引入豆角的輪作模式對設(shè)施土壤硝態(tài)氮淋失的影響

劉 蕾，王 凌，肖廣敏，茹淑華，孫世友，郜 靜，李 玭，趙歐亞，張國印

(河北省農(nóng)林科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所，河北省肥料技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050051)

我國是世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國和消費國，設(shè)施蔬菜產(chǎn)值約占蔬菜總產(chǎn)值50%，因擺脫季節(jié)限制的生產(chǎn)模式和高效益產(chǎn)出，設(shè)施蔬菜種植在我國迅速發(fā)展，是農(nóng)民增收、農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要推動力。然而為追求高產(chǎn)，過量施肥(特別是氮肥)現(xiàn)象十分嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計我國設(shè)施蔬菜氮投入量普遍超過1 000 kg/hm2[1-2]，部分地區(qū)超過2 000 kg/hm2[3-4]。大量氮素殘留在土壤中，加之過量且頻繁的灌溉，對地下水污染風(fēng)險逐年加劇，威脅人類健康。研究表明，北方環(huán)渤海地區(qū)34.1%的地下水硝酸鹽含量超過世界衛(wèi)生組織10 mg/L飲用標(biāo)準(zhǔn)[5]，而設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)更成為氮淋失的熱點區(qū)域[6]。

硝態(tài)氮處于氮素流動、損失和被利用的中心環(huán)節(jié)，大量結(jié)果顯示，硝態(tài)氮是北方農(nóng)田土壤氮素淋失的主要形式[7]，因此，降低設(shè)施土壤硝酸鹽含量，防控和削減硝態(tài)氮淋失措施的研究一直受到廣泛關(guān)注，目前，大部分研究集中在優(yōu)化水肥投入[8-10]、使用化學(xué)添加劑[11-12]或種植填閑作物[1，13]。然而，單純采用上述措施難以從根本上在降低硝態(tài)氮淋失帶來的環(huán)境風(fēng)險和保證農(nóng)民經(jīng)濟(jì)效益之間達(dá)到平衡[14]。越來越多的研究表明，不同類型作物搭配種植不僅可以提高產(chǎn)量，同時在高效利用土壤養(yǎng)分、降低硝態(tài)氮污染風(fēng)險方面具有很大潛力[14-15]。其中，輪作模式調(diào)整對土壤-作物系統(tǒng)中養(yǎng)分循環(huán)、土壤培肥與淋失防控、保障經(jīng)濟(jì)效益有著上述措施不可替代的作用。針對不同輪作模式對硝態(tài)氮淋失的影響在國外研究起步較早，且引入豆科作物的輪作模式一直是研究熱點，但結(jié)果不盡相同，有研究認(rèn)為，在禾本科輪作中加入豆科作物氮淋失會增加[16-17]；但也有研究表明，豆科作物加入輪作中，可在培肥土壤的同時減少硝態(tài)氮淋失[18]。但目前我國涉及輪作模式調(diào)整對設(shè)施土壤氮素淋失影響的研究較少，陸扣萍等[19]對太湖地區(qū)芹菜-番茄-萵苣輪作模式調(diào)整時發(fā)現(xiàn)由金花菜(MedicagohispidaGaertn)取代芹菜周年氮淋失量顯著降低38%～41%。并且，目前針對不同輪作模式之間硝態(tài)氮淋失關(guān)鍵因素和作用機(jī)理的研究更加缺乏。

