不同種植年限設(shè)施菜田土壤硝態(tài)氮的累積與空間分布特性

潘飛飛，宋俊杰，李慶飛

（1.河南科技學(xué)院園藝園林學(xué)院 河南新鄉(xiāng) 453003；2.河南省園藝植物資源利用與種質(zhì)創(chuàng)新工程研究中心 河南新鄉(xiāng) 453003）

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人民生活水平的日益提高，人們對各式蔬菜，尤其是對反季蔬菜的需求逐漸增加，使得設(shè)施蔬菜的發(fā)展越來越快，數(shù)量和種類增加、種植規(guī)模擴(kuò)大。設(shè)施蔬菜不僅具有很好的節(jié)能效果，而且使蔬菜的周年種植和供應(yīng)都得到了很好的實現(xiàn)。其中，塑料大棚因其使用的年限比較長，對土地有很高的利用率，且在冬季有很好的保溫蓄熱效果，當(dāng)前在豫北地區(qū)的應(yīng)用最為普遍。

但在當(dāng)前設(shè)施蔬菜生產(chǎn)體系中，氮肥的過量施用和大水漫灌導(dǎo)致土壤中硝態(tài)氮殘留量多且淋失嚴(yán)重，造成了不同程度的資源浪費和環(huán)境污染。據(jù)調(diào)查，中國北方許多地區(qū)土壤剖面中硝酸鹽的大量累積已對水體環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。此外，土壤中高量硝酸鹽的存在還會造成土壤次生鹽漬化、土體結(jié)構(gòu)破壞、養(yǎng)分供應(yīng)失衡等一系列問題，阻礙設(shè)施菜田的可持續(xù)利用。因此，土壤硝酸鹽富集儼然已成為設(shè)施蔬菜栽培中一項不可忽視的重大問題。

以往對不同種植年限的土壤硝態(tài)氮的累積、分布及淋失風(fēng)險的研究多集中在降雨豐富或高灌水量的地區(qū)，而對年降雨量平均550 mm 的中國北方地區(qū)土體中硝態(tài)氮淋洗的注意不足，認(rèn)為該地區(qū)較少的降雨量并不足以引起淋溶損失或損失量較少。事實上，該地區(qū)雖然降雨少，但卻主要集中在6—9 月，正值冬春茬與秋冬茬作物之間的敞棚休閑期，期間并沒有人為灌水，僅高強度降雨便會使得土表因施肥而富集的硝態(tài)氮下滲淋溶到相當(dāng)深度，甚至進(jìn)入地下水層。豫北地區(qū)設(shè)施蔬菜種植以黃瓜-番茄輪作為主，其特定的施肥管理措施也造就了該區(qū)域特定的土壤硝態(tài)氮累積與分布狀況。因此，有必要深入了解該區(qū)不同設(shè)施蔬菜種植年限對土壤硝態(tài)氮的影響，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕涤晏匦詫ο募拘蓍e期殘留在不同土層中的硝態(tài)氮的淋失風(fēng)險進(jìn)行簡要評估。

試驗以新鄉(xiāng)市不同種植年限塑料大棚為研究對象，旨在了解土壤硝態(tài)氮的累積和分布特征隨設(shè)施蔬菜種植年限的變化趨勢，以期為控制和降低設(shè)施菜田土壤硝酸鹽的累積和淋失、減少地下水污染提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于新鄉(xiāng)市牧野區(qū)朱莊屯（35°18′N，113°54′E）。該區(qū)屬暖溫帶大陸性氣候，全年平均氣溫14 ℃。其中，最熱為7 月，最冷為1 月。年平均降雨量為573.4 mm，無霜期220 d，全年日照時長2400 h。

該區(qū)塑料大棚為番茄-黃瓜輪作，秋冬季主栽番茄，冬春季主栽黃瓜。2018 年7 月本試驗取樣前的一個輪作周期，番茄栽培品種為金棚218（由西安金鵬種苗有限公司提供），黃瓜栽培品種為油亮抗病16-1（由北京中農(nóng)綠亨種子科技有限公司提供）。其中，番茄行距為66 cm，株距40 cm，黃瓜行距60 cm，株距35 cm，二者均采用單畦雙行栽培。

