全 文 ：集约化生产对农田土壤碳氮含量及 啄13C
和 啄15N同位素丰度的影响*
杨广容1,2 摇 HAO Xiying2 摇 李春莉2 摇 王自林3 摇 李永梅3**
( 1云南农业大学龙润普洱茶学院, 昆明 650201; 2加拿大农业部农业与食品莱斯布里奇研究所, 加拿大莱斯布里奇 T1J 4B1;
3云南农业大学资源与环境学院, 昆明 650201)
摘摇 要摇 集约化生产下农田土壤碳、氮含量变化是衡量土壤肥力持久性的重要指标.对常规
水稻鄄蚕豆轮作地、露地蔬菜地、3 年塑料大棚地和 10 年以上塑料大棚地的土壤 pH、电导率
(EC)、土壤有机碳(SOC)和总氮(TN)含量及 啄13C和 啄15N 同位素丰度进行测定,研究了集约
化生产程度对土壤特性的影响.结果表明: 与水稻鄄蚕豆轮作地相比,露地蔬菜地、3 年塑料大
棚地和 10 年以上塑料大棚地 0 ~ 20 cm耕层土壤 pH分别降低 1. 1、0. 8 和 0. 7,而土壤 EC 分
别是水稻鄄蚕豆轮作地的 4. 2、4. 9 和 5. 2 倍;土壤碳、氮含量随塑料大棚地生产年限的增加总
体上呈先增大后减小的趋势.与水稻鄄蚕豆轮作地相比,10 年以上塑料大棚地 0 ~ 20、20 ~ 40、
40 ~ 60、60 ~ 80、80 ~ 100 cm土层的土壤 SOC含量分别下降了 54% 、46% 、60% 、63%和 59% ,
土壤 TN含量分别下降了 53% 、53% 、71% 、82%和 85% .农田集约化生产程度显著影响土壤
SOC、TN含量和 啄13C、啄15N丰度,土壤 啄13C丰度与 SOC 含量呈显著负相关.土壤 啄13C 丰度可
作为评价农田土壤碳循环受人为干扰强度的指标.
关键词摇 集约化生产摇 土壤摇 有机碳摇 总氮摇 啄13C摇 啄15N
*云南省科技厅省院校科技合作项目(2006YX35)和昆明市科技局项目(08S010201)资助.
**通讯作者. E鄄mail: youngmaylee@ 126. com
2011鄄07鄄04 收稿,2011鄄12鄄28 接受.
文章编号摇 1001-9332(2012)03-0751-07摇 中图分类号摇 S157. 153摇 文献标识码摇 A
Effects of intensive agricultural production on farmland soil carbon and nitrogen contents and
their 啄13C and 啄15N isotope abundances. YANG Guang鄄rong1,2, HAO Xiying2, LI Chun鄄li2,
WANG Zi鄄lin3, LI Yong鄄mei3 (1 College of Longrun Pu鄄erh Tea, Yunnan Agricultural University,
Kunming 650201, China; 2Lethbridge Research Centre, Agriculture and Agri鄄Food Canada, 5403 1st
Avenue South, Lethbridge, Alberta T1J 4B1, Canada; 3College of Resources and Environment, Yunnan
Agricultural University, Kunming 650201, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2012,23(3): 751-757.
