2020, Vol. 41
蔬菜在人们生活中必不可少.我国是世界上最大的蔬菜生产国, 用全世界41.2%的蔬菜种植面积生产了全世界50.9%的蔬菜[1].但由于大部分蔬菜是浅根系作物, 养分吸收能力弱, 需要较高的养分投入[2].而且在现代集约化蔬菜生产中, 菜农试图以高化肥投入换取高的蔬菜产出[3].化肥过量投入导致化肥利用率低[3], 并造成一系列环境问题, 如温室气体排放高、地表水富营养化和地下水硝酸盐富集等[3~5], 严重影响蔬菜产区的环境质量和蔬菜产业可持续发展[5].因此, 在我国农业绿色发展的大背景下, 如何发挥化肥对蔬菜的提质增产作用和减少蔬菜生产过程中的环境代价已经成为实现我国蔬菜产业可持续发展的核心问题, 而定量化我国蔬菜生产过程中的温室气体排放尤为重要.
生命周期评价方法是定量作物生产过程温室气体排放的普遍方法, 相比于关于小麦、玉米和水稻等粮食作物温室气体排放的大量研究[6~8], 近年来才开始关注的蔬菜系统的温室气体排放研究比较局限[9~11], 这些研究主要集中于定量化特定区域和特定蔬菜类型的温室气体排放, 仅强调了特定区域和特定蔬菜系统高的温室气体排放及各投入环节在整个生命周期的贡献率.但是, 不同种类蔬菜因施肥和田间管理等不同, 温室气体排放差异大.例如, 胡亮等[12]的研究结果表明苦瓜、黄瓜和茄子等8种露地蔬菜的经济效益及碳足迹显著不同.另外, 同一种类蔬菜在不同地区由于土壤、气候和田间管理等不同, 温室气体排放差异大.例如, 郭金花[13]的研究发现北京设施番茄温室气体排放较山东寿光设施番茄高44.1%.我国蔬菜种类多, 分布面积广, 不同蔬菜种类间、不同地区间施肥管理差异大, 极可能导致不同蔬菜种类、不同区域温室气体排放差异显著, 然而目前对全国和区域尺度上不同种类露地蔬菜间温室气体排放的对比研究相对缺乏.因此, 定量化不同种类和不同地区露地蔬菜种植系统温室气体排放有助于理解种植结构对温室气体排放的影响和明确减排措施.
露地蔬菜是我国蔬菜重要栽培方式, 我国露地蔬菜种植面积占全国蔬菜总种植面积的82.4%, 产量占全国蔬菜总产量的66.9%[14], 番茄、黄瓜、大白菜和萝卜是我国典型的露地蔬菜, 4种蔬菜播种面积和总产量分别占全国露地蔬菜的4.7%、5.5%、11.5%、5.6%和6.8%、7.3%、13.3%和5.6%[15].蔬菜生产系统是重要的温室气体排放源, 同时也是巨大的碳汇, 一方面通过提高土壤有机质固碳, 另一方面蔬菜生长过程中通过净初级生产力(NPP)将大气中的碳固定于蔬菜本身[16].因此, 本研究选取了露地番茄、黄瓜、大白菜和萝卜为研究对象, 在收集分析国家统计数据的基础上, 应用生命周期评价方法, 综合考虑蔬菜生产系统温室气体“固”与“排”的平衡, 评价我国露地蔬菜净温室气体排放.本研究目的：①定量化我国4种典型露地蔬菜净温室气体排放; ②比较4种典型露地蔬菜净温室气体排放空间差异; ③分析我国露地蔬菜净温室气体排放主要贡献因子和减排措施, 以期为我国露地蔬菜生产提质增效、节肥减排和蔬菜产业可持续发展提供依据.
