溫室大棚土壤有機碳研究進展

王欣然 王 艷* 沈乾春 張軍瑩 王 彤，2

（1中原工學院能源與環境學院，河南鄭州 450007；2中原環保股份有限公司，河南鄭州 450000）

自工業革命以來，全球經濟迅速發展，溫室氣體排放量逐年升高。溫室氣體的排放帶來了全球氣候變暖問題，自然災害頻發使得全球經濟出現波動。全球平均氣溫升高導致冰川融化、海平面上升[1]，另外，冰川中存在大量的細菌和人類病原體，一旦冰川融化，這些病毒將會潛伏于人類的生態系統中[2]，從而對人類構成極大威脅。大氣中的CO2、CH4和N2O是溫室氣體中的重要組成部分，其中CO2是導致全球變暖的最主要原因。人類生產、生活所產生的CO2在碳庫中循環[3]，溫室氣體的不斷增加使得自然生態系統碳循環的負荷不斷增大。其中，人為因素產生的碳排放，除了工業生產所帶來的氣體排放，還有人為耕作帶來的碳損失，農田碳庫占到全球陸地碳庫的10%以上，是全球土壤碳中最為活躍的部分[4]。土壤有機碳是影響土壤肥力的核心，同時也是作物高產穩產的關鍵[5]。近幾年來，隨著科學技術的發展，通過改變和人為控制氣候創造日光溫室環境來提高蔬菜的品質、產量，不僅滿足了新鮮蔬菜的供應需求，更在寒冷的冬季解決了北方蔬菜的供應問題。研究表明，在溫室大棚內通過人為的施肥澆灌，碳、氮、磷等有機肥在土壤中的含量得以增長[6]。

通過人為干預建造溫室大棚可以有效增加蔬果的產量、質量，但大量有機肥和化肥的施用加上人工澆灌的方式，會導致土壤中的有機質通過淋溶的方式滲入深層土壤甚至流入地下水，繼而造成土壤碳損失，土壤有機質逐年流失從而導致耕作層土壤肥力逐年下降，下滲的水流流入地下水后進入大氣碳循環造成土壤碳損失。灌溉土壤的水流下滲，在帶走土壤可溶性有機碳的同時，還使得土壤中的重金屬遷移[7]，向深層土壤移動，最后滲入地下水中造成水體污染[8]。通過淋溶遷移而產生的碳損失在土壤碳循環中占有多大的比重，碳損失的來源是哪里，現存的研究結果并沒有指出這一點。綜上所述，探究土壤溶解性有機碳的遷移過程對于今后土壤有機碳的研究有著重大意義，同時通過同位素技術來尋找碳損失的來源，可為今后如何進行土壤固碳提供更好的解決辦法和思路。

1 碳排放

碳是農業的基本組成部分，其在作物的生長、發展、營養循環、土壤肥力質量等方面發揮著重要作用。越來越多的證據表明，世界氣候正在發生變化，二氧化碳等溫室氣體的增加，導致自然災害頻發，全球氣候變暖帶來的變化影響著全球經濟發展。人類活動對化石能源消耗和生產活動產生的溫室氣體排放是全球變暖的主要原因。大氣中CO2、CH4和N2O是最重要的溫室氣體，對溫室效應的貢獻率占近80.0%。土壤是大氣中主要溫室氣體重要的源和匯，土地利用方式的不同和改變，將會導致土壤內部環境及其理化性質發生改變，從而影響土壤中溫室氣體的產生與排放[9]。據第二次全國土壤普查統計，全球有1 500～2 000 Pg 的碳以有機碳的形式儲存于土壤中，約為陸地植被碳庫的2.5 倍，土壤對大氣CO2的貢獻是燃燒化石燃料的10倍[10]。由于自然因素和人類活動，農田中儲存的碳的數量和質量經常變化。這些頻繁的變化不僅影響到土壤肥力，而且影響到大氣中的CO2濃度，對氣候變化產生直接影響[11]。

