不同有機肥對日光溫室土壤剖面硝態氮含量動態變化的影響

肖輝，程文娟，王立艷，潘潔，高賢彪

(天津市農業資源與環境研究所，天津300192)

設施土壤施用有機肥可以改善土壤結構，增加土壤肥力［1］，減輕土壤次生鹽漬化［2］，提高蔬菜產量和品質［3－5］，施用有機肥還能增加土壤中有益的微生物種類，減輕作物病害［6－7］。有機肥在設施蔬菜上施用量非常大。雖然施用有機肥有很多的益處，但是過量施用有機肥也會產生一定的環境風險，如氮、磷的流失［8］，重金屬的積累［9］等。有研究表明，過量施用有機肥，會導致設施土壤中硝態氮的累積［10－12］，－N 不易被土壤膠體所吸附，遷移性強，在灌水的條件下易于淋洗，容易引起地下水的污染［13－14］。王正祥等［15］也研究表明天津蔬菜種植區0—100 m的淺層地下水硝酸鹽平均濃度高達31.8 mg/L，是其他作物種植區平均濃度的2.41倍。

前人關于有機肥的研究主要集中在提高作物產量、改善作物品質方面，對于有機肥引起的土壤剖面硝態氮動態變化的研究相對較少，且一般是在等化肥用量條件下研究增施有機肥的效果［16］，而對于等氮量的情況下，不同有機肥對設施土壤硝態氮季節性變化和分布規律的研究比較少。因此，在等氮量的條件下，研究了不同有機肥與化肥對土壤硝態氮累積、遷移以及季節性變化的影響，以期為設施土壤有機肥的合理利用提供理論依據，進而達到減少環境污染，保障食品安全的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在天津市西青區辛口鎮第六埠村日光溫室進行，該區屬于暖溫帶大陸性季風氣候，全年平均氣溫12℃，無霜期7個月。年降水量570～690 mm，分布不均，70%集中在6～8月份，年均蒸發量1100 mm，地下水位0.9～1.5 m。供試土壤類型為潮土，質地為中壤。試驗前(2010年2月)土壤耕層(0—20 cm)有機質含量 46.9 mg/kg、硝態氮 16.5 mg/kg、速效磷 101.8 mg/kg、速效鉀 309.0 mg/kg、pH值為8.11。

1.2 試驗設計

選擇腐熟雞糞、豬糞、商品有機肥3種有機肥，其養分含量見表1。有機肥用量按干基設7.5、15和22.5 t/hm23個水平，以化肥作對照，共10個處理。各處理如下，1)CF單施化肥;2)TC1施雞糞7.5 t/hm2;3)TC2施雞糞15 t/hm2;4)TC3施雞糞22.5 t/hm2;5)TS1施豬糞7.5 t/hm2;6)TS2施豬糞15 t/hm2;7)TS3施豬糞22.5 t/hm2;8)TO1施商品有機肥7.5 t/hm2;9)TO2施商品有機肥15 t/hm2;10)TO3施商品有機肥22.5 t/hm2。所施化肥為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含 P2O512%)和氯化鉀(含K2O 60%)。各處理重復4次，隨機區組排列，小區面積8.4 m2(1.2 m×7 m)。各處理氮、磷、鉀總養分量一致，依照有機肥中養分最高量確定總養分量，有機肥處理養分量不足用化肥補充。有機肥、磷肥全部基施，氮肥和鉀肥40%作基肥、60%作追肥，追肥共分3次，氮肥的追施比例分別為30%、20%和10%，鉀肥的追施比例為10%、20%和30%，番茄季追肥時間分別為2010年4月12日、5月7日、5月27日;芹菜季追肥時間分別為2010年11月4日、12月3日、12月28日。番茄季施肥量為 N 484.4 kg/hm2、P2O5478.4 kg/hm2、K2O 600 kg/hm2;芹菜季施肥量為N 483.8 kg/hm2、P2O5650.3 kg/hm2、K2O 462.9 kg/hm2。

本試驗從2010年2月25日至2011年1月27日，前茬作物為芹菜，其中番茄季從2010年2月25日到2010年7月15日，供試番茄品種為金冠5，3月3日番茄定植，7月15日拉秧。芹菜9月23日定植，2011年1月27日收獲，品種為文圖拉。2010年7月15日至2010年9月15日為閑置期。灌溉、病蟲害防治及日常管理按照當地農民習慣進行。

