绿色植物通过光合作用将太阳的辐射能转化为化学能，以营养物质的形式贮藏在体内，供自身生命活动的消耗和个体生产及积累(鲍雅静等，2006)。植物热值是植物体内含能物质能量水平的一种度量，反映了绿色植物在光合作用中固定太阳辐射能的能力，体现植物的能量代谢水平(张启昌等，2010; 陈波等，2010)。因此，热值的研究是评价和反映生态系统中物质循环和能量转化规律的重要指标，是生态学研究关注的重点(Jordan，1971;Bobkova et al.，2001; 官丽莉等，2005)。另外，热值也可反映植物各种组织器官的生理活动和植物生长状况的差异，各种环境因素对植物生长的影响可以通过热值表现出来，因此，热值的变化特征有助于了解不同生境条件对植物生长的影响及植物的生长对策(孙国夫等，1993; 林承超，1999; Neitzke，2002;鲍雅静等，2006)。

大气中CO₂浓度迅速增加引发的全球变暖已成为世界面临的严峻问题(Houghton et al.，1999)。森林作为全球陆地生态系统的主体，贮存了陆地生态系统76%～98%的有机碳，而且每年的固碳量约占整个地球生物固定量的2/3(孟蕾等，2010; 刘维等，2011)。近些年来，随着人工林面积和蓄积量的持续增加，人工林在全球碳循环中占据越来越重要的位置(闫美芳等，2010)，并有研究表明我国森林碳汇量的增加主要来自人工林的贡献(方精云等，2001)。目前国际上已提出碳人工林(carbonplantation)的概念，植物碳贮量研究也成为近年来生态学关注的热点(于贵瑞，2003; 史军等，2004)。植物碳含量是植物碳贮量的一种度量，反映绿色植物在光合作用中固定贮存碳元素的能力，是评价和反映生态系统中碳循环和增碳减排效应的重要指标之一(郑帷婕等，2007)。

能源短缺和环境危机是制约当今世界经济社会发展的两大主要问题，生物质能以其可再生、资源丰富、生态环境友好等特性而逐渐成为一种重要的新的替代能源，已成为能源和环境领域研究的新热点(周中仁等，2005; 刘刚等，2007)。生物质能是典型的低碳燃料(付允等，2008)，燃烧时获取单位能量所产生的温室气体量只有化石能源的1 /8左右，且从植物种植到最终被焚烧的整个生命过程中，温室气体“投”与“产”平衡，应用生物质能是减少温室气体排放和实现低碳经济的重要手段(程序，2009)。林业生物质能源是生物质能源最重要的组成部分，具有资源潜力大、不与人争粮的特点，是天然的循环经济，不仅可以实现产业与生态共赢，而且还是吸收与减排CO₂的有效途径(祝列克，2006)。李顺龙等(2009)研究表明林业生物质能源对CO₂的减排贡献巨大，建议将林业生物质能源纳入国家CO₂减排计划。将林业生物质能源和碳人工林结合起来研究是今后发展的一个重要方向(祝列克，2006; 程序，2009)，而植物热值和碳含量又是研究二者的重要技术指标，且二者相结合的研究报道较少(官丽莉等，2005; 王立海等，2008; 2009; 陈美玲等，2008)。

克拉玛依农业开发区地处准噶尔盆地西北边缘的湖积平原，属典型的温带大陆性干旱荒漠气候，是近年来在干旱荒漠中新开辟的绿洲生态经济区，规模已达到1.34万4 hm²，先后引进各类树种70余种。本文选择该地生长良好的50种树木(34种乔木、16种灌木)为研究对象，通过测定树木干部的热值、碳含量及灰分含量，揭示干旱气候环境条件下人工林树种固定太阳辐射能的能力及其生长对策，了解碳贮量在不同植物中的分布，以期为新疆干旱区高效固碳能源树种的筛选提供理论依据。

采样地点位于克拉玛依市农业开发区，距克拉玛依市区20 km，地理坐标为84° 50'—85°20'E，45°22'—45°40'N，属典型的温带大陆性干旱荒漠气候。该地区冬季严寒，年极端最低温度可达-35.9 ℃，最大冻土深度达1.5～2.0 m; 夏季高温炎热，年极端最高气温可达42.9 ℃; 年降水量多年平均为105.3 mm，从年内分布看，6—8月稍多，冬季无稳定积雪，造成土壤冻蚀严重。全年潜在蒸发量达3 545 mm，约为年降水量的34倍，无霜期180～220天。光热资源丰富，日照率高且太阳辐射强度较大。春季多风，全年≥5级风的日数为119.7天，≥8级风的日数为45.6天，最大风速可达25.1 m·s^-1，主风向西北，是准噶尔盆地的风区之一，风沙危害严重。

