溫室農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究進(jìn)展

王艷 王欣然 沈乾春 張軍瑩 王彤

摘 要：【目的】分析農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)以及溫室農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究現(xiàn)狀以及未來研究方向，以期為該領(lǐng)域的深入研究提供理論依據(jù)。【方法】通過對國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析和總結(jié)，探討了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的影響因素和研究模型并闡述了溫室大棚土壤有機(jī)碳的研究進(jìn)展。【結(jié)果】溫室氣體排放量逐年增加，劇烈影響著全球氣候變化。農(nóng)田碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫中最活躍的部分，溫室大棚作為一種人類干擾較強(qiáng)的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，探究其土壤有機(jī)碳循環(huán)，對評估該類人工生態(tài)系統(tǒng)碳平衡及其對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡貢獻(xiàn)具有重要科學(xué)意義?！窘Y(jié)論】對于溫室生態(tài)系統(tǒng)土壤碳的相關(guān)研究也必將成為今后的研究熱點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：氣候變化；土壤有機(jī)碳；溫室農(nóng)業(yè)；碳平衡

中圖分類號：X171? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2023）07-0097-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.07.020

A Review on Carbon Cycle in Greenhouse Agriculture Ecosystems

WANG Yan 1? ?WANG Xinran1? ?SHEN Qianchun 1? ?ZHANG Junying 1? ?WANG Tong 1， 2

（1. School of Energy and Environment Engineering， Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 450007， China; 2. Central Plains Environmental Protection Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China）

Abstract：[Purposes] The current status and future research directions of agroecosystem and greenhouse agroecosystem carbon cycle are analyzed to provide theoretical basis for further research in this field. [Methods] This paper analyzes and summarizes the relevant domestic and international literature， discusses the influencing factors and research models of soil organic carbon in agroecosystems and describes the research progress of soil organic carbon in greenhouse greenhouses. [Findings] With greenhouse gas emissions increasing year by year， it drastically affects global climate change. The carbon pool of agricultural land is the most active part of the carbon pool of terrestrial ecosystems， and greenhouses， as a kind of agro-ecosystem with strong human interference， are scientifically important for assessing the carbon balance of these artificial ecosystems and their contribution to the carbon balance of terrestrial ecosystems by investigating their soil organic carbon cycle. [Conclusions] Studies related to soil carbon in greenhouse ecosystems will certainly become a hot spot for future research.

Keywords：climate change; soil organic carbon; greenhouse agricultural; carbon balance

0 引言

近年來，極端氣候在全球不同區(qū)域劇烈頻發(fā)，大量研究結(jié)果證明，人類活動產(chǎn)生的巨大碳排放是氣候走向?yàn)?zāi)難性的新極端，人類已身處氣候惡化的極高風(fēng)險中，迫切需要針對氣候變化采取行動［1-2］。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫中最活躍的部分，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)也是人類活動干擾強(qiáng)度最大的生態(tài)系統(tǒng)，農(nóng)田的種植耕作、肥料的施用、作物的收獲等農(nóng)業(yè)措施，均對該生態(tài)系統(tǒng)碳收支產(chǎn)生顯著影響，因此，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳庫的源匯動態(tài)平衡一直備受生態(tài)學(xué)界關(guān)注。溫室大棚種植作為高度集約化農(nóng)業(yè)模式的典范，從20世紀(jì)70年代末發(fā)展至今，在我國種植規(guī)模迅速激增，并于短期內(nèi)種植面積躍居世界第一。目前，我國高度重視農(nóng)業(yè)發(fā)展，同時在“雙碳”目標(biāo)及綠色發(fā)展戰(zhàn)略前提下，探討農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，尤其是溫室大棚農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳平衡研究進(jìn)展，可明確該領(lǐng)域現(xiàn)狀并發(fā)現(xiàn)問題，提出后續(xù)研究展望，有利于推進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究進(jìn)程，并為全球“碳平衡”提供新的研究思路。

