設(shè)施蔬菜種植對(duì)土壤有機(jī)碳的影響研究.pdf

2022 年 3 期專(zhuān) 論 智慧農(nóng)業(yè)導(dǎo)刊 Journal of Smart Agriculture 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(lái) 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(lái) 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(lái) 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(kāi)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(wàn) ha 至 2014 年 設(shè)施種植面積達(dá)到 370 萬(wàn) 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(guò)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 P 2 O 5 950 2591 kg ha 1 和 K 2 O 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 摘 要 近年來(lái) 為滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)新鮮果蔬日益增長(zhǎng)的需求 我國(guó)設(shè)施蔬菜種植面積快速增長(zhǎng) 設(shè)施種植具有環(huán)境封閉 高 水肥投入和高產(chǎn)出等特點(diǎn) 這種高強(qiáng)度的土地利用影響土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性 進(jìn)而影響我國(guó)農(nóng)業(yè)固碳政策 對(duì)我國(guó)實(shí)施碳達(dá) 峰與碳中和戰(zhàn)略帶來(lái)巨大挑戰(zhàn) 文章通過(guò)文獻(xiàn)綜述 探討我國(guó)設(shè)施蔬菜種植的發(fā)展 及其對(duì)土壤有機(jī)碳含量和組分的影響 并 提出開(kāi)展生命周期評(píng)價(jià) 建立長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)點(diǎn) 構(gòu)建和優(yōu)化針對(duì)設(shè)施蔬菜種植的土壤有機(jī)碳模型等建議 以期完善設(shè)施蔬菜 種植對(duì)土壤有機(jī)碳的影響研究 關(guān)鍵詞 設(shè)施蔬菜種植 土壤有機(jī)碳 生命周期評(píng)價(jià) 土壤有機(jī)碳模型 中圖分類(lèi)號(hào) S626 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 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(xiàng)目 本文系江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技項(xiàng)目 2019KJ014 通信作者 劉曉宇 1987 女 博士研究生 講師 研究方向?yàn)檗r(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(dǎo)刊 Journal of Smart Agriculture 專(zhuān) 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(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(lái)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(guān)察到了類(lèi)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 CO 2 固定 3 61 t CO 2 ha 1 yr 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(guò)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(wú)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(guò)開(kāi)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(kāi)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)?的 生產(chǎn)系統(tǒng) 13 因此 需要開(kāi)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(kāi)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(guò)測(cè)算不同 設(shè)施類(lèi)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 N 2 O 排放量最高可達(dá) 60 5 kg N ha 1 由于 N 2 O 的全球增熱潛勢(shì)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(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(guān)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(guān)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(lái)的模型提供可靠的數(shù) 據(jù) 建立蔬菜長(zhǎng)期觀(guān)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(lèi) Century 模型也可通過(guò)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(guān)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(guò)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 CO 2 重新排放進(jìn)入大氣系統(tǒng) 未來(lái)的研究中 需考慮開(kāi) 19 2022 年 3 期專(zhuān) 論 智慧農(nóng)業(yè)導(dǎo)刊 Journal of Smart Agriculture 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 參考文獻(xiàn) 1 國(guó)家統(tǒng)計(jì)局 中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒 M 北京 中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社 2021 2 劉楊 于東升 史學(xué)正 等 不同蔬菜種植方式對(duì)土壤固碳速率 的影響 J 生態(tài)學(xué)報(bào) 2012 32 9 2953 2959 3 邱宇潔 耕地土壤有機(jī)質(zhì)提升路徑 J 南方農(nóng)機(jī) 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(qiáng) 胡克林 李季 等 華北平原不同生產(chǎn)模式設(shè)施蔬菜生命 周期環(huán)境影響評(píng)價(jià) J 環(huán)境科學(xué) 2018 39 5 2480 2488 14 王效琴 吳慶強(qiáng) 周建斌 等 設(shè)施番茄生產(chǎn)系統(tǒng)的環(huán)境影響生 命周期評(píng)價(jià) J 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào) 2014 34 11 2940 2947 優(yōu)勢(shì)科作為多個(gè)植物區(qū)系比較研究中的指標(biāo) 在一 定程度上可以反映該植物區(qū)系的組成 結(jié)構(gòu) 性質(zhì)和特 點(diǎn) 海棠山自然保護(hù)排名前 10 的優(yōu)勢(shì)科有菊科 豆科 薔薇科等 詳見(jiàn)表 3 其中菊科占總種數(shù)高達(dá) 13 75 所 含屬數(shù) 55 個(gè) 種數(shù) 118 個(gè) 我國(guó)學(xué)者吳征鎰對(duì)世界所有科劃分為 18 個(gè)大分布 區(qū)類(lèi)型 用數(shù)字 1 18 代表不同的分布區(qū)類(lèi)型 本文采用 吳征鎰這種劃分分布區(qū)類(lèi)型方案 將海棠山種子植物科 的分布類(lèi)型和屬種子植物 417 劃分為 15 個(gè)分布類(lèi)型和 14 個(gè)變型進(jìn)行統(tǒng)計(jì) 見(jiàn)表 4 由表 4 可知 海棠山自然保護(hù)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(hù)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(jì) 85 屬 占海棠山所有種子植物屬的 20 38 海棠山自然保護(hù)區(qū)是華北 內(nèi)蒙古 長(zhǎng)白植物區(qū)系 交匯地帶 具有 3 個(gè)植物區(qū)系互相交錯(cuò) 互相滲透的強(qiáng) 烈特點(diǎn) 海棠山植物種類(lèi)繁多 有國(guó)際二級(jí)重點(diǎn)保護(hù)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(xiàn) 菊等遼寧珍貴稀有樹(shù)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(fù) 有抵御荒漠化 向東南部侵移的能力 具有極高的保護(hù)價(jià)值 參考文獻(xiàn) 1 吳怡 張華 海棠山和艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)植物區(qū)系比較研 究 J 國(guó)土與自然資源研究 2018 2 70 73 2 中國(guó)科學(xué)院植物研究所 中國(guó)高等植物圖鑒 M 北京 科學(xué)出版 社 1979 3 瞿琳升 海棠山自然保護(hù)區(qū)的森林資源探討 J 農(nóng)業(yè)與技術(shù) 2019 39 10 76 77 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 上接 17 頁(yè) 20