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作者简介:

仝利红(1990-),女,河南安阳人,博士研究生,主要从事有机栽培对土壤质量的研究。E-mail:lihongtong@cau.edu.cn。

通讯作者:

吕贻忠,E-mail:lyz@cau.edu.cn。

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目录contents

    摘要

    研究不同种植方式下温室土壤有机碳库和酶活性变化特征,可为探明不同种植模式温室土壤有机碳周转机制、提高土壤肥力、增加土壤碳库储量提供科学依据。以华北地区曲周 16 年长期定位试验为基础,研究了有机(OP)、绿色(GP)和常规(CP)3 种种植方式下温室土壤有机碳库和酶活性的变化特征,并对土壤质量进行定量化评价。结果表明,OP 显著提高了蔬菜产量和土壤有机碳库容量,改善了土壤结构,提高了含水量及养分含量且增强了土壤保肥及缓冲性能。与 CP 相比,OP 使春季和秋季蔬菜产量分别提高了 62.28% 和 22.02%,土壤有机碳提高了 105.53%,活性有机碳组分提高了 109.30% ~ 230.27%,腐殖质碳组分提高了 91.61% ~ 128.37%,土壤碳储量提高了 51.14%,GP 次之。过氧化氢酶、脲酶和纤维素酶活性均在 OP 中显著增加,分别提高了 48.51%、 68.39% 和 109.72%,但蔗糖酶活性并无明显变化。通过主成分分析方法,由综合得分可知 OP>GP>CP,由此可见,有机种植在改善土壤结构、提高土壤养分含量及转化效率、增加土壤固碳量等方面优于绿色和常规种植。说明有机种植对于提高华北地区设施大棚内有机碳组分、碳储量和土壤酶活性的效果显著,是提高土壤肥力、改善土壤结构、增加土壤有机碳固定量的有效措施。

    Abstract

    To clarify the changes of soil organic carbon pool and enzyme activity in greenhouse can provide scientific basis for the further study of soil organic carbon turnover mechanism and improvement of soil carbon storage in different planting modes.In this study,the changes of soil organic carbon pool and enzyme activity in greenhouse in North China under three planting modes,i.e. organic(OP),green(GP)and conventional(CP)planting modes,were studied by 16 years experiments and quantitative assessment of soil quality was conducted.The results showed that OP significantly increased the vegetables yield and soil organic carbon pool capacity,improved soil structure,increased water content and nutrient content,and enhanced soil fertility and buffering performance.Compared with CP,OP increased the vegetables yield of spring and autumn by 62.28% and 22.02%,soil organic carbon by 105.53%,labile organic carbon fraction increased by 109.30% ~ 230.27%,humic carbon fraction increased by 91.61% ~ 128.37%,soil carbon storage increased by 51.14%, respectively.The effects of GP was second to OP.The activity of catalase,urease and cellulase increased significantly in OP,which increased by 48.51%,68.39% and 109.72%,respectively,but sucrose did not change significantly. According to the principal component analysis,OP>GP>CP can be known from the comprehensive score.Therefore, organic planting is superior to green and conventional cultivation in improving soil structure,increasing soil nutrient content and transformation efficiency,and increasing soil carbon sequestration.It is indicated that organic cultivation has a significant effect on improving the content of organic carbon composition,carbon storage and enzyme activity in greenhouse in North China,and is the key measure to increase vegetable yield and soil fertility,improve soil structure and increase soil carbon sequestration.

