烟田生态系统碳收支研究

刘青丽 蒋雨洲 邹 焱 张云贵 张 恒 石俊雄 李志宏,*

烟田生态系统碳收支研究

刘青丽1蒋雨洲1邹 焱2张云贵1张 恒2石俊雄2李志宏1,*

1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/ 烟草行业生态环境与烟叶质量重点实验室, 北京 100081;2贵州省烟草科学研究院, 贵州贵阳 550081

农业生态系统碳平衡对评估陆地生态系统的源和汇具有重要意义, 针对烤烟生长及管理的特殊性, 研究烟田生态系统碳收支, 为提升烟田管理及农业碳汇估算提供依据。本研究以定位试验为平台, 以单施化肥处理为研究对象, 于2015—2017年观测了烤烟生长季的碳收支。研究结果表明, 烤烟生物量平均为(5832.10±537.32) kg hm-2; 烟株碳含量平均为(42.14±0.05)%, 累积固碳量为(2459.25±233.78) kg hm-2。烤烟根系碳占烟株碳比例较高, 平均为24.94%。烤烟生长季湿沉降碳达到了115.32 kg hm-2, 干沉降碳量为6.54 kg hm-2, 两者占根系碳的20.01%。烟生长季碳输出总量为2464.98 kg hm-2, 其中CO2排放碳占碳支出的98.99%, 径流损失碳占支出的0.76%, 淋溶损失碳占支出的0.25%。烟田生态系统对大气而言是弱碳汇, 碳汇量116.13 kg hm-2。虽然烤烟固碳总量相对较低, 但其根系对土壤碳贡献却相对较高。

烤烟; 碳收支; 碳汇/源; 碳排放; 大气沉降

农田生态系统是巨大的碳库, 是陆地生态系统碳循环的重要组成部分, 农业生态系统碳平衡对于评估陆地生态系统的源和汇具有重要意义。烤烟2017年种植面积达到了98.12万公顷[1], 研究烟田生态系统碳收支, 为烟田管理改进及农业碳汇估算提供依据。由于不同植物碳含量[2]、碳效率[3]及碳储量[4]不同, 因此作物种类影响农田生态系统碳平衡[5]。以往农田生态系统碳收支的研究多集中在小麦[6-8]、玉米[7,9-11]、水稻[12-13]、棉花[14]、蔬菜[15-16]等作物上, 在特色经济作物上较少研究。烤烟是我国重要的叶用经济作物, 相对于烟叶产量, 生产上更注重烟叶品质。为了获得优质的烟叶, 生产上采用打顶、抹芽、控制氮肥施用等生产措施[17], 这无疑会影响烤烟生物量累积和碳固定。本研究针对烤烟生长及管理的特殊性, 以长期定位试验为平台, 研究烟田生态系统碳收支途径, 为烟田管理提升及农业碳汇估算提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

于2015—2017年在贵州省贵阳市开阳县龙岗镇长期定位试验进行(26°52′24.8″N, 107°06′40.8″E)。试验地相对平坦, 灌排方便, 供试土壤为黄壤, 含有机质含量43.76 g kg-1、全氮含量2.71 g kg-1、全磷1.18 g kg-1、全钾18.18 g kg-1、速效磷52.11 mg kg-1、速效钾181.75 mg kg-1, pH 6.75。此区无霜期240~265 d, 年平均气温13.5~14.6℃, 年日照时数948.2~1084.8 h, 平均降水量1129.9~1205.9 mm。2015—2017年温度和降水如图1所示。

1.2 试验设计与管理

龙岗长期定位试验始于2008年, 设置了缺素、单施化肥、厩肥配施化肥、生物有机肥配施化肥、连作、轮作等处理。本研究选择单施化肥轮作处理(NPK, 前茬作物玉米)开展研究; 由于定位试验无重复, 为了增加数据的可信度, 在每个小区进行了多点采样(3点)。

NPK处理烤烟季施氮肥75 kg hm-2、磷肥(P2O5) 75 kg hm-2、钾肥150 kg hm-2。其中氮肥和钾肥分基肥和追肥2次使用(基追比为7∶3)、磷肥作为基肥一次性施用。基肥为复混肥(N 10%; P2O510%; K2O 25%)、过磷酸钙(P2O514%)和硫酸钾(K2O 51%), 追肥施用硝酸铵(N 35%)和硫酸钾(K2O 51%)。基肥采用条施, 追肥采用穴施。

