設(shè)施耕作促進(jìn)農(nóng)田土壤有機(jī)碳礦化

陶寶先，張保華，董 杰，劉晨陽

設(shè)施耕作促進(jìn)農(nóng)田土壤有機(jī)碳礦化

陶寶先1，張保華2，董 杰1，劉晨陽1

（1.聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，山東 聊城 252059；2.聊城大學(xué)科學(xué)技術(shù)處，山東 聊城 252059）

為研究土地利用方式變化與溫度對土壤有機(jī)碳礦化的交互作用，利用室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，研究了壽光市農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地及設(shè)施菜地荒廢與增溫對土壤有機(jī)碳礦化的交互作用。結(jié)果表明：增溫顯著促進(jìn)土壤有機(jī)碳礦化（P＜0.01），農(nóng)田、設(shè)施菜地及荒廢設(shè)施菜地土壤有機(jī)碳累積礦化量分別增加56.08%、42.32%和42.36%。農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地顯著促進(jìn)土壤有機(jī)碳礦化（P＜0.05），設(shè)施菜地有機(jī)碳累積礦化量分別增加185.81%（25℃）、160.61%（35℃）。相同增溫條件對設(shè)施菜地土壤有機(jī)碳累積礦化量的促進(jìn)作用明顯高于農(nóng)田，這主要是因?yàn)樵O(shè)施菜地土壤有機(jī)碳易分解組分的溫度敏感性系數(shù)（Q10=1.79）明顯高于農(nóng)田（Q10=1.37），且設(shè)施菜地土壤顆粒有機(jī)碳含量明顯高于農(nóng)田造成的。設(shè)施菜地荒廢后，交互作用變?yōu)榧雍托?yīng)，因其土壤有機(jī)碳易分解組分的溫度敏感性系數(shù)（Q10=1.41）與農(nóng)田無差異。綜上所述，設(shè)施耕作顯著促進(jìn)土壤有機(jī)碳礦化，其中增溫與農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地對土壤有機(jī)碳礦化的交互作用為正效應(yīng)。因此，利用單因素之和評估多因素對土壤有機(jī)碳礦化的綜合影響可能會(huì)低估其影響水平。

設(shè)施菜地；土壤有機(jī)碳；溫度敏感性（Q10）；交互作用；壽光市

農(nóng)業(yè)土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的碳庫[1]，呼吸作用是土壤向大氣排放CO2的重要過程[2]，其排放約占人為源排放溫室氣體的10%～12%[3]。因此，農(nóng)業(yè)土壤碳庫的變化將對全球變化產(chǎn)生較大影響[2]。農(nóng)業(yè)耕作措施是影響農(nóng)業(yè)土壤碳排放過程的重要因素[4]。其中，灌溉[5－6]、施肥[7]、溫度[8]等因素均對農(nóng)業(yè)土壤碳排放過程產(chǎn)生明顯影響。一般認(rèn)為，可以通過溫度敏感性系數(shù)（Q10）反映土壤有機(jī)碳礦化對溫度的響應(yīng)[8]。早期研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)碳難分解組分的礦化對溫度無響應(yīng)[9]，但也有研究表明，有機(jī)碳難分解組分與易分解組分礦化具有相似的Q10值[10]，或有機(jī)碳難分解組分礦化的Q10值大于易分解碳組分[11]。而且，不同利用方式顯著影響土壤碳組分[12]。因此，不同利用方式土壤碳排放過程對溫度的響應(yīng)可能不同[13]。

設(shè)施栽培是我國蔬菜重要生產(chǎn)方式之一，傳統(tǒng)農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地后土壤有機(jī)碳含量發(fā)生顯著變化[9，15]。此外，設(shè)施菜地獨(dú)特的耕作措施導(dǎo)致其土壤具有高溫、高濕及高施肥量等新特點(diǎn)[9]。因此，相對于傳統(tǒng)農(nóng)田，設(shè)施菜地獨(dú)特的耕作措施及其導(dǎo)致的土壤環(huán)境條件變化，可能對土壤碳排放過程產(chǎn)生重要影響。目前，針對農(nóng)業(yè)土壤碳排放過程的研究主要集中在小麥、玉米、棉花等作物類型[5－6，16]，對農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地及設(shè)施菜地荒廢后土壤有機(jī)碳礦化的變化特征研究仍不充分。

