于中陽，李月梅

(1.青海大學(xué)，青海 西寧 810016；2.青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院，青海 西寧 810016； 3.農(nóng)業(yè)部西寧農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，青海 西寧 810016)

設(shè)施農(nóng)業(yè)的廣泛應(yīng)用提高了土地的利用率，是一種高度集約化方式。設(shè)施農(nóng)業(yè)的應(yīng)用不僅可以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，對(duì)地方的經(jīng)濟(jì)效益提升也有一定作用[1]。設(shè)施農(nóng)業(yè)主要是通過增強(qiáng)對(duì)水分、光能、熱能的利用效率，可以更好地對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，與陸地栽培相比，它是一種投資大、產(chǎn)量高的生產(chǎn)方式，可以極大幅度的提高作物的產(chǎn)量，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。由于設(shè)施農(nóng)業(yè)的特殊性，使設(shè)施蔬菜生長(zhǎng)的環(huán)境經(jīng)常處于較為封閉的狀態(tài)，導(dǎo)致作物生長(zhǎng)處于高溫高濕的環(huán)境，由于肥料的大量使用以及缺少降雨的沖洗，會(huì)影響設(shè)施大棚內(nèi)土地系統(tǒng)的循環(huán)和開放性[2]。長(zhǎng)時(shí)間采用設(shè)施栽培的種植方式，對(duì)土壤的理化性質(zhì)、土壤內(nèi)微生物的生物活性會(huì)造成一定影響，出現(xiàn)土壤板結(jié)現(xiàn)象、酸堿度偏高、土壤肥力降低、土壤內(nèi)重金屬含量增多、微生物的活性降低、鹽漬化等問題，造成設(shè)施作物的產(chǎn)量降低，對(duì)土壤造成一定污染[3-4]。

近年來，我國的設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，設(shè)施栽培廣泛應(yīng)用，因此進(jìn)一步研究設(shè)施栽培土壤的相關(guān)性質(zhì)成為農(nóng)學(xué)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的研究熱點(diǎn)。土壤是植物生長(zhǎng)的主要有機(jī)碳庫，土壤中碳的含量是大氣中碳含量的3倍，接近陸地作物中碳含量的2.5倍[5]，土壤中碳含量的通量較大，一點(diǎn)微小改變都會(huì)對(duì)大氣中二氧化碳的濃度產(chǎn)生較大影響，也會(huì)進(jìn)一步對(duì)全球氣候產(chǎn)生影響。在陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳庫組成中，土壤有機(jī)碳是重要的碳庫之一，而設(shè)施農(nóng)業(yè)在陸地生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要角色，是研究有機(jī)碳庫中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。土壤有機(jī)碳是土壤肥力形成、糧食生產(chǎn)和土壤健康的基礎(chǔ)，適宜的土壤有機(jī)碳含量是土壤提供最佳的作物生長(zhǎng)條件、養(yǎng)分循環(huán)以及有效水分滲入和存儲(chǔ)的重要前提條件[6]。根據(jù)前人研究結(jié)果，我們可以得到影響設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳的因素復(fù)雜多樣，其中，灌溉[7-8]、施肥[9]、溫度[10]等因素對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳產(chǎn)生明顯影響。灌溉不僅能夠滿足作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成所需的水分，同時(shí)采用不同灌溉方式，對(duì)土壤的結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)等都會(huì)產(chǎn)生不同影響，一方面造成土壤有機(jī)質(zhì)、微生物組成、根系生物量等發(fā)生改變[11]，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致土壤呼吸的效率產(chǎn)生差異[12]。施肥也是農(nóng)作物增產(chǎn)一種重要措施，對(duì)設(shè)施生態(tài)系統(tǒng)具有重要影響，如通過施用有機(jī)肥能夠使設(shè)施土壤中的有機(jī)碳含量增加[13]；而且增加土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量可以幫助抵消大氣中排放的溫室氣體[14]，從而緩解全球變暖。增溫也可以顯著提高土壤有機(jī)碳礦化[15-18]。本文通過對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳影響因素的研究，以期為科學(xué)調(diào)節(jié)設(shè)施土壤質(zhì)量、維護(hù)設(shè)施區(qū)域的生態(tài)環(huán)境、保障設(shè)施產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳影響因素

