引入豆角的轮作模式对设施土壤硝态氮淋失的影响

刘 蕾，王 凌，肖广敏，茹淑华，孙世友，郜 静，李 玭，赵欧亚，张国印

(河北省农林科学院 农业资源环境研究所，河北省肥料技术创新中心，河北 石家庄 050051)

我国是世界上最大的蔬菜生产国和消费国，设施蔬菜产值约占蔬菜总产值50%，因摆脱季节限制的生产模式和高效益产出，设施蔬菜种植在我国迅速发展，是农民增收、农业增效、农村经济和社会发展的重要推动力。然而为追求高产，过量施肥(特别是氮肥)现象十分严重。据统计我国设施蔬菜氮投入量普遍超过1 000 kg/hm2[1-2]，部分地区超过2 000 kg/hm2[3-4]。大量氮素残留在土壤中，加之过量且频繁的灌溉，对地下水污染风险逐年加剧，威胁人类健康。研究表明，北方环渤海地区34.1%的地下水硝酸盐含量超过世界卫生组织10 mg/L饮用标准[5]，而设施农业产区更成为氮淋失的热点区域[6]。

硝态氮处于氮素流动、损失和被利用的中心环节，大量结果显示，硝态氮是北方农田土壤氮素淋失的主要形式[7]，因此，降低设施土壤硝酸盐含量，防控和削减硝态氮淋失措施的研究一直受到广泛关注，目前，大部分研究集中在优化水肥投入[8-10]、使用化学添加剂[11-12]或种植填闲作物[1，13]。然而，单纯采用上述措施难以从根本上在降低硝态氮淋失带来的环境风险和保证农民经济效益之间达到平衡[14]。越来越多的研究表明，不同类型作物搭配种植不仅可以提高产量，同时在高效利用土壤养分、降低硝态氮污染风险方面具有很大潜力[14-15]。其中，轮作模式调整对土壤-作物系统中养分循环、土壤培肥与淋失防控、保障经济效益有着上述措施不可替代的作用。针对不同轮作模式对硝态氮淋失的影响在国外研究起步较早，且引入豆科作物的轮作模式一直是研究热点，但结果不尽相同，有研究认为，在禾本科轮作中加入豆科作物氮淋失会增加[16-17]；但也有研究表明，豆科作物加入轮作中，可在培肥土壤的同时减少硝态氮淋失[18]。但目前我国涉及轮作模式调整对设施土壤氮素淋失影响的研究较少，陆扣萍等[19]对太湖地区芹菜-番茄-莴苣轮作模式调整时发现由金花菜(MedicagohispidaGaertn)取代芹菜周年氮淋失量显著降低38%～41%。并且，目前针对不同轮作模式之间硝态氮淋失关键因素和作用机理的研究更加缺乏。

设施番茄(Solanumlycopersicum)是我国主要的蔬菜种植种类，在菜篮子工程中占有重要地位；我国是世界上最大的甜瓜(Cucumismelo)生产和消费国，设施甜瓜种植经济收益较高，因此，番茄-甜瓜轮作是典型的以果实为食用部分的茄科-葫芦科蔬菜轮作的代表。该模式已在河北衡水国家农业科技园区广泛推广，周年收益可达到42～53 万/hm2，是当地农民脱贫致富的重要途径。然而，茄科和葫芦科等茄果类蔬菜的养分和水分需求量较高，“肥大水勤”的管理模式在资源浪费的同时更增加了环境风险[20]，豆科蔬菜养分需求量低并有助于培肥土壤，然而在番茄-甜瓜轮作体系中引入豆角对设施土壤硝态氮淋失的削减效果如何以及其作用机理尚未明确。本研究以河北省饶阳县设施农业定位试验为对象，对比研究番茄-甜瓜、豆角-甜瓜、番茄-豆角3种轮作模式下设施土壤硝态氮淋失量的变化特征及主要影响因素，探讨基于豆科作物的轮作模式调整技术对降低氮素淋失环境风险的可行性，为建立作物高产与环境保护协调的养分资源管理体系、维护土壤健康提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验设计

