设施农业土壤有机碳影响因素的研究

于中阳，李月梅

(1.青海大学，青海 西宁 810016；2.青海大学农林科学院，青海 西宁 810016； 3.农业部西宁农业环境科学观测实验站，青海 西宁 810016)

设施农业的广泛应用提高了土地的利用率，是一种高度集约化方式。设施农业的应用不仅可以提高农作物的产量，对地方的经济效益提升也有一定作用[1]。设施农业主要是通过增强对水分、光能、热能的利用效率，可以更好地对植物生长环境进行调控，与陆地栽培相比，它是一种投资大、产量高的生产方式，可以极大幅度的提高作物的产量，从而提高经济效益。由于设施农业的特殊性，使设施蔬菜生长的环境经常处于较为封闭的状态，导致作物生长处于高温高湿的环境，由于肥料的大量使用以及缺少降雨的冲洗，会影响设施大棚内土地系统的循环和开放性[2]。长时间采用设施栽培的种植方式，对土壤的理化性质、土壤内微生物的生物活性会造成一定影响，出现土壤板结现象、酸碱度偏高、土壤肥力降低、土壤内重金属含量增多、微生物的活性降低、盐渍化等问题，造成设施作物的产量降低，对土壤造成一定污染[3-4]。

近年来，我国的设施农业发展迅速，设施栽培广泛应用，因此进一步研究设施栽培土壤的相关性质成为农学领域专家学者的研究热点。土壤是植物生长的主要有机碳库，土壤中碳的含量是大气中碳含量的3倍，接近陆地作物中碳含量的2.5倍[5]，土壤中碳含量的通量较大，一点微小改变都会对大气中二氧化碳的浓度产生较大影响，也会进一步对全球气候产生影响。在陆地生态系统的碳库组成中，土壤有机碳是重要的碳库之一，而设施农业在陆地生态系统中扮演着重要角色，是研究有机碳库中的一个重要环节。土壤有机碳是土壤肥力形成、粮食生产和土壤健康的基础，适宜的土壤有机碳含量是土壤提供最佳的作物生长条件、养分循环以及有效水分渗入和存储的重要前提条件[6]。根据前人研究结果，我们可以得到影响设施农业土壤有机碳的因素复杂多样，其中，灌溉[7-8]、施肥[9]、温度[10]等因素对设施农业土壤有机碳产生明显影响。灌溉不仅能够满足作物生长发育和产量形成所需的水分，同时采用不同灌溉方式，对土壤的结构、理化性质等都会产生不同影响，一方面造成土壤有机质、微生物组成、根系生物量等发生改变[11]，同时也会导致土壤呼吸的效率产生差异[12]。施肥也是农作物增产一种重要措施，对设施生态系统具有重要影响，如通过施用有机肥能够使设施土壤中的有机碳含量增加[13]；而且增加土壤有机碳储量可以帮助抵消大气中排放的温室气体[14]，从而缓解全球变暖。增温也可以显著提高土壤有机碳矿化[15-18]。本文通过对设施农业土壤有机碳影响因素的研究，以期为科学调节设施土壤质量、维护设施区域的生态环境、保障设施产业的可持续发展提供科学依据和理论指导。

1 设施农业土壤有机碳影响因素

1.1 灌溉对土壤有机碳的影响

在我国，耕地大多分布在北方地区，天然降雨在数量上、时间上都不能够满足农作物生长发育的需求[19]。我国是世界上人口最多的发展中国家，农业的发展对我国的影响较大。灌溉在中国设施农业的发展具有重要作用。在设施农业的生产活动中，灌溉是一项重要的措施，对土壤有机碳含量会产生较大的影响[20]，同时灌溉也被认为是一种极为重要的固碳潜力的管理措施[21]。灌溉对土壤中碳的输入、碳的输出以及土壤中碳的整体储存量都会产生影响[22]。设施土壤碳排放量在不同的灌溉方式下会受到不同的影响。韩广轩等[23]研究认为灌溉这一项田间管理活动将直接或间接地改变土壤环境，从而影响土壤 CO2的排放速率。在不同灌溉方式下不同土层有机碳含量不同，如土壤层中有机碳含量，在 0-20cm土层中均高于20-40cm土层，这是由于长期施肥，特别是在大量施用有机肥后造成的[24]。不同灌溉方式会使土壤呈现出不同的土壤通气性、不同的pH值、不同的团聚体组成、不同的水热等条件，从而进一步影响有机质矿化和腐殖化进程[25-27]。姬景红[28]等人主要是通过对保护地采用不同的灌溉方法对土壤有机氮组分以及土壤的剖面产生的影响进行探索研究，研究结果发现在不同灌溉处理方式下,土壤有机质、全氮含量随土层深度的增加而降低。唐首锋[29]等人研究了不同灌溉方法对保护地土壤总有机碳和活性有机碳的影响，结果发现，随着土壤层的加深，土壤中的有机碳总含量和土壤中活性有机碳的总含量随之减少。袁德玲[30]等人主要是采用不同的灌溉方式对同一个保护地进行灌溉，然后对土壤中的稳性团聚体的变化进行研究，结果发现，与传统沟灌进行比较,采用滴灌的方式会对0-15cm土层中土壤水稳性团聚体的含量和大小具有明显的提升；采用渗灌的方式主要是使15-45cm土层中土壤水稳性团聚体的含量和大小增加；推测土壤水稳性团聚体的含量以及土壤水稳性团聚体的平均重量会随着土壤中有机质含量的增加而增加；所以，结合对土壤团聚体角度的研究指出在保护地种植中应该首先选择滴灌方式,其次选择渗灌方式。

