有機種植對溫室土壤有機碳庫和酶活性的影響

仝利紅，蔣 珊，祝 凌，柳夏艷，呂貽忠*

（1.中國農業大學土地科學與技術學院，北京 100193； 2.同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092）

20世紀90年代后，設施大棚在華北地區迅猛發展，現已成為華北地區蔬菜長期有效市場供給的關鍵［1］。人們為了追求高產、高效，大量的化肥和農藥投入到溫室內，溫室土壤現已出現了連作障礙、病蟲害多、鹽漬化等諸多問題，不僅影響作物產量和品質，還導致土壤退化及一系列生態和環境問題［2-3］。有機種植是可持續發展農業模式中的經典，它通過協調種植業和養殖業的平衡，采取一系列可持續發展的農業技術，保證了農業的可持續發展及生態系統的良性循環。

土壤有機碳庫是影響土壤肥力和環境的重要因素，提高土壤有機碳庫的含量及固定量對于提高土壤肥力和生產力、減緩溫室效應具有重要意 義［4-5］。有機種植是遵照有機農業生產標準，在生產中不采用基因工程獲得的生物及其產物，不使用化學合成的農藥、化肥、生長調節劑、飼料添加劑等物質，遵循自然規律和生態學原理，協調種植業和養殖業的平衡，采用一系列可持續發展的農業技術以維持持續穩定農業生產體系的一種農業生產方式。有機種植大量有機肥的施用，顯著提高了土壤中有機質含量。Gattinger等對全球范圍內典型農業生產氣候區有機與常規農業生產系統的74組數據進行了系統全面的對比分析。分析結果表明，有機系統具有增加和固定土壤有機碳的潛力，且被認為是減少溫室氣體的一個重要措施［2］。活性有機碳與土壤肥力、土壤養分、作物生物效應相關性比總有機碳與它們的相關性更好，并且對土地利用方式、有機肥等反映最敏感［6-7］，因此活性有機碳可作為反映土壤肥力質量的敏感指標［8］，而相對比較穩定的土壤腐殖質含量和結構決定有機碳的結構穩定性及固碳潛力。土壤酶活性對于土壤性質的微小變化極其敏感，不僅參與有機碳的循環周轉，而且可被吸附在有機碳組分上與其形成復合物，從而保護其免于被快速分解，可作為土壤質量變化的敏感指標［9］。有機種植由于有機肥的大量施用且禁止使用任何化學農藥，進而為土壤微生物創造了更適宜的生存環境，促使土壤生物多樣性增加，最終影響了土壤酶活性。

目前關于華北地區設施大棚的研究多集中在蔬菜產量、土壤養分含量及溫室氣體排放等方面，而關于有機種植對溫室土壤有機碳累積、組分轉化及土壤質量的綜合評價尚少見報道。本研究以河北曲周長期定位試驗不同種植方式的溫室蔬菜大棚為基礎，對華北地區長期有機、綠色和常規種植模式下設施大棚土壤有機碳各組分含量、碳儲量和酶活性的變化特征進行研究分析并運用主成分進行綜合評價，旨在揭示有機種植下土壤有機碳庫的轉變機制，為培肥土壤、穩定土壤結構，最終實現設施農業的可持續發展提供科學的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

本試驗為日光溫室蔬菜生產長期定位試驗，于2002年3月在中國農業大學曲周實驗站（36°52′N， 115°01′E）進行，實驗站位于河北省邯鄲市曲周縣北部，屬溫帶半濕潤季風氣候區，年均降水量604 mm。長期定位試驗設計常規種植（CP）、綠色無公害種植（GP）、有機種植（OP）3種日光溫室蔬菜生產模式，供試作物為番茄和芹菜輪作，試驗分為3個溫室大棚處理，每個溫室占地面積約為0.04 hm2（長52 m，寬7 m），每個大棚內分3個小區作為重復，原始土壤為鹽化潮褐土。試驗前土壤有機質16.94 g·kg-1，全氮1.24 g·kg-1，全磷1.61 g·kg-1，pH為7.68，砂粒含量54.11%，粉粒含量28.45%，粘粒含量17.44%。

