設(shè)施蔬菜種植對(duì)土壤有機(jī)碳的影響研究

金家銘，劉曉宇，陳 寅

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，江蘇 句容 212400）

由于市場(chǎng)需求，同時(shí)能提高農(nóng)民收入，近年來，設(shè)施蔬菜種植在我國(guó)快速發(fā)展，且仍然持續(xù)增長(zhǎng)[1]。大量的農(nóng)用地從種植糧食作物轉(zhuǎn)為設(shè)施蔬菜種植，是我國(guó)近年來主要的種植變化趨勢(shì)之一。土地利用變化是土壤有機(jī)碳最重要的影響因子之一，設(shè)施蔬菜種植具有高投入、高強(qiáng)度的特點(diǎn)，其對(duì)土壤理化性質(zhì)具有多重影響[2]。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)，且土壤有機(jī)碳是土壤肥力的重要指標(biāo)[3]。近年來，已有不少針對(duì)設(shè)施蔬菜種植如何影響土壤有機(jī)碳的研究，本文擬從我國(guó)設(shè)施蔬菜種植的發(fā)展，設(shè)施種植對(duì)土壤有機(jī)碳總量和組分的影響等方面進(jìn)行探討，并提出研究建議，完善設(shè)施蔬菜種植對(duì)土壤有機(jī)碳的影響研究，以期進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)碳達(dá)峰與碳中和戰(zhàn)略的開展。

1 中國(guó)設(shè)施蔬菜種植的發(fā)展

由于市場(chǎng)需求和經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)，我國(guó)設(shè)施蔬菜種植面積迅速增加。1981年全國(guó)設(shè)施蔬菜種植面積不足0.72萬ha，至2014年，設(shè)施種植面積達(dá)到370萬 ha[4]。相對(duì)于傳統(tǒng)的露天種植，設(shè)施種植更適宜蔬菜生長(zhǎng)，可同時(shí)提高蔬菜產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)收入，據(jù)估算，設(shè)施蔬菜的收益是普通蔬菜的2.6倍[5]。與傳統(tǒng)作物生產(chǎn)相比，蔬菜種植需要大量的勞動(dòng)力、電、水、肥等投入品，是高投入、高產(chǎn)出、高強(qiáng)度的農(nóng)業(yè)利用方式。

受種植收益的驅(qū)動(dòng)，為使作物快速生長(zhǎng)、獲得較高產(chǎn)量，設(shè)施蔬菜往往使用過量氮肥和灌溉。1994-1997年，山東省設(shè)施蔬菜的年均施化肥量達(dá)N 943-2288 kg ha-1、P2O5950-2591 kg ha-1和 K2O 281-1245 kg ha-1[6]，遠(yuǎn)高于中國(guó)平均施肥水平。

設(shè)施蔬菜種植需要特殊的栽培環(huán)境，需要獨(dú)特的水、肥、氣、熱環(huán)境，對(duì)土壤理化性質(zhì)有巨大的影響。研究表明，尤其在大棚的栽培條件下，土壤缺少雨水淋洗，且溫度、濕度、通氣狀況和水肥管理等均與露地蔬菜栽培有較大差別。已有研究表明，設(shè)施種植的不當(dāng)管理易造成土壤酸化，氮素淋溶，土壤次生鹽漬化等環(huán)境負(fù)效應(yīng)[7]。設(shè)施蔬菜種植如何影響土壤有機(jī)碳，在碳達(dá)峰與碳中和戰(zhàn)略的背景下也成為研究熱點(diǎn)。

2 設(shè)施蔬菜種植對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

土壤有機(jī)碳還是土壤肥力的重要組成部分，土壤有機(jī)碳的含量及其動(dòng)態(tài)平衡是反映土壤質(zhì)量或土壤健康的一個(gè)重要指標(biāo)，直接影響土壤肥力和作物產(chǎn)量的高低。設(shè)施種植對(duì)土壤有機(jī)碳的影響與種植方式、種植年限、土壤背景值等諸多因素密切相關(guān)。目前，已有研究認(rèn)為設(shè)施種植可提升，也可降低土壤有機(jī)碳，但總體來看，多數(shù)研究認(rèn)為設(shè)施種植可提升土壤有機(jī)碳。

點(diǎn)位尺度研究上，Yan等[8]在曲周，順義和壽光，3個(gè)大棚蔬菜種植強(qiáng)度依次遞增的研究區(qū)進(jìn)行配對(duì)樣品采集，研究結(jié)果均表明作物地轉(zhuǎn)換為蔬菜大棚將導(dǎo)致土壤有機(jī)碳增加（作物地和設(shè)施蔬菜大棚分別為7.81 g kg-1和11.09 g kg-1）。Lei等[9]在壽光也觀察到了類似的結(jié)果（作物地和設(shè)施蔬菜大棚分別為8.90 g kg-1和11.43 g kg-1）。區(qū)域尺度研究上，Wang等[10]在全國(guó)范圍內(nèi)的研究表明，蔬菜大棚相比露天蔬菜種植，能增加CO2固定3.61 t CO2ha-1yr-1。

