煙田生態(tài)系統(tǒng)碳收支研究

劉青麗 蔣雨洲 鄒 焱 張?jiān)瀑F 張 恒 石俊雄 李志宏,*

煙田生態(tài)系統(tǒng)碳收支研究

劉青麗1蔣雨洲1鄒 焱2張?jiān)瀑F1張 恒2石俊雄2李志宏1,*

1中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/ 煙草行業(yè)生態(tài)環(huán)境與煙葉質(zhì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081;2貴州省煙草科學(xué)研究院, 貴州貴陽(yáng) 550081

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳平衡對(duì)評(píng)估陸地生態(tài)系統(tǒng)的源和匯具有重要意義, 針對(duì)烤煙生長(zhǎng)及管理的特殊性, 研究煙田生態(tài)系統(tǒng)碳收支, 為提升煙田管理及農(nóng)業(yè)碳匯估算提供依據(jù)。本研究以定位試驗(yàn)為平臺(tái), 以單施化肥處理為研究對(duì)象, 于2015—2017年觀測(cè)了烤煙生長(zhǎng)季的碳收支。研究結(jié)果表明, 烤煙生物量平均為(5832.10±537.32) kg hm-2; 煙株碳含量平均為(42.14±0.05)%, 累積固碳量為(2459.25±233.78) kg hm-2?？緹煾堤颊紵熤晏急壤^高, 平均為24.94%?？緹熒L(zhǎng)季濕沉降碳達(dá)到了115.32 kg hm-2, 干沉降碳量為6.54 kg hm-2, 兩者占根系碳的20.01%。煙生長(zhǎng)季碳輸出總量為2464.98 kg hm-2, 其中CO2排放碳占碳支出的98.99%, 徑流損失碳占支出的0.76%, 淋溶損失碳占支出的0.25%。煙田生態(tài)系統(tǒng)對(duì)大氣而言是弱碳匯, 碳匯量116.13 kg hm-2。雖然烤煙固碳總量相對(duì)較低, 但其根系對(duì)土壤碳貢獻(xiàn)卻相對(duì)較高。

烤煙; 碳收支; 碳匯/源; 碳排放; 大氣沉降

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是巨大的碳庫(kù), 是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分, 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳平衡對(duì)于評(píng)估陸地生態(tài)系統(tǒng)的源和匯具有重要意義。烤煙2017年種植面積達(dá)到了98.12萬(wàn)公頃[1], 研究煙田生態(tài)系統(tǒng)碳收支, 為煙田管理改進(jìn)及農(nóng)業(yè)碳匯估算提供依據(jù)。由于不同植物碳含量[2]、碳效率[3]及碳儲(chǔ)量[4]不同, 因此作物種類影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡[5]。以往農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳收支的研究多集中在小麥[6-8]、玉米[7,9-11]、水稻[12-13]、棉花[14]、蔬菜[15-16]等作物上, 在特色經(jīng)濟(jì)作物上較少研究。烤煙是我國(guó)重要的葉用經(jīng)濟(jì)作物, 相對(duì)于煙葉產(chǎn)量, 生產(chǎn)上更注重?zé)熑~品質(zhì)。為了獲得優(yōu)質(zhì)的煙葉, 生產(chǎn)上采用打頂、抹芽、控制氮肥施用等生產(chǎn)措施[17], 這無(wú)疑會(huì)影響烤煙生物量累積和碳固定。本研究針對(duì)烤煙生長(zhǎng)及管理的特殊性, 以長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為平臺(tái), 研究煙田生態(tài)系統(tǒng)碳收支途徑, 為煙田管理提升及農(nóng)業(yè)碳匯估算提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

于2015—2017年在貴州省貴陽(yáng)市開(kāi)陽(yáng)縣龍崗鎮(zhèn)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)進(jìn)行(26°52′24.8″N, 107°06′40.8″E)。試驗(yàn)地相對(duì)平坦, 灌排方便, 供試土壤為黃壤, 含有機(jī)質(zhì)含量43.76 g kg-1、全氮含量2.71 g kg-1、全磷1.18 g kg-1、全鉀18.18 g kg-1、速效磷52.11 mg kg-1、速效鉀181.75 mg kg-1, pH 6.75。此區(qū)無(wú)霜期240~265 d, 年平均氣溫13.5~14.6℃, 年日照時(shí)數(shù)948.2~1084.8 h, 平均降水量1129.9~1205.9 mm。2015—2017年溫度和降水如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與管理

