设施蔬菜种植对土壤有机碳的影响研究

金家铭，刘晓宇，陈 寅

（江苏农林职业技术学院 信息工程学院，江苏 句容 212400）

由于市场需求，同时能提高农民收入，近年来，设施蔬菜种植在我国快速发展，且仍然持续增长[1]。大量的农用地从种植粮食作物转为设施蔬菜种植，是我国近年来主要的种植变化趋势之一。土地利用变化是土壤有机碳最重要的影响因子之一，设施蔬菜种植具有高投入、高强度的特点，其对土壤理化性质具有多重影响[2]。土壤是陆地生态系统中最大的碳库，且土壤有机碳是土壤肥力的重要指标[3]。近年来，已有不少针对设施蔬菜种植如何影响土壤有机碳的研究，本文拟从我国设施蔬菜种植的发展，设施种植对土壤有机碳总量和组分的影响等方面进行探讨，并提出研究建议，完善设施蔬菜种植对土壤有机碳的影响研究，以期进一步促进我国碳达峰与碳中和战略的开展。

1 中国设施蔬菜种植的发展

由于市场需求和经济驱动，我国设施蔬菜种植面积迅速增加。1981年全国设施蔬菜种植面积不足0.72万ha，至2014年，设施种植面积达到370万 ha[4]。相对于传统的露天种植，设施种植更适宜蔬菜生长，可同时提高蔬菜产量和农业收入，据估算，设施蔬菜的收益是普通蔬菜的2.6倍[5]。与传统作物生产相比，蔬菜种植需要大量的劳动力、电、水、肥等投入品，是高投入、高产出、高强度的农业利用方式。

受种植收益的驱动，为使作物快速生长、获得较高产量，设施蔬菜往往使用过量氮肥和灌溉。1994-1997年，山东省设施蔬菜的年均施化肥量达N 943-2288 kg ha-1、P2O5950-2591 kg ha-1和 K2O 281-1245 kg ha-1[6]，远高于中国平均施肥水平。

设施蔬菜种植需要特殊的栽培环境，需要独特的水、肥、气、热环境，对土壤理化性质有巨大的影响。研究表明，尤其在大棚的栽培条件下，土壤缺少雨水淋洗，且温度、湿度、通气状况和水肥管理等均与露地蔬菜栽培有较大差别。已有研究表明，设施种植的不当管理易造成土壤酸化，氮素淋溶，土壤次生盐渍化等环境负效应[7]。设施蔬菜种植如何影响土壤有机碳，在碳达峰与碳中和战略的背景下也成为研究热点。

2 设施蔬菜种植对土壤有机碳的影响

土壤有机碳还是土壤肥力的重要组成部分，土壤有机碳的含量及其动态平衡是反映土壤质量或土壤健康的一个重要指标，直接影响土壤肥力和作物产量的高低。设施种植对土壤有机碳的影响与种植方式、种植年限、土壤背景值等诸多因素密切相关。目前，已有研究认为设施种植可提升，也可降低土壤有机碳，但总体来看，多数研究认为设施种植可提升土壤有机碳。

点位尺度研究上，Yan等[8]在曲周，顺义和寿光，3个大棚蔬菜种植强度依次递增的研究区进行配对样品采集，研究结果均表明作物地转换为蔬菜大棚将导致土壤有机碳增加（作物地和设施蔬菜大棚分别为7.81 g kg-1和11.09 g kg-1）。Lei等[9]在寿光也观察到了类似的结果（作物地和设施蔬菜大棚分别为8.90 g kg-1和11.43 g kg-1）。区域尺度研究上，Wang等[10]在全国范围内的研究表明，蔬菜大棚相比露天蔬菜种植，能增加CO2固定3.61 t CO2ha-1yr-1。