2009年4月，在采样点选择生长良好的50种树木(乔木34种，灌木16种)，树龄在5～9年之间，乔木株行距为2 m×3 m 或3 m×3 m，灌木株行距为1 m×2 m 或1 m×3 m，水肥供应条件良好，定期进行整形修剪，具体物种名录见表 1。乔木取1.3 m处的主干，灌木取基径，每树种选3株，用锯子取一个5～10 cm 厚的圆盘，放入自封袋中，做好标记，带回实验室。在室内，将圆盘的皮剥掉，只针对50个树种的干进行分析。将圆盘在105 ℃条件下烘干8h，用电锯将圆盘锯开，从外向内，取一个扇形面，样品质量10～15 g，将重复样混合在一起，再用粉碎机进行充分粉碎，样品过60目筛，装入自封袋，放入干燥皿中保存。

表 1 50种树木热值、碳含量与灰分含量^① Tab.1 Caloric values, carbon contents and ash contents of fifty woods

表 1 50种树木热值、碳含量与灰分含量① Tab.1 Caloric values, carbon contents and ash contents of fifty woods

量热法测定热值: 采用用中国矿业大学张洪研究所生产的CT5000A型氧弹式热量计进行测定，试验前用苯甲酸进行标定，取样(1.000 0 ± 0.002 0)g，每样品重复3次，重复误差控制在±0.2 kJ·g^-1，取3次试验结果的平均值。

采用干灰化法，称取1.000 0～2.000 0 g样品放入坩埚，在自动控温CTM 500型马弗炉(中国矿业大学张洪研究所生产)中加热到150 ℃保持10 min，使样品充分炭化至无烟，继续升温至(575±25)℃，将样品燃烧至灰白色，在炉温200 ℃以下时移入干燥器内冷却至室温称质量，重复灼烧2 h，再次称质量，重复至前后2次称量相差不超过0.5 mg为恒质量，以最小称量为准，每个样品测定重复3次，取3次试验结果的平均值。

干烧法: 采用德国Elementar公司生产的Vario ELⅢ元素分析仪测定样品的有机碳元素含量，每次测3个平行样，重复误差控制在±0.3%，具体试验由新疆师范大学分析测试中心完成。

用Excel 2003进行作图，SPSS 11.5进行方差分析、多重比较(LSD法)、t检验、相关性分析、聚类分析。

表 1反映了50种树木干部的热值、碳含量和灰分含量的分布特征，方差分析结果表明，3个指标的差异均达到极显著水平(P＜0.01)。克拉玛依地区50种树木干部热值在17.753～19.112 kJ·g^-1之间，平均值为18.285 kJ·g^-1，最大值为柠条(Caragana intermedia)、樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)，其值分别为19.112，19.025 kJ·g^-1。究其原因，柠条属于豆科(Leguminosae)植物，植物体内含有较多的脂肪，而樟子松是典型的油脂类植物，所以二者的热值含量较高。该地区的热值低于全国的平均水平(19.122 kJ·g^-1)(何晓等，2007)，主要是因为这50种树木多是外来树种，乡土树种少，而干旱区独特气候条件所带来的水分胁迫、盐胁迫和高低温刺激均会对植物热值产生影响，植物的生长发育会受到胁迫环境的抑制，表现为热值下降(徐世健等，2000; 叶功富等，2008)。

碳含量的变化在44.57%～50.35%之间，平均值为48.88%，倒榆(Ulmus pumila cv. Pendula)的碳含量最高，为50.35%，其次为樟子松(50.34%)、黑果枸杞(Lycium ruthenicum)(50.11%)、大果沙棘(Hippophae rhamnoides)(50.00%)。总体而言，克拉玛依地区树木干部的碳含量低于北京延庆县暖温带落叶阔叶林和温带针叶林9种建群种树干的碳含量(50.12%～56.10%，均值52.81%)(张萍，2009)，与甘肃小陇山暖温带落叶阔叶林和落叶阔叶针叶混交林13种建群种乔木干的碳含量(46.94%～49.35%，均值48.18%)(程堂仁，2007)、华北山地暖温带落叶阔叶林区8种建群种干的碳含量(47.92%～51.34%，均值49.37%)(陈遐林，2003)相近。同时也验证马钦彦等(2002)的研究结果，即中国乔木树种平均碳含量大于45%，阔叶树的平均碳含量大多低于50%，而针叶树的平均碳含量大多等于或高于50%。另外，干旱气候条件下50种木本植物干部碳含量与其他气候类型相比，没有表现出明显规律性，而相关的研究较少，许振柱等(2004)研究发现土壤干旱对柠条和羊柴(Hedysarum mongolicum)叶片碳含量无显著影响，因此植物碳含量与环境因素之间的关系有待于进一步研究。