图1 龙岗长期定位试验站2015-2017年温度和降水量

供试烤烟品种为K326, 移栽规格为110 cm × 55 cm, 每个小区8垄, 栽培烤烟240株。2015年, 4月30日施基肥, 5月1日移栽, 6月14日施追肥, 8月底烤烟采收结束。2016年, 5月3日施基肥, 5月4日移栽, 6月1日施追肥, 烤烟9月中旬采收结束。2017年, 4月18日施基肥, 4月24日移栽, 5月31日追肥, 烤烟9月上旬采收结束。

整个烤烟生长季仅移栽时浇定根水, 其他时期均无人工灌溉。其他田间管理制度, 按照烤烟田间耕作栽培制度进行。

1.3 样品采集与测试

1.3.1 气体样品采集 2015—2017年采用静态箱-气象色谱法测定CO2。静态箱如图2[18]所示, 其中底座尺寸为60 cm×50 cm×30 cm, 上箱尺寸长60 cm×50 cm×30 cm。在小区内固定3个底座(烟株在底座中央), 取样时将箱体小心放置嵌入底座凹槽内, 用水密封, 保证箱体内外空气不发生交换。在0~45 min内, 每间隔15 min用50 mL注射器采集气体, 迅速转移到250 mL铝膜气样袋中(大连光明化工研究所生产)。每间隔15 d取1次样, 一般在8:00—11:00时间段进行, 取样后尽快完成样品测定。

1: 不锈钢顶箱壁; 2: 气压平衡管; 3: 采样管及三通阀; 4: 温度传感器; 5: 外壁上的隔热材料; 6: 不锈钢平台; 7: 弹性密封材料; 8: 弹性密封材料; 9: 土壤表面; 10: 不锈钢底座壁; 11: 植株。

1: stainless steel wall of top-box; 2: air pressure balance pipe; 3: sampling pipe and three-way valve; 4: temperature sensor; 5: thermal insulation material on the outer wall; 6: stainless steel platform; 7: elastic sealing material; 8: elastic sealing material; 9: soil surface; 10: stainless steel base wall; 11: a plant.

1.3.2 淋溶液收集 2015年采用如图3的淋溶装置测定碳淋溶。将深90 cm土壤挖出, 在土壤中嵌入淋溶液收集桶, 上部用塑料薄膜沿剖面铺垫, 土壤按层回填, 尽量不破坏土体垂直结构, 形成一个小型淋溶池, 利用抽气泵抽气产生负压提取淋溶液, 用TOC仪测定溶液中碳含量。

1.3.3 径流液收集 2016年采用径流池测定碳径流。为使种植小区不被破坏, 在小区一侧挖掘并构建宽1 m、深1m的径流池, 贴小区一侧地面有直径为5 cm连接径流池内部的PVC管, 用于排小区内地表径流产生的水。降水或灌溉后收集径流水, 收集前将水样尽量混匀, 并将径流池中的水排空。收集到的水样立即送实验室低温保存或及时测定, 用TOC仪测定碳含量。

1.3.4 大气干湿沉降收集 2016年参照国家标准方法(GB/T 15265-94), 设置干沉降和湿沉降缸(Ф150 mm), 收集大气干湿沉降。为减少地面起尘的影响, 降尘缸放置在高于地面1.5 m的铁架上, 安装不锈钢网罩防鸟类取水。湿沉降缸加盖, 在降雨时打开, 雨停后盖上盖子。干沉降缸中加入乙二醇溶液60 mL左右, 根据当地降雨和蒸发情况, 酌情加蒸馏水50~100 mL; 遇降雨封盖, 雨停揭盖继续收集。干湿沉降样品, 每月采集1次。采用TOC仪测定碳含量。

1.3.5 植株样品采集 2015—2017年, 烤烟成熟期, 每小区选择长势中等烟株3株, 采集整株植物样品, 分为根、茎(包含花絮及叶芽)、下部叶(底叶及1~6片叶)、中部叶(7~12片)、上部叶(13片以上), 杀青烘干之后称重。将标记株样品粉碎, 用TOC仪测定碳含量。

