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随着世界人口的迅速增长,人们对粮食的需求量日益增加,集约化农业是从有限的上地资源中获得更高粮食产量必不可少的措施。目前,设施蔬菜生产在我国已经得到广泛应用,并且其产量在中国市场的比重日益增加,已经远远超出世界其他国家。小麦玉米轮作系统对于保证充足的粮食供应也至关重要。在集约化生产模式下,农业种植管理方式对土壤碳循环具有重要影响。因此,评估这些系统对土壤碳固持的潜力是很有必要的,这不仅有利于减少温室气体的排放,同时也有利于增加这些系统的可持续。上壤碳由有机碳和无机碳两部分组成。目前对于土壤有机碳循环的研究较多,但很少有人重视这些系统中土壤无机碳的循环过程。本研究在寿光和曲周选择了两个设施蔬菜生产体系,此外还对露地小麦玉米系统进行了评估。寿光设施蔬菜生产系统主要研究两种灌溉方式以及二三种有机肥的施用方式,曲周设施蔬菜生产采用传统的有机肥和化肥结合施用方式,并且选取一块自然未耕作土地作为空白对照。露地冬小麦一夏玉米生产系统也采用类似的施肥方式。研究测定了200 cm土层处土壤有机碳和无机碳的含量,同时还分析了不同粒径土壤组分中有机碳的循环过程,用以评估不同形态有机碳的稳定性。为了更详细的评价这些系统中土壤有机碳和无机碳的循环过程,我们还利用13C和15N自然丰度法来分析整土和不同组分中土壤的有机碳和无机碳特性。此外还使用13C同位素标记法来测定土壤无机碳中次生碳酸盐和原生碳酸盐的比例。在寿光,设施菜田采用两种灌溉方式和三种不同的施肥方法。灌溉方式主要分为保水保肥的滴灌施肥方式(D)以及传统的沟灌并施用过量的化肥(F)。有机肥主要包括以下三个处理：单独施用粪肥(M),粪肥加小麦秸秆(MWS)以及粪肥加玉米秸秆(MCS)。结果表明,在施用有机肥的地区采用滴灌模式,200cm土层土壤有机碳含量显著增加,不同有机肥处理土壤有机碳含量如下：MWS>MCWS>M。在沟灌模式下,各处理土壤SOC含量与滴灌模式下一致,但FMWS处理的0-100 cm土层土壤有机碳含量较其他两种处理有显著提高。此外,滴灌方式结合优化施肥下土壤有机碳含量显著增高,而采用沟灌方式结合施用过量化肥有机碳较低。研究表明,滴灌条件下,0-100 cm和0-200 cm土层土壤有机碳含量较沟灌分别提高了3.98和1.53 Mg SOC ha-1 yr-1。土壤颗粒分离技术表明有机碳的这种增长是比较稳定的,因为这些土壤有机碳与粉粒和粘粒紧密结合。15N的结果也表明,与沟灌相比,滴灌条件下土壤有机碳具有较高的稳定性。同位素的研究还表明,滴灌条件对于土壤有机碳的增加,没有降低土壤有机碳的分解,而是由于新增加的有机碳贡献,包括根系和微生物量等。对土壤无机碳的研究表明,滴灌比沟灌增加了55.5 Mg C ha-1,其中次生碳酸盐增加速率为0.3 Mg C ha-1 yr-1。在0-200 cm土层,七年间沟灌每年损失土壤原生无机碳7.9Mg C ha-1 yr-1。原生无机碳的降低,可能主要是由于化肥使用导致的pH增加引起。秸秆还田对于降低碳酸盐分解、促进次生碳酸盐形成具有正面效果。滴灌结合秸秆还田对于提高设施蔬菜土壤碳具有重要意义。在河北曲周的蔬菜生产包括三个肥料处理,即常规(25%养分来自有机肥,75%来自化肥)、低投入(有机肥和化肥各自提供50%养分)以及有机,自然未耕种士壤作为参考进行比较。研究结果表明,有机和低投入处理对整个土壤有机碳的增加可以延续到200 cm土层。δ15N的分析表明,100 cm以下土壤有机碳对于肥料措施敏感。与自然土壤比较,有机和低投入提高土壤有机碳的数量分别为35.8和28.6 Mg C ha-1,而常规施肥在0-100和0-200 cm土层降低22.5和13.6 Mg SOCha-1。在0-200 cm土层,与常规生产比较,有机和低投入固碳速率为5.3 and 2.5 Mg C ha-1 yr-1。土壤粒径分析表明,有机和低投入在活性粗砂颗粒中有更高有机碳含量,对于非活性组分的有机碳含量提高也很明显。与自然土壤(74%)比较,0-20 cm土层设施蔬菜土壤含有80%的有机碳聚合在粉粒组分；在20-40 cm土壤,自然土壤含有更高比例的有机碳聚合在粘粒和粉粒组分。说明有机处理土壤的稳定化程度较快,对于土壤的持续固定具有重要意义。与自然土壤比较,常规、低投入和有机蔬菜增加土壤无机碳分别为44、40和36 Mg SIC ha-1(0-200 cm),其中常规生产的次生碳酸盐比例较高,低投入次之,这种增加的代价是原生碳酸盐的降低。与2002年的试验期前土壤数据比较表明,有机和低投入蔬菜生产的次生碳酸盐是由于原生碳酸盐降低引起的,对于土壤固碳没有实质意义,而有机生产的次生碳酸盐的碳来自于空气,具有固碳意义。超过39年的田间小麦-玉米试验结果显示,相比于自然状态下的土壤,高量有机肥、低量有机肥、化肥以及空白处理的次生碳酸盐含量更高。土壤无机碳的积累主要是新形成发生性空气性碳酸盐对碳的固定,速率分别是0.38、0.27、0.23、0.12 Mg C ha-1 yr-1。除了对照土壤,其它处理的土壤原生碳酸盐含量都基本接近,而对照组中土壤原生碳酸盐含量的明显降低,意味着其发生了溶解。有机肥料的施用不仅会增加表层土壤有机碳含量,其对土壤剖面160 cm深度的有机碳含量均有提升作用。形成次生碳酸盐的最大潜能取决于Ca2+和Mg2+的有效性,此次研究中这些阳离子的提供都来自灌溉水。然而,无机肥和有机肥的施用降低了这一潜能。不施有机肥和无机肥时,即使土壤中存在大量的Ca2+和Mg2+,次生碳酸盐的形成也会导致原生碳酸盐的溶解和重新沉淀。我们的研究认为,滴灌条件下适宜的灌溉施肥是大棚蔬菜生产系统可持续增加的潜在方案。相比于传统的沟灌措施,这不仅会节约资源,也可以通过增加土壤中具有更高稳定性的有机碳和无机碳来固定碳。提高这些系统可持续性的另一个有效途径是有机农业。因此,在应用滴灌模式下有机肥与化肥结合施用有助于提高设施蔬菜生产的有效性,它能提高作物产量及土壤碳储存量。此外,我们的实验结果表明,在评估土壤碳储量的时候应该考虑次生碳酸盐,以制定生产中优化的灌溉和施肥措施。