祁瑩瑩， 畢春娟， 虞中杰， 陳振樓， 許世遠， 孫月娣

（華東師范大學 地理信息科學教育部重點實驗室，上海 200062）

0 引 言

2005年我國的氮肥施用量超3 000萬t純氮，占全世界總用量的35%左右，過量施肥在中國已相當普遍［1，2］.由于硝酸鹽不易被土壤膠體吸附，易被水體沖刷進入地表，造成環(huán)境污染［3，4］.另一方面，土壤中大量的硝酸鹽殘留使作物奢侈吸收效應強烈，作物體內硝酸鹽超量累積［5］.但也有研究指出，土壤殘留的硝態(tài)氮與土壤有機質對作物生長具有同樣營養(yǎng)效用［6］.因此，對于氮肥施用的科學管理很大程度上依賴于對作物生長過程中土壤硝酸鹽吸收、累積、遷移這一動態(tài)過程的深入理解.

近年來，大棚土壤硝酸鹽累積［2，7］、土壤酸化［7，8］、次生鹽漬化［9，10］等土壤退化現(xiàn)象逐漸引起人們重視.大量研究報道了蔬菜大棚土壤硝酸鹽的累積現(xiàn)狀，但很少有研究涉及高強度連續(xù)施肥條件下作物生長期與土壤硝酸鹽積累的關系.本文選擇了上海崇明島蘆筍大棚，觀察了不同生長季土壤硝酸鹽的變化，并與同一區(qū)域內的露天菜地土壤進行對比，以研究大棚土壤硝酸鹽含量在蘆筍生長期內的動態(tài)變化特征以及硝酸鹽積累與土壤酸化、鹽漬化指標的相關性，以期為系統(tǒng)研究農業(yè)土壤氮循環(huán)和農業(yè)環(huán)境保護等提供科學依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

選擇上海崇明現(xiàn)代農業(yè)園區(qū)為研究基地，分別選取園區(qū)內具有典型特征的1998年、2004年和2007年建棚的3個蘆筍大棚以及相鄰的一塊露天菜地作為研究對象，研究區(qū)土壤類型為灰潮土.根據(jù)本課題組2008年夏季對崇明全島農業(yè)用地土壤硝酸鹽含量的調查，露天菜地土壤硝酸鹽的平均含量為（52.1±29.6）mg N·kg－1.

1.2 試驗設計與樣品采集

目前，崇明當?shù)夭捎靡荒?季采筍模式，整個采收期覆蓋1月至11月，其中夏筍的采收期最長.本研究從2008年6月至2009年2月分別于蘆筍的夏筍生長初期（6月）、夏筍生長中期（10月）、夏筍生長末期（11月）、冬眠期（1月）和春筍生長初期（2月）對蘆筍大棚土壤進行采樣分析.在每個大棚內的前、中、后部各采3個平行土柱樣，柱樣深40 cm，按5 cm間距分層取8個不同深度樣品.

在2008年研究期間，對大棚土壤進行常規(guī)施肥和灌水管理.肥料施用主要以三元復合肥和尿素為主，每次施肥均以溝灌的方式隨灌溉水施入，根層土壤不進行翻耕.在12月至次年1月期間，園區(qū)內開展清園工作，收割蘆筍母莖，并進行集中施肥和灌水，全年施肥量約為400 kg N·hm－2.棚齡為10年的大棚已經處于老化期，由于地下根系分布較深較廣（根深可達30～40 cm），多年累計施肥量相對較多.棚齡為4年的大棚處于蘆筍生長的旺盛期，而1年大棚屬于種植初期，根系較淺.

在采集蘆筍大棚土壤樣品的同時，以同樣方式采集露天菜地土壤，其施肥量與大棚相當.該采樣點每年6月至9月種植西瓜，在10月以后輪種花菜.5次采樣時間分別為西瓜種植期（6月）、花菜播種期（10月）、花菜生長期（11月、1月）和花菜長成期（2月）.