Abstract: Farmland soil carbon and nitrogen contents under intensive agricultural production are the
important indices for the assessment of the soil fertility sustainability. This paper measured the soil
pH, electrical conductivity (EC), organic carbon (SOC), total nitrogen (TN), and 啄13C and 啄15N
isotope abundances of four types of farmland, i. e. , conventional rice鄄broad bean rotation field, open
vegetable field, 3鄄year plastic covered greenhouse field, and >10鄄year plastic covered greenhouse
field, aimed to understand the effects of intensive agricultural production degree on soil properties. In
the open vegetable field, 3鄄year plastic covered greenhouse field, and >10鄄year plastic covered green鄄
house field, the soil (0-20 cm) pH decreased by 1. 1, 0. 8, and 0. 7, and the soil EC was 4郾 2,
4郾 9, and 5. 2 folds of that in conventional rice鄄broad bean rotation field, respectively. With the in鄄
creasing year of plastic covered greenhouse production, the soil SOC and TN contents decreased after
an initial increase. Comparing with those under rice鄄broad bean rotation, the SOC content in 0-20,
20-40, 40-60, 60-80 and 80-100 cm soil layers in >10鄄year plastic covered greenhouse decreased
by 54%, 46%, 60%, 63%, and 59%, and the TN content decreased by 53%, 53%, 71%, 82%,
and 85%, respectively. Intensive agricultural production degree had significant effects on the soil
SOC and TN contents and 啄13C and 啄15N abundances. The 啄13C abundance was significantly negative鄄
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 3 月摇 第 23 卷摇 第 3 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Mar. 2012,23(3): 751-757
ly correlated with the soil SOC, suggesting that the soil 啄13C abundance could be regarded as an index
for the assessment of carbon cycle in farmland soils under effects of human activities.
Key words: intensive agricultural production; soil; organic carbon; total nitrogen; 啄13C; 啄15N.
摇 摇 20 世纪 80 年代以来,随着我国农村土地改革
及社会经济发展,农田土地利用方式发生了重大变
化,由常规的水稻、小麦、玉米等为主的粮食生产转
变为集约化的塑料大棚或温室蔬菜、花卉等生产.滇
池流域包括昆明市五华、盘龙两城区和西山、官渡、
呈贡、晋宁、嵩明等 5 个区县的 38 个乡镇,居住着
380 多万城市居民和农民(70 万),农田面积 1305郾 8
km2,占流域面积的 35郾 5% . 该地区蔬菜、花卉种植
面积大,复种指数高达 2郾 36,仅嵩明、呈贡、晋宁 3
个县自 20 世纪 80 年代初以来蔬菜播种面积就增加
了近 1郾 77 倍,甚至有些乡镇目前菜果花播种面积已
经达到农田面积的 100% [1-2] .温室及塑料大棚栽培
下,农田复种指数提高、肥料投入量加大、灌溉更加
频繁、耕作强度增强,加之棚室密闭、高温高湿、土壤
蒸发量大、无雨水淋洗,导致棚室内土壤出现了次生
盐渍化、酸化、养分失衡和肥力退化等问题.因此,温
室栽培条件下的土壤环境质量与养分库的演变引起
了国内学者的广泛关注[3-5] .近年来,国内外关于集
约化塑料大棚或温室土壤化学特性与碳氮养分平衡
的研究很多. Ju等[5]研究表明,常规小麦、玉米地转
化为温室蔬菜生产 5 ~ 15 年后,0 ~ 30 cm 土壤 pH
下降了 0郾 52;Drechsel 等[6]和 Caravaca 等[7]研究发
现,长期频繁耕作措施使土壤有机质的降解加速,土
壤有机碳(soil organic carbon,SOC)含量下降,从而
导致土壤肥力退化;余海英等[4]研究表明,温室栽
培条件下,土壤碳库活度和碳库管理指数均随使用
年限的延长呈先增后减的周期性变化,变化周期约
为 4 年.
土壤 pH和 EC反映了土壤酸碱度和含盐量,是
指示土壤水分与养分平衡和有效性的重要化学环境
参数[8] .土壤有机碳和有机氮含量是评价土壤质量
的重要指标,其动态平衡与作物营养、土壤肥力管理
密切相关[9] .土壤中的有机质是天然土壤碳库和氮
库的源,主要来自地上植物残体,因此土壤中的碳、
氮同位素组成与植物残体的同位素组成非常相近.