灰分含量在0.29%～2.34%之间，胡密杨(Populus talassica×P. euphratica)灰分含量最高，为2.34%，樟子松最低，为0.29%，平均值为0.82%。灰分含量较其他地区植物低，低于鼎湖山南亚热带季风常绿阔叶林(0.47%～5.70%，均值2.52%)(旷远文等，2005)及针阔叶混交林(1.7%～4.2%，均值3.0%)(任海等，1999)、广东鹤山人工林群落主要优势植物(0.36%～9.50%，均值2.74%)(曾小平等，2009)，与东北林业大学哈尔滨实验林场(0.47%～2.55%，均值1.15%)(王立海等，2008)、黄土高原子午岭林区6个典型群落优势种(0.37%～1.70%，均值0.83%)(陈美玲等，2009)相近。可能是由于干旱区土壤中矿质元素含量少，植物对干旱土壤营养物质的吸收能力有限。

一般认为，植物的热值储量与其生境中的光照强度呈正相关，接受的太阳辐射越弱，热值降低越多(Long，1934)。从森林林冠到地表层，光照强度的递减导致植物热值在垂直层面上的递减，所以森林中的热值格局一般遵从森林上层到下层逐级递减的规律，即乔木的热值高于灌木(Golley，1969; 林鹏等，1996; 任海等，1999)。本试验共调查34种乔木和16种灌木，平均热值分别为18.256，18.335 kJ·g^-1，乔木干部热值稍低于灌木干部热值，t-检验结果表明二者差异不显著(P＞0.05)。这主要是因为本研究的树木都是干旱区常见的绿化树种，全部为人工种植，株行距安排比较合理，大大降低树木争夺光资源的竞争力。另一方面，乔木的碳含量与灌木近似相等，其值分别为48.86%和48.87%，差异不显著(P＞0.05); 灰分含量也近似相等，分别为0.82%和0.81%，差异也不显著(P＞0.05)。

本试验调查的50种树木，分属21个科，其中杨柳科(Salicaceae)最多，包括11种树木，蔷薇科(Rosaceae)其次，包括8种树木，木犀科(Oleaceae)5种，榆科(Ulmaceae)4种，柽柳科(Tamaricaceae)3种，豆科3种，其余都在2种以下。对于树种数在3种以上的科进行热值比较，豆科(18.392 kJ·g-¹)＞木犀科(18.361 kJ·g^-1)＞榆科(18.320 kJ·g^-1)＞蔷薇科(18.310 kJ·g^-1)＞杨柳科(18.128 kJ·g^-1)＞柽柳科(18.086 kJ·g^-1)，方差分析结果显示，各科之间未表现出显著差异(P＞0.05)。碳含量的大小顺序为，榆科(49.51%)＞木犀科(49.09%)＞豆科(48.87%)＞柽柳科(48.67%)＞蔷薇科(48.55%)＞杨柳科(48.47%)，各科之间也没有表现出显著差异(P＞0.05)。灰分含量的变化情况为，柽柳科(1.53%)＞榆科(1.26%)＞豆科(0.79%)＞杨柳科(0.75%)＞蔷薇科(0.54%)＞木犀科(0.50%)，各科之间表现出极显著差异(P＜0.01)，多重比较结果见图 1。

	图 1 不同科间灰分含量 Fig. 1 Ash content of different families 大写字母不同表示差异极显著(P＜0.01) ，小写字母不同表示差异显著(P＜0.05) 。 Different capital letter shows extremely significant difference, different lower letters shows significant difference

对50个树种干部的热值、碳含量和灰分进行相关性分析，结果表明: 热值与碳含量之间存在极显著的正相关关系(r=0.518，P＜0.01)，热值与灰分之间存在负相关关系但不显著(r=-0.188，P＞0.05)，而碳含量和灰分之间几乎没有相关性(r=0.009，P＞0.05)。樟子松和柠条具有最高的热值(19.025，19.112 kJ·g^-1)，其碳含量也较高(50.34%，49.88%)。孙国夫等(1993)测定水稻(Oryzasativa)叶片各生育期的碳素与热值表明，叶片碳素与热值之间存在极显著正相关，由于任何一类有机质均由碳素构成骨架，在一般植物中，碳和氧元素占干质量的大部分，所以碳素含量越高，则热值可能越高。徐永荣等(2003)对几种盐渍土植物的研究也表明，植物的热值与碳含量之间存在极显著的正相关关系。

