重庆市露地蔬菜生产施肥现状与活性氮损失及温室气体排放估算

程泰鸿，吴吉，，梁涛，3，谭庆军，戴安勇，陈新平，，王孝忠，*

（1.西南大学资源环境学院，重庆 400716；2.西南大学长江经济带农业绿色发展研究中心，重庆 400716；3.重庆市农业科学院，重庆 401329；4.重庆市铜梁区农业农村委员会，重庆 401120）

蔬菜在人们生活中占有重要地位，随着生活水平的不断提高，人们对蔬菜的需求量越来越高。我国蔬菜种植面积和产量分别占全世界的41.2%和50.9%，且蔬菜产量以每年1.1%的速度增长。大部分蔬菜根系浅，导致其养分吸收能力弱，农户为了追求高产量和高收益，常投入大量的化肥，投入量超过了蔬菜养分需求，因此在蔬菜种植中氮、磷盈余量居高不下，远超粮食作物。硝酸盐淋洗和氧化亚氮、氨挥发等氮损失现象严重，加剧了土壤酸化效应和水体富营养化等风险，导致我国蔬菜生产系统的环境代价较高。因此，明确农户蔬菜生产的施肥现状及其环境代价，对于实现养分高效管理与减少农业生产环境代价具有重要意义。

近年来，蔬菜生产系统由于其高投入和高环境代价的特性而受到广泛的关注。生命周期评价（Life cycle assessment，LCA）是一种ISO标准化方法，用于评估与任何给定活动相关的各种环境影响，包括与产品生命周期每个阶段相关的材料、输入和能量，并量化每个生命周期步骤对特定环境影响类别的贡献。LCA被广泛应用于评价作物全生产过程中对环境产生的影响。目前对于蔬菜生产系统环境代价的研究主要集中于对特定区域和特定蔬菜系统的定量化，然而，不同地区的气候、土壤和资源投入等条件各异，导致不同地区的环境代价差异大。如ZHANG等的研究表明，我国北方氮肥施用量比南方高18.2%~58.2%，北方地区的温室气体排放量比南方地区高9.7%~30.0%；郭金花的研究表明，北京设施番茄的温室气体排放潜值（379 kg COe·t）比山东寿光设施番茄温室气体排放潜值（263 kg COe·t）高44.1%。肥料是蔬菜生产系统环境代价最主要的贡献因素。大量研究表明，蔬菜生产中氮肥施用导致的温室气体排放占总温室气体排放的比例高达58.0%~84.2%。同时，不同蔬菜种类的生理特性等不同，田间管理措施和资源投入差异大，进而导致不同蔬菜类型间环境代价差异大。如胡亮等定量比较了浏阳市8种蔬菜（黄瓜、苦瓜、青椒、茄子等）生产中的温室气体排放，发现黄瓜和苦瓜显著高于其他种类的蔬菜。ADEWALE等定量比较了8种不同种类蔬菜生产中的温室气体排放，发现花椰菜、土豆和辣椒的温室气体排放量最高。降低肥料用量是降低作物生产系统环境代价的关键。我国不同种类蔬菜生产系统施肥投入量高、环境代价大，同一区域蔬菜生产肥料投入差异大，导致环境代价差异大，具有较大的节肥减排潜力。例如，本课题组前期研究表明，基于作物养分需求优化氮肥管理策略能够减少我国蔬菜系统1.77 Mt的氮肥消耗，同时减少23.3 Mt COe温室气体排放。我国蔬菜种植区域分布广泛，种植种类多，不同区域土壤、气候和田间管理等条件差异大，因此亟需对我国典型蔬菜生产区域的主要蔬菜类型进行施肥现状和环境代价评价，明确节肥减排潜力并提出合理的调控途径，实现蔬菜可持续生产。