龍崗長(zhǎng)期定位試驗(yàn)始于2008年, 設(shè)置了缺素、單施化肥、廄肥配施化肥、生物有機(jī)肥配施化肥、連作、輪作等處理。本研究選擇單施化肥輪作處理(NPK, 前茬作物玉米)開(kāi)展研究; 由于定位試驗(yàn)無(wú)重復(fù), 為了增加數(shù)據(jù)的可信度, 在每個(gè)小區(qū)進(jìn)行了多點(diǎn)采樣(3點(diǎn))。

NPK處理烤煙季施氮肥75 kg hm-2、磷肥(P2O5) 75 kg hm-2、鉀肥150 kg hm-2。其中氮肥和鉀肥分基肥和追肥2次使用(基追比為7∶3)、磷肥作為基肥一次性施用?；蕿閺?fù)混肥(N 10%; P2O510%; K2O 25%)、過(guò)磷酸鈣(P2O514%)和硫酸鉀(K2O 51%), 追肥施用硝酸銨(N 35%)和硫酸鉀(K2O 51%)?；什捎脳l施, 追肥采用穴施。

圖1 龍崗長(zhǎng)期定位試驗(yàn)站2015-2017年溫度和降水量

供試烤煙品種為K326, 移栽規(guī)格為110 cm × 55 cm, 每個(gè)小區(qū)8壟, 栽培烤煙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月底烤煙采收結(jié)束。2016年, 5月3日施基肥, 5月4日移栽, 6月1日施追肥, 烤煙9月中旬采收結(jié)束。2017年, 4月18日施基肥, 4月24日移栽, 5月31日追肥, 烤煙9月上旬采收結(jié)束。

整個(gè)烤煙生長(zhǎng)季僅移栽時(shí)澆定根水, 其他時(shí)期均無(wú)人工灌溉。其他田間管理制度, 按照烤煙田間耕作栽培制度進(jìn)行。

1.3 樣品采集與測(cè)試

1.3.1 氣體樣品采集 2015—2017年采用靜態(tài)箱-氣象色譜法測(cè)定CO2。靜態(tài)箱如圖2[18]所示, 其中底座尺寸為60 cm×50 cm×30 cm, 上箱尺寸長(zhǎng)60 cm×50 cm×30 cm。在小區(qū)內(nèi)固定3個(gè)底座(煙株在底座中央), 取樣時(shí)將箱體小心放置嵌入底座凹槽內(nèi), 用水密封, 保證箱體內(nèi)外空氣不發(fā)生交換。在0~45 min內(nèi), 每間隔15 min用50 mL注射器采集氣體, 迅速轉(zhuǎn)移到250 mL鋁膜氣樣袋中(大連光明化工研究所生產(chǎn))。每間隔15 d取1次樣, 一般在8:00—11:00時(shí)間段進(jìn)行, 取樣后盡快完成樣品測(cè)定。

1: 不銹鋼頂箱壁; 2: 氣壓平衡管; 3: 采樣管及三通閥; 4: 溫度傳感器; 5: 外壁上的隔熱材料; 6: 不銹鋼平臺(tái); 7: 彈性密封材料; 8: 彈性密封材料; 9: 土壤表面; 10: 不銹鋼底座壁; 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年采用如圖3的淋溶裝置測(cè)定碳淋溶。將深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鋪墊, 土壤按層回填, 盡量不破壞土體垂直結(jié)構(gòu), 形成一個(gè)小型淋溶池, 利用抽氣泵抽氣產(chǎn)生負(fù)壓提取淋溶液, 用TOC儀測(cè)定溶液中碳含量。

1.3.3 徑流液收集 2016年采用徑流池測(cè)定碳徑流。為使種植小區(qū)不被破壞, 在小區(qū)一側(cè)挖掘并構(gòu)建寬1 m、深1m的徑流池, 貼小區(qū)一側(cè)地面有直徑為5 cm連接徑流池內(nèi)部的PVC管, 用于排小區(qū)內(nèi)地表徑流產(chǎn)生的水。降水或灌溉后收集徑流水, 收集前將水樣盡量混勻, 并將徑流池中的水排空。收集到的水樣立即送實(shí)驗(yàn)室低溫保存或及時(shí)測(cè)定, 用TOC儀測(cè)定碳含量。

