溫室大棚土壤有機(jī)碳研究進(jìn)展

王欣然 王 艷* 沈乾春 張軍瑩 王 彤，2

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

自工業(yè)革命以來，全球經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)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(zāi)害頻發(fā)使得全球經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)波動。全球平均氣溫升高導(dǎo)致冰川融化、海平面上升[1]，另外，冰川中存在大量的細(xì)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(tài)系統(tǒng)中[2]，從而對人類構(gòu)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(dǎo)致全球變暖的最主要原因。人類生產(chǎn)、生活所產(chǎn)生的CO2在碳庫中循環(huán)[3]，溫室氣體的不斷增加使得自然生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的負(fù)荷不斷增大。其中，人為因素產(chǎn)生的碳排放，除了工業(yè)生產(chǎn)所帶來的氣體排放，還有人為耕作帶來的碳損失，農(nóng)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(jī)碳是影響土壤肥力的核心，同時也是作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵[5]。近幾年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通過改變和人為控制氣候創(chuàng)造日光溫室環(huán)境來提高蔬菜的品質(zhì)、產(chǎn)量，不僅滿足了新鮮蔬菜的供應(yīng)需求，更在寒冷的冬季解決了北方蔬菜的供應(yīng)問題。研究表明，在溫室大棚內(nèi)通過人為的施肥澆灌，碳、氮、磷等有機(jī)肥在土壤中的含量得以增長[6]。

通過人為干預(yù)建造溫室大棚可以有效增加蔬果的產(chǎn)量、質(zhì)量，但大量有機(jī)肥和化肥的施用加上人工澆灌的方式，會導(dǎo)致土壤中的有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)逐年流失從而導(dǎo)致耕作層土壤肥力逐年下降，下滲的水流流入地下水后進(jìn)入大氣碳循環(huán)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(jī)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(chǎn)生的碳損失在土壤碳循環(huán)中占有多大的比重，碳損失的來源是哪里，現(xiàn)存的研究結(jié)果并沒有指出這一點(diǎn)。綜上所述，探究土壤溶解性有機(jī)碳的遷移過程對于今后土壤有機(jī)碳的研究有著重大意義，同時通過同位素技術(shù)來尋找碳損失的來源，可為今后如何進(jìn)行土壤固碳提供更好的解決辦法和思路。

1 碳排放

碳是農(nóng)業(yè)的基本組成部分，其在作物的生長、發(fā)展、營養(yǎng)循環(huán)、土壤肥力質(zhì)量等方面發(fā)揮著重要作用。越來越多的證據(jù)表明，世界氣候正在發(fā)生變化，二氧化碳等溫室氣體的增加，導(dǎo)致自然災(zāi)害頻發(fā)，全球氣候變暖帶來的變化影響著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展。人類活動對化石能源消耗和生產(chǎn)活動產(chǎn)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(yīng)的貢獻(xiàn)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(dǎo)致土壤內(nèi)部環(huán)境及其理化性質(zhì)發(fā)生改變，從而影響土壤中溫室氣體的產(chǎn)生與排放[9]。據(jù)第二次全國土壤普查統(tǒng)計(jì)，全球有1 500～2 000 Pg 的碳以有機(jī)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(xiàn)是燃燒化石燃料的10倍[10]。由于自然因素和人類活動，農(nóng)田中儲存的碳的數(shù)量和質(zhì)量經(jīng)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(chǎn)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(zhì)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(jī)碳（SOC）庫1 550 Gt，土壤無機(jī)碳（SIC）庫750 Gt。估計(jì)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(tài)的，土壤碳的變化會對大氣中的CO2水平產(chǎn)生重大影響。土壤碳指的是土壤的全球固體陸地物質(zhì)，包括SOC、SIC 2個部分。土壤作為一個碳匯，其在生物地球化學(xué)、減緩氣候變化和建立全球氣候模型方面發(fā)揮著內(nèi)在的功能[12]。

相比于森林、草原和濕地等自然生態(tài)系統(tǒng)，農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)是最為活躍的。在人工干預(yù)和自然環(huán)境的條件下，農(nóng)田土壤碳庫正持續(xù)不斷地發(fā)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(nóng)田土壤碳產(chǎn)生不一樣的變化，可見農(nóng)田土壤碳受人為干預(yù)的影響較大。正因?yàn)檗r(nóng)田土壤碳可受人為控制，可以通過耕作管理方式來進(jìn)行固碳。石岳峰等[14]研究表明，保護(hù)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(nóng)田CO2排放。

土壤碳庫比陸地生態(tài)系統(tǒng)的生物碳庫大3倍左右，是大氣碳庫的2倍。因此，土壤有機(jī)碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中全球碳循環(huán)研究的一個熱點(diǎn)，也是全球變化研究的一個重要組成部分。根據(jù)現(xiàn)有研究，中國的土壤有機(jī)碳為80～90 Pg，約為全球有機(jī)碳庫的5.0%。中國表層土壤有機(jī)碳庫的規(guī)模為38～40 Pg，約占中國土壤有機(jī)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(guān)聯(lián)的，土壤碳庫在減少碳排放和緩解全球氣候變化中發(fā)揮著重要作用。

