韓雙穎 高兵 趙川 崔勝輝

1 中國科學院城市環(huán)境研究所 城市環(huán)境與健康重點實驗室，廈門,361021 2 中國科學院大學，北京,100049 3 中國科學院城市環(huán)境研究所 廈門市城市代謝重點實驗室，廈門,361021

0 引言

隨著人民生活水平提高，水果消費量日益增長，2013—2020年中國居民人均鮮瓜果消費量增加了35.7%[9].由此水果種植面積不斷增長，2020年中國果園種植面積為1 264.6萬hm2，占農作物總播種面積的7.6%，為第4大種植作物[9].由于果農盲目追求經濟效益，過量施肥已成為水果生產中普遍存在的問題[10-12].2010年全球化肥總消費量達到172.2 Mt，其中水果消費氮肥總量占到5.8%[13].中國2010年水果種植的氮肥(N)、磷肥(P2O5)和鉀肥(K2O)消費量分別占總消費量的9.9%、8.4%和10.9%，緊隨小麥、玉米、水稻三大糧食作物和蔬菜之后[13].中國整個水果生產體系氮肥施用量為472±16 kg(N)·hm-2·a-1，約為馬鈴薯生產體系氮肥施用量的2.5倍[14]，北方、東北、中部和東部、南方、西南以及西北各區(qū)域水果生產氮肥施用量分別為415±39、358±54、425±31、540±37、416±45、521±31kg(N)·hm-2·a-1[15].農田N2O排放與氮肥投入成正比關系[16]，在區(qū)域尺度上，果園土壤也被視為重要的N2O來源[17-18].中國整個果園系統(tǒng)N2O平均排放量為5.2±0.2 kg(N2O)·hm-2·a-1，區(qū)域果園系統(tǒng)N2O 排放量范圍為3.9±0.6～5.9±0.4 kg(N2O)·hm-2·a-1[15].中國果園系統(tǒng)N2O排放量約為馬鈴薯生產體系的3倍，棉花生產體系的1.2倍，東北地區(qū)大豆生產體系的3.7倍[7].因其高投入及較高的GHG排放，果園系統(tǒng)GHG排放和減排受到越來越多的關注，國內外學者進行了眾多試驗探究水果生產過程中如何優(yōu)化管理措施來實現高產與低碳的雙贏目標.Maris等[19]通過田間研究發(fā)現，施用硝化抑制劑以及滴灌配施50 kg(N)·hm-2措施，既可以提高橄欖園生產力又可以控制其GHG排放.Fentabil等[20]對一個蘋果園兩年的試驗研究，證明滴灌頻率的降低和覆蓋可有效控制滴灌果園N2O排放.兩年的葡萄園試驗研究也表明，使用碎樹皮和木材作為地面覆蓋物，可降低N2O累積通量[21].Han等[22]在中國主要蘋果種植區(qū)黃土高原的兩年田間研究發(fā)現，施用生物炭土壤能夠固存更多的有機碳，有助于減少蘋果生產過程對氣候變化的影響.

國內針對不同果園系統(tǒng)肥料用量和類型、灌溉用量、灌溉頻率、作物覆蓋等管理措施開展了大量的案例研究，為研究中國水果生產系統(tǒng)資源投入、GHG排放和GHG平衡計算等奠定了數據基礎.Zhao等[15]進行了常規(guī)措施下全國整體和分區(qū)的水果體系研究.而中國水果種類繁多，不同水果種植土壤條件、物質投入、管理措施等差別較大，這些因素都與GHG排放密切相關.因此有必要開展不同水果生產體系凈GHG平衡和不同產量水平下的GHG排放強度(GHGI)的綜合比較及其優(yōu)化潛力分析.本文利用2000年至2021年上半年發(fā)表的相關文獻匯編成數據庫，并對其進行Meta分析，計算了傳統(tǒng)和優(yōu)化管理措施下中國主要水果生產系統(tǒng)的氮磷鉀肥投入、灌溉量、產量、凈GHG平衡和GHGI.研究目的主要有：1)比較傳統(tǒng)和優(yōu)化管理措施下不同水果生產系統(tǒng)的單位面積肥料投入、灌溉量和產量差異；2)分析傳統(tǒng)和優(yōu)化管理措施下不同水果生產系統(tǒng)凈GHG平衡和GHGI；3)識別中國不同水果生產系統(tǒng)中凈GHG平衡的主要源與匯，提出不同水果生產系統(tǒng)減排增匯的關鍵措施.本文的研究結果可為中國水果生產系統(tǒng)綠色低碳發(fā)展提供科學依據.

