塔克拉玛干沙漠公路人工防护林植被的C、N化学计量特征及其固存能力研究

高培，李从娟，唐俊妍

（1.新疆信息工程学校，新疆乌鲁木齐 830013；2.中国科学院新疆生态与地理研究所，国家荒漠—绿洲生态建设工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐 830011；3.石河子大学农学院林学系，新疆石河子 832011）

塔克拉玛干沙漠公路人工防护林植被的C、N化学计量特征及其固存能力研究

高培1，李从娟2*，唐俊妍3

（1.新疆信息工程学校，新疆乌鲁木齐 830013；2.中国科学院新疆生态与地理研究所，国家荒漠—绿洲生态建设工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐 830011；3.石河子大学农学院林学系，新疆石河子 832011）

以塔克拉玛干沙漠公路沿线生物防护林为研究对象，研究防护林三种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固存能力及固碳释氧价值。结果显示：沙拐枣每个器官的生物量均显著高于梭梭和柽柳（P<0.05），个体的总生物量是梭梭和柽柳的2～3倍。整个防护林在建林8 a后的总生物量达到90 571.3 t。C、N含量在不同器官中的含量不尽相同，三种植物均表现为凋落物C含量最低。而植物叶中的N含量均显著高于枝，凋落物和根系（P<0.05）。建林8 a后梭梭单株及凋落物的固碳量为1 404.6 g，固氮量为201.5 g，柽柳单株及凋落物的固碳量为1 449.7g，固氮量为195.4 g，沙拐枣单株及凋落物的固碳量和固氮量显著高于其他两种，分别为3 979.8 g、520.9 g，（P<0.05）。建林8 a后整个防护林的总固碳值为35 886.3 t，总固氮值为4 917.7 t。整个防护林的固碳总价值为22 555.3万元，释氧价值为50 320万元，总的固碳释氧价值达72 875.3万元。

塔克拉玛干沙漠；人工防护林；化学计量；C、N固存能力

塔里木沙漠公路防护林生态工程是世界上穿越流动沙漠最长的沙漠防护林，也是人工荒漠生态系统的典型代表。对于确保沙漠公路长久安全运行，塔里木盆地油气资源勘探开发、南疆社会经济发展、边疆稳定和国防建设具有重要的战略意义。防护林主要由沙拐枣、梭梭及柽柳等荒漠植物构成[1-2]。为了确保植物的正常生长，整个沙漠公路防护林采用地下咸水进行人工滴灌，如何用尽可能少的水资源发挥防护林正常的生态功能作用是目前研究的主要问题。在灌溉量减少的条件下，植物通过调整生物量分配将逆境伤害降低到最小来适应环境胁迫[3]。因此生物量的研究对生态系统的营养物质分配和碳循环，节约水资源，以及塔里木沙漠公路防护林功能的稳定和持续具有重要意义。

生态化学计量学是研究生态过程和生态作用中化学元素平衡的科学，它是生态学目前研究的热点和重要内容[4-5]。C、N作为植物的基本化学元素，在植物生长和各种生理调节机能中发挥着重要作用。植物化学元素含量在各个器官间的分配不仅受植物自身生长型、生理特征和生活史的影响，也受生长地点养分有效性的制约[6-7]。而塔克拉玛干沙漠公路人工防护林所在的干旱区除干旱、盐碱外，土壤矿质营养元素贫乏也是一大特点，这种条件下开展生态化学计量学研究，可望探明极端贫瘠环境中，土壤C、N含量的缺乏对生物有效性将产生怎样的影响，同时对研究极端干旱环境下植物对环境的适应等有重要意义[8]。

陆地生态系统中的森林植被固定并减少大气中的二氧化碳、提高并增加大气中的氧气，这对维持地球大气中二氧化碳和氧气的动态平衡、减少温室效应等有着巨大和不可替代的作用。我国关于区域尺度森林碳储量研究始于20世纪90年代中期，刘国华等[9-10]、方精云等[11-13]对我国森林生物量和碳储量及其动态变化进行了研究。许文强等[14]对我国区域性森林生物量和碳储量进行了测算和研究。以往的研究大多是在较宏观的层次上以全球、国家、大流域等为统计单位，计算指标中的数据采用的又是全国的平均值，进而推广到大的层次上，导致最终统计数据误差较大，很难较准确地量化不同生境、地理条件下各个地理区域森林生态系统的服务功能及其价值。尤其是对荒漠地区人工防护林的固碳释氧的研究未见报道，因此，本研究在以往研究的基础上，以塔克拉玛干沙漠公路沿线人工防护林为研究对象，结合整株挖掘法和样方调查法相结合综合研究防护林三种主要建林植物不同器官的C、N含量及其生物量，进而估算其C、N固存能力及固碳释氧价值。