土壤碳、氮的稳定同位素 啄13C、啄15N 丰度的演变,可
以更灵敏、更精确地反映土壤碳、氮生物地球化学循
环,并且作为指示土壤碳、氮库被干扰或污染程度的
环境生态学指标[10-11] .目前,通过土壤、水体或大气
等环境中碳氮同位素 啄13C、啄15N 丰度变化,评价人
类干扰对植被鄄土壤鄄地下水系统和大气系统中的
碳、氮循环影响及其污染源识别等方面应用比较
多[11-12],而关于温室或大棚集约化生产下土壤碳、
氮同位素 啄13C、啄15N丰度变化规律的研究国内尚未
见报道.本文以滇池流域具有代表性的塑料大棚土
壤为研究对象,通过对 4 种集约化程度不同的土壤
pH、电导率(EC),以及碳、氮含量及 啄13C、啄15N 同位
素丰度的分析,获得土壤 啄13C、啄15N 丰度的演变规
律,以揭示集约化生产对土壤碳、氮养分循环的影
响,为指导塑料大棚集约化生产下土壤肥力的科学
管理、实现农田土壤的可持续利用提供理论依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
研究区位于滇池流域晋宁县晋城镇和呈贡大渔
乡(24毅42忆15义—24毅49忆45义 N,102毅43忆44义— 102毅46忆
24义 E),海拔 1857 ~ 1896 m,年均温 18 益,年降水量
800 ~ 1000 mm. 土壤属于高度风化淋溶的老成土,
土壤质地为粘性红壤,粘粒 32% ~ 33% ,容重
1郾 14 ~ 1郾 18 g·m-3 .
1郾 2摇 试验设计
试验以滇池流域常规水稻鄄蚕豆轮作(或小麦)
土壤为对照,根据集约化程度由低到高,选取露地蔬
菜、3 年塑料大棚和 10 年以上塑料大棚土壤为研究
对象. 塑料大棚长 20 ~ 25 m、宽 4郾 3 ~ 4郾 5 m、高
2郾 2 ~ 2郾 6 m,用竹竿或混泥土柱支撑.露地蔬菜主要
种植韭菜和胡萝卜,每年轮作 3 ~ 5 次;塑料大棚种
植蔬菜或花卉,主要以番茄、西芹、瓢菜或玫瑰、康乃
馨、勿忘我连作为主. 蔬菜或花卉生产地的氮、磷肥
平均施用量分别为 1289 kg N · hm-2 和 390
kg P2O5·hm-2 [13],其中,化肥以尿素、磷酸氢二铵、
过磷酸钙为主,有机肥为当地饲养场提供的畜禽粪
便,主要有鸡粪、猪粪、牛粪等.
1郾 3摇 试验方法
试验于 2009 年 12 月—2010 年 2 月进行. 4 种
农田土壤均按 0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60、60 ~ 80 和
80 ~ 100 cm分层,取剖面土样,土样由 5 ~ 7 个采样
点混合而成,共计 20 个土样.同时走访农户,调查各
采样点的塑料大棚生产年限、施肥及栽培管理情况.
将土样带回实验室自然风干,过 2 mm 筛后用于土
257 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
壤化学特性和碳、氮含量的测定.
1郾 4摇 土壤分析
土壤样品分析测试在加拿大农业部农业与食品
莱斯布里奇研究所进行.土样设 3次重复,土壤 pH和
EC测定采用去离子水,1 颐 2 土水(质量比)混合后,
180 r·min-1往复震荡机上震荡 30 min 后,静置 30
min,分别使用 pH检测计(Orion,pH / ISE Meter Model
290 Aplus, MA02129, USA)和 EC 检测计 ( Thermo
Orion, Models 125 Aplus,USA)测定土壤 pH和 EC.
采用气鄄质联用分析法,将过 2 mm筛的土样,再
研磨过 0郾 15 mm筛,然后称取(40依0郾 5) mg 放入铝
箔胶囊里密封,使用 GC鄄MS CNS 分析仪(Carlo Er鄄
ba, Italy)检测土壤总碳(total carbon,TC)、总氮(to鄄
tal nitrogen, TN) 含量及碳、氮稳定同位素丰度
(啄13C译和 啄15 N译). 由于所研究土壤属于高度风
化、淋溶的红壤,经实验室检测不含无机碳,所以土
壤总碳(TC)即为土壤有机碳(SOC).