1.3 樣品分析方法

在采樣現(xiàn)場取一部分土壤樣品用IQ Scientific Instruments便攜式儀器測定土壤的pH值，其余土壤樣品運回實驗室后，冷凍保存.未過篩的土壤樣品分散后，上機測定土壤粒徑（LS13320）.土壤含水率、有機質含量、速效磷含量均采用常規(guī)分析方法測定［12］.土壤硝酸鹽的測定使用2 mol·L－1KCl浸提（水土比為1∶5），振蕩30 min后用干濾紙過濾，浸提液在24 h內用流動注射儀上機測試.大量研究表明，土壤浸出液的電導率（EC）與可溶性鹽總量呈極顯著相關，是估測土壤含鹽量簡便快速的方法［8，12，13］.本研究中，土壤可溶性鹽采用電導法測定［18］，并通過溫度校正換算成25℃的電導率（μS·cm－1）.

2 結果與分析

2.1 土壤基本理化性質

2008年6月至2009年2月取各柱樣0～40 cm土壤的平均值來分析大棚土壤及露天菜地土壤的基本理化性質（見表1）.

表1 供試土壤的基本理化性狀Tab.1 Physical and chemical properties of tested soils

大棚土壤平均粒徑與露天菜地土壤相近，兩者物理組成相似.但由于大棚高溫高濕的半封閉環(huán)境，土壤含水率高于露天菜地，增加了硝酸鹽向土壤深層運移的可能性［11］.按照土壤酸度分類標準，10年大棚土壤屬于強酸性至弱酸性、4年大棚土壤屬于酸性至弱酸性，而1年大棚土壤為中性.按照蔬菜出現(xiàn)生理障礙的臨界土壤pH值5.52來評價［10］，10年大棚和4年大棚土壤均出現(xiàn)了明顯的酸化現(xiàn)象.有研究表明，蔬菜土壤溶液電導率小于500μS·cm－1時，其值越高蔬菜生長越好；電導率大于500μS·cm－1時，吸收水分、養(yǎng)分開始受阻［13］，而蔬菜苗期鹽害臨界值為800μS·cm－1［8，13］.因此，按“電導率＜500μS·cm－1為較適宜，500～800μS·cm－1為作物生長受阻，電導率＞800μS·cm－1”為產生鹽害作為評價標準；則10年大棚電導率最大值高出鹽害限值近5倍，3個大棚土壤均出現(xiàn)了嚴重的土壤鹽漬化現(xiàn)象.

大棚土壤有機質含量和速效磷含量隨著棚齡的增加出現(xiàn)了顯著的遞增趨勢.按照《綠色食品產地環(huán)境技術條件（NY／T391—2000）》中土壤肥力分級標準來評價，10年、4年和1年大棚土壤整體分別處于有機質含量的優(yōu)良、尚可和較差水平；10年、4年大棚土壤速效磷含量處于優(yōu)良水平，1年大棚處于尚可水平.

2.2 土壤硝酸鹽含量的逐月變化特征

10年大棚土壤硝酸鹽平均含量的變化范圍為248.3～651.0mg N·kg－1，在夏筍生長末期達到最高.4年大棚土壤硝酸鹽平均含量的變化范圍為18.4～928.4 mg N·kg－1，最大值也出現(xiàn)在夏筍生長末期，而在夏筍生長中期降至18.4 mg N·kg－1的極低水平.1年大棚土壤硝酸鹽含量平均值變化范圍為52.4～556.2 mg N·kg－1.注意到10年大棚和4年大棚土壤硝酸鹽平均含量均在夏筍生長末期上升至最高水平，1年大棚在這時期也相較生長中期有所增加.

圖1 土壤硝酸鹽含量在不同蘆筍生長階段內的變化Fig.1 Nitrate contents in the asparagus soil in different growth phases

露天菜地土壤硝酸鹽平均含量的變化范圍在22.5～68.2 mg N·kg－1之間，將其與大棚土壤硝酸鹽含量相比較，大棚土壤總體高出近10倍.如果以60 mg N·kg－1作為蔬菜地土壤硝酸鹽積累的臨界值來評價［14］，僅在4年大棚的夏筍生長中期以及1年大棚的春筍生長初期未低于標準，大棚土壤硝酸鹽含量在蘆筍整個生長周期內總體存在過量積累現(xiàn)象.

2.3 土壤硝酸鹽含量的垂向分布特征

在夏筍生長初期和冬眠期，3個大棚表層0～5 cm土壤硝酸鹽累積現(xiàn)象相當明顯（見圖2）.而到了夏筍生長中期和春筍生長初期，土壤表層硝酸鹽含量顯著降低，硝酸鹽負荷在整個垂向剖面均較低且分配相對平均.與其他時期不同，3個大棚在夏筍生長末期不僅在土壤表層大量積累，在10～25 cm的柱樣中部硝酸鹽含量依然處于較高水平，10年大棚和4年大棚土壤硝酸鹽在此土層范圍內的含量高達500～1 000 mg N·kg－1，硝酸鹽負荷存在向深層移動的趨勢.