設(shè)施番茄(Solanumlycopersicum)是我國主要的蔬菜種植種類，在菜籃子工程中占有重要地位；我國是世界上最大的甜瓜(Cucumismelo)生產(chǎn)和消費國，設(shè)施甜瓜種植經(jīng)濟(jì)收益較高，因此，番茄-甜瓜輪作是典型的以果實為食用部分的茄科-葫蘆科蔬菜輪作的代表。該模式已在河北衡水國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)廣泛推廣，周年收益可達(dá)到42～53 萬/hm2，是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民脫貧致富的重要途徑。然而，茄科和葫蘆科等茄果類蔬菜的養(yǎng)分和水分需求量較高，“肥大水勤”的管理模式在資源浪費的同時更增加了環(huán)境風(fēng)險[20]，豆科蔬菜養(yǎng)分需求量低并有助于培肥土壤，然而在番茄-甜瓜輪作體系中引入豆角對設(shè)施土壤硝態(tài)氮淋失的削減效果如何以及其作用機(jī)理尚未明確。本研究以河北省饒陽縣設(shè)施農(nóng)業(yè)定位試驗為對象，對比研究番茄-甜瓜、豆角-甜瓜、番茄-豆角3種輪作模式下設(shè)施土壤硝態(tài)氮淋失量的變化特征及主要影響因素，探討基于豆科作物的輪作模式調(diào)整技術(shù)對降低氮素淋失環(huán)境風(fēng)險的可行性，為建立作物高產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)的養(yǎng)分資源管理體系、維護(hù)土壤健康提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗設(shè)計

定位試驗位于河北省農(nóng)林科學(xué)院饒陽試驗基地(38°16′14″N，115°50′82″E)，典型種植模式為秋冬茬番茄-冬春茬甜瓜輪作，1 a 2茬。研究區(qū)屬冀中平原黑龍港流域，地貌類型為滹沱河洪積平原，土壤類型為潮土，質(zhì)地為沙壤，地下水埋深3～7 m。年均溫12.2 ℃，降雨量552.6 mm，屬于溫帶大陸季風(fēng)氣候。

試驗開始于2018年6月，設(shè)置3個處理：番茄-甜瓜、豆角-甜瓜、番茄-豆角，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，每個處理3個重復(fù)，共9個小區(qū)，小區(qū)面積21.5 m2。試驗開始前在各小區(qū)中間挖掘淋溶池1.5 m×0.8 m×0.9 m(長×寬×高)，四周和底部鋪設(shè)塑料布，淋溶池底部中央放置塑料桶用于接收淋溶液，桶口鋪設(shè)粗砂、150 μm尼龍網(wǎng)，留出液管，逐層回填土壤并壓實，通過多次灌溉使土壤恢復(fù)原狀。番茄于每年7月底施入牛糞加復(fù)合肥作為底肥，有機(jī)肥氮投入量占底肥氮投入量的60%，每穗果坐果后追肥1次，共5次，追肥氮占總氮投入量的50%。甜瓜于每年1月中旬施入羊糞加復(fù)合肥作為底肥，有機(jī)肥氮投入量占底肥氮投入量的60%，其中，甜瓜坐果后每14～21 d追肥1次，共6次，追肥氮占總氮投入量的55%。豆角播種時間和底肥種類與番茄/甜瓜一致，有機(jī)肥氮投入量占底肥氮投入量的60%，嫩莢坐住后每14 d追肥1次，共6次，追肥氮占總氮投入量的35%。具體養(yǎng)分和水分投入量如表1所示。試驗開始前土壤基礎(chǔ)理化性狀：容重1.01 g/cm3，黏粒(<0.002 mm)9.6%，砂粒(0.05～2.00 mm)56.6%，有機(jī)碳26.62 g/kg，硝態(tài)氮147.10 mg/kg，有效磷(Olsen-P) 274.00 mg/kg，有效鉀119.67 mg/kg，pH值 7.54。

表1 不同輪作模式下周年養(yǎng)分及水分投入量Tab.1 Fertilizer and water input under different rotations in a year