1.3.4 大氣干濕沉降收集 2016年參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法(GB/T 15265-94), 設(shè)置干沉降和濕沉降缸(Ф150 mm), 收集大氣干濕沉降。為減少地面起塵的影響, 降塵缸放置在高于地面1.5 m的鐵架上, 安裝不銹鋼網(wǎng)罩防鳥(niǎo)類取水。濕沉降缸加蓋, 在降雨時(shí)打開(kāi), 雨停后蓋上蓋子。干沉降缸中加入乙二醇溶液60 mL左右, 根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤旰驼舭l(fā)情況, 酌情加蒸餾水50~100 mL; 遇降雨封蓋, 雨停揭蓋繼續(xù)收集。干濕沉降樣品, 每月采集1次。采用TOC儀測(cè)定碳含量。

1.3.5 植株樣品采集 2015—2017年, 烤煙成熟期, 每小區(qū)選擇長(zhǎng)勢(shì)中等煙株3株, 采集整株植物樣品, 分為根、莖(包含花絮及葉芽)、下部葉(底葉及1~6片葉)、中部葉(7~12片)、上部葉(13片以上), 殺青烘干之后稱重。將標(biāo)記株樣品粉碎, 用TOC儀測(cè)定碳含量。

圖3 土壤淋溶水收集裝置

1.4 計(jì)算

烤煙生長(zhǎng)季CO2排放總量():

式中,為CO2累積排放量(kg hm-2),為CO2排放通量(kg hm-2d-1),為采樣次數(shù),為移栽后天數(shù)(d)。

式中,C為部位碳含量(%),B為部位生物量(kg hm-2)。

煙株碳含量(%) = 煙株固碳量/煙株生物量

煙田生態(tài)系統(tǒng)收入碳(Input) = 烤煙固定碳+大氣干沉降碳+濕沉降碳

煙田生態(tài)系統(tǒng)輸出碳(Output) = CO2排放碳+淋溶碳+徑流碳

煙田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡=煙田生態(tài)系統(tǒng)收入碳(Input)-煙田生態(tài)系統(tǒng)輸出碳(Output)

1.5 統(tǒng)計(jì)分析方法

應(yīng)用SPSS21.0統(tǒng)計(jì)軟件, 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和多重比較(Duncan’s), 用Origin 8.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 烤煙碳含量特征

2.1.1 不同器官碳含量 碳儲(chǔ)量一般根據(jù)碳含量及生物量來(lái)計(jì)算。在常規(guī)施肥下, 煙株平均碳含量為(42.14±0.05)%。方差分析顯示, 烤煙不同部位碳含量差異顯著(圖4), 其中根的碳含量最高, 平均為(44.03±1.38)%; 其次是莖, 碳含量平均為(43.27± 0.37)%。葉的碳含量低于根和莖, 且隨著葉位上升, 煙葉碳含量逐漸下降。下部葉、中部葉、上部葉碳含量分別為(41.96±0.44)%、(41.46±0.11)%、(39.76± 1.00)%。

2.1.2 烤煙碳累積與分配 烤煙累積生物量3年平均為(5832.10±537.32) kg hm-2, 同化碳量為(2459.25±233.78) kg hm-2, 年度變異系數(shù)為8.73%。方差分析顯示(圖5), 不同器官碳累積量差異顯著, 其中葉碳累積量平均為1170.59 kg hm-2, 顯著高于根和莖; 根和莖的碳累積量差異不顯著, 分別為611.27 kg hm-2和677.39 kg hm-2。從碳的分配上來(lái)看, 烤煙根系固碳量最低, 僅占24.94%, 莖固碳量占煙株的27.41%, 葉碳累積量最高, 平均為47.64%。根和莖占總碳量的52.36%, 說(shuō)明烤煙同化碳中有一半可以歸還土壤。