图3 土壤淋溶水收集装置

1.4 计算

烤烟生长季CO2排放总量():

式中,为CO2累积排放量(kg hm-2),为CO2排放通量(kg hm-2d-1),为采样次数,为移栽后天数(d)。

式中,C为部位碳含量(%),B为部位生物量(kg hm-2)。

烟株碳含量(%) = 烟株固碳量/烟株生物量

烟田生态系统收入碳(Input) = 烤烟固定碳+大气干沉降碳+湿沉降碳

烟田生态系统输出碳(Output) = CO2排放碳+淋溶碳+径流碳

烟田生态系统碳平衡=烟田生态系统收入碳(Input)-烟田生态系统输出碳(Output)

1.5 统计分析方法

应用SPSS21.0统计软件, 对数据进行方差分析和多重比较(Duncan’s), 用Origin 8.0作图。

2 结果与分析

2.1 烤烟碳含量特征

2.1.1 不同器官碳含量 碳储量一般根据碳含量及生物量来计算。在常规施肥下, 烟株平均碳含量为(42.14±0.05)%。方差分析显示, 烤烟不同部位碳含量差异显著(图4), 其中根的碳含量最高, 平均为(44.03±1.38)%; 其次是茎, 碳含量平均为(43.27± 0.37)%。叶的碳含量低于根和茎, 且随着叶位上升, 烟叶碳含量逐渐下降。下部叶、中部叶、上部叶碳含量分别为(41.96±0.44)%、(41.46±0.11)%、(39.76± 1.00)%。

2.1.2 烤烟碳累积与分配 烤烟累积生物量3年平均为(5832.10±537.32) kg hm-2, 同化碳量为(2459.25±233.78) kg hm-2, 年度变异系数为8.73%。方差分析显示(图5), 不同器官碳累积量差异显著, 其中叶碳累积量平均为1170.59 kg hm-2, 显著高于根和茎; 根和茎的碳累积量差异不显著, 分别为611.27 kg hm-2和677.39 kg hm-2。从碳的分配上来看, 烤烟根系固碳量最低, 仅占24.94%, 茎固碳量占烟株的27.41%, 叶碳累积量最高, 平均为47.64%。根和茎占总碳量的52.36%, 说明烤烟同化碳中有一半可以归还土壤。

图4 烤烟不同部位碳含量

图5 烤烟固碳量及其分配

2.2 烤烟生长季大气碳沉降

由表1可以看出, 烤烟生长季的湿沉降碳量为115.32 kg hm-2, 沉降时间主要在6、7月份, 8、9月份湿沉降量较低。湿沉降的碳浓度与降雨量成负相关(=-0.87)。湿沉降碳含量平均为17.21 mg L-1, 贵州全年降雨量为1154.1 mm, 合计年湿沉降碳总量为198.64 kg hm-2。烤烟生长季干沉降量为6.54 kg hm-2, 沉降的时间主要在8、9月份, 5月至7月干沉降量较低。干沉降碳含量平均为21.72 mg g-1, 贵州全年干沉降量达到了1444.0 kg hm-2, 合计年干沉降碳量为31.37 kg hm-2, 年碳沉降总量为230.00 kg hm-2。

表1 试验区碳沉降量汇总表

2.3 烤烟生长季CO2排放规律

不同年份CO2的排放动态一致(图6), CO2的排放动态与烤烟生长密切相关。从3年平均值可以看出, 在烤烟移栽初期 (0~30 d)较低, 团棵期之后烤烟快速生长, CO2的排放速率也迅速增加, 至烤烟打顶期排放速率达到最大, 之后开始下降。烤烟移栽后110 d左右, CO2排放速率降至最低, 之后CO2排放维持在较低的水平。CO2日平均排放量为74.56 kg hm-2d-1, 整个生长季120 d的CO2排放总量达到了(8947.21±3245.26) kg hm-2, 合计烟田生态系统碳排放量为(2440.15±885.07) kg hm-2。不同年份CO2排放量变动幅度较大(图7), 2015年、2016年和2017年CO2排放量分别为7795.32、12,611.29和6435.02 kg hm-2, 变异系数达到了36.27%。

