温室大棚土壤有机碳研究进展

王欣然 王 艳* 沈乾春 张军莹 王 彤，2

（1中原工学院能源与环境学院，河南郑州 450007；2中原环保股份有限公司，河南郑州 450000）

自工业革命以来，全球经济迅速发展，温室气体排放量逐年升高。温室气体的排放带来了全球气候变暖问题，自然灾害频发使得全球经济出现波动。全球平均气温升高导致冰川融化、海平面上升[1]，另外，冰川中存在大量的细菌和人类病原体，一旦冰川融化，这些病毒将会潜伏于人类的生态系统中[2]，从而对人类构成极大威胁。大气中的CO2、CH4和N2O是温室气体中的重要组成部分，其中CO2是导致全球变暖的最主要原因。人类生产、生活所产生的CO2在碳库中循环[3]，温室气体的不断增加使得自然生态系统碳循环的负荷不断增大。其中，人为因素产生的碳排放，除了工业生产所带来的气体排放，还有人为耕作带来的碳损失，农田碳库占到全球陆地碳库的10%以上，是全球土壤碳中最为活跃的部分[4]。土壤有机碳是影响土壤肥力的核心，同时也是作物高产稳产的关键[5]。近几年来，随着科学技术的发展，通过改变和人为控制气候创造日光温室环境来提高蔬菜的品质、产量，不仅满足了新鲜蔬菜的供应需求，更在寒冷的冬季解决了北方蔬菜的供应问题。研究表明，在温室大棚内通过人为的施肥浇灌，碳、氮、磷等有机肥在土壤中的含量得以增长[6]。

通过人为干预建造温室大棚可以有效增加蔬果的产量、质量，但大量有机肥和化肥的施用加上人工浇灌的方式，会导致土壤中的有机质通过淋溶的方式渗入深层土壤甚至流入地下水，继而造成土壤碳损失，土壤有机质逐年流失从而导致耕作层土壤肥力逐年下降，下渗的水流流入地下水后进入大气碳循环造成土壤碳损失。灌溉土壤的水流下渗，在带走土壤可溶性有机碳的同时，还使得土壤中的重金属迁移[7]，向深层土壤移动，最后渗入地下水中造成水体污染[8]。通过淋溶迁移而产生的碳损失在土壤碳循环中占有多大的比重，碳损失的来源是哪里，现存的研究结果并没有指出这一点。综上所述，探究土壤溶解性有机碳的迁移过程对于今后土壤有机碳的研究有着重大意义，同时通过同位素技术来寻找碳损失的来源，可为今后如何进行土壤固碳提供更好的解决办法和思路。

1 碳排放

碳是农业的基本组成部分，其在作物的生长、发展、营养循环、土壤肥力质量等方面发挥着重要作用。越来越多的证据表明，世界气候正在发生变化，二氧化碳等温室气体的增加，导致自然灾害频发，全球气候变暖带来的变化影响着全球经济发展。人类活动对化石能源消耗和生产活动产生的温室气体排放是全球变暖的主要原因。大气中CO2、CH4和N2O是最重要的温室气体，对温室效应的贡献率占近80.0%。土壤是大气中主要温室气体重要的源和汇，土地利用方式的不同和改变，将会导致土壤内部环境及其理化性质发生改变，从而影响土壤中温室气体的产生与排放[9]。据第二次全国土壤普查统计，全球有1 500～2 000 Pg 的碳以有机碳的形式储存于土壤中，约为陆地植被碳库的2.5 倍，土壤对大气CO2的贡献是燃烧化石燃料的10倍[10]。由于自然因素和人类活动，农田中储存的碳的数量和质量经常变化。这些频繁的变化不仅影响到土壤肥力，而且影响到大气中的CO2浓度，对气候变化产生直接影响[11]。

