青海高原東部設施農業區土壤氮素時空累積及淋失風險評價

李本措　塔林葛娃　李月梅　李鳳桐

摘要：為研究青海省東部設施農業區土壤氮素的時空累積特點，分別分層采集互助縣、平安區、樂都區、民和回族土族自治縣4個典型設施農業（縣）區34個1 m土體剖面樣本，研究了不同種植年限條件下土壤硝態氮、銨態氮及全氮含量的空間分布和累積特點，并根據土壤中硝態氮殘留進行淋失風險等級評價。結果表明：隨著設施農業栽培年限的增加，土壤中氮素含量呈逐漸累積態勢，尤其在連續種植15～20年后，1 m土體中土壤硝態氮、銨態氮及全氮含量達到最大值，分別為417.55 kg/hm2、40.98 kg/hm2、9.35 t/hm2。不同種植年限下土壤硝態氮、銨態氮和全氮含量的剖面垂直分布規律相同，均隨土層深度的增加呈下降趨勢。隨著種植年限的增加，設施農業土壤硝態氮殘留量對環境風險不斷增強，設施農業區連續種植10～15、15～20年，殘留風險達到強度潛在污染等級，將會威脅地下水環境安全。

關鍵詞：青海高原;設施農業區;硝態氮;種植年限;風險等級

中圖分類號：S153.6+1;X523? ?文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）03-0244-05

長期以來，設施農業作為農業高度集約化的土地利用方式，已成為我國農民均衡膳食結構，實現農業增效農民增收以及推動地方社會效益的主要途徑之一[1]。設施栽培的典型特點是“高肥高水”，其生產過程中超量施用化肥等化學投入品問題非常突出，并已逐漸成為農業環境領域的研究熱點[2]。許多學者的研究表明，設施栽培條件下超量施用化肥和有機肥造成土壤中氮素累積加重[3-4]，導致土壤理化性質和肥力狀況發生變化[5]，引起土壤養分富集、次生鹽漬化、土壤酸化[6]、土壤中有效營養元素比例失衡[1]等一系列問題。這些變化直接影響了肥料利用率、蔬菜品質和農產品質量安全，并且加劇了所在區域的生態環境風險[7]。目前，青海省設施農業栽培面積達6 935 hm2，東部農業區作為青海省的傳統設施農業區，部分地區栽培歷史在20年左右，該區域設施農業面積占全省的69%，主要集中在互助、樂都、民和、平安4個縣（區）。但至今對這一區域的設施農業區土壤氮素累積還缺乏系統的研究，針對這種現狀，研究該區域土壤氮素動態演變，及時掌握土壤環境質量變化對蔬菜生產安全具有理論和現實意義。陳曉群等對寧夏設施蔬菜土壤硝態氮研究發現，在0～30 cm土壤剖面中，硝態氮含量高于相鄰大田，且隨種植年限的增加而增加，種植8、15年設施土壤硝態氮含量分別為大田的8.2、9.3倍[8]。有學者曾對青海省海東市樂都區不同種植年限的設施土壤養分含量開展了部分研究[9-10]，研究發現設施農業區隨著種植年限的增加，土壤硝態氮累積明顯，不同土壤剖面硝態氮遷移現象比較嚴重，但未從區域尺度開展氮素累積和污染風險等級評價工作。通過對設施蔬菜栽培土壤養分空間累積研究發現，大水漫灌易使硝態氮發生遷移淋溶損失[11]，對極干旱區設施菜地土壤硝態氮含量的分析表明，設施土壤硝態氮已嚴重污染地下水，地下水超標率高達 86.36%，將會污染地下水[12]。此外，過量施氮也是設施農業地下水污染最主要的原因之一[13]，地表水污染中，氮素化肥占50%以上[14]，通過對京郊地區設施蔬菜施肥調查發現，農戶習慣水肥管理下表觀氮素損失量占總氮施入量的82%[15]，存在嚴重環境污染風險。隨著氮素對設施土壤環境和地下水環境污染威脅日趨凸顯，建立各種方法來預測和評價氮素對環境的影響已成為國內外研究者關注的重點[16-18]。有研究利用氮素平衡法對菜田氮素進行評價得出，凡是年施氮量超過500 kg/hm2，而作物氮素吸收量與施氮量之比低于40.0%的地區，地下水硝酸鹽含量基本上全部超標[19]。土壤氮素主要以硝態氮形式淋溶損失，進入水體，帶來地下水飲用安全問題，有學者通過對地下水硝態氮含量來表征氮素風險[20];同時，土壤硝態氮殘留量也可以作為評價氮素污染指標。有研究認為，硝態氮累計率超過10%適宜作為累計嚴重的界限[21]。由此可見，設施農業區土壤氮素的累積與環境風險關系密切，但目前關于青海高原東部設施農業區的氮素時空累積及其淋失風險評價尚未見報道。因此，從改善區域生態環境、確保設施農業生產高效、優質發展的角度出發，本研究以典型的東部農業設施區不同種植年限土壤為研究對象，進一步揭示土壤氮素的時空累積與分布特點，通過科學的評價方法確定其風險等級，以期為青海高原設施農業區土壤合理利用和氮素科學管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況及施肥情況

