設施蔬菜種植對土壤有機碳的影響研究.pdf

2022 年 3 期專 論 智慧農(nóng)業(yè)導刊 Journal of Smart Agriculture 設施蔬菜種植對土壤有機碳的影響研究 金家銘 劉曉宇 陳 寅 江蘇農(nóng)林職業(yè)技術學院 信息工程學院 江蘇 句容 212400 由于市場需求 同時能提高農(nóng)民收入 近年來 設施 蔬菜種植在我國快速發(fā)展 且仍然持續(xù)增長 1 大量的農(nóng) 用地從種植糧食作物轉為設施蔬菜種植 是我國近年來 主要的種植變化趨勢之一 土地利用變化是土壤有機碳 最重要的影響因子之一 設施蔬菜種植具有高投入 高 強度的特點 其對土壤理化性質具有多重影響 2 土壤是 陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫 且土壤有機碳是土壤肥力 的重要指標 3 近年來 已有不少針對設施蔬菜種植如何 影響土壤有機碳的研究 本文擬從我國設施蔬菜種植的 發(fā)展 設施種植對土壤有機碳總量和組分的影響等方面 進行探討 并提出研究建議 完善設施蔬菜種植對土壤 有機碳的影響研究 以期進一步促進我國碳達峰與碳中 和戰(zhàn)略的開展 1 中國設施蔬菜種植的發(fā)展 由于市場需求和經(jīng)濟驅動 我國設施蔬菜種植面積 迅速增加 1981年全國設施蔬菜種植面積不足 0 72萬 ha 至 2014 年 設施種植面積達到 370 萬 ha 4 相對于傳統(tǒng) 的露天種植 設施種植更適宜蔬菜生長 可同時提高蔬 菜產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)收入 據(jù)估算 設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 的勞動力 電 水 肥等投入品 是高投入 高產(chǎn)出 高強 度的農(nóng)業(yè)利用方式 受種植收益的驅動 為使作物快速生長 獲得較高產(chǎn) 量 設施蔬菜往往使用過量氮肥和灌溉 1994 1997年 山 東省設施蔬菜的年均施化肥量達 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 遠高 于中國平均施肥水平 設施蔬菜種植需要特殊的栽培環(huán)境 需要獨特的水 肥 氣 熱環(huán)境 對土壤理化性質有巨大的影響 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 摘 要 近年來 為滿足市場對新鮮果蔬日益增長的需求 我國設施蔬菜種植面積快速增長 設施種植具有環(huán)境封閉 高 水肥投入和高產(chǎn)出等特點 這種高強度的土地利用影響土壤有機碳的穩(wěn)定性 進而影響我國農(nóng)業(yè)固碳政策 對我國實施碳達 峰與碳中和戰(zhàn)略帶來巨大挑戰(zhàn) 文章通過文獻綜述 探討我國設施蔬菜種植的發(fā)展 及其對土壤有機碳含量和組分的影響 并 提出開展生命周期評價 建立長期定位監(jiān)測點 構建和優(yōu)化針對設施蔬菜種植的土壤有機碳模型等建議 以期完善設施蔬菜 種植對土壤有機碳的影響研究 關鍵詞 設施蔬菜種植 土壤有機碳 生命周期評價 土壤有機碳模型 中圖分類號 S626 文獻標志碼 A 文章編號 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 基金項目 本文系江蘇農(nóng)林職業(yè)技術學院科技項目 2019KJ014 通信作者 劉曉宇 1987 女 博士研究生 講師 研究方向為農(nóng)業(yè)信息化 DOI 10 20028 j zhnydk 2022 03 007 18 2022 年 3 期 智慧農(nóng)業(yè)導刊 Journal of Smart Agriculture 專 論 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 設施種植的不當管理易造成土壤 酸化 氮素淋溶 土壤次生鹽漬化等環(huán)境負效應 7 設施蔬 菜種植如何影響土壤有機碳 在碳達峰與碳中和戰(zhàn)略的 背景下也成為研究熱點 2 設施蔬菜種植對土壤有機碳的影響 土壤有機碳還是土壤肥力的重要組成部分 土壤有 