3 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳

河南省作為農(nóng)業(yè)大省，在2020年通過凈碳匯法得出河南省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯值為354.01×104tC，碳吸收明顯大于碳排放[16]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的主要碳庫包括植被碳庫和土壤碳庫，在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，土壤呼吸作用是決定農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的關(guān)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(nóng)作物提供養(yǎng)分，但通過礦化作用輸出到大氣中的CO2則會對環(huán)境造成一定的影響，造成氣候升溫等現(xiàn)象。大量化肥的使用也會導(dǎo)致土壤碳的流失與重金屬的累積[17]。農(nóng)田土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍和最有影響力的碳庫之一，約占全球陸地系統(tǒng)碳積累的10.0%。農(nóng)業(yè)土壤碳估計(jì)占中國儲存的有機(jī)碳的14.4%～16.2%，研究表明，自1980 年以來，中國土壤的有機(jī)碳含量穩(wěn)步上升，表明中國農(nóng)業(yè)土壤具有巨大的碳儲存潛力[18]。

土壤有機(jī)碳還影響土壤的物理、化學(xué)和生物特性，從而構(gòu)成了農(nóng)田土壤肥力、作物高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)以及可持續(xù)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，因而需要更多地關(guān)注農(nóng)田土壤有機(jī)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(jī)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(shí)施管理的有機(jī)農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量顯著高于僅施用化肥的農(nóng)田土壤。Santos 等[21]研究了由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化為有機(jī)農(nóng)業(yè)后，土壤有機(jī)碳含量的變化，結(jié)果表明，在0～5 cm和5～10 cm的土層中，有機(jī)農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳顯著提高，分別是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)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(jī)碳增加則不顯著。褚慧等[22]研究了有機(jī)農(nóng)業(yè)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)對土壤有機(jī)碳的影響，結(jié)果表明，有機(jī)農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳顯著增加，而傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)變化則不顯著。在設(shè)施農(nóng)業(yè)中，通過調(diào)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(jī)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(nóng)業(yè)土壤具有相當(dāng)巨大的固碳減排潛力。

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)的穩(wěn)定運(yùn)行有關(guān)。據(jù)估計(jì)，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(chǎn)生，其中農(nóng)業(yè)排放相當(dāng)于7.9%，CH4和N2O 分別占40.9%、71.6%[25]。因此，限制農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的碳排放對于改善全球環(huán)境和確保高價值農(nóng)業(yè)用地的環(huán)境安全至關(guān)重要。

4 溫室大棚

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)越來越受到人們的重視，溫室栽培作為蔬菜生產(chǎn)的一種形式，具有特殊的發(fā)展前景。20世紀(jì)下半葉，全球溫室面積達(dá)到60.0 萬hm2，1980 年全球蔬菜生產(chǎn)的溫室面積達(dá)到16.5 萬hm2[26]。目前，全球設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，荷蘭、以色列、日本和美國的發(fā)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(chǎn)。以色列開發(fā)了適合沙漠地區(qū)的太陽能溫室，面積約為5 000.0 hm2，日本2006年用于草莓生產(chǎn)的溫室面積為6 790.0 hm2，美國用于無土蔬菜生產(chǎn)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(shù)化、密集化和現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式，其在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，它通過環(huán)境控制適應(yīng)作物栽培，在一定程度上不受自然環(huán)境的制約，可以實(shí)現(xiàn)全年生產(chǎn)和季節(jié)性的對比生產(chǎn)。此外，溫室作物種植的高土地使用強(qiáng)度導(dǎo)致土壤性質(zhì)的變化正受到越來越多的關(guān)注[27]。王士超等[28]研究表明，溫室栽培后，土壤養(yǎng)分氮、磷、鉀累積量顯著增加。王士超等[29]也指出溫室栽培導(dǎo)致土壤供氮能力顯著提高，且與溫室栽培年限呈正相關(guān)。李亞娟等[30]在壽光生產(chǎn)聚集區(qū)的試驗(yàn)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(jī)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(xiàn)代農(nóng)業(yè)耕作施用大量有機(jī)肥和化肥，部分養(yǎng)分隨著灌溉的水分向底層土壤流動[31]，使得有機(jī)質(zhì)流失，造成資源的浪費(fèi)。其中碳是植物生長的來源，有機(jī)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(yàn)表明，0～20 cm 土壤層總有機(jī)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(tài)產(chǎn)業(yè)起步不久，很多管理方式尚未規(guī)范，存在大量化肥盲目施用的問題，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國農(nóng)田的化肥利用率分別為氮30%～60%、磷2%～25%、鉀30%～60%[33]。同時，養(yǎng)分的流失不僅會帶來資源的浪費(fèi)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(tài)系統(tǒng)中通過淋溶遷移所損失的可溶性有機(jī)碳的數(shù)量雖然有限，但對于提升整個溫室生態(tài)系統(tǒng)的固碳減排還是十分重要的。

