菜地土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化研究進(jìn)展

陳淼+李瑋+陳歆+李寧+楊桂生+彭黎旭

摘 要： 農(nóng)業(yè)面源污染已成為我國環(huán)境污染的重要組成部分，對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境安全帶來了較大風(fēng)險。農(nóng)田氮素隨地表徑流流失和地下淋溶是引起日益突出的農(nóng)業(yè)面源污染的主要因素之一。氮素養(yǎng)分是影響蔬菜產(chǎn)量的重要因子，為追求經(jīng)濟(jì)效益，菜地氮肥投入量大，過量施肥造成的氮素污染問題日趨嚴(yán)重。筆者綜述了菜地氮素遷移轉(zhuǎn)化研究現(xiàn)狀，探討了菜地施肥、地表徑流、地下淋溶、氨揮發(fā)等菜地土壤氮素遷移和轉(zhuǎn)化途徑，分析了土壤中氮素礦化、硝化和反硝化過程，并對今后研究方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞： 菜地； 土壤； 氮素； 遷移轉(zhuǎn)化

Abstract： Agricultural non-point source pollution has become an important part of environmental pollution in our country，and posing a major threat to agricultural production and ecological environment security. Nitrogen losses by surface runoff and leach from croplands have been one of the major sources of the agricultural non-point source pollution. Nitrogen was a critical limiting nutrient that increases vegetable production. The pursuit of economic efficiency，excessive nitrogen fertilizer caused nitrogen pollution becomes worse and worse. In this paper，the research status of transfer and transformation of soil nitrogen were summarized. We also discussed the processes of soil nitrogen transfer and transformation，including fertilization，runoff，leaching，NH3 volatilization and so on. The process of mineralization，nitrification and denitrification in soil was analyzed. The research direction in the future was prospected.

Key words： Vegetable field； Soil； Nitrogen； Transfer and transformation

氮是植物需求量最大的礦質(zhì)營養(yǎng)元素，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，氮是影響農(nóng)作物產(chǎn)量的重要因子，傳統(tǒng)的施肥方法主要是通過增施氮肥來提高作物產(chǎn)量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國已經(jīng)是世界上氮肥生產(chǎn)和消費(fèi)第一大國，氮肥生產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的1/3，占世界7%的耕地上消耗了全球35%的氮肥，而氮肥的過量施用造成我國土壤酸化、水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題突出[1]。而蔬菜種植業(yè)由于氮肥過量施用帶來的環(huán)境污染問題越來越受到關(guān)注。近年來，我國蔬菜種植面積大幅度增加，2015年達(dá)到2 199.97 萬hm2，占農(nóng)作物總種植面積的13.2%。

蔬菜生長周期短、種植密度大、復(fù)種指數(shù)高且多為淺根系作物，因而蔬菜種植施肥量和灌溉量大且施用頻繁，水肥條件優(yōu)越，其養(yǎng)分含量尤其是土壤全N和NO3--N含量較高。生產(chǎn)中，菜田施氮量通常高出常規(guī)大田作物的幾倍甚至10倍以上，超過實(shí)際需求量的數(shù)倍。相關(guān)研究表明[2]，在蔬菜種植中，全年2～3季每hm2共施氮肥600～1 300 kg。更重要的是蔬菜生產(chǎn)上仍然延用傳統(tǒng)的“肥大水勤”、“肥隨水走”等不科學(xué)的水肥管理模式。導(dǎo)致農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)分損失較大，化肥利用率僅有30%～35%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家的50%～60%，而蔬菜作物由于施肥量高，氮肥利用率更是低于30% [3-5]。長期過量的氮肥施用，不僅會影響蔬菜產(chǎn)量，還會造成土壤板結(jié)酸化、次生鹽漬化、養(yǎng)分循環(huán)和供給能力降低、蔬菜和地下水硝酸鹽污染及地表水富營養(yǎng)化等農(nóng)業(yè)面源污染問題[5-6]。氮素在菜地土壤中的遷移轉(zhuǎn)化研究是土壤學(xué)和環(huán)境科學(xué)研究的熱點(diǎn)。筆者總結(jié)了菜地土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化途徑、影響因素及防控對策等方面的國內(nèi)外研究進(jìn)展，以期為菜地土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究、氮素高效利用和農(nóng)業(yè)面源污染減排提供理論支持。

