設(shè)施菜田土壤氮素淋溶特征及阻控措施的研究進展

謝洪寶，關(guān)詩洋，陳一民，隋躍宇，彭 博，湯博宇，焦曉光

（1黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150080；2中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，哈爾濱 150081）

0 引言

作為重要的種植模式，設(shè)施菜田模式通過運用生物工程與環(huán)境技術(shù)等技術(shù)設(shè)備改造區(qū)域范圍內(nèi)的作物生長環(huán)境，改進蔬菜栽培生產(chǎn)模式，以解決外部環(huán)境對蔬菜生長限制，為蔬菜生長提供適宜的生長環(huán)境，一定程度下減輕不良自然環(huán)境限制有效地解決中國南方雨季栽培和北方冬季種植生產(chǎn)問題[1-3]。作為設(shè)施菜田生產(chǎn)中需求量最高的營養(yǎng)元素，土壤氮素在調(diào)控土壤生產(chǎn)力、土壤組分的遷移與轉(zhuǎn)化過程中起著重要作用，在保證設(shè)施菜田品質(zhì)與產(chǎn)量中發(fā)揮著不可替代的作用[4-5]。然而，為提高作物產(chǎn)量，保障持續(xù)產(chǎn)出，在設(shè)施菜田的生產(chǎn)過程中，氮肥高投入的現(xiàn)象越來越普遍，使得設(shè)施菜田土壤長期處于高度集約、高度施肥、土地利用率高的狀態(tài)，導(dǎo)致設(shè)施菜田土壤氮肥利用率較低，氮素淋溶較為嚴重[6-7]。目前的研究中，眾多研究者就設(shè)施菜田土壤氮素施用量、土壤氮素利用率、土壤氮素淋溶影響因素以及土壤氮素循環(huán)已進行大量的研究[8-9]。石生偉等[10]通過對天津市設(shè)施菜地施肥現(xiàn)狀的研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)施菜地氮素施用總量分是推薦值的1.3～3.4倍。丁武漢等[11]研究發(fā)現(xiàn)，中國設(shè)施菜田中作物吸收利用的氮素僅占26.6%，剩余部分多以淋溶或氣體揮發(fā)的形式損失或者累積在土壤中，帶來巨大的環(huán)境風(fēng)險。LU等[12]通過對玉米和小麥系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，硝酸鹽淋溶與土壤硝酸鹽積累之間存在顯著正相關(guān)，表明土壤硝酸鹽積累是潛在淋溶風(fēng)險的有用指標。因此，了解目前設(shè)施菜田土壤氮素淋溶特征，調(diào)控設(shè)施菜田土壤氮肥施用量，提高氮素利用率，對于保障設(shè)施菜田作物品質(zhì)及長效發(fā)展具有重要意義。本研究分析目前設(shè)施菜田土壤氮素淋溶特征的影響機制以及對土壤氮素損失的阻控措施，以期為設(shè)施菜田的合理管控與生態(tài)可循環(huán)利用提供理論參考。

1 設(shè)施菜田土壤氮素淋溶特征

1.1 設(shè)施菜田土壤氮素損失途徑

土壤氮素的遷移、轉(zhuǎn)化與作物吸收利用程度密切相關(guān)，要弄清作物土壤氮素轉(zhuǎn)化規(guī)律以及遷移過程，對于設(shè)施菜田長效發(fā)展至關(guān)重要[13]。設(shè)施菜田由于氮肥及有機肥料長期投入過量，大量氮素施入設(shè)施菜田土壤中，在土壤界面中發(fā)生理化性質(zhì)變化，造成氮素大量累積并向下淋溶造成農(nóng)田氮素面源污染，楊治平等[14]通過對設(shè)施黃瓜的研究發(fā)現(xiàn)，氮素損失達91.7%，其中土壤氮素淋溶是最為主要的形式。除淋溶損失外，已有研究表明，設(shè)施菜田土壤氮素通過土壤氮素礦化、氨揮發(fā)、氮的硝化作用、反硝化作用以NH3、N2O等氣體形式揮發(fā)進入大氣中。設(shè)施菜田土壤氨揮發(fā)、硝化及反硝化產(chǎn)生的N2O作為溫室氣體之一，將引起臭氧層破壞，加劇全球的溫室效應(yīng)[15]。目前針對于設(shè)施菜田氮素損失的研究中，多以單因素影響設(shè)施菜田氮素特征為主，對土壤氮素損失特征尤其是氣態(tài)損失特征、土壤氮素遷移方式以及長期定位設(shè)施菜田土壤氮素損失特征方面還有待深入研究。

