农业土壤是陆地生态系统重要的碳库^[1]，呼吸作用是土壤向大气排放CO₂的重要过程^[2]，其排放约占人为源排放温室气体的10%~12%^[3]。因此，农业土壤碳库的变化将对全球变化产生较大影响^[2]。农业耕作措施是影响农业土壤碳排放过程的重要因素^[4]。其中，灌溉^[5-6]、施肥^[7]、温度^[8]等因素均对农业土壤碳排放过程产生明显影响。一般认为，可以通过温度敏感性系数（Q₁₀）反映土壤有机碳矿化对温度的响应^[8]。早期研究发现，有机碳难分解组分的矿化对温度无响应^[9]，但也有研究表明，有机碳难分解组分与易分解组分矿化具有相似的Q₁₀值^[10]，或有机碳难分解组分矿化的Q₁₀值大于易分解碳组分^[11]。而且，不同利用方式显著影响土壤碳组分^[12]。因此，不同利用方式土壤碳排放过程对温度的响应可能不同^[13]。

设施栽培是我国蔬菜重要生产方式之一，传统农田转变为设施菜地后土壤有机碳含量发生显著变化^{[9, 15]}。此外，设施菜地独特的耕作措施导致其土壤具有高温、高湿及高施肥量等新特点^[9]。因此，相对于传统农田，设施菜地独特的耕作措施及其导致的土壤环境条件变化，可能对土壤碳排放过程产生重要影响。目前，针对农业土壤碳排放过程的研究主要集中在小麦、玉米、棉花等作物类型^{[5-6, 16]}，对农田转变为设施菜地及设施菜地荒废后土壤有机碳矿化的变化特征研究仍不充分。

为了明确设施耕作对土壤碳排放过程的影响，本文以寿光市为例，利用室内培养试验（400 d），研究土地利用方式变化（即农田转变为设施菜地及设施菜地荒废）与温度对土壤有机碳矿化的交互作用，以期明确土地利用方式变化与温度对土壤碳排放过程的综合影响，为设施菜地土壤CO₂减排提供依据。

1 研究地区与研究方法 1.1 研究区概况

寿光市位于山东半岛北部，属暖温带季风性大陆气候，该区年均降水量594 mm，年均气温12.7 ℃。农田为玉米-冬小麦轮作，耕作过程中主要施加复合肥，年均施肥量（N：P₂O₅：K₂O=15：15：15）为1.13 t·hm^{-2 [17]}。农田转变为设施菜地前，其基本理化性质具有相似性^[18]。设施蔬菜以黄瓜、番茄、辣椒等轮作为主，复种指数较高，种植方式与管理具有较大相似性，施肥类型包括有机肥及复合肥。有机肥（鸡粪为主）年均施用量为207.2 t·hm^-2（鲜质量），复合肥（N：P₂O₅：K₂O=15：15：15）年均施用量为10.6 t·hm^-2[15]。设施菜地荒废后去除上覆保温措施、撂荒。

1.2 样品采集与测试

选取农田（对照）、种植6 a设施菜地及荒废12 a设施菜地为研究对象。上述3类样地在空间上相邻，均处于500 m×500 m的范围内。农田选择3个20 m×20 m的样方，设施菜地及荒废设施菜地每类样地选择3个相邻的大棚。在上述各样方或大棚内，按“S”形布点、采集10个土样（0~20 cm）、混匀。实验室内手工去除根系、石块及土壤动物等。一部分样品风干、研磨、过2 mm筛，并取部分过2 mm筛的风干土继续研磨、过0.15 mm筛，采用重铬酸钾容量法测定土壤有机碳含量，开氏法测定全氮含量，比重计法测定土壤机械组成（2~0.05、0.05~0.002 mm、＜0.002 mm），烘干法测定土壤含水率，湿筛法分离大团聚体（2~0.25 mm）并测定其有机碳含量，电位法测定土壤pH ^[19]；取部分过2 mm筛风干土样提取土壤颗粒碳（POM）^[20]，采用重铬酸钾容量法测定其有机碳含量^[21]；采用Rey等^[21]的方法测试土壤最大持水量（WHC）。另一部分新鲜土样4 ℃冷藏，用于培养实验。土壤理化性质见表 1。