圖2 土壤硝酸鹽含量在不同蘆筍生長階段的垂向變化Fig.2 Vertical distributions of nitrate contents in different growth phases of asparagus

由于露天菜地在6月至10月之間進行了輪種并伴隨著集中的施肥與翻耕，與蘆筍大棚相比較，其土壤硝酸鹽含量在各月份之間不存在明顯的垂向變化.這反映出在大棚種植過程中的高強度施肥以及獨特的人工環(huán)境使得土壤硝酸鹽含量隨著作物生長呈現(xiàn)出更為強烈的垂向變化特征.

2.4 土壤硝酸鹽含量與電導率的相關性

將大棚所有分層土壤硝酸鹽含量與電導率（EC）作箱形圖來分析兩者隨棚齡的變化趨勢，并利用配對T檢驗來分析不同大棚之間的差異.結果表明，10年、4年和1年大棚之間電導率均沒有顯著差異（p＞0.05），總體含量水平相當（見圖3A）.10年大棚和4年大棚之間土壤硝酸鹽含量沒有顯著差異（p＞0.05），但均顯著高于1年大棚（分別為p＝0.011和p＝0.002，見圖3B）.10年大棚土壤硝酸鹽含量與電導率之間存在顯著正相關性（p＜0.01），可用線性方程y＝2.227x＋969.536（R2＝0.255，p＜0.01）來擬合（見圖4）.4年大棚土壤硝酸鹽含量與電導率之間也存在顯著正相關性，并可用y＝2.946x＋175.076（R2＝0.553，p＜0.01）來擬合.1年大棚土壤硝酸鹽含量與電導率之間不存在顯著相關性.

圖3 土壤硝酸鹽含量與電導率Fig.3 Contents of nitrate and EC in the asparagus soil

圖4 土壤硝酸鹽含量與電導率的相關關系Fig.4 Relationship between nitrate contents and EC in the asparagus soil

3 討 論

3.1 蘆筍大棚土壤硝酸鹽逐月變化及垂向分布特征

研究表明，在作物不同的生長期和不同的季節(jié)，土壤硝酸鹽含量存在明顯的變化.范亞寧等［11］在對半濕潤地區(qū)夏玉米地土壤硝態(tài)氮含量研究中發(fā)現(xiàn)，在夏玉米整個生育期內土壤硝態(tài)氮的累積量呈現(xiàn)出傾斜的“W”形變化趨勢，并且與前茬作物收獲后硝態(tài)氮的殘留量、夏玉米對氮素的吸收利用率和土壤有機氮礦化程度等因素相關.吳永成等［15］研究發(fā)現(xiàn)，華北地區(qū)夏玉米地土壤硝態(tài)氮的累積量不僅隨玉米生育進程和氮肥吸收率的變化呈現(xiàn)出“N”形變化趨勢，硝態(tài)氮土壤垂向累積分布還受降水量變化、土壤水份運移等因素影響.然而，大棚蔬菜種植因其特殊的半封閉環(huán)境又與大田環(huán)境存在極大的差異.

10年、4年和1年蘆筍大棚0～40 cm土壤硝酸鹽含量平均值遠高于該地區(qū)相鄰的露天菜地，總體均存在硝酸鹽的累積現(xiàn)象.通過逐月分析發(fā)現(xiàn)硝酸鹽含量隨著蘆筍的生長進程呈現(xiàn)出較大波動.在冬眠期，為確保下一季蘆筍的生長，農戶對大棚土壤進行集中大量施肥.在蘆筍生長期，蘆筍消耗的有效氮越來越多，使得土壤硝酸鹽含量明顯下降，大大緩解了表層累積現(xiàn)象.但到了夏筍生長末期，3個大棚土壤硝酸鹽累積現(xiàn)象又趨嚴重.這主要是由于在這一時期農戶追施了秋發(fā)肥，希望在蘆筍生長末期進一步催升產量.但是此時由于蘆筍根系的吸收能力及植株的代謝作用下降，吸收利用硝酸鹽的能力也隨之降低，使得土壤硝酸鹽大量累積，加上大量的隨肥灌水極易造成硝酸鹽的淋失.10年大棚和4年大棚在這一時期不僅出現(xiàn)了表層累積現(xiàn)象，在30～40 cm蘆筍根系較難利用的土層土壤中硝酸鹽含量依然較高，存在向下淋失的風險.