表1 不同季節有機肥養分含量Table 1 Nutrient content of organic manure in different seasons

1.3 樣品采集及分析

土壤樣品分別在蔬菜種植前、蔬菜生長旺盛期和收獲后采集。番茄季采樣時間分別為2010年2月25日、5月7日和7月19日;芹菜季采樣時間分別為2010年9月1日、12月3日及2011年1月27日。蔬菜收獲后的樣品采集分5層(0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm)，其余采樣期只采集表層土壤(0—20 cm)。土壤鮮樣用于分析土壤硝態氮含量。蔬菜樣品番茄在盛果期采集，芹菜樣品在收獲期采集，分析可食部分硝酸鹽含量，并統計最終產量。

土壤硝態氮采用0.01 mol/L CaCl2浸提—連續流動分析儀法測定;土壤有機質采用重鉻酸鉀－濃硫酸氧化法(外加熱法)測定;土壤pH采用2.5∶1水土比懸液電位法測定;土壤速效磷采用0.5 mol/L碳酸氫鈉溶液浸提—鉬銻抗比色法測定;土壤速效鉀采用1 mol/L醋酸銨溶液浸提—火焰分光光度計法測定。

蔬菜硝酸鹽含量采用蒸餾水浸提—紫外分光光度法測定。蔬菜硝酸鹽污染評價采用GB18406.1－2001中的標準執行(即茄果類蔬菜硝酸鹽含量不高于600 mg/kg，葉菜類蔬菜硝酸鹽含量不高于3000 mg/kg)。

數據統計采用Microsoft Excel 2003和SPSS 13.0軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 有機肥對日光溫室土壤剖面硝態氮分布的影響

2.1.1 番茄收獲后土壤剖面硝態氮分布特征 番茄收獲后，有機肥用量越大，在表層土壤中硝態氮累積越明顯(圖1)。雞糞處理0—10 cm土層硝態氮含量表現為 TC3＞TC2＞TC1＞CF，TC1、TC2、TC3處理硝態氮含量分別比CF處理高出17.76%、39.77%、48.96%，且差異均達到顯著水平，TC3、TC2與CF間的差異達到極顯著水平。豬糞處理與雞糞處理呈現相同的規律，TS1、TS2、TS3分別比CF處理高出17.32%、27.18%、56.69%，且與CF之間的差異均達到顯著水平。商品有機肥處理，同樣有機肥用量越大硝態氮含量越高，即 TO3＞TO2＞TO1，但與CF處理相比，除TO3與CF差異達到顯著水平外，其余處理間差異不顯著。

圖1 不同有機肥種植番茄后對土壤剖面硝態氮分布的影響Fig．1 Effect of different organic manures on the nitrate distribution in soil profile after tomato harvest

隨土層深度的增加，各處理硝態氮含量逐漸降低(圖1)。20 cm土層以下，除雞糞40—60 cm TC3與其他處理間差異達到顯著水平外，其余各有機肥處理與化肥處理間的差異均不顯著。0—80 cm土層硝態氮累積量雞糞和豬糞處理均高于化肥處理，且用量越大累積量越高，TC1、TC2、TC3硝態氮累積量分別達到了 640、697、816 kg/hm2，分別比化肥處理(580 kg/hm2)高出10.26%、20.12%、40.58%;豬糞處理 TS1、TS2、TS3分別比 CF處理高出5.10%、15.16%、31.48%。商品有機肥除 TO3硝態氮累積量稍高于CF處理外(高出2.37%)，其余兩個處理硝態氮含量均低于化肥處理。各處理高低順序為TC3＞TS3＞TC2＞TS2＞TC1＞TS1＞TO3＞CF＞TO2＞TO1。說明在該時期有機肥的大量施用，尤其是施用雞糞和豬糞比單純施用化肥加劇了硝態氮的累積，原因可能為番茄收獲后敞棚閑置，此時正值高溫多雨天氣，促進了有機肥的礦化，使有機態氮、銨態氮向硝態氮轉化，致使有機肥處理表層硝態氮迅速累積，并在雨水的作用下向下層遷移;化肥處理氮肥主要集中于前期施用，后期用量少，因此，與有機肥處理相比較，此時硝態氮含量較低;商品有機肥可能腐熟度較高，后期可供礦化的氮減少，因此，硝態氮累積不是特別明顯，且低量商品有機肥與化肥配合施用降低了硝態氮在土壤中的累積。