目前，對于我國溫室生態(tài)系統(tǒng)土壤可溶性有機(jī)碳的相關(guān)研究較少，大部分研究是針對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)或設(shè)施農(nóng)業(yè)中有機(jī)質(zhì)、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(tài)系統(tǒng)帶來的影響以及可溶性有機(jī)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(wěn)定碳同位素。穩(wěn)定同位素的使用應(yīng)有助于確定參與土壤碳通量的土壤生物群的關(guān)鍵群體，并對這些碳通量進(jìn)行量化，然后將其隱含在用于預(yù)測氣候變化的全球循環(huán)模型中。碳同位素技術(shù)在研究土壤有機(jī)質(zhì)的來源、動態(tài)轉(zhuǎn)化與穩(wěn)定性等方面具有高度的專一性和靈敏度[36]，且標(biāo)記方法比較成熟，已被廣泛地應(yīng)用到生態(tài)學(xué)研究中[37]。土壤碳儲存是全球碳循環(huán)的核心，其對氣候變化有反饋?zhàn)饔?。在過去的幾年里，人們越來越意識到需要解決對土壤生態(tài)系統(tǒng)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(dǎo)致了大型多學(xué)科研究計(jì)劃的建立。碳同位素技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)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(lián)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(jī)污染物的生物降解情況[41]；④不同碳庫之間碳循環(huán)的碳通量[42]；⑤測定土壤碳的含量與狀態(tài)、來源與動態(tài)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(biāo)記方法來追蹤環(huán)境中的碳[46]。研究環(huán)境中碳同位素的自然豐度，特別是13C（也包括14C），以及使用穩(wěn)定碳同位素示蹤劑已被證明對調(diào)查土壤碳循環(huán)和土壤營養(yǎng)關(guān)系非常有用。自然豐度技術(shù)[47]利用了這樣一個事實(shí)，即環(huán)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(yōu)點(diǎn)是可以直接對試驗(yàn)現(xiàn)場收集的樣品進(jìn)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(biāo)記方法比使用自然豐度的差異更大，因?yàn)槌擞袡C(jī)物外，許多感興趣的碳庫都可以被標(biāo)記來進(jìn)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(jī)碳動態(tài)過程提供了一個強(qiáng)有力的工具，常被用來示蹤土壤有機(jī)碳的來源和周轉(zhuǎn)過程[50]。

穩(wěn)定同位素在探究碳循環(huán)和土壤碳的來源與轉(zhuǎn)化的過程研究中起到十分重要的作用[51]。同位素示蹤技術(shù)可以應(yīng)用于營養(yǎng)元素和有毒有害元素在土壤-水-大氣-生物中的遷移、轉(zhuǎn)換[52]、累積規(guī)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(wěn)定性同位素組成（δ13CSOC）得到重慶市農(nóng)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(huán)變化。李楊梅等[54]通過測定穩(wěn)定性同位素的組成得知，土壤中有有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為無機(jī)碳的占比和含量以及土壤固定CO2的來源及其比例含量。

穩(wěn)定同位素是今后生態(tài)領(lǐng)域發(fā)展不可或缺的技術(shù)支持。通過同位素測定的方法可以測定生態(tài)系統(tǒng)變化時的土壤有機(jī)質(zhì)的變化過程[55]，還可以用于水域生態(tài)系統(tǒng)中食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)的研究[56]，也是探究生態(tài)系統(tǒng)固碳[57]的重要途徑。對于溫室生態(tài)系統(tǒng)，也可以應(yīng)用同位素技術(shù)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(tài)系統(tǒng)的固碳減排做出策略。

6 展望

當(dāng)前，穩(wěn)定碳同位素技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化、土壤碳源和影響因素等方面的研究。中國農(nóng)業(yè)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(jī)碳同位素組成得測量和分析上，而極少有利用同位素技術(shù)對土壤有機(jī)碳來源組成進(jìn)行系統(tǒng)的研究。中國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)耕范圍較廣，隨著科技的發(fā)展，溫室大棚等設(shè)施農(nóng)業(yè)能夠擺脫季節(jié)的約束，利用相關(guān)技術(shù)調(diào)節(jié)溫度、濕度和光照時長來增加農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。在溫室生態(tài)系統(tǒng)中，化肥等營養(yǎng)物質(zhì)使用較多，通過灌溉使得化肥中的營養(yǎng)物質(zhì)通過淋溶進(jìn)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(yīng)損失的碳遷移到了下層土壤，不僅造成農(nóng)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(jìn)入地下水，減少土壤的碳固定?！堵?lián)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(jì)劃”，旨在通過增加SOC含量實(shí)現(xiàn)保障糧食安全與減緩氣候變化雙重目標(biāo)，利用同位素技術(shù)可以有效追蹤流失碳的組成，在溫室生態(tài)系統(tǒng)這樣人為干預(yù)較大的環(huán)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。