1郾 5摇 数据处理
采用 SAS统计分析软件对数据进行分析,采用
单因素方差分析( one way鄄ANOVA)和 LSD 法进行
差异显著性检验和多重比较分析(琢 = 0郾 05),图和
表中的数据均为 mean依SD.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同集约化程度农田土壤 pH和 EC的变化
从图 1 可以看出,集约化农田各土层的土壤 pH
均低于水稻鄄蚕豆轮作地. 在 0 ~ 20 cm 耕层,与水
稻鄄蚕豆轮作地相比,露地蔬菜、3 年塑料大棚和 10
年以上塑料大棚的土壤 pH 分别下降了 1郾 1、0郾 7 和
0郾 8.在 0 ~ 60 cm 土层,土壤 pH 的大小变化为:水
稻鄄蚕豆轮作地>3 年塑料大棚>10 年以上塑料大棚
>露地蔬菜;在 60 ~ 100 cm土层,土壤 pH 的大小变
化为:水稻鄄蚕豆轮作地>3 年塑料大棚>露地蔬菜>
10 年以上塑料大棚.水稻鄄蚕豆轮作地的土壤 pH 在
各土层间无显著差异,而 3 种集约化农田的土壤 pH
均随土层的加深而显著上升,其中 0 ~ 40 cm土层的
土壤 pH上升幅度较大,40 ~ 100 cm土层的土壤 pH
变化较平缓.
土壤浸出液的 EC 能反映土壤含盐量的高低,
是目前国际上通用的评价土壤盐度的指标之一[8] .
从图 1 可以看出,集约化农田各土层的土壤 EC 均
高于水稻鄄蚕豆轮作地,在 0 ~ 60 cm土层,差异均达
显著水平(P<0郾 05).在 0 ~ 20 cm耕层,露地蔬菜、3
年塑料大棚和10年以上塑料大棚的土壤EC分别
图 1摇 不同集约化程度农田土壤 pH和 EC
Fig. 1摇 Soil pH and EC in the croplands with different intensive
agricultural production郾
玉:常规水稻鄄蚕豆轮作 Conventional rice鄄broad bean rotation; 域:露地
蔬菜 Open vegetable field; 芋:3 年塑料大棚 3鄄year plastic covered
greenhouse; 郁:10 年以上塑料大棚 >10 year plastic covered green鄄
house郾 不同大写字母表示不同土地利用类型间的差异显著,不同小
写字母表示不同土层间差异显著(P<0郾 05) Different capture letters
meant significant difference among land use types at 0郾 05 level, different
small letters meant significant difference among soil levels at 0郾 05 level.
为水稻鄄蚕豆轮作地的 4郾 2、4郾 9 和 5郾 2 倍. 在 60 ~
100 cm土层,仅露地蔬菜和 3 年塑料大棚的土壤
EC显著高于水稻鄄蚕豆轮作地,10 年以上塑料大棚
的土壤 EC与水稻鄄蚕豆轮作地之间差异不显著. 各
农田的土壤 EC均随土层的加深而下降,其中 0 ~ 40
cm土层的土壤 EC下降幅度较大,40 ~ 100 cm 土层
的土壤 EC变化较平缓.
2郾 2摇 不同集约化程度农田土壤有机碳含量和 啄13C
丰度的变化
土壤有机碳(SOC)含量受集约化生产程度和土
层深度的影响显著(表 1).在 0 ~ 20 cm 耕层,与水
稻鄄蚕豆轮作地相比,集约化农田土壤 SOC 含量显
著下降(P<0郾 05),露地蔬菜、3 年塑料大棚和 10 年
以上塑料大棚土壤 SOC含量分别下降了 8% 、9%和
54% .在 20 ~ 100 cm 土层,土壤 SOC 含量整体上表
现出:露地蔬菜、3 年塑料大棚>水稻鄄蚕豆轮作地>
10 年以上塑料大棚.各种农田土壤 SOC含量随土层
的加深显著降低. 与常规水稻鄄蚕豆轮作地相比,10
年以上塑料大棚的 0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60、60 ~ 80
3573 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 杨广容等: 集约化生产对农田土壤碳氮含量及 啄13C和 啄15N同位素丰度的影响摇 摇 摇 摇 摇
和 80 ~ 100 cm 土壤 SOC 含量分别下降了 54% 、
46% 、60% 、63%和 59% .