研究區位于青海省東部農業區，主要包括互助縣、平安區、樂都區、民和回族土族自治縣，在北緯36°30′～37°9′和東經102°26′～103°04′之間，平均海拔2 100～3 500 m，平均氣溫5.8～9 ℃，無霜期114～198 d，年降水量292.2～477.4 mm，年蒸發量1 235.6～1 613.8 mm，屬于高原干旱半干旱大陸性氣候，成土母質為黃土母質，土壤類型為栗鈣土、灰鈣土。設施栽培的主要作物為番茄、辣椒、草莓、人參果、紅提等，該研究區內主要施用的肥料為尿素、磷酸二銨、過磷酸鈣、復合肥，以及雞糞、豬糞和羊糞等有機肥，施用高效氯氰菊酯、吡蚜酮、石硫合劑、百菌清等殺蟲劑和殺菌劑（表1）。

1.2 采樣與分析

2017年11月，根據青海省農牧廳糧油處提供的百畝以上規模的設施基地信息，依據不同種植年限（表1）進行土壤樣品采集，共采集34個樣點，其中互助縣、平安區、樂都區、民和回族土族自治縣采樣點位數分別為10、5、14、5個，采樣時用GPS進行樣點定位，分別采集0～100 cm土壤剖面的分層土壤樣品和容重樣（圖1），采樣深度分別為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm，共采集5層。每一采樣點的分層土樣由3個剖面對應深度的土樣混合而成，用四分法混合留取1.5 kg，采集后的土樣密封保存于聚乙烯自封袋中，標明采樣信息，帶回實驗室4 ℃低溫保存。容重樣用100 cm3的環刀按對應土層人工采集，帶回實驗室用烘箱105 ℃烘干稱質量，計算得出土壤容重。采樣時同步記錄調查該樣點的當季作物、輪作制度、施肥、田間管理等情況。

采集的新鮮土樣過2 mm篩，混勻后稱取10.00 g，用 100 mL 2 mol/L KCL浸提，振蕩1 h后過濾，濾液用AA3型連續流動分析儀（德國Bran+Luebbe公司）測定硝態氮和銨態氮含量[22]，全氮含量采用凱氏定氮法測定，土壤容重采用環刀法測定[23]。

1.3 數據處理與分析

數據整理與圖表制作采用Excel 2007，土壤銨態氮、硝態氮和全氮含量各指標數據異常值處理采用拉依達準則[24]，采用統計軟件SPSS 20.0進行方差分析及顯著性測驗。

1.4 評價方法與標準

目前，大量的研究發現土壤中殘留的硝態氮影響淺層地下水的安全，土壤硝態氮已成為研究土壤質量和環境風險的熱點[25-27]。因此，本研究將土壤硝態氮作為土壤累積風險評價指標，根據侯彥林等提出的設施農區硝態氮殘留標準[20，28]，對本研究中不同種植年限的設施農區1 m土體內的土壤進行污染風險評價分級。