2.1.2 芹菜收獲后土壤剖面硝態氮分布特征 芹菜收獲后，0—80 cm土層硝酸鹽含量最低，40—60 cm含量最高(圖2)。在0—10 cm土層，雞糞各處理間硝酸鹽含量差異不顯著;豬糞處理表現為TS1＞CF＞TS2＞TS3，且TS1與其他處理的差異達到顯著水平;商品有機肥處理表現為TO1＞TO2＞CF＞TO3，TO1與其他處理的差異也均達到了顯著水平，表明低量有機肥與化肥配施促進了氮素礦化，增加了土壤硝酸鹽含量。各處理在40—60 cm土層均發生了明顯的硝酸鹽累積，硝酸鹽累積峰的深度與灌水量密切相關，灌水量越大，累積峰也就越深，冬季灌水量遠低于夏季，累積層較淺，因此，硝態氮在土壤剖面呈“S”形分布。

圖2 不同有機肥對種植芹菜后土壤剖面硝態氮分布的影響Fig．2 Effect of different organic manures on the nitrate distribution in soil profile after celery harvest

0—80 cm土層硝態氮累積量雞糞處理TC1、TC2、TC3 分別達到 417、454、314 kg/hm2，TC1、TC2處理比化肥處理(360 kg/hm2)高出16.12%、26.50%;TC3比化肥處理降低12.47%;豬糞處理硝態氮累積量均低于化肥處理，TS1、TS2、TS3處理分別比CF低10.65%、39.41%、61.74%;商品有機肥各處理累積量均高于化肥處理，TO1、TO2、TO3分別比CF高出31.53%、45.10%、11.62%。各處理高低順序為TO2＞TO1＞TC2＞TC1＞TO3＞CF＞TS1＞TC3＞TS2＞TS3。冬季，不同有機肥顯示了不同累積的特點，雞糞高用量處理TC3與CF相比，減少了硝態氮的累積，但低用量與化肥配施促進了有機氮素的礦化，增加了土壤硝態氮含量;豬糞處理與化肥處理相比降低了硝態氮累積量，且用量越大，效果越明顯;商品有機肥各處理硝態氮累積量雖均大于化肥處理，但高用量處理TO3遠遠低于低用量與化肥配施的處理。因此，3種有機肥均顯示出高量有機肥處理土壤硝態氮累積量較少;而低量有機肥與化肥配施促進了氮素的礦化，土壤硝態氮累積量較大。

冬季與夏季相比，各處理硝態氮土壤累積量遠遠低于夏季，如化肥處理降低了38.07%，雞糞與豬糞處理TC3、TS3分別降低了61.44%、81.98%，商品有機肥TO3處理降低了32.47%(圖1、圖2)。因此，冬季土壤硝酸鹽污染的風險性要遠遠低于夏季。另外，雞糞與豬糞季節變化幅度遠遠大于商品有機肥，因此，雞糞和豬糞的施用量要嚴格控制。

2.2 有機肥對設施土壤硝態氮季節性變化的影響

設施土壤表層(0—20 cm)硝態氮含量周年變化規律如圖3所示，各處理隨季節變化明顯，均表現出夏季硝態氮含量升高，冬季硝態氮含量降低的趨勢，且施用有機肥的處理變化幅度遠遠大于單獨施用化肥的處理。各有機肥處理前期(5月7日)硝態氮含量均低于化肥處理，且有機肥用量越大，硝態氮含量越低，TC3、TS3、TO3處理分別比 CF低29.75%、40.47%、56.47%。隨時間推移，各有機肥處理硝態氮含量均迅速增加，7月份所有施用雞糞和豬糞的處理硝態氮含量均高于單施化肥處理，且有機肥用量越大硝態氮含量越高，商品有機肥此時除TO3處理硝態氮含量稍高于化肥處理外，TO1、TO2均低于CF處理硝態氮的含量。9月份時，各處理間的差異進一步加大，雞糞處理TC1、TC2、TC3分別比CF高出49.17%、77.01%、99.98%，差異均達到極顯著水平;豬糞處理TS1、TS2、TS3與CF相比，硝態氮含量分別高出32.85%、56.68%、77.28%，各處理間的差異也均達到了極顯著水平;商品有機肥TO1、TO2、TO3分別比CF高出2.05%、31.48%、38.67%，TO1與 CF處理間差異不顯著，TO2、TO3與CF處理間差異達到顯著水平。9月份之后，各處理硝態氮含量又迅速降低，施用有機肥的處理變化幅度遠大于化肥處理，12月份時，所有有機肥處理硝態氮含量均低于化肥處理，且有機肥用量越大，降低幅度越大，如雞糞處理TC1、TC2、TC3分別比CF低8.20%、44.11%、50.87%，且 TC2、TC3與 CF之間差異達到顯著水平。芹菜收獲后(2011年1月27日)，各處理表層(0—20 cm)硝態氮平均含量降低到12.31 mg/kg，且所有處理之間差異不顯著。