1.2 設(shè)施菜田土壤氮素淋溶形態(tài)及特性

土壤氮素隨水移動至根系活動層以下，使得施入土壤中的氮素不能被作物吸收利用進而引起氮的損失[16]。土壤中氮素淋失形態(tài)一般為溶解性氮素，包括NO3--N、NH4+-N、NO2--N及溶解性有機氮，由于溶解性氮素具有較強的移動性，可隨水分移動過程中發(fā)生氮淋溶損失[17]。設(shè)施菜田系統(tǒng)中，由于特殊栽培形式，存在蔬菜根系相對較淺、氮肥投入量過大、土壤利用率高、灌水量較大的情況，形成特有的菜田土壤，土壤結(jié)構(gòu)較好，有機質(zhì)含量豐富，但設(shè)施菜田土壤中氮素、上季殘留的肥料氮素及當(dāng)季施入氮量不能完全被作物有效吸收利用，使得土壤氮素大量累積、深層土壤水氮無法吸收利用，造成土壤中溶解性氮累積與運輸進入深層地下水中損失，進而更易引起設(shè)施菜田的土壤氮素淋失[18]。柯英等[19]通過對不同類型設(shè)施菜田土壤氮素的遷移特征研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)施菜田中主要溶解性氮素累積在0～50 mm和50～200 mm的表層土壤中。相較大田作物，設(shè)施菜田具有更高的氮素淋洗風(fēng)險。這與王洪媛等[20]研究研究結(jié)果一致。

設(shè)施菜田中硝態(tài)氮為主要淋失形態(tài)。硝態(tài)氮自身帶負電，不易被土壤膠體吸收，當(dāng)?shù)┯昧看笥谧魑锢煤屯寥拦坛帜芰?，在灌水的?qū)動下硝態(tài)氮向深層遷移。唐珧等[21]研究表明，作物土壤中施用過量的氮肥較多殘留于土壤剖面或者以硝態(tài)氮的形態(tài)淋溶損失。王偉等[22]通過安裝滲漏淋溶裝置，對設(shè)施菜田作物生長時期氮淋溶損失進行探究，同樣得出設(shè)施菜田中土壤硝態(tài)氮是土壤氮素損失的主要形態(tài)。由于設(shè)施菜田長期大量硝態(tài)氮在土壤深層累積，將嚴重影響地下水的生態(tài)安全。董章杭[23]和巨曉棠[24]等學(xué)者都對山東省壽光市設(shè)施菜田種植區(qū)地下水進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)全年平均硝態(tài)氮的含量高達22.6 mg/L，污染范圍非常廣泛。因此在今后研究中應(yīng)進一步了解設(shè)施菜田土壤氮素淋溶特性，分析影響機制及阻控措施，調(diào)控設(shè)施菜田產(chǎn)量、品質(zhì)與環(huán)境調(diào)控、氮肥利用率平衡，降低設(shè)施菜田土壤氮素淋溶對設(shè)施作物生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境影響[25]。

2 設(shè)施菜田土壤氮素淋溶的影響機制

近年對于設(shè)施菜田氮素淋溶方面研究較多，研究涉及灌溉水量、施肥量與施肥種類、土壤質(zhì)地、土壤輪作等多項因素對設(shè)施菜田土壤氮素淋溶的影響，具備較大的變幅[26-27]。深入研究土壤氮素淋溶的影響因素并深入分析設(shè)施菜田氮素損失的阻控措施，對于指導(dǎo)設(shè)施菜田施肥，保證作物產(chǎn)量與質(zhì)量可持續(xù)生產(chǎn)至關(guān)重要。