1 研究系統(tǒng)描述

為估算中國不同水果從播種到收獲整個生產管理期間相關的直接和間接GHG排放[23]，本文引入水果生產系統(tǒng)這一概念方便計算不同水果生產的凈GHG平衡[15].水果在其“從搖籃到農場大門”的各個階段，均會產生GHG排放，主要包括種子、化肥、農藥以及農膜等農資的生產加工和運輸過程會排放CO2以及N2O，水果生產過程中的化肥施用、秸稈還田、機械耕作、灌溉等管理措施也與CO2、N2O以及CH4等GHG有關[24].同時，不同農田管理措施也會導致土壤有機碳的變化，可用于反映不同管理措施下農田土壤與大氣間的凈CO2交換量[25].基于上述GHG來源，本文分別計算了中國不同水果生產系統(tǒng)傳統(tǒng)和優(yōu)化管理措施下的凈GHG平衡.

2020年中國水果總產量達到28 692.4萬t，其中柑橘、蘋果、梨、葡萄以及香蕉的產量分別為5 121.9萬t、4 406.6萬t、1 781.5萬t、1 431.4萬t和1 151.3萬t[9].根據國家統(tǒng)計局數據，2019年中國水果播種面積的前5位為：柑橘261.7萬hm2，蘋果197.8萬hm2，梨94.1萬hm2，葡萄72.6萬hm2，香蕉33.0萬hm2，分別占水果總播種面積的21.3%、16.1%、7.7%、5.9%、2.7%.因此本文將中國種植面積和產量占前5位的不同水果和除前5位外的其他水果作為6個研究對象.

2 數據與方法

2.1 數據收集

本文中優(yōu)化管理措施下中國不同水果生產體系的氮、磷、鉀肥投入數據、灌溉水量數據以及產量數據是通過在中國知網中利用關鍵詞大規(guī)模搜索相關文獻后篩選得到的，關鍵詞主要包括“水果”、“生產”、“產量”、“灌溉”、“果園”、“碳排放”、“溫室氣體”以及各種水果的名稱.常規(guī)管理措施下所對應的各項數據是基于Zhao 等[15]已經構建的數據庫進行篩選補充得到.最終常規(guī)和優(yōu)化管理措施下分別收集整理了307個和333個數據集，各水果種類常規(guī)和優(yōu)化措施下數據量分別為：柑橘(42和43個)、蘋果(77和61個)、梨(20和21個)、葡萄(50和65個)、香蕉(48和57個)和其他(70和86個).因部分田間管理數據可獲取性及樣本數量原因，本研究優(yōu)化管理措施僅考慮施肥和灌溉兩個方面，其他農業(yè)管理措施如機械翻耕、農藥和套袋等則采用常規(guī)管理水平數據，為Zhao等[15]在研究中計算的全國平均水平.

2.2 CO2-eq的計算

在計算水果生產系統(tǒng)的凈GHG平衡時，需先把整個過程中各項措施引起的GHG排放量均量化為二氧化碳當量(CO2-eq).百年時間范圍內單位土壤N2O和CH4排放量的CO2-eq分別為265 kg(CO2-eq)·kg-1和28 kg(CO2-eq)·kg-1[26].所有農業(yè)管理措施的CO2-eq計算是由農業(yè)投入乘以單位農業(yè)投入的CO2-eq強度(表1)來估算.

表1 土壤GHG排放和農業(yè)投入的排放因子

2.3 凈GHG平衡和GHGI計算方法

不同水果生產系統(tǒng)的凈GHG平衡采用式(1)計算，該公式已被廣泛地用于計算農業(yè)凈GHG平衡[16,32-33].水果生產系統(tǒng)凈GHG平衡能夠反映周年尺度上單位面積果園體系和大氣之間的碳增益和排放量，正值表示果園生產體系是大氣中CO2的排放源，負值則表示果園生產體系是大氣中CO2的匯.GHGI采用式(2)[34]進行計算，表示單位水果產量的GHG排放強度.

