温室农业生态系统碳循环研究进展

王艳 王欣然 沈乾春 张军莹 王彤

摘 要：【目的】分析农业生态系统以及温室农业生态系统碳循环研究现状以及未来研究方向，以期为该领域的深入研究提供理论依据。【方法】通过对国内外相关文献进行分析和总结，探讨了农业生态系统土壤有机碳的影响因素和研究模型并阐述了温室大棚土壤有机碳的研究进展。【结果】温室气体排放量逐年增加，剧烈影响着全球气候变化。农田碳库是陆地生态系统碳库中最活跃的部分，温室大棚作为一种人类干扰较强的农业生态系统，探究其土壤有机碳循环，对评估该类人工生态系统碳平衡及其对陆地生态系统碳平衡贡献具有重要科学意义。【结论】对于温室生态系统土壤碳的相关研究也必将成为今后的研究热点。

关键词：气候变化；土壤有机碳；温室农业；碳平衡

中图分类号：X171      文献标志码：A     文章编号：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，极端气候在全球不同区域剧烈频发，大量研究结果证明，人类活动产生的巨大碳排放是气候走向灾难性的新极端，人类已身处气候恶化的极高风险中，迫切需要针对气候变化采取行动［1-2］。农业生态系统土壤碳库是陆地生态系统碳库中最活跃的部分，农业生态系统也是人类活动干扰强度最大的生态系统，农田的种植耕作、肥料的施用、作物的收获等农业措施，均对该生态系统碳收支产生显著影响，因此，农业生态系统碳库的源汇动态平衡一直备受生态学界关注。温室大棚种植作为高度集约化农业模式的典范，从20世纪70年代末发展至今，在我国种植规模迅速激增，并于短期内种植面积跃居世界第一。目前，我国高度重视农业发展，同时在“双碳”目标及绿色发展战略前提下，探讨农业生态系统，尤其是温室大棚农业生态系统碳平衡研究进展，可明确该领域现状并发现问题，提出后续研究展望，有利于推进农业生态系统碳循环研究进程，并为全球“碳平衡”提供新的研究思路。

1 农田土壤有机碳国内外研究进展

农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，在陆地生态碳循环中十分活跃。农田生态系统中，土壤碳的储存主要包括地表以下植物有机碳库和土壤碳有机碳库两种形式。在农业生产中，农田碳库的微小变化均会影响到土壤肥力、微生物活性和作物产量［3]。农田土壤有机碳迁移、转化及排放受到很多因素的影响。近年来已有很多关于农田土壤有机碳动态影响因素的研究。自然因素和人为因素被视作影响农田碳库来源、分布、释放的重要因素。气候条件和土壤的质地与结构以及所在区域的地形都会对农田土壤碳储量产生一定影响，土地利用方式、管理措施等人为扰动也会导致农田碳储量的变化［4-5］。

1.1 影响农业生态系统土壤有机碳的自然因素

温度能够显著影响微生物的活性，进而改变土壤的性质。土壤增温并未显著提高水稻地上生物量和根系生物量，但显著降低了土壤有机碳和全氮含量，从而降低了土壤碳分解和氮素矿化潜力。土壤增温显著降低DOC浓度，显著提高MBC浓度，从而降低农田土壤SOC的损失［6］。在西班牙的研究中表明，土壤有机质SOM分子组成随环境因素的变化而有系统的变化，气候、作物种类和土壤基质都会对SOM含量产生一定的影响，其中以气候对SOM的影响最大［7］。土壤干湿程度也会影响有机碳分解过程和土壤结构，从而影响土壤有机碳动态变化［8］。此外，土壤有机质的总量也会对土壤碳汇有一定影响，砂质土壤有机质含量多，这是由于黏土矿物闭蓄土壤有机质，从而使微生物的矿化分解作用减弱［9］。在我国西北地区，坡耕地退耕后土壤有机碳对该地区农田生态系统的可持续性发展至关重要，Han等［10］探讨黄土高原土壤有机碳的演变规律，结果表明在梯田种植初期土壤有机碳浓度显著增加，在经过长时间的耕种之后，整个梯田的有机碳含量显著上升，10年梯田土壤有机碳和浓度超过当地坡耕地水平，土壤有机碳量与总氮、黏土和酶活性呈正相关关系，与土壤容重、土壤酸碱度呈负相关关系。农田通过植物固定把碳固定在土壤中，这对于土壤肥力也有一定的影响［11］。

