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(yáng)能，把CO2和H2O合成有機(jī)物并釋放O2的過(guò)程，它為人類、動(dòng)植物及無(wú)數(shù)微生物的生命活動(dòng)提供有機(jī)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(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，以往人們更多關(guān)注的是其促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)民脫貧致富的貢獻(xiàn)以及吸煙與健康等方面的問(wèn)題。作為一種栽培植物，其在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的固碳釋氧功能及其經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)價(jià)值，以往少有探究。煙草植株整個(gè)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(guò)程究竟是生態(tài)正效應(yīng)還是負(fù)效應(yīng)？弄清這些問(wèn)題對(duì)正確認(rèn)識(shí)煙草農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的生態(tài)影響具有參考價(jià)值。本文以湖北省恩施州為例，通過(guò)測(cè)定煙株葉面積、凈光合速率以及統(tǒng)計(jì)調(diào)查等，量化估算了煙草植株個(gè)體、群體固碳量以及煙葉生產(chǎn)中碳釋放量，進(jìn)而估算了煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的生態(tài)價(jià)值。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 凈光合速率(Pn)測(cè)定

烤煙測(cè)定于2009年在湖北省恩施州宣恩縣椒園鎮(zhèn)水井坳村進(jìn)行，白肋煙測(cè)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(jìn)行。兩個(gè)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(hào)，均代表恩施州煙葉主要種植品種。在以上兩個(gè)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(zhǎng)一致的3株煙株，每株標(biāo)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(shí)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(wú)云的天氣，采用美國(guó)Licor公司生產(chǎn)的LI-6400便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定凈光合速率(Pn)日變化進(jìn)程。鑒于兩個(gè)測(cè)定點(diǎn)在大田生長(zhǎng)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(cè)定一次，完全采用自然條件。

1.1.2 整個(gè)生育期變化

從葉片全展時(shí)開始每10天測(cè)定一次（如遇過(guò)陰或雨天適當(dāng)調(diào)整時(shí)間），測(cè)定5次，每次取其平均值。每次于9︰00-10︰00進(jìn)行測(cè)定，采用美國(guó)Licor公司生產(chǎn)的LI-6400便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定凈光合速率(Pn)，人工控制CO2濃度400 μmol/mol，28℃，光照強(qiáng)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(qiáng)的方法，用數(shù)碼相機(jī)和Photoshop軟件計(jì)算測(cè)定中部葉片全展時(shí)的葉面積[2]。

1.2.2 日固碳量

通過(guò)對(duì)7︰00-19︰00時(shí)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(jì)算：

式中LA為單葉全展時(shí)的面積， Pi為第i次實(shí)測(cè)的凈光合速率，Pi＋1為第i＋1次實(shí)測(cè)的凈光合速率，n為測(cè)定次數(shù)，t為間隔時(shí)間。

當(dāng)外界光強(qiáng)很弱時(shí)（低于光補(bǔ)償點(diǎn)）Pn為負(fù)值，表現(xiàn)為凈呼吸速率（Rd），以21︰00測(cè)定值為平均值，乘以黑暗時(shí)間獲得日呼吸總量（∑Rd）

1.2.3 整個(gè)生育期固碳量

張榮銑等根據(jù)葉片整個(gè)生育期中光合作用動(dòng)態(tài)變化的觀測(cè)結(jié)果，提出將瞬時(shí)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(gè)生育期中同化CO2的積分值，也是反映葉片整個(gè)生育期中同化CO2能力高低的綜合指標(biāo)，按以下公式[5]計(jì)算：

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

1.3 固碳總量

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，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(jìn)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(guò)程是從育苗、移栽、大田管理一直到調(diào)制結(jié)束。煙葉生產(chǎn)過(guò)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(lái)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(jì)算（鉀肥、微肥生產(chǎn)碳釋放量相對(duì)較小，未做計(jì)算），調(diào)制設(shè)施占地是按標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行估算得出全州調(diào)制設(shè)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(guò)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(shè)施占地而損失的碳庫(kù)。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(yuǎn)、柴家榮[6,7]分別在烤煙烘烤和白肋煙晾制期間測(cè)定的平均呼吸速率和時(shí)間的乘積進(jìn)行估算，數(shù)據(jù)見表4。土壤碳庫(kù)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(kù)容量平均值來(lái)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(kù)容量（103 kg·hm-2）