塑料大棚為單棟拱圓形竹木塑料大棚，南北延長，大棚的規(guī)格是64 m×17 m。每個棚內(nèi)劃分3 個小區(qū)，隨機排列，小區(qū)面積20 m×17 m，相鄰小區(qū)之間有間隔2 m 的保護(hù)行。

選用4 個不同種植年限的菜棚，截止到2018年7 月，種植年限分別為2 年、3 年、16 年和21年。由于4 個種植年限菜棚彼此間相距不超過100 m，土壤類型相同，不存在土壤間的差異。因此，對試驗處理的效果不產(chǎn)生任何影響。另外，因當(dāng)?shù)夭宿r(nóng)施肥習(xí)慣普遍存在成區(qū)成片現(xiàn)象，所以不同種植年限大棚間肥料的施用量、種類及時間基本相同。

1.2 樣品采集與處理

于2018 年7 月25 日（此時各棚黃瓜都已拉秧，棚內(nèi)不再澆水施肥且不進(jìn)行任何土地作業(yè)），在棚內(nèi)各個小區(qū)依“S”形路線多點混合采集0～100 cm（每20 cm 一層）的土壤樣品，每個菜棚每個土層最終得到3 個混合土樣，即3 個重復(fù)。以大棚周邊的農(nóng)田土壤（周年輪作小麥-玉米）為對照（CK），于2018 年6 月8 日，即小麥?zhǔn)斋@后采集0～100 cm 的土壤樣品?；靹虻孽r土裝入聚乙烯自封袋中，編號，帶回實驗室，放于0～4 ℃冰箱中暫存，用于測定土壤硝態(tài)氮。

在棚內(nèi)挖掘梯形土壤剖面，剖面深度為100 cm。每20 cm 一層，取中間位置將環(huán)刀從剖面?zhèn)冗厜喝胪林校钡江h(huán)刀筒中充滿土壤樣品為止。將環(huán)刀帶回實驗室，用于測定各土層的土壤容重。

1.3 測定方法與數(shù)據(jù)分析

1.3.1 土壤容重 將裝有土壤樣品的環(huán)刀稱質(zhì)量，然后從環(huán)刀筒中取約10 g 土，稱質(zhì)量，把取出的土樣放入烘箱中烘6～7 h，直至土樣完全烘干，取出稱質(zhì)量，計算土壤含水量。

土壤容重：RS=g×100/×（100+）。

式中：RS—土壤容重（g·cm）；g—環(huán)刀內(nèi)濕樣質(zhì)量（g）；—環(huán)刀容積（cm）；—土壤含水量（%）。

表1 不同種植年限設(shè)施菜田各土層的土壤容重（g·cm-3）

1.3.2 土壤硝態(tài)氮含量 取30 g 新鮮土樣，加入100 mL 2 mol·L的KCl 溶液，以220 r·min進(jìn)行振蕩浸提1 h，過濾，濾液經(jīng)AA3 連續(xù)流動分析儀測定。待測定完畢，導(dǎo)出測定結(jié)果。

土壤硝態(tài)氮積累量（kg·hm）=土層厚度（cm）×土壤容重（g·cm）×土壤硝態(tài)氮含量（mg·kg）/10。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析 試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、相關(guān)分析和繪圖，采用IBM SPSS Statistics 19.0 中文版軟件進(jìn)行單因素ANOVA 方差分析，Duncan 新復(fù)極差法多重比較。文中所有圖和表中的數(shù)據(jù)均為3 次重復(fù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植年限對土壤硝態(tài)氮含量的影響

由圖1 可知，設(shè)施菜田各土層的土壤硝態(tài)氮含量普遍高于對照農(nóng)田，設(shè)施菜田土壤硝態(tài)氮含量（，后同）變化在41.48～113.77 mg·kg，而農(nóng)田土壤則變化在44.91～51.07 mg·kg之間，前者各土層土壤平均硝態(tài)氮含量為后者的1.28～1.86 倍。隨著菜棚種植年限的增加，各土層土壤硝態(tài)氮含量總體呈增加的趨勢，且均于種植年限為21 年時達(dá)最大值，顯著高于對照農(nóng)田及種植年限為2 年、3 年的菜棚。