1 材料与方法 1.1 数据收集根据文献[17]中现有的蔬菜种类和文献[15]中数据库能查询的各类蔬菜种植分布情况, 选择4种典型露地蔬菜, 分别为瓜果类(番茄、黄瓜)、叶菜类(大白菜)和块根类(萝卜), 并收集整理2016年全国不同省份4种露地蔬菜生产种植相关数据(中国台湾省数据暂缺).各种蔬菜的肥料施用量、柴油用量、农膜投入量、劳动者用工和产量数据从文献[17]获得, 其中, 柴油费用通过公式[18]：柴油费用=(机械作业费+排灌费-水费)×21%+燃料动力费计算得出, 柴油单价数据来源于我国油价网数据库[19].农药投入数据参考罗巍[20]对全国露地蔬菜农药施用大数据分析的研究结果.从文献[15]中查询获得各省不同种类蔬菜播种面积.
1.2 生命周期评价 1.2.1 系统边界和评价单元本研究的系统边界集中于露地蔬菜生产全过程(从播种到收获过程), 分为农资阶段和农作阶段.农资阶段主要关注肥料(化肥和有机肥)、农药和农膜等生产和运输过程产生的温室气体排放.农作阶段主要关注肥料和农药施用过程、农事操作(耕作、灌溉等)过程柴油消耗和人工耗能产生的温室气体排放, 另外还关注蔬菜通过净初级生产力固定于本身的碳和有机肥投入引起的土壤有机碳固定[16].选取单位面积(每hm2)为此系统评价单元.
1.2.2 计算方法参考刘巽浩等[16]的研究方法, 构建蔬菜生产系统温室气体排放、碳固定和净温室气体排放的计算公式.
(1) 温室气体排放(greenhouse gas emission, GHGE)
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式中, GHGE(kg ·hm-2, 以CO2-eq计, 下同)表示生产1 hm2蔬菜的温室气体排放; CO2 input表示生产1 hm2蔬菜时资源投入产生的温室气体排放, AIi表示资源i(肥料、农膜、农药、柴油、人工)的投入量, EFi表示与资源i投入相关的温室气体排放参数, 如表 1所示; N2Ototal(kg ·hm-2, 以N2O-N计)表示在农作生长过程中由氮肥施用造成的N2O排放总量, 分为N2O直接排放和间接排放, 参考Wang等[21~23]基于meta-analysis建立的我国露地蔬菜系统氮素损失模型, N2Odirect=0.007 3×施氮量+0.75[21], NH3 volatilization=0.084×施氮量+0.50[22], NO3leaching-=0.22×施氮量+0.60[23], 1.0%和2.5%分别表示与NH3挥发和NO3-淋洗相关的N2O间接排放系数[24], 44/28是将N2O-N转化成N2O的系数; CH4 manure(kg ·hm-2)表示有机肥施用过程产生的CH4排放, manuretotal C为有机肥碳投入总量, 0.2%为有机肥施用过程CH4排放参数[25]; 265和28分别表示N2O和CH4的100 a全球增温潜势[26].
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表 1 各投入环节温室气体排放参数 Table 1 Main greenhouse gas emission factors of different inputs |
(2) 碳固定(carbon sequestration, CS)
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式中, CS(kg ·hm-2, 以CO2-eq计, 下同)表示生产1 hm2蔬菜固定的碳; CSNPP(kg ·hm-2, 以C-eq计)表示蔬菜通过净初级生产力固定的碳, Cf表示蔬菜的碳吸收率(取常见值0.45[12]), Yw(kg ·hm-2, 鲜重)表示经济产量, W表示含水量, H表示经济系数, 番茄、黄瓜、大白菜和萝卜的含水量和经济系数分别取值为98.5%、98.3%、98.0%、97.8%和0.60、0.55、1.00、1.00[12]; CSmanure(kg ·hm-2, 以C-eq计)表示由于有机肥投入引起的土壤有机碳固定量, 10.0%表示与有机肥碳投入总量相关的土壤有机碳固定系数[32]; 44/12表示将C转化成CO2的系数.
(3) 净温室气体排放(net greenhouse gas emission, NGHGE)
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式中, NGHGE(kg ·hm-2, 以CO2-eq计, 下同)表示生产1 hm2蔬菜净温室气体排放, 为正值时代表此系统为温室气体的源, 反之则为汇.