2 土壤碳庫

一般來說，全球有5個主要的碳庫，最大的是海洋碳庫，其次是地質碳庫，分別由煤炭、石油與天然氣組成，第三大碳庫是陸地碳庫，包括土壤和植被。其中土壤有機碳（SOC）庫1 550 Gt，土壤無機碳（SIC）庫750 Gt。估計植被庫和陸地碳庫分別為560、2 860 Pg。大氣中的碳庫為760 Gt，正在以平均每年3.2 Gt的速度迅速上升。土壤的碳庫是巨大的和動態的，土壤碳的變化會對大氣中的CO2水平產生重大影響。土壤碳指的是土壤的全球固體陸地物質，包括SOC、SIC 2個部分。土壤作為一個碳匯，其在生物地球化學、減緩氣候變化和建立全球氣候模型方面發揮著內在的功能[12]。

相比于森林、草原和濕地等自然生態系統，農田土壤生態系統是最為活躍的。在人工干預和自然環境的條件下，農田土壤碳庫正持續不斷地發生變化。金琳等[13]研究表明，不同的耕作和施肥方式都會對農田土壤碳產生不一樣的變化，可見農田土壤碳受人為干預的影響較大。正因為農田土壤碳可受人為控制，可以通過耕作管理方式來進行固碳。石岳峰等[14]研究表明，保護性耕作或者免耕、秸稈還田等管理措施可以有效增加土壤碳匯，減少農田CO2排放。

土壤碳庫比陸地生態系統的生物碳庫大3倍左右，是大氣碳庫的2倍。因此，土壤有機碳庫是陸地生態系統中全球碳循環研究的一個熱點，也是全球變化研究的一個重要組成部分。根據現有研究，中國的土壤有機碳為80～90 Pg，約為全球有機碳庫的5.0%。中國表層土壤有機碳庫的規模為38～40 Pg，約占中國土壤有機碳庫的42.2%～47.5%[15]。土壤碳庫中的碳匯和碳源的作用是相互關聯的，土壤碳庫在減少碳排放和緩解全球氣候變化中發揮著重要作用。

3 農田生態系統土壤碳

河南省作為農業大省，在2020年通過凈碳匯法得出河南省農田生態系統凈碳匯值為354.01×104tC，碳吸收明顯大于碳排放[16]。農田生態系統的主要碳庫包括植被碳庫和土壤碳庫，在農田生態系統中，土壤呼吸作用是決定農田生態系統碳平衡的關鍵因子。土壤呼吸以植物根系呼吸和土壤微生物呼吸為主。固定在土壤中的碳可以為農作物提供養分，但通過礦化作用輸出到大氣中的CO2則會對環境造成一定的影響，造成氣候升溫等現象。大量化肥的使用也會導致土壤碳的流失與重金屬的累積[17]。農田土壤碳庫是陸地生態系統中最活躍和最有影響力的碳庫之一，約占全球陸地系統碳積累的10.0%。農業土壤碳估計占中國儲存的有機碳的14.4%～16.2%，研究表明，自1980 年以來，中國土壤的有機碳含量穩步上升，表明中國農業土壤具有巨大的碳儲存潛力[18]。

土壤有機碳還影響土壤的物理、化學和生物特性，從而構成了農田土壤肥力、作物高產和穩產以及可持續農業的基礎，因而需要更多地關注農田土壤有機碳的變化及其影響因素的研究。耕作方式和種植制度的不同會影響土壤有機碳含量的變化[19]，Heinze 等[20]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顯著高于僅施用化肥的農田土壤。Santos 等[21]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，結果表明，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、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[22]研究了有機農業與傳統農業對土壤有機碳的影響，結果表明，有機農業土壤有機碳顯著增加，而傳統農業變化則不顯著。在設施農業中，通過調控溫度，人為灌溉和施肥等管理可以有效提高土壤碳含量[23]。我國耕地土壤有機碳含量低于世界平均值的30.0%以上，甚至低于歐洲50.0%以上[24]。綜上所述，我國農業土壤具有相當巨大的固碳減排潛力。

