我國露地與設(shè)施番茄生產(chǎn)的溫室氣體排放比較

儲霞玲，鄭林秀，葉高松，陳俊秋

（廣東省農(nóng)業(yè)科學院蔬菜研究所，廣東省蔬菜新技術(shù)研究重點實驗室，廣州粵港澳大灣區(qū)菜籃子研究院，廣州510640）

農(nóng)業(yè)“靠天吃飯”，是對氣候變化最敏感的產(chǎn)業(yè)，也是溫室氣體的主要貢獻者。聯(lián)合國氣候變化框架公約（UNFCCC）2019 年發(fā)布的《氣候行動與支持趨勢》（Climate Action and Support Trends）報告顯示，來自農(nóng)業(yè)部門的溫室氣體排放量占全球總溫室氣體排放量的13%。我國是農(nóng)業(yè)大國，來自農(nóng)地生產(chǎn)過程及農(nóng)地利用變化過程的溫室氣體排放量占全國排放總量的17%，高于全球平均水平[1]，且1980—2020 年增長了近46%[2]。中國于2016 年簽署了應(yīng)對氣候變化減少碳排放的《巴黎協(xié)定》，并于2020 年正式提出了2030 年“碳達峰”和2060 年“碳中和”的“雙碳”目標。該目標的實現(xiàn)離不開農(nóng)業(yè)的深度參與。

蔬菜是除糧食作物以外種植最廣泛、經(jīng)濟地位最高的作物。我國是世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國，2021年，蔬菜播種面積約為2 187.22 萬hm2，產(chǎn)量達77 549萬t[3]。大部分蔬菜是淺根系作物，養(yǎng)分吸收能力弱，需要較高的養(yǎng)分投入[4]。因此，定量測算我國蔬菜生產(chǎn)過程中的溫室氣體排放尤為重要。不少學者將生命周期評價（LCA）方法應(yīng)用于蔬菜生產(chǎn)，研究主要集中于以下幾個方面：定量化研究大區(qū)域或特定區(qū)域整個蔬菜產(chǎn)業(yè)的溫室氣體排放[5-6]；研究特定區(qū)域和特定作物生產(chǎn)系統(tǒng)的環(huán)境代價[7-11]；在特定區(qū)域內(nèi)，比較不同蔬菜種類[12-16]、不同施肥管理措施[17]、不同栽培方式[18-23]下，溫室氣體排放等環(huán)境代價差異性；明確各投入環(huán)節(jié)對蔬菜溫室氣體排放的貢獻率[24-25]。這些研究的研究區(qū)域大部分集中在歐洲，如西班牙、伊朗、意大利等；研究種類主要有番茄、黃瓜、辣椒、生菜、萵苣、茄子等；設(shè)施栽培系統(tǒng)是研究的焦點，而露地蔬菜栽培系統(tǒng)研究較少；大部分研究表明肥料（尤其是化肥）、溫室結(jié)構(gòu)材料是蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)溫室氣體排放的主要來源。

番茄是除洋蔥、土豆外的三大世界性貿(mào)易蔬菜之一，在全球蔬菜貿(mào)易中占有重要地位。2020 年，全球番茄種植面積達505.5 萬hm2，總產(chǎn)量為18 205 萬t。我國是全球番茄生產(chǎn)第一大國。據(jù)行業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2021 年，我國番茄種植面積為111.3 萬hm2，產(chǎn)量為6 609 萬t，占全球番茄產(chǎn)量的1/3。其中，番茄設(shè)施栽培位居我國設(shè)施栽培播種面積第一位，設(shè)施面積占番茄總面積的57.2%。因此，定量研究番茄的溫室氣體排放及固碳效果具有較好代表性。國內(nèi)外學者對番茄溫室氣體排放研究比較豐富，涉及設(shè)施、露地番茄生產(chǎn)系統(tǒng)溫室氣體排放及其比較、不同種植方式（有機、傳統(tǒng)）下番茄生產(chǎn)系統(tǒng)溫室氣體排放、番茄生產(chǎn)碳足跡年間和年內(nèi)變化等。針對設(shè)施番茄，國外學者Bojacá 等[8]、Payen 等[26]研究了哥倫比亞高里卡托省日光溫室大棚番茄、摩洛哥設(shè)施番茄生產(chǎn)系統(tǒng)的環(huán)境代價，國內(nèi)學者王效琴等[9]、He 等[20]、郭金花[10]分別研究了西安郊區(qū)設(shè)施番茄生產(chǎn)的環(huán)境代價、北京郊區(qū)有機和無機溫室番茄生產(chǎn)的環(huán)境代價比較、北京和山東壽光的設(shè)施番茄生產(chǎn)系統(tǒng)的溫室氣體排放比較。針對露地番茄，Pishgar-Komleh 等[25]發(fā)現(xiàn)伊朗露地番茄生產(chǎn)的溫室氣體排放主要來源是材料和能源使用，張芬等[16]發(fā)現(xiàn)4 種典型露地蔬菜（番茄、黃瓜、大白菜和蘿卜）生產(chǎn)中，番茄的凈溫室氣體排放量最高，且排放空間差異大。針對露地、設(shè)施番茄比較，Ntinas 等[27]、Maureira等[28]均發(fā)現(xiàn)，相比設(shè)施種植，露地番茄種植的溫室氣體排放、能源用量較低，而供應(yīng)給悉尼的番茄碳足跡和水足跡取決于季節(jié)和生產(chǎn)系統(tǒng)類型，將番茄運往市場是大田生產(chǎn)的碳足跡熱點，而人工加熱是溫室系統(tǒng)的主要碳排放來源[29]。不同種植方式下，Ronga等[23]對意大利南部的研究表明，對每噸番茄生產(chǎn)而言，有機種植系統(tǒng)的碳排放比傳統(tǒng)種植系統(tǒng)高22%，對每公頃番茄生產(chǎn)而言，有機種植系統(tǒng)的碳排放比傳統(tǒng)種植系統(tǒng)低40%?？v向比較看，西班牙和葡萄牙埃斯特雷馬杜拉地區(qū)的露地番茄生產(chǎn)碳足跡年內(nèi)有20%的變化、年間有28%的變化[30]。

