设施菜田土壤氮素淋溶特征及阻控措施的研究进展

谢洪宝，关诗洋，陈一民，隋跃宇，彭 博，汤博宇，焦晓光

（1黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨 150080；2中国科学院东北地理与农业生态研究所，哈尔滨 150081）

0 引言

作为重要的种植模式，设施菜田模式通过运用生物工程与环境技术等技术设备改造区域范围内的作物生长环境，改进蔬菜栽培生产模式，以解决外部环境对蔬菜生长限制，为蔬菜生长提供适宜的生长环境，一定程度下减轻不良自然环境限制有效地解决中国南方雨季栽培和北方冬季种植生产问题[1-3]。作为设施菜田生产中需求量最高的营养元素，土壤氮素在调控土壤生产力、土壤组分的迁移与转化过程中起着重要作用，在保证设施菜田品质与产量中发挥着不可替代的作用[4-5]。然而，为提高作物产量，保障持续产出，在设施菜田的生产过程中，氮肥高投入的现象越来越普遍，使得设施菜田土壤长期处于高度集约、高度施肥、土地利用率高的状态，导致设施菜田土壤氮肥利用率较低，氮素淋溶较为严重[6-7]。目前的研究中，众多研究者就设施菜田土壤氮素施用量、土壤氮素利用率、土壤氮素淋溶影响因素以及土壤氮素循环已进行大量的研究[8-9]。石生伟等[10]通过对天津市设施菜地施肥现状的研究发现，设施菜地氮素施用总量分是推荐值的1.3～3.4倍。丁武汉等[11]研究发现，中国设施菜田中作物吸收利用的氮素仅占26.6%，剩余部分多以淋溶或气体挥发的形式损失或者累积在土壤中，带来巨大的环境风险。LU等[12]通过对玉米和小麦系统研究发现，硝酸盐淋溶与土壤硝酸盐积累之间存在显著正相关，表明土壤硝酸盐积累是潜在淋溶风险的有用指标。因此，了解目前设施菜田土壤氮素淋溶特征，调控设施菜田土壤氮肥施用量，提高氮素利用率，对于保障设施菜田作物品质及长效发展具有重要意义。本研究分析目前设施菜田土壤氮素淋溶特征的影响机制以及对土壤氮素损失的阻控措施，以期为设施菜田的合理管控与生态可循环利用提供理论参考。

1 设施菜田土壤氮素淋溶特征

1.1 设施菜田土壤氮素损失途径

土壤氮素的迁移、转化与作物吸收利用程度密切相关，要弄清作物土壤氮素转化规律以及迁移过程，对于设施菜田长效发展至关重要[13]。设施菜田由于氮肥及有机肥料长期投入过量，大量氮素施入设施菜田土壤中，在土壤界面中发生理化性质变化，造成氮素大量累积并向下淋溶造成农田氮素面源污染，杨治平等[14]通过对设施黄瓜的研究发现，氮素损失达91.7%，其中土壤氮素淋溶是最为主要的形式。除淋溶损失外，已有研究表明，设施菜田土壤氮素通过土壤氮素矿化、氨挥发、氮的硝化作用、反硝化作用以NH3、N2O等气体形式挥发进入大气中。设施菜田土壤氨挥发、硝化及反硝化产生的N2O作为温室气体之一，将引起臭氧层破坏，加剧全球的温室效应[15]。目前针对于设施菜田氮素损失的研究中，多以单因素影响设施菜田氮素特征为主，对土壤氮素损失特征尤其是气态损失特征、土壤氮素迁移方式以及长期定位设施菜田土壤氮素损失特征方面还有待深入研究。