2.1 施肥對設(shè)施菜田氮素淋溶的影響

設(shè)施菜田土壤由于肥料持續(xù)輸入產(chǎn)生的氮素累積以及肥料殘留是發(fā)生養(yǎng)分淋溶及氣體損失的關(guān)鍵因素。設(shè)施菜田由于生育期短，土壤耕作周期較短，土壤利用效率較高，施肥量也相應(yīng)較多[28-29]。張宏威等[30]研究也指出設(shè)施蔬菜土壤中有機肥施用量過高，將提高可溶性有機氮的含量，氮的淋溶風(fēng)險也將增大，這與楊榮全等[31]實驗研究結(jié)果相同。由于不同品種的肥料移動能力存在差異[32]，因而目前無機肥料施用、有機肥料施用、無機有機肥配比施用、緩控肥料施用對于設(shè)施菜田土壤氮素影響不同，目前研究中也出現(xiàn)不同結(jié)論。石寧等[33]指出目前設(shè)施菜田中，糞肥施用比例增大，但由于常年持續(xù)施用有機糞肥更易造成硝態(tài)氮的淋失與累積。而高偉等[34]研究指出無機有機肥配比施用，可減少氮素淋溶損失。除設(shè)施菜田施肥量與施肥種類外，作物施肥時期也作為設(shè)施菜田土壤氮素氮素淋溶的重要因素。不同作物不同生長時期對氮素需求量存在差異，因而施肥時期也顯著影響氮素的淋溶損失。在作物養(yǎng)分最大吸收期，可以提升氮素的利用效率，進而降低土壤氮素淋溶損失[35]。因此在研究施肥對設(shè)施菜田氮素淋溶的影響時，不僅要從施肥種類本身考慮，還應(yīng)對施肥量、施肥方式、施肥時期、土壤性質(zhì)、作物類型以及作物根系等相關(guān)因素進行綜合分析

2.2 灌水對設(shè)施菜田氮素淋溶的影響

設(shè)施菜田中灌水是養(yǎng)分運輸?shù)妮d體，飽和水流能引起設(shè)施菜田淋失的發(fā)生，灌水量可以影響土壤剖面的水分移動，是養(yǎng)分淋失的必要條件。設(shè)施菜田由于人工控制，密閉性較強，水分需求量大，往往采取大水漫灌形式供水，水分將設(shè)施菜田土壤中氮素向不同方向運移，從而導(dǎo)致氮素淋溶。范鳳翠等[36]研究發(fā)現(xiàn)，灌溉量與水肥淋溶存在相關(guān)關(guān)系，高灌溉量導(dǎo)致氮素的淋溶損失。雷豪杰等[37]通過應(yīng)用DNDC模型模擬設(shè)施菜田土壤硝態(tài)氮累積和運移過程，研究發(fā)現(xiàn)灌溉量及灌溉方式下土壤硝態(tài)氮的運移和累積特征存在差異。目前針對設(shè)施菜田施水量研究中，多數(shù)研究以建模形式表征土壤中硝態(tài)氮的運移速率，灌水量直接影響設(shè)施菜田土壤氮素損失，然而對土壤基礎(chǔ)性質(zhì)和水肥分布交互對于氮素淋失過程的影響研究有待進一步深入，探索合適的灌溉方式以及灌溉量對于保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要。

2.3 土壤質(zhì)地及種植年限對設(shè)施菜田氮素淋溶的影響

土壤質(zhì)地對設(shè)施菜田中氮素淋溶具有一定影響，土壤質(zhì)地與土壤孔隙度密切相關(guān)，土壤孔隙越大，土壤的保水能力越差，粘壤土中氮素淋失要顯著低于砂壤土，土壤粘粒及有機質(zhì)含量決定對土壤離子的吸附能力，進而影響設(shè)施菜田氮素的淋溶情況[38]。眾多研究表明，設(shè)施菜田氮素淋溶情況與種植年限相關(guān)，超過一定限度，種植年限越長，土壤氮素淋失風(fēng)險越大。石寧等[39]通過長期研究發(fā)現(xiàn)，種植西葫蘆15～20年的設(shè)施菜田土壤硝態(tài)氮含量要高于較短年份，發(fā)生淋溶的潛力也越大。曹文超[40]與伊田[41]的研究均證明種植年限與設(shè)施菜田中氮素含量呈現(xiàn)極顯著的相關(guān)性，設(shè)施土壤中氮素逐年累積，到10年左右累積量達最大值，具有較高的淋溶風(fēng)險。目前研究中，對時間跨越較大、作物種類土壤氮素遷移特征方面的研究較少，部分研究存在局限性，不適用指導(dǎo)大規(guī)模生產(chǎn)。