1 農(nóng)田土壤有機(jī)碳國內(nèi)外研究進(jìn)展

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在陸地生態(tài)碳循環(huán)中十分活躍。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，土壤碳的儲存主要包括地表以下植物有機(jī)碳庫和土壤碳有機(jī)碳庫兩種形式。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)田碳庫的微小變化均會影響到土壤肥力、微生物活性和作物產(chǎn)量［3]。農(nóng)田土壤有機(jī)碳遷移、轉(zhuǎn)化及排放受到很多因素的影響。近年來已有很多關(guān)于農(nóng)田土壤有機(jī)碳動態(tài)影響因素的研究。自然因素和人為因素被視作影響農(nóng)田碳庫來源、分布、釋放的重要因素。氣候條件和土壤的質(zhì)地與結(jié)構(gòu)以及所在區(qū)域的地形都會對農(nóng)田土壤碳儲量產(chǎn)生一定影響，土地利用方式、管理措施等人為擾動也會導(dǎo)致農(nóng)田碳儲量的變化［4-5］。

1.1 影響農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的自然因素

溫度能夠顯著影響微生物的活性，進(jìn)而改變土壤的性質(zhì)。土壤增溫并未顯著提高水稻地上生物量和根系生物量，但顯著降低了土壤有機(jī)碳和全氮含量，從而降低了土壤碳分解和氮素礦化潛力。土壤增溫顯著降低DOC濃度，顯著提高M(jìn)BC濃度，從而降低農(nóng)田土壤SOC的損失［6］。在西班牙的研究中表明，土壤有機(jī)質(zhì)SOM分子組成隨環(huán)境因素的變化而有系統(tǒng)的變化，氣候、作物種類和土壤基質(zhì)都會對SOM含量產(chǎn)生一定的影響，其中以氣候?qū)OM的影響最大［7］。土壤干濕程度也會影響有機(jī)碳分解過程和土壤結(jié)構(gòu)，從而影響土壤有機(jī)碳動態(tài)變化［8］。此外，土壤有機(jī)質(zhì)的總量也會對土壤碳匯有一定影響，砂質(zhì)土壤有機(jī)質(zhì)含量多，這是由于黏土礦物閉蓄土壤有機(jī)質(zhì)，從而使微生物的礦化分解作用減弱［9］。在我國西北地區(qū)，坡耕地退耕后土壤有機(jī)碳對該地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性發(fā)展至關(guān)重要，Han等［10］探討黃土高原土壤有機(jī)碳的演變規(guī)律，結(jié)果表明在梯田種植初期土壤有機(jī)碳濃度顯著增加，在經(jīng)過長時間的耕種之后，整個梯田的有機(jī)碳含量顯著上升，10年梯田土壤有機(jī)碳和濃度超過當(dāng)?shù)仄赂厮?，土壤有機(jī)碳量與總氮、黏土和酶活性呈正相關(guān)關(guān)系，與土壤容重、土壤酸堿度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。農(nóng)田通過植物固定把碳固定在土壤中，這對于土壤肥力也有一定的影響［11］。

