不同種植年限設施菜田土壤硝態氮的累積與空間分布特性

潘飛飛，宋俊杰，李慶飛

（1.河南科技學院園藝園林學院 河南新鄉 453003；2.河南省園藝植物資源利用與種質創新工程研究中心 河南新鄉 453003）

近年來，隨著我國社會經濟的不斷發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，使得設施蔬菜的發展越來越快，數量和種類增加、種植規模擴大。設施蔬菜不僅具有很好的節能效果，而且使蔬菜的周年種植和供應都得到了很好的實現。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，當前在豫北地區的應用最為普遍。

但在當前設施蔬菜生產體系中，氮肥的過量施用和大水漫灌導致土壤中硝態氮殘留量多且淋失嚴重，造成了不同程度的資源浪費和環境污染。據調查，中國北方許多地區土壤剖面中硝酸鹽的大量累積已對水體環境構成了嚴重威脅。此外，土壤中高量硝酸鹽的存在還會造成土壤次生鹽漬化、土體結構破壞、養分供應失衡等一系列問題，阻礙設施菜田的可持續利用。因此，土壤硝酸鹽富集儼然已成為設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氮的累積、分布及淋失風險的研究多集中在降雨豐富或高灌水量的地區，而對年降雨量平均550 mm 的中國北方地區土體中硝態氮淋洗的注意不足，認為該地區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氮下滲淋溶到相當深度，甚至進入地下水層。豫北地區設施蔬菜種植以黃瓜-番茄輪作為主，其特定的施肥管理措施也造就了該區域特定的土壤硝態氮累積與分布狀況。因此，有必要深入了解該區不同設施蔬菜種植年限對土壤硝態氮的影響，并結合當地的降雨特性對夏季休閑期殘留在不同土層中的硝態氮的淋失風險進行簡要評估。

試驗以新鄉市不同種植年限塑料大棚為研究對象，旨在了解土壤硝態氮的累積和分布特征隨設施蔬菜種植年限的變化趨勢，以期為控制和降低設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。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

試驗地位于新鄉市牧野區朱莊屯（35°18′N，113°54′E）。該區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，大棚的規格是64 m×17 m。每個棚內劃分3 個小區，隨機排列，小區面積20 m×17 m，相鄰小區之間有間隔2 m 的保護行。

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生任何影響。另外，因當地菜農施肥習慣普遍存在成區成片現象，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，棚內不再澆水施肥且不進行任何土地作業），在棚內各個小區依“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。以大棚周邊的農田土壤（周年輪作小麥-玉米）為對照（CK），于2018 年6 月8 日，即小麥收獲后采集0～100 cm 的土壤樣品。混勻的鮮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，用于測定土壤硝態氮。

在棚內挖掘梯形土壤剖面，剖面深度為100 cm。每20 cm 一層，取中間位置將環刀從剖面側邊壓入土中，直到環刀筒中充滿土壤樣品為止。將環刀帶回實驗室，用于測定各土層的土壤容重。

1.3 測定方法與數據分析

1.3.1 土壤容重 將裝有土壤樣品的環刀稱質量，然后從環刀筒中取約10 g 土，稱質量，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—環刀內濕樣質量（g）；—環刀容積（cm）；—土壤含水量（%）。

表1 不同種植年限設施菜田各土層的土壤容重（g·cm-3）

1.3.2 土壤硝態氮含量 取30 g 新鮮土樣，加入100 mL 2 mol·L的KCl 溶液，以220 r·min進行振蕩浸提1 h，過濾，濾液經AA3 連續流動分析儀測定。待測定完畢，導出測定結果。

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

1.3.3 數據分析 試驗數據采用Excel 2010 進行數據處理、相關分析和繪圖，采用IBM SPSS Statistics 19.0 中文版軟件進行單因素ANOVA 方差分析，Duncan 新復極差法多重比較。文中所有圖和表中的數據均為3 次重復的平均值。

2 結果與分析

2.1 種植年限對土壤硝態氮含量的影響

由圖1 可知，設施菜田各土層的土壤硝態氮含量普遍高于對照農田，設施菜田土壤硝態氮含量（，后同）變化在41.48～113.77 mg·kg，而農田土壤則變化在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，各土層土壤硝態氮含量總體呈增加的趨勢，且均于種植年限為21 年時達最大值，顯著高于對照農田及種植年限為2 年、3 年的菜棚。

圖1 各土層土壤硝態氮含量隨種植年限的變化

在0～20 cm 土層，農田土壤中硝態氮含量僅有44.91 mg·kg，經2～3 年菜棚種植模式后，土壤硝態氮含量已有50～80 mg·kg，當種植年限達到21 年時，土壤硝態氮含量可高達100 mg·kg。而在20～40 cm 土層，與0～20 cm 土層相比，其硝態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 土層對應的1.7 倍和1.9 倍，說明種植年限對表層土壤硝態氮的增加作用要大于下層土壤。

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

2.2 種植年限對土壤硝態氮累積的影響

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

圖2 各土層土壤硝態氮累積量隨種植年限的變化

對于設施菜田，隨種植年限增加，各土層土壤的硝態氮累積量呈逐漸增加的趨勢。其中，種植年限為16 年和21 年設施菜棚各層土壤的硝態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，其淋失風險也將隨之加大。0～100 cm 土層土壤硝態氮總累積量表現為設施菜棚＞對照農田（圖3），差異顯著。而對于設施菜田，隨種植年限的增加，0～100 cm 土層硝態氮總累積量表現為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顯著水平。

