李亚娟+宋佳倩+石兆勇

摘要：选择中国冬暖式蔬菜大棚的发源地——山东寿光日光温室以及与其接近的大田土壤为研究对象，比较温室栽培模式与大田种植模式土壤有机碳的变化及其规律。结果表明，温室栽培模式相对于大田栽培模式，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，增加量达到7.5 g/kg，显著高于20～40 cm和40～60 cm的深层土壤；温室栽培模式土壤有机碳的增量随温室栽培年限的增加而呈幂函数式增长，土壤有机碳的增加同时受到土壤类型和栽培作物种类的影响，表明温室栽培措施可以增加农业土壤的固碳潜力。

关键词：温室栽培；土壤有机碳；栽培年限；作物种类；土壤类型

中图分类号：S153.6+2 文献标识码：A 文章编号：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

土壤是陆地生态系统最大的碳库，是大气碳库的3.3倍、生物碳库的4.5倍，是全球碳循环的重要组成部分，是大气CO2的源和汇[1]。土壤有机碳占到土壤碳库的一半以上，与大气成分进行活性交换的土壤有机碳占到陆地生态系统碳的2/3[2]。因此，土壤有机碳库的微小波动将引起大气CO2浓度的显著变化，从而影响到全球气候的稳定[3，4]。在全球气候变化的背景下，有关土壤有机碳的研究就成为研究的热点问题。

农田土壤有机碳库不仅占到全球陆地碳库的10%以上，而且是全球土壤碳中最为活跃的部分[5]。同时，土壤有机碳还是农田土壤肥力的核心，影响着土壤的诸多物理、化学和生物学性质，是作物高产稳产和农业可持续发展的基础[6]，因此，对农田土壤有机碳的变化及影响因素的研究应受到更广泛的关注。不同的农业措施或种植体系能够影响土壤有机碳含量的变化，Heinze等[7]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（9.2 mg/g）显著高于仅施用化肥的农田土壤（8.0 mg/g）。Santos等[8]则研究了由传统农业转化为有机农業后，土壤有机碳含量的变化，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和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[9]2004～2012年研究了有机与传统农业对土壤有机碳的影响，表明有机农业土壤有机碳显著增加（增量34.5%），而传统农业变化则不显著。郭金瑞等[10]在吉林公主岭长期定位试验，研究了休闲与增施有机肥条件下的玉米连作、玉米-大豆轮作、大豆连作等处理土壤有机碳含量的变化，表明土壤有机碳含量受到施肥和作物的影响。

近20年来，温室栽培作为一种蔬菜生产的种植模式，发展迅速，仅日光温室生产的蔬菜产量就占到所有设施蔬菜产量的40%，而在冬季则占到90%以上[11]。由于温室栽培对土地的高强度利用模式，也引起了土壤特性的变化，该方面的研究越来越受到重视。白新禄等[12]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[13]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。已有的研究已经表明，温室栽培模式影响到土壤各个方面的特性，并引起了广大研究者的兴趣，如土壤养分平衡[12-15]，土壤供肥特性[10，16-18]，土壤微生物[19-21]等。对温室栽培与大田栽培模式对土壤有机碳影响的对比研究报道主要集中在东北地区，如余海英等[14]研究了辽宁沈阳、北宁两地温室栽培对土壤有机碳含量的影响；郭冉等[22]对辽宁省朝阳市日光温室不同栽培年限土壤团聚体各组分有机碳含量的变化进行了研究。而在典型温带地区更适宜于进行日光温室栽培的区域则鲜见报道，本研究选择中国冬暖式蔬菜大棚的发源地——山东寿光日光温室以及与其接近的大田土壤，比较了温室栽培模式与大田种植模式土壤有机碳的变化及其规律，旨在探讨温室栽培模式在土壤有机碳库方面的贡献，为正确评估农田土壤碳库提供依据。endprint