可見，當前國外對番茄環(huán)境代價的研究較多，國內(nèi)相對較少；對設(shè)施番茄研究較多，對露地番茄研究較少；對設(shè)施、露地番茄生產(chǎn)的比較研究，國外研究多，國內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)。由于不同栽培方式下化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜等投入不同，產(chǎn)量及效益也會有所差異，從而會造成溫室氣體排放有所不同。且我國各省份由于土壤、氣候等生態(tài)條件和管理措施（肥料投入等）差異，不同區(qū)域番茄生產(chǎn)系統(tǒng)的環(huán)境代價差異顯著[10]。因此，研究比較我國不同栽培方式下、不同省份番茄的溫室氣體排放及碳評價差異，對我國番茄生產(chǎn)方式選擇、調(diào)整全國蔬菜種植業(yè)布局、減少區(qū)域間環(huán)境代價具有一定的指導意義。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

在本研究的溫室氣體相關(guān)指標基本數(shù)據(jù)中，露地和設(shè)施番茄的單位面積產(chǎn)量、產(chǎn)值，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中勞動力投入、化肥施用量、廄肥施用量、農(nóng)藥投入、農(nóng)膜投入及柴油消耗等數(shù)據(jù)來自《全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編—2020》。其中，柴油費用通過公式計算得出[31]：柴油費用=（機械作業(yè)費+排灌費-水費）×21%+燃料動力費，柴油單價數(shù)據(jù)來源于我國油價網(wǎng)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)年份是2019 年，研究范圍涵蓋全國23 個露地番茄生產(chǎn)省份和21個設(shè)施番茄生產(chǎn)省份。

1.2 研究方法

1.2.1 確定系統(tǒng)邊界和溫室氣體

本研究的系統(tǒng)邊界設(shè)置為番茄生產(chǎn)系統(tǒng)，包括露地和設(shè)施番茄生產(chǎn)中物資、人力等投入到收獲的過程。根據(jù)劉巽浩等[32]的全環(huán)式路徑的溫室氣體界定標準，番茄生產(chǎn)系統(tǒng)的凈溫室氣體平衡公式為：

式中：ΔGHG為空氣中溫室氣體增減量；GWPNPP為凈初級生產(chǎn)率（包括籽粒和秸稈殘茬根系）的增溫潛勢；GWPSOC為土壤有機碳的增溫潛勢（此項短期試驗可忽略）；GWPSOILEXPORT指土壤排放CO2（主要是秸稈還田）、N2O（主要決定于施N 量）、CH4（非稻田可忽略）的增溫潛勢；GWPINPUT指間接投入的增溫潛勢（包括機、油、電、化肥、農(nóng)藥、廄肥、人畜力等）。

本研究為番茄生產(chǎn)系統(tǒng)，為非稻田且不考慮秸稈還田，土壤有機碳的增溫潛勢在短期內(nèi)可忽略。根據(jù)上述公式及說明，本研究不考慮土壤有機碳的增溫潛勢、土壤排放的CO2和CH4，主要關(guān)注柴油燃燒、人工和糞便自然堆放產(chǎn)生的直接碳排放，化肥、農(nóng)藥和農(nóng)膜生產(chǎn)過程中的間接碳排放，施N 引起的土壤N2O 排放，以及番茄通過凈初級生產(chǎn)力產(chǎn)生的碳固定。選取單位面積（每公頃）為系統(tǒng)評價單元。