1.2 影響農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的人為因素

施肥是影響土壤有機(jī)碳庫最重要的因素，肥料可以改變微生物活性，加快土壤有機(jī)質(zhì)的分解。人為耕作能顯著破壞土壤結(jié)構(gòu)，加速有機(jī)碳礦化分解的過程，從而改變土壤SOC的垂直分布［12］。薄晶晶等［13］通過長期研究不同肥料對土壤溫室氣體排放量的影響，結(jié)果表明，肥料的分解是CO2、N2O等溫室氣體的主要來源。此外，不同的肥料對不同的溫室氣體排放的影響也不同，且各試驗(yàn)處理方法對農(nóng)田有機(jī)碳含量影響不大。Chen等［14］通過對生物炭的相關(guān)方向的研究指出，生物炭化肥的施用會影響土壤有機(jī)碳的礦化分解作用，從而影響農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量分布，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程。土壤有機(jī)碳基團(tuán)也對農(nóng)田土壤有機(jī)碳產(chǎn)生影響。Kubar等［15］通過長期的對土壤基團(tuán)的研究表明，秸稈還田后，增加了大團(tuán)聚體土壤的SOC含量，有助于大團(tuán)聚體中儲存更多的有機(jī)質(zhì)，SOC化學(xué)成分與團(tuán)聚體C組分呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)。不同土地利用方式同樣對土壤有機(jī)碳變化影響顯著。Luo等［16］通過對土地利用方式變化中一些元素、微粒的變化進(jìn)行研究，結(jié)果表明，測量SOC組成并考慮特定餾分的穩(wěn)定和去穩(wěn)定過程，是有效SOC管理和可靠SOC預(yù)測的關(guān)鍵。人類農(nóng)業(yè)活動和人為擾動具有獨(dú)特的“碳足跡”，保護(hù)性耕地能增加土壤中有機(jī)碳的含量［17］。Lembaid等［18］發(fā)現(xiàn)，通過免耕和施用有機(jī)肥能顯著提高半干旱地區(qū)土壤有機(jī)碳的含量，而增加或減少有機(jī)肥料的用量卻對有機(jī)碳含量影響微乎其微。在非洲一些地區(qū)，農(nóng)田土壤有機(jī)碳（SOC）和土壤酸堿度的空間分布是土壤肥力的重要影響因素，特別是對于表層土壤（0～20 cm）的影響相較深層土壤影響更大［19］，而農(nóng)田平均人口的密度即農(nóng)田種植密度也與土壤肥力呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系［20］。

1.3 土壤有機(jī)碳變化的模型研究

以戰(zhàn)略和空間為目標(biāo)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可以實(shí)現(xiàn)溫室氣體排放的政策目標(biāo)，通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)預(yù)測模擬農(nóng)田有機(jī)碳庫動態(tài)也是重要的研究方向。Bortolon ［21］等通過CENTURY模型模擬巴西南部和中北部的農(nóng)田有機(jī)碳含量和土壤有機(jī)碳動態(tài)，模擬預(yù)測效果與土地類型有密切關(guān)系。趙雅雯［22］利用修正Roth C 模型研究了作物殘體對農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量的影響。王金州［23］通過Roth C模型模擬我國旱地玉米在不同種植模式下農(nóng)田土壤有機(jī)碳的動態(tài)變化。通過模型的建立，可以更加精準(zhǔn)的模擬農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中元素的動態(tài)變化，可以通過時間橫向、縱向?qū)Ρ群皖A(yù)測農(nóng)田有機(jī)碳匯，進(jìn)一步為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)，農(nóng)田模型也能對土壤中的重金屬展開模擬以保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)健康穩(wěn)定的推進(jìn)。

2 溫室大棚土壤有機(jī)碳的研究進(jìn)展

溫室生態(tài)系統(tǒng)作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的一個重要的分支，近年來逐漸受到人們的關(guān)注。溫室農(nóng)業(yè)的發(fā)展給人們?nèi)粘Ｉ钐峁┝吮憷?。?0世紀(jì)60年代開始，西方發(fā)達(dá)國家溫室設(shè)施迅速發(fā)展，從而促使溫室農(nóng)業(yè)快速發(fā)展［24］。我國溫室農(nóng)業(yè)始于20世紀(jì)70年代，伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，市場對于蔬菜的需求量和品質(zhì)要求也越來越高，溫室農(nóng)業(yè)在我國發(fā)展迅猛，種植面積在世界后來居上，目前，我國塑料蔬菜大棚面積以占全球90%的比重躍居世界第一。

