研究以不同種植模式的蔬菜地土壤為例論文
土壤作為全球碳循環(huán)的源和匯，其微小變化就能引起大氣中CO2濃度的較大波動，從而對全球環(huán)境變化產(chǎn)生重大影響。據(jù)估算，土壤中以有機(jī)質(zhì)形式存在的碳含量（約1550Pg）約占陸地總有機(jī)碳庫的2/3,為大氣碳庫的2倍。國外科學(xué)家提出，農(nóng)業(yè)土壤固碳是唯一在控制氣候變化上沒有遺憾的技術(shù)。根據(jù)IPCC建議，89%的農(nóng)業(yè)溫室氣體減排潛力在于提高土壤固碳水平方面。良好的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)是提高土壤固碳水平的有效方式，而有機(jī)農(nóng)業(yè)與常規(guī)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)相比，在土地資源利用、養(yǎng)分管理、肥料運籌以及病蟲害防治等方面顯著不同，因此有機(jī)農(nóng)業(yè)被認(rèn)為具有更大的減緩農(nóng)田土壤溫室氣體排放的潛力。有機(jī)農(nóng)業(yè)內(nèi)涵完全符合低碳經(jīng)濟(jì)的要求，是國際社會認(rèn)同的具有環(huán)保理念的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。
近年來，有機(jī)農(nóng)業(yè)及其相關(guān)的學(xué)術(shù)研究得到了較快的發(fā)展。Clark等通過八年的田間定位試驗發(fā)現(xiàn)有機(jī)種植能夠明顯提高土壤有機(jī)碳的含量，而常規(guī)種植方式下土壤有機(jī)碳卻沒有明顯變化；這一種結(jié)論在Pimentel等的試驗結(jié)果中得到了驗證。
Fliessbach等通過長期定位試驗發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥的土壤有機(jī)碳提高了1%,而不施肥和施用化肥的土壤有機(jī)碳分別降低了22%和15%.Liu等研究表明有機(jī)種植系統(tǒng)中土壤微生物多樣性顯著高于常規(guī)種植系統(tǒng)。也有研究表明有機(jī)種植系統(tǒng)中的土壤微生物量和土壤酶活性顯著高于常規(guī)種植系統(tǒng)。我國有機(jī)種植業(yè)起步較晚，相關(guān)研究則主要致力于通過對有機(jī)和常規(guī)種植的相互比較來制定各種生產(chǎn)、加工和銷售的管理條例，而有關(guān)有機(jī)農(nóng)業(yè)和常規(guī)農(nóng)業(yè)的固碳特性、固碳潛力方面的比較研究鮮有報道，尤其是對于在我國種植業(yè)結(jié)構(gòu)中所占比重越來越高的蔬菜生產(chǎn)的固碳潛力研究較缺乏。
本文以南京普朗克有機(jī)農(nóng)場長期定位觀測的菜地土壤為研究對象，比較有機(jī)種植（有機(jī)露地和有機(jī)大棚）和常規(guī)種植模式下蔬菜地土壤有機(jī)碳、腐殖質(zhì)組分碳含量及特性的動態(tài)變化，分析不同種植模式與土壤固碳特性的關(guān)系，為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)與實踐借鑒。
材料與方法試驗區(qū)概況從2003年開始，采用GPS定位技術(shù)在南京市溧水縣境內(nèi)的普朗克有機(jī)農(nóng)場（118°34'~119°14'E,31°23'~31°48'N）選取9個地塊作為長期監(jiān)測采樣地塊（表1），每塊面積約0.5hm2,供試土壤為由黃棕壤發(fā)育演變而成的菜園土。該農(nóng)場屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均降水量為1037mm,年均氣溫15.5℃，年均日照2146h.試驗開始前，各地塊均有拋荒數(shù)年的歷史，土壤養(yǎng)分含量較低。2003年供試土壤耕層（0~20cm）的基本理化性質(zhì)見表2.
試驗設(shè)置本試驗共設(shè)3種種植模式：兩個有機(jī)種植模式組（有機(jī)露地種植用OR表示；有機(jī)大棚種植用ZH表示）和一個常規(guī)露地種植模式組（CN）。其中2006年獲得有機(jī)認(rèn)證的大棚種植模式ZH的輪作頻率高于2003年獲得有機(jī)認(rèn)證的露地種植模式OR.