1.3 室内培养实验

将50 g（干质量）新鲜土样置于500 mL广口瓶内，调节土壤含水率至60% WHC，随即称量。将广口瓶分别置于25、35 ℃恒温培养箱中培养400 d。每个处理3个重复。培养实验的第1、7、14、21、28、42、56、70、84、112、148、168、196、286、400 d取样。取样前，将广口瓶通风、用背景空气置换瓶内气体，然后用带三通的胶塞将广口瓶密封，密封0、24 h用带三通的注射器分别抽取20 mL瓶内气体，用气相色谱（Aglient 7890A，美国）测定样品CO₂浓度，并根据前、后两次样品CO₂浓度差，计算土壤有机碳矿化速率。采样结束后去掉胶塞，将瓶口用多层纱布罩住，即保证瓶内空气流通，又减缓瓶内水分损耗。每隔2~3 d采用称量法补充土壤水分，使土样保持相对恒定的含水率。

土壤有机碳矿化的温度敏感性系数（Q₁₀）采用Fissore等^[22]提出的方法计算，具体如下：

式中：LIT₁代表35 ℃；LIT₂代表25 ℃；R₁代表35 ℃时的CO₂排放量；R₂代表25 ℃时的CO₂排放量。

土壤有机碳易分解、难分解组分的Q₁₀根据Conant等^[23]提出的方法计算：首先，将土样的培养时间延长至各处理的土壤有机碳累积矿化量均超过其土壤有机碳含量的7%。其次，选择适当函数拟合培养时间及其对应的土壤有机碳累积矿化量的关系。再次，根据所得函数计算参数T₁、T₂及Q₁₀，具体如下：

式中：当Q₁₀代表土壤有机碳易分解组分的温度敏感性系数时，T₁、T₂分别代表为25、35 ℃条件下，培养实验开始至有机碳累积矿化量为土壤有机碳含量的1%时所需的时间；当Q₁₀代表土壤有机碳难分解组分的温度敏感性系数时，T₁、T₂分别代表在25、35 ℃条件下，有机碳累积矿化量为土壤有机碳含量的6%~7%时所需的时间。

1.4 交互作用类型的确定

交互作用类型的确定参照如下方法^[24]，并进行适当调整：25 ℃条件下农田土壤有机碳累积矿化量定为A₀；增温（25 ℃升至35 ℃）对农田土壤有机碳累积矿化量的促进作用定义为T₀；25 ℃条件下，设施菜地（或荒废设施菜地）与农田累积矿化量的差值定义为A₁，代表农田转变为设施菜地（或荒废设施菜地）后对土壤有机碳矿化的影响；增温与农田转变为设施菜地（或荒废设施菜地）对土壤有机碳矿化交互作用的理论值为B₀，B₀=A₀+T₀+A₁。35 ℃条件下，设施菜地（或荒废设施菜地）土壤有机碳累积矿化量代表增温与农田转变为设施菜地（或荒废设施菜地）对土壤有机碳矿化交互作用的实测值（B₁）。（1）当B₀显著大于B₁（P＜0.05），交互作用类型为负效应（Antagonistic effect），表明单因素影响之和大于实际交互作用。（2）当B₀显著小于B₁（P＜0.05），交互作用类型为正效应（Synergistic effect），表明单因素影响之和小于实际交互作用；（3）当B₀与B₁无明显差异（P＞0.05），交互作用类型为加和效应（Additive effect），即单因素影响之和等于实际交互作用。

1.5 数据处理

土壤理化性质、有机碳累积矿化量及Q₁₀值在不同样地类型间的差异采用单因素方差分析（LSD法）。土地利用方式及培养温度对土壤有机碳累积矿化量的交互影响采用双因素方差分析。有机碳累积矿化量与各因素相关性采用Pearson相关分析。统计显著水平ɑ=0.05。采用SPSS 13.0软件统计分析相关数据。采用Origin 8.0软件作图。

2 结果与分析 2.1 土壤理化性质

由表 1可知，设施菜地土壤有机碳、全氮、大团聚体及其有机碳含量、颗粒有机碳含量显著高于农田（P＜0.05），分别为农田的1.96、3.50、3.09、1.41、3.47倍。设施菜地荒废后土壤有机碳及全氮含量降至农田水平，但大团聚体及其颗粒有机碳含量仍显著高于农田（P＜0.05）。