2 結果與分析

2.1 土壤硝態氮

青海高原東部設施農業區土壤經過長達20年的種植之后，土壤硝態氮隨種植年限的增加而增加。本研究1 m土體中，≤3、3～5、5～10、10～15、15～20年的硝態氮含量分別為83.25、129.90、212.73、382.85、417.55 kg/hm2（圖2）。同時可以看出，設施農業建立初期，土壤硝態氮增加量較小，種植3～5年后，硝態氮在土壤中的累積明顯，種植5～10年后，土壤硝態氮含量迅速增加，10～15年硝態氮增加量最大，增幅為 44.43%。此外，當種植年限達到10～15年，其增加量逐漸達到穩定狀態，并在15～20年達到最大值，累積速率為 19.66 kg/（hm2·年）。有研究者對青海省海東市樂都區不同種植年限日光溫室土壤中氮素含量進行分析發現，隨著栽培年限的增加，硝態氮含量呈增加的趨勢，且在1 m的土壤剖面中，種植22年時硝態氮含量達到最高值[10]。

不同種植年限下，土壤硝態氮含量的剖面垂直分布規律相同，硝態氮含量均隨土層深度的增加呈下降趨勢。青海高原不同年限設施農業區土壤硝態氮含量具有明顯的層次性分布規律，均隨土層深度的增加不斷降低，即0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm>60～80 cm>80～100 cm。受氮素輸入量影響，硝態氮多集中分布在0～40 cm土層中，該層硝態氮含量為40.21～186.20 kg/hm2，平均含量為115.44 kg/hm2。0～40 cm土層的硝態氮含量占不同種植年限1 m土體中硝態氮總含量的48.00%、51.00%、52.00%、45.00%、45.00%。設施農業種植5～10年與10～15、15～20年各土層之間的硝態氮含量差異顯著（P<0.05）。受灌溉和施肥條件的影響，大量氮素剩余。種植5～10年，硝態氮含量在60～80 cm土層處迅速下降，而在80～100 cm土體中，種植年限達到10～15年，土壤硝態氮含量有嚴重累積的現象，15～20年也有類似現象。楊慧等對不同年限日光溫室土壤硝態氮和鹽分累積特性的研究發現，在較深的土層中存在硝態氮累積峰，隨種植年限的延長，峰值逐漸增大，出現的深度也逐漸加深[29]。

2.2 土壤銨態氮

1 m土體中，青海高原東部設施農業區土壤銨態氮含量依次是種植≤3年>3～5年>5～10年>10～15年>15～20年，種植年限越久，土壤銨態氮累積量越大（圖3）。設施農業種植達到5年，土壤銨態氮含量迅速增加，1 m土體中，種植 3～5、5～10、10～15、15～20年較種植≤3年分別增加46.64、129.47、299.60、334.30 kg/hm2，增幅分別為56.03%、15552%、359.87%、401.55%。種植5～10年，1 m土體中，銨態氮總含量增加到最大值， 為40.98 kg/hm2。不同類型的土壤中銨態氮含量變化趨勢具有差異性，潘劍玲等對西藏高寒地區設施蔬菜土壤理化性質的分析發現，溫室土壤銨態氮含量隨種植年限的增加而增加，5年達到其最大值[30]。此外，有研究發現，設施蔬菜土壤銨態氮含量在土體中具有季節性變化，7—11月銨態氮含量較大，而早春1—3月較小，其最大值出現在9、11月[31]。本研究土樣采集于11月，銨態氮含量處于全年最高時期，1 m土體中其累積量為23.00～41.00 kg/hm2 種植15～20年，累積量達到最大值，累積速率為1.06 kg/（hm2·年），能夠更好地反映氮素時空累積特征。

青海高原不同年限設施農業區土壤銨態氮含量具有較明顯的層次性分布規律，其含量均隨土壤深度的增加不斷降低，即0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm>60～80 cm>80～100 cm;0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土層的土壤銨態氮含量占1 m土體銨態氮總含量的比例分別是 25.00%、23.00%、21.00%、17.00%、14.00%。可見，設施農業中土壤銨態氮多分布在蔬菜根系較多的0～40 cm土層中。在0～20、20～40 cm土層中，種植年限為5～10年的土壤銨態氮含量與其他4個種植年限的土壤銨態氮含量均達到顯著性差異水平（P<0.05）。在40～80 cm土層中，種植年限為5～10年的土壤銨態氮含量僅與≤3、3～5年達到顯著性差異水平，且在80～100 cm土體中各年限之間的差異表現不明顯。有研究表明，設施蔬菜土壤銨態氮具有較大的垂直空間變異性，作物種類、微生物種類、數量和活性、植物殘體的分解都會影響氮素的動態和比例;另外，低pH值和缺氧的環境條件不利于銨態氮轉化為硝態氮，因此，隨著土壤深度的增加，銨態氮呈先降低后增加的趨勢[32]。

