設施農業(yè)土壤有機碳影響因素的研究

于中陽，李月梅

(1.青海大學，青海 西寧 810016；2.青海大學農林科學院，青海 西寧 810016； 3.農業(yè)部西寧農業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站，青海 西寧 810016)

設施農業(yè)的廣泛應用提高了土地的利用率，是一種高度集約化方式。設施農業(yè)的應用不僅可以提高農作物的產量，對地方的經濟效益提升也有一定作用[1]。設施農業(yè)主要是通過增強對水分、光能、熱能的利用效率，可以更好地對植物生長環(huán)境進行調控，與陸地栽培相比，它是一種投資大、產量高的生產方式，可以極大幅度的提高作物的產量，從而提高經濟效益。由于設施農業(yè)的特殊性，使設施蔬菜生長的環(huán)境經常處于較為封閉的狀態(tài)，導致作物生長處于高溫高濕的環(huán)境，由于肥料的大量使用以及缺少降雨的沖洗，會影響設施大棚內土地系統的循環(huán)和開放性[2]。長時間采用設施栽培的種植方式，對土壤的理化性質、土壤內微生物的生物活性會造成一定影響，出現土壤板結現象、酸堿度偏高、土壤肥力降低、土壤內重金屬含量增多、微生物的活性降低、鹽漬化等問題，造成設施作物的產量降低，對土壤造成一定污染[3-4]。

近年來，我國的設施農業(yè)發(fā)展迅速，設施栽培廣泛應用，因此進一步研究設施栽培土壤的相關性質成為農學領域專家學者的研究熱點。土壤是植物生長的主要有機碳庫，土壤中碳的含量是大氣中碳含量的3倍，接近陸地作物中碳含量的2.5倍[5]，土壤中碳含量的通量較大，一點微小改變都會對大氣中二氧化碳的濃度產生較大影響，也會進一步對全球氣候產生影響。在陸地生態(tài)系統的碳庫組成中，土壤有機碳是重要的碳庫之一，而設施農業(yè)在陸地生態(tài)系統中扮演著重要角色，是研究有機碳庫中的一個重要環(huán)節(jié)。土壤有機碳是土壤肥力形成、糧食生產和土壤健康的基礎，適宜的土壤有機碳含量是土壤提供最佳的作物生長條件、養(yǎng)分循環(huán)以及有效水分滲入和存儲的重要前提條件[6]。根據前人研究結果，我們可以得到影響設施農業(yè)土壤有機碳的因素復雜多樣，其中，灌溉[7-8]、施肥[9]、溫度[10]等因素對設施農業(yè)土壤有機碳產生明顯影響。灌溉不僅能夠滿足作物生長發(fā)育和產量形成所需的水分，同時采用不同灌溉方式，對土壤的結構、理化性質等都會產生不同影響，一方面造成土壤有機質、微生物組成、根系生物量等發(fā)生改變[11]，同時也會導致土壤呼吸的效率產生差異[12]。施肥也是農作物增產一種重要措施，對設施生態(tài)系統具有重要影響，如通過施用有機肥能夠使設施土壤中的有機碳含量增加[13]；而且增加土壤有機碳儲量可以幫助抵消大氣中排放的溫室氣體[14]，從而緩解全球變暖。增溫也可以顯著提高土壤有機碳礦化[15-18]。本文通過對設施農業(yè)土壤有機碳影響因素的研究，以期為科學調節(jié)設施土壤質量、維護設施區(qū)域的生態(tài)環(huán)境、保障設施產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學依據和理論指導。

