溫室栽培與大田種植模式土壤有機(jī)碳的變化

李亞娟+宋佳倩+石兆勇

摘要：選擇中國冬暖式蔬菜大棚的發(fā)源地——山東壽光日光溫室以及與其接近的大田土壤為研究對象，比較溫室栽培模式與大田種植模式土壤有機(jī)碳的變化及其規(guī)律。結(jié)果表明，溫室栽培模式相對于大田栽培模式，能夠顯著提高土壤有機(jī)碳的含量，且土壤有機(jī)碳的增量主要集中于0～20 cm的耕作層土壤，增加量達(dá)到7.5 g/kg，顯著高于20～40 cm和40～60 cm的深層土壤；溫室栽培模式土壤有機(jī)碳的增量隨溫室栽培年限的增加而呈冪函數(shù)式增長，土壤有機(jī)碳的增加同時受到土壤類型和栽培作物種類的影響，表明溫室栽培措施可以增加農(nóng)業(yè)土壤的固碳潛力。

關(guān)鍵詞：溫室栽培；土壤有機(jī)碳；栽培年限；作物種類；土壤類型

中圖分類號：S153.6+2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）22-4258-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.22.013

Abstract： The changes and their trends of soil organic carbon（SOC） in greenhouses cultivation comparing to conventional field cultivation were explored based on solar greenhouses from Shouguang county of Shandong province，as the vital sources of greenhouses. The results showed that greenhouses cultivation enhanced markedly the concentration of SOC comparing to conventional field cultivation. Further，the increment of SOC in greenhouses cultivation comparing to conventional field cultivation attributed the surface soil of 0～20 cm with the increase of 7.5 g/kg，which was higher significantly than that in soil layers 20～40 cm and 40～60 cm. Moreover，the increase of SOC with cultivation years could be simulated by power function. The increase of SOC between greenhouse and conventional field cultivation were affected by soil and plant types. The greenhouse cultivation could improve the soil carbon sequestration potential of agricultural system.

Key words： greenhouse cultivation； soil organic carbon； cultivation age； plant types； soil types

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，是大氣碳庫的3.3倍、生物碳庫的4.5倍，是全球碳循環(huán)的重要組成部分，是大氣CO2的源和匯[1]。土壤有機(jī)碳占到土壤碳庫的一半以上，與大氣成分進(jìn)行活性交換的土壤有機(jī)碳占到陸地生態(tài)系統(tǒng)碳的2/3[2]。因此，土壤有機(jī)碳庫的微小波動將引起大氣CO2濃度的顯著變化，從而影響到全球氣候的穩(wěn)定[3，4]。在全球氣候變化的背景下，有關(guān)土壤有機(jī)碳的研究就成為研究的熱點(diǎn)問題。

農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫不僅占到全球陸地碳庫的10%以上，而且是全球土壤碳中最為活躍的部分[5]。同時，土壤有機(jī)碳還是農(nóng)田土壤肥力的核心，影響著土壤的諸多物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)，是作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)[6]，因此，對農(nóng)田土壤有機(jī)碳的變化及影響因素的研究應(yīng)受到更廣泛的關(guān)注。不同的農(nóng)業(yè)措施或種植體系能夠影響土壤有機(jī)碳含量的變化，Heinze等[7]通過27年的長期田間定位研究表明實(shí)施管理的有機(jī)農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量（9.2 mg/g）顯著高于僅施用化肥的農(nóng)田土壤（8.0 mg/g）。Santos等[8]則研究了由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化為有機(jī)農(nóng)業(yè)后，土壤有機(jī)碳含量的變化，表明在0～5 cm和5～10 cm的土層中，有機(jī)農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳顯著提高，分別是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳含量的3.9和3.3倍，而在10～15 cm和15～20 cm的土壤層中，有機(jī)碳增加則不顯著。褚慧等[9]2004～2012年研究了有機(jī)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)對土壤有機(jī)碳的影響，表明有機(jī)農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳顯著增加（增量34.5%），而傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)變化則不顯著。郭金瑞等[10]在吉林公主嶺長期定位試驗，研究了休閑與增施有機(jī)肥條件下的玉米連作、玉米-大豆輪作、大豆連作等處理土壤有機(jī)碳含量的變化，表明土壤有機(jī)碳含量受到施肥和作物的影響。