2 土壤碳库

一般来说，全球有5个主要的碳库，最大的是海洋碳库，其次是地质碳库，分别由煤炭、石油与天然气组成，第三大碳库是陆地碳库，包括土壤和植被。其中土壤有机碳（SOC）库1 550 Gt，土壤无机碳（SIC）库750 Gt。估计植被库和陆地碳库分别为560、2 860 Pg。大气中的碳库为760 Gt，正在以平均每年3.2 Gt的速度迅速上升。土壤的碳库是巨大的和动态的，土壤碳的变化会对大气中的CO2水平产生重大影响。土壤碳指的是土壤的全球固体陆地物质，包括SOC、SIC 2个部分。土壤作为一个碳汇，其在生物地球化学、减缓气候变化和建立全球气候模型方面发挥着内在的功能[12]。

相比于森林、草原和湿地等自然生态系统，农田土壤生态系统是最为活跃的。在人工干预和自然环境的条件下，农田土壤碳库正持续不断地发生变化。金琳等[13]研究表明，不同的耕作和施肥方式都会对农田土壤碳产生不一样的变化，可见农田土壤碳受人为干预的影响较大。正因为农田土壤碳可受人为控制，可以通过耕作管理方式来进行固碳。石岳峰等[14]研究表明，保护性耕作或者免耕、秸秆还田等管理措施可以有效增加土壤碳汇，减少农田CO2排放。

土壤碳库比陆地生态系统的生物碳库大3倍左右，是大气碳库的2倍。因此，土壤有机碳库是陆地生态系统中全球碳循环研究的一个热点，也是全球变化研究的一个重要组成部分。根据现有研究，中国的土壤有机碳为80～90 Pg，约为全球有机碳库的5.0%。中国表层土壤有机碳库的规模为38～40 Pg，约占中国土壤有机碳库的42.2%～47.5%[15]。土壤碳库中的碳汇和碳源的作用是相互关联的，土壤碳库在减少碳排放和缓解全球气候变化中发挥着重要作用。

3 农田生态系统土壤碳

河南省作为农业大省，在2020年通过净碳汇法得出河南省农田生态系统净碳汇值为354.01×104tC，碳吸收明显大于碳排放[16]。农田生态系统的主要碳库包括植被碳库和土壤碳库，在农田生态系统中，土壤呼吸作用是决定农田生态系统碳平衡的关键因子。土壤呼吸以植物根系呼吸和土壤微生物呼吸为主。固定在土壤中的碳可以为农作物提供养分，但通过矿化作用输出到大气中的CO2则会对环境造成一定的影响，造成气候升温等现象。大量化肥的使用也会导致土壤碳的流失与重金属的累积[17]。农田土壤碳库是陆地生态系统中最活跃和最有影响力的碳库之一，约占全球陆地系统碳积累的10.0%。农业土壤碳估计占中国储存的有机碳的14.4%～16.2%，研究表明，自1980 年以来，中国土壤的有机碳含量稳步上升，表明中国农业土壤具有巨大的碳储存潜力[18]。

土壤有机碳还影响土壤的物理、化学和生物特性，从而构成了农田土壤肥力、作物高产和稳产以及可持续农业的基础，因而需要更多地关注农田土壤有机碳的变化及其影响因素的研究。耕作方式和种植制度的不同会影响土壤有机碳含量的变化[19]，Heinze 等[20]通过27 年的长期田间定位研究表明，实施管理的有机农田土壤有机碳含量显著高于仅施用化肥的农田土壤。Santos 等[21]研究了由传统农业转化为有机农业后，土壤有机碳含量的变化，结果表明，在0～5 cm和5～10 cm的土层中，有机农业土壤有机碳显著提高，分别是传统农业土壤有机碳含量的3.9、3.3 倍，而在10～15 cm 和15～20 cm 的土壤层中，有机碳增加则不显著。褚慧等[22]研究了有机农业与传统农业对土壤有机碳的影响，结果表明，有机农业土壤有机碳显著增加，而传统农业变化则不显著。在设施农业中，通过调控温度，人为灌溉和施肥等管理可以有效提高土壤碳含量[23]。我国耕地土壤有机碳含量低于世界平均值的30.0%以上，甚至低于欧洲50.0%以上[24]。综上所述，我国农业土壤具有相当巨大的固碳减排潜力。