2 结果与分析 2.1 典型露地蔬菜生产中的资源投入与温室气体排放 2.1.1 资源投入和产量表 2所示为我国4种典型露地蔬菜单季各投入用量及产量, 其中, 瓜果类露地蔬菜(番茄、黄瓜)单季肥料投入量最高, 叶菜类(大白菜)次之, 块根类(萝卜)最低.不同种类露地蔬菜肥料投入量差异大, 就氮肥而言, 番茄的平均单季总氮肥投入量(406 kg ·hm-2)最高, 分别较黄瓜、大白菜和萝卜高9.5%、25.5%和72.7%.萝卜的平均产量(56.9 t·hm-2)最低, 番茄、黄瓜和大白菜的平均产量分别较萝卜高25.4%、7.2%和20.6%.
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表 2 我国典型露地蔬菜生产中的清单分析1) Table 2 Inventory analysis of a typical vegetable production system in China |
2.1.2 不同种类露地蔬菜生产中的温室气体排放、碳固定和净温室气体排放
在单位面积上(图 1), 我国典型露地蔬菜生产中, 番茄的温室气体排放量(7 684 kg ·hm-2)最高, 分别较黄瓜、大白菜和萝卜高9.1%、31.7%和65.9%.其中, 肥料是我国露地蔬菜生产中主要的温室气体排放源, 农资阶段肥料生产运输对番茄、黄瓜、大白菜和萝卜生产中温室气体排放贡献率分别为52.3%、52.6%、53.5%和51.6%, 农作阶段肥料施用对番茄、黄瓜、大白菜和萝卜生产中温室气体排放贡献率分别为34.6%、34.9%、37.3%和36.2%, 而其它投入(农膜、柴油、农药、人工)环节贡献率较小, 贡献率为9.2% ~13.2%.
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图 1 单位面积上不同种类露地蔬菜温室气体排放 Fig. 1 Greenhouse gas emissions on per hectare of typical open-field vegetable production in China |
在我国典型露地蔬菜生产中, 番茄的碳固定量(3 534 kg ·hm-2)最高, 分别较黄瓜、大白菜和萝卜高6.4%、72.1%和60.2%.其中, 植株通过净初级生产力固定碳是蔬菜生产中的主要碳汇, 其对番茄、黄瓜、大白菜和萝卜生产中的碳固定贡献率分别为94.5%、94.0%、93.8%和93.7%.
4种典型露地蔬菜生产中的温室气体排放量都高于其带来的碳固定量, 而且总体上净温室气体排放量为瓜果类(番茄、黄瓜)高于叶菜类(大白菜)和块根类(萝卜).番茄、黄瓜、大白菜和萝卜的净温室气体排放量分别为4 149、3 718、3 780和2 427 kg ·hm-2.
2.2 典型露地蔬菜净温室气体排放空间特征在单位面积上, 我国4种典型露地蔬菜生产中的净温室气体排放省域差异较大(图 2).我国露地番茄的净温室气体排放范围是737~8 698 kg ·hm-2, 相比于其它省份, 海南、山东、河南和新疆较高; 露地黄瓜的净温室气体排放范围是120~7 629 kg ·hm-2, 云南、陕西、河南和四川较高; 露地大白菜的净温室气体排放范围是953~7 758 kg ·hm-2, 陕西、云南、吉林和宁夏较高; 露地萝卜的净温室气体排放范围是-658~5 712 kg ·hm-2, 其中, 山东、吉林、甘肃和广西较高, 而辽宁最低, 为-658 kg ·hm-2, 其为温室气体的汇.