1.1 灌溉對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

在我國，耕地大多分布在北方地區(qū)，天然降雨在數(shù)量上、時(shí)間上都不能夠滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的需求[19]。我國是世界上人口最多的發(fā)展中國家，農(nóng)業(yè)的發(fā)展對(duì)我國的影響較大。灌溉在中國設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要作用。在設(shè)施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)中，灌溉是一項(xiàng)重要的措施，對(duì)土壤有機(jī)碳含量會(huì)產(chǎn)生較大的影響[20]，同時(shí)灌溉也被認(rèn)為是一種極為重要的固碳潛力的管理措施[21]。灌溉對(duì)土壤中碳的輸入、碳的輸出以及土壤中碳的整體儲(chǔ)存量都會(huì)產(chǎn)生影響[22]。設(shè)施土壤碳排放量在不同的灌溉方式下會(huì)受到不同的影響。韓廣軒等[23]研究認(rèn)為灌溉這一項(xiàng)田間管理活動(dòng)將直接或間接地改變土壤環(huán)境，從而影響土壤 CO2的排放速率。在不同灌溉方式下不同土層有機(jī)碳含量不同，如土壤層中有機(jī)碳含量，在 0-20cm土層中均高于20-40cm土層，這是由于長(zhǎng)期施肥，特別是在大量施用有機(jī)肥后造成的[24]。不同灌溉方式會(huì)使土壤呈現(xiàn)出不同的土壤通氣性、不同的pH值、不同的團(tuán)聚體組成、不同的水熱等條件，從而進(jìn)一步影響有機(jī)質(zhì)礦化和腐殖化進(jìn)程[25-27]。姬景紅[28]等人主要是通過對(duì)保護(hù)地采用不同的灌溉方法對(duì)土壤有機(jī)氮組分以及土壤的剖面產(chǎn)生的影響進(jìn)行探索研究，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在不同灌溉處理方式下,土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量隨土層深度的增加而降低。唐首鋒[29]等人研究了不同灌溉方法對(duì)保護(hù)地土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著土壤層的加深，土壤中的有機(jī)碳總含量和土壤中活性有機(jī)碳的總含量隨之減少。袁德玲[30]等人主要是采用不同的灌溉方式對(duì)同一個(gè)保護(hù)地進(jìn)行灌溉，然后對(duì)土壤中的穩(wěn)性團(tuán)聚體的變化進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)溝灌進(jìn)行比較,采用滴灌的方式會(huì)對(duì)0-15cm土層中土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量和大小具有明顯的提升；采用滲灌的方式主要是使15-45cm土層中土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量和大小增加；推測(cè)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量以及土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的平均重量會(huì)隨著土壤中有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加；所以，結(jié)合對(duì)土壤團(tuán)聚體角度的研究指出在保護(hù)地種植中應(yīng)該首先選擇滴灌方式,其次選擇滲灌方式。

1.2 施肥對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

同時(shí)我們?cè)诓煌貐^(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤的研究中發(fā)現(xiàn)，土壤鹽漬化和次生鹽漬化現(xiàn)象也是司空見慣[42，45，46]。在設(shè)施農(nóng)業(yè)中，隨著植物種植的年數(shù)增加，設(shè)施土壤中鹽積、以及土壤次生鹽漬化的現(xiàn)象越來越多[42，47，48]，設(shè)施土壤中鹽分表聚的現(xiàn)象在0-20cm 表面土壤層產(chǎn)生的概率極高，而在0-5cm 的土壤層中鹽分表聚的現(xiàn)象十分嚴(yán)重[44]。設(shè)施土壤次生鹽漬化現(xiàn)象的發(fā)生，均是來受自身特殊環(huán)境和水肥管理措施的影響。當(dāng)農(nóng)業(yè)種植的場(chǎng)地由露天菜地轉(zhuǎn)為設(shè)施菜地，土壤的水分來源由原來的自然降雨?duì)顟B(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)榘敕忾]或封閉狀態(tài)，而由于缺少雨水淋洗，加上設(shè)施菜地的土壤水分蒸發(fā)速度快，導(dǎo)致了設(shè)施作物復(fù)種指數(shù)提高面對(duì)土地的施肥量大量增多，因此導(dǎo)致了土壤中養(yǎng)分表聚、鹽分表聚現(xiàn)象更加嚴(yán)重。林心雄研究表明[49]，土壤pH過低或過高都會(huì)抑制土壤中微生物的活動(dòng)，結(jié)果進(jìn)一步導(dǎo)致土壤中有機(jī)碳的分解速度明顯下降。在設(shè)施植物栽培中，我們給作物施加的氮肥、堿性肥料一般都是大于作物生長(zhǎng)發(fā)育的所需要的實(shí)際用量，長(zhǎng)此以往，就會(huì)造成設(shè)施土壤中的pH值不斷降低，在設(shè)施土壤微生物的作用下，土壤中含氮肥料降解成可溶性的硝酸鹽滯留在土壤中；而由于設(shè)施農(nóng)業(yè)的特殊環(huán)境影響，缺少雨水沖洗，導(dǎo)致土壤中的可溶性硝酸鹽不能從土壤中流出，隨著時(shí)間的推移，設(shè)施土壤中的可溶性硝酸鹽累積增加，最后造成土壤酸化問題的出現(xiàn)。隨著土壤酸化程度的增加，設(shè)施土壤中有機(jī)碳等成分可利用率也逐漸降低，進(jìn)而造成土壤中氮元素、磷元素、鉀元素等的缺失，設(shè)施土壤的酸化程度也會(huì)隨著設(shè)施土壤的使用年數(shù)逐漸增加[50]。以上這些研究結(jié)果大都是一致的，說明施肥對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生一定影響，進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳。

