謝洪寶，關(guān)詩洋，陳一民，隋躍宇，彭 博，湯博宇，焦曉光

（1黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150080；2中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，哈爾濱 150081）

0 引言

作為重要的種植模式，設(shè)施菜田模式通過運(yùn)用生物工程與環(huán)境技術(shù)等技術(shù)設(shè)備改造區(qū)域范圍內(nèi)的作物生長環(huán)境，改進(jìn)蔬菜栽培生產(chǎn)模式，以解決外部環(huán)境對(duì)蔬菜生長限制，為蔬菜生長提供適宜的生長環(huán)境，一定程度下減輕不良自然環(huán)境限制有效地解決中國南方雨季栽培和北方冬季種植生產(chǎn)問題[1-3]。作為設(shè)施菜田生產(chǎn)中需求量最高的營養(yǎng)元素，土壤氮素在調(diào)控土壤生產(chǎn)力、土壤組分的遷移與轉(zhuǎn)化過程中起著重要作用，在保證設(shè)施菜田品質(zhì)與產(chǎn)量中發(fā)揮著不可替代的作用[4-5]。然而，為提高作物產(chǎn)量，保障持續(xù)產(chǎn)出，在設(shè)施菜田的生產(chǎn)過程中，氮肥高投入的現(xiàn)象越來越普遍，使得設(shè)施菜田土壤長期處于高度集約、高度施肥、土地利用率高的狀態(tài)，導(dǎo)致設(shè)施菜田土壤氮肥利用率較低，氮素淋溶較為嚴(yán)重[6-7]。目前的研究中，眾多研究者就設(shè)施菜田土壤氮素施用量、土壤氮素利用率、土壤氮素淋溶影響因素以及土壤氮素循環(huán)已進(jìn)行大量的研究[8-9]。石生偉等[10]通過對(duì)天津市設(shè)施菜地施肥現(xiàn)狀的研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)施菜地氮素施用總量分是推薦值的1.3～3.4倍。丁武漢等[11]研究發(fā)現(xiàn)，中國設(shè)施菜田中作物吸收利用的氮素僅占26.6%，剩余部分多以淋溶或氣體揮發(fā)的形式損失或者累積在土壤中，帶來巨大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。LU等[12]通過對(duì)玉米和小麥系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，硝酸鹽淋溶與土壤硝酸鹽積累之間存在顯著正相關(guān)，表明土壤硝酸鹽積累是潛在淋溶風(fēng)險(xiǎn)的有用指標(biāo)。因此，了解目前設(shè)施菜田土壤氮素淋溶特征，調(diào)控設(shè)施菜田土壤氮肥施用量，提高氮素利用率，對(duì)于保障設(shè)施菜田作物品質(zhì)及長效發(fā)展具有重要意義。本研究分析目前設(shè)施菜田土壤氮素淋溶特征的影響機(jī)制以及對(duì)土壤氮素?fù)p失的阻控措施，以期為設(shè)施菜田的合理管控與生態(tài)可循環(huán)利用提供理論參考。

1 設(shè)施菜田土壤氮素淋溶特征

1.1 設(shè)施菜田土壤氮素?fù)p失途徑

土壤氮素的遷移、轉(zhuǎn)化與作物吸收利用程度密切相關(guān)，要弄清作物土壤氮素轉(zhuǎn)化規(guī)律以及遷移過程，對(duì)于設(shè)施菜田長效發(fā)展至關(guān)重要[13]。設(shè)施菜田由于氮肥及有機(jī)肥料長期投入過量，大量氮素施入設(shè)施菜田土壤中，在土壤界面中發(fā)生理化性質(zhì)變化，造成氮素大量累積并向下淋溶造成農(nóng)田氮素面源污染，楊治平等[14]通過對(duì)設(shè)施黃瓜的研究發(fā)現(xiàn)，氮素?fù)p失達(dá)91.7%，其中土壤氮素淋溶是最為主要的形式。除淋溶損失外，已有研究表明，設(shè)施菜田土壤氮素通過土壤氮素礦化、氨揮發(fā)、氮的硝化作用、反硝化作用以NH3、N2O等氣體形式揮發(fā)進(jìn)入大氣中。設(shè)施菜田土壤氨揮發(fā)、硝化及反硝化產(chǎn)生的N2O作為溫室氣體之一，將引起臭氧層破壞，加劇全球的溫室效應(yīng)[15]。目前針對(duì)于設(shè)施菜田氮素?fù)p失的研究中，多以單因素影響設(shè)施菜田氮素特征為主，對(duì)土壤氮素?fù)p失特征尤其是氣態(tài)損失特征、土壤氮素遷移方式以及長期定位設(shè)施菜田土壤氮素?fù)p失特征方面還有待深入研究。