作為陸地生態系統的重要組成部分，農業生態系統與陸地生態系統中碳循環的穩定運行有關。據估計，每年有5.0%～20.0%的CO2、15.0%～30.0%的CH4和80.0%～90.0%的N2O 由土壤產生，其中農業排放相當于7.9%，CH4和N2O 分別占40.9%、71.6%[25]。因此，限制農業生態系統的碳排放對于改善全球環境和確保高價值農業用地的環境安全至關重要。

4 溫室大棚

隨著現代農業的迅速發展，設施農業越來越受到人們的重視，溫室栽培作為蔬菜生產的一種形式，具有特殊的發展前景。20世紀下半葉，全球溫室面積達到60.0 萬hm2，1980 年全球蔬菜生產的溫室面積達到16.5 萬hm2[26]。目前，全球設施農業發展迅速，荷蘭、以色列、日本和美國的發展更為突出。在荷蘭玻璃溫室是主流，溫室面積為11 000.0 hm2，其中4 700.0 hm2用于蔬菜生產。以色列開發了適合沙漠地區的太陽能溫室，面積約為5 000.0 hm2，日本2006年用于草莓生產的溫室面積為6 790.0 hm2，美國用于無土蔬菜生產的溫室面積超過2 000.0 hm2，是世界上主要的溫室種植國家之一。

溫室栽培是一種高度技術化、密集化和現代化的農業生產形式，其在現代農業發展中發揮著重要作用，它通過環境控制適應作物栽培，在一定程度上不受自然環境的制約，可以實現全年生產和季節性的對比生產。此外，溫室作物種植的高土地使用強度導致土壤性質的變化正受到越來越多的關注[27]。王士超等[28]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[29]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。李亞娟等[30]在壽光生產聚集區的試驗表明，溫室栽培模式對比于大田露天栽培模式能夠增加土壤有機碳的含量，這也表明溫室大棚的種植方式能夠提高土壤的固碳能力。

由于現代農業耕作施用大量有機肥和化肥，部分養分隨著灌溉的水分向底層土壤流動[31]，使得有機質流失，造成資源的浪費。其中碳是植物生長的來源，有機肥的添加是溫室大棚的主要碳源，王艷丹[32]在茶園的淋溶試驗表明，0～20 cm 土壤層總有機碳淋溶遷移通量最大，表層土壤碳向下遷移，造成土壤碳損失。我國的溫室生態產業起步不久，很多管理方式尚未規范，存在大量化肥盲目施用的問題，據統計，我國農田的化肥利用率分別為氮30%～60%、磷2%～25%、鉀30%～60%[33]。同時，養分的流失不僅會帶來資源的浪費還會使得重金屬及部分氮、磷、碳等元素流入地下水造成水污染問題[34-35]。溫室生態系統中通過淋溶遷移所損失的可溶性有機碳的數量雖然有限，但對于提升整個溫室生態系統的固碳減排還是十分重要的。

目前，對于我國溫室生態系統土壤可溶性有機碳的相關研究較少，大部分研究是針對傳統農業或設施農業中有機質、氮以及磷等的研究。這些研究往往忽視了土壤碳淋溶對溫室生態系統帶來的影響以及可溶性有機碳在土壤中的遷移過程。

5 同位素溯源

自然界中已知的碳（C）同位素有7 種（10C、11C、12C、13C、14C、15C 和16C），其中2 種（12C 和13C）為穩定碳同位素。穩定同位素的使用應有助于確定參與土壤碳通量的土壤生物群的關鍵群體，并對這些碳通量進行量化，然后將其隱含在用于預測氣候變化的全球循環模型中。碳同位素技術在研究土壤有機質的來源、動態轉化與穩定性等方面具有高度的專一性和靈敏度[36]，且標記方法比較成熟，已被廣泛地應用到生態學研究中[37]。土壤碳儲存是全球碳循環的核心，其對氣候變化有反饋作用。在過去的幾年里，人們越來越意識到需要解決對土壤生態系統缺乏了解的問題，特別是在生物多樣性和土壤過程方面，這導致了大型多學科研究計劃的建立。碳同位素技術是一種比較成熟的技術手段，常被用在多個方面的研究：①將不同的土壤生物群與特定的土壤過程聯系起來[38]；②量化植物-土壤碳通量[39-40]；③全面評估受污染場地的有機污染物的生物降解情況[41]；④不同碳庫之間碳循環的碳通量[42]；⑤測定土壤碳的含量與狀態、來源與動態變化[43-44]。