溫室種植可為植物提供較為穩(wěn)定的生長環(huán)境，因其弱化了自然環(huán)境對作物栽培的限制而在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域迅速推廣，但其高產(chǎn)量、高輸入、高輸出、高復(fù)種指數(shù)的特點(diǎn)，對于種植土壤干擾較大，同樣引起了相關(guān)領(lǐng)域研究者關(guān)注。溫室土壤肥力是需要考慮的首要問題，這關(guān)系到溫室蔬菜水果的產(chǎn)量和其所帶來的經(jīng)濟(jì)效益。土壤有機(jī)碳則是反映土壤肥力的重要指標(biāo)，且關(guān)系溫室生態(tài)系統(tǒng)碳平衡，在目前全球氣候變化多端的背景下，研究溫室農(nóng)田土壤有機(jī)碳動態(tài)意義重大。西班牙研究人員根據(jù)溫室農(nóng)業(yè)不同的土壤管理實(shí)踐，探討溫室土壤微生物群落對植物生產(chǎn)力的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，微生物的存在對溫室土壤有機(jī)質(zhì)含量有一定的影響，溫室土壤微生物群落對集約化溫室農(nóng)業(yè)的作物生產(chǎn)有積極的影響［25］。此外，溫室土壤施用化肥提高了土壤中銅、鎳、鉛、鋅的有效性積累，施用有機(jī)肥則明顯提高了溫室土壤鎳、鋅的積累和有效性［26］。李亞娟等［27］和Wang等［28］通過比較溫室栽培模式與大田種植模式土壤有機(jī)碳的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)溫室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［29］。在農(nóng)田改為溫室之后，隨著種植年限的延長，溫室土壤有機(jī)碳量得到一定程度的積累［30-31］，土壤內(nèi)微生物的數(shù)量也顯著上升并且溫室的環(huán)境相對于農(nóng)田種植更有助于土壤養(yǎng)分的積累［32］。張宇浩等[33]對不同種植年限的溫室土壤研究，同樣得出了隨著日光節(jié)能溫室栽培年限的增加，溫室土壤總有機(jī)碳的含量逐漸增加的結(jié)論。溫室大棚的種植年限是一個重要的影響因素，種植年限會促使土壤的相關(guān)性質(zhì)、土壤養(yǎng)分等產(chǎn)生較大的波動［34］。此外，溫室土壤微生物的種類和活性會對施肥的效果產(chǎn)生一定的影響［35］。溫濕度、施肥、作物類型等土壤的理化性質(zhì)對于溫室土壤有機(jī)碳、溫室微生物的影響還有待進(jìn)一步研究。Xue等［36］通過對溫室土壤有機(jī)質(zhì)影響因素的深入研究，得出結(jié)論：溫室土壤重金屬污染會顯著影響溫室土壤有機(jī)質(zhì)的含量，同時也會改變土壤的結(jié)構(gòu)，影響土壤的理化性質(zhì)。過量施用會導(dǎo)致重金屬生物有效性增加，土壤生物學(xué)特性下降，而生物炭與肥料共同施用對溫室土壤酶活性和重金屬生物有效性的影響往往被忽視。該研究為單位面積肥料的合理施用量提供了理論依據(jù)。Wang等［37］通過對低分子有機(jī)碳量的長期研究，發(fā)現(xiàn)溫室低分子有機(jī)碳量對有機(jī)碳和蔬菜等作物之間的相互移動作用不顯著。

3 展望

人類活動導(dǎo)致全球碳排放量逐年增加，溫室效應(yīng)加劇。極端氣候頻發(fā)，減少溫室氣體排放刻不容緩。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)“減源增匯”效應(yīng)已持續(xù)受到研究關(guān)注，溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作為農(nóng)業(yè)種植的重要模式之一，其高強(qiáng)度的人為擾動下碳元素在溫室生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán)流動路徑，以及定量評估中國溫室農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳排放，是我們丞須解決的科學(xué)問題。未來針對溫室農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)路徑、系統(tǒng)內(nèi)碳淋溶下滲路徑、淋溶損失碳的溯源、淋溶碳損失的影響因素，以及在我國土壤重金屬污染嚴(yán)重的態(tài)勢下，系統(tǒng)內(nèi)重金屬與土壤碳的響應(yīng)關(guān)系等問題均是本領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)，必將成為新的研究方向。

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