  • 20 世纪90 年代后,设施大棚在华北地区迅猛发展,现已成为华北地区蔬菜长期有效市场供给的关键[1]。人们为了追求高产、高效,大量的化肥和农药投入到温室内,温室土壤现已出现了连作障碍、病虫害多、盐渍化等诸多问题,不仅影响作物产量和品质,还导致土壤退化及一系列生态和环境问题[2-3]。有机种植是可持续发展农业模式中的经典,它通过协调种植业和养殖业的平衡,采取一系列可持续发展的农业技术,保证了农业的可持续发展及生态系统的良性循环。

  • 土壤有机碳库是影响土壤肥力和环境的重要因素,提高土壤有机碳库的含量及固定量对于提高土壤肥力和生产力、减缓温室效应具有重要意义[4-5]。有机种植是遵照有机农业生产标准,在生产中不采用基因工程获得的生物及其产物,不使用化学合成的农药、化肥、生长调节剂、饲料添加剂等物质,遵循自然规律和生态学原理,协调种植业和养殖业的平衡,采用一系列可持续发展的农业技术以维持持续稳定农业生产体系的一种农业生产方式。有机种植大量有机肥的施用,显著提高了土壤中有机质含量。Gattinger等对全球范围内典型农业生产气候区有机与常规农业生产系统的74 组数据进行了系统全面的对比分析。分析结果表明,有机系统具有增加和固定土壤有机碳的潜力,且被认为是减少温室气体的一个重要措施[2]。活性有机碳与土壤肥力、土壤养分、作物生物效应相关性比总有机碳与它们的相关性更好,并且对土地利用方式、 有机肥等反映最敏感[6-7],因此活性有机碳可作为反映土壤肥力质量的敏感指标[8],而相对比较稳定的土壤腐殖质含量和结构决定有机碳的结构稳定性及固碳潜力。土壤酶活性对于土壤性质的微小变化极其敏感,不仅参与有机碳的循环周转,而且可被吸附在有机碳组分上与其形成复合物,从而保护其免于被快速分解,可作为土壤质量变化的敏感指标[9]。有机种植由于有机肥的大量施用且禁止使用任何化学农药,进而为土壤微生物创造了更适宜的生存环境,促使土壤生物多样性增加,最终影响了土壤酶活性。

  • 目前关于华北地区设施大棚的研究多集中在蔬菜产量、土壤养分含量及温室气体排放等方面,而关于有机种植对温室土壤有机碳累积、组分转化及土壤质量的综合评价尚少见报道。本研究以河北曲周长期定位试验不同种植方式的温室蔬菜大棚为基础,对华北地区长期有机、绿色和常规种植模式下设施大棚土壤有机碳各组分含量、碳储量和酶活性的变化特征进行研究分析并运用主成分进行综合评价,旨在揭示有机种植下土壤有机碳库的转变机制,为培肥土壤、稳定土壤结构,最终实现设施农业的可持续发展提供科学的理论依据。

  • 1 材料与方法

  • 1.1 试验点概况

  • 本试验为日光温室蔬菜生产长期定位试验,于2002 年3 月在中国农业大学曲周实验站(36°52′N, 115°01′E)进行,实验站位于河北省邯郸市曲周县北部,属温带半湿润季风气候区,年均降水量604 mm。长期定位试验设计常规种植(CP)、绿色无公害种植(GP)、有机种植(OP)3 种日光温室蔬菜生产模式,供试作物为番茄和芹菜轮作,试验分为3 个温室大棚处理,每个温室占地面积约为0.04 hm2(长52 m,宽7 m),每个大棚内分3 个小区作为重复,原始土壤为盐化潮褐土。试验前土壤有机质16.94 g·kg-1,全氮1.24 g·kg-1,全磷1.61 g·kg-1,pH为7.68,砂粒含量54.11%,粉粒含量28.45%,粘粒含量17.44%。

  • 1.2 试验设计

  • 常规种植(CP): 采用常规管理方式, 施用化肥为主,少量施用有机肥。化肥施用量为4 t·hm-2·季 -1,有机肥用量为13.4 t·hm-2·季 -1; 病虫害防治采用常规化学防治。化肥中氮肥为尿素、磷肥为过磷酸钙、钾肥为氯化钾,混合比例为3∶4∶5。

  • 绿色无公害种植(GP):以有机肥为主,用量为29.6 t·hm-2·季 -1,化肥用量为2 t·hm-2·季-1; 病虫害防治以生物防治为主,病虫害严重时使用低毒低残留的化学农药进行防治。化肥中氮肥为尿素、磷肥为过磷酸钙、钾肥为氯化钾,混合比例为3∶4∶5。