圖3 不同時間各處理土壤表層硝酸鹽變化Fig．3 Changes of surface soil nitrate at different times

3種有機肥處理(TC3、TS3、TO3)和化肥處理(CF)引起土壤表層硝態氮的季節變化幅度分別達到205.63、180.89、138.82、96.67 mg/kg，有機肥處理(TC3、TS3、TO3)分別比 CF高出 112.7%、87.12%、43.60%。因此，施用有機肥引起土壤表層硝態氮的季節性變化非常明顯，變化幅度也要遠大于單施化肥處理。

2.3 有機肥對蔬菜產量及硝態氮含量的影響

季節不同，有機肥對蔬菜硝酸鹽含量的影響也不同(表2)。對于春季施肥夏季收獲的番茄，有機肥的施用增加了番茄體內的硝酸鹽含量，且有機肥用量越大，硝酸鹽含量越高，TC3、TS3、TO3分別比CF高出20.23%、23.94%、20.67%。雖然有機肥增加了番茄硝酸鹽的含量，但各處理硝酸鹽含量均符合無公害蔬菜的要求(茄果類≦600 mg/kg)。而對于秋季施肥冬季收獲的芹菜，有機肥不同用量對芹菜硝酸鹽含量的影響不一致，高量有機肥與化肥處理相比能夠降低芹菜硝酸鹽的含量，但低量有機肥與化肥配施能促進芹菜硝酸鹽的累積，如TC3、TS3、TO3的硝酸鹽含量比 CF低 17.09%、6.26%、18.99%，而TC1、TS1、TO1的硝酸鹽含量分別比CF高出 25.17%、28.40%、11.04%，TC1、TS1的硝酸鹽含量甚至超出了無公害蔬菜的限量標準(葉菜類≦3000 mg/kg)。

施用適量的有機肥可以提高蔬菜產量。TC1、TS1、TO2處理的番茄產量較高。有機肥處理的芹菜產量均顯著高于單獨化肥處理，豬糞和商品有機肥處理有機肥用量越大產量越高，TS3、TO3分別比CF處理高出13.82%、13.70%;雞糞處理中TC1處理產量最高，與CF處理高出13.45%，但該處理芹菜硝酸鹽含量過高，因此，雞糞此時施用量也不宜太少。

表2 不同蔬菜硝酸鹽含量及產量Table 2 Nitrate content and yield of different vegetables

3 討論

3.1 不同有機肥對土壤剖面硝態氮累積與分布的影響

氮肥的不合理施用是引起設施土壤硝態氮累積與淋溶的主要原因，但除速效氮肥外，有機肥帶入的氮素也不容忽視［17］。設施土壤施用有機肥可以改善土壤結構，提高蔬菜產量和品質，但不合理利用也會造成土壤硝態氮的累積、淋溶，甚至污染地下水［12］。本研究表明有機肥對土壤硝態氮的影響不同季節呈現不同的特點，夏季有機肥的大量施用，容易造成硝態氮在土壤中的大量累積，尤其是雞糞和豬糞，施用量越大硝態氮的累積量越大，原因可能為有機肥礦化速度慢，番茄收獲時土壤中還含有大量的有機態氮［18］，再加上先前吸附的其它形態氮素，在高溫及硝化細菌的作用下，迅速轉化為硝態氮，致使表層土壤硝態氮含量遠遠大于化肥處理。另外，有機肥分解過程中產生大量的低分子量有機酸，能夠對土壤吸附的硝態氮進行替換，此時灌水及降水(敞棚時)的情況下，易于造成硝態氮向下層遷移，本研究結果顯示0—80 cm土層硝態氮累積量，雞糞和豬糞處理均遠高于化肥處理，且用量越大累積量越高。商品有機肥除高量處理土壤硝態氮累積量稍高于化肥處理外，其余兩個處理與化肥配合施用降低了硝態氮的累積，原因可能為商品有機肥前期礦化度較高，到后期可供礦化的量減少，因此累積量低于雞糞和豬糞。化肥處理氮肥主要集中在前期施用，隨著植物吸收、土壤淋溶和揮發，后期剩余氮素較少，因此，化肥處理后期硝態氮累積量遠遠低于有機肥處理。

冬季與夏季不同，芹菜收獲時設施大棚溫度低，濕度大，蒸發量小，微生物活力差，不利于有機態氮和銨態氮向硝態氮的轉化，再加上蔬菜的吸收，使表層硝態氮含量普遍較低，且各處理間0—20 cm土層平均硝態氮含量差異不顯著。冬季蔬菜灌水量較少，加上地表蒸發量小，硝態氮在土壤中的上下遷移能力相對較弱，在灌水的情況下硝態氮向下遷移，在40—60 cm土層形成累積層，因此冬季土壤剖面硝態氮分布形成“S”形。各處理0—80 cm土層硝態氮累積量均遠遠低于夏季，且各有機肥處理均表現出高用量處理硝態氮累積量較低，而低量有機肥與化肥配合施用硝態氮的累積量較高的趨勢，原因可能為有機肥與化肥適量配比可以促進有機氮的礦化［19］，進而提高了土壤中硝酸鹽含量。