為了明確設(shè)施耕作對土壤碳排放過程的影響，本文以壽光市為例，利用室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)（400 d），研究土地利用方式變化（即農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地及設(shè)施菜地荒廢）與溫度對土壤有機(jī)碳礦化的交互作用，以期明確土地利用方式變化與溫度對土壤碳排放過程的綜合影響，為設(shè)施菜地土壤CO2減排提供依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

壽光市位于山東半島北部，屬暖溫帶季風(fēng)性大陸氣候，該區(qū)年均降水量594 mm，年均氣溫12.7℃。農(nóng)田為玉米－冬小麥輪作，耕作過程中主要施加復(fù)合肥，年均施肥量（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）為 1.13 t·hm－2[17]。農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地前，其基本理化性質(zhì)具有相似性[18]。設(shè)施蔬菜以黃瓜、番茄、辣椒等輪作為主，復(fù)種指數(shù)較高，種植方式與管理具有較大相似性，施肥類型包括有機(jī)肥及復(fù)合肥。有機(jī)肥（雞糞為主）年均施用量為207.2 t·hm－2（鮮質(zhì)量），復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）年均施用量為 10.6 t·hm－2[15]。設(shè)施菜地荒廢后去除上覆保溫措施、撂荒。

1.2 樣品采集與測試

選取農(nóng)田（對照）、種植6 a設(shè)施菜地及荒廢12 a設(shè)施菜地為研究對象。上述3類樣地在空間上相鄰，均處于500 m×500 m的范圍內(nèi)。農(nóng)田選擇3個(gè)20 m×20 m的樣方，設(shè)施菜地及荒廢設(shè)施菜地每類樣地選擇3個(gè)相鄰的大棚。在上述各樣方或大棚內(nèi)，按“S”形布點(diǎn)、采集10個(gè)土樣（0～20 cm）、混勻。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)手工去除根系、石塊及土壤動(dòng)物等。一部分樣品風(fēng)干、研磨、過2 mm篩，并取部分過2 mm篩的風(fēng)干土繼續(xù)研磨、過0.15 mm篩，采用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機(jī)碳含量，開氏法測定全氮含量，比重計(jì)法測定土壤機(jī)械組成（2～0.05、0.05～0.002 mm、＜0.002 mm），烘干法測定土壤含水率，濕篩法分離大團(tuán)聚體（2～0.25 mm）并測定其有機(jī)碳含量，電位法測定土壤pH[19]；取部分過2 mm篩風(fēng)干土樣提取土壤顆粒碳（POM）[20]，采用重鉻酸鉀容量法測定其有機(jī)碳含量[21]；采用Rey等[21]的方法測試土壤最大持水量（WHC）。另一部分新鮮土樣4℃冷藏，用于培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。土壤理化性質(zhì)見表1。

1.3 室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

將50 g（干質(zhì)量）新鮮土樣置于500 mL廣口瓶內(nèi)，調(diào)節(jié)土壤含水率至60%WHC，隨即稱量。將廣口瓶分別置于25、35℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)400 d。每個(gè)處理 3 個(gè)重復(fù)。培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的第 1、7、14、21、28、42、56、70、84、112、148、168、196、286、400 d 取樣。取樣前，將廣口瓶通風(fēng)、用背景空氣置換瓶內(nèi)氣體，然后用帶三通的膠塞將廣口瓶密封，密封0、24 h用帶三通的注射器分別抽取20 mL瓶內(nèi)氣體，用氣相色譜（Aglient 7890A，美國）測定樣品CO2濃度，并根據(jù)前、后兩次樣品CO2濃度差，計(jì)算土壤有機(jī)碳礦化速率。采樣結(jié)束后去掉膠塞，將瓶口用多層紗布罩住，即保證瓶內(nèi)空氣流通，又減緩瓶內(nèi)水分損耗。每隔2～3 d采用稱量法補(bǔ)充土壤水分，使土樣保持相對恒定的含水率。

表1 土壤理化性質(zhì)Table 1 Basic characteristics of soil samples from the research sites