1.2.2 計算方法

參考劉巽浩等[32]的研究方法，構(gòu)建番茄生產(chǎn)系統(tǒng)溫室氣體排放、碳固定和凈溫室氣體排放的計算公式。

（1）溫室氣體排放（GHGE）

式中：GHGE表示生產(chǎn)1 hm2番茄產(chǎn)生的溫室氣體排放量，kg CO2e·hm-2；Ci表示生產(chǎn)1 hm2番茄時資源投入產(chǎn)生的溫室氣體排放量，kg CO2e·hm-2；Nt表示在農(nóng)作物生長過程中由N 肥施用造成的N2O 排放總量，kg·hm-2，分為N2O 直接排放和間接排放；44/28 是將N2O-N 轉(zhuǎn)化成N2O 的系數(shù)；265 表示N2O 的100 a 全球增溫潛勢[33]。AIi表示資源i（肥料、農(nóng)膜、農(nóng)藥、柴油、人工）的投入量，EFi表示資源i的溫室氣體排放參數(shù)，如表1所示。

表1 各投入環(huán)節(jié)溫室氣體排放參數(shù)Table 1 Greenhouse gas emission parameters of different inputs

式（3）～式（6）參考王孝忠等[34-36]基于Meta-analysis 建立的我國露地蔬菜系統(tǒng)氮素損失模型，Nd表示N2O直接排放，Nid表示N2O間接排放，Nv表示N2O間接排放中的NH3揮發(fā)性排放，Nl表示N2O 間接排放中的淋洗相關(guān)排放，N表示施N 量，1.0%和2.5%分別表示與NH3揮發(fā)和淋洗相關(guān)的N2O 間接排放系數(shù)[37]。

（2）碳固定（CS）

式中：CS表示生產(chǎn)1 hm2番茄固定的碳，kg CO2e·hm-2；CSNPP表示番茄通過凈初級生產(chǎn)力固定的碳，kg CO2e·hm-2；Yw表示經(jīng)濟產(chǎn)量（鮮質(zhì)量），kg·hm-2；Cf、W、H分別表示番茄的碳吸收率、含水量和經(jīng)濟系數(shù)，分別取值0.45 kg CO2e·kg-1、90%和0.60[38]。

（3）凈溫室氣體排放（NGHGE）

式中：NGHGE表示生產(chǎn)1 hm2番茄的凈溫室氣體排放，kg CO2e·hm-2。NGHGE為正值時代表此系統(tǒng)為溫室氣體的源，反之則為匯。

1.2.3 環(huán)境評價指標

本研究選擇土地碳強度、碳生態(tài)效率、碳生產(chǎn)效率和碳經(jīng)濟效率4 項指標對番茄生產(chǎn)系統(tǒng)的碳足跡進行評價。

（1）土地碳強度，表示單位作物種植面積上產(chǎn)生的碳排放，計算公式如下：

式中：ρ為土地碳強度，kg CO2e·m-2；H為土地面積，m2。ρ越大，說明該生產(chǎn)系統(tǒng)使用單位土地所產(chǎn)生的溫室氣體排放越多，反之越少。

（2）碳生態(tài)效率，是指作物在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的光合作用碳匯與溫室氣體排放的比值，是評估農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)性的指標之一[39]。碳生態(tài)效率計算公式如下：

式中：?C為碳生態(tài)效率，為無量綱性指標。0≤?C＜1，說明番茄生產(chǎn)中的溫室氣體排放大于光合作用碳匯，數(shù)值越接近0 說明該生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)性越低；?C=1，說明番茄生產(chǎn)中的溫室氣體排放等于光合作用碳匯，該生產(chǎn)系統(tǒng)對生態(tài)環(huán)境是中性的；?C＞1，則說明番茄生產(chǎn)中的溫室氣體排放小于光合作用碳匯，該生產(chǎn)系統(tǒng)對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生正的外部性，數(shù)值越大說明該生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)性越高。

（3）碳生產(chǎn)效率，是指經(jīng)濟產(chǎn)量與溫室氣體排放的比值，是衡量作物生產(chǎn)系統(tǒng)每1 單位的溫室氣體排放所產(chǎn)生的經(jīng)濟產(chǎn)量的效率指標。根據(jù)上述定義，碳生產(chǎn)效率的計算公式可表示為：

式中：?Y為碳生產(chǎn)效率，kg·kg-1CO2e；Y為經(jīng)濟產(chǎn)量，kg·hm-2。?Y越大，說明該生產(chǎn)系統(tǒng)單位溫室氣體排放產(chǎn)生的經(jīng)濟產(chǎn)量越高。

（4）碳經(jīng)濟效率，是指總產(chǎn)值與溫室氣體排放的比值，可衡量作物生產(chǎn)系統(tǒng)每1 單位溫室氣體排放所帶來的經(jīng)濟效益。根據(jù)上述定義，可將碳經(jīng)濟效率的計算公式表示為：