摇 摇 农田集约化生产程度和土层深度显著影响土壤
啄13C 丰度. 整体上,4 种农田的土壤 啄13C 丰度变化
为:10 年以上塑料大棚>露地蔬菜、3 年塑料大棚>
水稻鄄蚕豆轮作地.各土层中,10 年以上塑料大棚土
壤 啄13C 丰度均显著高于其他农田土壤(P<0郾 05),
露地蔬菜与 3 年塑料大棚土壤的 啄13C 丰度的差异
不显著,而且仅在 20 ~ 60 cm土层显著高于水稻鄄蚕
豆轮作地(P<0郾 05). 4 种农田土壤的 啄13C丰度均随
土层深度的增加先减小后增大. 其中,80 ~ 100 cm
土层的 啄13C丰度最大,其次是 0 ~ 20 cm 耕层,最小
值出现在 20 ~ 60 cm土层.
2郾 3摇 不同集约化程度农田土壤总氮含量及 啄15N 丰
度的变化
从表 2 可以看出,4 种不同集约化程度的农田
土壤总氮(TN)含量大小变化为:露地蔬菜、3 年塑
料大棚>水稻鄄蚕豆轮作地>10 年以上塑料大棚. 在
0 ~ 20 cm 耕层,土壤 TN 含量变化幅度较大,为
1郾 86 ~ 4郾 46 g·kg-1,露地蔬菜与 3 年塑料大棚的土
壤 TN含量无显著差异,但二者显著高于与水稻鄄蚕
豆轮作地(P<0郾 05). 4 种农田土壤 TN 含量均随土
层深度的增加逐渐减小.
摇 摇 整体上,4 种不同集约化程度的农田土壤的
啄15N丰度变化为:10 年以上塑料大棚>露地蔬菜>3
年塑料大棚>水稻鄄蚕豆轮作地. 10 年以上塑料大棚
土壤 啄15N丰度在各土层间差异均不显著,其余 3 种
农田土壤 啄15 N 丰度在各土层间差异显著 ( P <
0郾 05). 4 种农田土壤 啄15N 丰度随土层深度的增加
均呈先减小后增大的趋势,其中,土壤啄15N丰度以
0 ~ 20和 80 ~ 100 cm 土层较高,40 ~ 80 cm 土层
较低.
2郾 4摇 土壤 pH、EC及碳氮养分含量与 啄13C、啄15N 丰
度的关系
从表 3 可以看出,土壤 pH与 EC 及 SOC、TN含
量和 啄15N丰度均呈显著或极显著负相关;土壤 EC
与 SOC、TN 含量和 啄15N 丰度均呈显著或极显著正
相关;SOC与 TN含量呈极显著正相关,与 啄13C丰度
呈极显著负相关;TN 含量与 啄13C 丰度呈极显著负
相关.