1.2 試驗設計

常規種植（CP）：采用常規管理方式，施用化肥為主，少量施用有機肥。化肥施用量為4 t·hm-2·季-1，有機肥用量為13.4 t·hm-2·季-1；病蟲害防治采用常規化學防治。化肥中氮肥為尿素、磷肥為過磷酸鈣、鉀肥為氯化鉀，混合比例為3∶4∶5。

綠色無公害種植（GP）：以有機肥為主，用量為29.6 t·hm-2·季-1，化肥 用量 為2 t·hm-2·季-1；病蟲害防治以生物防治為主，病蟲害嚴重時使用低毒低殘留的化學農藥進行防治。化肥中氮肥為尿素、磷肥為過磷酸鈣、鉀肥為氯化鉀，混合比例為3∶4∶5。

有機種植（OP）：只施用有機肥，有機肥施用量為59.2 t·hm-2·季-1；病蟲害防治以人工防治和物理防治為主，不施用任何化學農藥及激素類物質。有機肥經高溫堆腐形成，原料有牛糞、雞糞、農作物秸稈等有機廢棄物。

3個溫室均采用大水漫灌，試驗期間每個大棚分別灌溉了13次。

1.3 土壤樣品采集

土壤樣品于2018年5月分別在CP、GP和OP 3個大棚內進行取樣，每個大棚分為3個小區，每個小區內按S形布點取樣，分別采集0～20 cm的土壤，每5個點為一個混合樣，混合均勻后按四分法取舍，保留1 kg左右，一部分用塑封袋帶回實驗室，一部分用鋁盒4℃保存帶回實驗室。用一部分鮮土測定土壤可溶性有機碳、微生物量碳和土壤酶活性，風干土樣測定土壤的基本理化性質。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 土壤基本理化性質測定

土壤pH采用pH計測定（水土比2.5∶1）；采用中性乙酸銨浸提法測定土壤陽離子交換量（CEC）；電導儀測定（水土比5∶1）電導率；濕篩法測定土壤團聚體含量；含水量采用烘干法；土壤容重采用環刀法；土壤有機質、全氮、堿解氮、全磷、有效磷均采用農化分析常規分析方法 測定［10］。

1.4.2 土壤有機碳組分測定

土壤腐殖質碳組分含量測定采用重鉻酸鉀氧化法：首先采用重鉻酸鉀氧化法測定土壤腐殖質全碳含量，而后用0.1 mol·L-1焦磷酸鈉和0.1 mol·L-1氫氧化鈉的混合溶液（pH為13）為浸提劑，按照水土比為10∶1浸提土壤，收集濾液，測定胡敏酸和富里酸總量及胡敏酸的含量，差值法得富里酸和胡敏素含量［11］。

可溶性有機碳（DOC）測定方法：取10 g新鮮土樣，按水土比5∶1混勻，震蕩1 h后離心，上清液過0.45 μm濾膜后用總有機碳分析儀測定待測液中的總有機碳即為DOC。易氧化有機碳（EOC）采用333 mol·L-1高錳酸鉀氧化土壤，在波長565 nm下用分光光度計比色法測定易氧化有機碳［12］。土壤微生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提法［11］：取25 g新鮮土樣置于真空干燥器內進行氯仿熏蒸，同時另取25 g新鮮土樣做空白對照，用0.5 mol·L-1硫酸鉀浸提、震蕩、過濾后用總有機碳分析儀測定待測液中的總有機碳即為MBC。顆粒有機碳（POC）采用偏磷酸鈉提取顆粒有機碳，然后用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法測定［13］。

1.4.3 土壤有機碳儲量計算

土壤碳儲量計算公式如下［14］：

1.4.4 土壤酶活性測定

脲酶活性（以NH3-N計，mg·g-1·24 h-1）測定：采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法；蔗糖酶和纖維素酶活性測定均采用3，5-二硝基水楊酸比色法；過氧化氫酶測定采用容量法［15］。