2.3 土壤全氮

由圖4可知，青海高原東部設施農業區在長期栽培條件下，設施農業土壤全氮含量逐年穩定增加，1 m土體全氮總含量為13.50～19.35 t/hm2，平均為15.98 t/hm2。種植年限為15～20年時，全氮含量達到最大值，是種植年限為≤3年的1.43倍;由此可以看出，1 m土體中，相鄰年限之間，15～20年的土壤全氮含量比其他年限的增加量大，增加量為 2.53 t/hm2。不同農戶的施肥和管理反映了全氮在土壤中累積的差異性，設施農業種植年限達到5～6年后，全氮含量趨于穩定狀態，增加幅度逐漸減小[6]。另外，受有機肥料與氮肥投入量、土壤生物、酶活性的影響，土壤全氮含量在種植 1～9年之間迅速增加，而后8年其含量逐漸降低[33-34]。

設施農業土壤全氮含量隨土壤深度自上而下由高到低分布，各土層占不同年限設施土壤全氮平均含量分別為 21.65%、20.86%、19.84%、19.55%、18.10%。由此可見，在0～40 cm土層中設施農業土壤全氮含量較高，能為淺根性蔬菜提供充足的氮源。在相同土層中，各種植年限之間存在不同的差異性，在0～20 cm土層中，15～20年的全氮含量與其他年限之間差異顯著，種植≤3年與3～5、5～10年之間沒有顯著性差異。本研究表明，隨著種植年限的增加，土壤全氮含量逐年增加，其中以耕層土壤的增幅最為明顯，這與蔡紅明的研究結果[35]較為一致。

2.4 設施農業土壤硝態氮殘留量評價

參照土壤硝態氮殘留量影響地下水質量的潛在風險標準[20]及菜地土壤硝態氮殘留量為農田的5倍標準[28]，對青海高原東部設施農業區1 m土體中硝態氮殘留量進行評估、分級。由表2可知，設施農業種植3～5年，土壤硝態氮殘留量對地下水存在潛在污染風險，且隨著年限的逐漸增加，風險等級不斷增加。設施農業種植10年以上，土壤硝態氮殘留已強度影響地下水安全。通過調查發現，本研究中種植10～15年，設施農業投入總純氮量為2 340 kg/hm2，已遠遠超過蔬菜所需氮素含量。肥大水勤，容易導致土壤硝態氮大量累積，土壤硝態氮環境性風險在于硝態氮能夠通過土壤水進入地下水體，通過食物鏈進入人體，危害人體健康[36]。

3 討論

氮素非常活躍，能夠在不同生物圈中進行交換，且土壤中不同類型氮素之間可以相互轉化，銨態氮和有機氮都可以轉化為硝態氮，由于土壤膠體對硝酸根吸附性差，硝態氮易隨灌溉水發生淋溶遷移，成為氮素淋溶損失的主要組成成分[37]。設施栽培條件下種植的大多數是喜氮作物，特別是喜硝態氮的作物[38-39]，大量的氮肥使設施作物速生、高產，獲得最大經濟效益的同時也加劇了農業面源污染[40]。

在青海高原東部設施農業區，隨著種植年限的增加，不同類型土壤氮素均表現出增加的趨勢，說明大量長期地施用氮肥與土壤氮素的累積密切相關[41-43];但也有一些研究表明，當設施農業種植達到一定年限時，土壤氮素含量呈先增加后降低的趨勢[44]，其主要原因與土壤微生物作用、土壤酶的活性[45]以及設施農業管理方式有關[46]。