(1)

(2)

式(1)中：凈GHG平衡單位為kg(CO2-eq)·hm-2·a-1;GHGI單位為kg(CO2-eq)·kg-1；小寫字母代表土壤N2O和CH4排放量和不同農業(yè)投入的數量，具體包括化肥(N、P2O5、K2O)、灌溉、燃料、農藥、塑料薄膜和套袋用量，數字為小寫字母各項所對應的CO2-eq排放因子，如表1所列.式(2)中的Y代表水果的干質量產量，取為收集水果產量鮮質量數據的10%[15].

2.4 不確定性分析

為降低本研究的不確定性，在收集數據或參數時建立了統(tǒng)一標準，詳見文獻[7,14]，最終采用95%的置信區(qū)間來計算不同水果生產系統(tǒng)的肥料投入量、灌溉用量和土壤有機碳變化量的平均值和變化范圍.在計算凈GHG平衡和GHGI的時候也存在不確定性，采用數理統(tǒng)計的誤差傳遞方程進行不確定性分析[35]，詳細計算過程見文獻[15].

3 結果與討論

3.1 中國不同水果生產系統(tǒng)的產量和農業(yè)投入

傳統(tǒng)措施下中國不同水果生產系統(tǒng)的產量排序為香蕉(43.9±1.6 Mg·hm-2·a-1)>蘋果(33.7±2.4 Mg·hm-2·a-1)>柑橘(31.0±2.5 Mg·hm-2·a-1)>梨(29.9±2.6 Mg·hm-2·a-1)>其他(26.1±2.2 Mg·hm-2·a-1)>葡萄(24.7±2.1 Mg·hm-2·a-1).與傳統(tǒng)管理措施相比，優(yōu)化管理措施下梨的產量略有降低(5.3%)，其余各水果產量均有不同程度的增加，其中蘋果增產幅度最大，增加35.6%，其次是其他類水果生產系統(tǒng)(22.6%).優(yōu)化措施下產量排序為香蕉(49.5±1.4 Mg·hm-2·a-1)>蘋果(45.7±2.7 Mg·hm-2·a-1)>柑橘(33.0±2.6 Mg·hm-2·a-1)>其他(32.0±2.2 Mg·hm-2·a-1)>梨(28.4±2.6 Mg·hm-2·a-1)>葡萄(27.6±2.3 Mg·hm-2·a-1).意大利北部的蘋果生產體系在傳統(tǒng)措施下產量可達到40 Mg·hm-2[36],比傳統(tǒng)措施下中國蘋果生產體系的產量高6.3 Mg·hm-2，比優(yōu)化措施下中國蘋果生產體系的產量低5.7 Mg·hm-2.

圖1 中國不同水果生產系統(tǒng)常規(guī)和優(yōu)化措施下的產量(柱形圖高度為平均值；誤差棒長度為標準誤)