表 1摇 不同集约化程度农田土壤有机碳含量和 啄13C丰度
Table 1摇 SOC content, 啄13C abundance in the croplands with different intensive agricultural production
指标
Index
土地利用类型
Land use type
土 层 Soil layer (cm)
0 ~ 20 20 ~ 40 40 ~ 60 60 ~ 80 80 ~ 100
SOC 玉 42郾 88依0郾 09Aa 23郾 89依0郾 24Bb 16郾 38依0郾 13Bbc 11郾 59依0郾 06Bc 7郾 63依0郾 47Ad
(g·kg-1) 域 39郾 46依0郾 05Ba 31郾 33依0郾 05Ab 22郾 60依0郾 02Ac 13郾 45依0郾 04Ad 7郾 67依0郾 20Ae
芋 38郾 85依0郾 08Ca 31郾 97依0郾 32Ab 24郾 14依0郾 20Ac 13郾 26依0郾 13Ad 7郾 91依0郾 08Ae
郁 19郾 53依0郾 12Da 12郾 90依0郾 63Cb 6郾 57依0郾 31Cc 4郾 34依0郾 10Cd 3郾 15依0郾 05Be
啄13C 玉 -25郾 39依0郾 22Bb -26郾 36依0郾 07Cc -26郾 51依0郾 17Cc -25郾 70依0郾 24Bb -24郾 50依0郾 28Ba
(译) 域 -24郾 89依0郾 18Bb -25郾 36依0郾 03Bc -26郾 19依0郾 07Bd -25郾 54依0郾 10Bc -23郾 40依0郾 58Ba
芋 -24郾 80依0郾 16Bb -25郾 76依0郾 17Bc -25郾 27依0郾 16Bc -25郾 27依0郾 21Bbc -22郾 78依0郾 31Ba
郁 -23郾 03依0郾 21Ac -23郾 86依0郾 22Ad -23郾 07依0郾 21Ac -22郾 07依0郾 34Ab -21郾 07依0郾 57Aa
玉:常规水稻鄄蚕豆轮作 Conventional rice鄄broad bean rotation; 域:露地蔬菜 Open vegetable field; 芋:3 年塑料大棚 3鄄year plastic covered green鄄
house; 郁:10 年以上塑料大棚 >10鄄year plastic covered greenhouse郾 同列不同大写字母表示不同土地利用类型之间差异显著,同行不同小写字母
表示不同土层之间差异显著(P<0郾 05) Different capture letters in the same column meant significant difference among land use types at 0郾 05 level,
different small letters in the same row meant significant difference among soil layers at 0郾 05 level郾 下同 The same below郾
表 2摇 不同集约化程度农田土壤总氮含量和 啄15N丰度
Table 2摇 Total nitrogen contents and soil 啄15N abundance in the croplands with different intensive agricultural production
指标
Index
土地利用类型
Land use type
土 层 Soil layer (cm)
0 ~ 20 20 ~ 40 40 ~ 60 60 ~ 80 80 ~ 100
TN 玉 3郾 98依0郾 04Ba 2郾 42依0郾 02Bb 1郾 78依0郾 06Bc 1郾 32依0郾 06Bc 0郾 78依0郾 04Ad
(g·kg-1) 域 4郾 46依0郾 02Aa 3郾 38依0郾 02Ab 2郾 49依0郾 04Ac 1郾 58依0郾 04Ad 0郾 92依0郾 05Ae
芋 4郾 46依0郾 03Aa 3郾 24依0郾 04Ab 1郾 99依0郾 19Bc 1郾 56依0郾 03Ac 0郾 83依0郾 10Ad
郁 1郾 86依0郾 04Ca 1郾 13依0郾 04Cb 0郾 51依0郾 02Cc 0郾 24依0郾 10Cd 0郾 12依0郾 03Bd
啄15N 玉 3郾 87依0郾 13Ca 1郾 81依0郾 24Cc 1郾 96依0郾 26Cbc 2郾 53依0郾 38Cb 3郾 23依0郾 59Cab
(译) 域 5郾 54依0郾 20Aa 4郾 59依0郾 26Ab 2郾 76依0郾 31Bc 3郾 27依0郾 38Bbc 4郾 34依0郾 10Bb
芋 4郾 83依0郾 20Ba 3郾 32依0郾 21Bb 1郾 44依0郾 50Cd 2郾 64依0郾 32Cc 3郾 18依0郾 21Cbc
郁 5郾 53依0郾 23Aa 5郾 17依0郾 56Aa 4郾 74依0郾 92Aa 4郾 95依1郾 25Aa 5郾 63依1郾 11Aa
457 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
表 3 摇 不同集约化农田土壤 pH、EC 及碳氮养分含量与
啄13C、15N丰度的相关性
Table 3 摇 Correlation among soil pH, EC, SOC and TN
contents, and 啄13C and 啄15N abundance (n=20)
EC SOC TN 啄13C 啄15N
pH -0郾 89* * -0郾 46* -0郾 51* -0郾 18 -0郾 70* *
EC 0郾 59* * 0郾 63* * 0郾 00 0郾 51*
SOC 0郾 98* * -0郾 56** 0郾 01
TN -0郾 58** 0郾 02
SOC:有机碳 Soil organic carbon; TN:总氮 Total nitrogen郾 *P<0郾 05;
* * P<0郾 01郾
3摇 讨摇 摇 论
与常规的水稻鄄蚕豆轮作地相比,集约化生产农
田的土壤 pH 呈下降趋势,EC 呈上升趋势(图 1),
说明无论是露地蔬菜地还是塑料大棚地,高复种指
数和大量的肥料投入会导致农田土壤酸化、盐渍化.