1.2 设施菜田土壤氮素淋溶形态及特性

土壤氮素随水移动至根系活动层以下，使得施入土壤中的氮素不能被作物吸收利用进而引起氮的损失[16]。土壤中氮素淋失形态一般为溶解性氮素，包括NO3--N、NH4+-N、NO2--N及溶解性有机氮，由于溶解性氮素具有较强的移动性，可随水分移动过程中发生氮淋溶损失[17]。设施菜田系统中，由于特殊栽培形式，存在蔬菜根系相对较浅、氮肥投入量过大、土壤利用率高、灌水量较大的情况，形成特有的菜田土壤，土壤结构较好，有机质含量丰富，但设施菜田土壤中氮素、上季残留的肥料氮素及当季施入氮量不能完全被作物有效吸收利用，使得土壤氮素大量累积、深层土壤水氮无法吸收利用，造成土壤中溶解性氮累积与运输进入深层地下水中损失，进而更易引起设施菜田的土壤氮素淋失[18]。柯英等[19]通过对不同类型设施菜田土壤氮素的迁移特征研究发现，设施菜田中主要溶解性氮素累积在0～50 mm和50～200 mm的表层土壤中。相较大田作物，设施菜田具有更高的氮素淋洗风险。这与王洪媛等[20]研究研究结果一致。

设施菜田中硝态氮为主要淋失形态。硝态氮自身带负电，不易被土壤胶体吸收，当氮施用量大于作物利用和土壤固持能力，在灌水的驱动下硝态氮向深层迁移。唐珧等[21]研究表明，作物土壤中施用过量的氮肥较多残留于土壤剖面或者以硝态氮的形态淋溶损失。王伟等[22]通过安装渗漏淋溶装置，对设施菜田作物生长时期氮淋溶损失进行探究，同样得出设施菜田中土壤硝态氮是土壤氮素损失的主要形态。由于设施菜田长期大量硝态氮在土壤深层累积，将严重影响地下水的生态安全。董章杭[23]和巨晓棠[24]等学者都对山东省寿光市设施菜田种植区地下水进行监测，发现全年平均硝态氮的含量高达22.6 mg/L，污染范围非常广泛。因此在今后研究中应进一步了解设施菜田土壤氮素淋溶特性，分析影响机制及阻控措施，调控设施菜田产量、品质与环境调控、氮肥利用率平衡，降低设施菜田土壤氮素淋溶对设施作物生产、生态环境影响[25]。

2 设施菜田土壤氮素淋溶的影响机制

近年对于设施菜田氮素淋溶方面研究较多，研究涉及灌溉水量、施肥量与施肥种类、土壤质地、土壤轮作等多项因素对设施菜田土壤氮素淋溶的影响，具备较大的变幅[26-27]。深入研究土壤氮素淋溶的影响因素并深入分析设施菜田氮素损失的阻控措施，对于指导设施菜田施肥，保证作物产量与质量可持续生产至关重要。

2.1 施肥对设施菜田氮素淋溶的影响

设施菜田土壤由于肥料持续输入产生的氮素累积以及肥料残留是发生养分淋溶及气体损失的关键因素。设施菜田由于生育期短，土壤耕作周期较短，土壤利用效率较高，施肥量也相应较多[28-29]。张宏威等[30]研究也指出设施蔬菜土壤中有机肥施用量过高，将提高可溶性有机氮的含量，氮的淋溶风险也将增大，这与杨荣全等[31]实验研究结果相同。由于不同品种的肥料移动能力存在差异[32]，因而目前无机肥料施用、有机肥料施用、无机有机肥配比施用、缓控肥料施用对于设施菜田土壤氮素影响不同，目前研究中也出现不同结论。石宁等[33]指出目前设施菜田中，粪肥施用比例增大，但由于常年持续施用有机粪肥更易造成硝态氮的淋失与累积。而高伟等[34]研究指出无机有机肥配比施用，可减少氮素淋溶损失。除设施菜田施肥量与施肥种类外，作物施肥时期也作为设施菜田土壤氮素氮素淋溶的重要因素。不同作物不同生长时期对氮素需求量存在差异，因而施肥时期也显著影响氮素的淋溶损失。在作物养分最大吸收期，可以提升氮素的利用效率，进而降低土壤氮素淋溶损失[35]。因此在研究施肥对设施菜田氮素淋溶的影响时，不仅要从施肥种类本身考虑，还应对施肥量、施肥方式、施肥时期、土壤性质、作物类型以及作物根系等相关因素进行综合分析

