王瑞

湖北省煙草公司恩施州公司，恩施 445000

植物光合作用是地球上最大規(guī)模利用太陽能，把CO2和H2O合成有機物并釋放O2的過程，它為人類、動植物及無數(shù)微生物的生命活動提供有機物、氧氣和能量。因此，利用植物的固碳釋氧功可以成為減緩全球氣候變化和改善人類生活環(huán)境的重要手段之一[1]。煙草(Nicotiana tabacum L.)是我國重要的經(jīng)濟作物之一，以往人們更多關注的是其促進地方經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)民脫貧致富的貢獻以及吸煙與健康等方面的問題。作為一種栽培植物，其在生長發(fā)育過程中的固碳釋氧功能及其經(jīng)濟、環(huán)境和社會價值，以往少有探究。煙草植株整個生育期中固碳釋氧量有多少？煙葉生產(chǎn)中碳釋放量又有多少？煙葉生產(chǎn)過程究竟是生態(tài)正效應還是負效應？弄清這些問題對正確認識煙草農(nóng)業(yè)領域的生態(tài)影響具有參考價值。本文以湖北省恩施州為例，通過測定煙株葉面積、凈光合速率以及統(tǒng)計調(diào)查等，量化估算了煙草植株個體、群體固碳量以及煙葉生產(chǎn)中碳釋放量，進而估算了煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的生態(tài)價值。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 凈光合速率(Pn)測定

烤煙測定于2009年在湖北省恩施州宣恩縣椒園鎮(zhèn)水井坳村進行，白肋煙測定于2011年在湖北省恩施州“清江源”現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)科技園區(qū)進行。兩個區(qū)域平均海拔在1100m左右，均代表恩施州煙葉主要種植區(qū)域?？緹熎贩N為云煙87，白肋煙品種為鄂煙6號，均代表恩施州煙葉主要種植品種。在以上兩個區(qū)域各選擇一塊代表恩施州平均生產(chǎn)水平的煙田。在確定的煙田選擇生長一致的3株煙株，每株標記中部葉（烤煙自下而上第10位葉，白肋煙自下而上第13位葉），觀察葉片全展時期。

1.1.1 日變化

在中部葉片全展后7 d左右，尋找全天晴朗無云的天氣，采用美國Licor公司生產(chǎn)的LI-6400便攜式光合測定系統(tǒng)測定凈光合速率(Pn)日變化進程。鑒于兩個測定點在大田生長期一般于上午7︰00日出，下午19︰00日落，21︰00黑盡，因此從上午7︰00到下午21︰00，每2 h測定一次，完全采用自然條件。

1.1.2 整個生育期變化

從葉片全展時開始每10天測定一次（如遇過陰或雨天適當調(diào)整時間），測定5次，每次取其平均值。每次于9︰00-10︰00進行測定，采用美國Licor公司生產(chǎn)的LI-6400便攜式光合測定系統(tǒng)測定凈光合速率(Pn)，人工控制CO2濃度400 μmol/mol，28℃，光照強度 1000 μmol·m-2·s-1。

1.2 單葉固碳量

1.2.1 光合葉面積

采用肖強的方法，用數(shù)碼相機和Photoshop軟件計算測定中部葉片全展時的葉面積[2]。

1.2.2 日固碳量

通過對7︰00-19︰00時間段Pn日變化曲線積分獲得葉片的日光合總量（∑Pn），按以下公式[3]計算：

式中LA為單葉全展時的面積， Pi為第i次實測的凈光合速率，Pi＋1為第i＋1次實測的凈光合速率，n為測定次數(shù)，t為間隔時間。

當外界光強很弱時（低于光補償點）Pn為負值，表現(xiàn)為凈呼吸速率（Rd），以21︰00測定值為平均值，乘以黑暗時間獲得日呼吸總量（∑Rd）

1.2.3 整個生育期固碳量

張榮銑等根據(jù)葉片整個生育期中光合作用動態(tài)變化的觀測結果，提出將瞬時光合速率、光合功能期及葉面積整合在一起，形成葉源量（Leaf Source Capacity, LCP）的概念[4]。葉源量是葉片整個生育期中同化CO2的積分值，也是反映葉片整個生育期中同化CO2能力高低的綜合指標，按以下公式[5]計算：