式中：?I為碳經(jīng)濟效率，元·kg-1CO2e；I為總產(chǎn)值，元。?I越大，說明該生產(chǎn)系統(tǒng)單位溫室氣體排放產(chǎn)生的經(jīng)濟效益越高。

2 結(jié)果與分析

2.1 露地、設(shè)施番茄生產(chǎn)的溫室氣體排放及評價總體比較

我國番茄露地、設(shè)施栽培方式下每公頃種植面積上的溫室氣體排放及組成、碳固定、凈排放、碳評價等結(jié)果見表2。

表2 我國露地與設(shè)施番茄的溫室氣體排放特征及評價比較Table 2 Comparison of greenhouse gas emission characteristics and evaluation between open-field and facility-grown tomatoes in China

在露地栽培方式下，番茄生產(chǎn)系統(tǒng)的溫室氣體排放總量為4 630.09 kg CO2e·hm-2，各排放構(gòu)成中，土壤N2O 排放占比最高，為32.07%，其余依次為化肥、柴油、農(nóng)膜、人工、廄肥、農(nóng)藥，其中由化肥（農(nóng)資階段化肥投入和農(nóng)作階段N 肥施用造成的土壤N2O 排放）產(chǎn)生的溫室氣體排放占比為56.05%，由肥料（化肥和廄肥）投入產(chǎn)生的溫室氣體排放占比為62.31%，說明肥料是露地番茄生產(chǎn)的主要溫室氣體排放源，人工、柴油、農(nóng)膜、農(nóng)藥產(chǎn)生的溫室氣體排放占比為37.69%。露地番茄光合作用碳匯為6 289.76 kg CO2e·hm-2，大于溫室氣體排放量，凈溫室氣體排放為-1 659.67 kg CO2e·hm-2；碳生態(tài)效率為1.36，說明露地番茄生產(chǎn)系統(tǒng)每產(chǎn)生1 單位的溫室氣體，光合作用形成的碳匯為1.36單位。凈溫室氣體排放為負，碳生態(tài)效率大于1，說明露地番茄碳生產(chǎn)對生態(tài)環(huán)境具有正外部性。土地碳強度為0.46 kg CO2e·m-2，說明露地番茄生產(chǎn)系統(tǒng)每1 m2種植面積上產(chǎn)生的溫室氣體為0.46 kg CO2e；碳生產(chǎn)效率、碳經(jīng)濟效率分別為18.11 kg·kg-1CO2e 和36.37 元·kg-1CO2e，即露地番茄生產(chǎn)系統(tǒng)每排放1 kg CO2e溫室氣體，可獲得18.11 kg的經(jīng)濟產(chǎn)量和36.37元的經(jīng)濟效益。

在設(shè)施栽培方式下，每公頃番茄生產(chǎn)系統(tǒng)的溫室氣體排放總量為8 697.52 kg CO2e·hm-2，各排放構(gòu)成中，農(nóng)膜的占比最高，為36.51%，其次為土壤N2O 排放，由化肥（農(nóng)資階段化肥投入和農(nóng)作階段N肥施用造成的土壤N2O）產(chǎn)生的溫室氣體排放占比為36.99%，與農(nóng)膜相當。設(shè)施番茄光合作用碳匯為5 586.51 kg CO2e·hm-2，小于溫室氣體排放量，凈溫室氣體排放為3 111.00 kg CO2e·hm-2；碳生態(tài)效率為0.64。凈溫室氣體排放為正，碳生態(tài)效率小于1，說明設(shè)施番茄碳生產(chǎn)對生態(tài)環(huán)境具有負外部性，可持續(xù)性低。土地碳強度為0.87 kg CO2e·m-2，說明設(shè)施番茄生產(chǎn)系統(tǒng)每1 m2種植面積上產(chǎn)生的溫室氣體為0.87 kg CO2e；碳生產(chǎn)效率、碳經(jīng)濟效率分別8.56 kg·kg-1CO2e和31.59元·kg-1CO2e，即設(shè)施番茄生產(chǎn)系統(tǒng)每排放1 kg CO2e溫室氣體，可獲得8.56 kg的經(jīng)濟產(chǎn)量和31.59元的經(jīng)濟效益。

將露地和設(shè)施栽培方式下的番茄生產(chǎn)溫室氣體排放特征及碳評價指標進行比較發(fā)現(xiàn)，設(shè)施番茄溫室氣體碳排放總量顯著大于露地，比露地高87.85%；露地番茄的主要溫室氣體排放源為化肥，而設(shè)施番茄的主要溫室氣體排放源為農(nóng)膜和化肥；露地番茄的凈溫室氣體排放為負、碳生態(tài)效率大于1，對生態(tài)環(huán)境具有正外部性；設(shè)施番茄的凈溫室氣體排放為正、碳生態(tài)效率小于1，具有負環(huán)境外部性，主要是由于產(chǎn)量較低導致碳固定低于露地（低11.18%），且農(nóng)膜使用增多導致溫室氣體排放高于露地（高87.85%）；土地碳強度、碳生產(chǎn)效率、碳經(jīng)濟效率方面，設(shè)施種植的可持續(xù)性均低于露地種植。