1.2 設(shè)施菜田土壤氮素淋溶形態(tài)及特性

土壤氮素隨水移動(dòng)至根系活動(dòng)層以下，使得施入土壤中的氮素不能被作物吸收利用進(jìn)而引起氮的損失[16]。土壤中氮素淋失形態(tài)一般為溶解性氮素，包括NO3--N、NH4+-N、NO2--N及溶解性有機(jī)氮，由于溶解性氮素具有較強(qiáng)的移動(dòng)性，可隨水分移動(dòng)過程中發(fā)生氮淋溶損失[17]。設(shè)施菜田系統(tǒng)中，由于特殊栽培形式，存在蔬菜根系相對(duì)較淺、氮肥投入量過大、土壤利用率高、灌水量較大的情況，形成特有的菜田土壤，土壤結(jié)構(gòu)較好，有機(jī)質(zhì)含量豐富，但設(shè)施菜田土壤中氮素、上季殘留的肥料氮素及當(dāng)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積、深層土壤水氮無法吸收利用，造成土壤中溶解性氮累積與運(yùn)輸進(jìn)入深層地下水中損失，進(jìn)而更易引起設(shè)施菜田的土壤氮素淋失[18]?？掠⒌萚19]通過對(duì)不同類型設(shè)施菜田土壤氮素的遷移特征研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)施菜田中主要溶解性氮素累積在0～50 mm和50～200 mm的表層土壤中。相較大田作物，設(shè)施菜田具有更高的氮素淋洗風(fēng)險(xiǎn)。這與王洪媛等[20]研究研究結(jié)果一致。

設(shè)施菜田中硝態(tài)氮為主要淋失形態(tài)。硝態(tài)氮自身帶負(fù)電，不易被土壤膠體吸收，當(dāng)?shù)┯昧看笥谧魑锢煤屯寥拦坛帜芰?，在灌水的?qū)動(dòng)下硝態(tài)氮向深層遷移。唐珧等[21]研究表明，作物土壤中施用過量的氮肥較多殘留于土壤剖面或者以硝態(tài)氮的形態(tài)淋溶損失。王偉等[22]通過安裝滲漏淋溶裝置，對(duì)設(shè)施菜田作物生長時(shí)期氮淋溶損失進(jìn)行探究，同樣得出設(shè)施菜田中土壤硝態(tài)氮是土壤氮素?fù)p失的主要形態(tài)。由于設(shè)施菜田長期大量硝態(tài)氮在土壤深層累積，將嚴(yán)重影響地下水的生態(tài)安全。董章杭[23]和巨曉棠[24]等學(xué)者都對(duì)山東省壽光市設(shè)施菜田種植區(qū)地下水進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)全年平均硝態(tài)氮的含量高達(dá)22.6 mg/L，污染范圍非常廣泛。因此在今后研究中應(yīng)進(jìn)一步了解設(shè)施菜田土壤氮素淋溶特性，分析影響機(jī)制及阻控措施，調(diào)控設(shè)施菜田產(chǎn)量、品質(zhì)與環(huán)境調(diào)控、氮肥利用率平衡，降低設(shè)施菜田土壤氮素淋溶對(duì)設(shè)施作物生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境影響[25]。

2 設(shè)施菜田土壤氮素淋溶的影響機(jī)制

近年對(duì)于設(shè)施菜田氮素淋溶方面研究較多，研究涉及灌溉水量、施肥量與施肥種類、土壤質(zhì)地、土壤輪作等多項(xiàng)因素對(duì)設(shè)施菜田土壤氮素淋溶的影響，具備較大的變幅[26-27]。深入研究土壤氮素淋溶的影響因素并深入分析設(shè)施菜田氮素?fù)p失的阻控措施，對(duì)于指導(dǎo)設(shè)施菜田施肥，保證作物產(chǎn)量與質(zhì)量可持續(xù)生產(chǎn)至關(guān)重要。