2.2 灌水对设施菜田氮素淋溶的影响

设施菜田中灌水是养分运输的载体，饱和水流能引起设施菜田淋失的发生，灌水量可以影响土壤剖面的水分移动，是养分淋失的必要条件。设施菜田由于人工控制，密闭性较强，水分需求量大，往往采取大水漫灌形式供水，水分将设施菜田土壤中氮素向不同方向运移，从而导致氮素淋溶。范凤翠等[36]研究发现，灌溉量与水肥淋溶存在相关关系，高灌溉量导致氮素的淋溶损失。雷豪杰等[37]通过应用DNDC模型模拟设施菜田土壤硝态氮累积和运移过程，研究发现灌溉量及灌溉方式下土壤硝态氮的运移和累积特征存在差异。目前针对设施菜田施水量研究中，多数研究以建模形式表征土壤中硝态氮的运移速率，灌水量直接影响设施菜田土壤氮素损失，然而对土壤基础性质和水肥分布交互对于氮素淋失过程的影响研究有待进一步深入，探索合适的灌溉方式以及灌溉量对于保证农业生产至关重要。

2.3 土壤质地及种植年限对设施菜田氮素淋溶的影响

土壤质地对设施菜田中氮素淋溶具有一定影响，土壤质地与土壤孔隙度密切相关，土壤孔隙越大，土壤的保水能力越差，粘壤土中氮素淋失要显著低于砂壤土，土壤粘粒及有机质含量决定对土壤离子的吸附能力，进而影响设施菜田氮素的淋溶情况[38]。众多研究表明，设施菜田氮素淋溶情况与种植年限相关，超过一定限度，种植年限越长，土壤氮素淋失风险越大。石宁等[39]通过长期研究发现，种植西葫芦15～20年的设施菜田土壤硝态氮含量要高于较短年份，发生淋溶的潜力也越大。曹文超[40]与伊田[41]的研究均证明种植年限与设施菜田中氮素含量呈现极显著的相关性，设施土壤中氮素逐年累积，到10年左右累积量达最大值，具有较高的淋溶风险。目前研究中，对时间跨越较大、作物种类土壤氮素迁移特征方面的研究较少，部分研究存在局限性，不适用指导大规模生产。

3 设施菜田土壤氮素损失的阻控措施

近年来，为降低设施菜田氮素淋溶，保障蔬菜产量，众多研究者做了大量的研究，研究涉及设施菜田采取减氮控水[42]、调节碳氮比[43]、抑制剂的施用[44]以及运用填闲作物[45]等措施与土壤氮素淋溶与作物产量与质量关系，进而在保证设施菜田生产前提下，降低土壤氮素淋溶损失。

3.1 减氮控水对设施菜田土壤氮素损失的阻控

众多研究表明，对设施菜田进行适当减氮控水，能够在显著降低设施菜田土壤中硝态氮的损失条件下保证设施菜田产量，提高氮素利用率。郭佩秋等[46]通过对设施黄瓜研究发现，氮肥用量超过675 kg/hm2时，黄瓜产量增长效果不明显。张锦源等[42]通过对设施茄子田减水和减施化肥处理，发现减肥处理对茄子产量无明显影响，而减少灌水量显著降低茄子产量。骆晓声等[47]通过对设施菜田有机肥与化肥的减施，发现蔬菜产量没有降低，氮素淋溶量平均降低近40%。樊耀等[48]研究表明，微润灌溉处理下，减少适量氮肥施入有利于促进大棚辣椒的生长，提升水分利用率。魏欢等[49]通过减量施肥与微润灌溉结合种植设施番茄证明这一模式有效防控土壤氮素淋失的风险。因此在设施农田种植中应不断探索肥料施入量与施入方式，调整灌水量与灌水方式，保证土壤可持续生产与作物质量，阻控设施菜田氮素淋失。

3.2 调节碳氮比对设施菜田土壤氮素损失的阻控

设施菜田由于长期大量施用氮肥，造成土壤的碳氮比降低，加重硝态氮的淋溶损失。众多研究表明，在设施菜田土壤中施用秸秆、有机肥替代化肥等处理方式可以增加土壤有机碳含量，降低土壤氮素损失，增加对于土壤氮素的固持[50]。王伟等[22]研究发现，添加小麦秸秆处理显著降低设施菜地硝态氮淋溶量的29.8%。骆晓声等[51]通过对设施番茄和辣椒农田运用有机肥替代氮肥研究发现，硝态氮淋溶量平均降低11.4%。此外，生物炭具有吸附能力强，吸水能力强，为疏松多孔结构[52]。目前研究表明，使用生物炭对于作物土壤氮素淋失影响不一致。谢沂希等[53]向土壤添加1%～5%的生物炭，研究发现土壤氮素的淋溶量增加。而陈庆华等[54]研究发现，在油菜田中施入适量生物炭可以降低氮素淋溶流失风险，提高油菜产量，这与前者研究不同。因而，生物炭施用要结合设施菜田种植年限、土壤情况综合考量，确定生物炭对设施菜田的实际作用，深入开展生物炭对于阻控氮素淋溶的研究。

