潘飛飛　張偉豪　孫壯　唐蛟　陳碧華

摘? ? 要：為了解設施蔬菜種植年限對土壤礦質(zhì)氮含量及硝化強度的影響及各指標間的相關關系，以露地菜田土壤（0年）為對照，以不同種植年限設施菜田土壤（5、10、15、20年）為供試土壤，分別測定其銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量及硝化強度，以明確設施蔬菜種植年限對土壤自身速效養(yǎng)分供應能力的影響，為不同年限設施菜田定點施肥管理措施的制定提供依據(jù)。結(jié)果表明，無論是露地栽培還是設施栽培，0～20 cm土層的土壤銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量和硝化強度均高于相同種植年限20～40 cm土層，且設施種植年限越長，礦質(zhì)氮的表聚特征越明顯。與露地菜田相比，相同土層各設施菜田土壤的礦質(zhì)氮含量均顯著提高，隨種植年限的增加，呈先升后降的趨勢，0～20 cm土層礦質(zhì)氮含量（w，后同）于15年時達最大值513.45 mg·kg^-1，20～40 cm土層礦質(zhì)氮含量于10年時達最大值353.21 mg·kg^-1。硝化強度與銨態(tài)氮含量呈顯著正相關，除種植年限為15年的設施菜田外，其余設施菜田土壤的硝化強度均高于相同土層露地菜田土壤，以10年設施菜田最大。應減少設施菜田氮肥投入，并控制其硝化強度，避免蔬菜產(chǎn)品及地下水的硝酸鹽污染。

關鍵詞：設施菜田；種植年限；銨態(tài)氮；硝態(tài)氮；硝化強度

中圖分類號：S606+.1 文獻標志碼：A 文章編號：1673-2871（2023）05-109-06

Effects of planting years on soil ammonium nitrogen， nitrate nitrogen and nitrification intensity in protected vegetable fields

PAN Feifei ZHANG Weihao SUN Zhuang TANG Jiao CHEN Bihua

（1. School of Horticulture and Landscape Architecture， Henan Institute of Science and Technology， Xinxiang 453003， Henan， China; 2. Henan Province Engineering Research Center of Horticultural Plant Resource Utilization and Germplasm Enhancement， Xinxiang 453003， Henan， China; 3. School of Resources and Environment， Henan Institute of Science and Technology， Xinxiang 453003， Henan，China）

Abstract： To understand the effect of protected vegetable planting years on soil mineral nitrogen content， nitrification intensity as well as the correlativity between them， soil samples from different years of protected vegetable planting（0， 5， 10， 15 and 20 years）were collected for the determination of soil ammonium nitrogen content， nitrate nitrogen content and nitrification intensity. The object of this experiment was to clarify the influence of protected vegetable planting years on soil N supply capacity， providing basis for the establishment of site-specific fertilization management measures in protected vegetable fields with different planting years. The results showed that the contents of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen as well as the nitrification intensity in 0-20 cm soil layer were higher than those in 20-40 cm soil layer， with the surface accumulation of mineral nitrogen more obvious in protected vegetable fields with longer planting years. Compared with open field， soil mineral nitrogen content in protected vegetable fields was significantly higher， showing a trend of first increase and then decrease with the increasing years of protected vegetable cultivation. The contents of mineral nitrogen in 0-20 cm and 20-40 cm soil layers reached the maximum（513.45 mg·kg^-1and 353.21 mg·kg^-1）in soil with 15 years and 10 years of protected cultivation， respectively. The nitrification intensity was significantly higher than that in the open field （except for the facility field with 15 years of planting）in the above two soil layers， with the maximum occurred in soil with 10-year protected cultivation. A significant positive correlation between nitrification intensity and ammonium nitrogen content was observed. In summary， nitrogen fertilization should be reduced and nitrification intensity should be controlled in protected vegetable fields to avoid the nitrate pollution of vegetable products and groundwater.

Key words： Protected vegetable field; Planting years; Ammonium nitrogen; Nitrate nitrogen; Nitrification intensity

土壤中的氮主要以有機和無機兩種形態(tài)存在，而無機氮作為作物根系吸收氮素的主要形式，在土壤中主要以銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的形態(tài)存在，二者含量的高低能夠反映土壤的氮素供應狀況[1]。硝化作用是氨或銨鹽通過硝化細菌的作用被氧化為硝酸鹽和亞硝酸鹽的過程，雖然能夠消耗土壤中存在的銨態(tài)氮，減少氨的揮發(fā)損失，但形成的硝態(tài)氮極易遭受淋洗損失并污染水體，在灌水過多或局部厭氧的條件下，又容易發(fā)生反硝化作用產(chǎn)生氮氧化物，以氣體的形式從土體損失并污染大氣[2-3]?？梢姡徽撌卿@態(tài)氮、硝態(tài)氮，還是硝化作用，在土壤氮素轉(zhuǎn)化、作物供應及環(huán)境損失方面都占據(jù)重要位置并發(fā)揮重要作用。