機碳的含量及其動態(tài)平衡是反映土壤質量或土壤健康 的一個重要指標 直接影響土壤肥力和作物產(chǎn)量的高 低 設施種植對土壤有機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 目前 已有研究認 為設施種植可提升 也可降低土壤有機碳 但總體來看 多數(shù)研究認為設施種植可提升土壤有機碳 點位尺度研究上 Yan 等 8 在曲周 順義和壽光 3 個 大棚蔬菜種植強度依次遞增的研究區(qū)進行配對樣品采 集 研究結果均表明作物地轉換為蔬菜大棚將導致土壤 有機碳增加 作物地和設施蔬菜大棚分別為 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果 作物地和設施蔬菜大棚分別為 8 90 g kg 1 和 11 43 g kg 1 區(qū)域尺度研究上 Wang 等 10 在全國范圍內的研究表 明 蔬菜大棚相比露天蔬菜種植 能增加 CO 2 固定 3 61 t CO 2 ha 1 yr 1 除研究設施種植對土壤有機碳總量的影響研究之 外 已有部分研究關注設施種植對土壤有機碳的物理和 生物化學上的組分特征的影響 Lei 等 9 的研究結果表 明 大田作物轉換為設施蔬菜種植導致土壤有機碳增 加 其中可溶性有機碳和易氧化有機碳增加顯著 但微 生物量碳卻呈現(xiàn)下降 Qiu 等 11 的研究結果表明大田作 物轉換為設施蔬菜種植使得土壤有機碳增加 但由于化 肥過量使用產(chǎn)生土壤酸化 蔬菜地總碳儲量 土壤有機 碳 土壤無機碳 反而下降 增加的土壤有機碳中 以顆 粒有機碳和可溶性有機碳為主 微生物量碳呈現(xiàn)下降 Luan 等 12 通過開展 8 年小區(qū)實驗 并結合化學 同位素 和土壤微生物等測試方法 結果顯示 施用有機肥可以 增加土壤有機碳 但增加的碳以不穩(wěn)定的組分為主 降 低了土壤有機碳的穩(wěn)定性 3 設施蔬菜種植的生命周期評價 針對設施蔬菜如何影響土壤有機碳總量和組分已 開展大量研究 但設施蔬菜生產(chǎn)不是單純的蔬菜種植活 動 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)品運輸 消費及廢棄物排放等的 從搖籃到墳墓 的 生產(chǎn)系統(tǒng) 13 因此 需要開展生命周期評價 才有助于全 面了解設施蔬菜對土壤有機碳的影響 生命周期評價是 一種用于評估產(chǎn)品在其整個生命周期中 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 對環(huán)境影響 的技術和方法 已開展的生命周期評價結果表明 設施種植 1 t 番 茄產(chǎn)生的全球增溫潛勢為 271 9 kg C 4 通過測算不同 設施類型蔬菜生產(chǎn)的碳投入產(chǎn)出及碳足跡 結果顯示設 施溫室的碳足跡分別為 2 487 9 kg ha 表明設施蔬菜 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 設施種植易造成氮流失 有研究表 明 設施種植造成的土壤 N 2 O 排放量最高可達 60 5 kg N ha 1 由于 N 2 O 的全球增熱潛勢是 CO 2 的 298 倍 蔬 菜種植平均每多消耗 1 kg N 其釋放的 N 2 O 相當于 13 kg C 將極大影響雙碳戰(zhàn)略中對設施蔬菜種植的評估 4 展望 設施蔬菜種植對土壤理化性質的影響是長期和動 態(tài)的 但截至目前 我國多數(shù)農(nóng)業(yè)觀測站 以水稻 小麥 等大田作物為研究對象 針對設施蔬菜種植的觀測站 尚未積累足夠長期和全面的數(shù)據(jù) 隨著設施蔬菜的發(fā) 展 其占農(nóng)用地的比例不斷增加 為綜合評價蔬菜種植 對土壤有機碳的影響 并為未來的模型提供可靠的數(shù) 據(jù) 建立蔬菜長期觀測站點有其必要性 土壤有機碳模型的構建和使用是目前土壤有機碳 研究的大趨勢 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 碳的動態(tài)變化 但由于缺少長期觀測站的數(shù)據(jù)驗證和支 持 針對設施蔬菜種植的土壤有機碳模型 尚未得到廣 泛的認可和使用 為全面推進雙碳戰(zhàn)略 