1.2 施肥对土壤有机碳的影响

同时我们在不同地区设施农业土壤的研究中发现，土壤盐渍化和次生盐渍化现象也是司空见惯[42，45，46]。在设施农业中，随着植物种植的年数增加，设施土壤中盐积、以及土壤次生盐渍化的现象越来越多[42，47，48]，设施土壤中盐分表聚的现象在0-20cm 表面土壤层产生的概率极高，而在0-5cm 的土壤层中盐分表聚的现象十分严重[44]。设施土壤次生盐渍化现象的发生，均是来受自身特殊环境和水肥管理措施的影响。当农业种植的场地由露天菜地转为设施菜地，土壤的水分来源由原来的自然降雨状态，转变为半封闭或封闭状态，而由于缺少雨水淋洗，加上设施菜地的土壤水分蒸发速度快，导致了设施作物复种指数提高面对土地的施肥量大量增多，因此导致了土壤中养分表聚、盐分表聚现象更加严重。林心雄研究表明[49]，土壤pH过低或过高都会抑制土壤中微生物的活动，结果进一步导致土壤中有机碳的分解速度明显下降。在设施植物栽培中，我们给作物施加的氮肥、碱性肥料一般都是大于作物生长发育的所需要的实际用量，长此以往，就会造成设施土壤中的pH值不断降低，在设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盐滞留在土壤中；而由于设施农业的特殊环境影响，缺少雨水冲洗，导致土壤中的可溶性硝酸盐不能从土壤中流出，随着时间的推移，设施土壤中的可溶性硝酸盐累积增加，最后造成土壤酸化问题的出现。随着土壤酸化程度的增加，设施土壤中有机碳等成分可利用率也逐渐降低，进而造成土壤中氮元素、磷元素、钾元素等的缺失，设施土壤的酸化程度也会随着设施土壤的使用年数逐渐增加[50]。以上这些研究结果大都是一致的，说明施肥对设施农业土壤性质会产生一定影响，进而影响土壤有机碳。

1.3 温度对土壤有机碳的影响

众所周知，在气温非常低的冻土中，有机碳的密度也很高，它的含量可以达到36.3kg/m2，但是在气温非常高的暖温带地区，土壤碳密度仅有 1.4kg/m2，为最低[51-52]。有研究结果显示，在21世纪末，全世界的土壤都会释放出更多的二氧化碳，其含量甚至可能达到61 Gt[53]。还有就是由于设施土壤水分含量比较高，因为设施农业环境密闭，其水分蒸发的少。根据研究结果得出，在相同深度的土层(0-20cm)中，设施农业土壤比一般露天大田土壤有效水分含量高出9.5%，比20-40cm土层有效含水量高出8.5%[53]。因此，不难得出温度是影响土壤释放CO2的重要因素之一。Kirschbaum[54]认为大气温度的升高和土壤对空气中释放出大量CO2有很大的关系，究其原因还是设施农业温度增高会加快土壤有机碳的矿化，会让土壤由碳汇不断转变为碳源的，其风险也大大提高，这个研究充分说明土壤有机碳矿化与气候变暖之间存在着正反馈关系。而Giardina和Ryan[55]却认为温度的升高并不会加快土壤有机碳的矿化，也不会影响土壤在生态系统中的碳汇作用。但是Davidson等[56]指出，温度对土壤有机碳矿化作用的影响可能会由于土壤有机碳库及土壤水分等其他因子的限制作用而逐渐减弱。一般情况下，温度通过影响土壤中微生物活性和数量进而来影响土壤有机碳矿化的速率[57]，并且在一定温度范围内，由于设施农业土壤温度较高，土壤微生物活性和土壤酶活性都会随土壤温度的升高而增强，因此土壤有机质矿化速率就会加快。

2 结语及展望

土壤是陆地生态系统最重要的碳库。随着全球气候变暖，通过增加土壤有机碳来减少CO2排放成为目前最有效的措施。我国设施农业发展迅速，其独特的性质导致土壤理化性质发生改变，目前也有很多关于此的研究。设施农业高温且水分迅速蒸发，加速土壤有机碳的分解；其次，施肥量大也是不可忽视的重要因素。肥料让土壤化学性质发生变化，造成土壤酸化或者盐化，也不利于有机碳的固定与生成；最后，我国疆域辽阔，作物种植面积广泛，不同海拔、不同方位均有涉及，不同灌溉方式也会对设施农业土壤有机碳有不同程度的影响。以上因素都会让土壤有机碳加速分解，造成大量土壤有机碳被氧化并以CO2的形式释放到大气中，从而增加了温室气体的排放，致使全球气候变暖。

综上所述，灌溉方式、施肥及温度影响土壤有机碳，他们之间相互作用，相互影响，都是通过分解土壤有机质来减少土壤有机碳。根据分析国内外的研究现状，今后在土壤有机碳影响因素应该侧重于以下几个方面:①对设施农业土壤有机碳应该有一个更加清楚的认识，在掌握影响其因素的前提下，如何在不同区域进行有效的土壤有机碳的固定，增加土壤有机碳含量，缓解全球变暖；②近几年的研究虽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确定性。因此，在以后的研究过程中，更加精确施肥量及施肥种类，对灌溉方式方法更加有针对性，从而增加土壤固碳能力。③根据目前的研究成果，我们不能仅仅关注设施农业土壤有机碳，还应考虑到设施农业区域环境，全面调节设施土壤质量，促使设施农业可持续发展，提供产量高且优质作物。所以，应该进一步对设施农业土壤进行研究及保护，增加土壤有机碳的固定，减少CO2的排放，缓解全球气候变暖，坚持让设施农业可持续发展。