除研究設(shè)施種植對(duì)土壤有機(jī)碳總量的影響研究之外，已有部分研究關(guān)注設(shè)施種植對(duì)土壤有機(jī)碳的物理和生物化學(xué)上的組分特征的影響。Lei等[9]的研究結(jié)果表明，大田作物轉(zhuǎn)換為設(shè)施蔬菜種植導(dǎo)致土壤有機(jī)碳增加，其中可溶性有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳增加顯著，但微生物量碳卻呈現(xiàn)下降。Qiu等[11]的研究結(jié)果表明大田作物轉(zhuǎn)換為設(shè)施蔬菜種植使得土壤有機(jī)碳增加，但由于化肥過量使用產(chǎn)生土壤酸化，蔬菜地總碳儲(chǔ)量（土壤有機(jī)碳+土壤無機(jī)碳）反而下降，增加的土壤有機(jī)碳中，以顆粒有機(jī)碳和可溶性有機(jī)碳為主，微生物量碳呈現(xiàn)下降。Luan等[12]通過開展8年小區(qū)實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合化學(xué)、同位素和土壤微生物等測(cè)試方法，結(jié)果顯示，施用有機(jī)肥可以增加土壤有機(jī)碳，但增加的碳以不穩(wěn)定的組分為主，降低了土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性。

3 設(shè)施蔬菜種植的生命周期評(píng)價(jià)

針對(duì)設(shè)施蔬菜如何影響土壤有機(jī)碳總量和組分已開展大量研究，但設(shè)施蔬菜生產(chǎn)不是單純的蔬菜種植活動(dòng)，而是以蔬菜生產(chǎn)為目的，包括農(nóng)資生產(chǎn)、農(nóng)作生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸、消費(fèi)及廢棄物排放等的“從搖籃到墳?zāi)埂钡纳a(chǎn)系統(tǒng)[13]。因此，需要開展生命周期評(píng)價(jià)，才有助于全面了解設(shè)施蔬菜對(duì)土壤有機(jī)碳的影響。生命周期評(píng)價(jià)是一種用于評(píng)估產(chǎn)品在其整個(gè)生命周期中，即從原材料的獲取、產(chǎn)品的生產(chǎn)直至產(chǎn)品使用后的處置，對(duì)環(huán)境影響的技術(shù)和方法。

已開展的生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果表明，設(shè)施種植1 t番茄產(chǎn)生的全球增溫潛勢(shì)為271.9 kg C[4]。通過測(cè)算不同設(shè)施類型蔬菜生產(chǎn)的碳投入產(chǎn)出及碳足跡，結(jié)果顯示設(shè)施溫室的碳足跡分別為-2 487.9 kg/ha，表明設(shè)施蔬菜雖然消耗農(nóng)業(yè)投入品，但仍然為碳匯。此外，由于頻繁的灌溉和較高的溫度，設(shè)施種植易造成氮流失，有研究表明，設(shè)施種植造成的土壤N2O排放量最高可達(dá)60.5 kg N ha-1。由于N2O的全球增熱潛勢(shì)是CO2的298倍，蔬菜種植平均每多消耗1 kg N，其釋放的N2O相當(dāng)于13 kg C，將極大影響雙碳戰(zhàn)略中對(duì)設(shè)施蔬菜種植的評(píng)估。

4 展望

設(shè)施蔬菜種植對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響是長(zhǎng)期和動(dòng)態(tài)的，但截至目前，我國(guó)多數(shù)農(nóng)業(yè)觀測(cè)站，以水稻、小麥等大田作物為研究對(duì)象，針對(duì)設(shè)施蔬菜種植的觀測(cè)站，尚未積累足夠長(zhǎng)期和全面的數(shù)據(jù)。隨著設(shè)施蔬菜的發(fā)展，其占農(nóng)用地的比例不斷增加。為綜合評(píng)價(jià)蔬菜種植對(duì)土壤有機(jī)碳的影響，并為未來的模型提供可靠的數(shù)據(jù)，建立蔬菜長(zhǎng)期觀測(cè)站點(diǎn)有其必要性。

土壤有機(jī)碳模型的構(gòu)建和使用是目前土壤有機(jī)碳研究的大趨勢(shì)，如DNDC模型9.1版本中已可模擬部分蔬菜種類。Century模型也可通過設(shè)置產(chǎn)量、凋萎系數(shù)、植物碳氮比等作物參數(shù)，模擬蔬菜種植條件下土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化。但由于缺少長(zhǎng)期觀測(cè)站的數(shù)據(jù)驗(yàn)證和支持，針對(duì)設(shè)施蔬菜種植的土壤有機(jī)碳模型，尚未得到廣泛的認(rèn)可和使用。為全面推進(jìn)雙碳戰(zhàn)略，估算設(shè)施蔬菜種植對(duì)不同氣候情景、不同管理措施的響應(yīng)，有必要構(gòu)建和完善設(shè)施蔬菜種植的土壤有機(jī)碳模型。

5 結(jié)論

設(shè)施蔬菜種植對(duì)土壤有機(jī)碳存在顯著影響，但這種影響與管理方式、種植年限、土壤本底情況等因素密切相關(guān)。多數(shù)研究表明，大田種植轉(zhuǎn)為設(shè)施蔬菜種植，在初期會(huì)造成土壤有機(jī)碳含量下降，如果長(zhǎng)期高強(qiáng)度施用化肥，會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量進(jìn)一步下降。通過施用有機(jī)肥等措施，可以提升土壤有機(jī)碳含量，但增加的土壤有機(jī)碳含量，以不穩(wěn)定的形態(tài)為主，不加以保護(hù)，易分解為CO2，重新排放進(jìn)入大氣系統(tǒng)。未來的研究中，需考慮開展設(shè)施蔬菜種植的生命周期評(píng)價(jià)，以更合理和綜合地評(píng)估設(shè)施蔬菜種植對(duì)碳達(dá)峰與碳中和的影響。此外，需要設(shè)置長(zhǎng)期的設(shè)施蔬菜種植監(jiān)測(cè)點(diǎn)，構(gòu)建針對(duì)設(shè)施蔬菜的土壤有機(jī)碳模型，豐富設(shè)施蔬菜種植對(duì)土壤有機(jī)碳影響的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和研究手段。