烟草种植及调制过程中固碳释氧量及其价值估算
——以湖北省恩施为例

王瑞

湖北省烟草公司恩施州公司，恩施 445000

植物光合作用是地球上最大规模利用太阳能，把CO2和H2O合成有机物并释放O2的过程，它为人类、动植物及无数微生物的生命活动提供有机物、氧气和能量。因此，利用植物的固碳释氧功可以成为减缓全球气候变化和改善人类生活环境的重要手段之一[1]。烟草(Nicotiana tabacum L.)是我国重要的经济作物之一，以往人们更多关注的是其促进地方经济发展和农民脱贫致富的贡献以及吸烟与健康等方面的问题。作为一种栽培植物，其在生长发育过程中的固碳释氧功能及其经济、环境和社会价值，以往少有探究。烟草植株整个生育期中固碳释氧量有多少？烟叶生产中碳释放量又有多少？烟叶生产过程究竟是生态正效应还是负效应？弄清这些问题对正确认识烟草农业领域的生态影响具有参考价值。本文以湖北省恩施州为例，通过测定烟株叶面积、净光合速率以及统计调查等，量化估算了烟草植株个体、群体固碳量以及烟叶生产中碳释放量，进而估算了烟草农业生产过程中的生态价值。

1 研究方法与数据来源

1.1 净光合速率(Pn)测定

烤烟测定于2009年在湖北省恩施州宣恩县椒园镇水井坳村进行，白肋烟测定于2011年在湖北省恩施州“清江源”现代烟草农业科技园区进行。两个区域平均海拔在1100m左右，均代表恩施州烟叶主要种植区域。烤烟品种为云烟87，白肋烟品种为鄂烟6号，均代表恩施州烟叶主要种植品种。在以上两个区域各选择一块代表恩施州平均生产水平的烟田。在确定的烟田选择生长一致的3株烟株，每株标记中部叶（烤烟自下而上第10位叶，白肋烟自下而上第13位叶），观察叶片全展时期。

1.1.1 日变化

在中部叶片全展后7 d左右，寻找全天晴朗无云的天气，采用美国Licor公司生产的LI-6400便携式光合测定系统测定净光合速率(Pn)日变化进程。鉴于两个测定点在大田生长期一般于上午7︰00日出，下午19︰00日落，21︰00黑尽，因此从上午7︰00到下午21︰00，每2 h测定一次，完全采用自然条件。

1.1.2 整个生育期变化

从叶片全展时开始每10天测定一次（如遇过阴或雨天适当调整时间），测定5次，每次取其平均值。每次于9︰00-10︰00进行测定，采用美国Licor公司生产的LI-6400便携式光合测定系统测定净光合速率(Pn)，人工控制CO2浓度400 µmol/mol，28℃，光照强度 1000 µmol·m-2·s-1。

1.2 单叶固碳量

1.2.1 光合叶面积

采用肖强的方法，用数码相机和Photoshop软件计算测定中部叶片全展时的叶面积[2]。

1.2.2 日固碳量

通过对7︰00-19︰00时间段Pn日变化曲线积分获得叶片的日光合总量（∑Pn），按以下公式[3]计算：

式中LA为单叶全展时的面积， Pi为第i次实测的净光合速率，Pi＋1为第i＋1次实测的净光合速率，n为测定次数，t为间隔时间。

当外界光强很弱时（低于光补偿点）Pn为负值，表现为净呼吸速率（Rd），以21︰00测定值为平均值，乘以黑暗时间获得日呼吸总量（∑Rd）

1.2.3 整个生育期固碳量

张荣铣等根据叶片整个生育期中光合作用动态变化的观测结果，提出将瞬时光合速率、光合功能期及叶面积整合在一起，形成叶源量（Leaf Source Capacity, LCP）的概念[4]。叶源量是叶片整个生育期中同化CO2的积分值，也是反映叶片整个生育期中同化CO2能力高低的综合指标，按以下公式[5]计算：

Pn为净光合速率，D为测定间隔时间，LA为单叶全展时的面积，m为测定次数，i=1,2…,m。

1.3 固碳总量

根据调查统计，恩施州近5年烟叶种植基本情况见表1。恩施州烟草植株固碳总量可按以下公式进行估算：

表1 恩施州常年烟叶种植基本情况表

1.4 生产能耗

烟叶产品的形成过程是从育苗、移栽、大田管理一直到调制结束。烟叶生产过程主要的能耗、物耗、占地等数据见表2。其中煤耗和电耗数据来源于2011年恩施州利川市南坪基地单元烘烤工厂，肥料按照全州平均投入量和平均单产计算（钾肥、微肥生产碳释放量相对较小，未做计算），调制设施占地是按标准化卧式密集烤房（烘烤1.33 hm2，21.6m2）、89式晾房（晾制0.13 hm2、25.9 m2）进行估算得出全州调制设施占地面积。