土壤有機(jī)碳礦化的溫度敏感性系數(shù)（Q10）采用Fissore等[22]提出的方法計(jì)算，具體如下：

式中：LIT1代表 35℃；LIT2代表 25℃；R1代表 35℃時(shí)的CO2排放量；R2代表25℃時(shí)的CO2排放量。

土壤有機(jī)碳易分解、難分解組分的Q10根據(jù)Conant等[23]提出的方法計(jì)算：首先，將土樣的培養(yǎng)時(shí)間延長至各處理的土壤有機(jī)碳累積礦化量均超過其土壤有機(jī)碳含量的7%。其次，選擇適當(dāng)函數(shù)擬合培養(yǎng)時(shí)間及其對應(yīng)的土壤有機(jī)碳累積礦化量的關(guān)系。再次，根據(jù)所得函數(shù)計(jì)算參數(shù)T1、T2及Q10，具體如下：

式中：當(dāng)Q10代表土壤有機(jī)碳易分解組分的溫度敏感性系數(shù)時(shí)，T1、T2分別代表為25、35℃條件下，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)開始至有機(jī)碳累積礦化量為土壤有機(jī)碳含量的1%時(shí)所需的時(shí)間；當(dāng)Q10代表土壤有機(jī)碳難分解組分的溫度敏感性系數(shù)時(shí)，T1、T2分別代表在25、35℃條件下，有機(jī)碳累積礦化量為土壤有機(jī)碳含量的6%～7%時(shí)所需的時(shí)間。

1.4 交互作用類型的確定

交互作用類型的確定參照如下方法[24]，并進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整：25℃條件下農(nóng)田土壤有機(jī)碳累積礦化量定為A0；增溫（25℃升至35℃）對農(nóng)田土壤有機(jī)碳累積礦化量的促進(jìn)作用定義為T0；25℃條件下，設(shè)施菜地（或荒廢設(shè)施菜地）與農(nóng)田累積礦化量的差值定義為A1，代表農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地（或荒廢設(shè)施菜地）后對土壤有機(jī)碳礦化的影響；增溫與農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地（或荒廢設(shè)施菜地）對土壤有機(jī)碳礦化交互作用的理論值為B0，B0=A0+T0+A1。35℃條件下，設(shè)施菜地（或荒廢設(shè)施菜地）土壤有機(jī)碳累積礦化量代表增溫與農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地（或荒廢設(shè)施菜地）對土壤有機(jī)碳礦化交互作用的實(shí)測值（B1）。（1）當(dāng)B0顯著大于B1（P＜0.05），交互作用類型為負(fù)效應(yīng)（Antagonistic effect），表明單因素影響之和大于實(shí)際交互作用。（2）當(dāng)B0顯著小于B1（P＜0.05），交互作用類型為正效應(yīng)（Synergistic effect），表明單因素影響之和小于實(shí)際交互作用；（3）當(dāng) B0與 B1無明顯差異（P＞0.05），交互作用類型為加和效應(yīng)（Additive effect），即單因素影響之和等于實(shí)際交互作用。

1.5 數(shù)據(jù)處理

土壤理化性質(zhì)、有機(jī)碳累積礦化量及Q10值在不同樣地類型間的差異采用單因素方差分析（LSD法）。土地利用方式及培養(yǎng)溫度對土壤有機(jī)碳累積礦化量的交互影響采用雙因素方差分析。有機(jī)碳累積礦化量與各因素相關(guān)性采用Pearson相關(guān)分析。統(tǒng)計(jì)顯著水平ɑ=0.05。采用SPSS 13.0軟件統(tǒng)計(jì)分析相關(guān)數(shù)據(jù)。采用Origin 8.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)

由表1可知，設(shè)施菜地土壤有機(jī)碳、全氮、大團(tuán)聚體及其有機(jī)碳含量、顆粒有機(jī)碳含量顯著高于農(nóng)田（P＜0.05），分別為農(nóng)田的 1.96、3.50、3.09、1.41、3.47倍。設(shè)施菜地荒廢后土壤有機(jī)碳及全氮含量降至農(nóng)田水平，但大團(tuán)聚體及其顆粒有機(jī)碳含量仍顯著高于農(nóng)田（P＜0.05）。