2.1 施肥對(duì)設(shè)施菜田氮素淋溶的影響

設(shè)施菜田土壤由于肥料持續(xù)輸入產(chǎn)生的氮素累積以及肥料殘留是發(fā)生養(yǎng)分淋溶及氣體損失的關(guān)鍵因素。設(shè)施菜田由于生育期短，土壤耕作周期較短，土壤利用效率較高，施肥量也相應(yīng)較多[28-29]。張宏威等[30]研究也指出設(shè)施蔬菜土壤中有機(jī)肥施用量過高，將提高可溶性有機(jī)氮的含量，氮的淋溶風(fēng)險(xiǎn)也將增大，這與楊榮全等[31]實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果相同。由于不同品種的肥料移動(dòng)能力存在差異[32]，因而目前無機(jī)肥料施用、有機(jī)肥料施用、無機(jī)有機(jī)肥配比施用、緩控肥料施用對(duì)于設(shè)施菜田土壤氮素影響不同，目前研究中也出現(xiàn)不同結(jié)論。石寧等[33]指出目前設(shè)施菜田中，糞肥施用比例增大，但由于常年持續(xù)施用有機(jī)糞肥更易造成硝態(tài)氮的淋失與累積。而高偉等[34]研究指出無機(jī)有機(jī)肥配比施用，可減少氮素淋溶損失。除設(shè)施菜田施肥量與施肥種類外，作物施肥時(shí)期也作為設(shè)施菜田土壤氮素氮素淋溶的重要因素。不同作物不同生長時(shí)期對(duì)氮素需求量存在差異，因而施肥時(shí)期也顯著影響氮素的淋溶損失。在作物養(yǎng)分最大吸收期，可以提升氮素的利用效率，進(jìn)而降低土壤氮素淋溶損失[35]。因此在研究施肥對(duì)設(shè)施菜田氮素淋溶的影響時(shí)，不僅要從施肥種類本身考慮，還應(yīng)對(duì)施肥量、施肥方式、施肥時(shí)期、土壤性質(zhì)、作物類型以及作物根系等相關(guān)因素進(jìn)行綜合分析

2.2 灌水對(duì)設(shè)施菜田氮素淋溶的影響

設(shè)施菜田中灌水是養(yǎng)分運(yùn)輸?shù)妮d體，飽和水流能引起設(shè)施菜田淋失的發(fā)生，灌水量可以影響土壤剖面的水分移動(dòng)，是養(yǎng)分淋失的必要條件。設(shè)施菜田由于人工控制，密閉性較強(qiáng)，水分需求量大，往往采取大水漫灌形式供水，水分將設(shè)施菜田土壤中氮素向不同方向運(yùn)移，從而導(dǎo)致氮素淋溶。范鳳翠等[36]研究發(fā)現(xiàn)，灌溉量與水肥淋溶存在相關(guān)關(guān)系，高灌溉量導(dǎo)致氮素的淋溶損失。雷豪杰等[37]通過應(yīng)用DNDC模型模擬設(shè)施菜田土壤硝態(tài)氮累積和運(yùn)移過程，研究發(fā)現(xiàn)灌溉量及灌溉方式下土壤硝態(tài)氮的運(yùn)移和累積特征存在差異。目前針對(duì)設(shè)施菜田施水量研究中，多數(shù)研究以建模形式表征土壤中硝態(tài)氮的運(yùn)移速率，灌水量直接影響設(shè)施菜田土壤氮素?fù)p失，然而對(duì)土壤基礎(chǔ)性質(zhì)和水肥分布交互對(duì)于氮素淋失過程的影響研究有待進(jìn)一步深入，探索合適的灌溉方式以及灌溉量對(duì)于保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要。

2.3 土壤質(zhì)地及種植年限對(duì)設(shè)施菜田氮素淋溶的影響

土壤質(zhì)地對(duì)設(shè)施菜田中氮素淋溶具有一定影響，土壤質(zhì)地與土壤孔隙度密切相關(guān)，土壤孔隙越大，土壤的保水能力越差，粘壤土中氮素淋失要顯著低于砂壤土，土壤粘粒及有機(jī)質(zhì)含量決定對(duì)土壤離子的吸附能力，進(jìn)而影響設(shè)施菜田氮素的淋溶情況[38]。眾多研究表明，設(shè)施菜田氮素淋溶情況與種植年限相關(guān)，超過一定限度，種植年限越長，土壤氮素淋失風(fēng)險(xiǎn)越大。石寧等[39]通過長期研究發(fā)現(xiàn)，種植西葫蘆15～20年的設(shè)施菜田土壤硝態(tài)氮含量要高于較短年份，發(fā)生淋溶的潛力也越大。曹文超[40]與伊田[41]的研究均證明種植年限與設(shè)施菜田中氮素含量呈現(xiàn)極顯著的相關(guān)性，設(shè)施土壤中氮素逐年累積，到10年左右累積量達(dá)最大值，具有較高的淋溶風(fēng)險(xiǎn)。目前研究中，對(duì)時(shí)間跨越較大、作物種類土壤氮素遷移特征方面的研究較少，部分研究存在局限性，不適用指導(dǎo)大規(guī)模生產(chǎn)。