定位试验位于河北省农林科学院饶阳试验基地(38°16′14″N，115°50′82″E)，典型种植模式为秋冬茬番茄-冬春茬甜瓜轮作，1 a 2茬。研究区属冀中平原黑龙港流域，地貌类型为滹沱河洪积平原，土壤类型为潮土，质地为沙壤，地下水埋深3～7 m。年均温12.2 ℃，降雨量552.6 mm，属于温带大陆季风气候。

试验开始于2018年6月，设置3个处理：番茄-甜瓜、豆角-甜瓜、番茄-豆角，随机区组设计，每个处理3个重复，共9个小区，小区面积21.5 m2。试验开始前在各小区中间挖掘淋溶池1.5 m×0.8 m×0.9 m(长×宽×高)，四周和底部铺设塑料布，淋溶池底部中央放置塑料桶用于接收淋溶液，桶口铺设粗砂、150 μm尼龙网，留出液管，逐层回填土壤并压实，通过多次灌溉使土壤恢复原状。番茄于每年7月底施入牛粪加复合肥作为底肥，有机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，追肥氮占总氮投入量的50%。甜瓜于每年1月中旬施入羊粪加复合肥作为底肥，有机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，追肥氮占总氮投入量的55%。豆角播种时间和底肥种类与番茄/甜瓜一致，有机肥氮投入量占底肥氮投入量的60%，嫩荚坐住后每14 d追肥1次，共6次，追肥氮占总氮投入量的35%。具体养分和水分投入量如表1所示。试验开始前土壤基础理化性状：容重1.01 g/cm3，黏粒(<0.002 mm)9.6%，砂粒(0.05～2.00 mm)56.6%，有机碳26.62 g/kg，硝态氮147.10 mg/kg，有效磷(Olsen-P) 274.00 mg/kg，有效钾119.67 mg/kg，pH值 7.54。

表1 不同轮作模式下周年养分及水分投入量Tab.1 Fertilizer and water input under different rotations in a year

1.2 测定项目与方法

2018—2020年共轮作4茬，每次采摘时按小区记录产量，随机取10个番茄或甜瓜、20个豆角测定果实含氮量。分别于2019年1，6，12月和2020年6月收获季各小区随机取番茄、甜瓜、豆角植株5株用于测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层取样，各小区每层取5个点混合成一个土壤样品，放入冰箱带回实验室测定硝态氮、全氮、有机碳及pH值。淋溶液于每次灌溉后3 d采集，记录体积后取250 mL淋溶液装入塑料瓶，放入冰箱带回实验室测定硝态氮含量。采用BL141高精度空气土壤温湿度监测系统测量记录土壤温度(量程-40～65 ℃，精度±0.2 ℃)和土壤湿度(量程0～100%，精度±1%)，土壤传感器埋在每个小区距离陇上15 cm的土壤中，数据采集间隔为每10 min 1次，日平均温湿度为当天从0：00—23：50共144个数据的平均值。

土壤全氮用凯氏法，硝态氮采用酚二磺酸比色法测定，有机碳用油浴加热重铬酸钾氧化-容量法测定，土壤pH值用1 mol/L KCl浸提(水土比m/V1.0∶2.5)电位法测定，果实及植株含氮量采用H2SO4-混合加速剂(K2SO4+CuSO4+Se粉)-蒸馏法测定，以上测定均参考《土壤农化分析》[21]。

1.3 数据处理与分析

不同轮作模式及季节(茬口)及其交互作用对土壤理化性质的影响采用两因素方差分析(Two-way ANOVA)和Duncan检验进行多重比较。不同轮作模式之间氮素表观盈余、产量及经济效益之间的差异，以及同一轮作模式不同季节(茬口)土壤理化性质之间的差异采用单因素方差分析(ANOVA)与Duncan检验。使用Spearman相关性分析硝态氮淋失量与土壤性状的相关性。以上分析均使用IBM SPSS Statistics 18.0进行。

