乌鲁木齐城市绿化树种光合能力对CO2浓度增高的响应

艾力江·麦麦提，买尔旦·阿不都卡德，木合太·尼亚孜，艾比布拉·艾合买提，库尔班尼萨·艾力木

(新疆农业大学 林学与园艺学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

1 引言

在当前新经济常态下，大气的污染指数也不断加大，空气中所含有的二氧化碳浓度不断上升，城市环境面临着严峻的挑战。这样当全球发生温室效应时，让更多的人们开始重视到“低碳”、“减排”的重要性。城市绿地因具有改善城市小气候、吸收有害污染物等重要作用引起了广大人们的重视。植物的生长过程就是碳素化合物逐步积累的一个过程，而这些碳素化合物主要来源于植物的光合作用[1]。一旦在空气中所含有的CO2浓度增高的情况下，便会让全球变暖，进而影响到植物的生长[2]。因此，在植物的光合生理生态研究的过程中，应该重点分析植物是如何响应大气中所含有CO2浓度升高的情况。在此方面，国内研究多局限于草本植物，如田间作物和牧草的光合生理和产量品质方面[3,4]，较少涉及木本植物。而对于专门分析乌鲁木齐市常见园林绿化灌木对CO2浓度升高响应和光合特性的研究还不够完善。

近年来，乌鲁木齐市为了积极响应国家对创建文明城市的号召而大力推进城市绿化建设，从外地引进了大量的树种。但是，很多植物在生长的过程中具有非常明显的地区性，而相同的植物在不同的地区也会呈现出不同的生理生态特性。因此，可以采用气体交换的技术来观察植物发生光合作用时的参数，并充分利用合理的方法分析不同的树种所具备的光合能力，以及环境适应能力[5,6]。因此，这次在研究的过程中，通过选择乌鲁木齐中较为常见的5种绿化灌木，深入分析这几种树木在处理CO2浓度时的差异性，并积极地探究不同的树种之间所具备的光合特性，以及当大气内部的CO2浓度不断升高的情况下其光合速率的变化，从而为现代化的城市选择绿化树种和采取科学合理的植物栽培管理方法提供了丰富的理论基础。

2 材料与方法

试验于2018年5月至8月，在新疆农业大学校园网室内进行。本试验选择的树种是乌鲁木齐大道常用绿化灌木紫叶矮樱(Prunus×cistenaN.E.Hansen ex Koehne)、金叶榆(Ulmuspumilacv ‘Jinye’)、水蜡(LigustrumobtusifoliumSieb.)、紫丁香(SyringaoblataLindl.)和榆叶梅 (Amygdalustriloba)。5月份从乌鲁木齐市明珠花卉市场在选择苗圃地的时候，应该尽量选择1～2年的带土袋苗，并采用盆栽的形式。通常所选取的盆栽的盆的中央内径应该为20 cm，而盆内的土层厚度应一般为35 cm。每种灌木种植10盆，共50盆，同种植物苗龄、高度、基径和长势情况基本相同，水分管理措施一致。

叶片气体交换参数的测定：在2018年7月和8月，选择典型晴天，早晨9:00～11:00时，应用Licor-6400型的便携式光合作用测定系统，全面测定植物进行气体交换的参数。光合——CO2(Pn-Ci)响应曲线的测定时，设定光合有效辐射强度(PAR)为1300 μmol·m- 2·s- 1作为测定光强, 以Li-6400-01液态CO2小钢瓶为气源，通过CO2注入系统控制叶室中CO2浓度分别为400、300、200、150、100、50、600、800、1000、1200 μmol·mol- 1的条件下测定叶片光合速率(Pn)。测定Pn前使用1300 μmol·m- 2·s- 1光源诱导10min。这样当大气中所含有的CO2的浓度呈现出平衡的状态时，便可以再测定Pn。这样当在测量的过程中，变异率小于0.05的情况时，便可以使用红外气体分析仪来全面进行记录。通常在测定的过程中应该随机选出3个非常典型的植株，而在对每株灌木进行测定的过程中，应该先测定灌木层最上端的一片和长势较好的健康叶片。这样通过将测定的结果平均值进行分析。这样便能够根据数据分析和图表的生成，采用Excel 2007软件来完成。

3 结果与分析

3.1 种灌木树种光合速率对CO2浓度变化的响应

植物气体所具备的交换特征中非常重要的一个参数就是光合速率，其能够在一定程度上反映出植物所具备的同化CO2的能力。从图1中可以看出，不同灌木树种的光合能力均存在差异，5种灌木中紫叶矮樱的净光合速率最高，为21.38 mol CO2m-2s-1，水蜡次之，为20.73 mol CO2m-2s-1，金叶榆(14.7 mol CO2m-2s-1)和榆叶梅(15.8 mol CO2m-2s-1)的差异不显著，紫丁香的净光合速率最低，为9.72 mol CO2m-2s-1。

