王適，吳永波，陳杰，丁曉葉

（1.南京林業(yè)大學(xué)森林與環(huán)境資源學(xué)院，江蘇南京 210037；2.同濟大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程研究院，上海 200092）

上海崇明生態(tài)農(nóng)業(yè)園區(qū)花菜田的碳平衡

王適1，吳永波1，陳杰2，丁曉葉1

（1.南京林業(yè)大學(xué)森林與環(huán)境資源學(xué)院，江蘇南京 210037；2.同濟大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程研究院，上海 200092）

以上海崇明島生態(tài)農(nóng)業(yè)園區(qū)花菜Brassica oleracea var.botrytis田為研究對象，主要運用生物量法對花菜田植被碳儲量、土壤呼吸及人工管理碳源進行測定，估算花菜田碳平衡情況，旨在通過對花菜田碳平衡的估算，探討農(nóng)田碳增匯減排措施。研究表明：①花菜在1個生育期內(nèi)含碳率最小值為25.73%，最大值為41.61%，平均值為34.12%。②植被在成熟收割時植被碳儲量為5.18 t·hm-2，土壤碳儲量84.74 t·hm-2。③花菜田土壤呼吸速率在生長初期最高，然后逐漸減弱，土壤異養(yǎng)呼吸通量為2.38 t·hm-2。④生育期內(nèi)人工碳源總排放量為1.81 t·hm-2。⑤花菜1個生育期凈固碳量為0.99 t·hm-2，相當(dāng)于固定二氧化碳4.01 t·hm-2。崇明島花菜田碳平衡測定結(jié)果為微弱碳匯，針對地區(qū)土壤鹽堿化現(xiàn)狀，當(dāng)前最主要增匯減排措施是合理配施有機肥，改善土壤，增加產(chǎn)量從而增加碳匯，其次還可以農(nóng)林間種，調(diào)整人員管理結(jié)構(gòu)，減少碳源。圖3表1參18

生態(tài)學(xué)；生態(tài)農(nóng)業(yè)園；碳匯；碳源；碳平衡；花菜田

Key words：ecology；eco-agriculture area；carbon sinks；carbon source；carbon balance；Brassica oleracea var.botrytisfarmland

近年來，人們發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的碳庫是全球碳庫中最活躍的部分。在人類活動的影響下，農(nóng)田土壤碳庫正在迅速變化。農(nóng)田碳平衡主要從2個方面研究：碳匯（系統(tǒng)固定碳）與碳源（系統(tǒng)釋放碳）?，F(xiàn)今農(nóng)田碳匯多采用最大收獲法（生物量法）來計算，該方法與調(diào)查森林地上植被碳蓄積量方法類似。如羅懷良[1]長期觀測中丘陵地區(qū)農(nóng)田植被碳儲量，劉允芬等[2]對青藏高原農(nóng)田植被碳蓄積進行了測算，丁曉葉[3]在對崇明島人工林與農(nóng)田碳儲量研究時都用到生物量法。此外，還有趙榮欽等[4]的模型法，其主要是將作物有機碳含量與經(jīng)濟產(chǎn)量、經(jīng)濟系數(shù)相結(jié)合，粗略估算植被碳儲量。農(nóng)田碳源側(cè)重土壤呼吸碳源研究，國內(nèi)使用較多的是靜態(tài)氣室法和動態(tài)氣室法[5]。農(nóng)田系統(tǒng)存在特殊的人工管理投入碳排放。管理活動碳源主要包括投入農(nóng)用化學(xué)品的能源碳源和農(nóng)田人工管理活動（機耕、灌溉、收獲）碳源。當(dāng)前越來越多的學(xué)者把注意力投到農(nóng)用化學(xué)品、灌溉和機耕活動碳源上，但對收獲活動帶來的碳源的關(guān)注較少。一直以來關(guān)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)究竟是碳源還是碳匯的問題存在爭議。一些學(xué)者如Lal等[6]認(rèn)為：農(nóng)田碳匯量巨大，全球耕地總的固碳潛力為0.75～1.0 Pg·a-1；而韓冰等[7]針對中國農(nóng)業(yè)措施，提出中國農(nóng)田固碳潛力為182.1 Tg·a-1；趙榮欽等[4]研究發(fā)現(xiàn)，中國沿海地區(qū)農(nóng)田碳吸收總量為22 482.4萬t，屬于明顯碳匯。而有部分學(xué)者則認(rèn)為農(nóng)田主要是一種碳源，如孫艷麗等[8]對華北平原冬小麥Triticum aesticum l（-1.98 t·hm-2），玉米Zeamays（-1.38 t·hm-2）輪作農(nóng)田碳平衡進行測定，指出農(nóng)田屬于碳源，而Bouwman[9]也認(rèn)為農(nóng)業(yè)活動是重要的溫室氣體排放源。本研究運用生物量法，對上海乃至全國第1個“低碳農(nóng)業(yè)園”崇明現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)主要種植的花菜Brassica oleracea var.botrytis田，從植被動態(tài)含碳率和固碳量、土壤呼吸碳源釋放及人工管理碳源幾個方面定量分析花菜田系統(tǒng)碳平衡特征，通過估算判斷其是碳匯還是碳源，并根據(jù)碳平衡特征探討增匯減排技術(shù)，旨在為今后低碳農(nóng)業(yè)園的建立提供理論指導(dǎo)與數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況