2 结果与分析

2.1 不同轮作模式对土壤硝态氮垂直分布特征的影响

传统番茄-甜瓜轮作下土壤硝态氮存在明显的垂直迁移与在深层土壤积累，且呈现季节性变化特征，总体上甜瓜季各土层硝态氮含量高于番茄季(图1)。与之相比，引入豆角的轮作模式可以显著降低0～100 cm土壤剖面硝态氮含量，单因素方差分析显示，第2茬番茄-豆角模式下20～40 cm，60～80 cm，80～100 cm土壤硝态氮显著低于番茄-甜瓜，第3茬豆角-甜瓜模式40～60 cm，60～80 cm，80～100 cm土壤硝态氮显著低于番茄-甜瓜，第4茬0～20 cm，80～100 cm土壤硝态氮均为番茄-豆角显著低于豆角-甜瓜，番茄-甜瓜显著最高，其余土层番茄-豆角均显著低于番茄-甜瓜，但20～40 cm，60～80 cm土层番茄-豆角与豆角-甜瓜土壤硝态氮差异不显著。总体上，番茄-豆角对土壤硝态氮残留削减效果优于豆角-甜瓜模式(图1)。

TM.番茄-甜瓜，BM.豆角-甜瓜，TB.番茄-豆角；S1、S3分别代表第1，3茬(秋冬茬)；S2、S4分别代表第2，4茬(冬春茬)。不同小写字母表示同一轮作模式不同茬口间差异显著(P<0.05)，不同大写字母表示轮作模式间差异显著(P<0.05)。图2—3同。

2.2 不同轮作模式对土壤硝态氮淋失量的影响

研究表明，不同茬口(生育季)硝态氮淋失量均值在45.43～114.45 kg/hm2。传统番茄-甜瓜轮作硝态氮周年淋失量平均为(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)引入豆角后硝态氮周年淋失量平均分别为(130.32±7.31)～(168.20±23.77) kg/hm2和(101.96±11.20)～(124.34±15.87) kg/hm2。两因素方差分析表明，轮作模式显著影响硝态氮淋失量(F=6.986，P=0.03)，经过2 a 4茬轮作，番茄-豆角比番茄-甜瓜淋失量总体显著下降了39.74%，豆角-甜瓜下降了6.32%(图2)，以豆角替代甜瓜的轮作模式对硝态氮淋失的削减效果优于以豆角替代番茄。同时，季节(茬口)变化极显著的影响硝态氮淋失量(F=9.071，P<0.001)，且轮作模式和季节对土壤硝态氮淋失的影响存在显著交互作用(F=3.609，P<0.007)。

图2 不同轮作模式对土壤硝态氮淋量的影响Fig.2 Total leaching loss of NO3-N under different rotation systems

2.3 不同轮作模式对土壤化学性质的影响

不同轮作模式主要对土壤硝态氮、全氮、储水量和pH值产生显著影响(图3)，通过2 a 4茬轮作，与番茄-甜瓜相比，番茄-豆角平均显著提高土壤pH值5.79%，总体上土壤储水量、全氮和硝态氮含量分别显著降低了8.94%，12.88%，34.79%，豆角-甜瓜土壤储水量显著降低了12.11%。同时，季节(茬口)变化显著影响土壤硝态氮(F=13.734，P<0.001)、全氮(F=15.778，P<0.001)、有机碳(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累积量显著高于第1，3茬；第1茬土壤有机碳累积量显著高于第3茬(图3)。

图3 不同轮作模式及茬口对土壤化学性质的影响Fig.3 Soil properties under different rotation systems and seasons