估算設施蔬菜 種植對不同氣候情景 不同管理措施的響應 有必要構 建和完善設施蔬菜種植的土壤有機碳模型 5 結論 設施蔬菜種植對土壤有機碳存在顯著影響 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 多數(shù)研究表明 大田種植轉為設施蔬菜種植 在初 期會造成土壤有機碳含量下降 如果長期高強度施用化 肥 會導致土壤有機碳含量進一步下降 通過施用有機 肥等措施 可以提升土壤有機碳含量 但增加的土壤有 機碳含量 以不穩(wěn)定的形態(tài)為主 不加以保護 易分解為 CO 2 重新排放進入大氣系統(tǒng) 未來的研究中 需考慮開 19 2022 年 3 期專 論 智慧農(nóng)業(yè)導刊 Journal of Smart Agriculture 展設施蔬菜種植的生命周期評價 以更合理和綜合地評 估設施蔬菜種植對碳達峰與碳中和的影響 此外 需要 設置長期的設施蔬菜種植監(jiān)測點 構建針對設施蔬菜的 土壤有機碳模型 豐富設施蔬菜種植對土壤有機碳影響 的數(shù)據(jù)基礎和研究手段 參考文獻 1 國家統(tǒng)計局 中國統(tǒng)計年鑒 M 北京 中國統(tǒng)計出版社 2021 2 劉楊 于東升 史學正 等 不同蔬菜種植方式對土壤固碳速率 的影響 J 生態(tài)學報 2012 32 9 2953 2959 3 邱宇潔 耕地土壤有機質提升路徑 J 南方農(nóng)機 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 徐強 胡克林 李季 等 華北平原不同生產(chǎn)模式設施蔬菜生命 周期環(huán)境影響評價 J 環(huán)境科學 2018 39 5 2480 2488 14 王效琴 吳慶強 周建斌 等 設施番茄生產(chǎn)系統(tǒng)的環(huán)境影響生 命周期評價 J 環(huán)境科學學報 2014 34 11 2940 2947 優(yōu)勢科作為多個植物區(qū)系比較研究中的指標 在一 定程度上可以反映該植物區(qū)系的組成 結構 性質和特 點 海棠山自然保護排名前 10 的優(yōu)勢科有菊科 豆科 薔薇科等 詳見表 3 其中菊科占總種數(shù)高達 13 75 所 含屬數(shù) 55 個 種數(shù) 118 個 我國學者吳征鎰對世界所有科劃分為 18 個大分布 區(qū)類型 用數(shù)字 1 18 代表不同的分布區(qū)類型 本文采用 吳征鎰這種劃分分布區(qū)類型方案 將海棠山種子植物科 的分布類型和屬種子植物 417 劃分為 15 個分布類型和 14 個變型進行統(tǒng)計 見表 4 由表 4 可知 海棠山自然保護區(qū)世界分布屬分別為 58 屬 分別占總屬數(shù) 13 91 海棠山共有北溫帶及其變 型 128 屬 占海棠山所有種子植物屬 30 7 如木本植物 中的冷衫屬 Abies 楊屬 Popuhus 柳屬 Salix 樺木 屬 Betula 櫟 屬 Fagaceae 榆 屬 Ulmusl 云 杉 屬 Picea 核桃屬 Juglans 等是海棠山自然保護區(qū)針闊葉 混交林的主要組成部分 熱帶分布屬及其變型共計 85 屬 占海棠山所有種子植物屬的 20 38 海棠山自然保護區(qū)是華北 內蒙古 長白植物區(qū)系 交匯地帶 具有 3 個植物區(qū)系互相交錯 互相滲透的強 烈特點 海棠山植物種類繁多 有國際二級重點保護野 生植物黃波羅 水曲柳 紫椴 野大豆 4 種 還有核桃楸 黃榆 裂葉榆 五味子 花曲柳 東北山梅花 三裂葉繡線 菊等遼寧珍貴稀有樹種 3 大植物區(qū)系組成的各種植物 群落使收縮的落葉闊葉林面積逐年恢復 有抵御荒漠化 向東南部侵移的能力 具有極高的保護價值 參考文獻 1 吳怡 張華 海棠山和艾比湖濕地自然保護區(qū)植物區(qū)系比較研 究 J 國土與自然資源研究 2018 2 70 73 2 中國科學院植物研究所 中國高等植物圖鑒 M 北京 科學出版 社 1979 3 瞿琳升 海棠山自然保護區(qū)的森林資源探討 J 農(nóng)業(yè)與技術 2019 39 10 76 77 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 上接 17 頁 20