崇明島位于31°27＇00″～31°51＇15″N，121°09＇30″～121°54＇00″E，處于北亞熱帶南緣，氣候溫和濕潤，夏季濕熱，冬季干冷，四季分明，具有明顯的亞熱帶海洋性季風(fēng)性氣候。島內(nèi)常年平均氣溫為15.3℃，1月份最低，7-8月份氣溫最高，全島東部年平均溫度略高于西部。崇明島年平均降水量為1 055.6 mm，降水主要集中于汛期。島上土壤類型主要為沖積母質(zhì)上發(fā)育而成的濱海鹽堿土，此外還有淋溶土和半水成土。全年平均日照2 104 h，日照百分率為47%，2月日照時數(shù)最少，為131.1 h。11月至2月多刮北風(fēng)和西北風(fēng)[10]。實驗時間為2011年9月初到2012月年1月中旬，地點位于陳家鎮(zhèn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園內(nèi)，地處崇明東部，以園區(qū)中花菜田為研究對象，花菜生育期從種植到收獲歷時140 d左右。實驗樣地表層土壤氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.83 g·kg-1，磷1.35 g·kg-1，有機碳為12.71mg·kg-1。

2 材料與方法

根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)論[11]，農(nóng)田碳平衡研究公式為凈生產(chǎn)力=凈第一生產(chǎn)力-土壤異養(yǎng)呼吸碳源。廣義的農(nóng)田碳平衡還包括人工管理投入碳源。由于花菜生長期間凋落物生物量幾乎為0，所以在本研究中忽略不計。本研究的土壤呼吸碳源采用土壤異氧呼吸碳釋放量計算，忽略作物根呼吸的影響，因為在計算根的碳儲量時，直接是扣除呼吸作用消耗的碳以后的碳儲量，因此，在計算作物生物量時將作物地上部分與地下部分統(tǒng)一計算。

2.1 樣地設(shè)置

在花菜種植期間，選擇相鄰的3塊20 m×20m的田塊作為實驗樣地，每塊樣地隨機設(shè)置3塊1 m ×1m的小樣方，隔15 d在樣方內(nèi)用收獲法收割花菜植株，封裝后帶回實驗室測定。