碳同位素12C、13C 和14C 的比例在自然材料中是不同的[45]，可以通過使用自然豐度或標記方法來追蹤環境中的碳[46]。研究環境中碳同位素的自然豐度，特別是13C（也包括14C），以及使用穩定碳同位素示蹤劑已被證明對調查土壤碳循環和土壤營養關系非常有用。自然豐度技術[47]利用了這樣一個事實，即環境中不同的碳庫可以有不同的碳同位素比例[48]。自然豐度方法的主要優點是可以直接對試驗現場收集的樣品進行研究[49]，但是所討論的碳庫之間必須有明顯和一致的差異。在許多方面，標記方法比使用自然豐度的差異更大，因為除了有機物外，許多感興趣的碳庫都可以被標記來進行研究。13C和14C 同位素示蹤方法為研究不同時間尺度的土壤有機碳動態過程提供了一個強有力的工具，常被用來示蹤土壤有機碳的來源和周轉過程[50]。

穩定同位素在探究碳循環和土壤碳的來源與轉化的過程研究中起到十分重要的作用[51]。同位素示蹤技術可以應用于營養元素和有毒有害元素在土壤-水-大氣-生物中的遷移、轉換[52]、累積規律以及土壤的侵蝕、污染歷史等方面的研究。廖宇琴等[53]在重慶市的研究中通過測定穩定性同位素組成（δ13CSOC）得到重慶市農田表層土壤碳主要受碳源的影響，中底層主要是通過土壤碳循環變化。李楊梅等[54]通過測定穩定性同位素的組成得知，土壤中有有機碳轉化為無機碳的占比和含量以及土壤固定CO2的來源及其比例含量。

穩定同位素是今后生態領域發展不可或缺的技術支持。通過同位素測定的方法可以測定生態系統變化時的土壤有機質的變化過程[55]，還可以用于水域生態系統中食物網結構的研究[56]，也是探究生態系統固碳[57]的重要途徑。對于溫室生態系統，也可以應用同位素技術來探究土壤中可溶性淋溶碳的遷移方向和來源，從而更好地對溫室生態系統的固碳減排做出策略。

6 展望

當前，穩定碳同位素技術已被廣泛應用于土壤有機質轉化、土壤碳源和影響因素等方面的研究。中國農業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和土壤有機碳同位素組成得測量和分析上，而極少有利用同位素技術對土壤有機碳來源組成進行系統的研究。中國是農業大國，農耕范圍較廣，隨著科技的發展，溫室大棚等設施農業能夠擺脫季節的約束，利用相關技術調節溫度、濕度和光照時長來增加農作物的產量和質量。在溫室生態系統中，化肥等營養物質使用較多，通過灌溉使得化肥中的營養物質通過淋溶進行遷移，不僅降低了化肥的利用效率，還使得土壤中原有的土壤碳遷移到了下層土壤，使得土壤中0～20 cm的耕作層無法有效利用這部分損失的碳。淋溶效應損失的碳遷移到了下層土壤，不僅造成農作物利用上的損失，還有可能使其中的碳通過水的不斷滲透進入地下水，減少土壤的碳固定。《聯合國氣候變化框架公約》第21 次締約方大會宣布啟動“千分之四全球土壤增碳計劃”，旨在通過增加SOC含量實現保障糧食安全與減緩氣候變化雙重目標，利用同位素技術可以有效追蹤流失碳的組成，在溫室生態系統這樣人為干預較大的環境中，通過不同的措施來減少碳流失，使土壤中的碳得以更好的固定。