另有研究表明，在蔬菜生長末期的大量追肥將導致蔬菜吸收大量的硝酸鹽，在短時間內不能同化利用而導致體內硝酸鹽積聚［1，5］.蘆筍生長末期的硝酸鹽累積同樣將對蘆筍的食用安全構成威脅.

10年大棚土壤硝酸鹽含量自夏筍生長初期至末期均呈現(xiàn)出斜線型上升的變化趨勢，4年和1年大棚土壤硝酸鹽含量自夏筍生長初期至末期均呈現(xiàn)出“V型”的變化趨勢，氮肥施用和植物氮素利用對土壤硝酸鹽累積的綜合影響顯著.

3.2 蘆筍大棚土壤硝酸鹽累積與土壤酸化、鹽漬化的關系

土壤酸化和次生鹽漬化是蔬菜大棚土壤退化的兩個主要特征.大量研究表明，硝酸鹽累積是土壤次生鹽漬化的主要貢獻因子.鹽漬化表層土壤中的硝酸根可約占陰離子總量的67%～76%［2］.土壤次生鹽漬化不利于作物根系的正常生長，導致根系吸收能力降低，從而提高了作物對土壤養(yǎng)分濃度的要求［2］.然而，大量施肥又加劇了土壤的次生鹽漬化，形成惡性循環(huán).另一方面，肥料中的Cl－和SO2－等強酸性離子同樣大量殘留于土壤中，造成嚴重

4的土壤酸化現(xiàn)象［7，8］.調查顯示，70.9%的大棚土壤pH 值＜6.5［10］，6年大棚pH 值可降至5.5以下［8］.本研究中，10年和4年大棚出現(xiàn)了明顯的土壤酸化現(xiàn)象，但土壤pH值與硝酸鹽含量及其他土壤理化性質之間不存在顯著的相關性.這可能是因為土壤在不同pH值區(qū)段內的化學性質及鹽基離子的脫除速度存在不一致的變化趨勢［16］，土壤中的硝酸根離子也可能是在與其他離子的協(xié)同作用下來改變土壤的pH值［14］.

3個蘆筍大棚均出現(xiàn)了嚴重的土壤次生鹽漬化現(xiàn)象.10年大棚和4年大棚土壤硝酸鹽含量與電導率之間存在顯著的正相關關系，土壤硝酸鹽累積是造成高棚齡大棚土壤次生鹽漬化的重要因素.10年大棚土壤酸化嚴重，可導致鹽基離子的脫除速度顯著增加［16］，對大棚進行灌溉時鹽分淋失的差異性較大.10年大棚硝酸鹽含量與電導率的散點圖中點較離散，原因可能是土壤中鹽分組成復雜，除了硝酸鹽之外還有很多其他離子，而且不同土層和不同采樣時間也對相關性結果有一定影響.另外，在高強度施肥條件下，10年大棚已處于老化期，高度熟化土壤中物質分解與鹽基離子釋放等土壤微生物參與的生物化學過程進行速率［17］以及氮等肥力指標的累積速度均有所放緩［19］.而4年大棚正處于蘆筍生長的旺盛期，硝酸鹽含量的盈虧變化最為劇烈，與土壤電導率之間形成更為直接的協(xié)同變化（見圖4）.在高強度施肥條件下，4年大棚的硝酸鹽含量水平已和10年大棚相當，這和李文慶等對山東省蔬菜大棚土壤調查中發(fā)現(xiàn)的在高強度施肥作用下短棚齡大棚土壤硝酸鹽含量反比高棚齡大棚高的現(xiàn)象較為相似［3］.1年大棚土壤硝酸鹽與電導率之間不存在相關關系，這主要是因為1年大棚棚齡較短，土壤理化性質、作物適應性、根際微生物群落等都還未趨于穩(wěn)定，大棚中特殊的水熱條件可能是導致鹽漬化的主要原因.