作为陆地生态系统的重要组成部分，农业生态系统与陆地生态系统中碳循环的稳定运行有关。据估计，每年有5.0%～20.0%的CO2、15.0%～30.0%的CH4和80.0%～90.0%的N2O 由土壤产生，其中农业排放相当于7.9%，CH4和N2O 分别占40.9%、71.6%[25]。因此，限制农业生态系统的碳排放对于改善全球环境和确保高价值农业用地的环境安全至关重要。

4 温室大棚

随着现代农业的迅速发展，设施农业越来越受到人们的重视，温室栽培作为蔬菜生产的一种形式，具有特殊的发展前景。20世纪下半叶，全球温室面积达到60.0 万hm2，1980 年全球蔬菜生产的温室面积达到16.5 万hm2[26]。目前，全球设施农业发展迅速，荷兰、以色列、日本和美国的发展更为突出。在荷兰玻璃温室是主流，温室面积为11 000.0 hm2，其中4 700.0 hm2用于蔬菜生产。以色列开发了适合沙漠地区的太阳能温室，面积约为5 000.0 hm2，日本2006年用于草莓生产的温室面积为6 790.0 hm2，美国用于无土蔬菜生产的温室面积超过2 000.0 hm2，是世界上主要的温室种植国家之一。

温室栽培是一种高度技术化、密集化和现代化的农业生产形式，其在现代农业发展中发挥着重要作用，它通过环境控制适应作物栽培，在一定程度上不受自然环境的制约，可以实现全年生产和季节性的对比生产。此外，温室作物种植的高土地使用强度导致土壤性质的变化正受到越来越多的关注[27]。王士超等[28]研究表明，温室栽培后，土壤养分氮、磷、钾累积量显著增加。王士超等[29]也指出温室栽培导致土壤供氮能力显著提高，且与温室栽培年限呈正相关。李亚娟等[30]在寿光生产聚集区的试验表明，温室栽培模式对比于大田露天栽培模式能够增加土壤有机碳的含量，这也表明温室大棚的种植方式能够提高土壤的固碳能力。

由于现代农业耕作施用大量有机肥和化肥，部分养分随着灌溉的水分向底层土壤流动[31]，使得有机质流失，造成资源的浪费。其中碳是植物生长的来源，有机肥的添加是温室大棚的主要碳源，王艳丹[32]在茶园的淋溶试验表明，0～20 cm 土壤层总有机碳淋溶迁移通量最大，表层土壤碳向下迁移，造成土壤碳损失。我国的温室生态产业起步不久，很多管理方式尚未规范，存在大量化肥盲目施用的问题，据统计，我国农田的化肥利用率分别为氮30%～60%、磷2%～25%、钾30%～60%[33]。同时，养分的流失不仅会带来资源的浪费还会使得重金属及部分氮、磷、碳等元素流入地下水造成水污染问题[34-35]。温室生态系统中通过淋溶迁移所损失的可溶性有机碳的数量虽然有限，但对于提升整个温室生态系统的固碳减排还是十分重要的。

目前，对于我国温室生态系统土壤可溶性有机碳的相关研究较少，大部分研究是针对传统农业或设施农业中有机质、氮以及磷等的研究。这些研究往往忽视了土壤碳淋溶对温室生态系统带来的影响以及可溶性有机碳在土壤中的迁移过程。

5 同位素溯源

自然界中已知的碳（C）同位素有7 种（10C、11C、12C、13C、14C、15C 和16C），其中2 种（12C 和13C）为稳定碳同位素。稳定同位素的使用应有助于确定参与土壤碳通量的土壤生物群的关键群体，并对这些碳通量进行量化，然后将其隐含在用于预测气候变化的全球循环模型中。碳同位素技术在研究土壤有机质的来源、动态转化与稳定性等方面具有高度的专一性和灵敏度[36]，且标记方法比较成熟，已被广泛地应用到生态学研究中[37]。土壤碳储存是全球碳循环的核心，其对气候变化有反馈作用。在过去的几年里，人们越来越意识到需要解决对土壤生态系统缺乏了解的问题，特别是在生物多样性和土壤过程方面，这导致了大型多学科研究计划的建立。碳同位素技术是一种比较成熟的技术手段，常被用在多个方面的研究：①将不同的土壤生物群与特定的土壤过程联系起来[38]；②量化植物-土壤碳通量[39-40]；③全面评估受污染场地的有机污染物的生物降解情况[41]；④不同碳库之间碳循环的碳通量[42]；⑤测定土壤碳的含量与状态、来源与动态变化[43-44]。