圖1 各土層土壤硝態(tài)氮含量隨種植年限的變化

在0～20 cm 土層，農(nóng)田土壤中硝態(tài)氮含量僅有44.91 mg·kg，經(jīng)2～3 年菜棚種植模式后，土壤硝態(tài)氮含量已有50～80 mg·kg，當(dāng)種植年限達(dá)到21 年時，土壤硝態(tài)氮含量可高達(dá)100 mg·kg。而在20～40 cm 土層，與0～20 cm 土層相比，其硝態(tài)氮含量隨種植年限的增加而增加的強度稍有減弱，種植年限為16 年和21 年菜棚的土壤硝態(tài)氮含量僅為2 年菜棚的1.4 倍和1.5 倍，小于0～20 cm 土層對應(yīng)的1.7 倍和1.9 倍，說明種植年限對表層土壤硝態(tài)氮的增加作用要大于下層土壤。

在農(nóng)田土壤中，不同土層土壤硝態(tài)氮含量間的差異不大，而在設(shè)施菜田中，土壤硝態(tài)氮含量隨土層深度的增加均呈現(xiàn)先降后增的趨勢，且除21 年菜棚外，其他種植年限菜棚的土壤硝態(tài)氮含量均在40～60 cm 土層深度達(dá)最低，而在80～100 cm 土層深度達(dá)最高。21 年菜棚是在20～40 cm 土層深度達(dá)硝態(tài)氮含量最低值。對于所有種植年限的設(shè)施菜棚，0～20 cm 土層的硝態(tài)氮含量均高于20～40 cm 土層，且硝態(tài)氮含量均在80～100 cm 土層深度達(dá)最大，變化在68.39～113.77 mg·kg之間。

2.2 種植年限對土壤硝態(tài)氮累積的影響

圖2 顯示，不同種植年限設(shè)施菜棚中，各土層土壤的硝態(tài)氮累積量均高于對照農(nóng)田。在0～20 cm土層，農(nóng)田土壤的硝態(tài)氮累積量僅為114.29 kg·hm，而在種植年限為21 年的設(shè)施菜棚中，硝酸鹽累積量已高達(dá)356.32 kg·hm。

圖2 各土層土壤硝態(tài)氮累積量隨種植年限的變化

對于設(shè)施菜田，隨種植年限增加，各土層土壤的硝態(tài)氮累積量呈逐漸增加的趨勢。其中，種植年限為16 年和21 年設(shè)施菜棚各層土壤的硝態(tài)氮累積量均顯著高于種植年限2 年的菜棚。而隨著土壤硝酸鹽累積量的增多，其淋失風(fēng)險也將隨之加大。0～100 cm 土層土壤硝態(tài)氮總累積量表現(xiàn)為設(shè)施菜棚＞對照農(nóng)田（圖3），差異顯著。而對于設(shè)施菜田，隨種植年限的增加，0～100 cm 土層硝態(tài)氮總累積量表現(xiàn)為21 年菜棚＞16 年菜棚＞3 年菜棚＞2 年菜棚，除種植16 年與21 年的菜棚差異不顯著外，其余各種植年限間的差異均達(dá)顯著水平。

圖3 0～100 cm 土壤硝態(tài)氮總累積量隨種植年限的變化

對于農(nóng)田土壤，各土層土壤硝態(tài)氮累積量表現(xiàn)為0～20 cm＜20～40 cm＜40～60 cm＜60～80 cm＜80～100 cm，即表層土壤的硝態(tài)氮累積量最低，但不同土層間并無顯著差異（圖2）。而菜田土壤各土層則表現(xiàn)出不同的趨勢：隨土層深度的增加，呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。其中，表層含量較高，在40～60 cm 達(dá)到最低，至80～100 cm 土壤硝態(tài)氮累積量達(dá)到最高，說明上層土壤的硝態(tài)氮可能部分淋溶至了下層土壤，甚至移出了0～100 cm 的土層范圍。設(shè)施菜棚種植年限在16 年以上，60～80 cm 土層土壤硝態(tài)氮累積量已與表層土壤相當(dāng)，而80～100 cm土層的累積量已明顯高于表層土壤，這預(yù)示著與表層相比，60 cm 以下的底層土壤有著更大的硝態(tài)氮淋失風(fēng)險。