2.2 土壤有機(jī)碳累積礦化量

由圖1可知，25℃和35℃條件下，設(shè)施菜地、荒廢設(shè)施菜地和農(nóng)田的土壤有機(jī)碳累積礦化量分別為4.23±0.08、2.29±0.07、1.48±0.08 g·kg－1和 6.02±0.21、3.26±0.24、2.31±0.15 g·kg－1。增溫使農(nóng)田、設(shè)施菜地及荒廢設(shè)施菜地土壤有機(jī)碳累積礦化量分別增加56.08%、42.32%、42.36%（P＜0.01）。農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地加快土壤有機(jī)碳礦化（圖2，P＜0.05），其有機(jī)碳累積礦化量分別增加了185.81%（25℃）、160.61%（35℃）。設(shè)施菜地荒廢后土壤有機(jī)碳礦化速率明顯下降，但仍高于農(nóng)田（P＜0.05）?；膹U設(shè)施菜地土壤有機(jī)碳累積礦化量較農(nóng)田分別增加了54.73%（25℃）、41.13%（35℃）。由表2可知，土壤有機(jī)碳累積礦化量分別與土壤有機(jī)碳、全氮、大團(tuán)聚體有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳含量及pH呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。

圖1 研究區(qū)土壤有機(jī)碳累積礦化量Figure 1 Cumulative decomposition of soil organic carbon

圖2 研究區(qū)土壤有機(jī)碳礦化速率Figure 2 Rate of soil organic carbon decomposition

2.3 土壤有機(jī)碳礦化溫度敏感性系數(shù)（Q10）

由圖3可知，農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地及設(shè)施菜地荒廢后，土壤有機(jī)碳礦化及有機(jī)碳難分解組分礦化的Q10值均顯著降低（P＜0.05）。農(nóng)田、設(shè)施菜地及荒廢設(shè)施菜地土壤有機(jī)碳礦化的Q10均值分別為1.56、1.42、1.43，土壤有機(jī)碳難分解組分礦化的Q10均值分別為2.04、1.42、1.37。然而，農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地后，土壤有機(jī)碳易分解組分礦化的Q10值明顯升高（P＜0.05），農(nóng)田、設(shè)施菜地及荒廢設(shè)施菜地土壤有機(jī)碳易分解組分礦化的Q10均值分別為1.37、1.79、1.41，表明農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地增強(qiáng)土壤有機(jī)碳易分解組分礦化對溫度的響應(yīng)程度。

圖3 土壤有機(jī)碳礦化溫度敏感性系數(shù)（Q10）值Figure 3 Q10value of soil organic carbon decomposition

2.4 土地利用方式與溫度對土壤有機(jī)碳礦化的交互作用

土地利用方式與溫度對土壤有機(jī)碳累積礦化量有明顯交互作用（P＜0.001，表3）。由圖4可知，農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地與增溫對土壤有機(jī)碳礦化交互作用的理論值小于實(shí)測值（P＜0.05），表明交互作用的類型為正效應(yīng)，即農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地與增溫對土壤有機(jī)碳礦化的交互作用明顯大于兩因素單獨(dú)影響之和（P＜0.05）。然而設(shè)施菜地荒廢后與增溫對土壤有機(jī)碳礦化交互作用的理論值與實(shí)測值無顯著差異，故產(chǎn)生加和效應(yīng)。

表2 土壤有機(jī)碳累積礦化量與環(huán)境因子間相關(guān)分析結(jié)果Table 2 The Pearson′s relationships between cumulative SOC decomposition and environment factors

表3 土地利用方式與培養(yǎng)溫度對土壤有機(jī)碳礦化的雙因素方差分析結(jié)果Table 3 Two－way ANOVA analysis

圖4 土地利用方式與培養(yǎng)溫度對土壤有機(jī)碳礦化交互作用的理論與實(shí)測值Figure 4 Theoretical and experimental values for cumulative SOC decomposition

3 討論

3.1 土地利用方式及溫度對土壤有機(jī)碳礦化的影響

耕作措施是影響農(nóng)業(yè)土壤碳排放的重要因素。其中，施用有機(jī)肥[7]及氮肥[25]顯著促進(jìn)土壤碳排放。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，好氣條件下農(nóng)業(yè)土壤大團(tuán)聚體有機(jī)碳累積礦化量明顯大于其他粒級團(tuán)聚體，表明大團(tuán)聚體有機(jī)碳是農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳礦化的主要貢獻(xiàn)者[26]。相比傳統(tǒng)農(nóng)田（如冬小麥－玉米輪作），設(shè)施菜地種植過程中施用大量有機(jī)肥（以禽畜糞便為主）及氮肥[7，15，17]，設(shè)施菜地荒廢后停止施肥，致使土壤有機(jī)碳、大團(tuán)聚體有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳及全氮含量隨土地利用方式變化呈先升后降趨勢（P＜0.05，表1）；且上述指標(biāo)分別與土壤有機(jī)碳累積礦化量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01，表2）。表明施肥是導(dǎo)致研究區(qū)不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳累積礦化量改變的主要原因（圖1）。此外，有研究表明，傳統(tǒng)農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地顯著增加土壤磷脂脂肪酸（PLFA）總量及土壤細(xì)菌數(shù)量[9，27]，且有機(jī)肥配施氮肥為設(shè)施菜地土壤微生物創(chuàng)造較適宜生存環(huán)境，使其保持較高的群落功能多樣性和碳源利用能力[28]。據(jù)此推測，研究區(qū)設(shè)施菜地有機(jī)肥配施復(fù)合肥增加了土壤微生物生物量，提高土壤微生物群落功能多樣性及其對碳源的利用能力，加速土壤有機(jī)碳礦化。