1.2 影响农业生态系统土壤有机碳的人为因素

施肥是影响土壤有机碳库最重要的因素，肥料可以改变微生物活性，加快土壤有机质的分解。人为耕作能显著破坏土壤结构，加速有机碳矿化分解的过程，从而改变土壤SOC的垂直分布［12］。薄晶晶等［13］通过长期研究不同肥料对土壤温室气体排放量的影响，结果表明，肥料的分解是CO2、N2O等温室气体的主要来源。此外，不同的肥料对不同的温室气体排放的影响也不同，且各试验处理方法对农田有机碳含量影响不大。Chen等［14］通过对生物炭的相关方向的研究指出，生物炭化肥的施用会影响土壤有机碳的矿化分解作用，从而影响农田土壤有机碳含量分布，影响农业生产过程。土壤有机碳基团也对农田土壤有机碳产生影响。Kubar等［15］通过长期的对土壤基团的研究表明，秸秆还田后，增加了大团聚体土壤的SOC含量，有助于大团聚体中储存更多的有机质，SOC化学成分与团聚体C组分呈正相关和负相关。不同土地利用方式同样对土壤有机碳变化影响显著。Luo等［16］通过对土地利用方式变化中一些元素、微粒的变化进行研究，结果表明，测量SOC组成并考虑特定馏分的稳定和去稳定过程，是有效SOC管理和可靠SOC预测的关键。人类农业活动和人为扰动具有独特的“碳足迹”，保护性耕地能增加土壤中有机碳的含量［17］。Lembaid等［18］发现，通过免耕和施用有机肥能显著提高半干旱地区土壤有机碳的含量，而增加或减少有机肥料的用量却对有机碳含量影响微乎其微。在非洲一些地区，农田土壤有机碳（SOC）和土壤酸碱度的空间分布是土壤肥力的重要影响因素，特别是对于表层土壤（0～20 cm）的影响相较深层土壤影响更大［19］，而农田平均人口的密度即农田种植密度也与土壤肥力呈显著的负相关关系［20］。

1.3 土壤有机碳变化的模型研究

以战略和空间为目标的农业生产可以实现温室气体排放的政策目标，通过现有数据预测模拟农田有机碳库动态也是重要的研究方向。Bortolon ［21］等通过CENTURY模型模拟巴西南部和中北部的农田有机碳含量和土壤有机碳动态，模拟预测效果与土地类型有密切关系。赵雅雯［22］利用修正Roth C 模型研究了作物残体对农田土壤有机碳含量的影响。王金州［23］通过Roth C模型模拟我国旱地玉米在不同种植模式下农田土壤有机碳的动态变化。通过模型的建立，可以更加精准的模拟农田生态系统中元素的动态变化，可以通过时间横向、纵向对比和预测农田有机碳汇，进一步为农业生产提供理论依据，农田模型也能对土壤中的重金属展开模拟以保证农业生产健康稳定的推进。

2 温室大棚土壤有机碳的研究进展

温室生态系统作为农田生态系统的一个重要的分支，近年来逐渐受到人们的关注。温室农业的发展给人们日常生活提供了便利。从20世纪60年代开始，西方发达国家温室设施迅速发展，从而促使温室农业快速发展［24］。我国温室农业始于20世纪70年代，伴随着我国经济的发展和人们生活水平的提高，市场对于蔬菜的需求量和品质要求也越来越高，温室农业在我国发展迅猛，种植面积在世界后来居上，目前，我国塑料蔬菜大棚面积以占全球90%的比重跃居世界第一。

温室种植可为植物提供较为稳定的生长环境，因其弱化了自然环境对作物栽培的限制而在农业领域迅速推广，但其高产量、高输入、高输出、高复种指数的特点，对于种植土壤干扰较大，同样引起了相关领域研究者关注。温室土壤肥力是需要考虑的首要问题，这关系到温室蔬菜水果的产量和其所带来的经济效益。土壤有机碳则是反映土壤肥力的重要指标，且关系温室生态系统碳平衡，在目前全球气候变化多端的背景下，研究温室农田土壤有机碳动态意义重大。西班牙研究人员根据温室农业不同的土壤管理实践，探讨温室土壤微生物群落对植物生产力的影响，试验结果表明，微生物的存在对温室土壤有机质含量有一定的影响，温室土壤微生物群落对集约化温室农业的作物生产有积极的影响［25］。此外，温室土壤施用化肥提高了土壤中铜、镍、铅、锌的有效性积累，施用有机肥则明显提高了温室土壤镍、锌的积累和有效性［26］。李亚娟等［27］和Wang等［28］通过比较温室栽培模式与大田种植模式土壤有机碳的变化规律，发现温室栽培模式能够显著提高土壤有机碳的含量，且土壤有机碳的增量主要集中于0～20  cm的耕作层土壤［29］。在农田改为温室之后，随着种植年限的延长，温室土壤有机碳量得到一定程度的积累［30-31］，土壤内微生物的数量也显著上升并且温室的环境相对于农田种植更有助于土壤养分的积累［32］。张宇浩等[33]对不同种植年限的温室土壤研究，同样得出了随着日光节能温室栽培年限的增加，温室土壤总有机碳的含量逐渐增加的结论。温室大棚的种植年限是一个重要的影响因素，种植年限会促使土壤的相关性质、土壤养分等产生较大的波动［34］。此外，溫室土壤微生物的种类和活性会对施肥的效果产生一定的影响［35］。温湿度、施肥、作物类型等土壤的理化性质对于温室土壤有机碳、温室微生物的影响还有待进一步研究。Xue等［36］通过对温室土壤有机质影响因素的深入研究，得出结论：温室土壤重金属污染会显著影响温室土壤有机质的含量，同时也会改变土壤的结构，影响土壤的理化性质。过量施用会导致重金属生物有效性增加，土壤生物学特性下降，而生物炭与肥料共同施用对温室土壤酶活性和重金属生物有效性的影响往往被忽视。该研究为单位面积肥料的合理施用量提供了理论依据。Wang等［37］通过对低分子有机碳量的长期研究，发现温室低分子有机碳量对有机碳和蔬菜等作物之间的相互移动作用不显著。

