引入豆角的輪作模式對設施土壤硝態氮淋失的影響

劉 蕾，王 凌，肖廣敏，茹淑華，孫世友，郜 靜，李 玭，趙歐亞，張國印

(河北省農林科學院 農業資源環境研究所，河北省肥料技術創新中心，河北 石家莊 050051)

我國是世界上最大的蔬菜生產國和消費國，設施蔬菜產值約占蔬菜總產值50%，因擺脫季節限制的生產模式和高效益產出，設施蔬菜種植在我國迅速發展，是農民增收、農業增效、農村經濟和社會發展的重要推動力。然而為追求高產，過量施肥(特別是氮肥)現象十分嚴重。據統計我國設施蔬菜氮投入量普遍超過1 000 kg/hm2[1-2]，部分地區超過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，對地下水污染風險逐年加劇，威脅人類健康。研究表明，北方環渤海地區34.1%的地下水硝酸鹽含量超過世界衛生組織10 mg/L飲用標準[5]，而設施農業產區更成為氮淋失的熱點區域[6]。

硝態氮處于氮素流動、損失和被利用的中心環節，大量結果顯示，硝態氮是北方農田土壤氮素淋失的主要形式[7]，因此，降低設施土壤硝酸鹽含量，防控和削減硝態氮淋失措施的研究一直受到廣泛關注，目前，大部分研究集中在優化水肥投入[8-10]、使用化學添加劑[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氮淋失帶來的環境風險和保證農民經濟效益之間達到平衡[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量，同時在高效利用土壤養分、降低硝態氮污染風險方面具有很大潛力[14-15]。其中，輪作模式調整對土壤-作物系統中養分循環、土壤培肥與淋失防控、保障經濟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，但結果不盡相同，有研究認為，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氮淋失[18]。但目前我國涉及輪作模式調整對設施土壤氮素淋失影響的研究較少，陸扣萍等[19]對太湖地區芹菜-番茄-萵苣輪作模式調整時發現由金花菜(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氮淋失關鍵因素和作用機理的研究更加缺乏。

設施番茄(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)生產和消費國，設施甜瓜種植經濟收益較高，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業科技園區廣泛推廣，周年收益可達到42～53 萬/hm2，是當地農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境風險[20]，豆科蔬菜養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施土壤硝態氮淋失的削減效果如何以及其作用機理尚未明確。本研究以河北省饒陽縣設施農業定位試驗為對象，對比研究番茄-甜瓜、豆角-甜瓜、番茄-豆角3種輪作模式下設施土壤硝態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整技術對降低氮素淋失環境風險的可行性，為建立作物高產與環境保護協調的養分資源管理體系、維護土壤健康提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 試驗設計

定位試驗位于河北省農林科學院饒陽試驗基地(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，屬于溫帶大陸季風氣候。

試驗開始于2018年6月，設置3個處理：番茄-甜瓜、豆角-甜瓜、番茄-豆角，隨機區組設計，每個處理3個重復，共9個小區，小區面積21.5 m2。試驗開始前在各小區中間挖掘淋溶池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，桶口鋪設粗砂、150 μm尼龍網，留出液管，逐層回填土壤并壓實，通過多次灌溉使土壤恢復原狀。番茄于每年7月底施入牛糞加復合肥作為底肥，有機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合肥作為底肥，有機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%。具體養分和水分投入量如表1所示。試驗開始前土壤基礎理化性狀：容重1.01 g/cm3，黏粒(<0.002 mm)9.6%，砂粒(0.05～2.00 mm)56.6%，有機碳26.62 g/kg，硝態氮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，每次采摘時按小區記錄產量，隨機取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月收獲季各小區隨機取番茄、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氮、全氮、有機碳及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氮含量。采用BL141高精度空氣土壤溫濕度監測系統測量記錄土壤溫度(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距離隴上15 cm的土壤中，數據采集間隔為每10 min 1次，日平均溫濕度為當天從0：00—23：50共144個數據的平均值。

土壤全氮用凱氏法，硝態氮采用酚二磺酸比色法測定，有機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《土壤農化分析》[21]。

1.3 數據處理與分析

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

2 結果與分析

2.1 不同輪作模式對土壤硝態氮垂直分布特征的影響

傳統番茄-甜瓜輪作下土壤硝態氮存在明顯的垂直遷移與在深層土壤積累，且呈現季節性變化特征，總體上甜瓜季各土層硝態氮含量高于番茄季(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土壤硝態氮顯著低于番茄-甜瓜，第4茬0～20 cm，80～100 cm土壤硝態氮均為番茄-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-甜瓜土壤硝態氮差異不顯著。總體上，番茄-豆角對土壤硝態氮殘留削減效果優于豆角-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氮淋失量的影響

研究表明，不同茬口(生育季)硝態氮淋失量均值在45.43～114.45 kg/hm2。傳統番茄-甜瓜輪作硝態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氮淋失量(F=6.986，P=0.03)，經過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氮淋失的削減效果優于以豆角替代番茄。同時，季節(茬口)變化極顯著的影響硝態氮淋失量(F=9.071，P<0.001)，且輪作模式和季節對土壤硝態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性質的影響