  • 有机种植(OP):只施用有机肥,有机肥施用量为59.2 t·hm-2·季-1;病虫害防治以人工防治和物理防治为主,不施用任何化学农药及激素类物质。有机肥经高温堆腐形成,原料有牛粪、鸡粪、 农作物秸秆等有机废弃物。

  • 3 个温室均采用大水漫灌,试验期间每个大棚分别灌溉了13 次。

  • 1.3 土壤样品采集

  • 土壤样品于2018 年5 月分别在CP、GP和OP 3 个大棚内进行取样,每个大棚分为3 个小区,每个小区内按S形布点取样,分别采集0 ~ 20 cm的土壤,每5 个点为一个混合样,混合均匀后按四分法取舍,保留1 kg左右,一部分用塑封袋带回实验室,一部分用铝盒4℃保存带回实验室。用一部分鲜土测定土壤可溶性有机碳、微生物量碳和土壤酶活性,风干土样测定土壤的基本理化性质。

  • 1.4 测定项目与方法

  • 1.4.1 土壤基本理化性质测定

  • 土壤pH采用pH计测定( 水土比2.5∶1); 采用中性乙酸铵浸提法测定土壤阳离子交换量(CEC);电导仪测定(水土比5∶1)电导率;湿筛法测定土壤团聚体含量;含水量采用烘干法; 土壤容重采用环刀法;土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷均采用农化分析常规分析方法测定[10]

  • 1.4.2 土壤有机碳组分测定

  • 土壤腐殖质碳组分含量测定采用重铬酸钾氧化法:首先采用重铬酸钾氧化法测定土壤腐殖质全碳含量,而后用0.1 mol·L-1 焦磷酸钠和0.1 mol·L-1 氢氧化钠的混合溶液(pH为13)为浸提剂,按照水土比为10∶1 浸提土壤,收集滤液,测定胡敏酸和富里酸总量及胡敏酸的含量,差值法得富里酸和胡敏素含量[11]

  • 可溶性有机碳(DOC)测定方法:取10 g新鲜土样,按水土比5∶1 混匀,震荡1 h后离心,上清液过0.45 μm滤膜后用总有机碳分析仪测定待测液中的总有机碳即为DOC。易氧化有机碳(EOC)采用333 mol·L-1 高锰酸钾氧化土壤,在波长565 nm下用分光光度计比色法测定易氧化有机碳[12]。土壤微生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-硫酸钾浸提法[11]:取25 g新鲜土样置于真空干燥器内进行氯仿熏蒸,同时另取25 g新鲜土样做空白对照,用0.5 mol·L-1 硫酸钾浸提、震荡、过滤后用总有机碳分析仪测定待测液中的总有机碳即为MBC。颗粒有机碳(POC)采用偏磷酸钠提取颗粒有机碳, 然后用重铬酸钾-硫酸外加热法测定[13]

  • 1.4.3 土壤有机碳储量计算

  • 土壤碳储量计算公式如下[14]

  • SOCstorage =i=1n Ci×ρi×Ti×10-1

  • 公式中, SOCstorage 为特定深度的土壤有机碳储量(t·hm-2), Ci为第 i 层土壤有机碳含量(g·kg-1), ρi为第 i 层土壤容重(g·cm-3), Ti为第 i 层土壤厚度(cm),n为土层数。

  • 1.4.4 土壤酶活性测定

  • 脲酶活性(以NH3-N计,mg·g-1·24 h-1)测定:采用苯酚钠-次氯酸钠比色法;蔗糖酶和纤维素酶活性测定均采用3,5-二硝基水杨酸比色法; 过氧化氢酶测定采用容量法[15]

  • 1.5 数据统计与分析

  • 数据经Excel 2016 整理后,采用SPSS 20.0 软件对数据进行单因素方差分析(ANOVA),用最小显著性差异法(LSD)进行多重比较(P=0.05 或0.01)。采用Matlab进行主成分分析。