3 設(shè)施菜田土壤氮素損失的阻控措施

近年來，為降低設(shè)施菜田氮素淋溶，保障蔬菜產(chǎn)量，眾多研究者做了大量的研究，研究涉及設(shè)施菜田采取減氮控水[42]、調(diào)節(jié)碳氮比[43]、抑制劑的施用[44]以及運用填閑作物[45]等措施與土壤氮素淋溶與作物產(chǎn)量與質(zhì)量關(guān)系，進而在保證設(shè)施菜田生產(chǎn)前提下，降低土壤氮素淋溶損失。

3.1 減氮控水對設(shè)施菜田土壤氮素損失的阻控

眾多研究表明，對設(shè)施菜田進行適當(dāng)減氮控水，能夠在顯著降低設(shè)施菜田土壤中硝態(tài)氮的損失條件下保證設(shè)施菜田產(chǎn)量，提高氮素利用率。郭佩秋等[46]通過對設(shè)施黃瓜研究發(fā)現(xiàn)，氮肥用量超過675 kg/hm2時，黃瓜產(chǎn)量增長效果不明顯。張錦源等[42]通過對設(shè)施茄子田減水和減施化肥處理，發(fā)現(xiàn)減肥處理對茄子產(chǎn)量無明顯影響，而減少灌水量顯著降低茄子產(chǎn)量。駱曉聲等[47]通過對設(shè)施菜田有機肥與化肥的減施，發(fā)現(xiàn)蔬菜產(chǎn)量沒有降低，氮素淋溶量平均降低近40%。樊耀等[48]研究表明，微潤灌溉處理下，減少適量氮肥施入有利于促進大棚辣椒的生長，提升水分利用率。魏歡等[49]通過減量施肥與微潤灌溉結(jié)合種植設(shè)施番茄證明這一模式有效防控土壤氮素淋失的風(fēng)險。因此在設(shè)施農(nóng)田種植中應(yīng)不斷探索肥料施入量與施入方式，調(diào)整灌水量與灌水方式，保證土壤可持續(xù)生產(chǎn)與作物質(zhì)量，阻控設(shè)施菜田氮素淋失。

3.2 調(diào)節(jié)碳氮比對設(shè)施菜田土壤氮素損失的阻控

設(shè)施菜田由于長期大量施用氮肥，造成土壤的碳氮比降低，加重硝態(tài)氮的淋溶損失。眾多研究表明，在設(shè)施菜田土壤中施用秸稈、有機肥替代化肥等處理方式可以增加土壤有機碳含量，降低土壤氮素損失，增加對于土壤氮素的固持[50]。王偉等[22]研究發(fā)現(xiàn)，添加小麥秸稈處理顯著降低設(shè)施菜地硝態(tài)氮淋溶量的29.8%。駱曉聲等[51]通過對設(shè)施番茄和辣椒農(nóng)田運用有機肥替代氮肥研究發(fā)現(xiàn)，硝態(tài)氮淋溶量平均降低11.4%。此外，生物炭具有吸附能力強，吸水能力強，為疏松多孔結(jié)構(gòu)[52]。目前研究表明，使用生物炭對于作物土壤氮素淋失影響不一致。謝沂希等[53]向土壤添加1%～5%的生物炭，研究發(fā)現(xiàn)土壤氮素的淋溶量增加。而陳慶華等[54]研究發(fā)現(xiàn)，在油菜田中施入適量生物炭可以降低氮素淋溶流失風(fēng)險，提高油菜產(chǎn)量，這與前者研究不同。因而，生物炭施用要結(jié)合設(shè)施菜田種植年限、土壤情況綜合考量，確定生物炭對設(shè)施菜田的實際作用，深入開展生物炭對于阻控氮素淋溶的研究。