圖3 0～100 cm 土壤硝態氮總累積量隨種植年限的變化

對于農田土壤，各土層土壤硝態氮累積量表現為0～20 cm＜20～40 cm＜40～60 cm＜60～80 cm＜80～100 cm，即表層土壤的硝態氮累積量最低，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出不同的趨勢：隨土層深度的增加，呈現出先減小后增大的趨勢。其中，表層含量較高，在40～60 cm 達到最低，至80～100 cm 土壤硝態氮累積量達到最高，說明上層土壤的硝態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。設施菜棚種植年限在16 年以上，60～80 cm 土層土壤硝態氮累積量已與表層土壤相當，而80～100 cm土層的累積量已明顯高于表層土壤，這預示著與表層相比，60 cm 以下的底層土壤有著更大的硝態氮淋失風險。

2.3 種植年限與土壤硝態氮含量的相關性分析

相關分析結果顯示，各土層的土壤硝態氮含量及硝態氮累積量與種植年限間均表現出線性正相關的關系，且相關系數均達到極顯著水平（表2）。這充分說明，設施菜棚種植年限的增加是造成土壤硝態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氮的相關系數

2.4 種植年限與土壤硝態氮的空間分布

由表3 可知，設施菜田與對照農田中的硝態氮在不同土層中的分布大有不同。在表層，即0～20 cm土層，各種植年限設施菜田的土壤硝態氮累積量占總累積量的百分比均高于對照農田，除2 年菜田外，其余種植年限菜田與農田間的差異均達顯著水平，而在20～40 cm 和40～60 cm 土層范圍內，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。與對照農田相比，設施菜田20～80 cm 土層范圍內硝態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氮出現了一定程度的淋溶下移，而80～100 cm 土層范圍內，設施菜田土壤硝態氮累積量占總累積量百分比又高于了農田，同時結合各土層土壤硝態氮累積量的變化（圖2），也說明上層土壤的硝態氮發生了下滲及淋溶。

表3 不同土層中硝態氮累積量占總累積量的百分比 %

3 討 論

試驗結果表明，在當前設施蔬菜生產中，有機肥或化學氮肥的過量施用是土壤硝態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，土壤硝態氮富集量有逐年增多的趨勢。本試驗結果顯示，與農田土壤相比，各種植年限設施蔬菜土壤的硝態氮含量及累積量均較高，且隨種植年限增加，設施菜田各土層中土壤硝態氮含量及累積量均呈增加的趨勢，于種植年限為21 年時達最大值。同時，相關分析結果也顯示，設施菜田各土層中土壤硝態氮含量及累積量與菜田種植年限間均呈線性正相關關系，且相關系數均達極顯著水平，這與前人的研究結果一致。

與0～20 cm 土層相比，20～40 cm 土層的土壤硝態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氮的富集作用要大于下層土壤。楊慧等的研究結果也顯示，菜田土壤的硝態氮累積有明顯的表聚現象。這主要是因為設施菜田的肥料施用多為表施，故施肥對土壤硝態氮的富集作用主要發生于表層，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分的下滲及淋溶。研究結果還顯示，農田土壤各土層的土壤硝態氮含量及累積量間均無明顯差異，而各種植年限的設施菜田，則表現出隨土層深度的增加，土壤硝態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 達到最低值，至80～100 cm 達到最高值，這與王克安等的研究結果是一致的，也間接說明由肥料表施而造成的硝態氮富集現象，會因養分下滲或大量灌水而淋溶，形成硝態氮在下層土體的空間分布重構，峰值下移。在本試驗中各土層中硝態氮累積量占0～100 cm 土層總累積量百分比的數值，也說明20～80 cm 土層范圍內的硝態氮出現了一定程度的淋溶下移。在農業實際生產中，考慮到蔬菜作物的淺根系特性，認為40 cm 以下土層富集的硝態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，水分供應是土壤硝態氮分布發生變化的最直接原因，供水過量造成硝態氮的峰值下移，土壤硝態氮的淋失量與灌水量呈顯著正相關。這就要求，即使在種植年限不久的新設施菜田中，也應控制灌水量，避免過量灌溉所造成的硝態氮向下淋溶損失，脫離根系有效利用范圍。根據前人研究結果，筆者猜測相當一部分硝態氮已淋溶至100 cm 土層以下，但由于本試驗測定深度的限制，并無直接的數據支撐。

新鄉雖然年降水量不高，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，土壤中富集的硝態氮易發生淋失。有研究者認為，當降雨強度達40～70 mm·h時，表層硝態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。本研究結果顯示，當設施菜棚種植年限達16 年以上，60～80 cm 土層土壤硝態氮累積量已與表層土壤相當，而80～100 cm土層的累積量已明顯高于表層土壤，這預示著與表層相比，60 cm 以下的底層土壤由于其較高的硝態氮貯量和較低的分布層，有著更大的硝態氮淋失風險，且更易污染地下水。硝態氮淋失風險隨設施菜田種植年限的增加而加大。

因此，在設施蔬菜生產中，在不影響蔬菜作物產量和品質的前提下，應避免過量施肥和大水漫灌，應根據作物的需求采用根層調控措施進行合理施肥，從而降低土壤硝態氮的淋失風險及對地下水的污染。

4 結 論

（1）與農田土壤相比，不同種植年限設施菜田各土層的硝態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關系，相關系數達極顯著水平。

（2）在各種植年限的設施菜田中，隨土層深度的增加，土壤硝態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 達到最低值，至80～100 cm 達最高值。種植年限對表層土壤硝態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氮富集現象，會因降雨或灌水形成硝態氮在下層土壤中的空間分布重構。與表層土壤相比，60 cm 以下的土層有著更大的硝態氮淋失風險。