近20年來，溫室栽培作為一種蔬菜生產(chǎn)的種植模式，發(fā)展迅速，僅日光溫室生產(chǎn)的蔬菜產(chǎn)量就占到所有設(shè)施蔬菜產(chǎn)量的40%，而在冬季則占到90%以上[11]。由于溫室栽培對土地的高強(qiáng)度利用模式，也引起了土壤特性的變化，該方面的研究越來越受到重視。白新祿等[12]研究表明，溫室栽培后，土壤養(yǎng)分氮、磷、鉀累積量顯著增加。王士超等[13]也指出溫室栽培導(dǎo)致土壤供氮能力顯著提高，且與溫室栽培年限呈正相關(guān)。已有的研究已經(jīng)表明，溫室栽培模式影響到土壤各個方面的特性，并引起了廣大研究者的興趣，如土壤養(yǎng)分平衡[12-15]，土壤供肥特性[10，16-18]，土壤微生物[19-21]等。對溫室栽培與大田栽培模式對土壤有機(jī)碳影響的對比研究報道主要集中在東北地區(qū)，如余海英等[14]研究了遼寧沈陽、北寧兩地溫室栽培對土壤有機(jī)碳含量的影響；郭冉等[22]對遼寧省朝陽市日光溫室不同栽培年限土壤團(tuán)聚體各組分有機(jī)碳含量的變化進(jìn)行了研究。而在典型溫帶地區(qū)更適宜于進(jìn)行日光溫室栽培的區(qū)域則鮮見報道，本研究選擇中國冬暖式蔬菜大棚的發(fā)源地——山東壽光日光溫室以及與其接近的大田土壤，比較了溫室栽培模式與大田種植模式土壤有機(jī)碳的變化及其規(guī)律，旨在探討溫室栽培模式在土壤有機(jī)碳庫方面的貢獻(xiàn)，為正確評估農(nóng)田土壤碳庫提供依據(jù)。endprint

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

山東省作為華東地區(qū)日光溫室的集中分布區(qū)，其溫室占到華東地區(qū)的83%左右。壽光是全國大棚蔬菜的“實(shí)驗田”，是山東省日光溫室的代表，全省已經(jīng)形成了以壽光為代表的日光溫室蔬菜主產(chǎn)區(qū)。同時，壽光是國務(wù)院命名的“中國蔬菜之鄉(xiāng)”，擁有全國最大的蔬菜生產(chǎn)和批發(fā)市場。隨著生產(chǎn)技術(shù)和市場的需求，壽光溫室蔬菜生產(chǎn)也一直進(jìn)行著產(chǎn)業(yè)調(diào)整，近幾年來，以保護(hù)地栽培為主的品種有番茄、茄子、黃瓜、菜豆、洋香瓜、辣椒、絲瓜、苦瓜、豆角等，約占蔬菜總面積的75%。

本研究選擇山東壽光日光溫室作為研究對象，所選擇的取樣點(diǎn)的作物和土壤類型等信息見表1。

1.2 土壤樣品的采集

在壽光蔬菜生產(chǎn)聚集區(qū)選擇成片種植且管理水平相當(dāng)?shù)娜展鉁厥?，在每個溫室內(nèi)按棋盤式取樣，用土鉆取16鉆，每鉆分別取0～20、20～40和40～60 cm的3層土壤，取樣每一行的4鉆（按照南北方向作為一行）進(jìn)行混合，作為一個土壤樣品，即每個調(diào)查的溫室共取土48鉆土壤樣品，用于分析的為每層4個重復(fù)。同時，在所調(diào)查的溫室附近選擇土壤類型相同的玉米田作為露天栽培的對照，采樣方法也模擬溫室的采樣方法，重復(fù)4次。

1.3 土壤有機(jī)碳的測定與數(shù)據(jù)處理

土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀濕氧化法測定。所得土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010處理，用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，利用單因素方差分析和最小顯著性差異法比較不同土層溫室和大田土壤有機(jī)碳含量及其增量的差異顯著性，采用回歸分析方法擬合土壤有機(jī)碳含量與栽培年限的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫室栽培對土壤有機(jī)碳含量的影響