為避免互相干擾，常規(guī)地塊與有機(jī)地塊的過渡區(qū)域足夠大。各地塊均采取輪作的方式種植蔬菜，作物種類見表1.OR和ZH施用的有機(jī)肥（有效活菌數(shù)≥0.5×108CFUg-1,有機(jī)質(zhì)含量≥250gkg-1,速效氮612.5mgkg-1,pH6.24）是經(jīng)過環(huán)境保護(hù)部有機(jī)食品發(fā)展中心認(rèn)證的，每年每季蔬菜施用量為7.5thm-2,并且無植保化學(xué)投入品，采用物理和生物措施防治病蟲害。CN種植模式主要施用尿素（N,≥46%），過磷酸鈣（P2O5,≥16%）、氯化鉀（K2O,≥50%），每年每季蔬菜施氮量為200~400kghm-2,按氮、磷、鉀的質(zhì)量比1∶0.35∶0.15的比例施肥；植保化學(xué)投入品為市售多菌靈、阿維菌素及分除蟲菊酯（使用量為生產(chǎn)上推薦使用量）。其他栽培管理方式保持一致。5期褚慧等：不同種植模式下菜地土壤腐殖質(zhì)組分特性的動態(tài)變化9331.3樣品采集與分析本研究自2004年開始，每隔一年于上述地塊中采用棋盤法選擇8~10個采樣點，采集0~20cm土層的土樣，混合均勻后再按四分法進(jìn)行取舍，保留1kg左右土樣裝袋帶回實驗室，自然晾干并去除植物根系、礫石后研磨過篩備用。
土壤容重采用環(huán)刀法測定；土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、有效磷、速效鉀、pH的測定參考文獻(xiàn)[11];土壤腐殖質(zhì)的提取和分離參照Kumada等的方法，用0.1molL-1NaOH+0.1molL-1Na4P2O7混合液（pH=13）作為提取劑提取；可提取腐殖物質(zhì)（HE）、胡敏酸（HA）的含碳量采用重鉻酸鉀比色法；富里酸（FA）含碳量采用差減法獲得。胡敏酸和富里酸的光學(xué)性質(zhì)采用可見光比色法（722N型分光光度計），用色調(diào)系數(shù)（ΔlogK）和光學(xué)密度值E4/E6來表示，其中ΔlogK為胡敏酸（或富里酸）在400nm吸光值的對數(shù)（logK）與600nm吸光值的對數(shù)（logK）的差值，E4/E6值為胡敏酸（或富里酸）在波長465nm與665nm處分別測定的吸光度的比值。
數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)采用SPSS16.0進(jìn)行方差分析，同時用Ex-cel2003繪圖。
結(jié)果不同種植模式下菜地土壤有機(jī)碳含量的變化不同種植模式影響土壤有機(jī)碳的積累。監(jiān)測結(jié)果（表3）顯示，與2004年相比，至2012年OR有機(jī)碳含量增加34.53%,差異達(dá)到極顯著水平（p<0.01）；而ZH在有機(jī)轉(zhuǎn)換初期土壤有機(jī)碳含量低，經(jīng)過三年轉(zhuǎn)換期（2004-2006）后，土壤有機(jī)碳增加明顯，2012年較2004年增加125.0%,差異極顯著（p<0.01）；而CN模式2012年土壤有機(jī)碳含量較2004年僅增加11.11%,差異不顯著，OR和ZH有機(jī)碳含量增幅明顯大于CN.表3的監(jiān)測結(jié)果還可以看出，2004-2006年間3種種植模式下的土壤有機(jī)碳含量均無顯著性差異，至2008年后，OR、ZH的土壤有機(jī)碳含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過CN,差異顯著（p<0.05），土壤在有機(jī)種植模式下將更利于土壤有機(jī)碳的積累。
2004-2008年，OR土壤有機(jī)碳含量高于ZH,2008年后，相較于種植時間較長的OR,種植時間較短的ZH的土壤有機(jī)碳含量增加較快，至2012年有機(jī)種植6年的大棚模式ZH的有機(jī)碳含量甚至顯著高于有機(jī)種植9年的露地模式OR（p<0.05）。不同種植模式下土壤腐殖質(zhì)組成及其特性變化2.2.1不同種植模式下土壤腐殖質(zhì)各組分碳含量的變化腐殖質(zhì)作為土壤有機(jī)碳的最大組成部分，對土壤中許多復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)起重要作用，其主要成分包括胡敏酸（HA）、富里酸（FA）和胡敏素（HM）。HA是腐殖質(zhì)中最活躍的，其酸度較FA要小，呈微酸性，但陽離子交換量高，對土壤結(jié)構(gòu)形成起重要作用。FA分子量較小、活性較大、氧化程度較高，既是形成HA的一級物質(zhì)，又是HA分解的一級產(chǎn)物，在HA的積累和更新中起重要的作用。