1 研究区概况

塔克拉玛干沙漠地处新疆塔里木盆地，是我国最大的流动沙漠。其气候极端干燥，年降水量仅10～ 60 mm，而年均蒸发量达2 500～3 400 mm[15-17]；夏季炎热，最高温度达67.2℃；风沙活动强烈，最大瞬时风速达20.0 m/s，自然条件恶劣，植被种类极为贫乏，素有“死亡之海”之称[18]。本研究在塔克拉玛干沙漠公路沿线防护林进行，整个沙漠公路人工防护林生态工程长达436 km，林带面积3 128 hm2。分别在沙漠公路1，6，13，15，17，41号井进行（这些点是自沙漠公路防护林建立后经过多年调查研究而确立的研究点，具有一定的代表性）。其概况见表1；最终将6个地点平均得到最终的生物量。其特殊的地理环境和极端的气候特征（干旱，高温，多风沙，土壤极为贫瘠），加之高矿化度咸水灌溉（高盐碱）使其在生态学上的独特性显而易见。因此，在这种条件下开展植物与土壤化学计量特征的研究，对于探明极端干旱环境下植物对环境的适应有重要意义。

2 材料与方法

2.1 生物量法介绍

植物合成的碳水化合物将转化成植物的枝、花、叶、果和根，使植物各部分组织得以不断生长，这一部分组织统称为植物的生物量。生物量法通过测试现存有机体的干重（植物体所固定的有机体的量值）来计算植物固碳量。生物量法主要是采用收获法进行测定，在林分生长好的典型地段设置标准样地，皆伐样地内所有的植物，伐倒后按一定的程序（地上、地下）全部收获称重、并烘干测干重率。以样方的平均值推算全林或其中各单株植物的生物量。生物量法的实质是以时间作为单因素的量化研究，它以植物生长的开始作为时间计算的起点，植物皆伐时为时间计算的终点，以其生长年份为考察期进行年均生长量的计算。本研究采取整株挖掘法，同时结合植被调查结果，最终估算整个沙漠公路防护林及凋落物量以及固碳释氧价值。

2.2 植物样品采样和C、N分析

2012年8月，即沙漠公路防护林建林8 a后，在塔克拉玛干沙漠公路沿线的6个采样点（表1），每个地点选择生长良好的每种植物5株，且为植物样方调查的平均值大小（株高1.2～1.8 m，冠幅1.3～1.7 m×1.3～1.7 m，基茎为5～8 cm），使其具有单株的代表性。其基本特征及名录见表2。该区土壤属于典型的风沙土，沙漠公路沿线防护林的植被盖度约为70%，梭梭，柽柳和沙拐枣的平均冠幅在1～2 m×1～2 m，采用整株挖掘法分别计算其叶、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层，因此本研究采集0～20 cm层凋落物，并将其充分混匀，不考虑分层。将采集的植物样品带回室内后，放入60℃烘箱内烘干48 h，随后将烘干的不同器官用植物粉碎机粉碎，保存起来用于叶片C、N含量的分析。C含量采用重铬酸钾外加热法测定，N含量采用凯氏定氮法（K-370）测定[18]。

2.3 固碳释氧价值的估算

采用碳税法评价各类型固定二氧化碳的价值，采用工业制氧法计算各类型释放氧气的价值。固碳价格采用瑞典碳税率150美元·t-1（合人民币1200元·t-1）；制氧价格采用我国卫生部网站（http://www. moh.gov.cn）2007年春季发布的氧气平均价格1 000元·t-1。

根据最新的国家标准《森林生态系统服务功能评估规范》（LY/T1721-2008），计算固碳释氧功能的价值采用公式（2）、（3）进行计算：

式中U固碳为林分年固碳价值/（元·a-1），C碳为固碳价格/（元·t-1），1.63为计算系数，R碳为CO2中碳的含量，为27.27%，B年为林分净生产力/（t·hm-2·a-1），A为林分面积/hm2。