2.3 種植年限與土壤硝態(tài)氮含量的相關(guān)性分析

相關(guān)分析結(jié)果顯示，各土層的土壤硝態(tài)氮含量及硝態(tài)氮累積量與種植年限間均表現(xiàn)出線性正相關(guān)的關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)均達(dá)到極顯著水平（表2）。這充分說明，設(shè)施菜棚種植年限的增加是造成土壤硝態(tài)氮含量升高及在各土層中大量累積的一個重要成因。

表2 種植年限與土壤硝態(tài)氮的相關(guān)系數(shù)

2.4 種植年限與土壤硝態(tài)氮的空間分布

由表3 可知，設(shè)施菜田與對照農(nóng)田中的硝態(tài)氮在不同土層中的分布大有不同。在表層，即0～20 cm土層，各種植年限設(shè)施菜田的土壤硝態(tài)氮累積量占總累積量的百分比均高于對照農(nóng)田，除2 年菜田外，其余種植年限菜田與農(nóng)田間的差異均達(dá)顯著水平，而在20～40 cm 和40～60 cm 土層范圍內(nèi)，前者均低于后者，在60～80 cm 土層，兩者間無任何顯著性差異，至80～100 cm，前者又均高于后者。與對照農(nóng)田相比，設(shè)施菜田20～80 cm 土層范圍內(nèi)硝態(tài)氮累積量占總累積量百分比的下降或并未升高，說明該土層范圍硝態(tài)氮出現(xiàn)了一定程度的淋溶下移，而80～100 cm 土層范圍內(nèi)，設(shè)施菜田土壤硝態(tài)氮累積量占總累積量百分比又高于了農(nóng)田，同時結(jié)合各土層土壤硝態(tài)氮累積量的變化（圖2），也說明上層土壤的硝態(tài)氮發(fā)生了下滲及淋溶。

表3 不同土層中硝態(tài)氮累積量占總累積量的百分比 %

3 討 論

試驗結(jié)果表明，在當(dāng)前設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中，有機肥或化學(xué)氮肥的過量施用是土壤硝態(tài)氮富集及地下水硝酸鹽污染的主要原因，且隨種植年限的增加，土壤硝態(tài)氮富集量有逐年增多的趨勢。本試驗結(jié)果顯示，與農(nóng)田土壤相比，各種植年限設(shè)施蔬菜土壤的硝態(tài)氮含量及累積量均較高，且隨種植年限增加，設(shè)施菜田各土層中土壤硝態(tài)氮含量及累積量均呈增加的趨勢，于種植年限為21 年時達(dá)最大值。同時，相關(guān)分析結(jié)果也顯示，設(shè)施菜田各土層中土壤硝態(tài)氮含量及累積量與菜田種植年限間均呈線性正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)均達(dá)極顯著水平，這與前人的研究結(jié)果一致。