1.2 測定項目與方法

2018—2020年共輪作4茬，每次采摘時按小區(qū)記錄產(chǎn)量，隨機(jī)取10個番茄或甜瓜、20個豆角測定果實含氮量。分別于2019年1，6，12月和2020年6月收獲季各小區(qū)隨機(jī)取番茄、甜瓜、豆角植株5株用于測定地上部及地下部植株含氮量。拉秧后按S形分0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm，80～100 cm 5層取樣，各小區(qū)每層取5個點混合成一個土壤樣品，放入冰箱帶回實驗室測定硝態(tài)氮、全氮、有機(jī)碳及pH值。淋溶液于每次灌溉后3 d采集，記錄體積后取250 mL淋溶液裝入塑料瓶，放入冰箱帶回實驗室測定硝態(tài)氮含量。采用BL141高精度空氣土壤溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)測量記錄土壤溫度(量程-40～65 ℃，精度±0.2 ℃)和土壤濕度(量程0～100%，精度±1%)，土壤傳感器埋在每個小區(qū)距離隴上15 cm的土壤中，數(shù)據(jù)采集間隔為每10 min 1次，日平均溫濕度為當(dāng)天從0：00—23：50共144個數(shù)據(jù)的平均值。

土壤全氮用凱氏法，硝態(tài)氮采用酚二磺酸比色法測定，有機(jī)碳用油浴加熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定，土壤pH值用1 mol/L KCl浸提(水土比m/V1.0∶2.5)電位法測定，果實及植株含氮量采用H2SO4-混合加速劑(K2SO4+CuSO4+Se粉)-蒸餾法測定，以上測定均參考《土壤農(nóng)化分析》[21]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

不同輪作模式及季節(jié)(茬口)及其交互作用對土壤理化性質(zhì)的影響采用兩因素方差分析(Two-way ANOVA)和Duncan檢驗進(jìn)行多重比較。不同輪作模式之間氮素表觀盈余、產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益之間的差異，以及同一輪作模式不同季節(jié)(茬口)土壤理化性質(zhì)之間的差異采用單因素方差分析(ANOVA)與Duncan檢驗。使用Spearman相關(guān)性分析硝態(tài)氮淋失量與土壤性狀的相關(guān)性。以上分析均使用IBM SPSS Statistics 18.0進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作模式對土壤硝態(tài)氮垂直分布特征的影響

傳統(tǒng)番茄-甜瓜輪作下土壤硝態(tài)氮存在明顯的垂直遷移與在深層土壤積累，且呈現(xiàn)季節(jié)性變化特征，總體上甜瓜季各土層硝態(tài)氮含量高于番茄季(圖1)。與之相比，引入豆角的輪作模式可以顯著降低0～100 cm土壤剖面硝態(tài)氮含量，單因素方差分析顯示，第2茬番茄-豆角模式下20～40 cm，60～80 cm，80～100 cm土壤硝態(tài)氮顯著低于番茄-甜瓜，第3茬豆角-甜瓜模式40～60 cm，60～80 cm，80～100 cm土壤硝態(tài)氮顯著低于番茄-甜瓜，第4茬0～20 cm，80～100 cm土壤硝態(tài)氮均為番茄-豆角顯著低于豆角-甜瓜，番茄-甜瓜顯著最高，其余土層番茄-豆角均顯著低于番茄-甜瓜，但20～40 cm，60～80 cm土層番茄-豆角與豆角-甜瓜土壤硝態(tài)氮差異不顯著?？傮w上，番茄-豆角對土壤硝態(tài)氮殘留削減效果優(yōu)于豆角-甜瓜模式(圖1)。

TM.番茄-甜瓜，BM.豆角-甜瓜，TB.番茄-豆角；S1、S3分別代表第1，3茬(秋冬茬)；S2、S4分別代表第2，4茬(冬春茬)。不同小寫字母表示同一輪作模式不同茬口間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示輪作模式間差異顯著(P<0.05)。圖2—3同。