2.2 植被含碳率與碳儲量測定

將每次采集的花菜樣品封裝帶回實驗室保存，最后將所有采集的樣品在粉碎前均放入85℃的恒溫箱中烘至恒量，再經(jīng)粉碎、碾磨、過篩后，采用重鉻酸外加熱法[12]測定植被含碳率，再結(jié)合植被生物量計算碳儲量。C=B×O。其中：C為碳儲量（t·hm-2），B為生物量（t·hm-2），O為含碳率。

2.3 土壤有機碳儲量測定

選擇樣點3個·樣地-1，隨機設(shè)置3個重復(fù)·樣點-1。由于農(nóng)田基本在土壤表層耕作，不如林地對低層土壤影響作用大，所以研究時土壤剖面挖60 cm深，按0～5，5～10，10～20，20～40，40～60 cm分層取樣，相同層次混合，同時用環(huán)刀法[13]測定土壤容重。采集的土樣在室內(nèi)自然風(fēng)干后過2mm篩，用重鉻酸鉀氧化-外加熱法[13]測定土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，進而計算土壤有機碳儲量[14]：C0=∑0.1HiBiOi。其中：C0為土壤有機碳儲量（t·hm-2）；0.1為單位換算系數(shù)；Hi為第i層土壤厚度（cm）；Bi為第i層土壤的容重（g·cm-3）；Oi是第i層土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（g·kg-1）。

2.4 土壤呼吸測定

在1m×1m樣方內(nèi)隨機設(shè)置3個重復(fù)，采用Li-6400便攜式光合作用儀測量，安裝09土壤呼吸葉室測定土壤呼吸。在測定前1天將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的聚氯乙烯土壤隔離圈打入土中1～2 cm深，保證每個月的測定都在同一地點進行，免除測定點移位帶來的干擾。每次測定的前1天，在不破壞土壤的情況下徹底剪除隔離圈內(nèi)的地表植被，從而減少土壤擾動及根系損傷對測量結(jié)果的影響。測定時間為6：00-18：00，2 h測定1次，每個土壤隔離圈重復(fù)3次。

土壤異氧呼吸采用開溝法測定，在小樣方四周挖掘70～100 cm深、50 cm寬的壕溝，溝中放入玻璃纖維薄片以阻止根向樣方內(nèi)生長，排除根系呼吸的干擾，然后把溝填平再測定，所測得的土壤呼吸即為土壤異養(yǎng)呼吸。

2.5 農(nóng)田管理碳排放測定

管理碳排放主要包括能耗碳排放、灌溉碳排放和人工碳排放。能耗碳排放包括殺蟲劑和肥料生產(chǎn)的碳排放。灌溉碳排放估算：Ci=Vi×w×h×ni。其中：Vi為煤電的碳強度系數(shù)（0.92 kg·kW-1·h-1）；w為灌溉所用的電機功率（kW）；h為每次灌溉工作時數(shù)；ni為灌溉次數(shù)。人工投入碳排放估算：Cr=Vr×N。其中：Vr為成人（60 kg體質(zhì)量）每天呼出的二氧化碳容積；N為1個作物生長季投入的人工總數(shù)（人·d-1）。

根據(jù)現(xiàn)有中國生產(chǎn)肥料的化石能源碳排放研究：生產(chǎn)1 t殺蟲劑排放碳4 931.93 kg·Mg-1；生產(chǎn)1 t氮肥排放1.74 t碳；1 t鉀肥排放120.28 kg碳，1 t磷肥排放165.09 kg碳。

3 結(jié)果與分析

3.1 花菜含碳率變化

實驗測得含碳率數(shù)據(jù)如圖1所示?；ú松L期含碳率波動范圍為30%～40%，生長初期最小，為25.73%，生長旺期最大，為41.61%，平均含碳率為35.12%?；ú酥挥性谏L旺期才達到中國主要農(nóng)作物平均含碳率水平[15]（水稻Oryza sativa為41.45%，玉米為47.09%，大豆Glycine soja為45.00%，小麥為48.53%等）。