重庆是我国蔬菜生产的优势产区之一。2000年到2018年重庆蔬菜种植面积增加了41.2万hm，增幅为20.1%，蔬菜种植面积占整个种植业的比例由9.1%增加到21.1%，是重庆增长最快的作物种类之一。铜梁区位于重庆最大的蔬菜生产区域——遂渝高速公路沿线蔬菜生产优势带，该地蔬菜种植面积大，化肥施用强度远高于其他粮油生产区县。本研究以重庆市典型露地蔬菜为研究对象，采用农户问卷调查方法，并结合LCA方法系统评价该地区露地蔬菜生产的施肥现状与环境代价（活性氮损失和温室气体排放），并比较蔬菜种类间肥料投入及其环境代价的差异。最后，基于推荐施肥量估算节肥减排潜力并明确节肥减排措施，为该地区蔬菜生产系统的绿色可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

本研究区域为重庆市铜梁区（105°46′~106°16′E，29°31′~30°05′N），该地区为典型的亚热带湿润季风气候，年平均气温18.1℃，年平均降水量1 070.6 mm。本研究区域蔬菜种植面积2.3×10hm，是我国西南低山丘陵区一个非常重要且典型的露地蔬菜生产区域。

1.2 农户调研

本研究分别于2020年7月和2021年7月对重庆市铜梁区的蔬菜生产状况进行实地调研，重点关注蔬菜生产过程中各阶段的投入情况。基于蔬菜在铜梁区的种植分布情况，采用农户调研的方法，在该地区选取了6个典型的蔬菜生产优势镇，每个镇选取2~3个蔬菜生产优势村，每个村随机选取12~15户农户开展问卷调研。问卷指标主要包括：蔬菜种类、种植年限、轮作方式、产量、户种植面积、农药、地膜、柴油消费量、施肥情况（底肥/追肥施用种类及施用量、底肥/追肥施肥方法、施肥时间和追肥次数）等。对得到的原始数据进行整理，剔除缺失施肥量或产量的样本，同时剔除施肥量和产量明显不合常理的样本，对于获得的对应样本量较少的蔬菜种类不纳入统计。最终共得到有效的蔬菜调研问卷180份，其中白菜45份、番茄23份、辣椒35份、萝卜17份、茄子19份、丝瓜26份、莴笋15份。

1.3 环境影响评价

1.3.1 系统边界和评价单元

本研究通过LCA对重庆市铜梁区主要露地蔬菜种类生产过程中的环境代价进行定量研究。系统边界为蔬菜从播种到收获的整个生育期，分为农资阶段和农作阶段两个阶段。农资阶段主要关注各投入物（无机和有机肥料、农药、柴油燃料和塑料薄膜等）的生产和运输过程。农作阶段主要关注肥料施用、农药施用和机械使用过程中消耗的柴油。目前环境代价指标很多，本研究重点关注与肥料投入量显著相关的活性氮损失和温室气体排放。研究表明粮食生产系统的活性氮损失和温室气体排放有显著的线性相关关系，对这两者的分析有助于更全面评价作物系统的环境效应。为了更方便评价和理解其环境代价，将此系统环境代价评价单元设为单位面积（每公顷）和单位产量（每吨）。

1.3.2 计算方法

（1）活性氮损失和氮足迹

根据ISO-14040国际标准，从LCA的角度对活性氮损失进行了量化。活性氮损失和氮足迹分别为生产每公顷蔬菜和每吨蔬菜在农资阶段和农作阶段总活性氮损失量。活性氮损失的计算公式为：

式中：PM为生产和运输的第个投入类别（化肥、农药、塑料薄膜和柴油的机械消耗）的活性氮排放因子；Rate为蔬菜生产过程中第个投入类别的使用量，kg·hm。

氮足迹计算公式为：

式中：NF为第种蔬菜的氮足迹，kg·t；Nr为第种蔬菜每公顷的活性氮损失，kg·hm；Y为第种蔬菜的鲜质量，t·hm。

（2）温室气体排放和碳足迹

根据政府间气候变化专门委员会（Intergovern⁃mental Panel on Climate Change，IPCC）提出的方法估算了蔬菜生产整个生命周期中的温室气体排放，分为农资阶段（Materials stage，MS）和农作阶段（Farm⁃ing stage，FS）两个阶段，计算公式为：