Pn為凈光合速率，D為測定間隔時間，LA為單葉全展時的面積，m為測定次數(shù)，i=1,2…,m。

1.3 固碳總量

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，恩施州近5年煙葉種植基本情況見表1。恩施州煙草植株固碳總量可按以下公式進行估算：

表1 恩施州常年煙葉種植基本情況表

1.4 生產(chǎn)能耗

煙葉產(chǎn)品的形成過程是從育苗、移栽、大田管理一直到調(diào)制結束。煙葉生產(chǎn)過程主要的能耗、物耗、占地等數(shù)據(jù)見表2。其中煤耗和電耗數(shù)據(jù)來源于2011年恩施州利川市南坪基地單元烘烤工廠，肥料按照全州平均投入量和平均單產(chǎn)計算（鉀肥、微肥生產(chǎn)碳釋放量相對較小，未做計算），調(diào)制設施占地是按標準化臥式密集烤房（烘烤1.33 hm2，21.6m2）、89式晾房（晾制0.13 hm2、25.9 m2）進行估算得出全州調(diào)制設施占地面積。

表2 煙葉生產(chǎn)能耗、物耗和土地占用

1.5 碳釋放

煙葉生產(chǎn)過程中的碳釋放主要有：肥料消耗、燃料消耗、電力消耗、調(diào)制期呼吸消耗以及調(diào)制設施占地而損失的碳庫。各物料和能源的碳釋放系數(shù)見表3，本地區(qū)用電以水電為主，碳釋放可視為零。呼吸消耗參考張曉遠、柴家榮[6,7]分別在烤煙烘烤和白肋煙晾制期間測定的平均呼吸速率和時間的乘積進行估算，數(shù)據(jù)見表4。土壤碳庫主要有兩部分：地上植物所存的碳、土壤中存的碳，本地區(qū)采用溫帶地區(qū)森林和草地灌叢兩種類型土地的碳庫容量平均值來代表土地的碳匯能力，數(shù)據(jù)見表5。

表3 各種物料和能源的碳釋放系數(shù)

表4 調(diào)制期呼吸消耗的碳釋放

表5 不同植被類型土地的碳庫容量（103 kg·hm-2）

2 結果與分析

2.1 凈光合速率的變化

植物葉片光合作用日變化過程反映出一天中植物進行物質(zhì)積累與生理代謝的持續(xù)能力[9]。圖1反映了煙草葉片Pn在晴天一天中變化，兩種類型煙草葉片Pn的日變化均呈“單峰”曲線。從日出開始，Pn逐漸升高，在上午11︰00達到峰值，隨后開始逐漸下降，在下午19︰00達到最低值，在下午21︰00變?yōu)樨撝担憩F(xiàn)為凈呼吸速率。由此表明，上午11︰00是煙草葉片光合固碳能力一天中最強的時刻。在中午時段（11︰00-15︰00），由于高溫強光、氣孔關閉或Rubisco活性的降低等多方面因子導致光合下調(diào)現(xiàn)象的產(chǎn)生[10]。在黑暗中，煙草葉片以呼吸代謝為主，由固碳釋氧過程轉為耗氧排碳過程。

大量的研究表明，光合作用在葉片表現(xiàn)出明顯的衰老（如黃化）癥狀之前就已經(jīng)開始下降，單張葉片在全展后幾天瞬時光合速率就已開始下降[11]。圖2反映了煙草葉片全展后Pn的變化，兩種類型煙草葉片均在全展時Pn隨著測定時間的推遲而下降，不同測定時期間的差異明顯。表明在葉片全展時，煙草葉片的光合固碳能力最強，隨著葉片進一步發(fā)育，光合功能開始衰退，葉片固碳能力逐漸下降。

圖1 煙株葉片凈光合速率（Pn）日變化

圖2 煙株葉片全展后凈光合速率（Pn）變化

2.2 固碳釋氧量

凈光合速率是一個瞬間測定的指標，可以用來表示葉片或作物的光合能力，但由于光合作用是一個動態(tài)的過程，光合能力并不能代表某一器官在光合生產(chǎn)中的貢獻。作物干物質(zhì)的累積過程，實際是作物累積光合量的轉化形式。用累積光合量就能反映出作物光合作用量的變化規(guī)律。從表6可知，在煙草大田生育階段，烤煙和白肋煙單張葉片在功能盛期時的日固碳量分別可達到2.31 g和2.27 g，日釋氧量分別達到1.68 g和1.65 g；其整個生育期固碳量分別可達到168.95 g和168.65 g，整個生育期釋氧量分別可達到122.87 g和122.65 g。恩施州煙草植株群體每年固碳量可達到2093100 t，釋氧量可達到1522100 t。