增溫顯著提高土壤有機(jī)碳礦化（P＜0.05，圖1和圖2），這與大多數(shù)研究的結(jié)論相似[9－12]。升溫10℃后，農(nóng)田、設(shè)施菜地及荒廢設(shè)施菜地土壤有機(jī)碳累積礦化量分別為增溫前的1.56、1.42、1.42倍，這與土壤有機(jī)碳礦化及難分解有機(jī)碳組分礦化溫度敏感性系數(shù)（Q10）的變化趨勢相同，即農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地后，土壤有機(jī)碳礦化的溫度敏感性有所下降（圖3）。研究發(fā)現(xiàn)，土壤碳排放的Q10值隨著溫度升高而下降，因?yàn)槲⑸飳^高溫度條件有所適應(yīng)[29]。相對于傳統(tǒng)農(nóng)田，研究區(qū)設(shè)施菜地的保溫措施使其土壤溫度高于農(nóng)田[9]。設(shè)施菜地土壤微生物對較高的土壤溫度條件具有一定適應(yīng)性，升溫雖能促進(jìn)設(shè)施土壤碳排放，但其增幅較農(nóng)田有所下降，導(dǎo)致Q10值低于農(nóng)田。設(shè)施菜地種植過程中施用的有機(jī)肥以禽畜糞便為主[9，18，20]，其中含有較多的易分解有機(jī)碳組成（表1），且農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地后土壤有機(jī)碳易分解組分的Q10值明顯升高（P＜0.05，圖3）。意味著設(shè)施菜地高溫、持續(xù)且大量施加有機(jī)肥等將加速土壤有機(jī)碳易分解組分的礦化，導(dǎo)致設(shè)施菜地土壤有機(jī)碳累積礦化量明顯大于農(nóng)田。

3.2 土地利用方式與溫度對土壤有機(jī)碳礦化的交互作用

土地利用方式變化及增溫對土壤有機(jī)碳礦化有明顯交互作用（表3），且交互作用的類型存在差異（圖4）。農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地及增溫對土壤有機(jī)碳礦化的交互作用類型為正效應(yīng)。本研究區(qū)農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地后土壤有機(jī)碳易分解組分的Q10值升高。表明相同增溫條件下，設(shè)施菜地土壤有機(jī)碳易分解組分礦化速率提升幅度大于農(nóng)田，且設(shè)施菜地土壤顆粒有機(jī)碳含量高于農(nóng)田（表1）。因此，相同增溫條件下，設(shè)施菜地土壤有機(jī)碳累積礦化量平均增幅（1.79 g·kg－1）大于農(nóng)田（0.83 g·kg－1），產(chǎn)生正效應(yīng)。然而，設(shè)施菜地荒廢后土壤有機(jī)碳易分解組分的Q10值較農(nóng)田無顯著變化（圖3），因此交互作用類型變?yōu)榧雍托?yīng)（圖4）。說明不同土地利用方式土壤有機(jī)碳易分解組分Q10值的變化是引起交互作用類型改變的主要原因。此外，近期研究發(fā)現(xiàn)，增溫與施用氮肥對土壤碳排放產(chǎn)生非加和效應(yīng)[30]。增溫促進(jìn)土壤氮礦化，該內(nèi)源氮的釋放對土壤有機(jī)碳礦化產(chǎn)生進(jìn)一步的影響，使溫度和施用氮素對土壤有機(jī)碳礦化的交互作用為非加和效應(yīng)[16]。設(shè)施菜地種植過程中施加大量有機(jī)肥[14-15，17]，增溫可以大幅促進(jìn)設(shè)施菜地土壤氮素礦化，增加土壤內(nèi)源氮釋放。且土壤氮含量與有機(jī)碳累積礦化量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（表2），土壤內(nèi)源氮釋放能進(jìn)一步促進(jìn)土壤有機(jī)碳礦化，產(chǎn)生正效應(yīng)。然而，設(shè)施菜地荒廢后停止施肥，增溫對土壤內(nèi)源氮素礦化的促進(jìn)作用不足以顯著影響土壤有機(jī)碳礦化，故產(chǎn)生加和效應(yīng)。