圖4 烤煙不同部位碳含量

圖5 烤煙固碳量及其分配

2.2 烤煙生長(zhǎng)季大氣碳沉降

由表1可以看出, 烤煙生長(zhǎng)季的濕沉降碳量為115.32 kg hm-2, 沉降時(shí)間主要在6、7月份, 8、9月份濕沉降量較低。濕沉降的碳濃度與降雨量成負(fù)相關(guān)(=-0.87)。濕沉降碳含量平均為17.21 mg L-1, 貴州全年降雨量為1154.1 mm, 合計(jì)年濕沉降碳總量為198.64 kg hm-2?？緹熒L(zhǎng)季干沉降量為6.54 kg hm-2, 沉降的時(shí)間主要在8、9月份, 5月至7月干沉降量較低。干沉降碳含量平均為21.72 mg g-1, 貴州全年干沉降量達(dá)到了1444.0 kg hm-2, 合計(jì)年干沉降碳量為31.37 kg hm-2, 年碳沉降總量為230.00 kg hm-2。

表1 試驗(yàn)區(qū)碳沉降量匯總表

2.3 烤煙生長(zhǎng)季CO2排放規(guī)律

不同年份CO2的排放動(dòng)態(tài)一致(圖6), CO2的排放動(dòng)態(tài)與烤煙生長(zhǎng)密切相關(guān)。從3年平均值可以看出, 在烤煙移栽初期 (0~30 d)較低, 團(tuán)棵期之后烤煙快速生長(zhǎng), CO2的排放速率也迅速增加, 至烤煙打頂期排放速率達(dá)到最大, 之后開(kāi)始下降?？緹熞圃院?10 d左右, CO2排放速率降至最低, 之后CO2排放維持在較低的水平。CO2日平均排放量為74.56 kg hm-2d-1, 整個(gè)生長(zhǎng)季120 d的CO2排放總量達(dá)到了(8947.21±3245.26) kg hm-2, 合計(jì)煙田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量為(2440.15±885.07) kg hm-2。不同年份CO2排放量變動(dòng)幅度較大(圖7), 2015年、2016年和2017年CO2排放量分別為7795.32、12,611.29和6435.02 kg hm-2, 變異系數(shù)達(dá)到了36.27%。

圖6 煙田生態(tài)系統(tǒng)CO2排放動(dòng)態(tài)

圖7 不同年份CO2排放量

2.4 煙田生態(tài)系統(tǒng)碳支出

烤煙生長(zhǎng)季碳輸出包括碳排放、徑流損失、淋溶損失, 三者輸出量分別為(2440.15±885.07)、18.65、(6.18±0.29) kg hm-2, 合計(jì)碳輸出量2464.98 kg hm-2。通過(guò)徑流或淋溶造成的碳損失較低, 占生態(tài)系統(tǒng)碳輸出量的0.76%, 淋溶碳占生態(tài)系統(tǒng)碳輸出量的0.25%。而通過(guò)CO2排放造成的碳輸出量占總量的98.99% (圖8)。由此可見(jiàn), 煙田生態(tài)系統(tǒng)碳輸出主要是土壤微生物呼吸和根系呼吸。

2.5 煙田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡

在不施用有機(jī)肥條件下, 進(jìn)入煙田生態(tài)系統(tǒng)的碳主要包括大氣沉降碳和作物固定碳, 合計(jì)輸入碳量為2581.80 kg hm-2。煙田生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)土壤呼吸(根系和微生物)、徑流、淋溶等輸出碳, 輸出碳總量為2464.98 kg hm-2。通過(guò)輸入和輸出對(duì)比顯示, 烤煙生態(tài)生態(tài)系統(tǒng)碳盈余116.13 kg hm-2(圖9)。由此可見(jiàn), 在不施有機(jī)肥的情況下, 煙田生態(tài)系統(tǒng)為大氣的“弱碳匯”。

圖8 煙田生態(tài)系統(tǒng)碳輸出途徑及貢獻(xiàn)