1 材料与方法

1.1 研究区域

山东省作为华东地区日光温室的集中分布区，其温室占到华东地区的83%左右。寿光是全国大棚蔬菜的“实验田”，是山东省日光温室的代表，全省已经形成了以寿光为代表的日光温室蔬菜主产区。同时，寿光是国务院命名的“中国蔬菜之乡”，拥有全国最大的蔬菜生产和批发市场。随着生产技术和市场的需求，寿光温室蔬菜生产也一直进行着产业调整，近几年来，以保护地栽培为主的品种有番茄、茄子、黄瓜、菜豆、洋香瓜、辣椒、丝瓜、苦瓜、豆角等，约占蔬菜总面积的75%。

本研究选择山东寿光日光温室作为研究对象，所选择的取样点的作物和土壤类型等信息见表1。

1.2 土壤样品的采集

在寿光蔬菜生产聚集区选择成片种植且管理水平相当的日光温室，在每个温室内按棋盘式取样，用土钻取16钻，每钻分别取0～20、20～40和40～60 cm的3层土壤，取样每一行的4钻（按照南北方向作为一行）进行混合，作为一个土壤样品，即每个调查的温室共取土48钻土壤样品，用于分析的为每层4个重复。同时，在所调查的温室附近选择土壤类型相同的玉米田作为露天栽培的对照，采样方法也模拟温室的采样方法，重复4次。

1.3 土壤有机碳的测定与数据处理

土壤有机碳含量采用重铬酸钾湿氧化法测定。所得土壤有机碳数据采用Microsoft Excel 2010处理，用SPSS 19.0软件进行数据统计分析，利用单因素方差分析和最小显著性差异法比较不同土层温室和大田土壤有机碳含量及其增量的差异显著性，采用回归分析方法拟合土壤有机碳含量与栽培年限的关系。

2 结果与分析

2.1 温室栽培对土壤有机碳含量的影响

通过对比温室栽培与大田栽培模式不同土层土壤的有机碳含量，发现温室栽培模式相对于大田栽培模式土壤有机碳含量都有显著提高（图1）。从不同土层有机碳含量来看，无论是温室栽培模式还是大田栽培模式，表层（0～20 cm）土壤均高于20～40 cm和40～60 cm土壤，且随着土层深度的增加，有机碳含量逐渐降低（图1）。

温室栽培模式对不同土层土壤有机碳含量变化的影响见图2。由图2可知，0～20 cm土壤有机碳的增加量最大，为7.4 g/kg，分别为20～40 cm和40～60 cm土层有机碳增量的3.0和5.3倍。可见，温室栽培措施能显著提高土壤有机碳含量，且主要集中于表层土壤。

2.2 温室栽培年限对土壤有机碳含量的影响

温室栽培与大田栽培条件下土壤有机碳含量随栽培年限的变化情况见图3。在温室栽培条件下，仅0～20 cm表层土壤的碳含量随温室栽培年限的增加而呈增加的趋势；从温室栽培1～21年的数据来看，在0～20 cm的表层土壤中，按幂函数的关系递增，并随着栽培年限的延长，增幅逐渐减小（图3，0～20 cm）。随年限的增加，温室栽培模式与大田栽培模式随年限的增加均对深层土壤（20～40 cm和40～60 cm）有机碳含量的影响不明显。

以大田土壤为对照，得出温室栽培模式下不同深度土壤有机碳增量随栽培年限的变化，结果见图4。由图4可知，0～20 cm表层土壤有机碳的增量变化呈幂函数增长，但随年限的增加，温室栽培模式对深层土壤（20～40 cm和40～60 cm）有机碳增量的影响较小。可见，温室栽培对土壤表层有机碳的增加随种植年限的增加而呈现出一定的变化规律。

2.3 温室栽培对不同类型土壤有机碳含量的影响

根据温室和大田栽培采样点的土壤类型，主要分为黄土和黑土，相较于大田栽培模式，两类不同土壤类型土壤有机碳含量的变化量见图5。由图5可知，在0～20 cm土层中，黑土的土壤有机碳含量增长高于黄土；而在20～40 cm土层中，黑土的土壤有机碳含量增长明显低于黄土；在40～60 cm土壤中的增量二者几乎相当。表明温室栽培改变土壤有机碳含量的作用受到土壤类型的影响。

