热带菠萝田的温室气体排放、碳足迹与生态系统经济效益：对五种菠萝秸秆实际管理模式的响应

《Agricultural Systems》：Greenhouse gas emissions, carbon footprint and ecosystem economic performance of tropical pineapple fields: responses to five practical pineapple straw management patterns

　　

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  评估了热带菠萝田在秸秆还田和起垄栽培下的温室气体（GHG）排放特征。
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  在菠萝农田中，排放贡献的大小顺序为 CO₂ > N₂O > CH₄。
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  沟埋秸秆还田（RSD）提高了菠萝产量和果实品质，同时伴随着最低碳足迹和最高净生态系统经济效益。
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  沟埋秸秆还田被确认为一种环境可持续的栽培模式。

引言

作为全球种植面积第三大的热带水果，菠萝（Ananas comosus (L.) Merr.）的种植面积约为106万公顷（FAO, 2023）。在热带地区，菠萝种植地高温、强降雨和长期单一栽培的共同作用，导致土壤酸化、板结、有机质含量低，以及养分循环和流失加速。这些因素导致养分保持能力弱、整体土壤质量差（Li 等，2022）。此外，为了提高菠萝产量而大量施用化肥，导致化肥利用效率低、温室气体（GHG）排放增加（Liang 等，2022）。此外，每年产生超过1000万吨菠萝秸秆，其中大部分要么被移出田块，要么被焚烧，导致严重的环境污染和资源浪费。因此，探索菠萝秸秆的资源化利用与改良栽培措施相结合，能否改善农田土壤条件、减少GHG排放、减轻环境影响、提高菠萝产量与品质，并建立起可持续的菠萝栽培体系，显得尤为重要。

碳足迹（CF）和净生态系统经济效益（NEEB）为生产力、环境影响与经济可持续性之间的权衡提供了更全面的评估。本研究中，CF被定义为单位鲜菠萝产量所对应的"从摇篮到农场"GHG负担，并排除了土壤生物源CO₂的总通量。它并不代表对生态系统服务或环境损害（如养分流失、侵蚀控制、生物多样性或长期土壤碳储量变化）的完整评价（Usubharatana & Phungrassami, 2017; Jeffary 等, 2021）。此外，NEEB将作物产量收益、投入成本以及GHG排放成本同时纳入考量，兼顾生态与经济两方面，从而为农业可持续性提供了一种整体性度量（Xiao 等, 2024）。这些指标表明，即使某些管理措施的排放相对较高，只要其产量和经济回报足以抵消环境成本，仍然可能更具可持续性，从而强化了将环境视角与经济视角相结合在可持续农业研究中的重要性。

秸秆还田是最直接、最高效的农业废弃物利用方式之一。它不仅减少化肥需求，还能改善土壤通气、生物活性和养分有效性，提高作物产量与品质（Yang 等, 2024a, Yang 等, 2024b; Cheng 等, 2025）。此外，秸秆还田通过提高土壤碳氮比、改善土壤结构并刺激微生物活动，可有效降低农田产生的N₂O排放（Xia 等, 2018; Willaume 等, 2025）。它还通过增加土壤有机碳储量，有助于碳封存（Wang 等, 2024a, Wang 等, 2024b; Hua 等, 2025）。此外，大量证据表明，秸秆种类、土壤类型、翻压方式及气候条件等因素，都会影响秸秆还田后农田的生产力和GHG排放（Huang 等, 2024; Tang 等, 2024; Xu 等, 2024; Mander 等, 2025; Sun 等, 2025; Zhang 等, 2025a; Zhang 等, 2025b）。已有研究表明，菠萝秸秆翻压可显著降低土壤容重，提高土壤养分水平、酶活性和微生物多样性，从而提升产量与含糖量（Liu 等, 2012, Liu 等, 2013）。此外，沟埋秸秆还田的分解过程呈由慢至快的转变，与菠萝的养分吸收模式高度契合（Yang 等, 2024a, Yang 等, 2024b）。然而，菠萝秸秆还田对菠萝田GHG排放和可持续性的影响目前尚不清楚。