1 設施農業(yè)土壤有機碳影響因素

1.1 灌溉對土壤有機碳的影響

在我國，耕地大多分布在北方地區(qū)，天然降雨在數量上、時間上都不能夠滿足農作物生長發(fā)育的需求[19]。我國是世界上人口最多的發(fā)展中國家，農業(yè)的發(fā)展對我國的影響較大。灌溉在中國設施農業(yè)的發(fā)展具有重要作用。在設施農業(yè)的生產活動中，灌溉是一項重要的措施，對土壤有機碳含量會產生較大的影響[20]，同時灌溉也被認為是一種極為重要的固碳潛力的管理措施[21]。灌溉對土壤中碳的輸入、碳的輸出以及土壤中碳的整體儲存量都會產生影響[22]。設施土壤碳排放量在不同的灌溉方式下會受到不同的影響。韓廣軒等[23]研究認為灌溉這一項田間管理活動將直接或間接地改變土壤環(huán)境，從而影響土壤 CO2的排放速率。在不同灌溉方式下不同土層有機碳含量不同，如土壤層中有機碳含量，在 0-20cm土層中均高于20-40cm土層，這是由于長期施肥，特別是在大量施用有機肥后造成的[24]。不同灌溉方式會使土壤呈現出不同的土壤通氣性、不同的pH值、不同的團聚體組成、不同的水熱等條件，從而進一步影響有機質礦化和腐殖化進程[25-27]。姬景紅[28]等人主要是通過對保護地采用不同的灌溉方法對土壤有機氮組分以及土壤的剖面產生的影響進行探索研究，研究結果發(fā)現在不同灌溉處理方式下,土壤有機質、全氮含量隨土層深度的增加而降低。唐首鋒[29]等人研究了不同灌溉方法對保護地土壤總有機碳和活性有機碳的影響，結果發(fā)現，隨著土壤層的加深，土壤中的有機碳總含量和土壤中活性有機碳的總含量隨之減少。袁德玲[30]等人主要是采用不同的灌溉方式對同一個保護地進行灌溉，然后對土壤中的穩(wěn)性團聚體的變化進行研究，結果發(fā)現，與傳統溝灌進行比較,采用滴灌的方式會對0-15cm土層中土壤水穩(wěn)性團聚體的含量和大小具有明顯的提升；采用滲灌的方式主要是使15-45cm土層中土壤水穩(wěn)性團聚體的含量和大小增加；推測土壤水穩(wěn)性團聚體的含量以及土壤水穩(wěn)性團聚體的平均重量會隨著土壤中有機質含量的增加而增加；所以，結合對土壤團聚體角度的研究指出在保護地種植中應該首先選擇滴灌方式,其次選擇滲灌方式。

1.2 施肥對土壤有機碳的影響

同時我們在不同地區(qū)設施農業(yè)土壤的研究中發(fā)現，土壤鹽漬化和次生鹽漬化現象也是司空見慣[42，45，46]。在設施農業(yè)中，隨著植物種植的年數增加，設施土壤中鹽積、以及土壤次生鹽漬化的現象越來越多[42，47，48]，設施土壤中鹽分表聚的現象在0-20cm 表面土壤層產生的概率極高，而在0-5cm 的土壤層中鹽分表聚的現象十分嚴重[44]。設施土壤次生鹽漬化現象的發(fā)生，均是來受自身特殊環(huán)境和水肥管理措施的影響。當農業(yè)種植的場地由露天菜地轉為設施菜地，土壤的水分來源由原來的自然降雨狀態(tài)，轉變?yōu)榘敕忾]或封閉狀態(tài)，而由于缺少雨水淋洗，加上設施菜地的土壤水分蒸發(fā)速度快，導致了設施作物復種指數提高面對土地的施肥量大量增多，因此導致了土壤中養(yǎng)分表聚、鹽分表聚現象更加嚴重。林心雄研究表明[49]，土壤pH過低或過高都會抑制土壤中微生物的活動，結果進一步導致土壤中有機碳的分解速度明顯下降。在設施植物栽培中，我們給作物施加的氮肥、堿性肥料一般都是大于作物生長發(fā)育的所需要的實際用量，長此以往，就會造成設施土壤中的pH值不斷降低，在設施土壤微生物的作用下，土壤中含氮肥料降解成可溶性的硝酸鹽滯留在土壤中；而由于設施農業(yè)的特殊環(huán)境影響，缺少雨水沖洗，導致土壤中的可溶性硝酸鹽不能從土壤中流出，隨著時間的推移，設施土壤中的可溶性硝酸鹽累積增加，最后造成土壤酸化問題的出現。隨著土壤酸化程度的增加，設施土壤中有機碳等成分可利用率也逐漸降低，進而造成土壤中氮元素、磷元素、鉀元素等的缺失，設施土壤的酸化程度也會隨著設施土壤的使用年數逐漸增加[50]。以上這些研究結果大都是一致的，說明施肥對設施農業(yè)土壤性質會產生一定影響，進而影響土壤有機碳。