3 討論

作物固定碳是作物生態(tài)系統(tǒng)主要的碳來(lái)源之一?？緹熓侨~用經(jīng)濟(jì)作物, 為了獲得優(yōu)質(zhì)的煙葉, 生產(chǎn)上多采用打頂及抹芽等農(nóng)藝措施, 且嚴(yán)格限制氮肥施用量[17], 這些措施改變了烤煙自然生長(zhǎng), 從而限制了烤煙碳累積, 整個(gè)生長(zhǎng)季烤煙累積生物量平均為(5832.10±537.32) kg hm-2, 累積固碳量為(2459.25±233.78) kg hm-2。以往研究顯示, 玉米生物量達(dá)到了19.7 t hm-2 [19], 水稻碳累積量達(dá)到了4418 kg hm-2 [20], 小麥碳累積量為10,093.8 kg hm-2 [8], 可見(jiàn)烤煙生物量及碳累積量低于大田作物。與此同時(shí), 煙株碳含量略低于或等于大田作物,研究顯示, 煙株平均碳含量為(42.14±0.05)%, 而玉米碳含量45.64%~46.2%[4,19]、小麥碳含量45.61%[4]、水稻碳含量41.97%~43.3%[4,20]。雖然烤煙碳累積量低于大田作物, 但烤煙根系的分配比例卻高于大田作物。研究顯示, 烤煙根系碳占煙株碳24.76%, 而小麥[8]、玉米[19]、水稻[20-21]根系碳僅占總生物量的7.0%、4.9%~6.1%、9.9%~ 10.6%。因此烤煙雖然總生物量低, 但其根對(duì)土壤碳的貢獻(xiàn)卻相對(duì)較高。

圖9 煙田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡

一般認(rèn)為, 生態(tài)系統(tǒng)碳來(lái)源包括根系輸入和人為施入的有機(jī)碳, 除此之外, 大氣中的有機(jī)碳、元素碳?xì)馊苣z在重力作用及雨水沖刷下, 經(jīng)過(guò)沉降過(guò)程進(jìn)入到地面環(huán)境, 這是碳循環(huán)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)之一, 而在目前地球化學(xué)碳循環(huán)的研究中, 這部分碳匯經(jīng)常被忽略。Lohse等[22]研究顯示, 大氣沉降對(duì)干旱城市內(nèi)和附近的營(yíng)養(yǎng)和碳貧乏的沙漠生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)很重要。Mladenov等[23]認(rèn)為, 大氣沉降碳是高山貧瘠土壤碳的重要來(lái)源。國(guó)內(nèi)也有研究分析了降雨和干沉降碳的組成[24-25], 本研究通過(guò)對(duì)大氣碳沉降的研究顯示, 烤煙生長(zhǎng)季濕沉降碳達(dá)到了115.32 kg hm-2, 烤煙生長(zhǎng)季干沉降碳量為6.54 kg hm-2, 兩者占根系碳的20.01%, 全年碳沉降總量達(dá)到了230.00 kg hm-2, 可見(jiàn)在研究生態(tài)系統(tǒng)碳收支時(shí), 沉降碳也應(yīng)有所考慮。

煙田生態(tài)系統(tǒng)碳的輸出途徑有多種, 包括CO2排放、徑流或淋溶損失、風(fēng)蝕等。本研究顯示, 煙生長(zhǎng)季碳輸出總量2438.16 kg hm-2, 其中CO2排放支出占99.03%, 徑流碳支出占0.73%, 淋溶碳占0.24%, 表明CO2排放是系統(tǒng)碳支出的主要途徑。雖然徑流或淋溶碳對(duì)土壤生物意義較大[26], 但從系統(tǒng)碳收支角度看, 徑流或淋溶碳可以忽略不計(jì)。CO2排放主要是土壤微生物呼吸和根系呼吸, 其與烤煙生長(zhǎng)密切相關(guān)。研究顯示, 在烤煙移栽初期(0~30 d)較低, 團(tuán)棵期之后烤煙快速生長(zhǎng), CO2的排放速率也迅速增加, 至烤煙打頂期排放速率達(dá)到最大, 之后開(kāi)始下降。表明生長(zhǎng)季CO2的排放動(dòng)態(tài)主要受烤煙生長(zhǎng)的影響。

通過(guò)輸入和輸出對(duì)比顯示, 無(wú)人為碳源輸入下, 煙田生態(tài)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)大氣而言是弱碳匯, 碳匯量142.95 kg hm-2。相關(guān)文獻(xiàn)綜合分析顯示, 小麥、水稻、玉米、大豆的平均碳匯量分別為每年1.57、4.39、5.55、1.43 t hm-2[27-32]。與大田作物相比, 煙田生態(tài)系統(tǒng)碳匯量較低, 主要原因在于烤煙生物量低于大田作物。