理论上，大气中所含有的CO2浓度在正常的情况下，植物发生光合作用时将始终处于未饱和的状态，CO2浓度的增倍自然会刺激植物增加光合速率，提高光合产量[7]。从图1中可以看出，外界CO2浓度增加提高了5种灌木叶片光合速率，随着CO2浓度的增加，光合速率逐渐升高，但当CO2浓度增加到一定程度时，光合速率增加明显变缓，甚至达到了饱和点。另外，从试验结果可以看出紫丁香的净光合速率最低，且在50～1200 μmol·mol- 1CO2浓度范围内，净光合速率未达到最大净光合速率，说明紫丁香对外界CO2的适应性较强。

图1 外界CO2浓度升高对5种灌木叶片光合速率的影响

3.2 5种灌木树种CO2响应曲线的拟合

从Pn-Ci响应曲线拟合参数计算结果可知(图 2)，5种灌木中除紫丁香外，其余几种灌木的羧化效率相对较高，尤其是紫叶矮樱、金叶榆和水蜡的羧化速率较为接近，差异不明显；而CO2补偿点则以紫丁香最高，其次为榆叶梅和金叶榆，紫叶矮樱和水蜡的CO2补偿点是最低。

图2 5种灌木树种的CO2补偿点和羧化效率

3.3 外界CO2浓度升高对5种灌木叶片气孔导度与蒸腾速率的影响

图3CO2浓度升高对5种灌木叶片气孔导度的影响

从本试验的结果可以看出(图3)，在相同的光合有效辐射强度下，随CO2浓度增加，5种灌木树种叶片气孔导度值有降低的趋势，其中金叶榆气孔导度下降幅度较大，说明金叶榆叶片气孔对外界CO2十分敏感；当CO2浓度600 μmol·mol-1范围内，随CO2浓度增加，其余4个树种叶片气孔导度的下降幅度表现出明显减缓的趋势。因而，与参试灌木树种所生长的环境CO2浓度( 390-400 μmol·mol-1)相比，在外界CO2浓度倍增(1200 μmol·mol-1)时，5种灌木气孔导度的降幅在35%～55%之间，其中降幅较大的种类有金叶榆和榆叶梅，均下降55%左右；其余三种植物降幅在35%～40%之间。

在植物的叶片逐步向外扩散的过程中主要是依靠气孔，而当气孔中存在的阻力是限制水蒸气向外扩散的一个非常重要的因素。因此，当大气中所含有的CO2气体浓度呈现出不断增加的现象时，便会在一定程度上降低叶片气孔的导度，增加叶片向外排放水分的阻力，这样能够大幅度降低叶子的蒸腾效率[8]。本试验结果表明(图4)，5种灌木中除紫丁香外，其它四种灌木叶片蒸腾速率，随着CO2浓度升高而表现出先缓慢下降，后持续迅速下降的趋势。其中金叶榆蒸腾速率下降幅度最大，在外界CO2浓度 50～1200 μmol·mol-1时，紫丁香叶片的蒸腾速率曲线呈平稳趋势(2.2～3.2)。

图4 CO2浓度升高对5种灌木叶片蒸腾速率的影响

4 结语

在现代城市工业化发展速度不断加快的背景下，产生了大量的CO2气体，这样也让整个地球形成了温室效应。其中，绿色植物一般在生长的过程中可通过光合作用与蒸腾作用产生多重生态效应，从而达到改善现代城市环境的目的。植物发生精光合作用的高低将在一定程度上影响固碳释氧的能力。因此，研究植物光合作用对 CO2响应模型可估算植物的饱和 CO2浓度，以及固定 CO2的最大潜能等[1,2]。本研究所选5种灌木树种叶片净光合速率随CO2浓度升高而增加，但不同灌木种类对高CO2浓度的反应存在较大差异，指示了不同树种间的气体交换能力差别较大，5种灌木中紫叶矮樱的净光合速率最高，水蜡次之，金叶榆和榆叶梅的差异不显著，紫丁香的净光合速率最低。同样，紫叶矮樱，水蜡和金叶榆的化效率较高，说明这三种灌木具有较强的光合能力，具有较强的吸收光能的作用，以及水分的利用作用。然而，这些与他们所具备的遗传特性存在非常紧密的关系，这也充分说明了不同的植物在相同环境下的适应能力存在着一定的差异性。试验结果表明紫丁香的净光合速率和羧化速率最低，且在50～1200 μmol·mol-1CO2浓度范围内，未达到最大净光合速率，而叶片的蒸腾速率曲线呈平稳趋势，说明紫丁香对外界CO2的适应性较强。

通过深入分析植物生理生态学的内容，当植物发生光合作用和蒸腾作用时，也是对二氧化碳和水分交换的过程，而这个过程主要是通过叶子的气孔来控制二氧化碳等气体的参数变化[1,7]。根据相关的实验表明，当大气中所含有的二氧化碳的量呈现出上升的趋势时，便会让五中灌木叶的气孔导度降低33%，所以在一定程度上加大了叶片向外排放水分的量，最大限度提升植物的水分利用效率。这在一定程度上对推动城市绿化发展具有非常重要的意义。