由表4可知，監(jiān)測年中OR、ZH、CN的土壤富里酸碳（CFA）占全碳比例分別為15.7%~19.2%、12.8%~20.2%、17.3%~19.9%;胡敏酸碳（CHA）占全碳比例分別為13.4%~15.7%、13.2%~16.3%、11.7%~13.7%,3種種植模式下的耕層土壤可提取腐殖質(zhì)碳均以富里酸高于胡敏酸。且通過單因素方差分析，OR、ZH、CN各自的腐殖質(zhì)組分碳占全碳比例均未隨種植年限延長呈現(xiàn)顯著性差異，波動較小。而土壤中可提取腐殖質(zhì)總碳（CHE）在這3種種植模式中均隨種植年限延長有所提高，并與土壤有機(jī)碳含量的變化趨勢基本一致。從934土壤學(xué)報50卷2004年至2012年，CN、ZH和OR中土壤CHE含量分別增加12.15%、86.17%和13.82%;土壤CHA含量分別增加14.91%、152.8%和17.87%;CFA含量分別增加10.40%、42.55%和11.42%.CN土壤腐殖質(zhì)所有組分碳含量增加率均較ZH、OR的小，ZH、OR土壤腐殖質(zhì)各組分在2012年較2004年均有提高，并有顯著性差異（p<0.05）。另外，OR、ZH和CN的CHE從2010年后差異顯著（p<0.05），CHA從2008年后差異顯著（p<0.05），CFA至2012年差異顯著（p<0.05）。由此看出，經(jīng)過較長時間的不同種植模式，土壤腐殖質(zhì)組分碳含量差異顯著增大。
對于OR、ZH,在2004-2006年，有機(jī)種植年限長的OR可提取腐殖質(zhì)、胡敏酸和富里酸的碳含量較有機(jī)種植年限短的ZH高，但OR和ZH的可提取腐殖質(zhì)和胡敏酸的碳含量從差異顯著到不顯著，差異變小，并從2008年開始ZH的腐殖質(zhì)組分碳含量較OR高。
不同種植模式下土壤腐殖質(zhì)組成相對比例的變化土壤腐殖質(zhì)組分碳含量的差異使各組分的相對比例也呈現(xiàn)出一些規(guī)律性的變化（表4）。
因此，可以通過具體指標(biāo)CHA/CFA或PQ值來分析這些相對比例的變化規(guī)律。CHA/CFA或PQ值作為腐殖化程度的指標(biāo)，是衡量土壤腐殖質(zhì)品質(zhì)優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)，比值越大，胡敏酸含量越高，分子量增大、分子結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，品質(zhì)越好。
圖1可看出，腐殖質(zhì)的CHA/CFA和PQ值的變化趨勢基本一致，其中OR、ZH、CN的CHA/CFA值分別為0.82~0.93、0.65~1.16、0.65~0.71,PQ值分別為0.45~0.48、0.39~0.54、0.39~0.42,可知OR、CN的土壤CHA/CFA和PQ值隨著種植年限的延長變化幅度較小，ZH土壤CHA/CFA和PQ值隨著種植年限的延長變化幅度相對較大，這是由于ZH為有機(jī)大棚種植模式，輪作頻率高，每年施入的有機(jī)肥量大，新形成的年輕腐殖質(zhì)多，有利于土壤腐殖質(zhì)的更新和活化，進(jìn)而提高腐殖質(zhì)的品質(zhì)。OR、ZH的CHA/CFA和PQ值均高于CN.單因素方差分析結(jié)果表明，OR和CN的CHA/CFA和PQ值差異顯著（p<0.05），ZH在2008年后與CN差異顯著（p<0.05）。
以上說明有機(jī)種植模式下土壤中有機(jī)質(zhì)的腐殖化程度高，有利于胡敏酸的積累和土壤腐殖質(zhì)品質(zhì)的提高。2004-2006年，ZH的PQ值和CHA/CFA低于OR,2008年后有機(jī)大棚種植2年的ZH的PQ值和CHA/CFA開始高于有機(jī)種植5年的露地種植模式OR.