本研究發現，在1 m土體中，種植年限達到15～20年，土壤氮素含量達到最大值：硝態氮含量為417.55 kg/hm2、銨態氮含量為40.98 kg/hm2、全氮含量為19.35 t/hm2。劉慶芳等通過對樂都設施蔬菜土壤養分研究得出，樂都區種植22年，硝態氮含量達到最高，為609.065 mg/kg[9]，由此可見，不合理的施肥方式仍會降低土壤質量，造成土壤肥力障礙。與本研究結論不同，有研究指出，由田間栽培改為設施蔬菜保護地后，蔬菜生產高度集約化，復種指數加大，增加了氮肥的投入;因此，設施栽培初期，土壤生態環境較好，種植6～8年以后，土壤養分富集嚴重[47]，并且多年設施農業區相對于新建種植區土壤氮素污染程度較大[48]。本研究區土壤類型為栗鈣土，種植15～20年，設施農業硝態氮、銨態氮和全氮含量達到最大值。而屬黃棕壤、黃褐土的漢中地區在種植5年后，設施農業土壤全氮和硝態氮含量均出現最大值，分別為1.16 g/kg、246.66 mg/kg[49]。同樣，青島地區的設施菜田土壤在種植 7～9年，土壤硝態氮出現最大的累積值[50]。山東聊城設施菜田種植10年，硝態氮含量最大，當種植年限達到13年，銨態氮含量達到最大值[51]，可以說成土母質、土壤類型、蔬菜種植管理方式及施氮量的差異性[52-53]影響設施蔬菜土壤理化性質。楊治平等對土壤剖面硝態氮研究發現，硝態氮的累積是全剖面性的，不僅在表層的聚集含量很高，而且在土壤剖面會發生遷移，隨著灌溉次數的增加，下層土壤硝態氮比例也會增加[54-55]。有研究指出，長期大量施肥情況下，在100～180 cm 土層之間具有明顯的硝態氮累積現象，其中140 cm處出現累積峰[56]。受不同土壤性質的影響，蔬菜栽培土壤硝態氮在80～100 cm層嚴重累積，有繼續向下淋溶的可能[57]，本研究中雖未出現明顯累積峰，但通過對不同深度的土壤剖面硝態氮分布的研究發現，在80～100 cm土體中，硝態氮含量仍較高，種植10～15年其累積現象嚴重，15～20年也有類似情況。

目前，有關于設施農業土壤氮素淋失風險等級評價的研究比較少，但許多研究已表明，地下水和蔬菜中硝酸鹽超標與土壤氮素累積及肥料施用等有關[58-59]。張維理等以施氮量作為菜田種植體系中的評價指標，發現凡是年施氮量超過500 kg/hm2，而作物氮素吸收量與施氮量之比低于40.0%的地區，地下水硝酸鹽含量基本上全部超標[19]。也有研究認為，硝態氮殘留量可作對評價施肥影響地下水質的潛在標準[21]。因此，本研究針對青海高原東部農業區1 m土體中硝態氮殘留量作為指標，以準確評價長期設施栽培對土壤生態和環境淋失風險的影響。青海高原東部設施農業區種植超過10年，1 m土層硝態氮累積量>225 kg/hm2，土壤硝態氮淋失風險等級達到強度潛在風險，該年氮肥施入量為 2 340 kg/hm2，已遠超過500 kg/hm2;由此可見，東部設施農業區土壤氮素存在嚴重淋失風險，會增加淺層地下水污染的可能性，最終影響設施農業可持續利用與健康發展。

4 結論

隨種植年限的增加，東部設施農業區土壤氮素呈顯著增加趨勢。種植10～15、15～20年，銨態氮和硝態氮含量增加趨于穩定狀態，土壤銨態氮含量未明顯增加。且種植年限達到15～20年時，土壤氮素含量達到最大值，這主要與蔬菜栽培過程中農戶大量施用氮肥有關。

東部設施農業區土壤氮素沿土壤深度自上而下由高到低分布，同一土層不同年限之間土壤氮素含量存在明顯的差異性。各土層（每層20 cm）種植5～10、10～15年之間，銨態氮和硝態氮含量差異均達到顯著性水平，而10～15、15～20年，土壤全氮含量差異性顯著。氮素分布于整個土壤剖面中，在80～100 cm土層中土壤硝態氮含量仍較高，說明隨著灌溉次數和施肥量的增加，設施農業土壤硝態氮已淋溶下滲至土壤深層，增加了淺層地下水污染風險。

針對土壤硝態氮淋失風險的評價，直觀反映了東部設施農業區土壤硝態氮對地下水潛在污染情況，種植5～10年，風險等級為中度潛在污染;當種植10～15、15～20年，污染程度達到強度潛在污染。因此，設施蔬菜生產中控制氮肥使用量、改善施肥技術，既有利于滿足蔬菜的需要，又有利于減少硝態氮污染的趨勢。

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