1.3 溫度對土壤有機碳的影響

眾所周知，在氣溫非常低的凍土中，有機碳的密度也很高，它的含量可以達到36.3kg/m2，但是在氣溫非常高的暖溫帶地區(qū)，土壤碳密度僅有 1.4kg/m2，為最低[51-52]。有研究結果顯示，在21世紀末，全世界的土壤都會釋放出更多的二氧化碳，其含量甚至可能達到61 Gt[53]。還有就是由于設施土壤水分含量比較高，因為設施農業(yè)環(huán)境密閉，其水分蒸發(fā)的少。根據研究結果得出，在相同深度的土層(0-20cm)中，設施農業(yè)土壤比一般露天大田土壤有效水分含量高出9.5%，比20-40cm土層有效含水量高出8.5%[53]。因此，不難得出溫度是影響土壤釋放CO2的重要因素之一。Kirschbaum[54]認為大氣溫度的升高和土壤對空氣中釋放出大量CO2有很大的關系，究其原因還是設施農業(yè)溫度增高會加快土壤有機碳的礦化，會讓土壤由碳匯不斷轉變?yōu)樘荚吹?，其風險也大大提高，這個研究充分說明土壤有機碳礦化與氣候變暖之間存在著正反饋關系。而Giardina和Ryan[55]卻認為溫度的升高并不會加快土壤有機碳的礦化，也不會影響土壤在生態(tài)系統中的碳匯作用。但是Davidson等[56]指出，溫度對土壤有機碳礦化作用的影響可能會由于土壤有機碳庫及土壤水分等其他因子的限制作用而逐漸減弱。一般情況下，溫度通過影響土壤中微生物活性和數量進而來影響土壤有機碳礦化的速率[57]，并且在一定溫度范圍內，由于設施農業(yè)土壤溫度較高，土壤微生物活性和土壤酶活性都會隨土壤溫度的升高而增強，因此土壤有機質礦化速率就會加快。

2 結語及展望

土壤是陸地生態(tài)系統最重要的碳庫。隨著全球氣候變暖，通過增加土壤有機碳來減少CO2排放成為目前最有效的措施。我國設施農業(yè)發(fā)展迅速，其獨特的性質導致土壤理化性質發(fā)生改變，目前也有很多關于此的研究。設施農業(yè)高溫且水分迅速蒸發(fā)，加速土壤有機碳的分解；其次，施肥量大也是不可忽視的重要因素。肥料讓土壤化學性質發(fā)生變化，造成土壤酸化或者鹽化，也不利于有機碳的固定與生成；最后，我國疆域遼闊，作物種植面積廣泛，不同海拔、不同方位均有涉及，不同灌溉方式也會對設施農業(yè)土壤有機碳有不同程度的影響。以上因素都會讓土壤有機碳加速分解，造成大量土壤有機碳被氧化并以CO2的形式釋放到大氣中，從而增加了溫室氣體的排放，致使全球氣候變暖。

綜上所述，灌溉方式、施肥及溫度影響土壤有機碳，他們之間相互作用，相互影響，都是通過分解土壤有機質來減少土壤有機碳。根據分析國內外的研究現狀，今后在土壤有機碳影響因素應該側重于以下幾個方面:①對設施農業(yè)土壤有機碳應該有一個更加清楚的認識，在掌握影響其因素的前提下，如何在不同區(qū)域進行有效的土壤有機碳的固定，增加土壤有機碳含量，緩解全球變暖；②近幾年的研究雖然在土壤固碳措施方面取得一些成果，但是仍不全面且有不確定性。因此，在以后的研究過程中，更加精確施肥量及施肥種類，對灌溉方式方法更加有針對性，從而增加土壤固碳能力。③根據目前的研究成果，我們不能僅僅關注設施農業(yè)土壤有機碳，還應考慮到設施農業(yè)區(qū)域環(huán)境，全面調節(jié)設施土壤質量，促使設施農業(yè)可持續(xù)發(fā)展，提供產量高且優(yōu)質作物。所以，應該進一步對設施農業(yè)土壤進行研究及保護，增加土壤有機碳的固定，減少CO2的排放，緩解全球氣候變暖，堅持讓設施農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。