表2 烟叶生产能耗、物耗和土地占用

1.5 碳释放

烟叶生产过程中的碳释放主要有：肥料消耗、燃料消耗、电力消耗、调制期呼吸消耗以及调制设施占地而损失的碳库。各物料和能源的碳释放系数见表3，本地区用电以水电为主，碳释放可视为零。呼吸消耗参考张晓远、柴家荣[6,7]分别在烤烟烘烤和白肋烟晾制期间测定的平均呼吸速率和时间的乘积进行估算，数据见表4。土壤碳库主要有两部分：地上植物所存的碳、土壤中存的碳，本地区采用温带地区森林和草地灌丛两种类型土地的碳库容量平均值来代表土地的碳汇能力，数据见表5。

表3 各种物料和能源的碳释放系数

表4 调制期呼吸消耗的碳释放

表5 不同植被类型土地的碳库容量（103 kg·hm-2）

2 结果与分析

2.1 净光合速率的变化

植物叶片光合作用日变化过程反映出一天中植物进行物质积累与生理代谢的持续能力[9]。图1反映了烟草叶片Pn在晴天一天中变化，两种类型烟草叶片Pn的日变化均呈“单峰”曲线。从日出开始，Pn逐渐升高，在上午11︰00达到峰值，随后开始逐渐下降，在下午19︰00达到最低值，在下午21︰00变为负值，表现为净呼吸速率。由此表明，上午11︰00是烟草叶片光合固碳能力一天中最强的时刻。在中午时段（11︰00-15︰00），由于高温强光、气孔关闭或Rubisco活性的降低等多方面因子导致光合下调现象的产生[10]。在黑暗中，烟草叶片以呼吸代谢为主，由固碳释氧过程转为耗氧排碳过程。

大量的研究表明，光合作用在叶片表现出明显的衰老（如黄化）症状之前就已经开始下降，单张叶片在全展后几天瞬时光合速率就已开始下降[11]。图2反映了烟草叶片全展后Pn的变化，两种类型烟草叶片均在全展时Pn随着测定时间的推迟而下降，不同测定时期间的差异明显。表明在叶片全展时，烟草叶片的光合固碳能力最强，随着叶片进一步发育，光合功能开始衰退，叶片固碳能力逐渐下降。

图1 烟株叶片净光合速率（Pn）日变化

图2 烟株叶片全展后净光合速率（Pn）变化

2.2 固碳释氧量

净光合速率是一个瞬间测定的指标，可以用来表示叶片或作物的光合能力，但由于光合作用是一个动态的过程，光合能力并不能代表某一器官在光合生产中的贡献。作物干物质的累积过程，实际是作物累积光合量的转化形式。用累积光合量就能反映出作物光合作用量的变化规律。从表6可知，在烟草大田生育阶段，烤烟和白肋烟单张叶片在功能盛期时的日固碳量分别可达到2.31 g和2.27 g，日释氧量分别达到1.68 g和1.65 g；其整个生育期固碳量分别可达到168.95 g和168.65 g，整个生育期释氧量分别可达到122.87 g和122.65 g。恩施州烟草植株群体每年固碳量可达到2093100 t，释氧量可达到1522100 t。

表6 恩施州烟叶大田生长期固碳释氧量

2.3 碳释放

作为一种经济作物，烟叶大田生产阶段主要是消耗一定肥料，间接形成碳释放。但由于烟叶在最终形成农产品之前，还需调制加工，其碳释放主要来源于煤燃烧、叶片呼吸两个因素。从表7可以看出，恩施州烟叶每年碳释放量达到545800 t，其中肥料释放140000 t，占25.65%；耗煤释放327100 t，占59.8%；呼吸释放29400 t，占5.38%；调制设施占地间接释放49300 t，占9.17%。由此可知，烟草农业生产过程中碳释放的主要来源是烘烤耗煤和化学肥料使用。按照O2和CO2之间换算，该过程耗氧量为396945 t。

表7 恩施州烟草农业过程中碳释放量

2.4 生态价值估算

根据2.2和2.3结果，恩施州常年种植约3.7万hm2烟叶，每年净固碳量为1547300 t，折合纯碳量为421900 t（按照3.667 tCO2转换为1 t碳[12]），使用碳税法可估算出其经济价值为40375.83万元（本文按照瑞典税率每吨碳为150美元[13]，以1美元换算6.38元人民币标准）。每年净释氧量为1125200 t，按工业制氧成本400元t-1/t[13]进行估算其经济价值为45008万元，两者合计总价值为85383.83万元。

3 讨论

自光合作用发现以来，一直用净光合速率来表示植物的光合能力，但由于光合作用是一个动态的过程，而净光合速率是瞬间测定指标，它更强调植物光合生产潜力，并不能完全反映在光合生产中的实际贡献。采用累积光合量的形式更能全面反映植物实际光合生产能力，在本研究中反映的就是实际固碳释氧量。本文引入了日光合量和叶源量两个指标，更加全面真实地评价了烟草叶片光合生产能力和固碳释氧量。查阅了主要绿化植物和栽培作物固碳释氧或光合生产能力的资料，并与烟草作物进行比较分析（见表8），从表8可见，烤烟叶片在功能盛期时的净光合速率日平均值达到 11.2 µmolCO2·m-2·s-1，单位面积的日光合量达到23.49 g·m-2，远远高于一些森林树种和城市绿化植物（紫薇除外）。与小麦旗叶相比，烤烟叶片的净光合速率和日光合量基本一致，但从叶源量来看，烤烟叶片要高于小麦旗叶一个数量级，其原因主要有以下两点：一是烤烟单叶光合叶面积较大，在本研究中烤烟单叶叶面积为1081cm2，而参考文献中小麦旗叶叶面积仅为40.4 cm2。二是烤烟叶片光合功能期（指叶片全展至光合速率下降到全展时的50%的时间）长，本研究表明烤烟光合功能期可达到26d左右，而小麦旗叶仅为16d。虽然研究区域、仪器设备以及环境条件等差异，但大致可以反映出烟草植株是一个光合生产能力较强的作物，其一时、一天、整个生育期的固碳释氧量较多。