2.4 温室栽培模式下不同蔬菜类型对土壤有机碳含量的影响

温室栽培模式下不同蔬菜类型相对于大田栽培土壤有机碳含量变化的影响见图6。由图6可知，温室中茄子的种植在不同土层中最有利于土壤有机碳含量的增加，在0～20 cm的表层土壤中，土壤有机碳增量达到11.6 g/kg。辣椒类蔬菜在20～40 cm和40～60 cm土层中，土壤有机碳含量的增加则仅次于茄子，而在0～20 cm土壤中则低于瓜菜类。综合0～60 cm的土壤层中土壤有机碳含量的增加，茄子最高，其增量为6.3 g/kg，而番茄最低，仅为2.1 g/kg。可见，温室栽培土壤有機碳含量受栽培作物的影响。

3 小结与讨论

随着气候变化的加剧，全球范围内都对土壤碳库的研究非常重视，普遍认为土壤是重要的碳库，而农业土壤碳库又是全球陆地生态系统碳库中受到人为活动强烈干扰，且在短时间内可以进行人为调控的土壤碳库[23]。因此，世界各国对农业土壤碳库的研究都非常重视，如欧盟、美国、加拿大和法国等都很早就开展了国家级综合研究项目，用于分析农业土壤的固碳能力，并在此基础上明确农业土壤固碳的途径，为在国家层面上制定CO2排放清单及CO2减排配额提供依据。可见，研究农业土壤固碳的潜力，特别是农业土壤固碳的农业操作措施能够为国家制定相应的碳排放政策提供理论和数据依据，并为全球气候变化做出贡献。

本研究结果表明，温室栽培模式相对于大田露天栽培模式能够增加土壤有机碳的含量，这可能是由于温室栽培对土壤的操作强度要远大于大田土壤，而这些农事操作导致了土壤有机碳的增加。而可能导致土壤有机碳含量增加的农事操作措施主要分为如下三个方面：一是直接输入的有机质，有研究表明，山东日光温室有机肥用量非常高[24]，而长期大量施用有机肥能显著提高土壤有机质含量[11，16，21，24]，从而增加土壤有机碳的含量，这一结论已经得到王士超等[13]对温室土壤研究的验证与支持；二是由于连续的高强度栽培而导致的植物残体输入到土壤，或者是由于栽培作物类型的不同所导致的有机碳含量变化。郭金瑞等[10]利用玉米连作、玉米-大豆轮作、大豆连作等处理研究表明，土壤有机碳含量会随不同作物而有显著的不同。此研究结论在本研究中也得到进一步的验证，本研究中4类蔬菜类型的土壤有机碳含量增加量存在差异；三是与大量的施用化学肥料有关，无论是温室还是露天大田栽培所施用的化肥中，氮肥施用比例占绝对的数量，而有研究表明增施氮肥能够提高土壤有机质含量[25]，本研究中大田土壤有机碳含量也呈现略微的增加趋势，可能就是由该方面的原因所致。endprint

在本研究中，土壤有机碳含量的增量主要体现在0～20 cm的表层土壤，这可能与农事操作和施肥主要集中在0～20 cm表层耕作层有关。而随着温室栽培年限的增加，特别是0～20 cm土壤有机碳含量呈现增加的趋势，并且有机碳的增量也呈现增加的趋势，这与一些已有的研究所得出的温室土壤养分的积累规律的结论是一致的[26，27]，该结论也进一步表明，温室栽培措施能够提高土壤的固碳能力。

中国温室栽培大面积的推广，不但在解决蔬菜和水果的供应方面具有重要的意义，而且在应对全球气候变化，增加土壤对碳的固持方面有着十分重要的生态意义。估算温室栽培对增加土壤碳的固持能力有利于为政府制定碳排放计划提供数据支撑和依据。

温室栽培相对于大田栽培措施能够提高土壤有机碳的含量，主要集中在0～20 cm的表层土壤，且土壤有机碳的增加随着温室栽培年限的延长而呈现积累的趋势，同时，在温室栽培土壤有机碳积累的过程中受栽培作物种类和当地土壤类型的影响。可见，温室栽培的农业栽培措施能够显著提高农业土壤的固碳潜力。

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