土壤碳排放過程是各影響因素綜合作用的結(jié)果，以往的研究多側(cè)重各因素對土壤碳排放過程的單獨(dú)影響[5-6，8，14]。本研究發(fā)現(xiàn)，增溫與農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地對土壤碳排放過程的綜合影響大于單因素影響之和。如果利用單因素對土壤碳排放影響之和預(yù)測多因素的交互作用，可能低估土壤碳排放水平。因此，今后應(yīng)注重多因素對土壤碳排放過程的交互作用研究，以深入認(rèn)識各因素對土壤碳排放過程的綜合影響。

4 結(jié)論

（1）農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地后，土壤有機(jī)碳累積礦化顯著增加。設(shè)施菜地荒廢12 a后，土壤有機(jī)碳累積礦化量雖顯著下降，但仍大于農(nóng)田。

（2）增溫顯著促進(jìn)土壤有機(jī)碳礦化。農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地后，土壤有機(jī)碳及其難分解組分礦化的Q10值顯著降低。但有機(jī)碳易分解組分的Q10值卻顯著增加，加速設(shè)施菜地土壤有機(jī)碳易分解組分的礦化。

（3）由于農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地后有機(jī)碳易分解組分的Q10值明顯增加，農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地與增溫對土壤有機(jī)碳礦化交互作用類型為正效應(yīng)。然而，設(shè)施菜地荒廢后土壤有機(jī)碳易分解組分的Q10值較農(nóng)田無顯著變化，故交互作用類型變?yōu)榧雍托?yīng)。因此，應(yīng)加強(qiáng)多因素對土壤碳排放過程的交互作用研究。

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

[2]IPCC.The Physical Science Basis-Working Group I Contribution to IPCCFourthAssessmentReport[R].Landon：CambridgeUniversityPress,2007.

[3]Smith P,Martino D,Cai Z C,et al.Greenhouse gas mitigation in agriculture[J].Philosophical Transactions of the Royal Society B,2008,363（1492）：789-813.

[4]Eagle A J,Olander L P.Greenhouse gas mitigation with agricultural land management activities in the United States：A side-by-side comparison of biophysical potential[J].Advances in Agronomy,2012,115：79-179.

[5]張前兵,楊 玲,王 進(jìn),等.干旱區(qū)不同灌溉方式及施肥措施對棉田土壤呼吸及各組分貢獻(xiàn)的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,45（12）：2420-2430.

ZHANG Qian-bing,YANG Ling,WANG Jin,et al.Effects of different irrigation methods and fertilization measures on soil respiration and its component contributions in cotton field in arid region[J].Scientia Agricultura Sinica,2012,45（12）：2420-2430.

[6]Yan Z F,Liu C X,Todd-Brown K E,et al.Pore-scale investigation on the response of heterotrophic respiration to moisture conditions in heterogeneous soils[J].Biogeochemistry,2016,131：121-134.

[7]臧逸飛,郝明德,張麗瓊,等.26年長期施肥對土壤微生物量碳、氮及土壤呼吸的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35（5）：1445-1451.

ZANG Yi-fei,HAO Ming-de,ZHANG Li-qiong,et al.Effects of wheat cultivation and fertilization on soil microbial biomass carbon,soil microbial biomass nitrogen and soil basal respiration in 26 years[J].Acta Ecologica Sinica,2015,35（5）：1445-1451.

[8]Lavoie M,Mack M C,Schuur E A G.Effects of elevated nitrogen and temperature on carbon and nitrogen dynamics in Alaskan arctic and boreal soils[J].Journal of Geophysical Research,2011,116（G3）：130-137.

[9]Giardina C P,Ryan M G.Evidence that decomposition rates of organic carbon in mineral soil do not vary with temperature[J].Nature,2000,404（6780）：858-861.

