溫室栽培與大田種植模式土壤有機碳的變化

李亞娟+宋佳倩+石兆勇

摘要：選擇中國冬暖式蔬菜大棚的發源地——山東壽光日光溫室以及與其接近的大田土壤為研究對象，比較溫室栽培模式與大田種植模式土壤有機碳的變化及其規律。結果表明，溫室栽培模式相對于大田栽培模式，能夠顯著提高土壤有機碳的含量，且土壤有機碳的增量主要集中于0～20 cm的耕作層土壤，增加量達到7.5 g/kg，顯著高于20～40 cm和40～60 cm的深層土壤；溫室栽培模式土壤有機碳的增量隨溫室栽培年限的增加而呈冪函數式增長，土壤有機碳的增加同時受到土壤類型和栽培作物種類的影響，表明溫室栽培措施可以增加農業土壤的固碳潛力。

關鍵詞：溫室栽培；土壤有機碳；栽培年限；作物種類；土壤類型

中圖分類號：S153.6+2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）22-4258-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.22.013

Abstract： The changes and their trends of soil organic carbon（SOC） in greenhouses cultivation comparing to conventional field cultivation were explored based on solar greenhouses from Shouguang county of Shandong province，as the vital sources of greenhouses. The results showed that greenhouses cultivation enhanced markedly the concentration of SOC comparing to conventional field cultivation. Further，the increment of SOC in greenhouses cultivation comparing to conventional field cultivation attributed the surface soil of 0～20 cm with the increase of 7.5 g/kg，which was higher significantly than that in soil layers 20～40 cm and 40～60 cm. Moreover，the increase of SOC with cultivation years could be simulated by power function. The increase of SOC between greenhouse and conventional field cultivation were affected by soil and plant types. The greenhouse cultivation could improve the soil carbon sequestration potential of agricultural system.

Key words： greenhouse cultivation； soil organic carbon； cultivation age； plant types； soil types

土壤是陸地生態系統最大的碳庫，是大氣碳庫的3.3倍、生物碳庫的4.5倍，是全球碳循環的重要組成部分，是大氣CO2的源和匯[1]。土壤有機碳占到土壤碳庫的一半以上，與大氣成分進行活性交換的土壤有機碳占到陸地生態系統碳的2/3[2]。因此，土壤有機碳庫的微小波動將引起大氣CO2濃度的顯著變化，從而影響到全球氣候的穩定[3，4]。在全球氣候變化的背景下，有關土壤有機碳的研究就成為研究的熱點問題。

農田土壤有機碳庫不僅占到全球陸地碳庫的10%以上，而且是全球土壤碳中最為活躍的部分[5]。同時，土壤有機碳還是農田土壤肥力的核心，影響著土壤的諸多物理、化學和生物學性質，是作物高產穩產和農業可持續發展的基礎[6]，因此，對農田土壤有機碳的變化及影響因素的研究應受到更廣泛的關注。不同的農業措施或種植體系能夠影響土壤有機碳含量的變化，Heinze等[7]通過27年的長期田間定位研究表明實施管理的有機農田土壤有機碳含量（9.2 mg/g）顯著高于僅施用化肥的農田土壤（8.0 mg/g）。Santos等[8]則研究了由傳統農業轉化為有機農業后，土壤有機碳含量的變化，表明在0～5 cm和5～10 cm的土層中，有機農業土壤有機碳顯著提高，分別是傳統農業土壤有機碳含量的3.9和3.3倍，而在10～15 cm和15～20 cm的土壤層中，有機碳增加則不顯著。褚慧等[9]2004～2012年研究了有機與傳統農業對土壤有機碳的影響，表明有機農業土壤有機碳顯著增加（增量34.5%），而傳統農業變化則不顯著。郭金瑞等[10]在吉林公主嶺長期定位試驗，研究了休閑與增施有機肥條件下的玉米連作、玉米-大豆輪作、大豆連作等處理土壤有機碳含量的變化，表明土壤有機碳含量受到施肥和作物的影響。

近20年來，溫室栽培作為一種蔬菜生產的種植模式，發展迅速，僅日光溫室生產的蔬菜產量就占到所有設施蔬菜產量的40%，而在冬季則占到90%以上[11]。由于溫室栽培對土地的高強度利用模式，也引起了土壤特性的變化，該方面的研究越來越受到重視。白新祿等[12]研究表明，溫室栽培后，土壤養分氮、磷、鉀累積量顯著增加。王士超等[13]也指出溫室栽培導致土壤供氮能力顯著提高，且與溫室栽培年限呈正相關。已有的研究已經表明，溫室栽培模式影響到土壤各個方面的特性，并引起了廣大研究者的興趣，如土壤養分平衡[12-15]，土壤供肥特性[10，16-18]，土壤微生物[19-21]等。對溫室栽培與大田栽培模式對土壤有機碳影響的對比研究報道主要集中在東北地區，如余海英等[14]研究了遼寧沈陽、北寧兩地溫室栽培對土壤有機碳含量的影響；郭冉等[22]對遼寧省朝陽市日光溫室不同栽培年限土壤團聚體各組分有機碳含量的變化進行了研究。而在典型溫帶地區更適宜于進行日光溫室栽培的區域則鮮見報道，本研究選擇中國冬暖式蔬菜大棚的發源地——山東壽光日光溫室以及與其接近的大田土壤，比較了溫室栽培模式與大田種植模式土壤有機碳的變化及其規律，旨在探討溫室栽培模式在土壤有機碳庫方面的貢獻，為正確評估農田土壤碳庫提供依據。endprint