1.5 數據統計與分析

數據經Excel 2016整理后，采用SPSS 20.0軟件對數據進行單因素方差分析（ANOVA），用最小顯著性差異法（LSD）進行多重比較（P=0.05或0.01）。采用Matlab進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 不同種植方式對蔬菜產量和土壤特性的影響

作物產量是用來衡量土壤肥力的關鍵指標，有機肥的施用對于蔬菜產量的提升具有明顯優勢。如圖1所示，無論是在春季還是在秋季，OP處理的蔬菜產量均高于GP和CP處理，而GP與OP在春季蔬菜產量存在顯著差異，秋季則無顯著差異，這可能與施肥量及蔬菜生長期有關。與CP相比，OP和GP春季蔬菜產量分別提高了62.28%和30.51%；秋季蔬菜產量則分別提高了22.02%和 17.70%。

圖1 不同種植方式對春季和秋季蔬菜產量的影響

表1為不同種植方式對土壤主要屬性及功能的影響。有機種植顯著改善了土壤結構，提高了土壤養分含量及利用率。有機肥的輸入提供了大量膠結劑，促進了土壤團聚作用，其中大團聚體的增加尤為明顯，與CP相比，OP處理大團聚體含量增加了216.38%，這將顯著改善土壤的物理結構，進而影響土壤容重和保水性能。與CP相比，OP使土壤含水量提高了293.04%、容重降低了26.15%，通氣性和保水性的改善將間接影響土壤養分的有效性。OP模式下全氮提高了107.36%，全磷也有小幅度提升，與此同時土壤CEC也提高了36.40%，說明OP模式下，土壤具有較強的供肥潛力，GP各項指標的改善程度僅次于OP。3種處理中土壤pH都在7左右，表現為中性，土壤EC在CP和OP中也無明顯差異。

表1 不同種植方式對土壤特性的影響

2.2 不同種植方式對土壤碳庫的影響

2.2.1 不同種植方式對土壤有機碳的影響

土壤有機質是土壤固相的重要組成部分，是反映土壤肥力質量的關鍵指標，其含量變化還直接影響土壤碳庫水平，從而對全球碳收支平衡造成深刻影響。圖2為不同種植方式下土壤有機碳含量，結果表明，相較于CP，OP和GP使土壤有機碳含量顯著增加，分別提高了105.53%和37.36%。圖2所示為長期不同種植方式下0～20 cm土層有機碳儲量。OP處理中有機碳儲量最高，為67.37 t·hm-2。 與CP相比，OP使土壤碳儲量提高了51.14%。研究結果表明，有機種植不僅顯著增加了土壤有機碳含量，且增加了土壤碳儲量，是提高土壤肥力、增加土壤碳儲量最有效的種植方式。

圖2 不同種植方式對土壤有機碳含量及有機碳儲量的影響

2.2.2 不同種植方式對土壤活性有機碳組分的影響

活性有機碳分子量低、有效性較高，可作為反映土壤肥力質量的敏感指標。主要包括易氧化有機碳（EOC）、微生物量碳（MBC）、顆粒機碳（POC）和可溶性有機碳（DOC）。研究表明，各活性有機碳組分含量都在OP處理中達到最高，GP次之；OP使活性有機碳組分提高了109.30%～230.27%（圖3）。有機種植使土壤活性有機碳含量成倍增加，主要是由于有機肥中含有大量的活性組分能夠促進土壤中活性有機碳的積累，而且有機管理能夠促進土壤微生物活性，加快了活性有機碳組分的轉化，從而促進了土壤活性有機碳組分的顯著增加。活性有機碳的大量增加，能顯著提高土壤養分含量及利用率，從而提高土壤肥力質量。

