我國設施土壤硝態氮累積特性及影響因素研究綜述

姚玉霞，張雪虹，葉 瑋，方珦企

(浙江師范大學 地理與環境科學學院，浙江 金華 321004)

1 研究背景及意義

設施栽培是在人工環境下進行栽培的一種農業技術，形式主要包括塑料大棚、連棟溫室和日光溫室[1]。我國設施栽培快速發展始于20世紀80年代，最初主要在我國“三北”地區發展[2]，近年來設施栽培迅速向南方擴展，發展勢頭甚至超過北方[3]。設施栽培在我國已漸成規模。截至2014年，我國設施栽培占全世界的85%以上，總面積和總產量均居第1位[4]。目前，我國設施栽培正在向規模化、集約化、機械化、科學化、智能化方向發展[5～9]。

2 設施土壤硝態氮累積特性

2.1 不同年限設施土壤硝態氮含量變化

隨著設施栽培年限的增加，土壤硝態氮含量呈現先增加后降低的趨勢，但是始終高于露天栽培[13～25]。曹文超等[15]對山東壽光0-20年大棚土壤進行測定發現，設施菜田表層土壤種植1～3、4～6、7～9、>10年的土壤硝態氮含量分別是130.6、141.1、154.2、125.2 mg/kg，分別為露天小麥相同土層的2.83、3.06、3.34、2.72倍。據魏迎春[14]對陜西楊凌地區不同棚齡的土壤分析，土壤硝態氮含量累積情況為：大棚土壤>拱棚土壤>露天蔬菜土壤>大田土壤；在土壤剖面的不同深度，0～10、10～20、20～40 cm土層中的硝態氮含量分別為露天菜地土壤的10.63、25.53、38.78倍。王儀炸[10]發現剖面深80～100 cm處的硝態氮含量仍是大田表土的數倍。這可能是由于設施栽培氮肥施用多，加重了硝態氮在剖面上的淋溶[13]。

不同種植模式對設施土壤中硝態氮含量的變化趨勢影響不大，對硝態氮含量的峰值出現早晚存在一定影響[22]。

2.2 設施土壤縱向剖面硝態氮累積特征

設施土壤硝態氮在垂直剖面中同時存在向表層積聚和向底層遷移兩種運動，以前者為主[26]。故其含量在剖面中總體呈減小趨勢，但是具體變化規律可能有兩種情況。一是表層設施土壤(0～20 cm)[24]硝態氮含量最多，向深處逐漸減小，在達到一定深度后又開始累積，但一般不超過表層含量[21]。楊慧[11]發現，不同年限設施栽培下，硝態氮含量在垂直剖面中會出現峰值，隨著種植年限的延長，該峰值逐漸增大，且出現的峰值的深度逐年加深。這一發現得到了袁麗金[27]、張迪[28]等學者的研究證實。二是從表層至深層始終逐漸減小。這可能是由當地深層土壤為砂質土，保水性能較差，硝態氮淋溶進入地下水引起的[29]。此外，不同作物的氮素吸收性[11]及根長[30]、土樣采集深度[31]等均可能影響設施土壤垂直剖面上硝態氮含量的變化規律。相比之下，露天栽培下不同深度土壤硝態氮含量則變化不大[11]。

3 設施土壤硝態氮累積的影響因素

3.1 水熱條件

溫度主要從兩方面影響設施土壤硝態氮的累積。一方面，溫度會影響土壤中氮素的轉化過程，如礦化、水解、硝化、反硝化等。以硝化過程為例，適宜的溫度有利于促進硝化細菌的生長，從而加快硝化作用速率，增加土壤中硝態氮含量。硝化細菌生長的最適溫度范圍為5～40 ℃；溫度為0～5 ℃時硝化作用完全被抑制[32]。另有實驗指出30 ℃時硝化率最高，硝化速率最大；20 ℃對硝化作用有一定抑制[33]。另一方面，溫度通過影響土壤中的水分運動，間接影響土壤中硝態氮的累積和淋溶。當土壤含水率相同時，隨著溫度升高，土壤水吸力降低，相同條件下土壤持水能力降低，土壤水勢升高，使得水分向上運動[34]，從而引起硝態氮的表聚現象。

水分對設施土壤硝態氮累積的影響主要表現在灌溉和降雨對硝態氮的淋洗作用。水量增加能促進硝態氮的淋洗，使得表層土壤中的硝態氮含量降低。降雨主要作用于設施栽培的休閑期。劉曉軍[35]于2006～2007年對夏季休閑期前后陜西楊凌日光溫室土壤硝態氮進行研究發現，在休閑期降雨量較少的2006年(65 mm)，種植3、5、10年的溫室中0～200 cm土層中硝態氮含量不減反增；降雨量較大的2007年(214 mm)，各溫室土壤硝態氮含量均有明顯下降。模擬實驗也顯示，不同模擬降雨量處理時，40 mm模擬降雨量下的土壤淋出液中硝態氮濃度大于20 mm模擬降雨量處理。若灌水不連續，則第一次灌水15～20 d后硝態氮可能出現“表聚”趨勢，需要再一次灌水抑制“返鹽”[36]。