3 展望

人类活动导致全球碳排放量逐年增加，温室效应加剧。极端气候频发，减少温室气体排放刻不容缓。农田生态系统“减源增汇”效应已持续受到研究关注，温室农业生产作为农业种植的重要模式之一，其高强度的人为扰动下碳元素在温室生态系统中的循环流动路径，以及定量评估中国温室农业生态系统碳排放，是我们丞须解决的科学问题。未来针对温室农业生态系统碳循环路径、系统内碳淋溶下渗路径、淋溶损失碳的溯源、淋溶碳损失的影响因素，以及在我国土壤重金属污染严重的态势下，系统内重金属与土壤碳的响应关系等问题均是本领域的巨大挑战，必将成为新的研究方向。

参考文献：

［1］ CHEN G， LV Y， ZHANG Y， YANG M. Carbonation depth predictions in concrete structures under changing climate condition in China［J］. Engineering Failure Analysis. 2021， 119： 104990.

［2］ GOLDBERG M H， GUSTAFSON A， LINDEN S. Leveraging Social Science to Generate Lasting Engagement with Climate Change Solutions［J］. One Earth. 2020， 3（3）： 314-324.

［3］ 赵永存， 徐胜祥， 王美艳 ，等.中国农田土壤固碳潜力与速率：认识、挑战与研究建议［J］.中国科学院院刊， 2018， 33（2）： 191-197.

［4］ 杨慧敏. 土壤有机碳储量的影响因素研究［J］.种子科技， 2019， 37（8）： 134-135.

［5］ 李俊超， 靳静静. 农田土壤有机碳储量的影响因素研究［J］.农业与技术， 2017， 37（8）： 53-54.

［6］ TANG S， CHENG W， HU R， et al. Five-year soil warming changes soil C and N dynamics in a single rice paddy field in Japan［J］. Science of The Total Environment， 2021， 756： 143845.

［7］JIMÉNEZ-GONZÁLEZ，ÁLVAREZ A M， CARRAL P， et al. Influence of soil forming factors on the molecular structure of soil organic matter and carbon levels［J］. Catena， 2020， 189： 104501.

［8］ 周莉， 李保国， 周广胜. 土壤有机碳的主导影响因子及其研究进展［J］. 地球科学进展， 2005（1）： 99-105.

［9］ 陈心桐， 徐天乐， 李雪静，等. 中国北方自然生态系统土壤有机碳含量及其影响因素［J］. 生态学杂志， 2019， 38（4）： 1133-1140.

［10］ HAN J Q，DONG Y Y ，ZHANG M. Chemical fertilizer reduction with organic fertilizer effectively improve soil fertility and microbial community from newly cultivated land in the Loess Plateau of China［J］. Applied Soil Ecology， 2021， 165： 103966.

［11］  BONGIORNO G，BÜNEMANN E K， OGUEJIOFOR C  U， et al. Sensitivity of labile carbon fractions to tillage and organic matter management and their potential as comprehensive soil quality indicators across pedoclimatic conditions in Europe［J］. Ecological Indicators， 2019， 99： 38-50.

［12］ 王巖. 长期定位施肥试验对作物产量的影响［J］. 农业科技通讯， 2021（2）： 106-108.

［13］ 薄晶晶. 长武怀豆和黑麦草绿肥腐解过程及其对农田土壤温室气体排放的影响［D］. 西安：西北大学， 2018.

［14］ CHEN G H，FANG Y Y，VAN Z L， et al .Priming， stabilization and temperature sensitivity of native SOC is controlled by microbial responses and physicochemical properties of biochar［J］. Soil Biology and Biochemistry，2021，154：108139.