圖3 不同種植方式對土壤可溶性有機碳、微生物量、顆粒有機碳和易氧化有機碳的影響

2.2.3 不同種植方式對土壤腐殖質碳組分的影響

腐殖質是土壤有機質的主要存在形態，含有復雜的大分子抗降解物質，主要有胡敏酸（HA）、富里酸（FA）和胡敏素（HM），其在土壤中分配比例及結構變化決定了有機質的穩定性及固碳潛力。圖4所示，HA、FA和HM的含量均在OP中最高。與CP相比，OP中的腐殖質碳組分提高了91.61%～128.37%。有機種植顯著增加了土壤腐殖質含量，且各組分含量也隨之增加，這主要是由于有機種植土壤中含有大量生物活性物質加速了土壤腐殖化進程，從而使土壤腐殖質碳組分含量顯著增加。腐殖物質的顯著增加不僅能夠改善土壤理化性狀，而且提高了土壤有機質抗分解的能力，從而使固定在土壤中的有機碳庫容量顯著增加。

圖4 不同種植方式對土壤胡敏酸、富里酸和胡敏素的影響

2.3 不同種植方式對土壤酶活性的影響

土壤酶作為生化反應的催化劑，能夠促進土壤中營養物質的循環和轉化，其活性的高低能夠反映土壤養分轉化的強弱，對評價土壤肥力水平有重要意義。圖5所示，蔗糖酶在3種栽培方式中無明顯差異，而與CP相比，過氧化氫酶、脲酶和纖維素酶活性均在OP中顯著增加，分別提高了48.51%、68.39%和109.72%。有機種植由于顯著增加了土壤有機質含量，為微生物生長繁殖提供了大量的養分及酶促底物，從而使土壤酶活性得到提高，而蔗糖酶活性在3種種植方式中無明顯差異，這可能是由于土壤類型和有機肥種類的不同所造 成的。

圖5 不同種植方式對土壤過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶和纖維素酶活性的影響

綜上所述，長期有機種植改善了土壤結構，有機碳各組分含量均顯著增加，土壤酶活性同樣得到提高，從而使土壤肥力及土壤有機碳庫容量得到顯著提高。土壤有機碳累積受有機物投入量和降解速率的雙重影響。有機肥投入量的增加及有機管理方式不僅提高了土壤有機質含量，且改善了土壤結構，有利于土壤養分高效周轉和生物活躍，使有機碳在較高水平下進行周轉；而土壤大團聚體的增加是土壤結構優化的重要標志，不僅保護土壤有機碳免于分解、提高土壤有機碳含量，而且改善了土壤的通氣性和保水能力，使酶促反應的條件得到優化，酶活性同樣得到提高。分析可知，土壤有機碳含量增加及土壤團聚體的閉蓄作用是提高土壤有機碳儲量的主要原因。

2.4 主成分分析

為科學評價不同種植方式對土壤質量的影響，對土壤物理、化學和生物學性質共23個指標進行了主成分分析，計算主成分綜合得分并進行排序。分析結果表明，PC1貢獻率為74.19%、PC2貢獻率為10.35%、PC3貢獻率為5.79%，3個主成分累積貢獻率達90.33%，涵蓋了土壤各指標的大部分信息，基本解釋了數據的全部變異。圖6所示是各因子在主成分空間中的載荷圖（左）和綜合得分圖（右）。圖6可以看出，PC1以全氮、CEC、有機碳組分和土壤酶等20個指標為影響因子，包含了土壤物理、化學和生物學性質，貢獻率為74.19%，解釋了樣本74.19%的總方差，其中PC1與EC、<0.25 mm團聚體、容重呈負相關，而與其他指標呈正相關。說明良好的土壤結構是土壤養分高效周轉和生物活躍的基礎，使有機碳儲量在較高水平下進行循環，并表現為有機碳儲量的擴大。圖6所示，OP綜合得分最高為5.53、GP為?1.28、CP為?4.25，由綜合得分可知OP>GP>CP，由此可見，有機種植在改善土壤結構、提高土壤養分含量及轉化效率、增加土壤固碳量等方面優于綠色和常規 種植。