式中U释氧为林分年释氧价值/（元·a-1），1.19为计算系数，B年为林分净生产力/（t·hm-2·a-1），C氧为氧气价格，A为林分面积/hm2。

2.4 数据分析

应用Excel 2003和SPSS 13.0统计分析软件对测定数据进行整理，分析3种植物不同器官的生物量及C、N含量。所有统计数据以平均值表示，采用单因素方差分析分别对不同器官的生物量以及不同物种相同器官的C、N含量进行差异性检验（P<0.05）。

3 结果与分析

3.1 生物量及C，N含量在不同器官的分配

由表3知，塔克拉玛干沙漠公路防护林三个物种不同器官，凋落物量及总生物量均存在较大差异，由表中可看出，沙拐枣每个器官的生物量均显著高于梭梭和柽柳（P<0.05），个体的总生物量是梭梭和柽柳的2～3倍。整个防护林在建林8 a后的总生物量达到116 786.4 t。

由表4可知，同一物种不同器官的C含量存在一定的差异，其中，梭梭根系的C含量显著高于枝，叶以及凋落物的C含量，且凋落物C含量最低（P< 0.05）；而柽柳的根系和枝C含量显著高于叶和凋落物，同样是凋落物C含量最低（P<0.05）；沙拐枣不同器官C含量表现为枝和叶含量相对较高，根系次之，凋落物最低（P<0.05）。总之，这3种植物凋落物C含量均表现为最低。同一物种不同器官的N含量也存在一定的差异，3种植物的叶N含量均显著高于枝和根系以及凋落物（P<0.05）。

同一器官C含量在不同物种间存在显著差异，对于叶和枝而言，C含量在不同物种间的排序为沙拐枣>柽柳>梭梭，且达到显著水平（P<0.05）；而凋落物C含量表现为柽柳和沙拐枣较高（P<0.05），3个物种根系的C含量不存在显著差异（P>0.05）。然而，同一器官N含量在不同物种间的含量不尽相同，沙拐枣的叶N含量显著高于柽柳和梭梭（P<0.05），枝N含量为梭梭>沙拐枣>柽柳，根系N含量为柽柳>沙拐枣>梭梭，凋落物N含量为梭梭>柽柳>沙拐枣（P<0.05）。

3.2 防护林植物C、N固存能力及固碳释氧价值

由于3种植物的个体生物量存在显著差异，其固碳和固氮能力也存在显著差异（P<0.05），梭梭单株及凋落物的固碳量为1 404.6 g，固氮量为2 01.5 g，柽柳单株及凋落物的固碳量为1 449.7 g，固氮量为195.4 g，沙拐枣单株及凋落物的固碳量为3 979.8g，固氮量为520.9 g，显著高于其他两种（P<0.05）（表5）。说明沙拐枣较其他两种植物具有更大的固碳和固氮能力。建林8 a后整个防护林的总固碳值为35 886.3 t，总固氮值为4917.7 t。整个防护林建林8 a后的固碳总价值为22 555.3万元，释氧价值为50 320万元，总的固碳释氧价值达72 875.3万元（表6）。换算成每年每平方公顷的固碳价值为9 013元/（hm2·a），释氧价值为20 109元/（hm2·a），总的固碳式样价值为29 122元/（hm2·a）。

4 讨论

防护林3个主要物种的生物量存在显著差异，沙拐枣的生物量显著大于柽柳和梭梭，说明沙拐枣的生长速率较柽柳和梭梭快，因此其固碳，固氮能力也相对较强，这与其自身的生理生态特性是分不开的，同时也与植物本身的水分和养分利用效率有关，即就是沙拐枣的水分和养分利用效率较梭梭和柽柳高。但是，从沙漠公路沿线的调查发现，沙拐枣死亡最多，这可能因为沙拐枣的生命周期比较短，也可能因为其高效的水分和养分利用效率将生长环境中的资源消耗殆尽，导致死亡，这方面研究还有待进一步深入。此外，可采取平茬的方法使沙拐枣更新，这样可以使其保持较高的固碳和固氮能力。

