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近年来,人们发现农业生态系统中的碳库是全球碳库中最活跃的部分。在人类活动的影响下,农田土壤碳库正在迅速变化。农田碳平衡主要从2个方面研究:碳汇(系统固定碳)与碳源(系统释放碳)。现今农田碳汇多采用最大收获法(生物量法)来计算,该方法与调查森林地上植被碳蓄积量方法类似。如罗怀良[1]长期观测中丘陵地区农田植被碳储量,刘允芬等[2]对青藏高原农田植被碳蓄积进行了测算,丁晓叶[3]在对崇明岛人工林与农田碳储量研究时都用到生物量法。此外,还有赵荣钦等[4]的模型法,其主要是将作物有机碳含量与经济产量、经济系数相结合,粗略估算植被碳储量。农田碳源侧重土壤呼吸碳源研究,国内使用较多的是静态气室法和动态气室法[5]。农田系统存在特殊的人工管理投入碳排放。管理活动碳源主要包括投入农用化学品的能源碳源和农田人工管理活动(机耕、灌溉、收获)碳源。当前越来越多的学者把注意力投到农用化学品、灌溉和机耕活动碳源上,但对收获活动带来的碳源的关注较少。一直以来关于农田生态系统究竟是碳源还是碳汇的问题存在争议。一些学者如Lal等[6]认为:农田碳汇量巨大,全球耕地总的固碳潜力为0.75~1.0 Pg·a-1;而韩冰等[7]针对中国农业措施,提出中国农田固碳潜力为182.1 Tg·a-1;赵荣钦等[4]研究发现,中国沿海地区农田碳吸收总量为22 482.4万t,属于明显碳汇。而有部分学者则认为农田主要是一种碳源,如孙艳丽等[8]对华北平原冬小麦Triticum aesticuml(-1.98 t·hm-2),玉米Zea mays(-1.38 t·hm-2)轮作农田碳平衡进行测定,指出农田属于碳源,而Bouwman[9]也认为农业活动是重要的温室气体排放源。本研究运用生物量法,对上海乃至全国第1个“低碳农业园”崇明现代农业园区主要种植的花菜Brassica oleracea var. botrytis田,从植被动态含碳率和固碳量、土壤呼吸碳源释放及人工管理碳源几个方面定量分析花菜田系统碳平衡特征,通过估算判断其是碳汇还是碳源,并根据碳平衡特征探讨增汇减排技术,旨在为今后低碳农业园的建立提供理论指导与数据支持。
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实验测得含碳率数据如图 1所示。花菜生长期含碳率波动范围为30%~40%,生长初期最小,为25.73%,生长旺期最大,为41.61%,平均含碳率为35.12%。花菜只有在生长旺期才达到中国主要农作物平均含碳率水平[15](水稻Oryza sativa为41.45%,玉米为47.09%,大豆Glycine soja为 45.00%,小麦为48.53%等)。
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将每次采集的花菜样品经烘干称量测得生物量,结合含碳率测得花菜碳储量如图 2所示。花菜在生长初期生长缓慢,生物量基本无变化,此时的碳储量(0.279 4 t·hm-2)与移栽前(0.307 3 t·hm-2)相比略有降低,而在第4次测定时,也就是生长1个半月时花菜碳储量有明显增加,通过测定第4次到第8次之间为生长旺期,生物量增速最快,含碳率也相对较高,从而测得生长期最大碳储量为0.684 9 t·hm-2,一般收割均在生长末期之前,生长末期碳储量逐渐减少,但变化不大。综合计算花菜1个生育期固碳量为5.18 t·hm-2。
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如表 1所示:花菜田0~5 cm土壤有机碳最高为15.77 g·kg-1,是底层土壤8.59 g·kg-1的1.84倍。土壤总碳储量为84.74 t·hm-2,其中表层土(0~20 cm)总碳储量为31.25 t·hm-2,占总碳储量的36.88%。这可能与表层土壤经常翻耕,大部分化肥等原料停留在表层有关。
土壤深度/cm 有机碳/(g·kg-1) 碳储量/(t·hm-2) 总计/(t·hm-2) 0~5 12.77±0.053 9.36 5~10 13.48±0.147 8.16 10~20 10.85±0.103 13.73 20~40 10.43±0.037 28.82 40~60 8.59±0.064 24.67 84.74 Table 1. Organic carbon storage of the Brassica oleracea var.botrytis soil layer
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从图 3可以看出:花菜生长初期土壤呼吸速率普遍较高,第4次测得最高总呼吸速率为5.46 μmol·m-2·s-1,此时花菜开始进入生长旺期。之后随着花菜的生长,总呼吸速率反而降低,逐渐减弱直至收割时最低为0.47 μmol·m-2·s-1,生育期内总呼吸平均呼吸速率为3.16 μmol·m-2·s-1。
Figure 3. Month dynamics of soil total and heterotrophic respiration for Brassica oleracea var.botrytis farmland
花菜田异养呼吸速率动态变化与总呼吸基本一致,也是生长旺期开始时最高,成熟后逐渐降低,收获时最低,异养呼吸速率变化范围为0.43~2.84 μmol·m-2 ·s-1,平均值为1.72 μmol·m-2 ·s-1。
土壤异养呼吸主要受土壤温度、湿度等环境因子及微生物活动的影响,将它与自养呼吸分开讨论,对于研究未来全球碳动态变化具有十分重要的意义。
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据统计,花菜种植期间施农药0.043 t·hm-2,化肥9.000 t·hm-2,其中磷肥2.000 t·hm-2,钾肥3.000 t·hm-2,氮肥4.000 t·hm-2,计算得能源总碳排放为0.790 t·hm-2;栽植期间共灌溉3次,6 h·次-1,收获时雇佣17人以人工方式收割,无机耕活动,计算得人工管理活动碳排放为1.02 t·hm-2。统计得花菜1个生育期内管理碳排放为1.81 t·hm-2。
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由于花菜生育期内凋落物量几乎为0,所以在计算中忽略不计。通过对各子系统碳汇源计算发现,花菜1个生育期内植被固碳量为5.18 t·hm-2,花菜田土壤释放碳量为2.38 t·hm-2,农田管理碳排放量为1.81 t·hm-2,花菜田表现为弱碳汇,测得净碳汇为0.99 t·hm-2,相当于固定二氧化碳4.01 t·hm-2。