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2022 年 3 期专 论 智慧农业导刊 Journal of Smart Agriculture 设施蔬菜种植对土壤有机碳的影响研究 金家铭 刘晓宇 陈 寅 江苏农林职业技术学院 信息工程学院 江苏 句容 212400 由于市场需求 同时能提高农民收入 近年来 设施 蔬菜种植在我国快速发展 且仍然持续增长 1 大量的农 用地从种植粮食作物转为设施蔬菜种植 是我国近年来 主要的种植变化趋势之一 土地利用变化是土壤有机碳 最重要的影响因子之一 设施蔬菜种植具有高投入 高 强度的特点 其对土壤理化性质具有多重影响 2 土壤是 陆地生态系统中最大的碳库 且土壤有机碳是土壤肥力 的重要指标 3 近年来 已有不少针对设施蔬菜种植如何 影响土壤有机碳的研究 本文拟从我国设施蔬菜种植的 发展 设施种植对土壤有机碳总量和组分的影响等方面 进行探讨 并提出研究建议 完善设施蔬菜种植对土壤 有机碳的影响研究 以期进一步促进我国碳达峰与碳中 和战略的开展 1 中国设施蔬菜种植的发展 由于市场需求和经济驱动 我国设施蔬菜种植面积 迅速增加 1981年全国设施蔬菜种植面积不足 0 72万 ha 至 2014 年 设施种植面积达到 370 万 ha 4 相对于传统 的露天种植 设施种植更适宜蔬菜生长 可同时提高蔬 菜产量和农业收入 据估算 设施蔬菜的收益是普通蔬 菜的 2 6 倍 5 与传统作物生产相比 蔬菜种植需要大量 的劳动力 电 水 肥等投入品 是高投入 高产出 高强 度的农业利用方式 受种植收益的驱动 为使作物快速生长 获得较高产 量 设施蔬菜往往使用过量氮肥和灌溉 1994 1997年 山 东省设施蔬菜的年均施化肥量达 N 943 2288 kg ha 1 P 2 O 5 950 2591 kg ha 1 和 K 2 O 281 1245 kg ha 1 6 远高 于中国平均施肥水平 设施蔬菜种植需要特殊的栽培环境 需要独特的水 肥 气 热环境 对土壤理化性质有巨大的影响 研究表 明 尤其在大棚的栽培条件下 土壤缺少雨水淋洗 且温 摘 要 近年来 为满足市场对新鲜果蔬日益增长的需求 我国设施蔬菜种植面积快速增长 设施种植具有环境封闭 高 水肥投入和高产出等特点 这种高强度的土地利用影响土壤有机碳的稳定性 进而影响我国农业固碳政策 对我国实施碳达 峰与碳中和战略带来巨大挑战 文章通过文献综述 探讨我国设施蔬菜种植的发展 及其对土壤有机碳含量和组分的影响 并 提出开展生命周期评价 建立长期定位监测点 构建和优化针对设施蔬菜种植的土壤有机碳模型等建议 以期完善设施蔬菜 种植对土壤有机碳的影响研究 关键词 设施蔬菜种植 土壤有机碳 生命周期评价 土壤有机碳模型 中图分类号 S626 文献标志码 A 文章编号 2096 9902 2022 03 0018 03 Abstract In recent years in order to meet the growing market demand for fresh fruits and vegetables the cultivation area of greenhouse vegetable in China has increased rapidly Greenhouse cultivation has the characteristics of closed environment high water and fertilizer input and high yield How this intensive land use affects soil organic carbon and China s agricultural carbon sequestration policy is of great significance to China s carbon peak and carbon neutralization strategy Through literature review this paper discusses the development of greenhouse vegetable cultivation in China and its impact on soil organic carbon content and components and puts forward some suggestions such as carrying out life cycle assessment establishing long term monitoring experiment and constructing and optimizing soil organic carbon model for greenhouse vegetable cultivation in order to facilitate the study on the impact of greenhouse vegetable cultivation on soil organic carbon Keywords greenhouse vegetable cultivation soil organic carbon life cycle assessment