設(shè)施菜地氮素淋溶影響因素研究進(jìn)展

唐 珧，劉 平，白光潔，李麗君

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031）

設(shè)施菜地氮素淋溶影響因素研究進(jìn)展

唐 珧1，劉 平2，白光潔2，李麗君2

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031）

設(shè)施菜地由于“大肥大水”農(nóng)業(yè)管理模式引起的氮素淋溶已經(jīng)成為不可忽視的問題，除造成肥料的浪費外，還嚴(yán)重威脅飲用水的安全，同時對環(huán)境造成了負(fù)面影響。根據(jù)近年來設(shè)施菜地氮素淋溶方面的研究報道，從肥料種類、施肥量、施肥時期及施肥方式描述了施肥作為主要影響因素對設(shè)施菜地氮素淋溶的影響效果，同時分析了灌水量、添加生物炭和硝化抑制劑、種植填閑作物及種植年限對氮素淋溶造成的影響。這可為減少設(shè)施菜地氮素淋溶，提高氮肥利用率提供理論依據(jù)。

設(shè)施菜地；氮淋溶；影響因素

近年來，我國設(shè)施蔬菜發(fā)展迅猛，具有面積大、產(chǎn)量大、產(chǎn)值大、出口量大等特點[1]。2014年，種植面積已經(jīng)達(dá)到386.2萬hm2[2]。為了追求蔬菜高產(chǎn)帶來的經(jīng)濟(jì)效益，農(nóng)民逐步陷入了“大肥大水”的農(nóng)業(yè)管理誤區(qū)，主要表現(xiàn)在氮肥的過量施用[3]，但是作物對氮素的吸收和利用有一定的限度，超過這一限度時，不僅會導(dǎo)致減產(chǎn)、產(chǎn)品品質(zhì)下降[4]，還會造成氮素?fù)p失，甚至導(dǎo)致其利用率不足10%[5]。損失的氮素除了有N2O，NH3，N2等氣體排放外，還有大量盈余的氮素淋溶進(jìn)入地下水，對飲用水的安全性也構(gòu)成了威脅[6]。已有大量研究指出，設(shè)施菜地氮素淋溶除受施肥影響外，還受其他因素影響[6]。

本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)施菜地的特點，闡述了影響氮素淋溶的因素和結(jié)果，以期為提高設(shè)施菜地氮肥利用率，進(jìn)而減少對環(huán)境的負(fù)面效應(yīng)提供參考依據(jù)。

1 研究現(xiàn)狀

1905年，英國WARRINGTON[7]采用田間滲慮技術(shù)進(jìn)行了對氮淋溶機(jī)制的探索。隨后，人們在這一領(lǐng)域的研究不斷深入。目前，國際上主要采用間接計算法和直接測定法來定量氮素淋溶。其中，直接測定法有排水采集器法和多孔杯法[8]，主要用于研究根層氮素的淋溶[9]。國內(nèi)研究主要集中在農(nóng)田氮淋洗及影響因素上：利用土鉆取樣或模擬土柱研究氮素在土壤中的遷移[6]；采用淋溶盤或lysimeter觀測根層氮淋溶；還有一些氣候、水肥管理、土壤類型、耕作方式、秸稈還田等因素對農(nóng)田土壤氮遷移及淋溶影響的研究[10]。

20世紀(jì)80年代，國家實施“菜籃子”工程，設(shè)施蔬菜迅速發(fā)展起來，同時由此帶來的氮素淋溶也逐漸引起了學(xué)者的關(guān)注[1]。在土壤氮素淋溶的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)施菜地不同于大田的種植環(huán)境，進(jìn)行了大量的試驗探究影響氮素淋溶的因素，結(jié)果表明，設(shè)施菜地除和大田一樣可通過調(diào)節(jié)施肥量和灌水量，添加生物炭、有機(jī)肥、硝化抑制劑來影響氮淋溶量外，還可通過種植填閑作物來影響氮素的淋溶，同時，氮素淋溶還受棚齡的影響。

