—9月生长旺盛，而试验期间正值盛夏季，阳光猛烈，睡莲光合作用强，是叶片碳含量增加大的主要原因；睡莲生长最适水深25～30 cm，与试验设置的培养水深一样，故其长势好。大薸生长期在6—9月，跟试验期间一致，故大薸生长旺盛，碳含量增加。水鳖的花果期为8—10月，其叶片积累了大量的营养物质以供开花结果，故其叶片有机碳含量较高。

培养期间挺水植物的固碳能力最差，无论是茎或叶的碳含量都呈负增长。究其原因有：1）挺水植物喜清洁水质，而培养用水存在一定污染，不适宜其生长，因而其固碳能力下降；2）夏天炎热阳光猛，挺水植物叶片大面积与阳光接触，不喜强光的种类如水竹生长状况较差，其叶片脱水而枯萎，固碳能力最差，从挺水植物的含水率也可看出其体内水分的蒸发也较浮水植物、漂浮植物量大；3）湛江地区夏天为暴雨季节，自然条件下培养箱内水深变化剧烈，水生植物对环境的要求很大程度取决于水深，水分含量为限制植物生长的主要因素。袁桂香等研究了不同水深梯度对几种挺水植物生长繁殖的影响，发现深水（60 cm）处理对4种挺水植物的生长和繁殖都有显著的抑制作用，适宜的生长水深应该在0～30 cm[5]。试验期间有段时间因遭遇暴雨，使得各种挺水植物长期浸泡于水中，植物的生长受抑制，固碳能力随之下降。

沉水植物仅研究了狐尾藻，分析发现10月份狐尾藻茎和叶有机碳含量均低于同时期其余十种植物的碳含量平均值，含水率也是如此。柏祥等研究发现，相对浅的水深更适合狐尾藻的生长，株高和生物量都会有所增长[6]。豆胜等研究发现，狐尾藻在培养时出现部分时间水没能没过植株本身，令植物生长受到影响[7]。

3.2 与其他类型植物固碳能力的比较

本文研究的大型水生植物含碳率范围在26.34%～52.65%，与其他类型植物比较，大型水生植物的含碳率最低（见表4）。水生植物的固碳能力不如陆生植物好，这可能与光强及碳源有关，陆生植物获得的光照较强，而水生植物部分或全部沉没于水中，获得的光照相对较弱；另外，植物光合作用时所需CO2的供应情况不同，生活在空气中的植物比生活在水中的植物更易获得CO2。不同生境生活着不同的物种，通过对十一种常见大型水生植物固碳能力的研究，发现在污染较大的水环境中固碳能力较强的物种为睡莲，其次为大薸，这可为水环境治理提供参考。

4 结论

除美人蕉与再力花外，多数大型水生植物茎叶含水率为茎>叶，含水率的范围为46.46%～94.64%，其中茎叶含水率均值最高的植物为大薸，植物含水率均值的排序为漂浮植物>浮水植物>挺水植物>沉水植物。

除水鳖等4种植物外，多数大型水生植物茎叶含碳率为叶>茎。含碳率的范围为20.31%～52.65%，其中各部位含碳率均值最高的植物为花叶芦竹。叶比茎的含碳率变化幅度更大，其固碳能力更好。

除睡莲等3种植物外，多数大型水生植物茎叶碳含量为茎>叶。碳含量范围为204.25～403.23 g·kg-1，其中碳含量最高的植物为美人蕉。叶比茎的碳含量增减趋势大，叶比茎的固碳能力好。本次试验中固碳能力最好的植物为睡莲，其次为水鳖，固碳能力最差的植物为水竹。

参考文献：

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[4] 王赛专，康文星，杨志敏.杉木人工林各植物组分含碳率研究[J].湖南林业科技，2012（3）：58-60，77.

[5] 袁桂香，吴爱平，葛大兵，等.不同水深梯度对4种挺水植物生长繁殖的影响[J].环境科学学报，2011（12）：2690-2697.

[6] 柏祥，陈开宁，任奎晓，等.不同水深条件下狐尾藻生长对沉积物氮磷的影响[J].生态环境学报，2011（Z1）：1086-1091.

[7] 豆胜，马成仓，陈登科.4种常见双子叶植物蒸腾作用与叶温关系的研究[J].天津师范大学学报（自然科学版），2008（2）：11-13.

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（责任编辑：丁志祥）