soil organic carbon model 基金项目 本文系江苏农林职业技术学院科技项目 2019KJ014 通信作者 刘晓宇 1987 女 博士研究生 讲师 研究方向为农业信息化 DOI 10 20028 j zhnydk 2022 03 007 18 2022 年 3 期 智慧农业导刊 Journal of Smart Agriculture 专 论 度 湿度 通气状况和水肥管理等均与露地蔬菜栽培有较 大差别 已有研究表明 设施种植的不当管理易造成土壤 酸化 氮素淋溶 土壤次生盐渍化等环境负效应 7 设施蔬 菜种植如何影响土壤有机碳 在碳达峰与碳中和战略的 背景下也成为研究热点 2 设施蔬菜种植对土壤有机碳的影响 土壤有机碳还是土壤肥力的重要组成部分 土壤有 机碳的含量及其动态平衡是反映土壤质量或土壤健康 的一个重要指标 直接影响土壤肥力和作物产量的高 低 设施种植对土壤有机碳的影响与种植方式 种植年 限 土壤背景值等诸多因素密切相关 目前 已有研究认 为设施种植可提升 也可降低土壤有机碳 但总体来看 多数研究认为设施种植可提升土壤有机碳 点位尺度研究上 Yan 等 8 在曲周 顺义和寿光 3 个 大棚蔬菜种植强度依次递增的研究区进行配对样品采 集 研究结果均表明作物地转换为蔬菜大棚将导致土壤 有机碳增加 作物地和设施蔬菜大棚分别为 7 81 g kg 1 和 11 09 g kg 1 Lei 等 9 在寿光也观察到了类似的结果 作物地和设施蔬菜大棚分别为 8 90 g kg 1 和 11 43 g kg 1 区域尺度研究上 Wang 等 10 在全国范围内的研究表 明 蔬菜大棚相比露天蔬菜种植 能增加 CO 2 固定 3 61 t CO 2 ha 1 yr 1 除研究设施种植对土壤有机碳总量的影响研究之 外 已有部分研究关注设施种植对土壤有机碳的物理和 生物化学上的组分特征的影响 Lei 等 9 的研究结果表 明 大田作物转换为设施蔬菜种植导致土壤有机碳增 加 其中可溶性有机碳和易氧化有机碳增加显著 但微 生物量碳却呈现下降 Qiu 等 11 的研究结果表明大田作 物转换为设施蔬菜种植使得土壤有机碳增加 但由于化 肥过量使用产生土壤酸化 蔬菜地总碳储量 土壤有机 碳 土壤无机碳 反而下降 增加的土壤有机碳中 以颗 粒有机碳和可溶性有机碳为主 微生物量碳呈现下降 Luan 等 12 通过开展 8 年小区实验 并结合化学 同位素 和土壤微生物等测试方法 结果显示 施用有机肥可以 增加土壤有机碳 但增加的碳以不稳定的组分为主 降 低了土壤有机碳的稳定性 3 设施蔬菜种植的生命周期评价 针对设施蔬菜如何影响土壤有机碳总量和组分已 开展大量研究 但设施蔬菜生产不是单纯的蔬菜种植活 动 而是以蔬菜生产为目的 包括农资生产 农作生产 农产品运输 消费及废弃物排放等的 从摇篮到坟墓 的 生产系统 13 因此 需要开展生命周期评价 才有助于全 面了解设施蔬菜对土壤有机碳的影响 生命周期评价是 一种用于评估产品在其整个生命周期中 即从原材料的 获取 产品的生产直至产品使用后的处置 对环境影响 的技术和方法 已开展的生命周期评价结果表明 设施种植 1 t 番 茄产生的全球增温潜势为 271 9 kg C 4 通过测算不同 设施类型蔬菜生产的碳投入产出及碳足迹 结果显示设 施温室的碳足迹分别为 2 487 9 kg ha 表明设施蔬菜 虽然消耗农业投入品 但仍然为碳汇 此外 由于频繁的 灌溉和较高的温度 设施种植易造成氮流失 有研究表 明 设施种植造成的土壤 N 2 O 排放量最高可达 60 5 kg N ha 1 由于 N 2 O 的全球增热潜势是 CO 2 的 298 倍 蔬 菜种植平均每多消耗 1 kg N 其释放的 N 2 O 相当于 13 kg C 将极大影响双碳战略中对设施蔬菜种植的评估 4 展望 设施蔬菜种植对土壤理化性质的影响是长期和动 态的 但截至目前 我国多数农业观测站 以水稻 小麦 等大田作物为研究对象 针对设施蔬菜种植的观测站 尚未积累足够长期和全面的数据 随着设施蔬菜的发 展 其占农用地的比例不断增加 为综合评价蔬菜种植 对土壤有机碳的影响 并为未来的模型提供可靠的数 据 建立蔬菜长期观测站点有其必要性 土壤有机碳模型的构建和使用是目前土壤有机碳 研究的大趋势 如 DNDC 模型 9 1 版本中已可模拟部分 蔬菜种类 Century 模型也可通过设置产量 凋萎系数 植物碳氮比等作物参数 模拟蔬菜种植条件下土壤有机 碳的动态变化 但由于缺少长期观测站的数据验证和支 持 针对设施蔬菜种植的土壤有机碳模型 尚未得到广 泛的认可和使用 为全面推进双碳战略 估算设施蔬菜 种植对不同气候情景 不同管理措施的响应 有必要构 建和完善设施蔬菜种植的土壤有机碳模型 5 结论 设施蔬菜种植对土壤有机碳存在显著影响 但这种 影响与管理方式 种植年限 土壤本底情况等因素密切 相关 多数研究表明 大田种植转为设施蔬菜种植 在初 期会造成土壤有机碳含量下降 如果长期高强度施用化 肥 会导致土壤有机碳含量进一步下降 通过施用有机 肥等措施 可以提升土壤有机碳含量 但增加的土壤有 机碳含量 以不稳定的形态为主 不加以保护 易分解为 CO 2 重新排放进入大气系统 未来的研究中 需考虑开 19 2022 年 3 期专 论 智慧农业导刊 Journal of Smart Agriculture 展设施蔬菜种植的生命周期评价 以更合理和综合地评 