2.4 影响硝态氮淋失的环境因素

Spearman相关分析表明，在所有环境因素中，硝态氮淋失量受0～100 cm土壤储水量、硝态氮累积量和温度影响最大，呈极显著正相关关系；与0～100 cm有机碳储量和全氮累积量显著正相关，与0～60 cm土壤pH值显著负相关，与土壤C/N比和深层土壤pH值相关性不显著(表2)。回归分析进一步显示，硝态氮淋失量受不同环境因素影响变化规律不同，与土壤储水量和土壤温度呈指数关系，与硝态氮累积量呈线性关系(图4)。

图4 硝态氮淋失量与土壤储水量、土壤温度和土壤硝态氮累积量的相关性Fig.4 Relationships between leaching loss and soil water storage，soil temperature and soil as cumulative NO3-N content

表2 硝态氮淋失量与0～100 cm土壤性质及土壤温度的相关性Tab.2 Spearman correlation coefficients of the leaching loss with soil properties of 0—100 cm and soil temperature

2.5 不同轮作模式对氮盈余及产量的影响

引入豆角的轮作模式分别降低氮投入43.61%(豆角-甜瓜)和45.92%(番茄-豆角)，可以显著降低轮作体系氮素表观盈余，与番茄-甜瓜相比，以豆角替代番茄第1，3茬氮素表观盈余分别显著下降39.92%和39.27%，然而，产量也显著降低41.83%～48.13%；以豆角替代甜瓜第2，4茬氮素表观盈余显著降低54.33%和48.83%，产量仅降低15.75%～30.40%，总体上，番茄-豆角轮作模式对氮盈余削减效果更好且对产量影响更小(表3)。

表3 调整轮作模式对氮盈余和产量的影响Tab.3 The effects of rotation system adjustment on nitrogen surplus and yield

3 讨论与结论

环渤海地区约1/3的地下水硝酸盐含量超标[5]，严重威胁生态环境和人体健康，而设施蔬菜种植区氮素淋溶损失是造成地下水硝酸盐含量超标的关键来源之一。本研究不同轮作模式设施土壤硝态氮周年淋失量平均为(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，远大于小麦(20.1 kg/hm2)、玉米(47.2 kg/hm2)及露地蔬菜单季淋失量(42.4～80.9 kg/hm2)[22-23]。虽然设施土壤硝态氮淋失在我国颇受关注，但不同研究之间差异较大。例如，寿光典型设施长茬茄子种植中土壤硝态氮周年淋失量可达294.8 kg/hm2[24]，宁夏引黄灌区不同施肥模式下设施番茄-黄瓜轮作硝态氮周年淋失量为59.1～201.3 kg/hm2，单季淋失量为8.3～135.4 kg/hm2[25]；太湖地区1 a 3茬不同轮作模式下硝态氮周年淋失量在63.0～132.8 kg/hm2，不同茬口间平均值在13.9～52.4 kg/hm2[19]。综合各点研究结果，Wang等[23]对我国菜地氮淋失的Meta分析表明，设施蔬菜单季硝态氮淋失量平均值为 71.8～127.0 kg/hm2，略高于本研究，可能与本研究引入豆角后氮投入量降低为437 kg/hm2，低于Wang等[23]统计的全国设施蔬菜平均氮投入量560 kg/hm2有关。