3.2 花菜碳儲量

將每次采集的花菜樣品經(jīng)烘干稱量測得生物量，結(jié)合含碳率測得花菜碳儲量如圖2所示?；ú嗽谏L初期生長緩慢，生物量基本無變化，此時的碳儲量（0.279 4 t·hm-2）與移栽前（0.307 3 t·hm-2）相比略有降低，而在第4次測定時，也就是生長1個半月時花菜碳儲量有明顯增加，通過測定第4次到第8次之間為生長旺期，生物量增速最快，含碳率也相對較高，從而測得生長期最大碳儲量為0.684 9 t·hm-2，一般收割均在生長末期之前，生長末期碳儲量逐漸減少，但變化不大。綜合計算花菜1個生育期固碳量為5.18 t·hm-2。

3.3 土壤有機碳儲量及分布

如表1所示：花菜田0～5 cm土壤有機碳最高為15.77 g·kg-1，是底層土壤8.59 g·kg-1的1.84倍。土壤總碳儲量為84.74 t·hm-2，其中表層土（0～20 cm）總碳儲量為31.25 t·hm-2，占總碳儲量的36.88%。這可能與表層土壤經(jīng)常翻耕，大部分化肥等原料停留在表層有關(guān)。

表1 花菜田各土壤層有機碳儲量Table 1 Organic carbon storage of the Brassica oleracea var.botrytis soil layer

圖1 花菜生育期內(nèi)含碳率動態(tài)變化Figure 1 Dynamics of carbon content of Brassica oleracea var.botrytis in one growth period

圖2 花菜生長期間碳儲量動態(tài)變化Figure 2 Dynamics of carbon storage of Brassica oleracea var.botrytis in one growth period

3.4 土壤呼吸月變化

從圖3可以看出：花菜生長初期土壤呼吸速率普遍較高，第4次測得最高總呼吸速率為5.46μmol· m-2·s-1，此時花菜開始進入生長旺期。之后隨著花菜的生長，總呼吸速率反而降低，逐漸減弱直至收割時最低為0.47μmol·m-2·s-1，生育期內(nèi)總呼吸平均呼吸速率為3.16μmol·m-2·s-1。

花菜田異養(yǎng)呼吸速率動態(tài)變化與總呼吸基本一致，也是生長旺期開始時最高，成熟后逐漸降低，收獲時最低，異養(yǎng)呼吸速率變化范圍為0.43～2.84μmol·m-2·s-1，平均值為1.72μmol·m-2·s-1。

土壤異養(yǎng)呼吸主要受土壤溫度、濕度等環(huán)境因子及微生物活動的影響，將它與自養(yǎng)呼吸分開討論，對于研究未來全球碳動態(tài)變化具有十分重要的意義。

3.5 花菜田管理碳源

據(jù)統(tǒng)計，花菜種植期間施農(nóng)藥0.043 t·hm-2，化肥9.000 t·hm-2，其中磷肥2.000 t·hm-2，鉀肥3.000 t·hm-2，氮肥4.000 t·hm-2，計算得能源總碳排放為0.790 t·hm-2；栽植期間共灌溉3次，6 h·次-1，收獲時雇傭17人以人工方式收割，無機耕活動，計算得人工管理活動碳排放為1.02 t·hm-2。統(tǒng)計得花菜1個生育期內(nèi)管理碳排放為1.81 t·hm-2。

3.6 花菜田碳平衡計算

由于花菜生育期內(nèi)凋落物量幾乎為0，所以在計算中忽略不計。通過對各子系統(tǒng)碳匯源計算發(fā)現(xiàn)，花菜1個生育期內(nèi)植被固碳量為5.18 t·hm-2，花菜田土壤釋放碳量為2.38 t·hm-2，農(nóng)田管理碳排放量為1.81 t·hm-2，花菜田表現(xiàn)為弱碳匯，測得凈碳匯為0.99 t·hm-2，相當(dāng)于固定二氧化碳4.01 t·hm-2。