2 影響因素

2.1 肥料種類

不同品種的肥料氮素淋溶的研究目前主要集中在無機(jī)有機(jī)肥相結(jié)合以及新型肥料（緩/控釋肥）的施用上。

2.1.1 有機(jī)無機(jī)肥配施 化學(xué)氮肥溶解快、釋放快，但作物生長前期需氮量少，使得前期氮肥供過于求，大量氮肥隨水流失。而有機(jī)肥具有緩效性，前期釋放少，能提供作物后期的氮肥供應(yīng)，二者配合施用既能滿足作物的生長需求，又能減少氮素的淋溶損失；此外，有機(jī)肥施用可減少氮素淋溶損失主要有2個方面的原因：一方面施用有機(jī)肥可提高土壤陽離子代換量，降低土壤中硝化反硝化微生物的活性，增強(qiáng)土壤中硝態(tài)氮的吸附作用，抑制硝態(tài)氮的生成，從而減少氮淋溶[11]；另一方面，有機(jī)肥礦化分解過程中微生物消耗了土壤部分氮素，使得礦質(zhì)氮被固持，土壤中硝態(tài)氮累積量降低，進(jìn)而減少了氮淋溶損失[12]。有研究表明，在化學(xué)氮肥施用量相同的條件下，采用有機(jī)無機(jī)肥配合施用，硝態(tài)氮的淋溶量可減少26.6%，但值得注意的是，有機(jī)肥的施入會增加磷淋溶的風(fēng)險[11]。

2.1.2 緩/控釋肥 緩釋肥主要是通過包膜的方式來延緩養(yǎng)分的釋放，而控釋肥則是在延緩的基礎(chǔ)上控制養(yǎng)分的釋放，是緩釋肥的高級形式，目的都是使養(yǎng)分的釋放量與作物的需肥量相適應(yīng)，從而提高養(yǎng)分利用率。大量研究發(fā)現(xiàn)，緩/控釋肥的影響效果與施肥量及肥料種類有關(guān)[13-14]。梁新安等[13]通過比較常規(guī)施肥處理、等量袋緩/控釋肥處理及半袋緩/控釋肥處理試驗得出，緩/控釋肥處理明顯降低了0～20，20～40 cm土層硝態(tài)氮濃度，但等量袋和半袋處理間差異很??；40～60，60～100 cm土層中硝態(tài)氮濃度變化明顯低于常規(guī)處理，顯著降低了硝態(tài)氮的滲漏。曲均峰等[14]研究表明，2種不同類型的控釋尿素在紅壤和褐土2種土壤中的氮淋洗量分別降低了14.8%～26.9%和19.7%～34.5%。雖然緩/控釋肥可顯著降低氮素的淋溶，但目前推出的緩/控釋肥針對性較弱，由于不同作物不同時期對氮肥的需求量不同，因此控制肥料養(yǎng)分的逐漸釋放并使之與作物需求相吻合仍是該領(lǐng)域的難點。

2.2 施肥量、施肥時期及施肥方式

施肥量是影響設(shè)施菜地氮淋溶最主要的因素。設(shè)施菜地優(yōu)于大田種植的主要原因在于蔬菜種植次數(shù)多，產(chǎn)量大，相應(yīng)施肥量就大[15]，而蔬菜的根系無法吸收土壤深層的氮肥，多余的氮素就會隨水淋溶至更深的土層中，導(dǎo)致深層土壤氮素的過量積累。韋高玲等[15]試驗發(fā)現(xiàn)，苦瓜減氮20%處理的氮淋溶量與常規(guī)施肥間無顯著差異；而減氮30%較常規(guī)施肥總氮和硝態(tài)氮淋溶量分別顯著降低58.4%和59.0%。張春霞等[16]通過比較設(shè)施番茄常規(guī)施肥量1 158 kg/hm2和優(yōu)化施肥918 kg/hm2的情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化施肥氮淋溶總量為42.28 kg/hm2，較常規(guī)減少了50.06 kg/hm2?，F(xiàn)有研究施肥量對氮淋溶影響效果的文獻(xiàn)眾多，集中于在當(dāng)?shù)厥┓驶A(chǔ)上進(jìn)行減量處理，減量20%，30%，甚至減量50%，結(jié)果表明，多數(shù)對產(chǎn)量沒有造成顯著影響[17-18]，因此，降低施肥量是減緩氮素淋溶行之有效的措施。