通過對比溫室栽培與大田栽培模式不同土層土壤的有機(jī)碳含量，發(fā)現(xiàn)溫室栽培模式相對于大田栽培模式土壤有機(jī)碳含量都有顯著提高（圖1）。從不同土層有機(jī)碳含量來看，無論是溫室栽培模式還是大田栽培模式，表層（0～20 cm）土壤均高于20～40 cm和40～60 cm土壤，且隨著土層深度的增加，有機(jī)碳含量逐漸降低（圖1）。

溫室栽培模式對不同土層土壤有機(jī)碳含量變化的影響見圖2。由圖2可知，0～20 cm土壤有機(jī)碳的增加量最大，為7.4 g/kg，分別為20～40 cm和40～60 cm土層有機(jī)碳增量的3.0和5.3倍?？梢姡瑴厥以耘啻胧┠茱@著提高土壤有機(jī)碳含量，且主要集中于表層土壤。

2.2 溫室栽培年限對土壤有機(jī)碳含量的影響

溫室栽培與大田栽培條件下土壤有機(jī)碳含量隨栽培年限的變化情況見圖3。在溫室栽培條件下，僅0～20 cm表層土壤的碳含量隨溫室栽培年限的增加而呈增加的趨勢；從溫室栽培1～21年的數(shù)據(jù)來看，在0～20 cm的表層土壤中，按冪函數(shù)的關(guān)系遞增，并隨著栽培年限的延長，增幅逐漸減?。▓D3，0～20 cm）。隨年限的增加，溫室栽培模式與大田栽培模式隨年限的增加均對深層土壤（20～40 cm和40～60 cm）有機(jī)碳含量的影響不明顯。

以大田土壤為對照，得出溫室栽培模式下不同深度土壤有機(jī)碳增量隨栽培年限的變化，結(jié)果見圖4。由圖4可知，0～20 cm表層土壤有機(jī)碳的增量變化呈冪函數(shù)增長，但隨年限的增加，溫室栽培模式對深層土壤（20～40 cm和40～60 cm）有機(jī)碳增量的影響較小?？梢姡瑴厥以耘鄬ν寥辣韺佑袡C(jī)碳的增加隨種植年限的增加而呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。

2.3 溫室栽培對不同類型土壤有機(jī)碳含量的影響

根據(jù)溫室和大田栽培采樣點(diǎn)的土壤類型，主要分為黃土和黑土，相較于大田栽培模式，兩類不同土壤類型土壤有機(jī)碳含量的變化量見圖5。由圖5可知，在0～20 cm土層中，黑土的土壤有機(jī)碳含量增長高于黃土；而在20～40 cm土層中，黑土的土壤有機(jī)碳含量增長明顯低于黃土；在40～60 cm土壤中的增量二者幾乎相當(dāng)。表明溫室栽培改變土壤有機(jī)碳含量的作用受到土壤類型的影響。

2.4 溫室栽培模式下不同蔬菜類型對土壤有機(jī)碳含量的影響

溫室栽培模式下不同蔬菜類型相對于大田栽培土壤有機(jī)碳含量變化的影響見圖6。由圖6可知，溫室中茄子的種植在不同土層中最有利于土壤有機(jī)碳含量的增加，在0～20 cm的表層土壤中，土壤有機(jī)碳增量達(dá)到11.6 g/kg。辣椒類蔬菜在20～40 cm和40～60 cm土層中，土壤有機(jī)碳含量的增加則僅次于茄子，而在0～20 cm土壤中則低于瓜菜類。綜合0～60 cm的土壤層中土壤有機(jī)碳含量的增加，茄子最高，其增量為6.3 g/kg，而番茄最低，僅為2.1 g/kg?？梢姡瑴厥以耘嗤寥烙袡C(jī)碳含量受栽培作物的影響。

3 小結(jié)與討論

隨著氣候變化的加劇，全球范圍內(nèi)都對土壤碳庫的研究非常重視，普遍認(rèn)為土壤是重要的碳庫，而農(nóng)業(yè)土壤碳庫又是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫中受到人為活動強(qiáng)烈干擾，且在短時間內(nèi)可以進(jìn)行人為調(diào)控的土壤碳庫[23]。因此，世界各國對農(nóng)業(yè)土壤碳庫的研究都非常重視，如歐盟、美國、加拿大和法國等都很早就開展了國家級綜合研究項目，用于分析農(nóng)業(yè)土壤的固碳能力，并在此基礎(chǔ)上明確農(nóng)業(yè)土壤固碳的途徑，為在國家層面上制定CO2排放清單及CO2減排配額提供依據(jù)。可見，研究農(nóng)業(yè)土壤固碳的潛力，特別是農(nóng)業(yè)土壤固碳的農(nóng)業(yè)操作措施能夠為國家制定相應(yīng)的碳排放政策提供理論和數(shù)據(jù)依據(jù)，并為全球氣候變化做出貢獻(xiàn)。