1.3 溫度對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

眾所周知，在氣溫非常低的凍土中，有機(jī)碳的密度也很高，它的含量可以達(dá)到36.3kg/m2，但是在氣溫非常高的暖溫帶地區(qū)，土壤碳密度僅有 1.4kg/m2，為最低[51-52]。有研究結(jié)果顯示，在21世紀(jì)末，全世界的土壤都會(huì)釋放出更多的二氧化碳，其含量甚至可能達(dá)到61 Gt[53]。還有就是由于設(shè)施土壤水分含量比較高，因?yàn)樵O(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境密閉，其水分蒸發(fā)的少。根據(jù)研究結(jié)果得出，在相同深度的土層(0-20cm)中，設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤比一般露天大田土壤有效水分含量高出9.5%，比20-40cm土層有效含水量高出8.5%[53]。因此，不難得出溫度是影響土壤釋放CO2的重要因素之一。Kirschbaum[54]認(rèn)為大氣溫度的升高和土壤對(duì)空氣中釋放出大量CO2有很大的關(guān)系，究其原因還是設(shè)施農(nóng)業(yè)溫度增高會(huì)加快土壤有機(jī)碳的礦化，會(huì)讓土壤由碳匯不斷轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚吹模滹L(fēng)險(xiǎn)也大大提高，這個(gè)研究充分說明土壤有機(jī)碳礦化與氣候變暖之間存在著正反饋關(guān)系。而Giardina和Ryan[55]卻認(rèn)為溫度的升高并不會(huì)加快土壤有機(jī)碳的礦化，也不會(huì)影響土壤在生態(tài)系統(tǒng)中的碳匯作用。但是Davidson等[56]指出，溫度對(duì)土壤有機(jī)碳礦化作用的影響可能會(huì)由于土壤有機(jī)碳庫及土壤水分等其他因子的限制作用而逐漸減弱。一般情況下，溫度通過影響土壤中微生物活性和數(shù)量進(jìn)而來影響土壤有機(jī)碳礦化的速率[57]，并且在一定溫度范圍內(nèi)，由于設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤溫度較高，土壤微生物活性和土壤酶活性都會(huì)隨土壤溫度的升高而增強(qiáng)，因此土壤有機(jī)質(zhì)礦化速率就會(huì)加快。

2 結(jié)語及展望

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要的碳庫。隨著全球氣候變暖，通過增加土壤有機(jī)碳來減少CO2排放成為目前最有效的措施。我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，其獨(dú)特的性質(zhì)導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)發(fā)生改變，目前也有很多關(guān)于此的研究。設(shè)施農(nóng)業(yè)高溫且水分迅速蒸發(fā)，加速土壤有機(jī)碳的分解；其次，施肥量大也是不可忽視的重要因素。肥料讓土壤化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，造成土壤酸化或者鹽化，也不利于有機(jī)碳的固定與生成；最后，我國疆域遼闊，作物種植面積廣泛，不同海拔、不同方位均有涉及，不同灌溉方式也會(huì)對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳有不同程度的影響。以上因素都會(huì)讓土壤有機(jī)碳加速分解，造成大量土壤有機(jī)碳被氧化并以CO2的形式釋放到大氣中，從而增加了溫室氣體的排放，致使全球氣候變暖。

綜上所述，灌溉方式、施肥及溫度影響土壤有機(jī)碳，他們之間相互作用，相互影響，都是通過分解土壤有機(jī)質(zhì)來減少土壤有機(jī)碳。根據(jù)分析國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，今后在土壤有機(jī)碳影響因素應(yīng)該側(cè)重于以下幾個(gè)方面:①對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳應(yīng)該有一個(gè)更加清楚的認(rèn)識(shí)，在掌握影響其因素的前提下，如何在不同區(qū)域進(jìn)行有效的土壤有機(jī)碳的固定，增加土壤有機(jī)碳含量，緩解全球變暖；②近幾年的研究雖然在土壤固碳措施方面取得一些成果，但是仍不全面且有不確定性。因此，在以后的研究過程中，更加精確施肥量及施肥種類，對(duì)灌溉方式方法更加有針對(duì)性，從而增加土壤固碳能力。③根據(jù)目前的研究成果，我們不能僅僅關(guān)注設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳，還應(yīng)考慮到設(shè)施農(nóng)業(yè)區(qū)域環(huán)境，全面調(diào)節(jié)設(shè)施土壤質(zhì)量，促使設(shè)施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，提供產(chǎn)量高且優(yōu)質(zhì)作物。所以，應(yīng)該進(jìn)一步對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤進(jìn)行研究及保護(hù)，增加土壤有機(jī)碳的固定，減少CO2的排放，緩解全球氣候變暖，堅(jiān)持讓設(shè)施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。