植物化学元素含量在各个器官间是环境和物种系统发育共同作用的结果[6，19]。同一物种不同器官的C、N含量均存在一定的差异，均表现为凋落物C含量显著低于植物的叶，枝和根系，这与凋落物的分解是分不开的。同一物种不同器官的N含量也存在一定的差异，三种植物的叶N含量均显著高于枝，凋落物和根系。由于陆地生态系统的复杂性及估算其固碳的技术方法存在缺陷等原因，对同一生态系统固碳量的估算会有差异，这种差异有时会达到数倍之大。国内外虽然对森林生态系统的服务功能分类不尽相同，而且固碳释氧功能有多种名称或类别，但实际的功能是一样的。Costanza等[20]综合了国际上已经出版的用各种不同方法对生态系统服务价值的评估研究结果，率先开展了全球生物圈生态系统服务价值的估算。根据Costanza[20]等的估算，森林生态系统气候调节（温室气体调节等）的平均价值是141 $/（hm2·a），土壤形成(有机物积累等)的平均价值是10$/（hm2·a），原材料（木材等）的平均价值是138$/（hm2·a）。也有一些学者认为，Costanza等[20]对全球生态系统服务价值的评估结果难以令人信服，并存在一些分歧。尽管如此，Costanza等[20]为大区域的生态系统服务价值评估提供了可供参考的方法。赵同谦[21]认为森林生态系统的光能释氧服务功能的价值为6 732.48×108元/a。余新晓等[22]根据全国第5次资源清查资料及Costanza等的计算方法估算了我国森林生态系统固碳释氧服务功能的经济价值是14 399.23×108元/a。本研究不同于以往的森林生态系统，而是一个人工荒漠生态系统，因此本研究采用整株采挖法进行估算。与方精云等[23]估算结果中的陕西省平均值183.14 g/（m2·a）存在很大差异，原因可能是：方精云等估算结果183.14 g/（m2·a）是在1996年利用全国第三次森林清查资料估算陕西省1984—1988年间的年固碳量均值。而本研究则是通过调查植被盖度、植株高度、冠幅以及植株数，再结合植物生物量整株挖掘法获得单株生物量，最终估算整个防护林的固碳量及固碳释氧价值，防护林的固碳价值为9 013元/（hm2·a），释氧价值为20 109元/（hm2·a），总的固碳式样价值为29 122元/（hm2·a）。大于Costanza的估算结果。本研究与以往的估算结果存在差异，一方面因为其不同于以往的森林生态系统，是一种人工荒漠林；此外，本研究采用整株挖掘法获得单株生物量，最终估算整个防护林的固碳量及固碳释氧价值，相对于以往的估算更为准确，因此具有一定的科学性。

5 结论

塔克拉玛干沙漠公路防护林建林8 a后的总生物量达到90 571.3 t，凋落物总量为26 215.1 t。防护林三个主要物种的生物量存在显著差异，沙拐枣的生物量显著大于柽柳和梭梭，说明沙拐枣的生长速率较柽柳和梭梭快，因此其固碳、固氮能力也相对较强。

沙拐枣的单株固碳、固氮能力显著高于梭梭和柽柳，其固碳释氧价值显著高于梭梭和柽柳。建林8 a后整个防护林及凋落物的总固碳值为35 886.3 t，总固氮值为4 917.7 t。整个防护林的固碳总价值为22 555.3万元，释氧价值为50 320万元，总的固碳释氧价值达72 875.3万元。

塔克拉玛干沙漠公路防护林3物种固碳释氧的物质量、价值量差异较大，这与物种自身的生理特性，水热条件，光合同化速率以及也表面特征密切相关。因此，以后可以加强其生理生态学方面的研究。塔克拉玛干沙漠公路防护林植被除固碳释氧功能外，还具有维持生物多样性、净化空气、涵水保持、防风固沙、养分循环、发展沙产业等多项经济、生态和社会服务功能，尤其是在沙漠公路防沙上发挥了巨大作用，保证了沙漠公路的畅通无阻。

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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，李从娟，唐俊妍.塔克拉玛干沙漠公路人工防护林植被的C、N化学计量特征及其固存能力研究[J].沙漠与绿洲气象，2015，9（2）：63-68.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.02. 010

2014-06-03；

2014-07-17

中科院西部博士专项（XBBS201205），国家自然科学基金（31300449；41030530），新疆维吾尔自治区科技支撑项目（201433101）和中国沙漠气象科学研究基金（Sqj2013005）。

高培（1985-），女，讲师，主要从事气候变化方向的研究。E-mail：gaopei19850712@tom.com

李从娟（1982-），女，助理研究员，现从事生态学研究工作。E-mail：li_congjuan@163.com