3.2 施肥

施肥是影響設施土壤硝態氮累積的最直接因素，施氮量、施肥時間、施肥種類等均有不同程度影響。施氮量低于作物最佳氮肥用量時，不會造成硝態氮大量累積，但超過其最高所需氮素后，土壤中硝態氮殘留量急劇增加[37]。王秀康[38]研究表明，玉米播種后一個月，硝態氮在其根系下方40 cm處形成一個孤島，施肥處理的硝態氮含量是不施肥處理的1.65倍。蔡小斌[39]指出，在設施番茄的苗期、盛果期、末果期，高氮處理均會造成根圍土壤中硝態氮大量累積，減氮處理則能降低土壤中硝態氮含量。而且對黃瓜減量施用常規施肥50%左右的氮肥并不會降低黃瓜品質[40]。施肥時間也很重要，拖后施氮肥會引起土壤硝態氮含量增加；且基肥多時硝態氮集中在深層，追肥多時則相反[21]。不同種類的肥料在土壤中的淋溶特性不同，故引起土壤垂直剖面上硝態氮的累積差異。在施用純氮量相等的情況下，不同種類的氮肥淋溶能力為硝酸銨>尿素>碳酸氫銨，因此導致硝態氮最大累積的深度依次減小[37]。施肥過程中加入有機肥能顯著減少各深度硝態氮的累積[41]，而氮肥被長期單獨施用時，未被利用的氮素有59%左右以硝態氮的形式存在于土壤剖面中[42]。

3.3 耕作制度

不同耕作制度，尤其是連作和輪作對設施土壤硝態氮累積的影響差異明顯。輪作能顯著減少硝態氮累積，其原理是利用不同作物的氮吸收特性，提高氮素利用率[43]。在施肥完全相同的情況下，連作種植小麥、玉米和苜蓿，硝態氮殘留為玉米<苜蓿<小麥[37]；對比“玉米-蔬菜”輪作和“蓖麻-蔬菜”輪作兩種模式，玉米輪作能顯著減少設施土壤表層的硝態氮含量，而蓖麻作為一種深根耐鹽植物，對土壤深層硝態氮的吸收利用優于玉米[44]。此外，在水稻種植區，“菜-稻輪作”模式的氮肥利用率(65.6%)比僅種植蔬菜(45.1%)高出20.4%[45]。種植豆目植物進行輪作也可以有效減少設施菜地硝態氮含量[46]。

3.4 其他因素

土壤性狀如土壤質地可以通過影響土壤的通氣狀況改變有機氮的礦化作用和銨態氮的硝化作用；土壤結構決定土壤的透水性質，從而影響硝態氮隨水分在土壤剖面上的分布[12]。作物對土壤中硝態氮累積的影響表現在不同作物對硝態氮的吸收能力以及同一種作物在不同生長時期對硝態氮的需求差異上[37]。對地表進行覆蓋能明顯減少土壤中硝態氮含量，且覆草(如稻草、秸稈等)處理比覆膜處理效果更顯著[47]。此外，種植密度[41]、耕作方式[48,49]等均在一定程度上影響著土壤硝態氮的累積。

4 設施土壤硝態氮累積的綜合治理

實驗表明，設施土壤硝態氮含量與土壤總含鹽量呈顯著正相關[48]、與土壤pH值成顯著負相關[50]，說明硝態氮累積容易引起土壤酸化、鹽漬化。此外，土壤中硝態氮含量過高還可能促進硝態氮的淋溶，威脅地下水水質[29]。因此有必要對硝態氮累積嚴重的設施土壤進行綜合治理。

4.1 水肥管理

施肥上，在不降低作物產量和品質的前提下，可以適當減少無機氮肥施用量[40]。另一方面，推薦采用無機肥和有機肥配施的優化施肥方法[51,52]，二者比例合適時不僅能減少土壤硝態氮殘留，提高作物產量[10]，還能補充土壤磷素[52]。灌溉方式上，目前比較提倡滴灌和滲灌[22]。二者均能有效降低土壤中鹽分累積，減緩土壤鹽漬化趨勢[22]，且滴灌效果好于滲灌[53]。當前，歐美等農業發達國家大面積推廣的是一種結合灌溉和施肥于一體的技術——滴灌施肥。該方法在不減少經濟效益的情況下，對減小氮肥投入量和減輕硝態氮殘留作用顯著[54]。

4.2 農業措施

農業耕作方面可以采用多種作物輪作的耕作制度，并對地表進行覆草或覆膜。此外在前后兩季主要作物之間的空隙種植填閑作物也有顯著效果[55～57]，可以選擇甜玉米、甜高粱、莧菜等，以甜玉米的效果最為顯著[55]。但是填閑作物對下茬作物的產量影響仍有爭議[58]。

4.3 生化措施

生化措施如施用微生物菌肥、加入碳調理劑等，通過促進硝態氮轉化為銨態氮和有機態氮，從而減少硝態氮在土壤中的累積[59]。

5 結論

設施土壤中硝態氮含量顯著高于露天栽培。隨著設施栽培年限增加，土壤硝態氮含量先增加后降低，一般在連作4～10年間達到峰值。硝態氮在設施土壤垂直剖面上有向表層積聚和向底層遷移兩種運動，總體上其含量從表層至底層呈減小趨勢。設施栽培過程中，水熱條件、施肥狀況、耕作制度、土壤性狀、作物狀況等因素均影響著硝態氮的累積。硝態氮累積是引發設施土壤酸化和鹽漬化的重要原因，可以通過有機肥和無機肥配施、滴灌施肥等水肥管理措施，多種作物輪作的耕作制度，用地膜、秸稈、稻草等對地表進行覆蓋，加入合適的土壤調理劑或施用微生物菌肥等方法減小設施土壤硝態氮累積。

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