已有研究結(jié)果表明，土壤礦質(zhì)氮含量（銨態(tài)氮+硝態(tài)氮）受施肥、管理措施的影響較大[4-5]。設施蔬菜由于施肥量大，有機肥、無機肥配合施用，且經(jīng)常大水漫灌，土壤理化性質(zhì)與露地菜田相比有很大差異。盡管前人對包括礦質(zhì)氮在內(nèi)的土壤各種理化性狀隨設施種植年限的變化規(guī)律開展了大量研究[6-8]，但極少研究土壤硝化作用的強弱隨種植年限的變化規(guī)律，或?qū)⑵渑c土壤銨態(tài)氮含量和硝態(tài)氮含量聯(lián)系在一起。楊艷菊等[9]研究了設施西瓜土壤凈硝化速率隨種植年限的變化規(guī)律，結(jié)果顯示，土壤凈硝化速率隨設施種植年限的延長呈極顯著提高的趨勢。趙輝等[10]研究指出，設施蔬菜種植年限對參與硝化作用的微生物菌群有顯著影響，其中土壤pH值、銨態(tài)氮含量及硝態(tài)氮含量是這些微生物豐度和活性變化的主要影響因素。因此，有必要進一步探究土壤硝化作用的強弱隨設施蔬菜種植年限的變化趨勢及其與土壤銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量的相關關系，并分析其可能的影響機制。

筆者選取新鄉(xiāng)周邊5個不同種植年限設施菜田土壤（0、5、10、15、20年），分別測定其銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量以及硝化強度，分析各指標間的相關性及隨設施種植年限的變化規(guī)律，以明確設施蔬菜種植年限對土壤自身速效養(yǎng)分供應能力的影響，為不同年限設施菜田定點施肥管理方案的制定提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于新鄉(xiāng)市牧野區(qū)朱莊屯村，地處新鄉(xiāng)市區(qū)中北部。該區(qū)屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明、冬寒夏熱。年平均氣溫14 ℃，其中每年7月最熱，平均最高氣溫為27.3 ℃，1月最冷，平均最低氣溫為0.2 ℃。年平均降雨量573.4 mm，主要集中在夏季，可占全年總降水量的72%左右。年平均濕度68%，無霜期220 d。該區(qū)大棚以單棟拱圓形竹木結(jié)構(gòu)塑料大棚為主，南北延長，實行早春茬黃瓜-秋冬茬番茄周年輪作制度，單畦雙行栽培。

1.2 土壤樣品采集和測定

在該區(qū)選取一塊露地菜田（種植綠葉菜）作為設施種植年限為0年的對照，另外，臨近選取4個不同種植年限的塑料大棚（均由露地綠葉菜種植改為設施栽培，早春茬黃瓜-秋冬茬番茄周年輪作），截止到2021年7月早春茬黃瓜（油亮抗病16-1，由北京中農(nóng)綠亨種子科技有限公司提供）拉秧，設施種植年限分別達到5、10、15、20年。鑒于不同種植年限塑料大棚彼此間相距較近，不存在土壤類型的差異，因而不會影響試驗結(jié)果。

于2021年7月7日早春茬黃瓜拉秧后，將各種植年限菜地隨機分為3個小區(qū)，隨機排列，小區(qū)面積340 m2（20 m×17）m，每個小區(qū)內(nèi)依“S”形路線多點混合采集0～20 cm和20～40 cm土層的土壤樣品，每個樣地各得到6個混合土樣，裝入帶編號的自封袋內(nèi)，帶回實驗室。將不同設施種植年限的新鮮土樣，一部分置于鋁盒內(nèi)，采用烘干法[11]測定土壤含水量；另一部分過2 mm篩，測定土壤銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量和硝化強度。其中，采用靛酚藍比色法[11]測定土壤銨態(tài)氮含量；采用紫外分光光度法[11]測定硝態(tài)氮含量；采用重氮化偶合分光光度法[11]測定硝化強度。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2017進行數(shù)據(jù)處理和計算，采用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析（Duncan新復極差法），柱狀圖中的數(shù)據(jù)均為3次重復的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 設施種植年限對土壤礦質(zhì)氮含量的影響