式中：PM为生产和运输的第种投入的温室气体排放因子；Rate为蔬菜生产期间第种投入类别（如肥料、农药、塑料薄膜和柴油）的使用量，kg·hm。

碳足迹定义为每吨产品的温室气体排放量，通过公式（8）计算：

式中：CF为第种蔬菜的碳足迹，kg COe·t；GHG为第种蔬菜每公顷的温室气体排放量，kg COe·hm；Y为第种蔬菜的鲜质量，t·hm。

1.4 节肥减排潜力分析

优化施肥用量是实现作物生产减排的重要措施。数据整合分析方法是揭示区域作物优化施肥用量的重要手段。基于此方法，本研究通过中国知网搜索2021年1月1日之前发表的有关蔬菜推荐施肥量的文章。搜索的关键词为：蔬菜/白菜/番茄/辣椒/萝卜/茄子/丝瓜/莴笋、施肥量/最佳施肥量等。为了最大程度保证数据的代表性，本文采用以下标准进行数据二次筛选：（1）试验地点位于中国，仅限于田间试验，排除土培与盆栽试验；（2）剔除采用缓/控释肥、稳定性肥料和其他功能性肥料的试验。通过以上过程得到不同蔬菜种类推荐氮、磷、钾肥施肥量，去掉异常值后取算术平均值，并基于有机肥代替化肥合理比例为30%优化有机肥用量。基于此，采用LCA方法，估算出优化施肥条件下活性氮损失和温室气体排放，最终得出各蔬菜种类不同养分（N、PO和KO）的节肥潜力与活性氮损失和温室气体排放的减排潜力。

1.5 数据处理与统计分析

采用Microsoft Excel 2019和SPSS 22.0软件进行数据处理和统计分析。使用Sigmaplot 14.0绘图。化肥养分含量参照农户所用化肥的产品参数，畜禽粪便养分含量参照中国主要作物施肥指南，商品有机肥按N 2%、PO1.0%、KO 1.0%计算。

2 结果与分析

2.1 产量

由调查结果可得，不同蔬菜类型产量差异较大（图1）。白菜的平均产量为（54.3±22.1）t·hm，范围为18.8~112.5 t·hm；番茄的平均产量为（73.9±16.3）t·hm，范围为20.5~108.0 t·hm；辣椒的平均产量为（28.4±16.2）t·hm，范围为6.0~75.0 t·hm；萝卜的平均产量为（82.5±26.6）t·hm，范围为 4 5.5~120.0 t·hm；茄子的平均产量为（64.7±28.2）t·hm，范围为15.5~113.0 t·hm；丝瓜的平均产量为（54.1±20.9）t·hm，范围为 1 8.8~97.5 t·hm；莴笋的平均产量为（43.7±10.5）t·hm，范围为30.5~67.5 t·hm。

图1 不同蔬菜种类的产量水平Figure 1 Yield levels in different vegetable species

2.2 资源投入现状

如表1所示，铜梁主要蔬菜氮、磷、钾平均施用量分别为 4 83、321 kg·hm和 3 69 kg·hm，不同蔬菜种类的施肥量存在较大的差异。茄子的氮、磷肥投入量均最高，分别比其他种类蔬菜高12.2%~63.8%和2.5%~59.1%。番茄的钾肥投入量最高，比其他种类蔬菜高0.46%~70.5%。从总养分来源看，化肥的氮、磷、钾平均投入量分别为328、226、268 kg·hm，占肥料投入总量的比例分别为67.9%、70.5%、72.5%。其中茄子的化肥氮、磷、钾投入量均最高，比其他种类蔬菜投入量分别高27.0%~144.4%、10.7%~127.2%和1.3%~150.0%。7种蔬菜有机肥的氮、磷、钾平均投入量分别为155、94、101 kg·hm，占肥料投入总量的比例分别为32.1%、29.5%、27.5%。辣椒的有机肥氮、磷、钾投入量均最高，比其他种类蔬菜分别高6.8%~43.3%、10.3%~56.3%和6.9%~55.3%。不同蔬菜种类的农药、柴油和薄膜的投入存在差异，其中萝卜的农药和柴油投入最高，比其他种类蔬菜分别高4.8%~95.8%和6.3%~47.8%；番茄的薄膜投入最高，比其他种类的蔬菜高11.0%~394.0%。