2.2 土壤有机碳累积矿化量

由图 1可知，25 ℃和35 ℃条件下，设施菜地、荒废设施菜地和农田的土壤有机碳累积矿化量分别为4.23±0.08、2.29±0.07、1.48±0.08 g·kg^-1和6.02±0.21、3.26±0.24、2.31±0.15 g·kg^-1。增温使农田、设施菜地及荒废设施菜地土壤有机碳累积矿化量分别增加56.08%、42.32%、42.36%（P＜0.01）。农田转变为设施菜地加快土壤有机碳矿化（图 2，P＜0.05），其有机碳累积矿化量分别增加了185.81%（25 ℃）、160.61%（35 ℃）。设施菜地荒废后土壤有机碳矿化速率明显下降，但仍高于农田（P＜0.05）。荒废设施菜地土壤有机碳累积矿化量较农田分别增加了54.73%（25 ℃）、41.13%（35 ℃）。由表 2可知，土壤有机碳累积矿化量分别与土壤有机碳、全氮、大团聚体有机碳、颗粒有机碳含量及pH呈显著正相关关系（P＜0.01）。

2.3 土壤有机碳矿化温度敏感性系数（Q₁₀）

由图 3可知，农田转变为设施菜地及设施菜地荒废后，土壤有机碳矿化及有机碳难分解组分矿化的Q₁₀值均显著降低（P＜0.05）。农田、设施菜地及荒废设施菜地土壤有机碳矿化的Q₁₀均值分别为1.56、1.42、1.43，土壤有机碳难分解组分矿化的Q₁₀均值分别为2.04、1.42、1.37。然而，农田转变为设施菜地后，土壤有机碳易分解组分矿化的Q₁₀值明显升高（P＜0.05），农田、设施菜地及荒废设施菜地土壤有机碳易分解组分矿化的Q₁₀均值分别为1.37、1.79、1.41，表明农田转变为设施菜地增强土壤有机碳易分解组分矿化对温度的响应程度。

2.4 土地利用方式与温度对土壤有机碳矿化的交互作用

土地利用方式与温度对土壤有机碳累积矿化量有明显交互作用（P＜0.001，表 3）。由图 4可知，农田转变为设施菜地与增温对土壤有机碳矿化交互作用的理论值小于实测值（P＜0.05），表明交互作用的类型为正效应，即农田转变为设施菜地与增温对土壤有机碳矿化的交互作用明显大于两因素单独影响之和（P＜0.05）。然而设施菜地荒废后与增温对土壤有机碳矿化交互作用的理论值与实测值无显著差异，故产生加和效应。

3 讨论 3.1 土地利用方式及温度对土壤有机碳矿化的影响

耕作措施是影响农业土壤碳排放的重要因素。其中，施用有机肥^[7]及氮肥^[25]显著促进土壤碳排放。此外，有研究发现，好气条件下农业土壤大团聚体有机碳累积矿化量明显大于其他粒级团聚体，表明大团聚体有机碳是农业土壤有机碳矿化的主要贡献者^[26]。相比传统农田（如冬小麦-玉米轮作），设施菜地种植过程中施用大量有机肥（以禽畜粪便为主）及氮肥^{[7, 15, 17]}，设施菜地荒废后停止施肥，致使土壤有机碳、大团聚体有机碳、颗粒有机碳及全氮含量随土地利用方式变化呈先升后降趋势（P＜0.05，表 1）；且上述指标分别与土壤有机碳累积矿化量呈显著正相关关系（P＜0.01，表 2）。表明施肥是导致研究区不同土地利用方式下土壤有机碳累积矿化量改变的主要原因（图 1）。此外，有研究表明，传统农田转变为设施菜地显著增加土壤磷脂脂肪酸（PLFA）总量及土壤细菌数量^{[9, 27]}，且有机肥配施氮肥为设施菜地土壤微生物创造较适宜生存环境，使其保持较高的群落功能多样性和碳源利用能力^[28]。据此推测，研究区设施菜地有机肥配施复合肥增加了土壤微生物生物量，提高土壤微生物群落功能多样性及其对碳源的利用能力，加速土壤有机碳矿化。