  • 2 结果与分析

  • 2.1 不同种植方式对蔬菜产量和土壤特性的影响

  • 作物产量是用来衡量土壤肥力的关键指标,有机肥的施用对于蔬菜产量的提升具有明显优势。如图1 所示,无论是在春季还是在秋季,OP处理的蔬菜产量均高于GP和CP处理, 而GP与OP在春季蔬菜产量存在显著差异,秋季则无显著差异,这可能与施肥量及蔬菜生长期有关。与CP相比,OP和GP春季蔬菜产量分别提高了62.28%和30.51%;秋季蔬菜产量则分别提高了22.02%和17.70%。

  • 图1 不同种植方式对春季和秋季蔬菜产量的影响

  • 注:不同小写字母表示处理间差异显著(P< 0.05)。下同。

  • 表1 为不同种植方式对土壤主要属性及功能的影响。有机种植显著改善了土壤结构,提高了土壤养分含量及利用率。有机肥的输入提供了大量胶结剂,促进了土壤团聚作用,其中大团聚体的增加尤为明显,与CP相比,OP处理大团聚体含量增加了216.38%,这将显著改善土壤的物理结构,进而影响土壤容重和保水性能。与CP相比,OP使土壤含水量提高了293.04%、容重降低了26.15%,通气性和保水性的改善将间接影响土壤养分的有效性。OP模式下全氮提高了107.36%,全磷也有小幅度提升, 与此同时土壤CEC也提高了36.40%,说明OP模式下,土壤具有较强的供肥潜力,GP各项指标的改善程度仅次于OP。3 种处理中土壤pH都在7 左右, 表现为中性,土壤EC在CP和OP中也无明显差异。

  • 表1 不同种植方式对土壤特性的影响

  • 注:不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

  • 2.2 不同种植方式对土壤碳库的影响

  • 2.2.1 不同种植方式对土壤有机碳的影响

  • 土壤有机质是土壤固相的重要组成部分,是反映土壤肥力质量的关键指标,其含量变化还直接影响土壤碳库水平,从而对全球碳收支平衡造成深刻影响。图2 为不同种植方式下土壤有机碳含量,结果表明,相较于CP,OP和GP使土壤有机碳含量显著增加,分别提高了105.53%和37.36%。图2 所示为长期不同种植方式下0 ~ 20 cm土层有机碳储量。OP处理中有机碳储量最高,为67.37 t·hm-2。 与CP相比,OP使土壤碳储量提高了51.14%。研究结果表明,有机种植不仅显著增加了土壤有机碳含量,且增加了土壤碳储量,是提高土壤肥力、增加土壤碳储量最有效的种植方式。

  • 图2 不同种植方式对土壤有机碳含量及有机碳储量的影响

  • 2.2.2 不同种植方式对土壤活性有机碳组分的影响

  • 活性有机碳分子量低、有效性较高,可作为反映土壤肥力质量的敏感指标。主要包括易氧化有机碳(EOC)、 微生物量碳(MBC)、 颗粒机碳(POC) 和可溶性有机碳(DOC)。 研究表明,各活性有机碳组分含量都在OP处理中达到最高,GP次之;OP使活性有机碳组分提高了109.30%~ 230.27%(图3)。有机种植使土壤活性有机碳含量成倍增加,主要是由于有机肥中含有大量的活性组分能够促进土壤中活性有机碳的积累,而且有机管理能够促进土壤微生物活性,加快了活性有机碳组分的转化,从而促进了土壤活性有机碳组分的显著增加。活性有机碳的大量增加,能显著提高土壤养分含量及利用率,从而提高土壤肥力质量。