估设施蔬菜种植对碳达峰与碳中和的影响 此外 需要 设置长期的设施蔬菜种植监测点 构建针对设施蔬菜的 土壤有机碳模型 丰富设施蔬菜种植对土壤有机碳影响 的数据基础和研究手段 参考文献 1 国家统计局 中国统计年鉴 M 北京 中国统计出版社 2021 2 刘杨 于东升 史学正 等 不同蔬菜种植方式对土壤固碳速率 的影响 J 生态学报 2012 32 9 2953 2959 3 邱宇洁 耕地土壤有机质提升路径 J 南方农机 2021 52 13 87 88 98 4 Kianpoor Kalkhajeh Y Huang B Hu W et al Environ mental soil quality and vegetable safety under current green house vegetable production management in china J Agriculture Ecosystems Environment 2012 150 0 102 110 9 Lei B K Fan M S Chen Q et al Conversion of wheat maize to vegetable cropping systems changes soil organic matter characteristics J Soil Science Society of America Journal 2010 74 4 1320 1326 10 Wang Y Xu H Wu X et al Quantification of net carbon flux from plastic greenhouse vegetable cultivation A full carbon cycle analysis J Environmental Pollution 2011 159 5 1427 1434 11 Qiu S J Ju X T Ingwersen J et al Changes in soil car bon and nitrogen pools after shifting from conventional cereal to greenhouse vegetable production J Soil Tillage Research 2010 107 2 80 87 12 Luan H A Gao W Huang S W et al Partial substitution of chemical fertilizer with organic amendments affects soil or ganic carbon composition and stability in a greenhouse vegetable production system J Soil and Tillage Research 2019 191 185 196 13 徐强 胡克林 李季 等 华北平原不同生产模式设施蔬菜生命 周期环境影响评价 J 环境科学 2018 39 5 2480 2488 14 王效琴 吴庆强 周建斌 等 设施番茄生产系统的环境影响生 命周期评价 J 环境科学学报 2014 34 11 2940 2947 优势科作为多个植物区系比较研究中的指标 在一 定程度上可以反映该植物区系的组成 结构 性质和特 点 海棠山自然保护排名前 10 的优势科有菊科 豆科 蔷薇科等 详见表 3 其中菊科占总种数高达 13 75 所 含属数 55 个 种数 118 个 我国学者吴征镒对世界所有科划分为 18 个大分布 区类型 用数字 1 18 代表不同的分布区类型 本文采用 吴征镒这种划分分布区类型方案 将海棠山种子植物科 的分布类型和属种子植物 417 划分为 15 个分布类型和 14 个变型进行统计 见表 4 由表 4 可知 海棠山自然保护区世界分布属分别为 58 属 分别占总属数 13 91 海棠山共有北温带及其变 型 128 属 占海棠山所有种子植物属 30 7 如木本植物 中的冷衫属 Abies 杨属 Popuhus 柳属 Salix 桦木 属 Betula 栎 属 Fagaceae 榆 属 Ulmusl 云 杉 属 Picea 核桃属 Juglans 等是海棠山自然保护区针阔叶 混交林的主要组成部分 热带分布属及其变型共计 85 属 占海棠山所有种子植物属的 20 38 海棠山自然保护区是华北 内蒙古 长白植物区系 交汇地带 具有 3 个植物区系互相交错 互相渗透的强 烈特点 海棠山植物种类繁多 有国际二级重点保护野 生植物黄波罗 水曲柳 紫椴 野大豆 4 种 还有核桃楸 黄榆 裂叶榆 五味子 花曲柳 东北山梅花 三裂叶绣线 菊等辽宁珍贵稀有树种 3 大植物区系组成的各种植物 群落使收缩的落叶阔叶林面积逐年恢复 有抵御荒漠化 向东南部侵移的能力 具有极高的保护价值 参考文献 1 吴怡 张华 海棠山和艾比湖湿地自然保护区植物区系比较研 究 J 国土与自然资源研究 2018 2 70 73 2 中国科学院植物研究所 中国高等植物图鉴 M 北京 科学出版 社 1979 3 瞿琳升 海棠山自然保护区的森林资源探讨 J 农业与技术 2019 39 10 76 77 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 上接 17 页 20