增温显著提高土壤有机碳矿化（P＜0.05，图 1和图 2），这与大多数研究的结论相似^[9-12]。升温10 ℃后，农田、设施菜地及荒废设施菜地土壤有机碳累积矿化量分别为增温前的1.56、1.42、1.42倍，这与土壤有机碳矿化及难分解有机碳组分矿化温度敏感性系数（Q₁₀）的变化趋势相同，即农田转变为设施菜地后，土壤有机碳矿化的温度敏感性有所下降（图 3）。研究发现，土壤碳排放的Q₁₀值随着温度升高而下降，因为微生物对较高温度条件有所适应^[29]。相对于传统农田，研究区设施菜地的保温措施使其土壤温度高于农田^[9]。设施菜地土壤微生物对较高的土壤温度条件具有一定适应性，升温虽能促进设施土壤碳排放，但其增幅较农田有所下降，导致Q₁₀值低于农田。设施菜地种植过程中施用的有机肥以禽畜粪便为主^{[9, 18, 20]}，其中含有较多的易分解有机碳组成（表 1），且农田转变为设施菜地后土壤有机碳易分解组分的Q₁₀值明显升高（P＜0.05，图 3）。意味着设施菜地高温、持续且大量施加有机肥等将加速土壤有机碳易分解组分的矿化，导致设施菜地土壤有机碳累积矿化量明显大于农田。

3.2 土地利用方式与温度对土壤有机碳矿化的交互作用

土地利用方式变化及增温对土壤有机碳矿化有明显交互作用（表 3），且交互作用的类型存在差异（图 4）。农田转变为设施菜地及增温对土壤有机碳矿化的交互作用类型为正效应。本研究区农田转变为设施菜地后土壤有机碳易分解组分的Q₁₀值升高。表明相同增温条件下，设施菜地土壤有机碳易分解组分矿化速率提升幅度大于农田，且设施菜地土壤颗粒有机碳含量高于农田（表 1）。因此，相同增温条件下，设施菜地土壤有机碳累积矿化量平均增幅（1.79 g·kg^-1）大于农田（0.83 g·kg^-1），产生正效应。然而，设施菜地荒废后土壤有机碳易分解组分的Q₁₀值较农田无显著变化（图 3），因此交互作用类型变为加和效应（图 4）。说明不同土地利用方式土壤有机碳易分解组分Q₁₀值的变化是引起交互作用类型改变的主要原因。此外，近期研究发现，增温与施用氮肥对土壤碳排放产生非加和效应^[30]。增温促进土壤氮矿化，该内源氮的释放对土壤有机碳矿化产生进一步的影响，使温度和施用氮素对土壤有机碳矿化的交互作用为非加和效应^[16]。设施菜地种植过程中施加大量有机肥^{[14-15, 17]}，增温可以大幅促进设施菜地土壤氮素矿化，增加土壤内源氮释放。且土壤氮含量与有机碳累积矿化量呈显著正相关关系（表 2），土壤内源氮释放能进一步促进土壤有机碳矿化，产生正效应。然而，设施菜地荒废后停止施肥，增温对土壤内源氮素矿化的促进作用不足以显著影响土壤有机碳矿化，故产生加和效应。

土壤碳排放过程是各影响因素综合作用的结果，以往的研究多侧重各因素对土壤碳排放过程的单独影响^{[5-6, 8, 14]}。本研究发现，增温与农田转变为设施菜地对土壤碳排放过程的综合影响大于单因素影响之和。如果利用单因素对土壤碳排放影响之和预测多因素的交互作用，可能低估土壤碳排放水平。因此，今后应注重多因素对土壤碳排放过程的交互作用研究，以深入认识各因素对土壤碳排放过程的综合影响。

4 结论

（1）农田转变为设施菜地后，土壤有机碳累积矿化显著增加。设施菜地荒废12 a后，土壤有机碳累积矿化量虽显著下降，但仍大于农田。

（2）增温显著促进土壤有机碳矿化。农田转变为设施菜地后，土壤有机碳及其难分解组分矿化的Q₁₀值显著降低。但有机碳易分解组分的Q₁₀值却显著增加，加速设施菜地土壤有机碳易分解组分的矿化。

（3）由于农田转变为设施菜地后有机碳易分解组分的Q₁₀值明显增加，农田转变为设施菜地与增温对土壤有机碳矿化交互作用类型为正效应。然而，设施菜地荒废后土壤有机碳易分解组分的Q₁₀值较农田无显著变化，故交互作用类型变为加和效应。因此，应加强多因素对土壤碳排放过程的交互作用研究。