[10]Fang C M,Smith P,Moncrieff J B,et al.Similar response of labile and resistant soil organic matter pools to changes in temperature[J].Nature,2005,433（7021）：57-59.

[11]Vanhala P,Karhu K,Tuomi M,et al.Old soil carbon is more temperature sensitive than the young in an agricultural field[J].Soil Biology&Biochemistry,2007,39：2967-2970.

[12]張曉東,李 東,張 峰.新疆艾比湖地區(qū)不同土地利用類型土壤養(yǎng)分及活性有機(jī)碳組分研究[J].水土保持研究,2017,24（5）：55-62.

ZHANG Xiao-dong,LI Dong,ZHANG Feng.Variation of soil nutrients and soil active organic carbon under different land use patterns in Aibinur Lake region of Xinjiang[J].Research of Soil and Water Conservation,2017,24（5）：55-62.

[13]Arevalo C B M,Chang S X,Bhatti J S,et al.Mineralization potential and temperature sensitivity of soil organic carbon under different land uses in the parkland region of Albera,Canada[J].Soil Science Society of America Journal,2012,76（1）：241-251.

[14]高新昊,張英鵬,劉兆輝,等.種植年限對壽光設(shè)施大棚土壤生態(tài)環(huán)境的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35（5）：1452-1459.

GAO Xin-hao,ZHANG Ying-peng,LIU Zhao-hui,et al.Effects of cultivating years on soil ecological environment in greenhouse of Shouguang City,Shandong[J].Acta Ecologica Sinica,2015,35（5）：1452-1459.

[15]曾希柏,白玲玉,蘇世鳴,等.山東壽光不同種植年限設(shè)施土壤的酸化與鹽漬化[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2010,30（7）：1853-1859.

ZENG Xi-bai,BAI Ling-yu,SU Shi-ming,et al.Acidification and salinization in greenhouse soil of different cultivating years from Shouguang City,Shandong Province[J].Acta Ecologica Sinica,2010,30（7）：1853-1859.

[16]趙亞麗,薛志偉,郭海斌,等.耕作方式與秸稈還田對土壤呼吸的影響及機(jī)理[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014,30（19）：155-165.

ZHAO Ya-li,XUE Zhi-wei,GUO Hai-bin,et al.Effects of tillage and crop residue management on soil respiration and its mechanisms[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2014,30（19）：155-165.

[17]曾希柏,白玲玉,李蓮芳,等.山東壽光不同利用方式下農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀狀況及其變化[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2009,29（7）：3737-3746.

ZENG Xi-bai,BAI Ling-yu,LI Lian-fang,et al.The status and changes of organic matter,nitrogen,phosphorus and potassium under different soil using styles of Shouguang of Shandong Province[J].Acta Ecologica Sinica,2009,29（7）：3737-3746.

[18]山東土壤肥料工作站.壽光土壤[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社,1994：166-411.

Shandong Workstation of Soil and Fertilizer.Shandong soils[M].Beijing：Agricultural Press,1994：166-411.

[19]魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社,2000：12-288.

LU Ru-kun.Analytical methods for soil and agro-chemistry[M].Beijing：China Agricultural Science and Technology Press,2000：12-288.

[20]Cambardella C A,Elliott E T.Particulate soil organic-matter changes across a grassland cultivation sequence[J].Soil Science Society of America Journal,1992,56（3）：777-783.

[21]Rey A,Petsikos C,Jarvis P G,et al.Effect of temperature and moisture on rates of carbon mineralization in a Mediterranean oak forest soil under controlled and field conditions[J].European Journal of Soil Science,2005,56（5）：589-599.

[22]Fissore C,Giardina C P,Kolka R K,et al.Soil organic carbon quality in forested mineral wetlands at different mean annual temperature[J].Soil Biology&Biochemistry,2009,41（3）：458-466.

[23]Conant R T,Drijber R A,Haddix M L,et al.Sensitivity of organic matter decomposition to warming varies with its quality[J].Global Change Biology,2008,14（4）：868-877.

[24]Tao B X,Song C C,Guo Y D.Short-term effects of nitrogen additions and increased temperature on wetland soil respiration,Sanjiang Plain,China[J].Wetlands,2013,33（4）：727-736.

[25]Huang Z Q,Clinton P W,Baisden W T,et al.Long-term nitrogen additions increased surface soil carbon concentration in a forest plantation despite elevated decomposition[J].Soil Biology&Biochemistry,2011,43：302-307.