由圖1可知，相同土壤年限，0～20 cm土層的土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均高于20～40 cm土層，且在0～15年種植年限范圍內(nèi)，隨設施種植年限的增加，兩土層之間的含量差隨之增加。其中，露地菜田土壤0～20 cm土層的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別為20～40 cm土層的1.23倍和1.21倍，至種植年限為20年時，分別增加了4.31倍和1.45倍。各設施菜田土壤0～20 cm的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均普遍高于露地菜田土壤，其中，15年和20年設施菜田土壤0～20 cm土層的銨態(tài)氮含量顯著高于露地菜田，各設施菜田土壤的硝態(tài)氮含量均顯著高于相同土層的露地菜田。

在0～20 cm土層，隨設施種植年限的增加，土壤銨態(tài)氮含量呈逐漸增加趨勢，至種植年限為20年時達最大值；土壤硝態(tài)氮含量則呈先升高后稍有降低趨勢，于種植年限為15年時達到最大，回歸方程的決定系數(shù)均達顯著水平。在20～40 cm土層，土壤銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量均呈現(xiàn)隨設施種植年限的增加先升高后降低的趨勢，均于種植年限為10年時達到最大。

各種植年限菜田土壤的硝態(tài)氮含量遠高于其銨態(tài)氮含量，前者變化在117.90～493.83 mg·kg^-1，后者變化在7.13～25.54 mg·kg^-1?？偟膩碚f，隨設施種植年限的增加，0～20 cm和20～40 cm土層的土壤礦質(zhì)氮含量（銨態(tài)氮+硝態(tài)氮）均呈先升高后降低的趨勢（圖2），并分別于15年和10年達最大值。各設施菜田土壤的礦質(zhì)氮含量均顯著高于露地菜田土壤。

2.2 設施種植年限對土壤硝化強度的影響

由圖3可知，各種植年限設施菜田土壤的硝化強度在0～20 cm土層范圍內(nèi)都高于相同年限20～40 cm土層。在相同土層中，除種植年限為15年的設施菜田外，其余設施菜田土壤的硝化強度均高于露地菜田土壤，其中以10年設施菜田土壤硝化強度最大，分別為1.20、1.11 mg·kg^-1·h^-1。在相同土層中，而15年設施菜田土壤的硝化強度則低于露地菜田土壤，且顯著低于其他設施種植年限菜田土壤。

2.3 設施種植年限與土壤礦質(zhì)氮含量及硝化強度的相關分析

由圖4可知，土壤銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量與設施土壤種植年限間呈顯著或極顯著正相關，即隨設施種植年限的增加，土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量呈增加趨勢。土壤銨態(tài)氮含量與硝態(tài)氮含量呈極顯著正相關，與土壤硝化強度呈顯著正相關。土壤硝化強度與設施種植年限呈負相關，但差異并不顯著，與硝態(tài)氮含量亦無顯著相關性。

3 討論與結(jié)論

作為作物氮素吸收的主要形式，土壤礦質(zhì)氮含量的高低直接決定了作物氮素供應的豐缺狀況。筆者的研究結(jié)果表明，各菜田土壤的硝態(tài)氮含量遠高于其銨態(tài)氮含量，是土壤礦質(zhì)氮存在的主要形式。隨著設施種植年限的增加，土壤硝態(tài)氮和礦質(zhì)氮含量呈先升高后稍有降低的趨勢，其中0～20 cm土層土壤硝態(tài)氮和礦質(zhì)氮含量于設施種植年限為15年時達最大值，20～40 cm土層中于種植年限為10年時達最大值。這與前人研究結(jié)果基本一致，于淼等[7]、楊園媛等[12]、張敬智等[6]研究認為，設施蔬菜土壤養(yǎng)分隨種植年限的增加不會持續(xù)累積，而是呈先升高后降低的趨勢，且隨設施種植年限的增加，土壤養(yǎng)分變異特征亦趨于穩(wěn)定。而張艷霞等[13]、王學霞等[14]研究指出，隨設施蔬菜種植年限的增加，土壤氮素養(yǎng)分呈累積的趨勢，尤其是速效氮含量。這一研究結(jié)果的差異可能一方面是由于作為研究對象的設施菜田的最長種植年限不同，前者一般多于20年，而后者則一般低于12年，顯然，較長尺度的研究對象更能反映真實情況；另一方面，這可能與不同設施菜田的施肥管理措施有關，其中，有機肥施用種類及施用量將極大程度影響土壤礦質(zhì)氮含量[15-18]。