4 結(jié)論

為了獲得優(yōu)質(zhì)的煙葉, 生產(chǎn)上多采用打頂及抹抑芽劑等農(nóng)藝措施, 限制了烤煙碳累積, 使烤煙生物量及碳累積量低于大田作物。然而烤煙總生物量雖然低, 但由于根系碳占總碳比例高, 其對(duì)土壤碳貢獻(xiàn)卻相對(duì)較高。煙田生態(tài)系統(tǒng)碳輸出有多種途徑, 但CO2排放是系統(tǒng)碳支出的主要途徑。在無(wú)人為碳源輸入下, 煙田生態(tài)系統(tǒng)對(duì)大氣而言是“弱碳匯”, 如何提高煙田生態(tài)系統(tǒng)碳匯量、提升其生態(tài)價(jià)值, 有待進(jìn)一步研究。

[1] 陳江華. 中國(guó)煙葉生產(chǎn)實(shí)用技術(shù)指南. 北京: 中國(guó)煙葉公司, 2018. pp 1–2. Chen J H. Practical Technical Guide for Tobacco Production in China. Beijing: China Tobacco Company, 2018. pp 1–2 (in Chinese).

[2] 鄭帷婕, 包維楷, 辜彬, 何曉, 冷俐. 陸生高等植物碳含量及其特點(diǎn). 生態(tài)學(xué)雜志, 2007, 26: 307–313. Zheng W J, Bao W K, Gu B, He X, Leng L. Carbon concentration and its characteristics in terrestrial higher plants., 2007, 26: 307–313 (in Chinese with English abstract).

[3] 左紅娟, 曹輝, 石彥召, 白保勛, 陳東海. 華北平原主要農(nóng)作物的碳效率及固碳價(jià)值. 貴州農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 43(12): 190–193. Zuo H J, Cao H, Shi Y Z, Bai B X, Chen D. Carbon efficiency and carbon fixation economic evaluation of the main crops in north China plain., 2015, 43(12): 190–193 (in Chinese with English abstract).

[4] 羅懷良. 中國(guó)農(nóng)田作物植被碳儲(chǔ)量研究進(jìn)展. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 23: 692–697. Luo H L. Advances on carbon storage in crops of China., 2014, 23: 692–697 (in Chinese with English abstract).

[5] 佘瑋, 黃璜, 官春云, 陳阜, 陳光輝. 我國(guó)典型農(nóng)作區(qū)作物生產(chǎn)碳匯功能研究. 中國(guó)工程科學(xué), 2016, 18(1): 106–113.She W, Huang H, Guan C Y, Chen F, Chen G H. Study on the carbon sink function of crop production in typical agricultural areas of China., 2016, 18(1): 106–113 (in Chinese with English abstract).

[6] 左紅娟, 曹輝, 石彥召. 河南省小麥–玉米典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯變化分析. 農(nóng)業(yè)科技通訊, 2017, (7): 63–65.Zuo H J, Cao H, Shi Y Z. Analysis of carbon source/sink changes in typical wheat–maize farmland ecosystem in Henan province., 2017, (7): 63–65 (in Chinese with English abstract).

[7] 曲奕威. 豫北平原冬小麥–夏玉米典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳通量的研究. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文, 河南鄭州, 2008.Qu Y W. Study on the Carbon Flux of Typical Farmland Ecosystem of Winter Wheat Double Cropped with Summer Maize in the North Henan Plain. MS Thesis of Henan Agricultural University, Zhengzhou, Henan, China, 2008 (in Chinese with English abstract).

[8] 牛海生, 李大平, 張娜, 郝維維, 徐文修, 張洋, 趙有來(lái), 胡春輝. 不同灌溉方式冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡研究. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 23: 749–755.Niu H S, Li D P, Zhang N, Hao W W, Xu W X, Zhang Y, Zhao Y L, Hu C H. Effect of irrigation modes on carbon budget in winter wheat field., 2014, 23: 749–755 (in Chinese with English abstract).

[9] 滕園園. 免耕密植玉米間作豌豆農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡特征研究. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文, 甘肅蘭州, 2017.Teng Y Y. Characteristics of Carbon Balance for Maize-pea Intercropping System with No-tillage and High Planting Density Principles. MS Thesis of Gansu Agricultural University, Lanzhou, Gansu, China, 2017 (in Chinese with English abstract).

[10] Gao X, Gu F, Hao W, Mei X, Li H, Gong D, Mao L, Zhang Z. Carbon budget of a rainfed spring maize cropland with straw returning on the Loess Plateau, China., 2017, 586: 1193–1203.