3.3 抑制剂的施用对设施菜田土壤氮素损失的阻控

施用抑制剂作用于抑制氮素转换环节来抑制土壤供氮与作物吸氮之间关系，进而降低设施菜田中的氮素损失。硝化抑制剂可以调控土壤氮素循环过程，抑制土壤中的硝化作用，可以提高氮肥利用率，减少土壤硝态氮淋洗[55]。宋涛等[56]研究发现施用DCD等硝化抑制剂能降低硝态氮淋洗，提升作物产量。张春楠[57]与李学文[58]等在甜瓜、冬瓜等作物生产中施入硝化抑制剂，既能保障作物产量，又能减低土壤氮的淋溶风险，这与宋涛研究结果一致。此外，研究表明，脲酶抑制剂可以减缓土壤中尿素水解，通过限制NH4+的供应，降低土壤硝态氮淋溶损失。周丹[59]等研究氮肥配施抑制剂处理可以有效控制降低土壤硝态氮淋溶损失。

3.4 填闲作物对设施菜田土壤氮素损失的阻控

填闲作物指在作物收获后的休闲时间种植的作物，用于吸收土壤氮磷等元素，改善后茬作物的生长发育[60]。在设施菜田休闲通过种植C4植物可以有效阻控氮素淋失。习斌等[61]利用甜玉米作为填闲作物研究也发现，填闲作物可使土壤氮素的淋失风险显著下降，延缓向深层次土壤淋失的风险。因而在设施菜田休闲区可以选用填闲作物可以阻控氮素淋溶，同时也可起到轮作倒茬的作用。目前研究中，由于设施菜田高度集约化，土壤利用率较高，合理利用填闲作物对于设施土壤可持续利用以及保障经济效益至关重要。范新[62]等通过选用苋菜均可作为设施蔬菜休闲期的填闲作物，保障降低氮素淋失、增加经济收入，同时保障后茬蔬菜产量。今后研究中可以围绕多年、多点、多茬进行研究全过程观测氮素迁移特征，多维度评价填闲作物对于设施菜田土壤氮素损失特征。

4 结论与展望

近年来，虽然国内外已经对设施菜田氮素淋溶十分关注，并就减肥控水、有机肥无机肥配比、秸秆还田与有机物料施用、生物炭施用、间套作与填闲作物、抑制剂使用等方面与设施菜田中土壤氮素淋失情况进行了一系列研究，但对于以下几方面研究需要进一步深入。（1）目前对于不同区域、不同季节、土壤不同层面、土壤不同类型、不同种植年限、不同作物设施菜田土壤氮素淋溶情况研究不够充分，部分区域点位性质具有局限性，指导大规模生产实践依据不足，需要进一步深化研究不同区域土壤不同类型以及各项因素的交互性。（2）目前设施土壤中添加适量生物炭对于不同作物土壤氮素淋失影响不一致，对于实际生产指导意义不强，要进一步加强对区域设施菜田土壤基础理化性质及生物特征充分了解下，实践生物炭对于多种因素共同作用下不同土壤类型土壤淋失的影响，为不同土壤性质的设施菜田土壤研究开展提供理论支持。（3）目前，要进一步解决设施菜田土壤氮素淋失问题，要将土壤酶、土壤生物作用、施肥方式与施肥量、灌水方式与灌水量、耕作方式、土壤理化性质、种植年限等综合因素进行体系研究，进而实现设施菜田的可持续生产。（4）在探讨设施菜田氮素淋溶阻控方式的同时，要充分考虑氮素气体损失形式，降低设施土壤氮素损失，合理管控，提高设施菜田氮肥利用率。