1 材料與方法

1.1 研究區域

山東省作為華東地區日光溫室的集中分布區，其溫室占到華東地區的83%左右。壽光是全國大棚蔬菜的“實驗田”，是山東省日光溫室的代表，全省已經形成了以壽光為代表的日光溫室蔬菜主產區。同時，壽光是國務院命名的“中國蔬菜之鄉”，擁有全國最大的蔬菜生產和批發市場。隨著生產技術和市場的需求，壽光溫室蔬菜生產也一直進行著產業調整，近幾年來，以保護地栽培為主的品種有番茄、茄子、黃瓜、菜豆、洋香瓜、辣椒、絲瓜、苦瓜、豆角等，約占蔬菜總面積的75%。

本研究選擇山東壽光日光溫室作為研究對象，所選擇的取樣點的作物和土壤類型等信息見表1。

1.2 土壤樣品的采集

在壽光蔬菜生產聚集區選擇成片種植且管理水平相當的日光溫室，在每個溫室內按棋盤式取樣，用土鉆取16鉆，每鉆分別取0～20、20～40和40～60 cm的3層土壤，取樣每一行的4鉆（按照南北方向作為一行）進行混合，作為一個土壤樣品，即每個調查的溫室共取土48鉆土壤樣品，用于分析的為每層4個重復。同時，在所調查的溫室附近選擇土壤類型相同的玉米田作為露天栽培的對照，采樣方法也模擬溫室的采樣方法，重復4次。

1.3 土壤有機碳的測定與數據處理

土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀濕氧化法測定。所得土壤有機碳數據采用Microsoft Excel 2010處理，用SPSS 19.0軟件進行數據統計分析，利用單因素方差分析和最小顯著性差異法比較不同土層溫室和大田土壤有機碳含量及其增量的差異顯著性，采用回歸分析方法擬合土壤有機碳含量與栽培年限的關系。

2 結果與分析

2.1 溫室栽培對土壤有機碳含量的影響

通過對比溫室栽培與大田栽培模式不同土層土壤的有機碳含量，發現溫室栽培模式相對于大田栽培模式土壤有機碳含量都有顯著提高（圖1）。從不同土層有機碳含量來看，無論是溫室栽培模式還是大田栽培模式，表層（0～20 cm）土壤均高于20～40 cm和40～60 cm土壤，且隨著土層深度的增加，有機碳含量逐漸降低（圖1）。

溫室栽培模式對不同土層土壤有機碳含量變化的影響見圖2。由圖2可知，0～20 cm土壤有機碳的增加量最大，為7.4 g/kg，分別為20～40 cm和40～60 cm土層有機碳增量的3.0和5.3倍。可見，溫室栽培措施能顯著提高土壤有機碳含量，且主要集中于表層土壤。

2.2 溫室栽培年限對土壤有機碳含量的影響

溫室栽培與大田栽培條件下土壤有機碳含量隨栽培年限的變化情況見圖3。在溫室栽培條件下，僅0～20 cm表層土壤的碳含量隨溫室栽培年限的增加而呈增加的趨勢；從溫室栽培1～21年的數據來看，在0～20 cm的表層土壤中，按冪函數的關系遞增，并隨著栽培年限的延長，增幅逐漸減小（圖3，0～20 cm）。隨年限的增加，溫室栽培模式與大田栽培模式隨年限的增加均對深層土壤（20～40 cm和40～60 cm）有機碳含量的影響不明顯。

以大田土壤為對照，得出溫室栽培模式下不同深度土壤有機碳增量隨栽培年限的變化，結果見圖4。由圖4可知，0～20 cm表層土壤有機碳的增量變化呈冪函數增長，但隨年限的增加，溫室栽培模式對深層土壤（20～40 cm和40～60 cm）有機碳增量的影響較小。可見，溫室栽培對土壤表層有機碳的增加隨種植年限的增加而呈現出一定的變化規律。