2.2 不同輪作模式對土壤硝態(tài)氮淋失量的影響

研究表明，不同茬口(生育季)硝態(tài)氮淋失量均值在45.43～114.45 kg/hm2。傳統(tǒng)番茄-甜瓜輪作硝態(tài)氮周年淋失量平均為(144.84±16.36)kg/hm2～(174.55±27.23)kg/hm2，秋冬茬(第1，3茬)及冬春茬(第2，4茬)引入豆角后硝態(tài)氮周年淋失量平均分別為(130.32±7.31)～(168.20±23.77) kg/hm2和(101.96±11.20)～(124.34±15.87) kg/hm2。兩因素方差分析表明，輪作模式顯著影響硝態(tài)氮淋失量(F=6.986，P=0.03)，經(jīng)過2 a 4茬輪作，番茄-豆角比番茄-甜瓜淋失量總體顯著下降了39.74%，豆角-甜瓜下降了6.32%(圖2)，以豆角替代甜瓜的輪作模式對硝態(tài)氮淋失的削減效果優(yōu)于以豆角替代番茄。同時，季節(jié)(茬口)變化極顯著的影響硝態(tài)氮淋失量(F=9.071，P<0.001)，且輪作模式和季節(jié)對土壤硝態(tài)氮淋失的影響存在顯著交互作用(F=3.609，P<0.007)。

圖2 不同輪作模式對土壤硝態(tài)氮淋量的影響Fig.2 Total leaching loss of NO3-N under different rotation systems

2.3 不同輪作模式對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

不同輪作模式主要對土壤硝態(tài)氮、全氮、儲水量和pH值產(chǎn)生顯著影響(圖3)，通過2 a 4茬輪作，與番茄-甜瓜相比，番茄-豆角平均顯著提高土壤pH值5.79%，總體上土壤儲水量、全氮和硝態(tài)氮含量分別顯著降低了8.94%，12.88%，34.79%，豆角-甜瓜土壤儲水量顯著降低了12.11%。同時，季節(jié)(茬口)變化顯著影響土壤硝態(tài)氮(F=13.734，P<0.001)、全氮(F=15.778，P<0.001)、有機(jī)碳(F=11.187，P<0.001)、C/N比(F=6.190，P=0.002)和pH值(F=28.989，P<0.001)。第2茬土壤NO3-N累積量顯著高于第1，3茬；第1茬土壤有機(jī)碳累積量顯著高于第3茬(圖3)。

圖3 不同輪作模式及茬口對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響Fig.3 Soil properties under different rotation systems and seasons

2.4 影響硝態(tài)氮淋失的環(huán)境因素

Spearman相關(guān)分析表明，在所有環(huán)境因素中，硝態(tài)氮淋失量受0～100 cm土壤儲水量、硝態(tài)氮累積量和溫度影響最大，呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；與0～100 cm有機(jī)碳儲量和全氮累積量顯著正相關(guān)，與0～60 cm土壤pH值顯著負(fù)相關(guān)，與土壤C/N比和深層土壤pH值相關(guān)性不顯著(表2)?；貧w分析進(jìn)一步顯示，硝態(tài)氮淋失量受不同環(huán)境因素影響變化規(guī)律不同，與土壤儲水量和土壤溫度呈指數(shù)關(guān)系，與硝態(tài)氮累積量呈線性關(guān)系(圖4)。

圖4 硝態(tài)氮淋失量與土壤儲水量、土壤溫度和土壤硝態(tài)氮累積量的相關(guān)性Fig.4 Relationships between leaching loss and soil water storage，soil temperature and soil as cumulative NO3-N content

表2 硝態(tài)氮淋失量與0～100 cm土壤性質(zhì)及土壤溫度的相關(guān)性Tab.2 Spearman correlation coefficients of the leaching loss with soil properties of 0—100 cm and soil temperature

2.5 不同輪作模式對氮盈余及產(chǎn)量的影響

引入豆角的輪作模式分別降低氮投入43.61%(豆角-甜瓜)和45.92%(番茄-豆角)，可以顯著降低輪作體系氮素表觀盈余，與番茄-甜瓜相比，以豆角替代番茄第1，3茬氮素表觀盈余分別顯著下降39.92%和39.27%，然而，產(chǎn)量也顯著降低41.83%～48.13%；以豆角替代甜瓜第2，4茬氮素表觀盈余顯著降低54.33%和48.83%，產(chǎn)量僅降低15.75%～30.40%，總體上，番茄-豆角輪作模式對氮盈余削減效果更好且對產(chǎn)量影響更小(表3)。