除施氮量外，施肥時期也顯著影響氮素的淋溶。由于作物在不同的生長階段對養(yǎng)分的吸收能力以及需求量存在較大差異[19]，因此，施肥時期應(yīng)與作物的“最大效率期”及“生理敏感期”相吻合，以便使施入的氮素能夠被更好地利用。DELGADO[20]研究表明，根據(jù)作物需求進(jìn)行施氮的實地氮肥管理策略可減少25%的氮素淋溶損失。

施肥方式也會對氮素的淋溶產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)的撒施不僅不利于作物對氮肥的吸收，還會使施入的氮肥隨水流失，大大降低了氮素的利用效率[21]。NH4+不易隨水流動，故銨態(tài)氮肥深施效果較好[22]，其他肥料可采用“以水帶氮”的方式施用，以提高肥效，除此之外，采用壟施和穴施方式理論上也可有效提高氮肥利用率[21]，但目前此方面研究較少。

2.3 灌水

傳統(tǒng)大田的灌溉方式主要以降水為主，輔之以漫灌、滴灌等滿足作物生長需求。而設(shè)施菜地則完全由人工控制，可以更方便地采用滴灌、穴灌、壟灌的方式調(diào)節(jié)灌水量。大棚溫度高，植物蒸騰蒸發(fā)旺盛，需水量多，相應(yīng)灌水量就大[23]。但并非灌水越多，產(chǎn)量就越大[24]。王鵬勃等[24]研究發(fā)現(xiàn)，溫室番茄在單株施肥量一定的條件下，其產(chǎn)量隨著灌水量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。同時有研究發(fā)現(xiàn)，NO3--N下移與水分移動相當(dāng)一致，隨著灌水量逐漸增大，硝態(tài)氮累積區(qū)將逐漸下移[25]，這就意味著過高的灌水量不僅不會帶來高產(chǎn)，還會加劇氮肥的向下淋溶，增加水資源的浪費。李若楠等[26]通過對溫室黃瓜處理研究得出，減氮50%加之灌溉節(jié)水20%處理可使0～100 cm土體硝態(tài)氮累積量3 a下降13.9%～31.1%。習(xí)金根等[27]在土柱試驗中，分別采用滴灌和漫灌2種不同的處理，結(jié)果表明，滴灌較漫灌氮素淋失總量減少17.85 mg，降幅達(dá)24.90%；石敏等[28]在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究表明，控制灌溉與常規(guī)灌溉和淺濕灌溉相比，氮素淋失總量最小，大約占常規(guī)灌溉的1/3、占淺濕灌溉的1/2。由此可以看出，在滿足作物需水條件的前提下，采用合理的灌溉方式和減少灌水量均可有效減少氮素的淋溶。