  • 图3 不同种植方式对土壤可溶性有机碳、微生物量、颗粒有机碳和易氧化有机碳的影响

  • 2.2.3 不同种植方式对土壤腐殖质碳组分的影响

  • 腐殖质是土壤有机质的主要存在形态,含有复杂的大分子抗降解物质,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结构变化决定了有机质的稳定性及固碳潜力。图4 所示,HA、FA和HM的含量均在OP中最高。与CP相比,OP中的腐殖质碳组分提高了91.61%~ 128.37%。有机种植显著增加了土壤腐殖质含量,且各组分含量也随之增加,这主要是由于有机种植土壤中含有大量生物活性物质加速了土壤腐殖化进程,从而使土壤腐殖质碳组分含量显著增加。腐殖物质的显著增加不仅能够改善土壤理化性状,而且提高了土壤有机质抗分解的能力,从而使固定在土壤中的有机碳库容量显著增加。

  • 图4 不同种植方式对土壤胡敏酸、富里酸和胡敏素的影响

  • 2.3 不同种植方式对土壤酶活性的影响

  • 土壤酶作为生化反应的催化剂,能够促进土壤中营养物质的循环和转化,其活性的高低能够反映土壤养分转化的强弱,对评价土壤肥力水平有重要意义。图5 所示,蔗糖酶在3 种栽培方式中无明显差异,而与CP相比,过氧化氢酶、脲酶和纤维素酶活性均在OP中显著增加,分别提高了48.51%、68.39%和109.72%。有机种植由于显著增加了土壤有机质含量,为微生物生长繁殖提供了大量的养分及酶促底物,从而使土壤酶活性得到提高,而蔗糖酶活性在3 种种植方式中无明显差异, 这可能是由于土壤类型和有机肥种类的不同所造成的。

  • 图5 不同种植方式对土壤过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶和纤维素酶活性的影响

  • 综上所述,长期有机种植改善了土壤结构,有机碳各组分含量均显著增加,土壤酶活性同样得到提高,从而使土壤肥力及土壤有机碳库容量得到显著提高。土壤有机碳累积受有机物投入量和降解速率的双重影响。有机肥投入量的增加及有机管理方式不仅提高了土壤有机质含量,且改善了土壤结构,有利于土壤养分高效周转和生物活跃,使有机碳在较高水平下进行周转;而土壤大团聚体的增加是土壤结构优化的重要标志,不仅保护土壤有机碳免于分解、提高土壤有机碳含量,而且改善了土壤的通气性和保水能力,使酶促反应的条件得到优化,酶活性同样得到提高。分析可知,土壤有机碳含量增加及土壤团聚体的闭蓄作用是提高土壤有机碳储量的主要原因。

  • 2.4 主成分分析

  • 为科学评价不同种植方式对土壤质量的影响, 对土壤物理、化学和生物学性质共23 个指标进行了主成分分析,计算主成分综合得分并进行排序。 分析结果表明,PC1 贡献率为74.19%、PC2 贡献率为10.35%、PC3 贡献率为5.79%,3 个主成分累积贡献率达90.33%,涵盖了土壤各指标的大部分信息,基本解释了数据的全部变异。图6 所示是各因子在主成分空间中的载荷图(左)和综合得分图(右)。图6 可以看出,PC1 以全氮、CEC、有机碳组分和土壤酶等20 个指标为影响因子,包含了土壤物理、化学和生物学性质,贡献率为74.19%, 解释了样本74.19%的总方差, 其中PC1 与EC、< 0.25 mm团聚体、容重呈负相关,而与其他指标呈正相关。说明良好的土壤结构是土壤养分高效周转和生物活跃的基础,使有机碳储量在较高水平下进行循环,并表现为有机碳储量的扩大。图6 所示,OP综合得分最高为5.53、GP为 −1.28、CP为 −4.25,由综合得分可知OP>GP>CP,由此可见, 有机种植在改善土壤结构、提高土壤养分含量及转化效率、增加土壤固碳量等方面优于绿色和常规种植。

  • 图6 主成分分析结果(左为主成分载荷图,右为主成分综合得分)