常規(guī)管理措施下氮肥施用量從其他類的397±29 kg(N)·hm-2·a-1至香蕉的688±35 kg(N)·hm-2·a-1，磷肥施用量從柑橘的225±27 kg(P2O5)·hm-2·a-1至梨的412±61 kg(P2O5)·hm-2·a-1，鉀肥施用量從其他類的310±24 kg(K2O)·hm-2·a-1至香蕉的1 100±65 kg(K2O)·hm-2·a-1.中國水果生產系統(tǒng)中過量施肥是一直存在的問題，在陳翠霞等[10]對黃土高原蘋果產區(qū)的調查研究中就發(fā)現，兩個果園的年平均施氮肥量分別高達1 115 和1 208 kg(N)·hm-2.Ju等[11]對華北平原蘋果生產系統(tǒng)的研究中也發(fā)現，年平均施氮量為661 kg(N)·hm-2，高于當地推薦施氮量450 kg(N)·hm-2，本文中收集整理的傳統(tǒng)措施下蘋果生產系統(tǒng)的施氮量為576±30 kg(N)·hm-2，也遠高于此推薦量，優(yōu)化措施下為407±26 kg(N)·hm-2，與推薦施氮量相近.Lu等[12]通過對西北大量獼猴桃園的調查發(fā)現，獼猴桃果園存在過度施肥現象，氮肥的總投入為1 201 kg(N)·hm-2，年平均表觀養(yǎng)分過剩量為1 081 kg(N)·hm-2，造成了地下水污染，增加了環(huán)境負擔.高產優(yōu)先、小規(guī)模耕作、缺乏有效的推廣系統(tǒng)以及果農手工施肥都可能是導致中國果園過度施肥的原因[37].通過優(yōu)化管理措施，不同水果生產系統(tǒng)的施氮量減少為葡萄的248±22 kg(N)·hm-2·a-1至香蕉的617±28 kg(N)·hm-2·a-1.常規(guī)與優(yōu)化管理措施下磷肥施用的變化特征與氮肥相似，各水果生產系統(tǒng)都有不同程度的減少，其中葡萄的減少幅度最大，達到45.2%，柑橘的減少幅度最小，但也達到19.4%.而鉀肥的變化特征與氮磷肥不同，僅柑橘、梨、葡萄、香蕉的鉀肥施用量分別下降了10.6%、10.3%、27.2%、10.9%.由于滴灌、微噴灌和水肥耦合等優(yōu)化措施的實施，各水果生產系統(tǒng)的灌溉量均有不同程度的減少.傳統(tǒng)措施下梨和香蕉的灌溉量較大，優(yōu)化措施下其減少幅度也較大，分別為58.3%和52.0%，傳統(tǒng)措施下柑橘的灌溉量最少，因此其優(yōu)化潛力也較小，僅為4.3%.中國水果生產系統(tǒng)即使在優(yōu)化措施下的肥料投入量，仍遠高于國外傳統(tǒng)管理下的肥料投入[38].Mouron等[38]在對瑞士12個水果農場進行了為期4 a的調查后得到，蘋果種植過程中的平均肥料投入量僅為62.0 kg(N)·hm-2、3.8 kg(P2O5)·hm-2和47.2 kg(K2O)·hm-2，優(yōu)化措施下中國水果生產系統(tǒng)的各肥料投入分別是其4.0～10.0倍，44.9～75.9倍，5.9～20.8倍.由此可見，我國不同水果生產系統(tǒng)仍均有較大的優(yōu)化減肥空間.