2.2 我國露地、設(shè)施番茄生產(chǎn)的溫室氣體排放及評價的空間特征

2.2.1 溫室氣體排放的空間特征

露地栽培方式下我國23 個省份每公頃番茄生產(chǎn)系統(tǒng)的溫室氣體排放空間分布如圖1（a）所示。各省份溫室氣體排放量介于2 849.24～7 524.61 kg CO2e·hm-2之間，最高的海南省是最低的黑龍江省的2.64倍，11 個省份的排放量在全國平均值以上，23 個省份可以分為4 個梯隊：第一梯隊包括黑龍江、北京、湖北3 個省份，溫室氣體排放量均小于3 000.00 kg CO2e·hm-2；第二梯隊包括江西、廣東、河北等11 個省份，溫室氣體排放量介于3 000.00～5 000.00 kg CO2e·hm-2；第三梯隊包括云南、江蘇、山東等8個省份，溫室氣體排放量介于5 000.01～7 000.00 kg CO2e·hm-2；第四梯隊為海南省，溫室氣體排放量最大。

圖1 每公頃露地、設(shè)施番茄生產(chǎn)的溫室氣體排放空間特征Figure 1 Spatial distribution of greenhouse gas emissions per hectare of open-field and facility-grown tomato production in China

設(shè)施栽培方式下我國21 個省份每公頃番茄生產(chǎn)系統(tǒng)的碳排放空間分布見圖1（b）。各省份溫室氣體排放量介于5 788.83～13 779.69 kg CO2e·hm-2之間，總體上顯著高于露地栽培方式。最高的山西是最低的寧夏的2.38 倍，7 個省份的排放量在全國平均值以上，21 個省份也可以分為4 個梯隊：第一梯隊包括寧夏、上海、內(nèi)蒙古等7 個省份，溫室氣體排放量均小于7 000.00 kg CO2e·hm-2；第二梯隊包括北京、浙江、甘肅等7 個省份，溫室氣體排放量介于7 000.01～9 000.00 kg CO2e·hm-2；第三梯隊包括山東、吉林等5個省份，溫室氣體排放量介于9 000.01～11 000.00 kg CO2e·hm-2；第四梯隊包括黑龍江、陜西，溫室氣體排放量均大于11 000.00 kg CO2e·hm-2。

2.2.2 溫室氣體排放構(gòu)成的空間特征

各省份露地番茄生產(chǎn)的溫室氣體排放構(gòu)成如圖2 所示。各省份露地番茄生產(chǎn)的主要溫室氣體排放源均為化肥，包括農(nóng)資階段化肥投入和農(nóng)作階段N肥施用造成的土壤N2O 排放，兩者排放量在1 345.32～5 648.52 kg CO2e·hm-2之間，兩者占排放總量比例在35.30%～75.07%之間，空間差異均較大，23 個省份中有10 個省份兩者占比在60%以上。其次是柴油、農(nóng)膜、人工、廄肥，各省份的溫室氣體排放量和占比均存在較大的空間差異，規(guī)律性不明顯。相較于其他構(gòu)成，農(nóng)藥的溫室氣體排放量較低，在10.76～207.63 kg CO2e·hm-2之間，其中，云南、海南、廣西等華南蔬菜主產(chǎn)區(qū)由于氣候高溫高濕導致病蟲害嚴重，農(nóng)藥使用量相對較多，其溫室氣體排放量相對較大，占比也較高。

圖2 各省份露地番茄溫室氣體排放及構(gòu)成Figure 2 Greenhouse gas emissions and main contributors of open-field tomato production in China

各省份設(shè)施番茄生產(chǎn)的溫室氣體排放構(gòu)成見圖3?；史矫?，設(shè)施番茄農(nóng)資階段化肥投入和農(nóng)作階段N 肥施用造成的土壤N2O 排放的兩者排放量在933.77～4 640.47 kg CO2e·hm-2之間，兩者占排放總量比例在13.63%～55.59%之間，占比小于露地。農(nóng)膜方面，由于設(shè)施栽培方式下農(nóng)膜使用量顯著增加，呈現(xiàn)出與露地栽培的顯著不同，溫室氣體排放量普遍偏高，在1 658.40～6 434.59 kg CO2e·hm-2之間，成為設(shè)施番茄的主要溫室氣體排放源之一，最高占比為55.59%（安徽），最低占比也達到21.19%（新疆）。其次是柴油、人工、廄肥，與露地種植類似，呈明顯的空間差異且無明顯規(guī)律性。農(nóng)藥的貢獻最小，大部分（19/21）省份的構(gòu)成比例在1%以下。