表6 恩施州煙葉大田生長期固碳釋氧量

2.3 碳釋放

作為一種經(jīng)濟作物，煙葉大田生產(chǎn)階段主要是消耗一定肥料，間接形成碳釋放。但由于煙葉在最終形成農(nóng)產(chǎn)品之前，還需調(diào)制加工，其碳釋放主要來源于煤燃燒、葉片呼吸兩個因素。從表7可以看出，恩施州煙葉每年碳釋放量達到545800 t，其中肥料釋放140000 t，占25.65%；耗煤釋放327100 t，占59.8%；呼吸釋放29400 t，占5.38%；調(diào)制設施占地間接釋放49300 t，占9.17%。由此可知，煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中碳釋放的主要來源是烘烤耗煤和化學肥料使用。按照O2和CO2之間換算，該過程耗氧量為396945 t。

表7 恩施州煙草農(nóng)業(yè)過程中碳釋放量

2.4 生態(tài)價值估算

根據(jù)2.2和2.3結果，恩施州常年種植約3.7萬hm2煙葉，每年凈固碳量為1547300 t，折合純碳量為421900 t（按照3.667 tCO2轉換為1 t碳[12]），使用碳稅法可估算出其經(jīng)濟價值為40375.83萬元（本文按照瑞典稅率每噸碳為150美元[13]，以1美元換算6.38元人民幣標準）。每年凈釋氧量為1125200 t，按工業(yè)制氧成本400元t-1/t[13]進行估算其經(jīng)濟價值為45008萬元，兩者合計總價值為85383.83萬元。

3 討論

自光合作用發(fā)現(xiàn)以來，一直用凈光合速率來表示植物的光合能力，但由于光合作用是一個動態(tài)的過程，而凈光合速率是瞬間測定指標，它更強調(diào)植物光合生產(chǎn)潛力，并不能完全反映在光合生產(chǎn)中的實際貢獻。采用累積光合量的形式更能全面反映植物實際光合生產(chǎn)能力，在本研究中反映的就是實際固碳釋氧量。本文引入了日光合量和葉源量兩個指標，更加全面真實地評價了煙草葉片光合生產(chǎn)能力和固碳釋氧量。查閱了主要綠化植物和栽培作物固碳釋氧或光合生產(chǎn)能力的資料，并與煙草作物進行比較分析（見表8），從表8可見，烤煙葉片在功能盛期時的凈光合速率日平均值達到 11.2 μmolCO2·m-2·s-1，單位面積的日光合量達到23.49 g·m-2，遠遠高于一些森林樹種和城市綠化植物（紫薇除外）。與小麥旗葉相比，烤煙葉片的凈光合速率和日光合量基本一致，但從葉源量來看，烤煙葉片要高于小麥旗葉一個數(shù)量級，其原因主要有以下兩點：一是烤煙單葉光合葉面積較大，在本研究中烤煙單葉葉面積為1081cm2，而參考文獻中小麥旗葉葉面積僅為40.4 cm2。二是烤煙葉片光合功能期（指葉片全展至光合速率下降到全展時的50%的時間）長，本研究表明烤煙光合功能期可達到26d左右，而小麥旗葉僅為16d。雖然研究區(qū)域、儀器設備以及環(huán)境條件等差異，但大致可以反映出煙草植株是一個光合生產(chǎn)能力較強的作物，其一時、一天、整個生育期的固碳釋氧量較多。

表8 烤煙與部分森林樹種、城市綠化植物光合能力比較

許多學者采用生物量法估算了森林固碳釋氧量，得出闊葉樹、杉木、松木、竹林、經(jīng)濟林、灌木林單位面積每年固碳量分別達到8.86、8.55、6.96、3.22、6.73t·hm-2。本文通過光合儀直接測定煙草葉片光合作用，估算出煙草植株單位面積每年固碳量可達到56.06 t·hm-2，且煙草每年大田生育期不過120 d左右。雖然計算方法有所差異，但仍可表明煙草植株的固碳釋氧效率相當高。作為一種栽培作物，煙草需要肥料投入特別是其調(diào)制過程均需要釋放一定CO2，即使這樣，煙草在整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的固碳釋氧功能還是正效應的，其單位面積每年固碳量可達到41.4 t·hm-2，釋氧量為 30.1 t·hm-2。