表1 不同蔬菜种类资源投入情况Table 1 Investigated inputs in different vegetable species

如表2所示，从不同时期养分施用量来看，不同蔬菜种类的基肥氮、磷、钾平均投入量分别为344、242 kg·hm和270 kg·hm，追肥氮、磷、钾平均投入量分别为139、79、99 kg·hm。从不同蔬菜种类的基肥和追肥的比例来看，基肥和追肥的氮、磷、钾肥料的平均比例分别为0.71∶0.29、0.75∶0.25和0.73∶0.27，在氮肥投入中，萝卜和莴笋的基肥比例最高，分别为87%和85%，其次分别为辣椒（72%）、白菜（70%）、丝瓜（70%）、番茄（67%），茄子（63%）的比例最低；莴笋磷肥和钾肥基肥比例最高，均为90%。

表2 不同时期肥料养分施用量Table 2 Average application rates of fertilizers at different growth stage

2.3 活性氮损失和温室气体排放

如图2所示，不同蔬菜种类单位面积上的平均总活性氮损失为141 kg·hm，其中NO淋洗、NH挥发和NO排放分别占总活性氮损失的67.9%、25.2%和4.3%。不同蔬菜种类活性氮损失差异较大，其中茄子的活性氮损失最高（165 kg·hm），比白菜、番茄、辣椒、萝卜、丝瓜和莴笋分别高28.4%、13.3%、13.0%、38.2%、12.8%和18.6%。不同蔬菜种类的平均温室气体排放分别为6 352 kg COe·hm，其中，茄子的温室气体排放最高（7 934.3 kg COe·hm），比白菜、番茄、辣椒、萝卜、丝瓜和莴笋分别高34.8%、14.4%、23.0%、63.9%、21.8%和31.1%。其中，肥料是蔬菜生产中主要的温室气体排放源，农资阶段肥料生产和运输及农作阶段肥料施用对温室气体排放贡献率分别为49.1%~53.2%和36.5%~37.3%，其中，氮肥的生产、运输和施用是温室气体排放的主要贡献因素，由氮肥引起的温室气体排放占总温室气体排放量的86.6%~88.9%。此外，农药、柴油和农膜的贡献率较小，为2.1%~9.6%。

图2 不同蔬菜种类单位面积活性氮损失和温室气体排放Figure 2 The reactive nitrogen loss and greenhouse gas emission per hectare of different vegetable species

如图3所示，在单位产量上，蔬菜平均氮足迹为3.67 kg·t，不同蔬菜种类氮足迹差异较大，其中辣椒氮足迹最大，比白菜、番茄、萝卜、茄子、丝瓜和莴笋分别高159%、255%、319%、94.9%、122%和117%。蔬菜平均碳足迹为162.1 kg COe·t，其中辣椒碳足迹最大，比白菜、番茄、萝卜、茄子、丝瓜和莴笋分别高142%、220%、345%、68%、114%和113%。

图3 不同蔬菜种类单位产量活性氮损失和温室气体排放Figure 3 The reactive nitrogen loss and greenhouse gas emission per metric ton of different vegetable species

2.4 节肥与减排潜力分析

基于文献汇总的各蔬菜种类推荐施肥量，对比各种蔬菜的施肥现状，估算了各类蔬菜种植的节肥减排潜力，结果如表3所示，可知铜梁蔬菜生产系统具有较大的节肥减排潜力。与优化施肥量相比，单位面积氮肥、磷肥和钾肥的平均节肥潜力分别为48%、55%和39%，蔬菜活性氮和温室气体平均减排潜力分别为46%和48%。不同蔬菜种类节肥减排潜力差异较大，该地区蔬菜生产单位面积氮、磷、钾节肥潜力的范围分别为26%~59%、39%~59%和26%~45%，其中茄子的氮、钾节肥潜力，辣椒和丝瓜的磷节肥潜力高于其他蔬菜种类。减排潜力因蔬菜种类的不同而异，活性氮和温室气体的减排潜力范围分别为16%~59%和25%~58%，其中茄子的减排潜力高于其他蔬菜种类。