[11] Wang Y, Hu C, Dong W, Li X, Zhang Y, Qin S, Oenema O. Carbon budget of a winter-wheat and summer-maize rotation cropland in the North China plain., 2015, 206: 33–45.

[12] 何介南, 康文星. 廣州市水稻作物生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2010, 26(2): 246–249. He J N, Kang W X. Carbon sink function of rice-crop ecosystem in Guangzhou city., 2010, 26(2): 246–249 (in Chinese with English abstract).

[13] 路壹, 黃璜, 鄭華斌, 姚林, 賀慧, 劉建霞, 李靜怡. 水稻生產(chǎn)系統(tǒng)固碳能力與碳足跡研究——以湖南省為例. 作物研究, 2015, 29(3): 240–243. Lu Y, Huang H, Zheng H B, Yao L, He H, Liu J X, Li J Y. Evaluation of the carbon sequestration capacity and carbon footprints in the rice production systems—a case of Hunan province., 2015, 29(3): 240–243 (in Chinese with English abstract).

[14] 魏雪峰, 呂光輝, 徐敏, 冉啟洋, 崔楠, 劉東. 棉花和蘆葦光合特性、環(huán)境適應(yīng)策略及固碳效應(yīng)比較研究. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 51: 941–950. Wei X F, Lyu G H, Xu M, Ran Q Y, Cui N, Liu D. Comparative study on photosynthetic physiological characteristics, environmental adaptation strategies, effect of carbon sequestration ofand., 2014, 51: 941–950 (in Chinese with English abstract).

[15] 王艷. 中國(guó)溫室農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳平衡研究. 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文, 浙江杭州, 2010. Wang Y. Carbon Balance of Plastic Greenhouse Ecosystems in China. PhD Dissertation of Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang, China, 2010 (in Chinese with English abstract).

[16] 朱大威, 金之慶, 石春林. 東北平原農(nóng)作物生產(chǎn)力及固碳能力模擬. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2010, 26: 1222–1226. Zhu D W, Jin Z Q, Shi C L. Simulating of production and carbon sequestration of crops under climate change scenarios in the northeast China., 2010, 26: 1222–1226 (in Chinese with English abstract).

[17] 徐雨, 周國(guó)榮, 李淮源, 陳建軍, 鐘光華, 李軍業(yè), 何澎, 鄧世媛. 栽培措施對(duì)烤煙上部葉可用性影響的研究進(jìn)展. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2019, 47(13): 8–11. Xu Y, Zhou G R, Li H Y, Chen J J, Zhong G H, Li J Y, He P, Deng S Y. Research progress on the effect of cultivation measures on the usability of upper leaves of flue-cured tobacco., 2019, 47(13): 8–11 (in Chinese with English abstract).

[18] 王立剛, 邱建軍. 農(nóng)業(yè)源溫室氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程與控制技術(shù)研究. 北京: 科學(xué)出版社, 2018. pp 43–44. Wang L G, Qiu J J. Agricultural Source of Greenhouse Gas Monitoring Technology Research Procedures and Control Technology. Beijing: Science Press, 2018. pp 43–44 (in Chinese).

[19] 苗惠田. 長(zhǎng)期施肥條件下作物碳含量及分配比例. 西北農(nóng)林科技大學(xué)碩士學(xué)位論文, 陜西楊凌, 2010. Miao H T. Effects of Long-term Fertilization on Assimilated Carbon Content and Its Distribution Proportion of Crops. MS Thesis of Northwest Agriculture and Forest University, Yangling, Shaanxi, China, 2010 (in Chinese with English abstract).

[20] 馮蕾, 童成立, 石輝, 吳金水, 陳安磊, 周萍. 不同氮磷鉀施肥方式對(duì)水稻碳、氮累積與分配的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 22: 2615–2621. Feng L, Tong C L, Shi H, Wu J S, Chen A L, Zhou P. Effects of different nitrogen, phosphorous and potassium fertilization modes on carbon and nitrogen accumulation and allocation in rice plant., 2011, 22: 2615–2621 (in Chinese with English abstract).

[21] 王勇, 任海, 王浩, 曾軍. 施肥對(duì)水稻植株碳氮分配與積累的影響. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技, 2016, (14): 12–13. Wang Y, Ren H, Wang H, Zeng J. Effect of fertilizers on rice plant carbon and nitrogen distribution and accumulation., 2016, (14): 12–13 (in Chinese with English abstract).