1 菜地氮素面源污染狀況

氮素是蔬菜需求量最大的礦質(zhì)營養(yǎng)元素，也是制約蔬菜產(chǎn)量的重要因子，傳統(tǒng)的施肥方法主要是通過增施氮肥來提高作物的產(chǎn)量。然而過量氮肥施入并不會進(jìn)一步提高蔬菜作物的產(chǎn)量，反而會導(dǎo)致肥料利用率低、土壤質(zhì)量退化和地下水硝酸鹽污染風(fēng)險增加等問題日益突出[5，7-10]。陸扣萍等[11]研究表明，太湖地區(qū)設(shè)施菜地農(nóng)民習(xí)慣施肥模式下，全年氮素淋失量達(dá)193.6 kg·hm-2。孫媛等[12]研究表明，山東壽光設(shè)施大棚兩茬設(shè)施黃瓜畦灌處理的氮素淋失范圍為246～455 kg·hm-2，占施肥總量的比例高達(dá)40%以上。閔矩[13]研究表明，南方設(shè)施菜地每茬黃瓜氮素淋失占到氮素總投入的20%以上。鄭少文等[14]研究表明，冬瓜菜地單季氮素流失量為54.27～55.17 kg·hm-2，占施肥總量比例的19.29%～22.92%。

長期大量施用化肥不僅會造成地下水硝酸鹽污染，還會對植物體內(nèi)有機(jī)化合物的代謝產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而導(dǎo)致植物體內(nèi)積累過量的硝酸鹽和亞硝酸鹽。Babiker等[15]利用GIS技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，日本蔬菜種植地區(qū)地下水樣品中有30%的樣品硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過10 mg·L-1的飲用水控制水平，遠(yuǎn)高于其他作物種植時地下水硝態(tài)氮含量，蔬菜種植是引起地區(qū)硝酸鹽升高的主要原因之一。崔敏等[16]研究表明，武漢市城郊區(qū)集約化露天菜地附近井水中硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.6～39.8 mg·L-1，是飲用水安全標(biāo)準(zhǔn)的2～4倍。菜地土壤中硝態(tài)氮的高殘留不僅對水環(huán)境構(gòu)成威脅，還會影響蔬菜品質(zhì)。張雙靈等[17]對青島冬季大棚蔬菜中硝酸鹽、亞硝酸鹽含量的調(diào)查表明，葉菜類硝酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 676.92～3 512.38 mg·kg-1。endprint

2 菜地土壤氮素遷移途徑與影響因素

蔬菜-土壤系統(tǒng)氮素的來源，主要包括肥料施用、灌溉水輸入、大氣干濕沉降輸入等，但肥料施用是菜地土壤氮素的主要來源。進(jìn)入到土壤中的氮素除植物吸收外，其損失途徑主要有3種，一是隨土壤滲漏水遷移進(jìn)入地下水，即地下淋溶，稱為土壤養(yǎng)分淋失；二是隨地表徑流和土壤侵蝕遷移輸出到地表水體，稱為土壤養(yǎng)分流失；三是通過擴(kuò)散或氣態(tài)釋放進(jìn)入大氣。其循環(huán)過程見示意圖1[18]。

2.1 地下淋溶

土壤氮素淋失是菜地土壤氮素遷移的重要途徑，由于菜地施肥量及灌溉強(qiáng)度較大，氮素淋失量高于一般農(nóng)田的淋失量。氮素主要以硝態(tài)氮的形式發(fā)生淋溶遷移[19]。韋高玲等[20]研究表明，習(xí)慣施肥下，苦瓜地總氮和硝態(tài)氮淋失質(zhì)量濃度分別為92.9～113 mg·L-1和84.0～105 mg·L-1。Zhao等[21]研究表明，設(shè)施菜田土壤硝態(tài)氮淋失量占到氮素總投入的20%～30%。