2.4 生物炭

生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)，比面積大，可吸附土壤中的氮素從而對氮素的淋溶造成影響[29]。有研究表明，生物炭能吸附NO3-，減小氮淋溶風(fēng)險；也有研究認(rèn)為，生物碳無吸附NO3-的能力，甚至?xí)龠M(jìn)NO3-向下移動，加大硝態(tài)氮的淋溶風(fēng)險[29]。其不同的結(jié)論一方面可能是由于生物炭自身性質(zhì)的不同，生物炭的物理性質(zhì)（孔徑大小、顆粒大?。┘盎瘜W(xué)性質(zhì)（熱解溫度等）均會對氮素的淋溶產(chǎn)生影響[30-31]。有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生物炭95%的孔徑小于2 nm時，施入土壤才能有效降低土壤水分的移動，減少氮素的淋溶[30]；熱解溫度高于700℃時，生物炭才具有顯著的NO3-吸附能力[31]。另一方面，生物炭的添加量及土壤類型也會對氮素的淋溶產(chǎn)生影響，周志紅等[32]研究發(fā)現(xiàn)，分別將玉米秸稈生物炭以50，100 t/hm2施用于黑鈣土和紫色土，黑鈣土總氮淋失量分別降低29%和74%，紫色土總氮淋失量分別降低41%和78%；但生物炭施用量減少至10 t/hm2時，黑鈣土和紫色土總氮淋失量則分別增加22%和2%，其中，硝態(tài)氮淋失量分別增加15%和60%。施用生物炭來減少氮素的淋溶應(yīng)綜合考慮多方面的因素。

2.5 硝化抑制劑

硝化抑制劑是一類對硝化細(xì)菌有毒的有機(jī)化合物，目前主要有三氯甲基吡啶（CP）、雙氰胺（DCD）以及正丁基磷代磷酰三胺（DMPP）DMPP 3種類型，其主要通過加入銨態(tài)氮肥中來抑制土壤內(nèi)亞硝酸細(xì)菌對銨態(tài)氮的硝化，從而減少銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮隨水淋溶。研究表明，硝化抑制劑能有效減少NO3-的淋溶[33]。俞巧鋼等[34]采用自制原狀土柱進(jìn)一步研究銨態(tài)氮肥添加DMPP后對氮淋溶的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加DMPP 60 d內(nèi)能有效抑制土壤銨氧化反應(yīng)的發(fā)生，但并沒有明顯導(dǎo)致銨態(tài)氮的垂直遷移。表明添加硝化抑制劑可有效調(diào)控土壤氮素的遷移轉(zhuǎn)化，降低氮淋溶對地下水氮素污染的潛在風(fēng)險。除此以外，串麗敏等[35]還將DCD和脲酶抑制劑N-丁基硫代磷酰三胺（NBPT）配合施用，采用土柱淋溶方法研究了其淋溶效果，結(jié)果表明，單施DCD及DCD和NBPT配施可分別顯著降低硝態(tài)氮累積淋失量13.7%和17.2%，由此可看出，硝化抑制劑配合脲酶抑制劑更能有效減少氮素的淋溶。

2.6 填閑作物

有些設(shè)施菜地每年會有休閑期，在此期間種植填閑作物可有效減少硝態(tài)氮的淋洗，其原因一方面在于種植填閑作物可以消耗土壤中的養(yǎng)分，降低土壤中硝態(tài)氮的累積量；另一方面，休閑期水分的損失主要是蒸發(fā)和滲漏，而種植填閑作物后，水分的損失主要是蒸騰和滲漏，它大大提高了土壤水分的上行通量，減少了近42%的水分滲漏量，從而減少了硝態(tài)氮的淋失[36]。研究表明，C4類作物能在較短時間內(nèi)快速生長，具有生物量大、根系深、耐高溫的特點，是理想的填閑作物[36]。梁浩等[36]在京郊設(shè)施菜地中的研究結(jié)果表明，休閑期種植甜玉米能顯著提高土壤水分的上行通量，減少約42%的水分滲漏量；種植甜玉米處理的氮素淋洗量范圍為1.3～50.9 kg/hm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于施肥處理的59.2～273.6 kg/hm2，甚至低于不施肥處理的38.6～151.6 kg/hm2。因此，在夏季選擇C4類作物甜玉米作為填閑作物，對硝態(tài)氮的淋洗有明顯的阻控作用。除了甜玉米外，其他作物也有類似的效果，PLAZA-BONILLA等[37]通過探究不同豆科填閑作物對水氮的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，豆科填閑作物也能夠有效降低土壤水分滲漏和硝酸鹽淋洗。由此可以看出，種植填閑作物的確可降低氮素的淋溶風(fēng)險。