不同種植模式對土壤腐殖質(zhì)可見光譜特征的影響不同種植模式除了影響土壤腐殖質(zhì)組分的數(shù)量變化，還影響到腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)特性。土壤腐殖質(zhì)的ΔlogK值、E4/E6比值可來表征土壤腐殖質(zhì)的復(fù)雜程度，胡敏酸（富里酸）的ΔlogK值越大，E4/E6的比值越高，胡敏酸（富里酸）的光密度愈小，芳香縮合度低，并可推測具有較多的脂族成分。長期不同種植模式對土壤耕層胡敏酸可見光譜特征的影響如圖2所示。3種種植模式下胡敏酸分子的E4/E6、ΔlogK值隨種植時間而變化，其中CN變化不大，與監(jiān)測初期相比，E4/E6、ΔlogK值略有降低，胡敏酸芳香化程度略有升高；OR和ZH波動稍大，總體呈現(xiàn)先升后降的態(tài)勢，E4/E6、ΔlogK值均有所增大，胡敏酸芳化度略有降低。CN的胡敏酸分子的`E4/E6、ΔlogK值在除2004年后的其他年份均小于OR和ZH,說明有機(jī)種植模式下的土壤胡敏酸分子芳化度低。ZH的E4/E6、ΔlogK值在監(jiān)測后期（2010-2012年）均大于OR,這主要是受大棚種植模式輪作頻率較高、投入有機(jī)肥較多的影響。
長期不同的種植模式對土壤耕層富里酸可見光譜的影響與胡敏酸不同，這3種種植模式均能提高土壤富里酸的E4/E6、ΔlogK值（圖3），并隨種植年限處于動態(tài)變化中。ZH和OR中土壤FA的E4/E6、ΔlogK值增加較CN多，說明了有機(jī)種植模式中作為土壤腐殖質(zhì)化的中間產(chǎn)物的土壤FA分子量變化大，更易活化從而促進(jìn)土壤腐殖化進(jìn)程。結(jié)合圖2可以看出，F(xiàn)A的ΔlogK值、E4/E6要大于HA,說明FA分子較HA分子結(jié)構(gòu)簡單，氧化程度和芳構(gòu)化程度低。
討論不同種植模式會影響土壤有機(jī)碳積累。瑞士DOK試驗站通過21年的長期定位研究表明農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中肥料的施入對土壤有機(jī)質(zhì)有著直接的影響。
本研究也獲得了常規(guī)和有機(jī)種植模式的菜地土壤有機(jī)碳和腐殖質(zhì)組分碳均隨種植時間延長而增加的結(jié)果（表3、表4）。此外，本研究中兩種有機(jī)種植模式的土壤有機(jī)碳及腐殖質(zhì)組分碳含量增加率均高于常規(guī)種植模式，且到2012年，上述各指標(biāo)的差異達(dá)到顯著水平，這與Clark、Pimente、Meler-ol等利用長期田間試驗得出的結(jié)果相一致。究其原因在于有機(jī)和常規(guī)種植在所施用的肥料種類、數(shù)量和管理方式上存在差異，從而影響到土壤微生物群落和酶活性，進(jìn)而制約著土壤礦化和腐殖化過程。Worknen和vanBruggen發(fā)現(xiàn)與常規(guī)農(nóng)業(yè)土壤相比，有機(jī)農(nóng)業(yè)土壤具有較高的微生物活性，而土壤微生物是有機(jī)殘體降解和腐殖化過程的直接參與者，其對土壤中的一系列生物化學(xué)過程起著決定性的作用。本課題組已有研究也表明有機(jī)種植模式下土壤真菌、放線菌菌落、微生物生物量及土壤尿酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶活性顯著高于常規(guī)種植的土壤，而礦化碳并無顯著性差異，這意味著有機(jī)種植模式在具有較高微生物數(shù)量和活性的前提下并未使礦化作用增強(qiáng)而導(dǎo)致較多的CO2釋放，因此，相對于常規(guī)種植模式，在有機(jī)種植模式下有機(jī)肥的投入將更有利于土壤腐殖化進(jìn)程。