碳同位素12C、13C 和14C 的比例在自然材料中是不同的[45]，可以通过使用自然丰度或标记方法来追踪环境中的碳[46]。研究环境中碳同位素的自然丰度，特别是13C（也包括14C），以及使用稳定碳同位素示踪剂已被证明对调查土壤碳循环和土壤营养关系非常有用。自然丰度技术[47]利用了这样一个事实，即环境中不同的碳库可以有不同的碳同位素比例[48]。自然丰度方法的主要优点是可以直接对试验现场收集的样品进行研究[49]，但是所讨论的碳库之间必须有明显和一致的差异。在许多方面，标记方法比使用自然丰度的差异更大，因为除了有机物外，许多感兴趣的碳库都可以被标记来进行研究。13C和14C 同位素示踪方法为研究不同时间尺度的土壤有机碳动态过程提供了一个强有力的工具，常被用来示踪土壤有机碳的来源和周转过程[50]。

稳定同位素在探究碳循环和土壤碳的来源与转化的过程研究中起到十分重要的作用[51]。同位素示踪技术可以应用于营养元素和有毒有害元素在土壤-水-大气-生物中的迁移、转换[52]、累积规律以及土壤的侵蚀、污染历史等方面的研究。廖宇琴等[53]在重庆市的研究中通过测定稳定性同位素组成（δ13CSOC）得到重庆市农田表层土壤碳主要受碳源的影响，中底层主要是通过土壤碳循环变化。李杨梅等[54]通过测定稳定性同位素的组成得知，土壤中有有机碳转化为无机碳的占比和含量以及土壤固定CO2的来源及其比例含量。

稳定同位素是今后生态领域发展不可或缺的技术支持。通过同位素测定的方法可以测定生态系统变化时的土壤有机质的变化过程[55]，还可以用于水域生态系统中食物网结构的研究[56]，也是探究生态系统固碳[57]的重要途径。对于温室生态系统，也可以应用同位素技术来探究土壤中可溶性淋溶碳的迁移方向和来源，从而更好地对温室生态系统的固碳减排做出策略。

6 展望

当前，稳定碳同位素技术已被广泛应用于土壤有机质转化、土壤碳源和影响因素等方面的研究。中国农业土壤的碳同位素研究大多集中在植物C3和C4同位素碳、土壤CO2和土壤有机碳同位素组成得测量和分析上，而极少有利用同位素技术对土壤有机碳来源组成进行系统的研究。中国是农业大国，农耕范围较广，随着科技的发展，温室大棚等设施农业能够摆脱季节的约束，利用相关技术调节温度、湿度和光照时长来增加农作物的产量和质量。在温室生态系统中，化肥等营养物质使用较多，通过灌溉使得化肥中的营养物质通过淋溶进行迁移，不仅降低了化肥的利用效率，还使得土壤中原有的土壤碳迁移到了下层土壤，使得土壤中0～20 cm的耕作层无法有效利用这部分损失的碳。淋溶效应损失的碳迁移到了下层土壤，不仅造成农作物利用上的损失，还有可能使其中的碳通过水的不断渗透进入地下水，减少土壤的碳固定。《联合国气候变化框架公约》第21 次缔约方大会宣布启动“千分之四全球土壤增碳计划”，旨在通过增加SOC含量实现保障粮食安全与减缓气候变化双重目标，利用同位素技术可以有效追踪流失碳的组成，在温室生态系统这样人为干预较大的环境中，通过不同的措施来减少碳流失，使土壤中的碳得以更好的固定。