3.2 有機肥對土壤硝態氮季節性變化的影響

有機肥與化肥相比，施用前期礦化速度較慢，因此施肥初期(春季和秋季)有機肥處理硝態氮含量低于化肥處理。除自身特點外，環境因素對氮素轉化也起支配作用，有機態氮、銨態氮向硝態氮轉化受土壤質地［20］、溫度［21－22］、水分［23］、pH［24］、細菌活度［25］、植物的吸收等眾多因素的影響，其中溫度的影響尤為重要，如王簾里等［22］研究表明土壤有機質和有機氮含量越高，土壤氮的礦化對溫度的敏感性也越大，溫度越高，礦化量越大。與本研究的結果相似，從2月到7月，隨氣溫的升高，有機肥處理土壤硝態氮含量迅速上升;7月到9月，由于大棚閑置，這種趨勢進一步加強。進入秋季以后，有機氮礦化速度逐漸減緩，再加上植物的吸收，致使有機肥處理硝態氮含量迅速降低，一直至芹菜收獲，硝態氮含量均處于較低水平。但不同有機肥對硝態氮季節性變化的影響也略有不同，雞糞、豬糞處理變化幅度遠遠大于商品有機肥，原因可能為商品有機肥腐熟度高，穩定性強，受外界環境因素的影響相對較小，周年變化幅度也就相對較低。雞糞、豬糞穩定性較差，易于引起硝態氮的累積，因此，雞糞、豬糞要嚴格控制施用量。

3.3 有機肥對蔬菜產量及硝酸鹽含量的影響

李吉進等［26］研究表明施用適量有機肥可以提高蔬菜產量，降低蔬菜硝酸鹽含量，與本研究結果相似，但不同季節有機肥的適宜用量不同。夏季，各處理土壤氮素含量均較高，養分不是產量高低的限制因素，相反養分含量過高可能會降低蔬菜產量，增加蔬菜硝酸鹽含量［27］。本試驗中高量有機肥處理土壤硝酸鹽含量過高，致使番茄產量偏低，并且硝酸鹽含量較高;低量有機肥處理可以獲得較高的產量，并且蔬菜硝酸鹽含量相對較低。因此，夏季有機肥用量不宜過高，尤其是雞糞和豬糞。冬季則相反，高量豬糞和商品有機肥處理蔬菜產量較高，且硝酸鹽含量較低;雞糞高量處理雖然產量稍低于低量處理，但硝酸鹽含量低，蔬菜更加安全，因此，冬季有機肥用量可以適當增大。

本文是在等氮量條件下研究了有機肥對日光溫室土壤硝態氮的影響，獲得了其周年變化規律，但對于多年的累積效應沒有涉及。另外，不同有機肥具有不同的特點(C/N、腐熟度等)，針對不同有機肥不同季節的降解轉化規律還需進一步研究。

4 結論

有機肥對設施土壤硝態鹽的影響不同季節呈現不同特點，夏季大量施用有機肥會引起土壤和蔬菜中硝酸鹽的累積，并促進硝態氮向下層遷移;而冬季卻相反，高量有機肥能夠降低土壤及蔬菜中硝酸鹽的含量，減少硝態氮在土壤中的累積。因此，設施土壤對于春季施肥夏季收獲的蔬菜，有機肥用量不宜過高，而秋季施肥冬季收獲的蔬菜有機肥用量可適當增加。3種有機肥對土壤硝態氮影響大小不同，高低順序為雞糞＞豬糞＞商品有機肥，雞糞、豬糞造成土壤硝態氮累積與淋溶的風險性遠遠大于商品有機肥，因此，雞糞和豬糞的施用量要嚴格控制。本試驗中，依據既能提高蔬菜產量，又要降低土壤及蔬菜中硝酸鹽的累積量，得出雞糞最佳用量春季7.5 t/hm2并配合化肥施用，秋季15～22.5 t/hm2，配合少量化肥施用;豬糞最佳用量春季7.5 t/hm2配合化肥施用，秋季22.5 t/hm2，少施或不施化肥;商品有機肥春季7.5～15 t/hm2配合化肥施用，秋季22.5 t/hm2，少施或不施化肥。

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