此外，筆者的研究結(jié)果顯示，同一年限0～20 cm土層的土壤銨態(tài)氮含量和硝態(tài)氮含量均高于20～40 cm土層，且隨設施種植年限的增加，兩土層之間的礦質(zhì)氮含量差亦隨之增大。說明施肥對表層土壤礦質(zhì)氮含量的影響要大于下層土壤，且隨著設施種植年限的增加，土壤礦質(zhì)氮含量呈現(xiàn)出表層累積的現(xiàn)象，這一結(jié)論和土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量與種植年限呈顯著或極顯著正相關的結(jié)果相一致。這一方面是由于設施蔬菜生產(chǎn)中有機、無機氮肥的過量施用，且以表施為主；另一方面，則是由于設施蔬菜長期處于相對密閉的狀態(tài)，環(huán)境中溫度偏高，水分蒸散作用較強，同時早春茬黃瓜拉秧后設施內(nèi)不再大量灌水，土壤溶液中的氮素易隨水分向土表遷移，從而發(fā)生養(yǎng)分表層累積的現(xiàn)象[8，19]，設施種植年限越長，表層累積特征越明顯。盡管這一水分上移過程會造成設施土壤退化，如次生鹽漬化、酸化、養(yǎng)分失衡等[20]，但也有助于將由大量灌水、施肥所導致的淋溶至下層土體的養(yǎng)分重新帶回到作物主要根系吸收區(qū)。因此，作物拉秧后，可通過溫度和水分調(diào)控來運作下層土體養(yǎng)分的上行運動，增加后茬作物對土壤殘留養(yǎng)分的利用效率，減少氮素養(yǎng)分投入，緩解設施中因有機、無機氮肥過量施用所造成的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與環(huán)境污染等問題[21]。

硝化作用是由硝化微生物驅(qū)動逐步將氨或銨鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的過程，其中氨氧化細菌參與硝化過程的第一步，將氨氧化為亞硝酸鹽，是硝化作用的限制性步驟[22]。已有研究結(jié)果顯示，土壤氨氧化細菌豐度受土壤銨態(tài)氮含量的影響[23]，設施菜田由于施肥量大，土壤銨態(tài)氮含量高，且隨種植年限的增加呈表層累積特征，硝化作用的底物較豐富[24]，故硝化作用強度一般較露地菜田要高。這和筆者研究中土壤硝化強度與銨態(tài)氮含量呈顯著正相關的結(jié)果相一致。同時，在筆者的研究中，在同一種植年限，各菜田土壤0～20 cm土層的硝化強度均高于20～40 cm土層，這與銨態(tài)氮在兩個土層中的分布多少相一致，也同樣說明了銨態(tài)氮作為底物對硝化作用的正向誘導作用。陳秋會[25]進一步對比了露地和設施菜田土壤的硝化特征及相關微生物，結(jié)果顯示，設施菜田土壤的硝化勢和氨氧化細菌數(shù)量明顯高于露地菜田，且土壤硝化勢與氨氧化細菌數(shù)量、銨態(tài)氮含量均呈顯著正相關，這與筆者的研究結(jié)果一致，在0～20 cm和20～40 cm土層，除種植年限為15年的設施菜田外，其余設施菜田土壤的硝化強度均高于相同土層露地菜田土壤，且均以10年設施菜田為最大。

鑒于設施菜田中礦質(zhì)氮以硝態(tài)氮為主，且隨種植年限的增加呈現(xiàn)出表層累積特征，易造成收獲物中硝酸鹽超標，影響蔬菜品質(zhì)[26]。在實際生產(chǎn)中，更應控制根區(qū)土壤的硝化強度，防止硝態(tài)氮庫容的進一步增加，加劇蔬菜產(chǎn)品和地下水的硝酸鹽污染風險。目前市面上已開發(fā)了種類繁多的硝化抑制劑，如2-氯-6-三甲基吡啶、3，4-二甲基吡唑磷酸鹽、雙氰胺等[27-28]，對硝化作用都有很好的抑制效果，還可減少硝態(tài)氮的淋溶損失[29]，可用于設施生產(chǎn)，尤其是種植年限較長的設施菜田。

綜上所述，在相同種植年限，各菜田土壤0～20 cm土層的土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均高于20～40 cm土層，且截至15年，隨著設施種植年限越長，兩土層之間的礦質(zhì)氮含量差越大，表層累積特征越明顯。與露地菜田相比，各土層設施菜田土壤的礦質(zhì)氮含量均顯著提高，且隨設施種植年限的增加，呈先升高后降低的趨勢，0～20 cm和20～40 cm土層礦質(zhì)氮含量分別于15年和10年時達最大值。

硝化強度與銨態(tài)氮含量呈顯著正相關。0～20 cm土層的硝化強度亦均高于相同種植年限20～40 cm土層。除種植年限為15年的設施菜田外，其余設施菜田土壤的硝化強度均高于相同土層露地菜田土壤，其中以10年設施菜田土壤硝化強度最大。

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