3.3 抑制劑的施用對設(shè)施菜田土壤氮素損失的阻控

施用抑制劑作用于抑制氮素轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)來抑制土壤供氮與作物吸氮之間關(guān)系，進而降低設(shè)施菜田中的氮素損失。硝化抑制劑可以調(diào)控土壤氮素循環(huán)過程，抑制土壤中的硝化作用，可以提高氮肥利用率，減少土壤硝態(tài)氮淋洗[55]。宋濤等[56]研究發(fā)現(xiàn)施用DCD等硝化抑制劑能降低硝態(tài)氮淋洗，提升作物產(chǎn)量。張春楠[57]與李學(xué)文[58]等在甜瓜、冬瓜等作物生產(chǎn)中施入硝化抑制劑，既能保障作物產(chǎn)量，又能減低土壤氮的淋溶風(fēng)險，這與宋濤研究結(jié)果一致。此外，研究表明，脲酶抑制劑可以減緩?fù)寥乐心蛩厮猓ㄟ^限制NH4+的供應(yīng)，降低土壤硝態(tài)氮淋溶損失。周丹[59]等研究氮肥配施抑制劑處理可以有效控制降低土壤硝態(tài)氮淋溶損失。

3.4 填閑作物對設(shè)施菜田土壤氮素損失的阻控

填閑作物指在作物收獲后的休閑時間種植的作物，用于吸收土壤氮磷等元素，改善后茬作物的生長發(fā)育[60]。在設(shè)施菜田休閑通過種植C4植物可以有效阻控氮素淋失。習(xí)斌等[61]利用甜玉米作為填閑作物研究也發(fā)現(xiàn)，填閑作物可使土壤氮素的淋失風(fēng)險顯著下降，延緩向深層次土壤淋失的風(fēng)險。因而在設(shè)施菜田休閑區(qū)可以選用填閑作物可以阻控氮素淋溶，同時也可起到輪作倒茬的作用。目前研究中，由于設(shè)施菜田高度集約化，土壤利用率較高，合理利用填閑作物對于設(shè)施土壤可持續(xù)利用以及保障經(jīng)濟效益至關(guān)重要。范新[62]等通過選用莧菜均可作為設(shè)施蔬菜休閑期的填閑作物，保障降低氮素淋失、增加經(jīng)濟收入，同時保障后茬蔬菜產(chǎn)量。今后研究中可以圍繞多年、多點、多茬進行研究全過程觀測氮素遷移特征，多維度評價填閑作物對于設(shè)施菜田土壤氮素損失特征。

4 結(jié)論與展望

近年來，雖然國內(nèi)外已經(jīng)對設(shè)施菜田氮素淋溶十分關(guān)注，并就減肥控水、有機肥無機肥配比、秸稈還田與有機物料施用、生物炭施用、間套作與填閑作物、抑制劑使用等方面與設(shè)施菜田中土壤氮素淋失情況進行了一系列研究，但對于以下幾方面研究需要進一步深入。（1）目前對于不同區(qū)域、不同季節(jié)、土壤不同層面、土壤不同類型、不同種植年限、不同作物設(shè)施菜田土壤氮素淋溶情況研究不夠充分，部分區(qū)域點位性質(zhì)具有局限性，指導(dǎo)大規(guī)模生產(chǎn)實踐依據(jù)不足，需要進一步深化研究不同區(qū)域土壤不同類型以及各項因素的交互性。（2）目前設(shè)施土壤中添加適量生物炭對于不同作物土壤氮素淋失影響不一致，對于實際生產(chǎn)指導(dǎo)意義不強，要進一步加強對區(qū)域設(shè)施菜田土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)及生物特征充分了解下，實踐生物炭對于多種因素共同作用下不同土壤類型土壤淋失的影響，為不同土壤性質(zhì)的設(shè)施菜田土壤研究開展提供理論支持。（3）目前，要進一步解決設(shè)施菜田土壤氮素淋失問題，要將土壤酶、土壤生物作用、施肥方式與施肥量、灌水方式與灌水量、耕作方式、土壤理化性質(zhì)、種植年限等綜合因素進行體系研究，進而實現(xiàn)設(shè)施菜田的可持續(xù)生產(chǎn)。（4）在探討設(shè)施菜田氮素淋溶阻控方式的同時，要充分考慮氮素氣體損失形式，降低設(shè)施土壤氮素損失，合理管控，提高設(shè)施菜田氮肥利用率。