图6 烟田生态系统CO2排放动态

图7 不同年份CO2排放量

2.4 烟田生态系统碳支出

烤烟生长季碳输出包括碳排放、径流损失、淋溶损失, 三者输出量分别为(2440.15±885.07)、18.65、(6.18±0.29) kg hm-2, 合计碳输出量2464.98 kg hm-2。通过径流或淋溶造成的碳损失较低, 占生态系统碳输出量的0.76%, 淋溶碳占生态系统碳输出量的0.25%。而通过CO2排放造成的碳输出量占总量的98.99% (图8)。由此可见, 烟田生态系统碳输出主要是土壤微生物呼吸和根系呼吸。

2.5 烟田生态系统碳平衡

在不施用有机肥条件下, 进入烟田生态系统的碳主要包括大气沉降碳和作物固定碳, 合计输入碳量为2581.80 kg hm-2。烟田生态系统通过土壤呼吸(根系和微生物)、径流、淋溶等输出碳, 输出碳总量为2464.98 kg hm-2。通过输入和输出对比显示, 烤烟生态生态系统碳盈余116.13 kg hm-2(图9)。由此可见, 在不施有机肥的情况下, 烟田生态系统为大气的“弱碳汇”。

图8 烟田生态系统碳输出途径及贡献

3 讨论

作物固定碳是作物生态系统主要的碳来源之一。烤烟是叶用经济作物, 为了获得优质的烟叶, 生产上多采用打顶及抹芽等农艺措施, 且严格限制氮肥施用量[17], 这些措施改变了烤烟自然生长, 从而限制了烤烟碳累积, 整个生长季烤烟累积生物量平均为(5832.10±537.32) kg hm-2, 累积固碳量为(2459.25±233.78) kg hm-2。以往研究显示, 玉米生物量达到了19.7 t hm-2 [19], 水稻碳累积量达到了4418 kg hm-2 [20], 小麦碳累积量为10,093.8 kg hm-2 [8], 可见烤烟生物量及碳累积量低于大田作物。与此同时, 烟株碳含量略低于或等于大田作物,研究显示, 烟株平均碳含量为(42.14±0.05)%, 而玉米碳含量45.64%~46.2%[4,19]、小麦碳含量45.61%[4]、水稻碳含量41.97%~43.3%[4,20]。虽然烤烟碳累积量低于大田作物, 但烤烟根系的分配比例却高于大田作物。研究显示, 烤烟根系碳占烟株碳24.76%, 而小麦[8]、玉米[19]、水稻[20-21]根系碳仅占总生物量的7.0%、4.9%~6.1%、9.9%~ 10.6%。因此烤烟虽然总生物量低, 但其根对土壤碳的贡献却相对较高。

图9 烟田生态系统碳平衡

一般认为, 生态系统碳来源包括根系输入和人为施入的有机碳, 除此之外, 大气中的有机碳、元素碳气溶胶在重力作用及雨水冲刷下, 经过沉降过程进入到地面环境, 这是碳循环过程中的重要环节之一, 而在目前地球化学碳循环的研究中, 这部分碳汇经常被忽略。Lohse等[22]研究显示, 大气沉降对干旱城市内和附近的营养和碳贫乏的沙漠生态系统的生物地球化学循环很重要。Mladenov等[23]认为, 大气沉降碳是高山贫瘠土壤碳的重要来源。国内也有研究分析了降雨和干沉降碳的组成[24-25], 本研究通过对大气碳沉降的研究显示, 烤烟生长季湿沉降碳达到了115.32 kg hm-2, 烤烟生长季干沉降碳量为6.54 kg hm-2, 两者占根系碳的20.01%, 全年碳沉降总量达到了230.00 kg hm-2, 可见在研究生态系统碳收支时, 沉降碳也应有所考虑。