圖3 各省份設(shè)施番茄溫室氣體排放及構(gòu)成Figure 3 Greenhouse gas emissions and composition of facility-grown tomato production in China

將露地和設(shè)施番茄溫室氣體排放構(gòu)成進行比較發(fā)現(xiàn)，兩種栽培方式下，各構(gòu)成的省間差異均較大，存在空間分布不均衡性，表明各省份在番茄種植中，對投入品的使用存在顯著不同。大部分省份的露地栽培以化肥（農(nóng)資階段化肥投入和農(nóng)作階段N肥施用造成的土壤N2O 排放）為主要溫室氣體排放源，設(shè)施栽培則有所不同，化肥的貢獻小于露地，而農(nóng)膜成為主要的溫室氣體排放源。

2.2.3 環(huán)境評價的空間特征

各省份露地、設(shè)施番茄生產(chǎn)系統(tǒng)的碳生態(tài)效率空間分布如圖4 所示。露地栽培方式下，我國番茄生產(chǎn)系統(tǒng)的碳生態(tài)效率在0.48～2.38 之間，河北最大、海南最?。缓颖?、寧夏、新疆等14 個省份的碳生態(tài)效率大于1，說明這14 個省份的溫室氣體排放小于碳固定，對環(huán)境具有正外部性；安徽、遼寧等9 個省份的碳生態(tài)效率小于1，具有負的環(huán)境外部性。如圖4（b）所示，設(shè)施栽培方式下的碳生態(tài)效率明顯小于露地栽培，處于0.48～1.31 之間，最高的寧夏不足露地生產(chǎn)的平均水平；只有寧夏、內(nèi)蒙古的碳生態(tài)效率大于1，其余19個省份均小于1，說明大部分地區(qū)的設(shè)施番茄生產(chǎn)的環(huán)境外部性為負，其中黑龍江最小，為0.48。

圖4 露地、設(shè)施番茄生產(chǎn)的碳生態(tài)效率空間特征Figure 4 Spatial distribution of carbon ecological efficiency of open-field and facility-grown tomato production in China

各省份露地、設(shè)施番茄生產(chǎn)系統(tǒng)的碳生產(chǎn)效率空間分布如圖5 所示，其空間分布差異性與碳生態(tài)效率結(jié)果趨于一致。露地栽培方式下，我國番茄生產(chǎn)系統(tǒng)的碳生產(chǎn)效率在6.40～31.80 kg·kg-1CO2e 之間，河北最大、海南最小，省際之間相差近5 倍。設(shè)施栽培方式下的碳生產(chǎn)效率明顯小于露地栽培，處于6.38～17.53 kg·kg-1CO2e 之間，最高的寧夏不足露地生產(chǎn)的平均水平，黑龍江最小。說明無論是何種栽培方式，我國省際之間的番茄碳生產(chǎn)效率都存在顯著的差異。

圖5 露地、設(shè)施番茄生產(chǎn)的碳生產(chǎn)效率空間特征Figure 5 Spatial distribution of carbon production efficiency of open-field and facility-grown tomato production in China

各省份露地、設(shè)施番茄生產(chǎn)系統(tǒng)的碳經(jīng)濟效率空間分布特征見圖6。露地栽培方式下，我國番茄生產(chǎn)系統(tǒng)的碳經(jīng)濟效率在25.97～60.30 元·kg-1CO2e 之間，廣東、湖北、寧夏名列前三，海南、河南處于末兩位。與露地相比，除寧夏、遼寧、內(nèi)蒙古外，其余省份（露地和設(shè)施栽培都有統(tǒng)計的地區(qū)）設(shè)施生產(chǎn)的碳經(jīng)濟效率普遍偏低，處于17.74～56.33 元·kg-1CO2e 之間，寧夏最高，是最低的河南的3.18倍。

圖6 露地、設(shè)施番茄生產(chǎn)的碳經(jīng)濟效率空間特征Figure 6 Spatial distribution of carbon economic efficiency of open-field and facility-grown tomato production in China