過量施肥是引起菜地土壤中氮素淋失的直接原因。張白鴿等[22]研究表明，華南露地苦瓜生產(chǎn)體系中，氮肥施用量與氮素淋失量呈顯著正相關(guān)。集約化菜地氮肥施用量是糧田氮肥施用量的7倍，其土壤中殘留硝酸鹽含量是糧田的4～6倍[23-24]。而過量施用有機(jī)糞肥也會導(dǎo)致氮素尤其是硝態(tài)氮的淋失[25]。施肥時期對氮素淋失也有重要影響，由于蔬菜為淺根系作物，對土壤中養(yǎng)分的吸收能力弱，在蔬菜生育前期的氮素淋失量約占整個生長周期氮素?fù)p失總量的41%～52%，且蔬菜不同生長期的施氮量與硝態(tài)氮的淋失量呈線性極顯著相關(guān)[22，26-28]。降雨強(qiáng)度也是影響氮素淋失的重要原因，當(dāng)降雨強(qiáng)度為3 d 75 mm 或7 d 100 mm時，土壤氮素即發(fā)生淋溶遷移，且土壤硝態(tài)氮淋失量與降雨量呈二項(xiàng)式顯著相關(guān)[22，29]。灌溉也是影響硝態(tài)氮淋失的重要因素之一，灌溉強(qiáng)度、灌溉時間對硝態(tài)氮隨地表徑流遷移和地下淋溶遷移都有重要影響[30-31]。當(dāng)灌溉后發(fā)生自然排水時，氮素的淋失量與灌溉水量呈顯著正相關(guān)[32-33]。水是硝態(tài)氮在土壤中移動的重要載體，是硝態(tài)氮淋失的驅(qū)動力，而土壤的物理性質(zhì)，如機(jī)械組成、孔隙度、田間持水量、凋萎系數(shù)等均會影響水分的遷移和淋失，進(jìn)而影響硝態(tài)氮在土壤中的遷移[34-35]。

2.2 地表徑流和土壤侵蝕

氮素極易隨地表徑流和土壤侵蝕遷移，引起地表水環(huán)境惡化和地下水硝酸鹽污染等環(huán)境問題。土壤氮素隨地表徑流遷移是菜地氮素遷移的主要途徑。高楊等[36]研究表明，土壤全氮隨徑流流失量占流失總量的77.27%～99.79%。曾招兵等[37]研究表明，廣州市郊菜地總氮年徑流流失量高達(dá)321 kg·hm-2，占氮肥投入量的14%。菜地地表徑流中氮素遷移主要以硝態(tài)氮和銨態(tài)氮為主。錢婧等[38]研究表明，在降雨強(qiáng)度為120 mm·h-1時，菜地徑流中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮流失總量占總氮流失量的54.16%～91.41%。由于氮素遷移主要以溶解態(tài)的形式隨地表徑流遷移和以結(jié)合態(tài)的形式隨泥沙顆粒遷移，因此土壤侵蝕是氮素遷移的重要途徑之一。據(jù)第二次全國土壤侵蝕遙感調(diào)查，我國水土流失面積占國土總面積的37.42%；土壤流失量為49.8×108 t。趙明松等[39]研究表明，安徽省2010年全省因土壤侵蝕導(dǎo)致土壤氮素大量流失，總氮流失量達(dá)4.93×104 t。錢婧[38]對紅壤菜地坡面侵蝕產(chǎn)沙的研究結(jié)果表明，菜地泥沙中的氮流失主要是由泥沙中<20 μm泥沙顆粒富集造成的，泥沙中全氮富集率和土壤侵蝕模數(shù)之間可呈良好的對數(shù)關(guān)系。

此外，影響菜地氮素遷移的主要因素包括降雨特征（強(qiáng)度、大小、降雨時間）、地形狀況（坡度、坡長）、施肥種類和施肥方式、土壤理化性質(zhì)、種植模式以及田間管理方式等，其中降雨和灌溉是氮素遷移的主要驅(qū)動力[40]。秦華等[41]研究表明，降雨強(qiáng)度越大，地表徑流量、徑流總量、泥沙流失量越大；降雨強(qiáng)度越大，氮素流失越嚴(yán)重。張海濤等[42]研究表明，降雨強(qiáng)度在60～100 mm·h-1之間、其他條件相同時，坡面動態(tài)徑流量隨降雨強(qiáng)度的增大而增大。王麗等[43]研究表明，土壤前期含水量是影響土壤入滲、產(chǎn)流以及溶質(zhì)遷移、淋失的重要因素之一，前期含水率為17%時，徑流中水溶性磷、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮濃度最大。王升等[44]研究表明，徑流量、泥沙量及Br-流失量隨覆蓋度的增加而減少，土壤植被覆蓋度的增加使得地表平均糙率增大，從而減小了土壤侵蝕量與養(yǎng)分流失量。此外，相關(guān)研究還表明，土壤中氮素流失量隨坡度的增大而增大，且坡度的主效應(yīng)及坡度、坡長的交互效應(yīng)對單寬產(chǎn)流速率有顯著的影響[45-46]。

2.3 氨揮發(fā)