與0～20 cm 土層相比，20～40 cm 土層的土壤硝態(tài)氮含量隨種植年限的增加而增加的幅度稍有降低，說明種植年限對表層土壤硝態(tài)氮的富集作用要大于下層土壤。楊慧等的研究結(jié)果也顯示，菜田土壤的硝態(tài)氮累積有明顯的表聚現(xiàn)象。這主要是因為設(shè)施菜田的肥料施用多為表施，故施肥對土壤硝態(tài)氮的富集作用主要發(fā)生于表層，即0～20 cm 土層。而下層土壤硝酸鹽的累積則主要依賴于表層養(yǎng)分的下滲及淋溶。研究結(jié)果還顯示，農(nóng)田土壤各土層的土壤硝態(tài)氮含量及累積量間均無明顯差異，而各種植年限的設(shè)施菜田，則表現(xiàn)出隨土層深度的增加，土壤硝態(tài)氮含量及累積量呈先減小后增大的趨勢。其中，表層較高，在40～60 cm 達(dá)到最低值，至80～100 cm 達(dá)到最高值，這與王克安等的研究結(jié)果是一致的，也間接說明由肥料表施而造成的硝態(tài)氮富集現(xiàn)象，會因養(yǎng)分下滲或大量灌水而淋溶，形成硝態(tài)氮在下層土體的空間分布重構(gòu)，峰值下移。在本試驗中各土層中硝態(tài)氮累積量占0～100 cm 土層總累積量百分比的數(shù)值，也說明20～80 cm 土層范圍內(nèi)的硝態(tài)氮出現(xiàn)了一定程度的淋溶下移。在農(nóng)業(yè)實際生產(chǎn)中，考慮到蔬菜作物的淺根系特性，認(rèn)為40 cm 以下土層富集的硝態(tài)氮并不能被作物很好地吸收利用，生物有效性差。巨曉棠和張福鎖研究指出，水分供應(yīng)是土壤硝態(tài)氮分布發(fā)生變化的最直接原因，供水過量造成硝態(tài)氮的峰值下移，土壤硝態(tài)氮的淋失量與灌水量呈顯著正相關(guān)。這就要求，即使在種植年限不久的新設(shè)施菜田中，也應(yīng)控制灌水量，避免過量灌溉所造成的硝態(tài)氮向下淋溶損失，脫離根系有效利用范圍。根據(jù)前人研究結(jié)果，筆者猜測相當(dāng)一部分硝態(tài)氮已淋溶至100 cm 土層以下，但由于本試驗測定深度的限制，并無直接的數(shù)據(jù)支撐。

新鄉(xiāng)雖然年降水量不高，僅500～600 mm，但降雨主要集中在6—9 月，且降雨強度大，其間正值該地區(qū)冬春茬蔬菜收獲而秋冬茬蔬菜尚未種植，菜棚處于休閑敞棚狀態(tài)，土壤中富集的硝態(tài)氮易發(fā)生淋失。有研究者認(rèn)為，當(dāng)降雨強度達(dá)40～70 mm·h時，表層硝態(tài)氮就會淋溶到土壤剖面110 cm 以下，但下滲及淋溶深度還會受各土層的土壤容重、初始含水量等因素的影響。本研究結(jié)果顯示，當(dāng)設(shè)施菜棚種植年限達(dá)16 年以上，60～80 cm 土層土壤硝態(tài)氮累積量已與表層土壤相當(dāng)，而80～100 cm土層的累積量已明顯高于表層土壤，這預(yù)示著與表層相比，60 cm 以下的底層土壤由于其較高的硝態(tài)氮貯量和較低的分布層，有著更大的硝態(tài)氮淋失風(fēng)險，且更易污染地下水。硝態(tài)氮淋失風(fēng)險隨設(shè)施菜田種植年限的增加而加大。

因此，在設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中，在不影響蔬菜作物產(chǎn)量和品質(zhì)的前提下，應(yīng)避免過量施肥和大水漫灌，應(yīng)根據(jù)作物的需求采用根層調(diào)控措施進(jìn)行合理施肥，從而降低土壤硝態(tài)氮的淋失風(fēng)險及對地下水的污染。

4 結(jié) 論

（1）與農(nóng)田土壤相比，不同種植年限設(shè)施菜田各土層的硝態(tài)氮含量及累積量均較高，且隨種植年限增加，二者均呈增加的趨勢，與種植年限為線性正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)極顯著水平。

（2）在各種植年限的設(shè)施菜田中，隨土層深度的增加，土壤硝態(tài)氮含量及累積量呈先降后增的趨勢，其中表層較高，在40～60 cm 達(dá)到最低值，至80～100 cm 達(dá)最高值。種植年限對表層土壤硝態(tài)氮的富集作用要大于下層土壤，但這種由肥料表施而造成的硝態(tài)氮富集現(xiàn)象，會因降雨或灌水形成硝態(tài)氮在下層土壤中的空間分布重構(gòu)。與表層土壤相比，60 cm 以下的土層有著更大的硝態(tài)氮淋失風(fēng)險。