与传统轮作相比，引入养分、水分需求量更低的豆科作物，合理优化轮作模式是减肥增效、降低土壤氮淋失的有效措施。陆扣萍等[19]对太湖地区芹菜-番茄-莴苣轮作模式调整时发现，由金花菜取代芹菜周年氮素淋失量显著降低38%～41%。汤秋香等[26]指出蚕豆-水稻轮作比大蒜-水稻轮作减少氮素流失风险38%。本研究中，番茄-豆角和豆角-甜瓜2 a总硝态氮淋失量相比于番茄-甜瓜分别降低了39.74%，6.32%。主要由于引入豆角带来的水肥管理措施差异及其遗留效应引起了土壤理化性质发生变化，进而导致硝态氮淋失的差异。与传统番茄-甜瓜相比，引入豆角的轮作模式显著降低了0～100 cm土壤储水量，同时番茄-豆角还显著降低了0～100 cm土壤硝态氮及全氮累积量并提高土壤pH值。本研究可知，硝态氮淋失量受0～100 cm土壤储水量影响最大，呈极显著正相关关系，与张学军等[27]、张家鹏[28]结果一致。土壤水分运动是硝态氮运移的媒介和驱动力，许多研究表明，优化灌溉可以显著降低硝态氮淋失[29-31]，因此，本研究中引入豆角的2种轮作模式通过显著降低0～100 cm土壤储水量、阻控硝态氮的垂直迁移从而降低淋失。另外，土壤中大量氮累积是引起硝态氮淋失的另一决定因素，硝态氮淋失量与土壤硝态氮累积量呈线性关系，说明设施栽培长期大量氮投入使得土壤对硝态氮的固持已经饱和，因此，番茄-豆角轮作模式显著降低土壤硝态氮及全氮累积量对削减硝态氮淋失效果显著，并且，土壤硝态氮和全氮累积量降低还改善了过量氮肥施用引起的土壤酸化，提高了pH值，也有利于番茄-豆角土壤硝态氮淋失的阻控。主要原因在于微生物驱动设施土壤氮素循环，pH值通常被认为是影响微生物组成和活性的关键因素，本研究显示，硝态氮淋失量与0～60 cm土壤pH值呈显著负相关，与深层土壤(60～100 cm)pH值关系不大，因为表层土壤是微生物代谢的主要场所，本研究pH值处在6.6～8.8，研究表明，在微酸性及中性条件下硝化作用强烈，易引起硝态氮的累积和淋失，但当pH值>8时硝化细菌活性受到抑制[32]，说明随着土壤pH值提高硝化作用逐渐减弱，硝态氮淋失风险降低，与本试验结果相同。

除了土壤性质，温度是影响硝态氮淋失的另一重要环境因素，是造成不同季节(茬口)淋失量差异的主要原因，硝态氮淋失量随土壤温度呈指数增长，与张学军等[27]结果相同，主要因为温度升高可以通过影响微生物群落结构、活性以及土壤酶活性，促进矿质氮分解、有机氮矿化以及硝化作用[33]，从而增加土壤中硝态氮含量，同时温度升高也增强了土壤中可溶性氮的扩散作用[34]，共同促进淋失。冬春茬温度高于秋冬茬，甜瓜施肥量略高于番茄(808 kg/hm2vs 775 kg/hm2)，因此，以豆角替代甜瓜相对于替代番茄，一方面对由于施肥过量引起的直接硝态氮淋失削减效果更好，主要是对温度升高促进的土壤背景硝态氮淋失(例如激发效应、有机氮矿化作用等)削减效果更佳，即季节变化间温度差异导致的土壤氮素循环、转化差异是冬春茬引入豆角硝态氮淋失削减效果优于秋冬茬的原因之一。另外，作物特性也是影响硝态氮淋失的重要生物因素。不同作物光、热等利用特征不同、或水肥吸收特性差异，直接影响氮素的累积和迁移[35]。本研究番茄-豆角轮作与豆角-甜瓜轮作虽然每年氮素减投量差异不大(21.42% vs 23.44%)，然而冬春茬更适宜豆角生长，产量更高，对氮素表观盈余削减效果更好，是番茄-豆角轮作比豆角-甜瓜轮作环境效益更好的另一重要原因。

综上所述，引入豆角的轮作模式相对于传统番茄-甜瓜轮作，可显著降低土壤硝态氮淋失。其中，番茄-豆角环境效益最佳，2 a总硝态氮淋失量显著降低39.74%，该模式主要通过显著降低0～100 cm土壤储水量、硝态氮和全氮累积量，并提高土壤pH值从而改变土壤理化性质，以及缓解氮淋失敏感季节有机氮矿化等作用引起的背景氮淋失从而改变氮循环过程等途径降低硝态氮淋失。