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图 2 单位面积上露地番茄、黄瓜、大白菜和萝卜生产中的净温室气体排放空间分布特征 Fig. 2 Spatial distribution of net greenhouse gas emissions per hectare of open-field tomato, cucumber, Chinese cabbage, and radish production in China |
集约化蔬菜系统通常被认为是高养分投入和高环境代价的种植系统[3, 33].本研究结果表明, 我国露地番茄、黄瓜、大白菜和萝卜温室气体排放量高, 分别为7 684、7 041、5 834和4 633 kg ·hm-2, 显著高于先前报道的粮食作物[6, 34, 35].与国外粮食作物相比较, 我国4种典型露地蔬菜温室气体排放量是波兰小麦的1.88~3.13倍[34]; 与我国粮食作物相比较, 我国4种典型露地蔬菜温室气体排放量是Chen等[6]研究中小麦温室气体排放量的1.25~2.07倍, 是Cui等[35]研究中玉米温室气体排放量的1.64~2.72倍.这主要由于本研究中4种典型露地蔬菜的单季氮肥投入量是先前报道的小麦和玉米氮肥投入量的1.12~2.24倍[6, 34, 35].因此, 减少我国露地蔬菜生产中的温室气体排放具有重要意义.
蔬菜生产系统在生产过程中直接或间接排放温室气体, 同时也具有固碳能力, 从而可以部分抵消温室气体排放[16].蔬菜系统固碳一方面是通过提高土壤有机质固碳, 另一方面是蔬菜本身通过光合作用将大气中的碳固定于蔬菜本身[2, 16].本研究中, 我国露地番茄、黄瓜、大白菜和萝卜生产中碳固定量高, 这主要由于蔬菜自身通过净初级生产力固定的碳较高(图 1).因此, 提高我国露地蔬菜生产中的碳固定具有重要意义.
从全生命周期角度分析, 我国典型露地蔬菜生产过程中的温室气体排放远高于其带来的碳固定, 是净温室气体排放的体系, 与Gao等[36]研究中国作物系统净温室气体排放主要结果一致.而且瓜果类露地蔬菜(番茄、黄瓜)的净温室气体排放高于叶菜类(大白菜)和块根类(萝卜), 与胡亮等[12]研究有机和无公害生产模式下的蔬菜碳效益主要结果一致.导致此差异的原因主要是瓜果类露地蔬菜(番茄、黄瓜)的施氮量显著高于叶菜类和块根类(表 2), 而瓜果类露地蔬菜施氮量高与其生育期较长、需肥量大有关[12, 37].
3.2 典型露地蔬菜净温室气体排放空间差异同一种类露地蔬菜在不同省份的净温室气体排放差异大.氮肥投入和产量差异是造成我国露地蔬菜净温室气体排放空间差异的主要原因.在单位面积上, 相比于其它省份, 海南、云南、陕西和山东等省份番茄、黄瓜、大白菜和萝卜由于氮肥投入高导致相应的温室气体排放量高(图 2和图 3), 而且其产量较低导致相应的碳固定量较低(图 4), 二者共同导致其最终的净温室气体排放量高.不同地区土壤特征、降水、地形、农民施肥习惯和田间管理等不同[38], 导致区域间作物施肥量和产量差异较大.黄绍文等[39]调研结果表明我国蔬菜种类间、区域间化肥养分用量和有机肥养分用量及产量差异均相当明显.另外, 因为经济、技术和交通等因素的制约, 各地区肥料施用量和产量也会存在较大差异[40].因此比较我国典型露地蔬菜净温室气体排放空间差异, 对合理调整我国露地蔬菜产业发展布局尤为重要, 对于净温室气体排放高的露地蔬菜和省份要重点防治, 同时未来我国露地蔬菜产业应侧重于发展高产、净温室气体排放低的露地蔬菜优势产区.