作為腐殖化程度指標(biāo)的CHA/CFA和PQ值的動態(tài)變化特征，一方面在數(shù)值上OR、ZH均高于CN,另一方面由于投入品種類和數(shù)量的不同，也將影響到土壤腐殖化進(jìn)程（圖1）。有機(jī)種植模式中禁止施用阿維菌素等能抑制土壤微生物的農(nóng)藥，同時所施加的有機(jī)肥能促進(jìn)土壤微生物活性，增加微生物群落。土壤微生物會不斷分解并利用分子結(jié)構(gòu)簡單、活性強(qiáng)的富里酸組分中的氨基酸等含氮化合物，不斷向胡敏酸轉(zhuǎn)化，從而使胡敏酸含量相對增高。此外，土壤的CHA/CFA也能反映土壤的熟化程度以及肥力狀態(tài)，且隨土壤肥力的提高而增加。初度熟化的水稻土CHA/CFA為0.2~0.3,中度熟化者為0.5左右，高度熟化可達(dá)1.4左右。本研究中土壤的CHA/CFA分別為OR0.82~0.93、ZH0.65~1.16、CN0.65~0.71.由此可見，有機(jī)種植模式組的土壤熟化度相對較高。這與蔡曉布等研究的施肥條件下土壤CHA/CFA的提高顯示了土壤從低肥力到高肥力的演變趨勢相一致。
土壤中腐殖物質(zhì)組分含量的變化（表4）不僅受投入品的影響，同時也與土壤中由微生物制約的土壤礦化和腐殖化進(jìn)程有關(guān)。在本研究2003-2012年的定位監(jiān)測中，土壤中胡敏酸分子芳化度在常規(guī)種植模式下變化不大；而兩種有機(jī)種植模式下土壤胡敏酸芳化度總體高于常規(guī)種植模式，其規(guī)律上呈先降低后增高的變化趨勢，意味著土壤向芳化度更高的腐殖物質(zhì)的轉(zhuǎn)化能力增強(qiáng)，這也是受到施加肥料類型制約的具體表現(xiàn)，說明土壤腐殖物質(zhì)結(jié)構(gòu)特性的變化滯后于土壤腐殖質(zhì)數(shù)量變化。有機(jī)種植系統(tǒng)中施入的商品有機(jī)肥的氮含量低且成分復(fù)雜，除了秸稈、菜餅等植物性成分外，還有動物糞便、魚粉、骨粉等。本課題組曾研究比較了植物源材料的油菜餅肥與秸稈堆肥在土壤中分解特性，結(jié)果顯示，新投入土壤的商品有機(jī)肥中的易分解部分參與腐殖化過程，整體上增加了新成腐殖物質(zhì)的數(shù)量，并成為土壤腐殖質(zhì)的主體部分，進(jìn)而表現(xiàn)為土壤腐殖化程度降低，而新成腐殖質(zhì)的加入對土壤腐殖質(zhì)的更新和活化十分有利，又再進(jìn)一步縮合成為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的HA.而不同種植模式對土壤耕層富里酸可見光譜的影響與胡敏酸不同，3種種植模式下富里酸的氧化程度和芳化度均有所降低，主要是FA的分子小、活性大，易受微生物利用。至于微生物是如何具體影響腐殖質(zhì)組成及其轉(zhuǎn)化，尚需進(jìn)一步研究。
國內(nèi)對設(shè)施和露地栽培方式下常規(guī)菜地土壤理化性質(zhì)研究較多，大多數(shù)研究者認(rèn)為設(shè)施栽培的土壤有機(jī)碳和全氮含量高于露地土壤，在本研究中，種植時間較短的有機(jī)大棚組ZH的土壤有機(jī)碳、腐殖質(zhì)碳含量、PQ值、CHA/CFA和胡敏酸的芳化度在前期2004-2008年均低于有機(jī)種植年限長的露地種植OR,到后期這些指標(biāo)均高于種植年限較長的露地有機(jī)種植模式。這是由于設(shè)施大棚種植條件下土壤的輪作頻率較高，每年施入的有機(jī)肥數(shù)量多，而且因大棚常處于半封閉狀態(tài)下，其土壤處于相對高溫高濕的環(huán)境中，土壤微生物種類豐富，活性更強(qiáng)，這對土壤腐殖化進(jìn)程影響更大。
結(jié)論：經(jīng)過9年的定位觀測，兩種有機(jī)種植模式的土壤有機(jī)碳及腐殖質(zhì)組分碳含量隨著種植時間的延長呈現(xiàn)增加趨勢，至2012年達(dá)顯著水平，同時其增加率均高于常規(guī)種植模式；而常規(guī)種植模式的相應(yīng)指標(biāo)變化不顯著。不同種植模式的長期影響還會導(dǎo)致土壤腐殖質(zhì)組分特性的變化：兩種有機(jī)種植模式土壤腐殖質(zhì)的CHA/CFA、PQ值均高于常規(guī)種植模式；土壤胡敏酸芳化度隨著種植時間延長，其在常規(guī)種植模式下變化不大，而在有機(jī)大棚和露地種植模式下呈先降低后增高的趨勢；土壤富里酸的芳化度在有機(jī)種植模式下較常規(guī)種植模式降低更多。
此外，有機(jī)大棚種植模式更利于土壤有機(jī)碳和腐殖質(zhì)積累，其腐殖質(zhì)的PQ值、CHA/CFA、胡敏酸的E4/E6、ΔlogK值均高于種植年限較長的有機(jī)露地種植模式。
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