3 討論

3.1 我國露地、設(shè)施番茄生產(chǎn)溫室氣體排放

本研究結(jié)果表明，我國露地番茄生產(chǎn)系統(tǒng)的溫室氣體排放總量為4 630.09 kg CO2e·hm-2、溫室氣體排放產(chǎn)量強度為55.21 kg CO2e·t-1。與其他露地蔬菜相比，本結(jié)果均低于Zhang 等[6]測算的中國蔬菜生產(chǎn)的加權(quán)平均溫室氣體排放量（6 244 kg CO2e·hm-2）和強度（116 kg CO2e·t-1），是西班牙露地萵苣的3.5 倍、西班牙露地生菜的4.4 倍[40]，這主要是由于瓜果類露地蔬菜生育期較長、需肥量大，施氮量顯著高于葉菜類[16]；比西南露地辣椒高14%、比長江流域露地辣椒則低27.7%[34]，比張芬等[16]研究的4 種露地蔬菜（番茄、黃瓜、大白菜、蘿卜）均低。與前人露地番茄的研究相比，本研究得出的溫室氣體排放產(chǎn)量強度與西班牙露地番茄類似[27]，但卻遠低于伊朗的200 kg CO2e·t-1[25]，與張芬等[16]的研究結(jié)果相比，低39.7%。本研究發(fā)現(xiàn)，我國設(shè)施番茄生產(chǎn)系統(tǒng)的溫室氣體排放總量為8 697.52 kg CO2e·hm-2，分別是伊朗黃瓜的18.7%[13]、伊朗番茄的19%[13]、法國番茄的24.3%[41]，這主要是因為國外研究多將設(shè)施建造過程的溫室氣體排放納入總排放；與國內(nèi)同類研究相比，本研究結(jié)果也遠低于He 等[20]對北京設(shè)施番茄（19 820 kg CO2e·hm-2）的研究結(jié)果，低于宋博等[42]對北京設(shè)施蔬菜（9 073.95 kg CO2e·hm-2）的研究結(jié)果。本研究得到設(shè)施番茄溫室氣體排放產(chǎn)量強度為116.77 kg CO2e·t-1，也低于郭金花[10]對北京設(shè)施番茄（379 kg CO2e·t-1）和山東壽光設(shè)施番茄（246 kg CO2e·t-1）的研究結(jié)果。本研究結(jié)果表明，我國設(shè)施番茄的溫室氣體排放總量顯著大于露地，比露地高87.85%，碳生態(tài)效率、土地碳強度、碳生產(chǎn)效率、碳經(jīng)濟效率也均小于露地，設(shè)施種植的可持續(xù)性低于露地種植，這與Zhang 等[6]對我國設(shè)施、露地蔬菜生產(chǎn)的研究及Maureira 等[28]對美國華盛頓的研究結(jié)果一致。

3.2 我國露地、設(shè)施番茄生產(chǎn)溫室氣體排放與固定主要貢獻因子及節(jié)能減排措施分析

本研究結(jié)果表明，露地番茄的主要溫室氣體排放源為化肥（占56.05%），包括農(nóng)作階段N 肥施用造成的土壤N2O 排放（占32.07%）和農(nóng)資階段化肥投入（占23.98%），這與張芬等[16]對我國露地番茄的研究結(jié)果有所差異，其結(jié)果也表明，肥料是我國露地蔬菜生產(chǎn)中主要的溫室氣體排放源，但農(nóng)資階段溫室氣體排放貢獻率比農(nóng)作階段肥料施用的貢獻率更高。這主要是由于其選擇的N 肥排放系數(shù)（8.30 kg CO2e·kg-1）較高，本研究選擇常用的中國LCA 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫（CLCD0.7）中的標準（1.526 kg CO2e·kg-1），導致計算得到的農(nóng)資階段化肥溫室氣體排放量較小。本研究中，我國內(nèi)蒙古、山東、陜西的露地番茄生產(chǎn)中N肥投入量高于武良[43]基于文獻匯總的番茄推薦施肥量（390 kg·hm-2），說明這3 個省份露地番茄生產(chǎn)還具有較大的減肥減排潛力。鑒于此，針對露地番茄種植，應(yīng)從優(yōu)化N 肥用量、提高N 肥利用率等方面加強研究，以減少溫室氣體排放。設(shè)施番茄生產(chǎn)的溫室氣體排放構(gòu)成中，農(nóng)膜和化肥是主要排放源，占比分別為37.17%、36.99%，安徽、天津、遼寧3 個省份的農(nóng)膜貢獻率在50%以上。因此，針對設(shè)施番茄生產(chǎn)，除了減少化肥使用量外，減少農(nóng)膜的使用也是主要的減排措施。如應(yīng)推廣使用增厚農(nóng)膜，采取合理的農(nóng)藝措施，加大農(nóng)膜回收支持力度，以增加農(nóng)膜的重復使用率，相對減少農(nóng)膜用量。