在 0 ~ 20 cm耕层,集约化生产农田土壤 pH 下降了
0郾 7 ~ 1郾 1,这与 Ju 等[5]对我国华北平原常规的小
麦鄄玉米轮作转化为温室蔬菜生产 5 ~ 15 年后 0 ~ 30
cm土层土壤 pH下降 0郾 52 的研究结果相似.本研究
中,土壤 pH与土壤有机碳、总氮含量呈显著负相关
(P<0郾 05),土壤 EC 与土壤有机碳、总氮含量呈显
著正相关(P<0郾 01),这与 Patriquin 等[14]的研究结
果一致.
农田生态系统的碳、氮主要贮存在土壤中,农田
土壤主要通过作物光合作用及秸秆、残茬还田固定
大气中的碳、氮气体,因此,土壤往往被认为是大气
CO2、N2等气体的汇. 但是,人类在农业生产活动中
投入的大量肥料和随农产品输出的碳氮养分都对农
田生态系统碳、氮总量和源汇效应产生了影响[15] .
土壤碳、氮是进入土壤的植物残体在土壤微生物作
用下分解的结果,其储量的大小受气候、植被、土壤
属性以及人为因素(主要包括施肥和轮作等土地利
用方式)等影响,其中,人类活动对土壤碳、氮储量
影响的程度和速率远远超过自然因素[16] . 本研究
中,露地蔬菜和 3 年塑料大棚地的 20 ~ 100 cm土层
的土壤 SOC含量和 0 ~ 100 cm土层的土壤 TN含量
均显著高于常规水稻鄄蚕豆轮作地(表 1 和表 2),可
能与短期集约化生产农田的化肥和有机肥的施用量
随复种指数的增加而提高有关. 随着集约化生产时
间的延长、耕作强度的增加,10 年以上塑料大棚地
的土壤各层 SOC和 TN大量损耗,与水稻鄄蚕豆轮作
地相比, 0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60、60 ~ 80 和 80 ~ 100
cm土层的土壤 SOC 含量分别下降了 54% 、46% 、
60% 、63%和 59% ,土壤 TN分别下降了 53% 、53% 、
71% 、82%和 85% ,这与余海英等[4]、Drechsel 等[6]
和 Caravaca等[7]的研究结果一致. 其主要原因可能
是:1)收获农作物时大量的地上生物量被转移走,
从而大大减少了作物对土壤的归还量;2)频繁耕作
使大棚或温室土壤温度和湿度得到改善,为好氧微
生物的活动创造了条件,在一定程度上促进了土壤
的呼吸作用,加速了土壤有机质的分解[17];3)耕作
措施导致土壤结构发生改变,降低了土壤的物理保
护作用,加速了土壤有机质的矿化分解[18] . 在本研
究中,土壤 TN 和 SOC 之间相关系数高达 0郾 98(表
3),可能是频繁的耕作增强了土壤微生物对有机质
的分解作用,而微生物的这一分解代谢过程与土壤
碳、氮养分含量及其比例密切相关[19] .