此外，为防止渍水，在菠萝栽培场景中，平地栽培正逐渐被起垄栽培所取代。起垄栽培是一种通过改造土壤表面形成垄沟相间的种植系统，作物既可种植在垄上，也可种植在沟中。该做法不仅促进种子萌发和作物生长，从而提高产量和品质，而且通过改变地表地形来增强土壤通气与排水过程，抑制产甲烷活动，并增加反硝化过程中N₂O的减排幅度，从而影响净GHG排放（Alagbo 等, 2022; Wang 等, 2024a, Wang 等, 2024b）。此外，起垄种植方式、土壤结构和气候类型会影响起垄栽培对作物产量和GHG排放的作用（Zhang 等, 2021; Liu 等, 2022; Wang 等, 2024a）。在菠萝田中，起垄栽培已被证明可以改善土壤通气、提高水肥利用效率，并增强植物的抗逆能力（Etame Kossi 等, 2025）。然而，其对GHG排放、CF和NEEB的影响尚未得到充分探索。

因此，本研究关注的核心科学问题是：菠萝秸秆还田结合起垄栽培能否改善热带菠萝生产中生产力、GHG相关指标和经济回报之间的平衡。为回答这一问题，本研究于2019年至2022年间开展了两季田间试验，采用五种实用管理模式：不还秸秆、旋耕秸秆还田、沟埋秸秆还田、平作和起垄。由于试验未设置不含秸秆还田的起垄处理。本研究的主要目标为：(1) 明确不同实用秸秆还田与种植模式下的GHG排放特征及其影响因素；(2) 评估这些措施对菠萝产量、果实品质、GWP、GHGI、CF和NEEB的影响；(3) 确定一种既能改善单位产量低碳绩效和经济效益、又能明确绝对GHG排放权衡关系的管理模式。

章节摘要

试验地描述

2019年至2022年，本研究的田间试验在位于海南省乐东的海南大学乐东试验站（18°39′6″N, 108°46′22″E）进行（图1A）。该地具有典型的热带季风气候，是中国主要菠萝产区之一。两个菠萝种植季分别于2019年10月4日和2021年5月22日种植，并于2021年2月26日和2022年6月28日收获。前一茬作物为香蕉。土壤为

温度、水分以及土壤NO₃^?-N和NH₄⁺-N含量

在两个菠萝种植季期间，5 cm和10 cm土层深度的土壤温度总体均随气温的季节变化趋势而波动（图2）。线性混合效应模型表明，两种深度下的土壤温度均受处理显著影响，但与采样日期相关的时间变异大于处理所导致的差异。在两个季节中，秸秆还田处理总体显示出略高于CT的土壤温度，其中CSD和

N₂O排放

热带菠萝农田通常以土壤有机质含量低为特征，本研究测得的数值仅为4.99 g kg^?1。秸秆还田可通过促进秸秆分解，提高土壤有机碳含量和有效氮水平，从而为硝化和反硝化微生物提供充足的底物（Wang 等, 2025; Ma 等, 2025）。这一机制很可能解释了秸秆还田处理相较于

结论

在热带菠萝田中，秸秆还田总体提高了CO₂和N₂O排放，而CH₄对常规田间GHG平衡的贡献相对较小。秸秆还田改善了土壤条件和养分有效性，提高了菠萝产量，但其对绝对GHG排放的影响取决于具体的秸秆管理与种植组合。在五种实用管理模式中，旋耕秸秆还田（RSR）在两个季节中均表现出最高的田间GWP和总GHG排放，

CRediT作者贡献声明

Xin Jin：撰写初稿、可视化、调研、数据整理。Shoupeng Li：可视化、调研、数据整理。Mingwan Chen：调研、数据整理。Chuangjun Wu：数据整理。Changzhen Li：方法论。Huanyu Bao：可视化。Changjiang Li：论文审阅与编辑、项目管理、经费获取、构思设计。Yunze Ruan：指导、正式分析。

参与同意

不适用。

发表同意

不适用。

伦理声明

本研究不涉及任何人体或动物实验，无需伦理审批。因此，伦理声明不适用。

利益冲突声明

作者声明不存在可能被认为会影响本论文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金委员会（32260724）、海南省自然科学基金（323RC424）、海南省重点研发计划项目（ZDYF2025XDNY064）以及海南大学南繁及热带农业高效创新协同创新中心（XTCX2022NYC18）的资金支持。

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