［15］ KUBAR K A ， HUANG L ， XUE B ， et al. Straw management stabilizes the chemical composition of Soil Organic Carbon （SOC）： the relationship with aggregate-associated C in a rice-rape cropping system［J］. Land Degradation & Development， 2020， 32（2） ： 851-866.

［16］ LUO Z ， ROSSEL R ， SHI Z. Distinct controls over the temporal dynamics of soil carbon fractions after land use change［J］. Global Change Biology， 2020， 26（8） ： 4614-4625.

［17］ WYTSE J V，MARTIN K，VAN I，et al. European survey shows poor association between soil organic matter and crop yields［J］. Nutrient Cycling in Agroecosystems， 2020， 118： 1-10.

［18］ LEMBAID I， MOUSSADEK R， MRABET R， et al. Modeling the effects of farming management practices on soil organic carbon stock under two tillage practices in a semi-arid region， Morocco［J］. Heliyon， 2021， 7（1）： e05889.

［19］ QUAYE A K， DOE E K， ATTUA E M， et al. Geospatial distribution of soil organic carbon and soil pH within the cocoa agroecological zones of Ghana［J］. Geoderma， 2021， 386： 114921.

［20］ FRANCISCO M P M， TOMOYA M.Population pressure and soil quality in Sub-Saharan Africa： Evidence from rural Uganda［J］. Ecological Economics， 2021， 179： 106851.

［21］ BORTOLON E S O， MIELNICZUK J， FABÍOLA L，et al. Validation of the Century model to estimate the impact of agriculture on soil organic carbon in Southern Brazil［J］. Geoderma， 2011， 167： 156-166.

［22］ 赵雅雯. RothC模型在我国北方农田作物残体提升土壤有机碳中的应用［D］.北京：中国农业科学院， 2017.

［23］ 王金洲. RothC模型模拟我国典型旱地土壤的有机碳动态及平衡点［D］.北京：中国农业科学院， 2011.

［24］ 钟钢. 国内外温室发展历程、现状及趋势［J］. 农业科技与装备， 2013 （9）： 68-69.

［25］ USERO F M. ARMAS C，GALLARDO M， et al. Effects of soil microbial communities associated to different soil fertilization practices on tomato growth in intensive greenhouse agriculture［J］. Applied Soil Ecology， 2021， 162：103896.

［26］ WEI B G，YU J P， CAO Z Q，et al. The Availability and Accumulation of Heavy Metals in Greenhouse Soils Associated with Intensive Fertilizer Application［J］. International Journal of Environmental Research and Public Health， 2020， 17（15）： 17-28.

［27］ 李亞娟， 宋佳倩， 石兆勇， 等. 温室栽培与大田种植模式土壤有机碳的变化［J］. 湖北农业科学， 2017， 56（22）： 4258-4263.

［28］ WANG Y ， XU H ， WU X ， et al. Quantification of net carbon flux from plastic greenhouse vegetable cultivation：A full carbon cycle analysis［J］. Environmental Pollution， 2011， 159（5）：1427-1434.

［29］ 王艳. 中国温室农业生态系统碳平衡研究［D］. 杭州：浙江大学， 2010.

［30］ XU W， GE Y ， WANG Y ， et al. Agricultural carbon flux changes driven by intensive plastic greenhouse cultivation in five climatic regions of China［J］. Journal of Cleaner Production， 2015， 95：265-272.

［31］ 王彤. 温室大棚土壤有机碳淋溶迁移研究［D］.郑州：中原工学院，2021.

［32］ 张凯. 温室农业土壤特性的调查与评价［D］. 新乡：河南科技大学， 2015.

［33］ 张宇浩， 方莉， 程芳琴. 日光节能温室土壤有机碳及组分变化对栽培年限的响应［J］. 山西农业科学， 2013， 41（11）： 1202-1204.

［34］ 周哲哲， 张磊， 王甲辰，等. 种植年限对京郊温室土壤生态环境的影响［J］.土壤通报， 2021， 52（1）： 177-184.

［35］ 周进. 微生物菌肥配施对葡萄土壤养分和品质的影响［J］. 北方园艺， 2020（24）： 51-56.

［36］ XUE S X，CHEN F F， WANG Y Y，et al. Effects of Co-Applications of Biochar and Solid Digestate on Enzyme Activities and Heavy Metals Bioavailability in Cd-Polluted Greenhouse Soil［J］. Water， Air， & Soil Pollution， 2021， 232（4）： 050890.

［37］ WANG Z W， WANG W Z， WANG Z L， et al. Impact of a long-term cultivation on low molecular weight organic acids in greenhouse soil and their influence on vegetable uptake heavy metals［J］. Soil and Sediment Contamination： An International Journal， 2021， 30（1） ： 1-11.