烟田生态系统碳的输出途径有多种, 包括CO2排放、径流或淋溶损失、风蚀等。本研究显示, 烟生长季碳输出总量2438.16 kg hm-2, 其中CO2排放支出占99.03%, 径流碳支出占0.73%, 淋溶碳占0.24%, 表明CO2排放是系统碳支出的主要途径。虽然径流或淋溶碳对土壤生物意义较大[26], 但从系统碳收支角度看, 径流或淋溶碳可以忽略不计。CO2排放主要是土壤微生物呼吸和根系呼吸, 其与烤烟生长密切相关。研究显示, 在烤烟移栽初期(0~30 d)较低, 团棵期之后烤烟快速生长, CO2的排放速率也迅速增加, 至烤烟打顶期排放速率达到最大, 之后开始下降。表明生长季CO2的排放动态主要受烤烟生长的影响。

通过输入和输出对比显示, 无人为碳源输入下, 烟田生态生态系统对大气而言是弱碳汇, 碳汇量142.95 kg hm-2。相关文献综合分析显示, 小麦、水稻、玉米、大豆的平均碳汇量分别为每年1.57、4.39、5.55、1.43 t hm-2[27-32]。与大田作物相比, 烟田生态系统碳汇量较低, 主要原因在于烤烟生物量低于大田作物。

4 结论

为了获得优质的烟叶, 生产上多采用打顶及抹抑芽剂等农艺措施, 限制了烤烟碳累积, 使烤烟生物量及碳累积量低于大田作物。然而烤烟总生物量虽然低, 但由于根系碳占总碳比例高, 其对土壤碳贡献却相对较高。烟田生态系统碳输出有多种途径, 但CO2排放是系统碳支出的主要途径。在无人为碳源输入下, 烟田生态系统对大气而言是“弱碳汇”, 如何提高烟田生态系统碳汇量、提升其生态价值, 有待进一步研究。

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The study of carbon budget on field-tobacco ecosystem

LIU Qing-Li1, JIANG Yu-Zhou1, ZOU Yan2, ZHANG Yun-Gui1, ZHANG Heng2, SHI Jun-Xiong2, and LI Zhi-Hong1,*

1Institute of Agricultural Resource and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Ecological Environment and Tobacco Quality in Tobacco Industry, Beijing 100081, China;2Guizhou Academy of Tobacco Science, Guiyang 550081, Guizhou, China

The carbon balance of the agricultural ecosystem is of great significance for the assessment of the source and sink of the terrestrial ecosystem. In view of the particularity of the growth and management of flue-cured tobacco, the carbon budget of the field-tobacco ecosystem was studied in order to provide the basis for the improvement of tobacco field management and the estimation of agricultural carbon sink. In this study, the carbon budget was observed with single application of chemical fertilizer using the long-term positioning test station for three years from 2015 to 2017. The results showed that the average cumulative biomass of flue-cured tobacco, the average carbon content of tobacco plant, and the cumulative carbon sequestration were (5832.10 ± 537.32) kg hm-2, (42.14 ± 0.05)%, and (2459.25 ± 233.78) kg hm-2, respectively. The ratio of root carbon to plant carbon was higher, with an average of 24.94%. The wet deposition carbon and the dry deposition carbon were 115.32 kg hm-2and 6.54 kg hm-2respectively, both accounting for 20.01% of root carbon amount. The total carbon output in growing season was 2464.98 kg hm-2, in which the CO2emission expenditure accounts for 98.99%, the runoff carbon expenditure 0.76%, and the leaching carbon accounts for 0.25%. The flue-cured tobacco ecosystem was a weak carbon sink to the atmosphere, with a carbon sink of 116.13 kg hm-2. The total amount of carbon sequestration in flue-cured tobacco was relatively lower, whereas its root system had a relatively higher contribution to soil carbon.

flue-cured tobacco; carbon budget; carbon sink/source; carbon emission; atmospheric deposition

10.3724/SP.J.1006.2020.94164

本研究由国家烟草专卖局科技项目(110201402015, 110201901025[SJ-04])和中国烟草公司贵州省公司科技项目(201802)资助。

This study was supported by the National Tobacco Monopoly Bureau project (110201402015, 110201901025[SJ-04]) and the Guizhou Branch of China Tobacco Corporation Project (201802).

李志宏, E-mail: lizhihong01@caas.ac.cn

E-mail: liuqingli@caas.cn

2019-11-05;

2020-04-15;

2020-05-11.

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20200511.1400.006.html