表3 調(diào)整輪作模式對氮盈余和產(chǎn)量的影響Tab.3 The effects of rotation system adjustment on nitrogen surplus and yield

3 討論與結(jié)論

環(huán)渤海地區(qū)約1/3的地下水硝酸鹽含量超標(biāo)[5]，嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境和人體健康，而設(shè)施蔬菜種植區(qū)氮素淋溶損失是造成地下水硝酸鹽含量超標(biāo)的關(guān)鍵來源之一。本研究不同輪作模式設(shè)施土壤硝態(tài)氮周年淋失量平均為(101.96±11.20)～(174.55±27.23) kg/hm2，不同茬口(生育季)淋失量均值在45.43～114.45 kg/hm2，遠(yuǎn)大于小麥(20.1 kg/hm2)、玉米(47.2 kg/hm2)及露地蔬菜單季淋失量(42.4～80.9 kg/hm2)[22-23]。雖然設(shè)施土壤硝態(tài)氮淋失在我國頗受關(guān)注，但不同研究之間差異較大。例如，壽光典型設(shè)施長茬茄子種植中土壤硝態(tài)氮周年淋失量可達(dá)294.8 kg/hm2[24]，寧夏引黃灌區(qū)不同施肥模式下設(shè)施番茄-黃瓜輪作硝態(tài)氮周年淋失量為59.1～201.3 kg/hm2，單季淋失量為8.3～135.4 kg/hm2[25]；太湖地區(qū)1 a 3茬不同輪作模式下硝態(tài)氮周年淋失量在63.0～132.8 kg/hm2，不同茬口間平均值在13.9～52.4 kg/hm2[19]。綜合各點研究結(jié)果，Wang等[23]對我國菜地氮淋失的Meta分析表明，設(shè)施蔬菜單季硝態(tài)氮淋失量平均值為 71.8～127.0 kg/hm2，略高于本研究，可能與本研究引入豆角后氮投入量降低為437 kg/hm2，低于Wang等[23]統(tǒng)計的全國設(shè)施蔬菜平均氮投入量560 kg/hm2有關(guān)。

與傳統(tǒng)輪作相比，引入養(yǎng)分、水分需求量更低的豆科作物，合理優(yōu)化輪作模式是減肥增效、降低土壤氮淋失的有效措施。陸扣萍等[19]對太湖地區(qū)芹菜-番茄-萵苣輪作模式調(diào)整時發(fā)現(xiàn)，由金花菜取代芹菜周年氮素淋失量顯著降低38%～41%。湯秋香等[26]指出蠶豆-水稻輪作比大蒜-水稻輪作減少氮素流失風(fēng)險38%。本研究中，番茄-豆角和豆角-甜瓜2 a總硝態(tài)氮淋失量相比于番茄-甜瓜分別降低了39.74%，6.32%。主要由于引入豆角帶來的水肥管理措施差異及其遺留效應(yīng)引起了土壤理化性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致硝態(tài)氮淋失的差異。與傳統(tǒng)番茄-甜瓜相比，引入豆角的輪作模式顯著降低了0～100 cm土壤儲水量，同時番茄-豆角還顯著降低了0～100 cm土壤硝態(tài)氮及全氮累積量并提高土壤pH值。本研究可知，硝態(tài)氮淋失量受0～100 cm土壤儲水量影響最大，呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與張學(xué)軍等[27]、張家鵬[28]結(jié)果一致。土壤水分運動是硝態(tài)氮運移的媒介和驅(qū)動力，許多研究表明，優(yōu)化灌溉可以顯著降低硝態(tài)氮淋失[29-31]，因此，本研究中引入豆角的2種輪作模式通過顯著降低0～100 cm土壤儲水量、阻控硝態(tài)氮的垂直遷移從而降低淋失。另外，土壤中大量氮累積是引起硝態(tài)氮淋失的另一決定因素，硝態(tài)氮淋失量與土壤硝態(tài)氮累積量呈線性關(guān)系，說明設(shè)施栽培長期大量氮投入使得土壤對硝態(tài)氮的固持已經(jīng)飽和，因此，番茄-豆角輪作模式顯著降低土壤硝態(tài)氮及全氮累積量對削減硝態(tài)氮淋失效果顯著，并且，土壤硝態(tài)氮和全氮累積量降低還改善了過量氮肥施用引起的土壤酸化，提高了pH值，也有利于番茄-豆角土壤硝態(tài)氮淋失的阻控。主要原因在于微生物驅(qū)動設(shè)施土壤氮素循環(huán)，pH值通常被認(rèn)為是影響微生物組成和活性的關(guān)鍵因素，本研究顯示，硝態(tài)氮淋失量與0～60 cm土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)，與深層土壤(60～100 cm)pH值關(guān)系不大，因為表層土壤是微生物代謝的主要場所，本研究pH值處在6.6～8.8，研究表明，在微酸性及中性條件下硝化作用強(qiáng)烈，易引起硝態(tài)氮的累積和淋失，但當(dāng)pH值>8時硝化細(xì)菌活性受到抑制[32]，說明隨著土壤pH值提高硝化作用逐漸減弱，硝態(tài)氮淋失風(fēng)險降低，與本試驗結(jié)果相同。