4 討論

圖3 花菜田土壤總呼吸與異養(yǎng)呼吸月變化Figure 3 Month dynamics of soil total and heterotrophic respiration for Brassica oleracea var.botrytis farmland

實驗測得花菜含碳率基本為30%～40%，平均值為35.12%，結(jié)合生物量計算得花菜植被生育期內(nèi)固碳量為5.18 t·hm-2。與前人研究相比，低于河南1997年平均固碳量（5.65 t·hm-2）和2007年平均固碳量（9.77 t·hm-2）[4]，但高于江西2003年和2007年平均固碳量（1.12 t·hm-2和1.51 t·hm-2）[16]，同時介于李潔靜等[17]測算的太湖地區(qū)水稻（4.7 t·hm-2）和油菜（8.0 t·hm-2）固碳量之間?；ú撕悸瘦^低，固碳能力較弱，但花菜植被固碳是花菜田系統(tǒng)的主要碳匯方式，因此，增加植被碳儲量是最好的碳增匯措施，而要增加碳儲量主要是通過增加花菜產(chǎn)量實現(xiàn)。由于崇明島地區(qū)土壤鹽堿化較嚴(yán)重、土地貧瘠，目前，最適宜的增匯方式就是增加有機肥配施，但有機肥施用也不能無限制增加，如何找到一個最利于作物生長的比例還需要長期實驗研究。此外，還可以在同一塊田地上進行輪作，通過不同品種的更替減緩?fù)寥懒魇?，增加土壤碳儲量，從而促進作物生長。

花菜田1個生育期內(nèi)異養(yǎng)呼吸碳排放量為2.38 t·hm-2。呼吸作用是農(nóng)田最主要碳源，因此，要增加花菜田碳匯能力就要減少碳源釋放，也就是減小土壤呼吸作用。農(nóng)田土壤異養(yǎng)呼吸速率一般比人工林土壤異養(yǎng)呼吸速率大，因為農(nóng)田郁閉度相對較低，陽光能更多的到達地面，從而引起農(nóng)田土溫快速上升，再加上農(nóng)田施用肥料，使得土壤微生物活性較強，進而釋放出更多二氧化碳。針對這一特點，在構(gòu)建低碳園區(qū)時可以采取農(nóng)林間作的方式，降低農(nóng)田郁閉度，進而降低土壤表面溫度，以減弱農(nóng)田土壤呼吸。

花菜在1個生育期內(nèi)管理碳源總排放量為1.81 t·hm-2。由于農(nóng)田對管理的特殊依賴性，人工管理碳源也是碳釋放的重要途徑，要減少人工管理碳源就要求園區(qū)進行不斷管理改革，改變農(nóng)田管理方式，減少人員或機械投入，或者引進節(jié)能機器等從而減少人工管理碳源。

花菜田生育期凈碳匯為0.99 t·hm-2，表現(xiàn)為弱碳匯。這一數(shù)值與中國其他學(xué)者關(guān)于農(nóng)田碳匯研究結(jié)果相比，低于朱詠莉等[18]測得的亞熱帶稻田凈固定碳量，但與郝慶菊等[5]測定的水旱輪作農(nóng)田的凈碳匯值相當(dāng)。本研究主要根據(jù)現(xiàn)今崇明島農(nóng)業(yè)園區(qū)耕作方式，選擇園區(qū)主要種植品種花菜進行研究，雖然園區(qū)目前已將部分田地退田還林，但人工林種植面積相對于農(nóng)田較小，且種植時間較短，固碳能力較弱。園區(qū)主要碳流動載體依然以農(nóng)田為主，如何根據(jù)農(nóng)田碳流動方式采取碳增匯減排措施是當(dāng)前最主要問題，也是構(gòu)建低碳農(nóng)業(yè)園區(qū)最主要環(huán)節(jié)。