3 設(shè)施菜田土壤氮素?fù)p失的阻控措施

近年來，為降低設(shè)施菜田氮素淋溶，保障蔬菜產(chǎn)量，眾多研究者做了大量的研究，研究涉及設(shè)施菜田采取減氮控水[42]、調(diào)節(jié)碳氮比[43]、抑制劑的施用[44]以及運(yùn)用填閑作物[45]等措施與土壤氮素淋溶與作物產(chǎn)量與質(zhì)量關(guān)系，進(jìn)而在保證設(shè)施菜田生產(chǎn)前提下，降低土壤氮素淋溶損失。

3.1 減氮控水對(duì)設(shè)施菜田土壤氮素?fù)p失的阻控

眾多研究表明，對(duì)設(shè)施菜田進(jìn)行適當(dāng)減氮控水，能夠在顯著降低設(shè)施菜田土壤中硝態(tài)氮的損失條件下保證設(shè)施菜田產(chǎn)量，提高氮素利用率。郭佩秋等[46]通過對(duì)設(shè)施黃瓜研究發(fā)現(xiàn)，氮肥用量超過675 kg/hm2時(shí)，黃瓜產(chǎn)量增長效果不明顯。張錦源等[42]通過對(duì)設(shè)施茄子田減水和減施化肥處理，發(fā)現(xiàn)減肥處理對(duì)茄子產(chǎn)量無明顯影響，而減少灌水量顯著降低茄子產(chǎn)量。駱曉聲等[47]通過對(duì)設(shè)施菜田有機(jī)肥與化肥的減施，發(fā)現(xiàn)蔬菜產(chǎn)量沒有降低，氮素淋溶量平均降低近40%。樊耀等[48]研究表明，微潤灌溉處理下，減少適量氮肥施入有利于促進(jìn)大棚辣椒的生長，提升水分利用率。魏歡等[49]通過減量施肥與微潤灌溉結(jié)合種植設(shè)施番茄證明這一模式有效防控土壤氮素淋失的風(fēng)險(xiǎn)。因此在設(shè)施農(nóng)田種植中應(yīng)不斷探索肥料施入量與施入方式，調(diào)整灌水量與灌水方式，保證土壤可持續(xù)生產(chǎn)與作物質(zhì)量，阻控設(shè)施菜田氮素淋失。

3.2 調(diào)節(jié)碳氮比對(duì)設(shè)施菜田土壤氮素?fù)p失的阻控

設(shè)施菜田由于長期大量施用氮肥，造成土壤的碳氮比降低，加重硝態(tài)氮的淋溶損失。眾多研究表明，在設(shè)施菜田土壤中施用秸稈、有機(jī)肥替代化肥等處理方式可以增加土壤有機(jī)碳含量，降低土壤氮素?fù)p失，增加對(duì)于土壤氮素的固持[50]。王偉等[22]研究發(fā)現(xiàn)，添加小麥秸稈處理顯著降低設(shè)施菜地硝態(tài)氮淋溶量的29.8%。駱曉聲等[51]通過對(duì)設(shè)施番茄和辣椒農(nóng)田運(yùn)用有機(jī)肥替代氮肥研究發(fā)現(xiàn)，硝態(tài)氮淋溶量平均降低11.4%。此外，生物炭具有吸附能力強(qiáng)，吸水能力強(qiáng)，為疏松多孔結(jié)構(gòu)[52]。目前研究表明，使用生物炭對(duì)于作物土壤氮素淋失影響不一致。謝沂希等[53]向土壤添加1%～5%的生物炭，研究發(fā)現(xiàn)土壤氮素的淋溶量增加。而陳慶華等[54]研究發(fā)現(xiàn)，在油菜田中施入適量生物炭可以降低氮素淋溶流失風(fēng)險(xiǎn)，提高油菜產(chǎn)量，這與前者研究不同。因而，生物炭施用要結(jié)合設(shè)施菜田種植年限、土壤情況綜合考量，確定生物炭對(duì)設(shè)施菜田的實(shí)際作用，深入開展生物炭對(duì)于阻控氮素淋溶的研究。