4 結 論

棚齡為10年、4年和1年的蘆筍大棚0～40 cm土壤硝酸鹽含量平均值的變化范圍為248.3～651.0mg N·kg－1、18.4～928.4 mg N·kg－1和52.4～556.2 mg N·kg－1，大棚土壤均存在硝酸鹽的累積現(xiàn)象.由于大量追肥以及蘆筍氮素吸收能力的降低，夏筍生長末期大棚土壤硝酸鹽不僅在土壤表層大量積累，10～25 cm柱樣中部的硝酸鹽含量依然處于較高水平，存在向下淋失的趨勢.3個大棚均出現(xiàn)了嚴重的土壤次生鹽漬化現(xiàn)象，10年和4年大棚還出現(xiàn)了嚴重的土壤酸化現(xiàn)象，硝酸鹽累積是造成土壤次生鹽漬化的重要因素.

［1］ 柏延芳，張海，張立新.氮肥對黃土高原大棚蔬菜及土壤硝酸鹽累積的影響［J］.中國生態(tài)農業(yè)學報，2008，16（3）：555－559.

［2］ 張乃明，李剛，蘇友波，等.滇池流域大棚土壤硝酸鹽累積特征及其對環(huán)境的影響［J］.農業(yè)工程學報，2006，22（6）：215－217.

［3］ 李文慶，張民，李海峰，等.大棚土壤硝酸鹽狀況研究［J］.土壤學報，2002，39（2）：283－287.

［4］ OENEMA O，BPERS P C M，VAN EERDT M M，et al.Leaching of nitrate from agriculture to groundwater：the effect of policies and measures in the Netherlands［J］.Environmental Pollution，1998，102（S1）：471－478.

［5］ 秦玉芝，陳學文，劉明月，等.芹菜硝酸鹽積累量變化的研究［J］.湖南農業(yè)大學學報，2000，26（2）：100－101.

［6］ VILLAR－MIR J M，VILLAR－MIR P，STOCKLE C O，et al.On－farm monitoring of soil nitrate－nitrogen in irrigated cornfields in the Ebro Valley（Northeast Spain）［J］.Agronomy Journal，2002，18：373－380.

［7］ 姚春霞，陳振樓，陸利民，等.上海市蔬菜地土壤硝態(tài)氮狀況研究［J］.生態(tài)環(huán)境，2005，14（2）：220－223.

［8］ 范慶峰，張玉龍，陳重.保護地蔬菜栽培對土壤鹽分積累及pH值的影響［J］.水土保持學報，2009，23（1）：103－106.

［9］ 熊漢琴，王朝輝，羅貴斌.不同種植年限蔬菜大棚土壤次生鹽漬化發(fā)生機理的研究［J］.陜西林業(yè)科技，2006（3）：22－26.

［10］ 房云波，孟春玲.保護地內土壤次生鹽漬化對土壤性狀的影響及對策［J］.遼寧農業(yè)科學，2006（6）：40－41.

［11］ 范亞寧，李世清，李生秀.半濕潤地區(qū)農田夏玉米氮肥利用率及土壤硝態(tài)氮動態(tài)變化［J］.應用生態(tài)學報，2008，19（4）：799－806.

［12］ 劉光崧.土壤理化分析和剖面描述［M］.北京：中國標準出版社，1997.

［13］ 趙風艷，吳鳳芝，劉德.大棚菜地土壤理化特性的研究［J］.土壤肥料，2000（2）：11－13.

［14］ 楊麗娟，張玉龍.保護地菜田土壤硝酸鹽積累及其調控措施的研究進展［J］.土壤通報，2001，32（2）：66－69.

［15］ 吳永成，周順利，王志敏，等.華北地區(qū)夏玉米土壤硝態(tài)氮的時空動態(tài)與殘留［J］.生態(tài)學報，2005（7）：1620－1625.

［16］ 吳云，楊劍虹，魏朝富.重慶茶園土壤酸化及肥力特征的研究［J］.土壤通報，2004，35（6）：715－719.

［17］ 王鑫，劉建新，雷蕊霞，等.不同種植年限苜蓿土壤熟化過程中腐殖質性質的研究［J］.水土保持通報，2008，28（2）：98－102.

［18］ 國家林業(yè)局.LY－T1251－1999森林土壤水溶性鹽分分析［S］.北京：中國標準出版社，2010.

［19］ 于寒青，徐明崗，呂家瓏，等.長期施肥下紅壤地區(qū)土壤熟化肥力評價［J］.應用生態(tài)學報，2010，21（7）：1772－1778.