2.7 種植年限（棚齡）

隨著種植年限的增加，土壤中硝態(tài)氮不斷累積，淋溶風(fēng)險也就不斷加大。研究表明，土壤中的硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和可溶態(tài)有機(jī)氮含量均隨設(shè)施菜地栽培年限的增加而升高，15 a棚齡其養(yǎng)分含量分別高達(dá)2 868.4，1.54，35.4，971.9 mg/kg，分別是露地土壤的121.1，7.1，9.5倍和33.7倍[38]。但也有研究表明，設(shè)施栽培土壤硝態(tài)氮含量隨種植年限的增加呈先上升后下降的趨勢[39]，這意味著在一定時間限度內(nèi)，種植年限越長，土壤淋溶風(fēng)險越大。

3 展望

近年來，設(shè)施菜地氮淋溶的研究已涉及到施肥、灌水、生物炭、硝化抑制劑等方面，但有些方面的研究仍存在不足，今后研究應(yīng)集中在幾個方面。

（1）不同地區(qū)，不同土壤類型的研究目前很少，只有一些室內(nèi)土柱試驗，難以指導(dǎo)實際生產(chǎn)。因此，有必要對全國主要設(shè)施蔬菜所在地土壤類型進(jìn)行多點定位研究，為不同地區(qū)的研究開展提供理論依據(jù)。（2）現(xiàn)有對設(shè)施菜地氮素?fù)p失的影響大多集中在單一因素，多種因素同時產(chǎn)生影響有所不同。因此，對多種因素共同作用下氮素的損失有待進(jìn)一步研究。（3）目前，設(shè)施菜地氮素淋溶損失研究主要集中在根層，而包氣帶作為連接根層和地下水最后的生態(tài)屏障，對氮在根層—深層包氣帶—地下水淋溶機(jī)制和阻控機(jī)制還缺乏深入研究。因此，今后應(yīng)注重此方面的研究。（4）微生物具有反硝化作用，提高包氣帶中微生物的活性可以有效減少硝酸鹽的淋溶損失。今后應(yīng)加強(qiáng)此方面的研究以及參與的微生物水平和分子水平機(jī)制深入研究。

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Research Advance in Factors Affecting on Nitrogen Leaching in Greenhouse Vegetables

TANGYao1，LIUPing2，BAI Guangjie2，LI Lijun2

（1.College ofBiological Engineering，Shanxi University，Taiyuan 030006，China；2.Institute ofAgricultural Environment and Resources，Shanxi Academy ofAgricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

Nitrogen leaching from the field of greenhouse vegetables caused a lot of problems,such as the waste of fertilizer,the safety ofdrinking water,ect.According to reports ofgreenhouse nitrogen leaching in recent years,the paper described fertilization as main factors on the effect of the nitrogen leaching in vegetable greenhouse.Appropriate fertilization modes including fertilizer type,fertilizer amount,fertilization time and fertilization way could effectively reduce the loss of nitrogen.Mean while,the reduction of the amount of irrigation and the application of drip irrigation could also exert influences.Besides,the risk of nitrogen leaching increased with the increase of cultivation years.In the fallow period,the planting of the idle crops,adding the biological in the soil and adding the nitrification inhibitor in the fertilizer all could affect leaching of nitrogen.This can reduce greenhouse nitrogen leaching and provide theoretical basis for increasing nitrogen use efficiency.

greenhouse vegetables;nitrogen leaching;affecting factors

S153

A

1002-2481（2017）03-0473-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.03.37

2016-10-28

科技自主創(chuàng)新能力提升工程項目（2016zzcx-13）

唐 珧（1992-），女，山西沁水人，在讀碩士，研究方向：土壤生產(chǎn)力恢復(fù)與荒漠化防治。李麗君為通信作者。