表8 烤烟与部分森林树种、城市绿化植物光合能力比较

许多学者采用生物量法估算了森林固碳释氧量，得出阔叶树、杉木、松木、竹林、经济林、灌木林单位面积每年固碳量分别达到8.86、8.55、6.96、3.22、6.73t·hm-2。本文通过光合仪直接测定烟草叶片光合作用，估算出烟草植株单位面积每年固碳量可达到56.06 t·hm-2，且烟草每年大田生育期不过120 d左右。虽然计算方法有所差异，但仍可表明烟草植株的固碳释氧效率相当高。作为一种栽培作物，烟草需要肥料投入特别是其调制过程均需要释放一定CO2，即使这样，烟草在整个农业生产过程中的固碳释氧功能还是正效应的，其单位面积每年固碳量可达到41.4 t·hm-2，释氧量为 30.1 t·hm-2。

烟草作物是以叶片为主要收获器官，叶片被采摘后，田间还残留茎和根，这部分干物质积累量占到总干物质量的60%左右。这部分废弃物会残留在田间，在下一季作物种植前进行焚烧处理，造成CO2重新释放。从2008年开始，恩施州烟草公司就如何利用这些烟草废弃物开展了研究工作，经过收集、粉碎、消毒以及生物发酵等工艺流程制成烟草秸秆生物有机肥，为实现“低碳烟草、循环经济、清洁农业”探索了一种有效模式。

4 结论

恩施州烟草农业生产过程中每年固碳量约为2093100 t，碳排放量约为545800 t，净固碳量约为1547300 t；每年释氧量约为1522100 t，耗氧量约为396945 t，净释氧量约为1125200 t。由此认为，烟叶生产过程具有明显的生态正效应。

[1] 韩焕金. 城市绿化植物的固碳释氧效应[J]. 东北林业大学学报，2005. 33(5): 68-70.

[2] 肖强, 叶文景, 朱珠，等. 利用数码相机和Photoshop软件非破坏性测定叶面积的简便方法[J]. 生态学杂志,2005, 24(6): 711-714.

[3] 颜景义, 郑有飞, 郭林，等. 小麦累积光合量的估算及其规律分析[J].中国农业气象, 1995, 12(1): 4-8.

[4] 张荣铣, 刘晓忠, 宣亚南，等. 小麦叶片展开后光合碳同化能力—叶源量的估算[J]. 中国农业科学, 1997,30(1): 84-91.

[5] 张永丽, 肖凯, 李雁鸣. 种植密度对杂种小麦C6-38／Py85-1旗叶光合特性和产量的调控效应及其生理机制[J].作物学报, 2005, 31(4):498-505.

[6] 张晓远，毕庆文，汪健，等. 变黄期温湿度及持续时间对上部烟叶呼吸速率和化学成分的影响[J].烟草科技，2009，(6):61-63.

[7] 柴家荣，李天飞，杨宏光，等. 晾制期间白肋烟TN90叶绿体色素降解动态及呼吸强度的变化[J].烟草科技，2004，(5):55-57.

[8] 张海涛，王如松，胡聃，等. 煤矿固废资源化利用的生态效率与碳减排 [J]. 生态学报，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烟光合作用与产量、质量的差异性研究[D]. 郑州：河南农业大学博士论文，2010.

[11] 匡廷云, 卢从明, 李良璧，等. 作物光能利用效率与调控[M]. 济南: 山东科学技术出版社，2004:117-118.

[12] 黄怀雄，赵红艳. 长株潭地区森林固碳释氧功能价值评价[J]. 林业调查规划，2010，35(2): 136-137.

[13] 陈芳，周志翔，肖荣波，等. 城市工业区绿地生态服务功能的计量评价—以武汉钢铁公司厂区绿地为例[J]. 生态学报，2006，26(7):2229-2235.

[14] 史红文，秦泉，廖建雄，等. 武汉市10种优势园林植物固碳释氧能力研究[J]. 中南林业科技大学学报, 2011,31(9): 87-90.

[15] 黎国健，丁少江，周旭平. 华南12种垂直绿化植物的生态效应[J]. 华南农业大学学报, 2008, 29(2):11-15.

[16] 武兰芳, 欧阳竹. 不同种植密度下两种穗型小麦叶片光合特性的变化[J]. 麦类作物学报, 2008, 28(4): 618-625.