圖6 主成分分析結果（左為主成分載荷圖，右為主成分綜合得分）

3 討論

由于有機種植進行大量有機肥的投入且配合有機管理方式，不僅提高了土壤有機物含量及土壤微生物活性、加快了養分轉化，并且能促進地上部植物的生長，使植物與土壤形成良好的互作。本研究表明，有機種植顯著提高了土壤有機碳庫容量，改善了土壤結構，提高了含水量及養分含量且增強了土壤保肥及緩沖性能。與常規相比，有機種植使土壤有機碳、各組分含量及碳儲量顯著增加，其中有機碳總量提高了1倍、有機碳組分則提高了1～2倍，土壤碳儲量擴增了0.5倍。這與前人研究結果一致［16-18］。大量研究表明，溫室土壤由于有機肥的施用不僅能顯著改善土壤結構、提高肥力，增加作物產量并改善其品質，而且還能夠調節溫室土壤連作障礙［19-21］。有機肥施入土壤后能夠促進有機碳和礦物顆粒結合形成有機無機復合物，有利于改善土壤結構并促進腐殖質的積累，而且有機肥中含有芳構化程度較低而活性較高的腐殖酸類物質，同時可改變土壤中腐殖質的分子結構，并增加其腐殖化程度，有利于土壤碳的固定，對于保持土壤肥力及穩定碳庫具有重要意義［22-24］。梁堯［25］研究表明，有機栽培對土壤有機碳的積累首先是對其活性組分的積累。高洪軍等［26］研究表明長期高量有機肥對腐殖質積累效果最為顯著。有機種植增加了溫室土壤有機碳組分含量及促進土壤團聚體的形成和穩定，進而提高了土壤碳庫儲量。

土壤酶活性對于施肥及管理方式反映極其敏感。有機種植能夠顯著增加土壤有機碳尤其是活性有機碳及土壤微生物的數量，并為微生物生長繁殖提供了大量的養分及酶促底物，從而使土壤酶活性得到提高［27-30］。本研究結果與之相同，有機種植顯著增加了土壤過氧化氫酶、脲酶和纖維素酶活性，而蔗糖酶活性則無明顯變化。有機種植顯著提高了土壤過氧化氫酶和脲酶、磷酸酶等酶的活 性［31-32］，尤其是長期施用有機肥對于提高土壤蔗糖酶活性最為明顯［33］。相反，也有研究表明，隨著有機肥施肥年限的增加，土壤脲酶、蛋白酶和過氧化氫酶活性顯著提高，而多酚氧化酶和蔗糖酶活性無明顯差異［34］。這可能是由于土壤類型和有機肥種類不同所造成的。葉俊等［35］通過對露地及溫室環境下有機和常規蔬菜栽培土壤中酶活性的對比研究，發現有機生產能夠提高參與土壤碳氮循環的酶活性。

主成分分析能夠客觀準確地篩選出土壤屬性的變異性［36-37］。為科學評價不同種植方式對溫室土壤質量的影響，本研究通過主成分分析對不同種植方式下土壤質量進行定量化評價，結果表明，PC1與EC、<0.25 mm團聚體、容重呈負相關，而與其他指標呈正相關。說明良好的土壤結構是提高土壤肥力、增加土壤碳庫儲量的基礎。綜合得分可知OP>GP>CP，由此可見，有機種植是改善土壤結構、提高土壤養分含量及轉化效率、增加土壤固碳量最有效的措施。

4 結論

與常規相比，綠色和有機種植由于有機肥的施入，改善了土壤結構，提高了土壤含水量及土壤養分含量且增強了土壤保肥及緩沖性能，使溫室大棚內蔬菜產量增加并且有機種植的提升效果更加顯著。

相較于常規種植，有機種植顯著增加了土壤有機碳組分含量及有機碳儲量，綠色種植次之。其中，有機種植使土壤有機碳總量提高了1倍，有機碳組分則提高了1～2倍，土壤碳儲量擴增超過了50%。同時，有機種植顯著提高了土壤過氧化氫酶、脲酶、纖維素酶活性，而蔗糖酶活性無明顯差異。主成分分析結果表明，有機種植在改善土壤結構、提高土壤養分含量及轉化效率、增加土壤固碳量等方面優于綠色和常規種植，有機種植是溫室內提高土壤質量的有效措施。