化肥過量施用引起的氨揮發(fā)問題亦不容忽視，農(nóng)田氨揮發(fā)造成的氮素?fù)p失占化肥氮量的7%～21%，是氮素進(jìn)入環(huán)境的重要途徑[47]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年全球總氨揮發(fā)約為5 600萬t純氮，其中由于化肥施用而產(chǎn)生的氨揮發(fā)約占總揮發(fā)量的17%[48]。氨揮發(fā)主要與施用氮肥有關(guān)，且受到土壤性質(zhì)、灌溉方式、通氣狀況、土壤環(huán)境等因素的影響[49-52]。Martines A M等[53]研究表明，氨揮發(fā)與環(huán)境中氮素水平和形態(tài)、土壤特性等密切相關(guān)，在相同NH4+-N水平下，土壤pH每升高1個單位，土壤氨揮發(fā)量增加10倍。龔巍巍等[54]研究表明，菜地氮肥施用氨揮發(fā)主要發(fā)生在施肥后14～21 d內(nèi)，氨揮發(fā)通量與施氮量、土壤溫度和空氣溫度明顯呈正相關(guān)。郝小雨等[55]研究表明，土壤氨揮發(fā)損失的主要時期在基肥和前兩次追肥階段，氨揮發(fā)量占當(dāng)季損失量的70%～80%；且有機(jī)肥、無機(jī)肥配合施用可顯著降低土壤氨揮發(fā)損失量。

3 菜地土壤氮素轉(zhuǎn)化途徑與影響因素

氮素在菜地土壤中的轉(zhuǎn)化過程主要包括礦化作用、生物固持作用、銨-氨平衡、銨的黏土礦物固定-釋放、硝化作用和反硝化作用等[56]。其中，氮素的礦化作用、硝化作用和反硝化作用貫穿于土壤中氮素的各種化學(xué)形態(tài)的轉(zhuǎn)變過程，對氮在土壤中的遷移、轉(zhuǎn)化及損失有著重要的影響。endprint

3.1 土壤有機(jī)氮礦化

土壤有機(jī)氮礦化是土壤氮素轉(zhuǎn)化的主要途徑之一，土壤中氮素主要以有機(jī)氮形式存在，有機(jī)氮約占土壤全氮的90%以上[57]。植物所吸收的氮素主要是無機(jī)態(tài)氮，因此必須在微生物的作用下，將土壤有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮。土壤氮素礦化速率越高，則土壤中無機(jī)氮含量越高，土壤氮素利用率越高。過燕琴等[58]研究表明，露天栽培條件下有機(jī)菜地土壤氮素在培養(yǎng)21 d時礦化量達(dá)最大值（11.86 mg·kg-1）；土壤硝化量和硝化率分別為10.27 mg·kg-1·d-1、98.99%。趙長盛等[59]研究表明，兩種菜地土壤（黃棕壤和潮土）的礦化以硝態(tài)氮為主，黃棕壤和潮土的礦化量分別為68.65 mg·kg-1、109.37 mg·kg-1，氮素的礦化勢分別為74.63 mg·kg-1、123.45 mg·kg-1。

土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水分、溫度、質(zhì)地、通透性、pH、土壤動物和微生物等土壤環(huán)境條件對有機(jī)氮的礦化過程具有重要影響。常晶晶[60]研究表明，極高含量有機(jī)氮肥的情況下，土壤高脲酶活性和低C/N比會顯著促進(jìn)黃河三角洲濱海濕地土壤有機(jī)氮的礦化。Yang等[61]研究表明，由于作物根系的破碎和腐爛，增加了可供礦化的新鮮有機(jī)質(zhì)，促進(jìn)了土壤氮素的礦化，進(jìn)而增加了土壤中硝態(tài)氮的累積。此外，土壤水分對礦化作用有一定的影響，在一定區(qū)間內(nèi)，土壤礦化作用與土壤含水量呈顯著正相關(guān)，但當(dāng)土壤含水量達(dá)到一定程度時，土壤礦化作用將不再增強(qiáng)[62-64]。土壤溫度和含水量是土壤氮素礦化最主要的影響因素，土壤溫度會直接影響生物化學(xué)過程，進(jìn)而影響微生物的耗氧量，而土壤含水量會直接影響微生物活性，同時土壤含水量還可以控制土壤氧氣的擴(kuò)散進(jìn)而影響土壤氮素礦化和好氧微生物的活性。