土壤碳库是陆地生态系统碳库中最大的分库,
在陆地中存储的时间最长,包括周转周期从几个月
甚至数千年的各类碳库[20-21] . 研究表明,碳稳定性
同位素 啄13C示踪技术适合研究从年到百年尺度的
土壤碳循环过程,能有效地阐明地下碳动态变化和
土壤碳储量的微小迁移与转换[22],因此,碳稳定同位
素 啄13C比值分析方法可应用于土壤有机质分解程度
评估[23]、土壤有机质来源[24]等方面.本研究表明,4
种农田土壤 啄13 C 丰度的变化范围为-26郾 51译 ~
-21郾 07译,与杨黎芳等[25]研究发现的 C3 植物土壤
中有机碳的碳稳定同位素 啄13C 为-34译 ~ -22译基
本吻合.由于土壤有机质的同位素组成与植物残体
的同位素组成非常相近,而且土壤有机碳分解过程
中的分馏作用比植物光合作用固定碳时的分馏作用
小得多[12],因此,土壤有机碳的同位素组成在某种
程度上能反映农田地上部分作物残体的同位素组
成,即作物收割与还田等循环状况. 本研究表明,4
种不同集约化程度的农田土壤 啄13C 丰度存在显著
差异(P<0郾 05),其中,10 年以上塑料大棚土壤 啄13C
丰度显著高于其他 3 种土地利用方式(P<0郾 05,表
1),而且 啄13C 丰度与 SOC 含量呈显著负相关(P<
0郾 05,表 3).这表明集约化土地利用能加速农田土
壤碳循环,10 年以上塑料大棚土壤有机质的更新速
率显著高于常规水稻鄄蚕豆轮作地、露地蔬菜和 3 年
塑料大棚.
罗绪强等[12]研究表明,土壤 啄15N 丰度主要受
环境的影响,不同环境条件下土壤 啄15N丰度差异较
大,这种特征有助于识别土地利用方式和污染类型.
有研究表明,天然土壤中铵态氮的 啄15N 值一般为
-3译 ~ 8译,平均为 5译,垦植土壤 啄15N值为 4译 ~
9译,受 粪 肥 污 染 的 土 壤 啄15 N 值 为 10译 ~
5573 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 杨广容等: 集约化生产对农田土壤碳氮含量及 啄13C和 啄15N同位素丰度的影响摇 摇 摇 摇 摇
20译[26-27] .本研究中,各农田土壤 啄15N 丰度变化范
围为 1郾 44译 ~5郾 63译,集约化程度不同的农田土壤
之间差异显著(P<0郾 05). 4 种农田土壤 啄15N丰度变
化为:10 年以上塑料大棚地(4郾 74译 ~ 5郾 63译) >露
地蔬菜地 (2郾 76译 ~ 5郾 54译) > 3 年塑料大棚地
(1郾 44译 ~ 4郾 83译) >水稻鄄蚕豆轮作地 (1郾 81译 ~
3郾 87译),表明农田生产集约化和频繁收获使土壤
氮循环速度加快,啄15N 丰度上升(表 2). 另外,啄15N
丰度与 SOC、TN 含量的相关性均不显著,而与土壤
pH、EC显著相关(表 3),表明土壤 啄15N丰度主要受
土壤化学性质的影响. 这可能是由于土壤微生物的
硝化作用和氨化作用使土壤氮素有多种库存形态和
性质,导致氮同位素组成有较大差异[12],而土壤微
生物参与土壤氮循环的硝化作用和氨化作用受土壤
pH和 EC等环境因素的显著影响[14] .关于集约化生
产下农田土壤 pH和 EC 的变化对 啄15N丰度影响的
原因,还有待于深入研究.
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作者简介摇 杨广容,女,1974 年生,博士研究生.主要从事土
壤与农业资源环境研究. E鄄mail: 2452739538@ QQ. com
责任编辑摇 孙摇 菊
7573 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 杨广容等: 集约化生产对农田土壤碳氮含量及 啄13C和 啄15N同位素丰度的影响摇 摇 摇 摇 摇