本研究結(jié)果表明，溫室栽培模式相對于大田露天栽培模式能夠增加土壤有機(jī)碳的含量，這可能是由于溫室栽培對土壤的操作強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于大田土壤，而這些農(nóng)事操作導(dǎo)致了土壤有機(jī)碳的增加。而可能導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量增加的農(nóng)事操作措施主要分為如下三個方面：一是直接輸入的有機(jī)質(zhì)，有研究表明，山東日光溫室有機(jī)肥用量非常高[24]，而長期大量施用有機(jī)肥能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[11，16，21，24]，從而增加土壤有機(jī)碳的含量，這一結(jié)論已經(jīng)得到王士超等[13]對溫室土壤研究的驗證與支持；二是由于連續(xù)的高強(qiáng)度栽培而導(dǎo)致的植物殘體輸入到土壤，或者是由于栽培作物類型的不同所導(dǎo)致的有機(jī)碳含量變化。郭金瑞等[10]利用玉米連作、玉米-大豆輪作、大豆連作等處理研究表明，土壤有機(jī)碳含量會隨不同作物而有顯著的不同。此研究結(jié)論在本研究中也得到進(jìn)一步的驗證，本研究中4類蔬菜類型的土壤有機(jī)碳含量增加量存在差異；三是與大量的施用化學(xué)肥料有關(guān)，無論是溫室還是露天大田栽培所施用的化肥中，氮肥施用比例占絕對的數(shù)量，而有研究表明增施氮肥能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[25]，本研究中大田土壤有機(jī)碳含量也呈現(xiàn)略微的增加趨勢，可能就是由該方面的原因所致。endprint

在本研究中，土壤有機(jī)碳含量的增量主要體現(xiàn)在0～20 cm的表層土壤，這可能與農(nóng)事操作和施肥主要集中在0～20 cm表層耕作層有關(guān)。而隨著溫室栽培年限的增加，特別是0～20 cm土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)增加的趨勢，并且有機(jī)碳的增量也呈現(xiàn)增加的趨勢，這與一些已有的研究所得出的溫室土壤養(yǎng)分的積累規(guī)律的結(jié)論是一致的[26，27]，該結(jié)論也進(jìn)一步表明，溫室栽培措施能夠提高土壤的固碳能力。

中國溫室栽培大面積的推廣，不但在解決蔬菜和水果的供應(yīng)方面具有重要的意義，而且在應(yīng)對全球氣候變化，增加土壤對碳的固持方面有著十分重要的生態(tài)意義。估算溫室栽培對增加土壤碳的固持能力有利于為政府制定碳排放計劃提供數(shù)據(jù)支撐和依據(jù)。

溫室栽培相對于大田栽培措施能夠提高土壤有機(jī)碳的含量，主要集中在0～20 cm的表層土壤，且土壤有機(jī)碳的增加隨著溫室栽培年限的延長而呈現(xiàn)積累的趨勢，同時，在溫室栽培土壤有機(jī)碳積累的過程中受栽培作物種類和當(dāng)?shù)赝寥李愋偷挠绊憽？梢?，溫室栽培的農(nóng)業(yè)栽培措施能夠顯著提高農(nóng)業(yè)土壤的固碳潛力。

參考文獻(xiàn)：

[1] LAL R. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security[J].Science，2004，304（5677）：1623-1627.

[2] POST W M，EMANUEL W R，ZINKE P J，et al. Soil carbon pools and world life zones[J].Nature，1982，298（8）：156-159.

[3] COX P M，BETTS R A，JONES C D，et al. Acceleration of global warming due to carbon-cycle feedbacks in a coupled climate model[J].Nature，2000，408（9）：184-187.

[4] FRIEDLINGSTEIN P，COX P M，BETTS R A，et al. Climate-carbon cycle feedback analysis： Results from the C4MIP model intercomparison[J].Journal of Climate，2006，19（15）：3337-3353.