表3 不同种类蔬菜的节肥减排潜力分析Table 3 Mitigation potentials of fertilizer rate and environmental cost in different vegetable species

3 讨论

3.1 施肥现状

近年来，通过我国实施的“国家测土配方施肥项目（2005）”和“化肥使用零增长行动（2015）”等政策干预，蔬菜的施肥量有所减少，但是目前整体施肥量仍处于较高水平。调查结果表明，铜梁区蔬菜系统肥料用量过高，平均氮、磷、钾肥料投入总量分别为483、321 kg·hm和 3 69 kg·hm，比全国露地蔬菜施肥量高41%~95%，氮肥用量分别比我国小麦和玉米高130%和120%，但铜梁区蔬菜系统肥料投入量仍低于我国其他地区的设施蔬菜系统。与粮食作物施肥量相比，铜梁区蔬菜施肥量总体较高，原因主要在于：一方面，蔬菜的根系浅，养分需求量大，其生长过程中需要大量养分的投入；另一方面，由于大部分农民对肥料和土壤管理等方面的知识和技能缺乏，加上蔬菜的高附加价值，为了提高产量获得高回报，降低蔬菜减产风险，农民习惯性依赖于通过提高肥料投入量这单一途径来提高产量。此外，西南地区以山地丘陵为主，坡度较大的地形和过多的降雨都会增加肥料的流失，间接提高了农民的肥料用量。研究表明，在20°的坡度下，氮和磷的总流失量分别比5°下的高18.1%和10.8%。不同蔬菜种类间氮、磷、钾施肥量差异大，总体而言茄果类（番茄、辣椒、茄子）氮、磷、钾肥料用量高于其他蔬菜类型，主要原因在于茄果类生长周期长、产量大、采收次数多、施肥次数多，所以其施肥量相对较高。

不同时期氮、磷、钾投入比例差异较大，目前农民普遍重基肥、轻追肥。铜梁区不同蔬菜种类的氮、磷、钾肥料投入量基追比平均为7∶3，然而蔬菜基肥养分用量占总养分投入量（基肥+追肥）的适宜比例一般为20%~30%。基肥养分比例过高不利于蔬菜苗期根系的发育，同时会影响全生育期蔬菜生长。因此，需要降低基肥养分比例，提高追肥养分比例。肥料的分次施用不但可以满足蔬菜不同生育时期的养分需求，而且可以降低肥料损失。本研究地区蔬菜施肥一般分为基施和一次追施，追肥次数偏少，与蔬菜生长的养分吸收规律不匹配。造成这种现象的原因主要是施肥劳动力成本和气候，目前施肥多数采用人工施肥，因为劳动力成本高，所以农民倾向于通过增加单次施肥量、减少施肥次数来节省人工成本。同时该地区降水较多，部分蔬菜铺设地膜，不利于施肥操作。

3.2 环境代价分析

高投入导致铜梁区蔬菜系统环境代价高。在单位面积上，该生产系统平均活性氮损失和温室气体排放分别为 141 kg·hm和6 352 kg COe·hm，较我国蔬菜生产系统高29.4%和6.5%，温室气体排放较我国小麦和玉米生产系统高47.7%和34.1%。导致该差异的原因主要在于肥料投入量的不同，氮肥的投入是活性氮损失和温室气体排放的主要贡献因子，分别贡献了95.9%~98.1%和86.6%~92.9%，与前人的研究结果类似。本研究中铜梁蔬菜平均氮肥投入量为 483 kg·hm，比我国蔬菜生产系统高 40%，比我国玉米和小麦氮肥投入量高119%和130%。同时区域活性氮损失排放因子差异也是导致此差异的主要因素。铜梁地处西南低山丘陵区，常年高温多雨，NO排放因子和硝酸盐淋洗因子高于其他系统，这些因素共同导致了该地区蔬菜生产的高环境代价。