除研究设施种植对土壤有机碳总量的影响研究之外，已有部分研究关注设施种植对土壤有机碳的物理和生物化学上的组分特征的影响。Lei等[9]的研究结果表明，大田作物转换为设施蔬菜种植导致土壤有机碳增加，其中可溶性有机碳和易氧化有机碳增加显著，但微生物量碳却呈现下降。Qiu等[11]的研究结果表明大田作物转换为设施蔬菜种植使得土壤有机碳增加，但由于化肥过量使用产生土壤酸化，蔬菜地总碳储量（土壤有机碳+土壤无机碳）反而下降，增加的土壤有机碳中，以颗粒有机碳和可溶性有机碳为主，微生物量碳呈现下降。Luan等[12]通过开展8年小区实验，并结合化学、同位素和土壤微生物等测试方法，结果显示，施用有机肥可以增加土壤有机碳，但增加的碳以不稳定的组分为主，降低了土壤有机碳的稳定性。

3 设施蔬菜种植的生命周期评价

针对设施蔬菜如何影响土壤有机碳总量和组分已开展大量研究，但设施蔬菜生产不是单纯的蔬菜种植活动，而是以蔬菜生产为目的，包括农资生产、农作生产、农产品运输、消费及废弃物排放等的“从摇篮到坟墓”的生产系统[13]。因此，需要开展生命周期评价，才有助于全面了解设施蔬菜对土壤有机碳的影响。生命周期评价是一种用于评估产品在其整个生命周期中，即从原材料的获取、产品的生产直至产品使用后的处置，对环境影响的技术和方法。

已开展的生命周期评价结果表明，设施种植1 t番茄产生的全球增温潜势为271.9 kg C[4]。通过测算不同设施类型蔬菜生产的碳投入产出及碳足迹，结果显示设施温室的碳足迹分别为-2 487.9 kg/ha，表明设施蔬菜虽然消耗农业投入品，但仍然为碳汇。此外，由于频繁的灌溉和较高的温度，设施种植易造成氮流失，有研究表明，设施种植造成的土壤N2O排放量最高可达60.5 kg N ha-1。由于N2O的全球增热潜势是CO2的298倍，蔬菜种植平均每多消耗1 kg N，其释放的N2O相当于13 kg C，将极大影响双碳战略中对设施蔬菜种植的评估。

4 展望

设施蔬菜种植对土壤理化性质的影响是长期和动态的，但截至目前，我国多数农业观测站，以水稻、小麦等大田作物为研究对象，针对设施蔬菜种植的观测站，尚未积累足够长期和全面的数据。随着设施蔬菜的发展，其占农用地的比例不断增加。为综合评价蔬菜种植对土壤有机碳的影响，并为未来的模型提供可靠的数据，建立蔬菜长期观测站点有其必要性。

土壤有机碳模型的构建和使用是目前土壤有机碳研究的大趋势，如DNDC模型9.1版本中已可模拟部分蔬菜种类。Century模型也可通过设置产量、凋萎系数、植物碳氮比等作物参数，模拟蔬菜种植条件下土壤有机碳的动态变化。但由于缺少长期观测站的数据验证和支持，针对设施蔬菜种植的土壤有机碳模型，尚未得到广泛的认可和使用。为全面推进双碳战略，估算设施蔬菜种植对不同气候情景、不同管理措施的响应，有必要构建和完善设施蔬菜种植的土壤有机碳模型。

5 结论

设施蔬菜种植对土壤有机碳存在显著影响，但这种影响与管理方式、种植年限、土壤本底情况等因素密切相关。多数研究表明，大田种植转为设施蔬菜种植，在初期会造成土壤有机碳含量下降，如果长期高强度施用化肥，会导致土壤有机碳含量进一步下降。通过施用有机肥等措施，可以提升土壤有机碳含量，但增加的土壤有机碳含量，以不稳定的形态为主，不加以保护，易分解为CO2，重新排放进入大气系统。未来的研究中，需考虑开展设施蔬菜种植的生命周期评价，以更合理和综合地评估设施蔬菜种植对碳达峰与碳中和的影响。此外，需要设置长期的设施蔬菜种植监测点，构建针对设施蔬菜的土壤有机碳模型，丰富设施蔬菜种植对土壤有机碳影响的数据基础和研究手段。