以热值、碳含量及灰分含量作为变量，对克拉玛依地区50个树种进行聚类分析，采用欧式距离平方(squared euclidean distance)进行类间平均链锁聚类(between-groups linkage)，结果见图 1。根据本研究需要，将50个树种分成4个大类，整理其热值、碳含量和灰分含量的特征见表 2。从表 2可以看出，4类树种的热值有很明显的规律性，即第1类热值均大于19.000 kJ·g^-1，第2类变化区间为18.794～18.484 kJ·g^-1，第3类变化区间为17.753～17.985 kJ·g^-1，第4类变化区间为18.096～18.422 kJ·g^-1。从热值的变化区间可以看出，各个区间的变化范围均在0.500 kJ·g^-1左右，因此，尝试提出克拉玛依地区树木热值的分级范围，即分成4个等级，包括高、较高、中、低，热值变化区间分别为大于19.000 kJ·g^-1，18.500～19.000 kJ·g^-1，18.000～18.500 kJ·g^-1，17.500～18.000 kJ·g^-1，为今后干旱区热值研究提供参考。

表 2 4类树种的热值、碳含量及灰分含量特征 Tab.2 Caloric values，carbon contents and ash contents of four kinds woods

表 2 4类树种的热值、碳含量及灰分含量特征 Tab.2 Caloric values，carbon contents and ash contents of four kinds woods 分类Classification 树种编号No. of species 热值Caloric value /( kJ·g-1) 碳含量Carbon content(%) 灰分含量Ash content(%) 第1类First class 32，47 均值Mean 19.068 均值 Mean 50.11 均值Mean 0.43 最大值Maximum 19.112 最大值 Maximum 50.34 最大值Maximum 0.57 最小值Minimum 19.025 最小值 Minimum 49.88 最小值Minimum 0.29 第2类Second class 12，15，24，35,36， 43，45，48 均值Mean 18.597 均值 Mean 49.70 均值Mean 0.62 最大值Maximum 18.794 最大值 Maximum 50.11 最大值Maximum 1.06 最小值Minimum 18.484 最小值 Minimum 49.10 最小值Minimum 0.30 第3类Third class 4，9，11，30，34， 39，42，50 均值Mean 17.924 均值 Mean 48.53 均值Mean 0.84 最大值Maximum 17.985 最大值 Maximum 49.41 最大值Maximum 1.68 最小值Minimum 17.753 最小值 Minimum 47.97 最小值Minimum 0.43 第5类Fourth class 其余Rest 均值Mean 18.259 均值 Mean 48.67 均值Mean 0.83 最大值Maximum 18.422 最大值 Maximum 50.35 最大值Maximum 2.11% 最小值Minimum 18.096 最小值 Minimum 44.57 最小值Minimum 0.32

从4类树种的碳含量来看，第1类到第4类的碳含量依次为50.11%，49.70%，48.53%，48.67%，表现出热值降低、碳含量降低的趋势，这与前面的分析结果相同。从灰分含量来看，第1类到第4类的灰分含量均值分别为0.43%，0.62%，0.84%，0.83%，表现为随热值的降低灰分含量上升的趋势。

总体来看，第1类树种的特征为高热值、高碳含量、低灰分，包括柠条和樟子松; 第2类树种则是较高热值、较高碳含量、较低灰分，包括黑果枸杞、卫矛、紫丁香、杜梨、沙枣、大果沙棘、桑树、李; 第3、4类为热值和碳含量较低、灰分较高的树种。

	图 2 50个树种热值、碳含量、灰分含量聚类分析 Fig. 2 Clustering analysis of caloric values，carbon contents and ash contents of fifty woods

1) 克拉玛依地区属于典型的干旱荒漠气候，该气候条件下木本植物的热值、灰分含量低于国内其他地区，碳含量没有表现出规律性，植物碳含量与环境因素之间的关系有待于进一步研究。

2) 在本研究对象范围内，不同生活型(乔木、灌木)之间的热值、碳含量、灰分含量没有产生显著差异，可能是由于干旱荒漠区人工林栽培模式下，株行距安排合理，降低了树木争夺光资源的竞争力。

3) 在本研究对象范围内，热值与碳含量之间存在极显著的正相关关系，相关系数为0.518，热值与灰分之间、碳含量与灰分之间没有表现出显著相关性。

4) 在本研究对象范围内，科间热值大小为豆科＞木犀科＞榆科＞蔷薇科＞杨柳科＞柽柳科，碳含量大小为榆科＞木犀科＞豆科＞柽柳科＞蔷薇科＞杨柳科，灰分含量为柽柳科＞榆科＞豆科＞杨柳科＞蔷薇科＞木犀科。

5) 在本研究对象范围内，柠条和樟子松属于高热值、高碳含量、低灰分树种，黑果枸杞、卫矛、紫丁香、杜梨、沙枣、大果沙棘、桑树、李属于较高热值、较高碳含量、较低灰分树种。