不同輪作模式主要對土壤硝態氮、全氮、儲水量和pH值產生顯著影響(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(茬口)變化顯著影響土壤硝態氮(F=13.734，P<0.001)、全氮(F=15.778，P<0.001)、有機碳(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性質的影響Fig.3 Soil properties under different rotation systems and seasons

2.4 影響硝態氮淋失的環境因素

Spearman相關分析表明，在所有環境因素中，硝態氮淋失量受0～100 cm土壤儲水量、硝態氮累積量和溫度影響最大，呈極顯著正相關關系；與0～100 cm有機碳儲量和全氮累積量顯著正相關，與0～60 cm土壤pH值顯著負相關，與土壤C/N比和深層土壤pH值相關性不顯著(表2)。回歸分析進一步顯示，硝態氮淋失量受不同環境因素影響變化規律不同，與土壤儲水量和土壤溫度呈指數關系，與硝態氮累積量呈線性關系(圖4)。

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

表2 硝態氮淋失量與0～100 cm土壤性質及土壤溫度的相關性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量影響更小(表3)。

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

3 討論與結論

環渤海地區約1/3的地下水硝酸鹽含量超標[5]，嚴重威脅生態環境和人體健康，而設施蔬菜種植區氮素淋溶損失是造成地下水硝酸鹽含量超標的關鍵來源之一。本研究不同輪作模式設施土壤硝態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]。雖然設施土壤硝態氮淋失在我國頗受關注，但不同研究之間差異較大。例如，壽光典型設施長茬茄子種植中土壤硝態氮周年淋失量可達294.8 kg/hm2[24]，寧夏引黃灌區不同施肥模式下設施番茄-黃瓜輪作硝態氮周年淋失量為59.1～201.3 kg/hm2，單季淋失量為8.3～135.4 kg/hm2[25]；太湖地區1 a 3茬不同輪作模式下硝態氮周年淋失量在63.0～132.8 kg/hm2，不同茬口間平均值在13.9～52.4 kg/hm2[19]。綜合各點研究結果，Wang等[23]對我國菜地氮淋失的Meta分析表明，設施蔬菜單季硝態氮淋失量平均值為 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]統計的全國設施蔬菜平均氮投入量560 kg/hm2有關。

與傳統輪作相比，引入養分、水分需求量更低的豆科作物，合理優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]對太湖地區芹菜-番茄-萵苣輪作模式調整時發現，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險38%。本研究中，番茄-豆角和豆角-甜瓜2 a總硝態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引起了土壤理化性質發生變化，進而導致硝態氮淋失的差異。與傳統番茄-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土壤硝態氮及全氮累積量并提高土壤pH值。本研究可知，硝態氮淋失量受0～100 cm土壤儲水量影響最大，呈極顯著正相關關系，與張學軍等[27]、張家鵬[28]結果一致。土壤水分運動是硝態氮運移的媒介和驅動力，許多研究表明，優化灌溉可以顯著降低硝態氮淋失[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氮淋失的另一決定因素，硝態氮淋失量與土壤硝態氮累積量呈線性關系，說明設施栽培長期大量氮投入使得土壤對硝態氮的固持已經飽和，因此，番茄-豆角輪作模式顯著降低土壤硝態氮及全氮累積量對削減硝態氮淋失效果顯著，并且，土壤硝態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-豆角土壤硝態氮淋失的阻控。主要原因在于微生物驅動設施土壤氮素循環，pH值通常被認為是影響微生物組成和活性的關鍵因素，本研究顯示，硝態氮淋失量與0～60 cm土壤pH值呈顯著負相關，與深層土壤(60～100 cm)pH值關系不大，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烈，易引起硝態氮的累積和淋失，但當pH值>8時硝化細菌活性受到抑制[32]，說明隨著土壤pH值提高硝化作用逐漸減弱，硝態氮淋失風險降低，與本試驗結果相同。

除了土壤性質，溫度是影響硝態氮淋失的另一重要環境因素，是造成不同季節(茬口)淋失量差異的主要原因，硝態氮淋失量隨土壤溫度呈指數增長，與張學軍等[27]結果相同，主要因為溫度升高可以通過影響微生物群落結構、活性以及土壤酶活性，促進礦質氮分解、有機氮礦化以及硝化作用[33]，從而增加土壤中硝態氮含量，同時溫度升高也增強了土壤中可溶性氮的擴散作用[34]，共同促進淋失。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氮淋失削減效果更好，主要是對溫度升高促進的土壤背景硝態氮淋失(例如激發效應、有機氮礦化作用等)削減效果更佳，即季節變化間溫度差異導致的土壤氮素循環、轉化差異是冬春茬引入豆角硝態氮淋失削減效果優于秋冬茬的原因之一。另外，作物特性也是影響硝態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番茄-甜瓜輪作，可顯著降低土壤硝態氮淋失。其中，番茄-豆角環境效益最佳，2 a總硝態氮淋失量顯著降低39.74%，該模式主要通過顯著降低0～100 cm土壤儲水量、硝態氮和全氮累積量，并提高土壤pH值從而改變土壤理化性質，以及緩解氮淋失敏感季節有機氮礦化等作用引起的背景氮淋失從而改變氮循環過程等途徑降低硝態氮淋失。