3.3 我國番茄生產(chǎn)溫室氣體排放及環(huán)境評價的空間差異

省域尺度農(nóng)業(yè)水、土、碳足跡具有較大的空間差異，這歸因于自然條件、社會經(jīng)濟、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、耕作方式及種植結(jié)構(gòu)等的區(qū)域差異[44]。如我國北方地區(qū)的蔬菜溫室氣體排放量比南方地區(qū)高9.7%～30.0%，主要是由于北方地區(qū)的N 肥施用量高18.2%～58.2%[6]；美國溫室番茄生產(chǎn)的溫室氣體排放量是哥倫比亞的3.38 倍[8，24]；北京設(shè)施番茄溫室氣體排放潛值（379 kg CO2e·t-1）高于山東壽光（246 kg CO2e·t-1）[10]。我國地大物博，不同省份經(jīng)濟發(fā)展狀況、資源稟賦情況不一，番茄種植的方式、技術(shù)、投入品等不同，露地、設(shè)施番茄生產(chǎn)的溫室氣體排放及排放構(gòu)成存在顯著的空間差異。同時，由于不同地區(qū)、不同栽培方式下的番茄產(chǎn)量、效益不同，導致露地、設(shè)施番茄的固碳量、碳生態(tài)效率、碳生產(chǎn)效率、碳經(jīng)濟效率也存在顯著的省際差異。因此，比較我國露地、設(shè)施番茄溫室氣體排放及環(huán)境評價的空間差異，對合理調(diào)整我國番茄生產(chǎn)方式、優(yōu)化番茄產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局具有一定的參考意義。對于碳生態(tài)效率、經(jīng)濟效率都低的省份，要重點開展產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)方式的調(diào)整；對碳生態(tài)效率低、但碳經(jīng)濟效率高的省份，要注重開發(fā)綠色生產(chǎn)技術(shù)，挖掘節(jié)能減排潛力；對碳生態(tài)效率高、但碳經(jīng)濟效率低的省份，要注重品牌打造，以提升價格和效益；對碳生態(tài)效率、經(jīng)濟效率都高的省份，要加大支持力度，發(fā)展成為番茄優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)。

3.4 不確定性分析

本文對我國露地、設(shè)施番茄生產(chǎn)中的溫室氣體排放進行了核算和分析，但計算分析過程中存在不確定性，其主要來源于物質(zhì)投入確定、系統(tǒng)邊界界定和排放參數(shù)選擇。一是物質(zhì)投入確定方面，本文是基于《全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編—2020》各省份的番茄生產(chǎn)肥料、農(nóng)藥、人工、農(nóng)膜及其他投入等進行計算分析，但該匯編中無柴油用量數(shù)據(jù)，只能借鑒Xue等[31]的方法進行估算。二是系統(tǒng)邊界界定方面，本研究的邊界界定為包括露地和設(shè)施番茄生產(chǎn)中物資和人力投入到收獲的過程。但目前不同研究之間還存在一定爭議，如種植之前的基礎(chǔ)建設(shè)、耗水、土壤固碳等是否被納入，都會對研究結(jié)果產(chǎn)生影響。三是參數(shù)選擇方面，本研究基于參數(shù)本地化原則，N2O 排放計算參數(shù)選擇基于Wang 等[34-36]建立的我國露地蔬菜系統(tǒng)氮素損失模型，但由于目前相關(guān)研究少，參數(shù)無法做進一步的省際區(qū)分，但不同區(qū)域存在差異，采用單一參數(shù)會帶來一定的不確定性。還有如肥料、農(nóng)膜、農(nóng)藥的排放參數(shù)，不同國家、不同研究計算出的差異很大，如農(nóng)膜的排放系數(shù)，Coinvent2.2 版中為22.72 kg CO2e·kg-1，CLCD0.7 中為6.91 kg CO2e·kg-1，陳琳等[45]的研究中為0.68 kg CO2e·kg-1，He 等[20]的研究中為0.1 kg CO2e·kg-1，不同的參數(shù)會導致結(jié)果有所不同。本研究雖然存在一定的不確定性，但仍可為了解我國番茄生產(chǎn)系統(tǒng)溫室氣體排放的栽培方式差異、空間差異提供基礎(chǔ)信息，從而為我國番茄生產(chǎn)方式選擇、產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化提供一定參考。

4 結(jié)論

（1）不同栽培方式比較方面，我國番茄生產(chǎn)系統(tǒng)的平均溫室氣體排放量顯著大于露地，比露地高87.85%；露地番茄的主要溫室氣體排放源為化肥，而設(shè)施番茄的主要溫室氣體排放源為農(nóng)膜和化肥；依據(jù)凈溫室氣體排放量、碳生態(tài)效率、土地碳強度、碳生產(chǎn)效率、碳經(jīng)濟效率等碳評價指標，番茄設(shè)施種植的可持續(xù)性低于露地種植。

（2）不同區(qū)域比較方面，各省份露地、設(shè)施番茄的溫室氣體排放存在顯著的空間差異，最高省份分別是最低省份的2.64、2.38 倍。同時，由于不同省份經(jīng)濟發(fā)展狀況、資源稟賦情況不一，番茄種植的方式、技術(shù)、投入品等不同，番茄產(chǎn)量、效益也不同，導致露地、設(shè)施番茄的溫室氣體構(gòu)成、固碳量、碳生態(tài)效率、碳生產(chǎn)效率、碳經(jīng)濟效率也存在顯著的省際差異。