[22] Lohse K A, Hope D, Sponseller R, Allen J O, Grimm N B. Atmospheric deposition of carbon and nutrients across an arid metropolitan area., 2008, 402: 95–105.

[23] Mladenov N, Williams M W, Schmidt S K, Cawley K. Atmospheric deposition as a source of carbon and nutrients to an alpine catchment of the Colorado Rocky Mountains., 2012, 9: 3337–3355.

[24] 許濤. 廣州大氣降雨中有機(jī)質(zhì)組成分布特征研究. 中國(guó)科學(xué)院研究生院博士學(xué)位論文, 北京, 2005. Xu T. A study on the Characteristics of Organic Composition and Distribution in the Rainwater of Guangzhou. PhD Dissertation of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China, 2005 (in Chinese with English abstract).

[25] 張帆. 南昌市大氣中有機(jī)碳、元素碳的干沉降的研究. 南昌大學(xué)碩士學(xué)位論文, 江西南昌, 2014. Zhang F. Study on Dry Deposition of Atmospheric Organic Carbon and Elemental Carbon in Nanchang. MS Thesis of Nanchang University, Nanchang, Jiangxi, China, 2014 (in Chinese with English abstract).

[26] 丁虎, 郎赟超, 劉叢強(qiáng). 土壤碳淋溶流失研究進(jìn)展. 地球與環(huán)境, 2016, 44(1): 139–146. Ding H, Lang Y C, Liu C Q. Advances in study on leaching loss of carbon from soil., 2016, 44(1): 139–146 (in Chinese with English abstract).

[27] 黃斌, 王敬國(guó), 龔元石, Stahr K, 楊倩. 冬小麥夏玉米農(nóng)田土壤呼吸與碳平衡的研究. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 25(1): 156–160.Huang B, Wang J G, Gong Y S, Stahr K, Yang Q. Soil respiration and carbon balance in winter wheat and summer maize fields., 2006, 25(1): 156–160 (in Chinese with English abstract).

[28] 梁堯, 韓曉增, 喬云發(fā), 李祿軍, 尤孟陽(yáng). 小麥–玉米–大豆輪作下黑土農(nóng)田土壤呼吸與碳平衡. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2012, 20: 395–401. Liang Y, Han X Z, Qiao Y F, Li L J, You M Y. Soil respiration and carbon budget in black soils of wheat–maize–soybean rotation system., 2012, 20: 395–401 (in Chinese with English abstract).

[29] 李潔靜, 潘根興, 張旭輝, 費(fèi)慶華, 李志鵬, 周萍, 鄭聚鋒, 邱多生. 太湖地區(qū)長(zhǎng)期施肥條件下水稻–油菜輪作生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯效應(yīng)及收益評(píng)估. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 20: 1664–1670. Li J J, Pan G X, Zhang X H, Fei Q H, Li Z P, Zhou P, Zheng J F, Qiu D S. An evaluation of net carbon sink effect and cost/benefits of a rice–rape rotation ecosystem under long-term fertilization from Tai Lake region of China., 2009, 20: 1664–1670 (in Chinese with English abstract).

[30] 宋秋來(lái), 趙澤松, 龔振平, 馬春梅, 董守坤, 姚玉波, 閆超. 東北黑土區(qū)旱作農(nóng)田土壤 CO2排放規(guī)律. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2012, 28(23): 200–207. Song Q L, Zhao Z S, Gong Z P, Ma C M, Dong S K, Yao Y B, Yan C. CO2emission law of dry farmland soil in black soil region of Northeast China., 2012, 28(23): 200–207 (in Chinese with English abstract).

[31] Hollinger S E, Bernacchi C J, Meyers T P. Carbon budget of mature no-till ecosystem in north central region of the United States., 2005, 130: 59–69.

[32] Verma S B, Dobermann A, Cassman K G, Walters D T, Knops J M, Arkebauer T J, Suyker A E, Burba G G, Amos B, Yang H S. Ginting D, Hubbard K G, Gitelson A A, Walter-Shea E A. Annual carbon dioxide exchange in irrigated and rainfed maize-based agroecosystems., 2005, 131: 77–96.

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

本研究由國(guó)家煙草專賣局科技項(xiàng)目(110201402015, 110201901025[SJ-04])和中國(guó)煙草公司貴州省公司科技項(xiàng)目(201802)資助。

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