塑料棚园艺能够封存比预期更多的土壤有机碳

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Plastic shed horticulture can sequestrate more than expected soil organic carbon

中国塑料大棚土壤有机碳（SOM）储存及全球潜力研究基于元分析（22403个大棚，261项研究），发现耕作10年后SOM浓度达26.1 mg/g，较对照农田增加85.6%。平均有机碳储量提升46.3%，主要源于74.1吨/公顷的有机输入。估算中国塑料大棚有机碳储量为134.2-145.9 Tg C，预测2030年印度、巴基斯坦等国具高碳库潜力。该系统是碳中和的有效策略，需优化有机输入并政策支持。

　　

肖马（Xiao Ma）|纳齐姆·格鲁达（Nazim Gruda）|康天（Kang Tian）|王丽英（Liying Wang）|张子良（Ziliang Zhang）|唐颖（Ying Tang）|李迅（Xun Li）|段增强（Zengqiang Duan）|董金龙（Jinlong Dong）

中国科学院土壤科学研究所，土壤与可持续农业国家重点实验室，中国南京

摘要

中国塑料大棚园艺的高有机投入量和不断扩大的覆盖面积表明，这些土壤具有巨大的有机碳储存潜力。通过元分析（22,403个塑料大棚和261项研究），我们评估了中国塑料大棚土壤（0–20厘米深度）中的土壤有机质（SOM）储量，并预测了全球有机碳储量。随着种植时间的延长，SOM浓度及其相对于露天土壤的增幅显著增加，十年后分别稳定在26.1毫克/克和85.6%。SOM和有机碳储量平均增加了45.7%和46.3%，主要得益于平均每公顷74.1吨的有机投入。中国塑料大棚土壤的有机碳储量估计为134.2–145.9太克。预测显示，到2030年，印度、巴基斯坦、罗马尼亚和墨西哥的有机碳储量潜力巨大。这些发现表明，塑料大棚土壤是实现园艺碳中和的重要储库。建议优化有机投入类型和数量，并结合施肥管理政策以增强SOC的固存。

引言

塑料大棚农业（包括高棚和太阳能温室）是全球范围内一种重要且快速发展的集约化园艺形式。2020年中国塑料大棚的面积约为400万公顷，占全球总量的约85%（张等人，2021年）。自1978年以来，这一面积增长了750倍，主要得益于快速的城市化、经济发展以及土地用途从粮食生产向高价值经济作物的转变（Nemali，2022年）。其他发展中国家，如印度、非洲和南美洲，也在迅速扩展这种农业模式（Bliska Jr和Prada，2019年；Singh等人，2020年；Cambaza，2022年）。这种系统促进了现代园艺技术的应用，提高了作物产量和质量（Gruda，2005年）。它不仅满足了消费者对多样化、健康食品的需求，还提高了农民收入，并实现了全年新鲜农产品的供应（Dong等人，2022年；Nemali，2022年）。 以往的研究大多关注塑料大棚集约化管理的负面方面，如资源利用效率低下（例如氮肥利用率低）和非点源污染（Shi等人，2009年；Gruda等人，2019年）。然而，塑料大棚农业能够增加土壤有机质（SOM）浓度的显著特点尚未得到广泛认识。中国塑料大棚土壤的一个关键特点是施肥方式：在欧洲和北美，化肥占主导地位，而中国农民则主要依赖传统做法中的有机改良剂。有机化合物的投入量通常超过每公顷每年100吨（Fan等人，2020年），远高于其他农业生态系统的平均水平。这种投入提高了土壤肥力，并具有巨大的碳固存潜力，已在特定地点（Gao等人，2012年；Tong等人，2020年）和区域尺度（Wang等人，2011年；Fan等人，2020年）得到验证。 因此，中国的塑料大棚土壤成为高密度有机碳储存系统，为气候缓解策略（如碳中和）提供了由农民管理的潜在碳库，且所需额外投资极少。尽管具有这种潜力，但目前仍缺乏对中国及全球塑料大棚土壤中有机碳（SOC）储量的全面量化。包括我们自己的研究在内的先前元分析都缺乏足够的数据范围来进行可靠的SOC/SOM储量评估（Zhang等人，2021年）。这一知识空白阻碍了在这些集约化农业系统中制定有效措施以最大化碳储存和土壤肥力的发展。 本研究旨在通过以下方式缩小现有知识缺口：（1）量化中国塑料大棚生产对全国范围内SOC浓度的影响（22,403个大棚，261项研究）及其主要驱动因素；（2）估算中国塑料大棚土壤中的当前SOC储量；（3）预测全球塑料大棚土壤的潜在SOC储量。我们创新性地建立了最全面的关于中国塑料大棚土壤有机碳的数据集，量化了2020年中国和全球塑料大棚土壤的SOC储量，并预测了2030年的储量。我们期望这些知识能为通过园艺实践实现碳中和提供重要支持，并为全球集约化作物生产系统的可持续土壤管理策略提供依据。

数据收集

数据收集

初始数据集来源于我们之前关于塑料大棚系统土壤盐分和肥力的元分析（Zhang等人，2021年），通过中国国家知识基础设施（CNKI）、Web of Science、Google Scholar、Scopus和ScienceDirect数据库汇编而成。为了本研究，我们进一步扩展了数据集，纳入了专门关注SOM和/或SOC的文献，同时排除了仅研究土壤盐分的相关研究。

结果

塑料大棚土壤中的土壤有机质浓度随着种植时间的延长而显著增加，大约10年后达到饱和平台值26.1毫克/克（图3）。相对于露天土壤，增幅最大达到85.6%，并在10年的种植周期后保持稳定。从垂直角度来看，SOM浓度随土壤深度（0–100厘米）线性下降。

有机碳储量

塑料大棚作物生产已被当地农民广泛接受，并被认为是提高农民收入、尤其是农村老年农民收入的有效手段（Chang等人，2013年；Xie等人，2017年），已成为全球蓬勃发展的产业。然而，此前对园艺系统在土壤碳储存方面的研究较少（Ramesh等人，2019年）。我们的研究表明，中国的塑料大棚园艺显著增强了表土的有机质含量。

结论

本研究证明，塑料大棚园艺是一种高效的土地利用策略，能够显著增强SOC的固存。主要发现包括：（1）大量的SOC积累：中国塑料大棚下的表土（0–20厘米）SOC储量增加了46.3%，这是各种农业土地利用变化中最为显著的改善之一。（2）SOC储存达到饱和状态。

作者贡献

本研究由J.D.和K.T.构思。数据由X.M.、J.D.、L.W.、Z.Z.收集，并由J.D.进行分析。手稿由X.M.和J.D.撰写，Y.T.、K.T.、N.G.、X.L.和Z.D.进行了修订。

作者贡献声明

李迅（Xun Li）：监督、资源管理。 段增强（Zengqiang Duan）：软件支持、资源管理、调查、资金获取。 董金龙（Jinlong Dong）：监督、软件支持、资金获取、数据分析。 肖马（Xiao Ma）：写作与编辑、初稿撰写、项目管理、数据分析。 纳齐姆·格鲁达（Nazim Gruda）：资源管理、方法论设计、调查、数据分析、概念构思。 康天（Kang Tian）：项目管理、方法论设计、调查。 王丽英（Liying Wang）：数据可视化、验证、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢国家自然科学基金（42207357）、国家重点农业项目（NK2022180605）和江苏省自然科学基金（BK20211399）提供的资金支持。