3.2 土壤氮素硝化與反硝化

硝化作用和反硝化作用是土壤氮素轉(zhuǎn)化的重要途徑，硝化作用是指土壤中的氨（或銨）在硝化細(xì)菌作用下轉(zhuǎn)化成硝酸鹽的過程。反硝化作用是指硝酸鹽等較復(fù)雜的含氮化合物轉(zhuǎn)化為 N2、NO 和 NO2的過程。土壤硝化和反硝化作用釋放的N2O是全球N2O的主要來源，約占生物圈釋放到大氣中N2O總量的90%。菜地土壤硝化與反硝化過程受土壤類型、土壤肥力水平、水分含量、蔬菜品種等多種因素的影響。蘇靜等[65]研究表明，pH對土壤硝化作用和硝化微生物具有顯著的影響，其主要通過影響NH3含量進(jìn)而影響土壤的硝化速率。蔡祖聰?shù)萚66]研究表明，無外加銨態(tài)氮時，土壤有機(jī)氮礦化速率與硝化速率呈顯著線性關(guān)系，與土壤pH 無關(guān)；外加銨態(tài)氮達(dá)到飽和時，硝化速率與土壤 pH顯著相關(guān)。但對于熱帶酸性土壤區(qū)，施用銨氮肥會導(dǎo)致土壤pH升高，卻不會影響土壤的硝化作用[67]。因此，土壤pH值對硝化作用的影響機(jī)制較為復(fù)雜。何飛飛等[68]研究表明，有機(jī)肥無機(jī)肥配施顯著影響土壤硝化作用以及硝化培養(yǎng)期間和田間N2O的釋放。胡曉霞[69]等研究表明，紅泥土、灰沙土和灰泥土3種菜地土壤之間的硝化活性具有極顯著差異，其硝化率分別為96.1%、88.3%和70.4%。

土壤反硝化作用既包括生物反硝化作用，也包括化學(xué)反硝化作用，其中生物反硝化作用最為重要。土壤通氣和水分狀況、溫度、碳源、氮源、土壤pH值、土壤質(zhì)地、植物根系、耕作制度以及微生物對土壤反硝化過程具有重要影響[70]。胡曉霞等[69]研究表明，有機(jī)質(zhì)含量較高和質(zhì)地較黏重的菜地土壤其反硝化活性較高。徐玉裕等[71]研究表明，五川流域內(nèi)不同土地利用方式下反硝化差別較大，其中蔬菜地的反硝化作用較強(qiáng)，占施氮量的17%。反硝化作用具有平衡氮通量、導(dǎo)致土壤和肥料氮素?fù)p失以及氮氧化物污染環(huán)境的多重意義，已成為國內(nèi)外土壤學(xué)和環(huán)境學(xué)的研究熱點(diǎn)。如何在維持正常生態(tài)平衡的基礎(chǔ)上減少氮素?fù)p失和溫室氣體排放，對于保護(hù)生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

4 展 望

近年來，國內(nèi)外在土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化途徑、機(jī)制及影響因素等方面開展了大量的試驗(yàn)與研究工作，但相關(guān)研究方法主要是室內(nèi)模擬和短期的定位試驗(yàn)，缺乏長期原位研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)。土壤氮素的遷移轉(zhuǎn)化過程受人為干擾（施肥方式、施肥時間、灌溉方式、覆膜等農(nóng)業(yè)管理模式）、環(huán)境條件（降雨時間、降雨強(qiáng)度、土壤理化性質(zhì)等）、氮素形態(tài)以及微生物等多種綜合因素的影響。其遷移轉(zhuǎn)化過程包括生物過程、化學(xué)過程和物理過程。因此，對于土壤氮素的遷移轉(zhuǎn)化研究，應(yīng)當(dāng)開展長期定位試驗(yàn)研究，在探討氮素遷移轉(zhuǎn)化長期演變規(guī)律的基礎(chǔ)上使得研究結(jié)論與客觀規(guī)律相符。同時在此基礎(chǔ)上，通過利用構(gòu)建模型、同位素示蹤等技術(shù)手段對土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化途徑進(jìn)行定量研究。

全球氣候變化與土壤氮素的生物地球化學(xué)循環(huán)密切相關(guān)。相關(guān)研究應(yīng)當(dāng)從不同尺度下探討土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化的環(huán)境效應(yīng)，以期揭示不同尺度下土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化與環(huán)境變化的內(nèi)在關(guān)系。此外，土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化研究應(yīng)同生產(chǎn)實(shí)際緊密結(jié)合，考慮多種因素對土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化過程的影響，以此尋求提高土壤氮素利用效率和降低土壤氮素環(huán)境污染的最優(yōu)模式。

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