研究中將作物生長期的生物產(chǎn)量作為碳吸收，實際上已包括了作物凋落物所帶來的碳，并扣除了作物呼吸作用消耗的碳。如果需要進一步細(xì)化不同時期的碳流動方式，還需進一步測定各時期作物光合作用與呼吸作用對碳變化量的影響，再結(jié)合土壤呼吸與根呼吸釋放碳量進行分析。本研究中對人工管理活動碳排放的計算只適用于崇明地區(qū)，因為不同地區(qū)、不同耕作方式所需要的人力物力不同，從而計算結(jié)果也會有所不同。其次是燃料標(biāo)準(zhǔn)，由于目前對燃料沒有較為嚴(yán)格的要求和規(guī)范，所以在計算時也存在一定的不確定性。同一種燃料碳的含量可能有很大差別，而在選擇碳排放系數(shù)時，還要根據(jù)生產(chǎn)化肥、殺蟲劑的過程不同，以及灌溉耗電對化石燃料的利用不同來進行選取。

5 結(jié)論

研究表明：崇明農(nóng)業(yè)園區(qū)花菜田生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出微弱碳匯能力，花菜田系統(tǒng)固碳主要是通過植被固碳，主要碳釋放途徑為土壤呼吸與人工管理碳釋放?，F(xiàn)階段關(guān)于崇明島農(nóng)業(yè)園區(qū)農(nóng)田碳增匯減排技術(shù)最可行的措施就是改善施肥制度，比如等氮投入、不同氮源施肥、有機-無機肥配施處理等。建議通過不同配比實驗，尋找最適合當(dāng)?shù)赝寥罈l件的有機肥配施標(biāo)準(zhǔn)，提高作物生物量，并最大限度地減少土壤碳排放，在耕作強度很大的農(nóng)田，最有效的辦法是提高土壤中穩(wěn)定態(tài)氮含量及比例。

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Carbon balance of Brassica oleracea var.botrytis from Chongming Ecological Agriculture Park in Shanghai

WANG Shi1，WU Yongbo1，CHEN Jie2，DING Xiaoye1
（1.College of Forest Resources&Environment，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，Jiangsu，China；2. Modern Agricultural Science&Engineering Institute，Tongji University，Shanghai200092，China）

To contribute tomeasurement techniques for carbon sink additions and emission reductions，and to provide data to support the development of a low-carbon agricultural park，the carbon balance ofBrassica oleraceavar.botrytiswas estimated.To evaluate carbon balance，themain carbon storage components of B.oleracea var.botrytis，soil respiration，and carbon sources of artificialmanagementwere determined bymeasuring biomass in an eco-agricultural area on Chongming Island in Shanghai.Themain results showed that（1）the minimum carbon content ofB.oleracea var.botrytiswas 25.7%，the maximum was 41.6%，and the average was 34.1%.（2）At harvest，carbon storage of the vegetable layer was 5.18 t·hm-2，and the soil layer was 84.74 t·hm-2.（3）The respiration rate of the soilwas highest in the initial stages of growth，and then gradually weakened.For one growing period，soil heterotrophic respiration effluxes for theB.oleracea var.botrytisfarmland was 2.38 t·hm-2.（4）Total carbon emission was 1.81 t·hm-2，and（5）net carbon sequestration in one growing period was 0.99 t·hm-2fixing CO24.01 t·hm-2.Thus，to improve the weak carbon sink，reasonable fertilizer including organic fertilizer should be applied to increase production that will increase carbon sinks；as production increases，agroforestry intercropping and personnel management structure adjustments can be used to reduce the carbon source.[Ch，3 fig.1 tab.18 ref.]

S181

A

2095-0756（2014）02-0190-06

2013-03-26；

2013-06-04

“十一五”國家科技支撐計劃項目（2009BAC62B04）

王適，從事環(huán)境生態(tài)學(xué)研究。E-mail：wangshi_198803@163.com。通信作者：吳永波，副教授，從事生態(tài)學(xué)研究。E-mail：yongbowu0920@163.com