  • 3 讨论

  • 由于有机种植进行大量有机肥的投入且配合有机管理方式,不仅提高了土壤有机物含量及土壤微生物活性、加快了养分转化,并且能促进地上部植物的生长,使植物与土壤形成良好的互作。本研究表明,有机种植显著提高了土壤有机碳库容量,改善了土壤结构,提高了含水量及养分含量且增强了土壤保肥及缓冲性能。与常规相比,有机种植使土壤有机碳、各组分含量及碳储量显著增加,其中有机碳总量提高了1 倍、有机碳组分则提高了1 ~ 2 倍,土壤碳储量扩增了0.5 倍。这与前人研究结果一致[16-18]。大量研究表明,温室土壤由于有机肥的施用不仅能显著改善土壤结构、提高肥力,增加作物产量并改善其品质,而且还能够调节温室土壤连作障碍[19-21]。有机肥施入土壤后能够促进有机碳和矿物颗粒结合形成有机无机复合物,有利于改善土壤结构并促进腐殖质的积累,而且有机肥中含有芳构化程度较低而活性较高的腐殖酸类物质,同时可改变土壤中腐殖质的分子结构,并增加其腐殖化程度,有利于土壤碳的固定,对于保持土壤肥力及稳定碳库具有重要意义[22-24]。梁尧[25]研究表明,有机栽培对土壤有机碳的积累首先是对其活性组分的积累。高洪军等[26]研究表明长期高量有机肥对腐殖质积累效果最为显著。有机种植增加了温室土壤有机碳组分含量及促进土壤团聚体的形成和稳定,进而提高了土壤碳库储量。

  • 土壤酶活性对于施肥及管理方式反映极其敏感。有机种植能够显著增加土壤有机碳尤其是活性有机碳及土壤微生物的数量,并为微生物生长繁殖提供了大量的养分及酶促底物,从而使土壤酶活性得到提高[27-30]。本研究结果与之相同,有机种植显著增加了土壤过氧化氢酶、脲酶和纤维素酶活性,而蔗糖酶活性则无明显变化。有机种植显著提高了土壤过氧化氢酶和脲酶、磷酸酶等酶的活性[31-32],尤其是长期施用有机肥对于提高土壤蔗糖酶活性最为明显[33]。相反,也有研究表明,随着有机肥施肥年限的增加,土壤脲酶、蛋白酶和过氧化氢酶活性显著提高,而多酚氧化酶和蔗糖酶活性无明显差异[34]。这可能是由于土壤类型和有机肥种类不同所造成的。叶俊等[35]通过对露地及温室环境下有机和常规蔬菜栽培土壤中酶活性的对比研究,发现有机生产能够提高参与土壤碳氮循环的酶活性。

  • 主成分分析能够客观准确地筛选出土壤属性的变异性[36-37]。为科学评价不同种植方式对温室土壤质量的影响,本研究通过主成分分析对不同种植方式下土壤质量进行定量化评价,结果表明,PC1 与EC、< 0.25 mm团聚体、容重呈负相关,而与其他指标呈正相关。说明良好的土壤结构是提高土壤肥力、增加土壤碳库储量的基础。综合得分可知OP>GP>CP,由此可见,有机种植是改善土壤结构、 提高土壤养分含量及转化效率、增加土壤固碳量最有效的措施。

  • 4 结论

  • 与常规相比,绿色和有机种植由于有机肥的施入,改善了土壤结构,提高了土壤含水量及土壤养分含量且增强了土壤保肥及缓冲性能,使温室大棚内蔬菜产量增加并且有机种植的提升效果更加显著。

  • 相较于常规种植,有机种植显著增加了土壤有机碳组分含量及有机碳储量,绿色种植次之。其中,有机种植使土壤有机碳总量提高了1 倍,有机碳组分则提高了1 ~ 2 倍,土壤碳储量扩增超过了50%。同时,有机种植显著提高了土壤过氧化氢酶、脲酶、纤维素酶活性,而蔗糖酶活性无明显差异。主成分分析结果表明,有机种植在改善土壤结构、提高土壤养分含量及转化效率、增加土壤固碳量等方面优于绿色和常规种植,有机种植是温室内提高土壤质量的有效措施。

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