2 結(jié)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(guò)程反映出一天中植物進(jìn)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(dá)到峰值，隨后開始逐漸下降，在下午19︰00達(dá)到最低值，在下午21︰00變?yōu)樨?fù)值，表現(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(qiáng)的時(shí)刻。在中午時(shí)段（11︰00-15︰00），由于高溫強(qiáng)光、氣孔關(guān)閉或Rubisco活性的降低等多方面因子導(dǎo)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(guò)程轉(zhuǎn)為耗氧排碳過(guò)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(shí)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(shí)Pn隨著測(cè)定時(shí)間的推遲而下降，不同測(cè)定時(shí)期間的差異明顯。表明在葉片全展時(shí)，煙草葉片的光合固碳能力最強(qiáng)，隨著葉片進(jìn)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(gè)瞬間測(cè)定的指標(biāo)，可以用來(lái)表示葉片或作物的光合能力，但由于光合作用是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，光合能力并不能代表某一器官在光合生產(chǎn)中的貢獻(xiàn)。作物干物質(zhì)的累積過(guò)程，實(shí)際是作物累積光合量的轉(zhuǎn)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(shí)的日固碳量分別可達(dá)到2.31 g和2.27 g，日釋氧量分別達(dá)到1.68 g和1.65 g；其整個(gè)生育期固碳量分別可達(dá)到168.95 g和168.65 g，整個(gè)生育期釋氧量分別可達(dá)到122.87 g和122.65 g。恩施州煙草植株群體每年固碳量可達(dá)到2093100 t，釋氧量可達(dá)到1522100 t。

表6 恩施州煙葉大田生長(zhǎng)期固碳釋氧量

2.3 碳釋放

作為一種經(jīng)濟(jì)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(lái)源于煤燃燒、葉片呼吸兩個(gè)因素。從表7可以看出，恩施州煙葉每年碳釋放量達(dá)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(shè)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(guò)程中碳釋放的主要來(lái)源是烘烤耗煤和化學(xué)肥料使用。按照O2和CO2之間換算，該過(guò)程耗氧量為396945 t。

表7 恩施州煙草農(nóng)業(yè)過(guò)程中碳釋放量

2.4 生態(tài)價(jià)值估算

根據(jù)2.2和2.3結(jié)果，恩施州常年種植約3.7萬(wàn)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(zhuǎn)換為1 t碳[12]），使用碳稅法可估算出其經(jīng)濟(jì)價(jià)值為40375.83萬(wàn)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(biāo)準(zhǔn)）。每年凈釋氧量為1125200 t，按工業(yè)制氧成本400元t-1/t[13]進(jìn)行估算其經(jīng)濟(jì)價(jià)值為45008萬(wàn)元，兩者合計(jì)總價(jià)值為85383.83萬(wàn)元。

3 討論

自光合作用發(fā)現(xiàn)以來(lái)，一直用凈光合速率來(lái)表示植物的光合能力，但由于光合作用是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，而凈光合速率是瞬間測(cè)定指標(biāo)，它更強(qiáng)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(shí)際貢獻(xiàn)。采用累積光合量的形式更能全面反映植物實(shí)際光合生產(chǎn)能力，在本研究中反映的就是實(shí)際固碳釋氧量。本文引入了日光合量和葉源量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)，更加全面真實(shí)地評(píng)價(jià)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(jìn)行比較分析（見表8），從表8可見，烤煙葉片在功能盛期時(shí)的凈光合速率日平均值達(dá)到 11.2 μmolCO2·m-2·s-1，單位面積的日光合量達(dá)到23.49 g·m-2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(lái)看，烤煙葉片要高于小麥旗葉一個(gè)數(shù)量級(jí)，其原因主要有以下兩點(diǎn)：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(xiàn)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(shí)的50%的時(shí)間）長(zhǎng)，本研究表明烤煙光合功能期可達(dá)到26d左右，而小麥旗葉僅為16d。雖然研究區(qū)域、儀器設(shè)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(gè)光合生產(chǎn)能力較強(qiáng)的作物，其一時(shí)、一天、整個(gè)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(xué)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(jì)林、灌木林單位面積每年固碳量分別達(dá)到8.86、8.55、6.96、3.22、6.73t·hm-2。本文通過(guò)光合儀直接測(cè)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(dá)到56.06 t·hm-2，且煙草每年大田生育期不過(guò)120 d左右。雖然計(jì)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(dāng)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(guò)程均需要釋放一定CO2，即使這樣，煙草在整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的固碳釋氧功能還是正效應(yīng)的，其單位面積每年固碳量可達(dá)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(huì)殘留在田間，在下一季作物種植前進(jìn)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(guò)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(jī)肥，為實(shí)現(xiàn)“低碳煙草、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、清潔農(nóng)業(yè)”探索了一種有效模式。

4 結(jié)論

恩施州煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)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(rèn)為，煙葉生產(chǎn)過(guò)程具有明顯的生態(tài)正效應(yīng)。

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