不同种类蔬菜的活性氮损失和温室气体排放存在较大的差异。不同种类蔬菜的肥料用量差异，尤其是氮肥投入的差异，是导致不同蔬菜类型环境代价差异的主要原因。例如茄果类的氮肥用量比其他种类的蔬菜显著高12.2%~63.8%，进而导致其活性氮损失和温室气体排放比其他种类的蔬菜高12.8%~63.9%。综上所述，由于不同蔬菜类型肥料用量、环境代价差异大，铜梁区的蔬菜生产系统具有较大的节肥减排潜力，所以在农户生产过程中针对不同蔬菜类型必须要严格把控肥料的投入，在避免浪费的同时保护农业生产环境。

3.3 节肥减排潜力分析

优化施肥管理，尤其是优化肥料用量是降低蔬菜生产系统环境代价的重要举措。当前铜梁地区蔬菜生产肥料用量高且变异大，远超于自身养分需求，因此节肥潜力大。基于蔬菜养分需求特征和气候土壤特征优化肥料用量是蔬菜精准施肥的关键。研究表明，基于作物需求减少施肥量后，土壤依然能够保持合适的养分含量并满足作物的需要，维持作物产量。本研究发现不同类型蔬菜能够节肥26.5%~59.2%，高于粮食作物的节肥潜力，与其他蔬菜系统的研究结果类似。由于蔬菜系统节肥潜力大，因而铜梁区蔬菜具有较大的环境减排潜力。本研究发现单位面积活性氮损失和温室气体排放分别可以减少15.9%~50.0%和9.50%~47.9%，与先前的研究一致，如ZHANG等通过优化施氮量使我国蔬菜生产系统温室气体排放总量减少16.7%。

为进一步降低该系统环境代价，本文提出以下建议：（1）有机无机配施。研究发现，用有机肥部分代替化肥可以调整土壤中的碳氮比例和氮的转化过程，更好地使土壤氮素供应与作物氮素需求同步，从而增加氮肥利用率，减少氮素损失。目前，铜梁区的菜地有机肥用量较低，在果菜茶有机肥替代化肥大背景下，需要适当提高有机肥用量，同时优化化肥用量。（2）使用新型增效肥料，如硝化抑制剂、缓控释肥料等，调控土壤中氮转化过程，提高氮肥利用率。大量的研究表明，硝化抑制剂能显著减少作物氮淋洗损失（38%~56%）和NO排放（39%~48%），同时增加蔬菜产量（0~10%）和作物肥料氮的回收率（34% ~93%）。然而，在调研过程中未发现农户在生产中使用增效肥料，周边农资店也未发现相关产品。（3）提高肥料生产技术。ZHANG等的研究结果表明，改善氮肥生产工艺能够显著降低20%~63%与氮肥相关的温室气体排放。因此，可以通过改善肥料生产工艺降低蔬菜生产的温室气体排放。

4 结论

（1）铜梁区蔬菜生产系统的肥料投入高，平均氮、磷、钾肥料投入量分别为483、321 kg·hm和369 kg·hm。不同蔬菜种类的肥料投入量差异大，其中茄果类的肥料投入量最高。

（2）该地区蔬菜生产系统的环境代价较高，平均活性氮损失和温室气体排放分别为141 kg · hm和6 352 kg COe·hm，这主要是由于肥料投入量高造成的，其中氮肥投入的贡献分别为95.9%~98.1%和86.6%~92.9%。由于不同蔬菜种类肥料投入量差异大，蔬菜种类之间的活性氮损失和温室气体排放存在较大的差异。

（3）基于推荐施肥量，铜梁区的蔬菜生产系统有巨大的节肥减排潜力，平均氮、磷、钾肥料的节肥潜力分别为48%、55%和39%，平均活性氮损失和温室气体减排潜力分别为46%和48%。因此，亟需通过优化施肥管理策略在维持蔬菜产量的条件下降低生产成本并减少环境代价，实现铜梁区蔬菜产业的绿色可持续发展。

对铜梁区农业农村委产业科科长熊杰，西南大学资源环境学院肖然老师，西南大学植物保护学院杨宇衡老师，西南大学资源环境学院郭超仪、张芬、刘发波、刘栩辰、杨林等同学在蔬菜生产调研过程中提供的帮助表示衷心的感谢。