3.3 抑制劑的施用對(duì)設(shè)施菜田土壤氮素?fù)p失的阻控

施用抑制劑作用于抑制氮素轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)來抑制土壤供氮與作物吸氮之間關(guān)系，進(jìn)而降低設(shè)施菜田中的氮素?fù)p失。硝化抑制劑可以調(diào)控土壤氮素循環(huán)過程，抑制土壤中的硝化作用，可以提高氮肥利用率，減少土壤硝態(tài)氮淋洗[55]。宋濤等[56]研究發(fā)現(xiàn)施用DCD等硝化抑制劑能降低硝態(tài)氮淋洗，提升作物產(chǎn)量。張春楠[57]與李學(xué)文[58]等在甜瓜、冬瓜等作物生產(chǎn)中施入硝化抑制劑，既能保障作物產(chǎn)量，又能減低土壤氮的淋溶風(fēng)險(xiǎn)，這與宋濤研究結(jié)果一致。此外，研究表明，脲酶抑制劑可以減緩?fù)寥乐心蛩厮?，通過限制NH4+的供應(yīng)，降低土壤硝態(tài)氮淋溶損失。周丹[59]等研究氮肥配施抑制劑處理可以有效控制降低土壤硝態(tài)氮淋溶損失。

3.4 填閑作物對(duì)設(shè)施菜田土壤氮素?fù)p失的阻控

填閑作物指在作物收獲后的休閑時(shí)間種植的作物，用于吸收土壤氮磷等元素，改善后茬作物的生長發(fā)育[60]。在設(shè)施菜田休閑通過種植C4植物可以有效阻控氮素淋失。習(xí)斌等[61]利用甜玉米作為填閑作物研究也發(fā)現(xiàn)，填閑作物可使土壤氮素的淋失風(fēng)險(xiǎn)顯著下降，延緩向深層次土壤淋失的風(fēng)險(xiǎn)。因而在設(shè)施菜田休閑區(qū)可以選用填閑作物可以阻控氮素淋溶，同時(shí)也可起到輪作倒茬的作用。目前研究中，由于設(shè)施菜田高度集約化，土壤利用率較高，合理利用填閑作物對(duì)于設(shè)施土壤可持續(xù)利用以及保障經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要。范新[62]等通過選用莧菜均可作為設(shè)施蔬菜休閑期的填閑作物，保障降低氮素淋失、增加經(jīng)濟(jì)收入，同時(shí)保障后茬蔬菜產(chǎn)量。今后研究中可以圍繞多年、多點(diǎn)、多茬進(jìn)行研究全過程觀測氮素遷移特征，多維度評(píng)價(jià)填閑作物對(duì)于設(shè)施菜田土壤氮素?fù)p失特征。

4 結(jié)論與展望

近年來，雖然國內(nèi)外已經(jīng)對(duì)設(shè)施菜田氮素淋溶十分關(guān)注，并就減肥控水、有機(jī)肥無機(jī)肥配比、秸稈還田與有機(jī)物料施用、生物炭施用、間套作與填閑作物、抑制劑使用等方面與設(shè)施菜田中土壤氮素淋失情況進(jìn)行了一系列研究，但對(duì)于以下幾方面研究需要進(jìn)一步深入。（1）目前對(duì)于不同區(qū)域、不同季節(jié)、土壤不同層面、土壤不同類型、不同種植年限、不同作物設(shè)施菜田土壤氮素淋溶情況研究不夠充分，部分區(qū)域點(diǎn)位性質(zhì)具有局限性，指導(dǎo)大規(guī)模生產(chǎn)實(shí)踐依據(jù)不足，需要進(jìn)一步深化研究不同區(qū)域土壤不同類型以及各項(xiàng)因素的交互性。（2）目前設(shè)施土壤中添加適量生物炭對(duì)于不同作物土壤氮素淋失影響不一致，對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)指導(dǎo)意義不強(qiáng)，要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)區(qū)域設(shè)施菜田土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)及生物特征充分了解下，實(shí)踐生物炭對(duì)于多種因素共同作用下不同土壤類型土壤淋失的影響，為不同土壤性質(zhì)的設(shè)施菜田土壤研究開展提供理論支持。（3）目前，要進(jìn)一步解決設(shè)施菜田土壤氮素淋失問題，要將土壤酶、土壤生物作用、施肥方式與施肥量、灌水方式與灌水量、耕作方式、土壤理化性質(zhì)、種植年限等綜合因素進(jìn)行體系研究，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)施菜田的可持續(xù)生產(chǎn)。（4）在探討設(shè)施菜田氮素淋溶阻控方式的同時(shí)，要充分考慮氮素氣體損失形式，降低設(shè)施土壤氮素?fù)p失，合理管控，提高設(shè)施菜田氮肥利用率。