[5] LAL R. Carbon management in agricultural soils[J].Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change，2007，12（2）：303-322.

[6] PAN G，SMITH P，PAN W. The role of soil organic matter in maintaining the productivity and yield stability of cereals in China[J].Agriculture，Ecosystems & Environment，2009，129：344-348.

[7] HEINZE S，RAUPP J，JOERGENSEN R G. Effects of fertilizer and spatial heterogeneity in soil pH on microbial biomass indices in a long-term field trial of organic agriculture[J].Plant and Soil，2010，328：203-215.

[8] SANTOS V B，ARAJO A S F，LEITE L F C，et al. Soil microbial biomass and organic matter fractions during transition from conventional to organic farming systems[J].Geoderma，2012， 170：227-231.

[9] 褚 慧，宗良綱，汪張懿，等.不同種植模式下菜地土壤腐殖質(zhì)組分特性的動態(tài)變化[J].土壤學(xué)報，2013，50（5）：931-939.

[10] 郭金瑞，宋振偉，彭憲現(xiàn)，等.東北黑土區(qū)長期不同種植模式下土壤碳氮特征評價[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31（6）：178-185.

[11] 李天來.設(shè)施園藝在我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中的戰(zhàn)略地位及發(fā)展方向[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，35（增刊）：1-4.

[12] 白新祿，高佳佳，陳竹君，等.新建日光溫室土壤養(yǎng)分平衡與累積特性[J].中國土壤與肥料，2014（2）：1-5.

[13] 王士超，白新祿，陳竹君，等.日光溫室土壤養(yǎng)分平衡及其累積特性[J].環(huán)境科學(xué)研究，2015，28（7）：1091-1098.

[14] 余海英，李廷軒，張錫洲.溫室栽培系統(tǒng)的養(yǎng)分平衡及土壤養(yǎng)分變化特征[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，43（3）：514-522.

[15] 閆 波，周 婷，王輝民，等.日光溫室栽培番茄鎂缺乏與土壤陽離子平衡的關(guān)系[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，49（18）：3588-3596.

[16] 李若楠，張彥才，黃紹文，等.節(jié)水控肥下有機(jī)無機(jī)肥配施對日光溫室黃瓜—番茄輪作體系土壤氮素供應(yīng)及遷移的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2013，19（3）：677-688.

[17] 俄勝哲，黃 濤，王亞男，等.渭河上游地區(qū)溫室菜地土壤肥力演變特征研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2016，34（5）：205-209.

[18] 王士超，陳竹君，蔡紅明，等.栽培年限對新建日光溫室番茄生長及土壤供氮能力的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2016，24（10）：1356-1363.

[19] 王文鋒，李春花，黃紹文，等.不同施肥模式對設(shè)施菜田土壤微生物量碳、氮的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2016，22（5）：1286-1297.

[20] 李 欣，徐 鈺，江麗華，等.不同調(diào)控措施下溫室土壤微生物多樣性變化及其對黃瓜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J].農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報，2014，31（4）：349-354.

[21] 葉 俊，王小麗，PABLO G P，等.有機(jī)和常規(guī)生產(chǎn)模式下菜田土壤酶活性差異研究[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2012，20（3）：279-284.

[22] 郭 冉，梁成華，杜立宇，等.栽培年限對日光溫室土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量與組分的影響[J].中國土壤與肥料，2013（5）：24-28.

[23] 潘根興，趙其國.我國農(nóng)田土壤碳庫演變研究：全球變化和國家糧食安全[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2005，20（4）：384-393.

[24] 曹齊衛(wèi)，張衛(wèi)華，陳 偉，等.濟(jì)南地區(qū)日光溫室養(yǎng)分投入特征和利用狀況的分析[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報，2011，24（5）：1818-1827.

[25] 董守坤，劉麗君，孫聰殊，等.氮肥施用方式對土壤有機(jī)質(zhì)與氮素含量的影響[J].大豆科學(xué)，2010，29（5）：836-839，844.

[26] 梁麗娜，李 季，楊合法，等.不同蔬菜生產(chǎn)模式對日光溫室土壤質(zhì)量的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25（8）：186-191.

[27] 劉 暢，李 季，楊合法.有機(jī)、無公害與常規(guī)蔬菜生產(chǎn)模式土壤及植株性狀比較研究初報[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2006， 14（2）：191-194.endprint