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图 3 露地番茄、黄瓜、大白菜和萝卜氮肥用量空间分布特征 Fig. 3 Spatial distribution of nitrogen fertilizer rates for open-field tomato, cucumber, Chinese cabbage, and radish production in China |
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图 4 露地番茄、黄瓜、大白菜和萝卜产量空间分布特征 Fig. 4 Spatial distribution of yield for open-field tomato, cucumber, Chinese cabbage, and radish production in China |
首先, 从温室气体排放角度分析, ①根据露地蔬菜种类和种植区域优化氮肥用量是减少我国露地蔬菜温室气体排放的重要措施.肥料施用过程, 尤其是氮肥投入, 是我国露地蔬菜温室气体排放主要贡献因子之一(图 1), 这与之前国内外学者对小麦、玉米和辣椒等研究结果类似[6, 34, 35, 41], 主要由于氮肥施用过程产生的N2O排放、氨挥发和硝酸盐淋洗损失[35, 41].前人研究表明, 基于蔬菜需求优化氮肥用量并不会降低蔬菜产量, 而且能够显著提高氮肥利用率, 减少温室气体排放[42, 43].He等[42]的研究表明, 基于根层养分调控管理优化氮肥用量能够在番茄种植过程中降低69%的氮肥用量, 并在维持产量同时减少51%的N2O排放量.本研究中, 我国9个省份的番茄、13个省份的黄瓜、19个省份的大白菜和14个省份的萝卜生产中氮肥投入量高于武良[38]基于文献汇总的番茄、黄瓜、大白菜和萝卜推荐施肥量(分别为390、363、265和177 kg ·hm-2), 说明我国典型露地蔬菜生产中具有较大的减肥减排潜力(图 3).②调整能源结构, 改善肥料生产工艺, 降低肥料生产和运输过程中的资源消耗和温室气体排放.肥料生产和运输是温室气体排放主要贡献因子之一, 这主要是因为在我国肥料生产过程中的能源消耗主要来自煤, 而煤和其它能源相比, 不仅开采过程中温室气体排放量高, 而且能源效率也较低[27].Zhang等[27]的研究结果表明改善氮肥生产工艺能够显著降低20% ~63%氮肥相关的温室气体排放.其次, 从碳固定角度分析, 蔬菜通过自身净初级生产力固定碳是其生产中的主要碳固定来源, 因此, 可以通过培肥土壤、提高地力和减少病虫害[44]等措施来稳定及提高蔬菜产量, 增加碳固定量, 从而减少蔬菜生产的净温室气体排放.
3.4 不确定性分析本研究对我国蔬菜生产中的净温室气体排放进行了初步分析, 分析过程中存在不确定性.首先, 本研究基于国家统计数据中的蔬菜肥料投入和其它投入进行计算和分析, 而不同的数据库之间数据会存在一定的差别, 从而影响最后结果的准确度.例如, 文献[17]中没有灌溉用电量和柴油用量, 只能借鉴Xue等[18]的方法进行估算.另外, 不确定性还来源于排放参数的选取.基于参数本地化的原则, 本研究选取了Wang等[21, 23]基于我国露地蔬菜研究数据建立的氮素损失模型进行计算[22], 但是由于目前相关研究较少, 不能将参数基于不同区域进一步细分, 而不同区域的气候条件、土壤、环境和农田管理措施存在差异, 采用单一参数会给研究带来一定的不确定性.因此, 在今后需要增加相关方面的田间试验来细化参数.尽管存在一定的不确定性, 本研究成果仍为了解我国典型露地蔬菜生产中的温室气体排放和来源提供了基础而有用的信息.
4 结论(1) 我国典型露地蔬菜生产系统生产资源投入高, 温室气体排放量远高于其带来的碳固定量, 是净温室气体排放系统, 而且不同种类露地蔬菜净温室气体排放差异大.我国生产单位面积露地番茄、黄瓜、大白菜和萝卜净温室气体排放分别为4 149、3 718、3 780和2 427 kg ·hm-2, 番茄净温室气体排放需要更多关注.
(2) 我国典型露地蔬菜净温室气体排放空间差异大, 海南、云南、陕西和山东等省份是今后我国露地蔬菜生产系统温室气体减排的重点区域.这些差异主要由于肥料投入量和产量不同.
(3) 肥料生产运输和施用是我国露地蔬菜整个生命周期中温室气体排放主要贡献因子.因此, 改善肥料生产工艺, 并且根据露地蔬菜种类和种植区域特征, 不断优化施肥量和施肥方式, 提高肥料利用率, 以期实现提高露地蔬菜产量并降低温室气体排放的双赢局面, 实现我国露地蔬菜产业可持续发展.
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