圖2 中國不同水果生產系統(tǒng)常規(guī)和優(yōu)化措施下的肥料投入(N、P2O5、K2O)和灌溉水量

3.2 中國不同水果生產系統(tǒng)的凈GHG平衡和GHGI

在中國不同水果生產系統(tǒng)的土壤N2O和CH4排放、所有農業(yè)投入相關GHG排放以及土壤有機碳儲量變化的基礎上，計算得到不同水果生產系統(tǒng)的凈GHG平衡(圖3).可以看出，中國不同水果生產系統(tǒng)凈GHG平衡均為正值，排名為香蕉>梨>蘋果>葡萄>其他>柑橘，分別為14.8±0.7、12.7±0.9、11.5±0.6、10.7±0.7、9.5±0.6、8.7±0.6 Mg(CO2-eq)·hm-2·a-1，表示水果生產系統(tǒng)是較大的大氣CO2排放源，這與Gao等[7]的研究結果中國的作物系統(tǒng)是GHG的凈排放源結論一致.傳統(tǒng)管理措施下中國整個水果生產系統(tǒng)的凈GHG平衡低于蔬菜和水稻生產系統(tǒng)，高于小麥、馬鈴薯、玉米以及大豆生產系統(tǒng)的凈GHG平衡[15].傳統(tǒng)管理措施下，不同水果體系GHGI排名為葡萄>梨>其他>蘋果>香蕉>柑橘，分別為4.3±0.3、4.2±0.3、3.7±0.2、3.4±0.2、3.4±0.2、2.8±0.2 kg(CO2-eq)·kg-1.優(yōu)化管理措施下，不同水果體系凈GHG平衡為香蕉>梨>蘋果>葡萄>其他>柑橘，分別為6.9±0.6、3.9±0.8、3.6±0.6、2.7±0.6、2.5±0.6、2.1±0.6 Mg(CO2-eq)·hm-2·a-1.相比傳統(tǒng)措施明顯降低，減少幅度分別為53.2%、69.0%、68.5%、75.0%、73.9%、75.8%.優(yōu)化措施下GHGI(圖4)為香蕉>梨>葡萄>蘋果>其他>柑橘，分別為1.4±0.1、1.4±0.3、1.0±0.2、0.8±0.1、0.8±0.2、0.6±0.2 kg(CO2-eq)·kg-1，相比傳統(tǒng)管理措施分別減少58.5%、67.3%、77.5%、76.8%、78.7%、77.3%.然而中國水果生產系統(tǒng)即使在優(yōu)化措施下，其碳排放仍然不具有優(yōu)勢.傳統(tǒng)措施下瑞士蘋果園的碳排放平均值僅為2.6 Mg(CO2-eq)·hm-2[38]，低于優(yōu)化措施下中國香蕉、梨、蘋果體系碳排放.英國蘋果在整個生產過程中的碳排放約為2.7 Mg(CO2-eq)·hm-2[39]，與優(yōu)化措施下中國葡萄生產的碳排放相近，遠低于香蕉、梨、蘋果生產碳排放.意大利北部的蘋果園在傳統(tǒng)措施下的碳排放僅為0.16 Mg(CO2-eq)·hm-2[36]，中國不同水果生產體系在優(yōu)化措施下的碳排放為其13.2～43.4倍.可見我國水果生產體系具有較大的GHG減排潛力，在未來水果需求大幅增長的情況下，急需采取優(yōu)化施肥和優(yōu)化灌溉等措施來降低單位水果產品的GHG排放強度，減緩我國水果生產體系的GHG排放，助力農業(yè)碳達峰和碳中和.

圖3 中國不同水果生產系統(tǒng)常規(guī)和優(yōu)化措施下的凈GHG平衡

圖4 中國不同水果生產系統(tǒng)常規(guī)和優(yōu)化措施下的GHGI

3.3 中國不同水果生產系統(tǒng)凈GHG平衡的主要來源

如圖5a、c所示，傳統(tǒng)措施下不同水果生產系統(tǒng)GHGs最大來源是由氮肥施用引起的上游生產和運輸過程中的GHG排放，占比在33.2%～43.6%.機械灌溉能源和氮肥誘導的土壤N2O也是GHG排放的主要來源，傳統(tǒng)措施下兩者占比分別在6.0%～23.0%和11.7%～15.3%.由于不合理的施肥現象普遍存在，氮肥不僅是水果生產系統(tǒng)，也是國內外各類農作物生產過程中GHG排放的主要來源[40-42].在中國主要小麥種植區(qū)，由氮肥生產所導致的GHG排放量最大，省級尺度上其占比為10.0%～21.1%，在主要玉米種植區(qū)其占比為6.4%～13.3%[41].美國玉米、大豆和小麥的傳統(tǒng)耕作系統(tǒng)中，溫室氣體排放的最大貢獻者也是由肥料的生產和施用造成的，肥料生產(N、P和K)的溫室氣體排放量和肥料施用于土壤導致的N2O排放量分別占GHG總排放量的54%和55%[42].傳統(tǒng)措施下土壤有機碳儲量減少，對總GHGs排放的貢獻率比在 5.9%～10.1%，意味著土壤固存碳的功能并未得到很好地利用.而優(yōu)化措施促進了土壤有機碳含量增加，從圖5b、d來看，土壤有機碳儲量增加成為抵消不同水果生產系統(tǒng)GHG總排放量的最大貢獻者，占比達到-205.9%～-62.6%.研究表明，土壤有機碳固存對提高土壤肥力，從而提高農田作物產量至關重要，且能夠極大地緩解大氣中GHG濃度的增加[16,43].Aguilera等[44]在對西班牙傳統(tǒng)和有機果園進行對比時發(fā)現，覆蓋種植和剪枝殘茬的摻入等管理措施導致更高的碳輸入，增加了土壤碳固存，使GHG排放量平均下降了39%.施用有機肥以及秸稈還田等處理均可以增加土壤有機碳[45]，抵消GHG排放量，谷類作物生產系統(tǒng)中有機碳的增加可抵消GHG排放總量的23.2%～66.7%[46].優(yōu)化措施下，氮肥施用引起的上游GHG排放和土壤N2O以及機械灌溉仍是導致不同水果生產系統(tǒng)GHG排放的主要來源，三者占比分別變?yōu)?3.8%～135.6%、25.9%～47.6%和21.6%～77.2%.優(yōu)化田間碳投入管理，特別是肥料管理，對于促進高產低碳生產，提高農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)效益具有重要意義，并能進一步促進清潔可持續(xù)的農業(yè)生產[47].對于中國不同水果生產系統(tǒng)來說，通過更好的田間管理實現高效的養(yǎng)分吸收，是在滿足生產需求的同時減少GHG排放的主要途徑[48].