煙草作物是以葉片為主要收獲器官，葉片被采摘后，田間還殘留莖和根，這部分干物質(zhì)積累量占到總干物質(zhì)量的60%左右。這部分廢棄物會殘留在田間，在下一季作物種植前進行焚燒處理，造成CO2重新釋放。從2008年開始，恩施州煙草公司就如何利用這些煙草廢棄物開展了研究工作，經(jīng)過收集、粉碎、消毒以及生物發(fā)酵等工藝流程制成煙草秸稈生物有機肥，為實現(xiàn)“低碳煙草、循環(huán)經(jīng)濟、清潔農(nóng)業(yè)”探索了一種有效模式。

4 結論

恩施州煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中每年固碳量約為2093100 t，碳排放量約為545800 t，凈固碳量約為1547300 t；每年釋氧量約為1522100 t，耗氧量約為396945 t，凈釋氧量約為1125200 t。由此認為，煙葉生產(chǎn)過程具有明顯的生態(tài)正效應。

[1] 韓煥金. 城市綠化植物的固碳釋氧效應[J]. 東北林業(yè)大學學報，2005. 33(5): 68-70.

[2] 肖強, 葉文景, 朱珠，等. 利用數(shù)碼相機和Photoshop軟件非破壞性測定葉面積的簡便方法[J]. 生態(tài)學雜志,2005, 24(6): 711-714.

[3] 顏景義, 鄭有飛, 郭林，等. 小麥累積光合量的估算及其規(guī)律分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象, 1995, 12(1): 4-8.

[4] 張榮銑, 劉曉忠, 宣亞南，等. 小麥葉片展開后光合碳同化能力—葉源量的估算[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學, 1997,30(1): 84-91.

[5] 張永麗, 肖凱, 李雁鳴. 種植密度對雜種小麥C6-38／Py85-1旗葉光合特性和產(chǎn)量的調(diào)控效應及其生理機制[J].作物學報, 2005, 31(4):498-505.

[6] 張曉遠，畢慶文，汪健，等. 變黃期溫濕度及持續(xù)時間對上部煙葉呼吸速率和化學成分的影響[J].煙草科技，2009，(6):61-63.

[7] 柴家榮，李天飛，楊宏光，等. 晾制期間白肋煙TN90葉綠體色素降解動態(tài)及呼吸強度的變化[J].煙草科技，2004，(5):55-57.

[8] 張海濤，王如松，胡聃，等. 煤礦固廢資源化利用的生態(tài)效率與碳減排 [J]. 生態(tài)學報，2011,31(19):5638-5645.

[9] Mandal K J, Sinha A C. Nutrient management effects on light interception, photosynthesis, growth, dry-matter production and yield of Indian mustard (Brassica juncea) [J].J Agron Crop Sci, 2004, 190: 119-129.

[10] 王瑞.恩施州不同海拔下烤煙光合作用與產(chǎn)量、質(zhì)量的差異性研究[D]. 鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學博士論文，2010.

[11] 匡廷云, 盧從明, 李良璧，等. 作物光能利用效率與調(diào)控[M]. 濟南: 山東科學技術出版社，2004:117-118.

[12] 黃懷雄，趙紅艷. 長株潭地區(qū)森林固碳釋氧功能價值評價[J]. 林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，2010，35(2): 136-137.

[13] 陳芳，周志翔，肖榮波，等. 城市工業(yè)區(qū)綠地生態(tài)服務功能的計量評價—以武漢鋼鐵公司廠區(qū)綠地為例[J]. 生態(tài)學報，2006，26(7):2229-2235.

[14] 史紅文，秦泉，廖建雄，等. 武漢市10種優(yōu)勢園林植物固碳釋氧能力研究[J]. 中南林業(yè)科技大學學報, 2011,31(9): 87-90.

[15] 黎國健，丁少江，周旭平. 華南12種垂直綠化植物的生態(tài)效應[J]. 華南農(nóng)業(yè)大學學報, 2008, 29(2):11-15.

[16] 武蘭芳, 歐陽竹. 不同種植密度下兩種穗型小麥葉片光合特性的變化[J]. 麥類作物學報, 2008, 28(4): 618-625.