2.3 溫室栽培對不同類型土壤有機碳含量的影響

根據溫室和大田栽培采樣點的土壤類型，主要分為黃土和黑土，相較于大田栽培模式，兩類不同土壤類型土壤有機碳含量的變化量見圖5。由圖5可知，在0～20 cm土層中，黑土的土壤有機碳含量增長高于黃土；而在20～40 cm土層中，黑土的土壤有機碳含量增長明顯低于黃土；在40～60 cm土壤中的增量二者幾乎相當。表明溫室栽培改變土壤有機碳含量的作用受到土壤類型的影響。

2.4 溫室栽培模式下不同蔬菜類型對土壤有機碳含量的影響

溫室栽培模式下不同蔬菜類型相對于大田栽培土壤有機碳含量變化的影響見圖6。由圖6可知，溫室中茄子的種植在不同土層中最有利于土壤有機碳含量的增加，在0～20 cm的表層土壤中，土壤有機碳增量達到11.6 g/kg。辣椒類蔬菜在20～40 cm和40～60 cm土層中，土壤有機碳含量的增加則僅次于茄子，而在0～20 cm土壤中則低于瓜菜類。綜合0～60 cm的土壤層中土壤有機碳含量的增加，茄子最高，其增量為6.3 g/kg，而番茄最低，僅為2.1 g/kg。可見，溫室栽培土壤有機碳含量受栽培作物的影響。

3 小結與討論

隨著氣候變化的加劇，全球范圍內都對土壤碳庫的研究非常重視，普遍認為土壤是重要的碳庫，而農業土壤碳庫又是全球陸地生態系統碳庫中受到人為活動強烈干擾，且在短時間內可以進行人為調控的土壤碳庫[23]。因此，世界各國對農業土壤碳庫的研究都非常重視，如歐盟、美國、加拿大和法國等都很早就開展了國家級綜合研究項目，用于分析農業土壤的固碳能力，并在此基礎上明確農業土壤固碳的途徑，為在國家層面上制定CO2排放清單及CO2減排配額提供依據。可見，研究農業土壤固碳的潛力，特別是農業土壤固碳的農業操作措施能夠為國家制定相應的碳排放政策提供理論和數據依據，并為全球氣候變化做出貢獻。

本研究結果表明，溫室栽培模式相對于大田露天栽培模式能夠增加土壤有機碳的含量，這可能是由于溫室栽培對土壤的操作強度要遠大于大田土壤，而這些農事操作導致了土壤有機碳的增加。而可能導致土壤有機碳含量增加的農事操作措施主要分為如下三個方面：一是直接輸入的有機質，有研究表明，山東日光溫室有機肥用量非常高[24]，而長期大量施用有機肥能顯著提高土壤有機質含量[11，16，21，24]，從而增加土壤有機碳的含量，這一結論已經得到王士超等[13]對溫室土壤研究的驗證與支持；二是由于連續的高強度栽培而導致的植物殘體輸入到土壤，或者是由于栽培作物類型的不同所導致的有機碳含量變化。郭金瑞等[10]利用玉米連作、玉米-大豆輪作、大豆連作等處理研究表明，土壤有機碳含量會隨不同作物而有顯著的不同。此研究結論在本研究中也得到進一步的驗證，本研究中4類蔬菜類型的土壤有機碳含量增加量存在差異；三是與大量的施用化學肥料有關，無論是溫室還是露天大田栽培所施用的化肥中，氮肥施用比例占絕對的數量，而有研究表明增施氮肥能夠提高土壤有機質含量[25]，本研究中大田土壤有機碳含量也呈現略微的增加趨勢，可能就是由該方面的原因所致。endprint

在本研究中，土壤有機碳含量的增量主要體現在0～20 cm的表層土壤，這可能與農事操作和施肥主要集中在0～20 cm表層耕作層有關。而隨著溫室栽培年限的增加，特別是0～20 cm土壤有機碳含量呈現增加的趨勢，并且有機碳的增量也呈現增加的趨勢，這與一些已有的研究所得出的溫室土壤養分的積累規律的結論是一致的[26，27]，該結論也進一步表明，溫室栽培措施能夠提高土壤的固碳能力。

中國溫室栽培大面積的推廣，不但在解決蔬菜和水果的供應方面具有重要的意義，而且在應對全球氣候變化，增加土壤對碳的固持方面有著十分重要的生態意義。估算溫室栽培對增加土壤碳的固持能力有利于為政府制定碳排放計劃提供數據支撐和依據。

溫室栽培相對于大田栽培措施能夠提高土壤有機碳的含量，主要集中在0～20 cm的表層土壤，且土壤有機碳的增加隨著溫室栽培年限的延長而呈現積累的趨勢，同時，在溫室栽培土壤有機碳積累的過程中受栽培作物種類和當地土壤類型的影響。可見，溫室栽培的農業栽培措施能夠顯著提高農業土壤的固碳潛力。

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