[26]郝瑞軍,李忠佩,車玉萍,等.好氣與淹水條件下水稻土各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳礦化量[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2008,19（9）：1944-1950.

HAO Rui-jun,LI Zhong-pei,CHE Yu-ping,et al.Organic carbon mineralization in various size aggregates of paddy soil under aerobic and submerged conditions[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2008,19（9）：1944-1950.

[27]宋蒙亞,李忠佩,吳 萌,等.不同種植年限設(shè)施菜地土壤微生物量和群落結(jié)構(gòu)的差異[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,48（28）：3635-3644.

SONG Meng-ya,LI Zhong-pei,WU Meng,et al.Changes in soil microbial biomass and community structure with cultivation chronosequence of greenhouse vegetables[J].Scientia Agricultura Sinica,2015,48（28）：3635-3644.

[28]李 猛,張恩平,張淑紅,等.長期不同施肥設(shè)施菜地土壤酶活性與微生物碳源利用特征比較[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2017,23（1）：44-53.

LI Meng,ZHANG En-ping,ZHANG Shu-hong,et al.Nutrient budget and soil nutrient status in greenhouse system[J].Journal of Plant Nutrition and Fertilizer,2017,23（1）：44-53.

[29]Luo Y Q,Wan S Q,Hui D F,et al.Acclimatization of soil respiration to warming in a tall grass prairie[J].Nature,2001,413：622-625.

[30]Hu Y W,Zhang L,Deng B L,et al.The non-additive effects of temperature and nitrogen deposition on CO2emissions,nitrification,and nitrogen mineralization in soils mixed with termite nests[J].Catena,2017,154：12-20.

Effect of greenhouse cultivation on the decomposition of organic carbon in agricultural soils

TAO Bao－xian1,ZHANG Bao－h(huán)ua2,DONG Jie1,LIU Chen－yang1
（1.College of Environment and Planing,Liaocheng University,Liaocheng 252059,China;2.Department of Science and Technology,Liaocheng University,Liaocheng 252059,China）

An incubation experiment was conducted to investigate the interactive effect of temperature and land use change,either from farmland（FL）to greenhouse soil（GH） or in abandoned greenhouse soil（AG）,on the decomposition of soil organic carbon（SOC） in Shouguang City.Temperature increased the cumulative SOC decomposition by 56.08%,42.32%,and 42.36%in the FL,GH,and AG,respectively（P＜0.01）.Land use change from FL to GH significantly enhanced SOC decomposition（P＜0.05）,and the cumulative SOC decomposition of the GH increased by 185.81%at 25℃and by 160.61%at 35℃.The positive effect of temperature on SOC decomposition was greater in the GH than in the FL,possibly owing to the GH′s larger Q10value of the labile SOC fractions（Q10=1.79 vs.Q10=1.37）and the larger concentration of particulate organic carbon.The interactive effect of temperature and land use change from FL to AG was additive,owing to the similar labile SOC Q10values of the two land use types（Q10=1.41）.In general,the GH exhibited greater cumulative SOC decomposition than the FL,and the combination of temperature and land use change（from FL to GH）produced a synergistic effect on SOC decomposition.Therefore,the interactive of land use change and temperature on SOC decomposition may be underestimated based on the separate effects of each factor.

greenhouse soil;soil organic carbon;temperature sensitivity（Q10）;interactive effect;Shouguang City

2017－08－28 錄用日期：2017－11－27

陶寶先（1981—），男，山東淄博人，講師，主要從事土壤碳氮循環(huán)研究。E－mail：taobaoxian@sina.com

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（41501099）；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2014DQ015，ZR2016DM14）；聊城大學(xué)基金項(xiàng)目（318051430）

Project supported：The Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China（41501099）；Natural Science Foundation of Shandong Province（ZR2014DQ015，ZR2016DM14）；Natural Science Foundation of Liaocheng University（318051430）

S153.6

A

1672－2043（2017）12－2486－07

10.11654/jaes.2017－1171

陶寶先，張保華，董 杰，等.設(shè)施耕作促進(jìn)農(nóng)田土壤有機(jī)碳礦化[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36（12）：2486－2492.

TAO Bao－xian,ZHANG Bao－h(huán)ua,DONG Jie,et al.Effect of greenhouse cultivation on the decomposition of organic carbon in agricultural soils[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（12）:2486－2492.