除了土壤性質(zhì)，溫度是影響硝態(tài)氮淋失的另一重要環(huán)境因素，是造成不同季節(jié)(茬口)淋失量差異的主要原因，硝態(tài)氮淋失量隨土壤溫度呈指數(shù)增長，與張學(xué)軍等[27]結(jié)果相同，主要因為溫度升高可以通過影響微生物群落結(jié)構(gòu)、活性以及土壤酶活性，促進(jìn)礦質(zhì)氮分解、有機(jī)氮礦化以及硝化作用[33]，從而增加土壤中硝態(tài)氮含量，同時溫度升高也增強(qiáng)了土壤中可溶性氮的擴(kuò)散作用[34]，共同促進(jìn)淋失。冬春茬溫度高于秋冬茬，甜瓜施肥量略高于番茄(808 kg/hm2vs 775 kg/hm2)，因此，以豆角替代甜瓜相對于替代番茄，一方面對由于施肥過量引起的直接硝態(tài)氮淋失削減效果更好，主要是對溫度升高促進(jìn)的土壤背景硝態(tài)氮淋失(例如激發(fā)效應(yīng)、有機(jī)氮礦化作用等)削減效果更佳，即季節(jié)變化間溫度差異導(dǎo)致的土壤氮素循環(huán)、轉(zhuǎn)化差異是冬春茬引入豆角硝態(tài)氮淋失削減效果優(yōu)于秋冬茬的原因之一。另外，作物特性也是影響硝態(tài)氮淋失的重要生物因素。不同作物光、熱等利用特征不同、或水肥吸收特性差異，直接影響氮素的累積和遷移[35]。本研究番茄-豆角輪作與豆角-甜瓜輪作雖然每年氮素減投量差異不大(21.42% vs 23.44%)，然而冬春茬更適宜豆角生長，產(chǎn)量更高，對氮素表觀盈余削減效果更好，是番茄-豆角輪作比豆角-甜瓜輪作環(huán)境效益更好的另一重要原因。

綜上所述，引入豆角的輪作模式相對于傳統(tǒng)番茄-甜瓜輪作，可顯著降低土壤硝態(tài)氮淋失。其中，番茄-豆角環(huán)境效益最佳，2 a總硝態(tài)氮淋失量顯著降低39.74%，該模式主要通過顯著降低0～100 cm土壤儲水量、硝態(tài)氮和全氮累積量，并提高土壤pH值從而改變土壤理化性質(zhì)，以及緩解氮淋失敏感季節(jié)有機(jī)氮礦化等作用引起的背景氮淋失從而改變氮循環(huán)過程等途徑降低硝態(tài)氮淋失。