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

（江蘇農林職業技術學院 信息工程學院，江蘇 句容 212400）

由于市場需求，同時能提高農民收入，近年來，設施蔬菜種植在我國快速發展，且仍然持續增長[1]。大量的農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]。土壤是陸地生態系統中最大的碳庫，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略的開展。

1 中國設施蔬菜種植的發展

由于市場需求和經濟驅動，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]。相對于傳統的露天種植，設施種植更適宜蔬菜生長，可同時提高蔬菜產量和農業收入，據估算，設施蔬菜的收益是普通蔬菜的2.6倍[5]。與傳統作物生產相比，蔬菜種植需要大量的勞動力、電、水、肥等投入品，是高投入、高產出、高強度的農業利用方式。

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、P2O5950-2591 kg ha-1和 K2O 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境，需要獨特的水、肥、氣、熱環境，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CO2固定3.61 t CO2ha-1yr-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，微生物量碳呈現下降。Luan等[12]通過開展8年小區實驗，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，但增加的碳以不穩定的組分為主，降低了土壤有機碳的穩定性。

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，但設施蔬菜生產不是單純的蔬菜種植活動，而是以蔬菜生產為目的，包括農資生產、農作生產、農產品運輸、消費及廢棄物排放等的“從搖籃到墳墓”的生產系統[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品在其整個生命周期中，即從原材料的獲取、產品的生產直至產品使用后的處置，對環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的碳投入產出及碳足跡，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業投入品，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N2O排放量最高可達60.5 kg N ha-1。由于N2O的全球增熱潛勢是CO2的298倍，蔬菜種植平均每多消耗1 kg N，其釋放的N2O相當于13 kg C，將極大影響雙碳戰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的，但截至目前，我國多數農業觀測站，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據。隨著設施蔬菜的發展，其占農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據，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量、凋萎系數、植物碳氮比等作物參數，模擬蔬菜種植條件下土壤有機碳的動態變化。但由于缺少長期觀測站的數據驗證和支持，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，以不穩定的形態為主，不加以保護，易分解為CO2，重新排放進入大氣系統。未來的研究中，需考慮開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據基礎和研究手段。