圖5 中國不同水果生產系統(tǒng)常規(guī)和優(yōu)化措施下溫室氣體排放量的來源及占比

雖然不同水果生產系統(tǒng)中各GHG來源占比略有不同，但主要排放來源基本是氮肥施用、灌溉機械能耗和土壤有機碳固存，因此不同水果生產系統(tǒng)減排增匯的關鍵措施主要有氮肥減量、灌溉減量、增加土壤有機碳儲量這3個方面.Chen等[49]在對中國典型柚子產區(qū)的調查研究中也發(fā)現，減少氮肥過量施用和提高氮肥利用效率，既可以達到相似產量，又可以降低生產成本，還可以降低柚子生產過程中的碳排放強度.不僅是水果生產系統(tǒng)，基于養(yǎng)分的肥料管理還可以使水稻的全球變暖潛力降低約2.5%，小麥的全球變暖潛力降低約12%～20%[50].由于獲取先進氮肥管理信息和技術的途徑有限，再加上機械、知識等固定投入占總投入的比例較低，中國農戶往往將過度施肥作為避免產量損失的“保險”[51-52].本文收集結果證明，合理施肥、水肥耦合、地面覆蓋等管理措施更有利于增產，且對環(huán)境改善具有一定貢獻.因此，加強對先進果園管理經驗和技術措施的推廣應用，有望實現我國水果生產體系綠色低碳的轉型，減緩未來我國水果消費需求增加而引起的GHG排放壓力.

4 結論

不合理的水肥管理，不僅提高了水果生產系統(tǒng)的投入成本，也引發(fā)了較高的GHG排放.面對未來中國居民水果消費需求的不斷增加，亟需開展不同水果生產體系的GHG排放差異比較及其優(yōu)化潛力分析，制定針對性減排措施，為中國水果生產體系的綠色低碳發(fā)展提供科學指導.為此，本文基于近20多年來中國大量不同水果生產系統(tǒng)的田間試驗數據收集與分析，比較了傳統(tǒng)和優(yōu)化管理措施下不同水果生產系統(tǒng)的凈GHG平衡和GHGI，識別了不同水果生產的主要GHG來源，計算了不同優(yōu)化措施對中國不同水果生產系統(tǒng)GHG減排的貢獻率.結果發(fā)現：常規(guī)和優(yōu)化措施下氮肥施用均是不同水果生產體系最大GHG來源，常規(guī)措施下機械灌溉能源(除柑橘外)和氮肥施用誘導的N2O排放也具有較大貢獻.優(yōu)化措施下除葡萄和其他水果兩個體系是機械灌溉能源外，氮肥施用引起的N2O排放均為第二大排放源.通過優(yōu)化氮肥管理、水肥耦合和節(jié)水灌溉等措施可顯著降低中國不同水果生產體系的GHG排放.優(yōu)化管理措施下水果生產系統(tǒng)具有巨大的固碳減排潛力，不同水果體系土壤固碳能夠抵消38.4%～66.9%的總GHG排放，主要的果園固碳措施包括秸稈還田、地面覆蓋、推薦施肥以及免耕等.通過綜合優(yōu)化氮肥管理、節(jié)水灌溉和地面覆蓋等措施，可有效降低中國水果生產體系單位種植面積的GHG排放，減緩水果消費需求增加帶來的GHG增加壓力，為中國實現碳達峰做出些許貢獻.