设施菜地氮素淋溶影响因素研究进展

唐 珧，刘 平，白光洁，李丽君

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030031）

设施菜地氮素淋溶影响因素研究进展

唐 珧1，刘 平2，白光洁2，李丽君2

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030031）

设施菜地由于“大肥大水”农业管理模式引起的氮素淋溶已经成为不可忽视的问题，除造成肥料的浪费外，还严重威胁饮用水的安全，同时对环境造成了负面影响。根据近年来设施菜地氮素淋溶方面的研究报道，从肥料种类、施肥量、施肥时期及施肥方式描述了施肥作为主要影响因素对设施菜地氮素淋溶的影响效果，同时分析了灌水量、添加生物炭和硝化抑制剂、种植填闲作物及种植年限对氮素淋溶造成的影响。这可为减少设施菜地氮素淋溶，提高氮肥利用率提供理论依据。

设施菜地；氮淋溶；影响因素

近年来，我国设施蔬菜发展迅猛，具有面积大、产量大、产值大、出口量大等特点[1]。2014年，种植面积已经达到386.2万hm2[2]。为了追求蔬菜高产带来的经济效益，农民逐步陷入了“大肥大水”的农业管理误区，主要表现在氮肥的过量施用[3]，但是作物对氮素的吸收和利用有一定的限度，超过这一限度时，不仅会导致减产、产品品质下降[4]，还会造成氮素损失，甚至导致其利用率不足10%[5]。损失的氮素除了有N2O，NH3，N2等气体排放外，还有大量盈余的氮素淋溶进入地下水，对饮用水的安全性也构成了威胁[6]。已有大量研究指出，设施菜地氮素淋溶除受施肥影响外，还受其他因素影响[6]。

本研究在前人研究的基础上，结合设施菜地的特点，阐述了影响氮素淋溶的因素和结果，以期为提高设施菜地氮肥利用率，进而减少对环境的负面效应提供参考依据。

1 研究现状

1905年，英国WARRINGTON[7]采用田间渗虑技术进行了对氮淋溶机制的探索。随后，人们在这一领域的研究不断深入。目前，国际上主要采用间接计算法和直接测定法来定量氮素淋溶。其中，直接测定法有排水采集器法和多孔杯法[8]，主要用于研究根层氮素的淋溶[9]。国内研究主要集中在农田氮淋洗及影响因素上：利用土钻取样或模拟土柱研究氮素在土壤中的迁移[6]；采用淋溶盘或lysimeter观测根层氮淋溶；还有一些气候、水肥管理、土壤类型、耕作方式、秸秆还田等因素对农田土壤氮迁移及淋溶影响的研究[10]。

20世纪80年代，国家实施“菜篮子”工程，设施蔬菜迅速发展起来，同时由此带来的氮素淋溶也逐渐引起了学者的关注[1]。在土壤氮素淋溶的研究基础上，结合设施菜地不同于大田的种植环境，进行了大量的试验探究影响氮素淋溶的因素，结果表明，设施菜地除和大田一样可通过调节施肥量和灌水量，添加生物炭、有机肥、硝化抑制剂来影响氮淋溶量外，还可通过种植填闲作物来影响氮素的淋溶，同时，氮素淋溶还受棚龄的影响。

2 影响因素

2.1 肥料种类

不同品种的肥料氮素淋溶的研究目前主要集中在无机有机肥相结合以及新型肥料（缓/控释肥）的施用上。

2.1.1 有机无机肥配施 化学氮肥溶解快、释放快，但作物生长前期需氮量少，使得前期氮肥供过于求，大量氮肥随水流失。而有机肥具有缓效性，前期释放少，能提供作物后期的氮肥供应，二者配合施用既能满足作物的生长需求，又能减少氮素的淋溶损失；此外，有机肥施用可减少氮素淋溶损失主要有2个方面的原因：一方面施用有机肥可提高土壤阳离子代换量，降低土壤中硝化反硝化微生物的活性，增强土壤中硝态氮的吸附作用，抑制硝态氮的生成，从而减少氮淋溶[11]；另一方面，有机肥矿化分解过程中微生物消耗了土壤部分氮素，使得矿质氮被固持，土壤中硝态氮累积量降低，进而减少了氮淋溶损失[12]。有研究表明，在化学氮肥施用量相同的条件下，采用有机无机肥配合施用，硝态氮的淋溶量可减少26.6%，但值得注意的是，有机肥的施入会增加磷淋溶的风险[11]。

2.1.2 缓/控释肥 缓释肥主要是通过包膜的方式来延缓养分的释放，而控释肥则是在延缓的基础上控制养分的释放，是缓释肥的高级形式，目的都是使养分的释放量与作物的需肥量相适应，从而提高养分利用率。大量研究发现，缓/控释肥的影响效果与施肥量及肥料种类有关[13-14]。梁新安等[13]通过比较常规施肥处理、等量袋缓/控释肥处理及半袋缓/控释肥处理试验得出，缓/控释肥处理明显降低了0～20，20～40 cm土层硝态氮浓度，但等量袋和半袋处理间差异很小；40～60，60～100 cm土层中硝态氮浓度变化明显低于常规处理，显著降低了硝态氮的渗漏。曲均峰等[14]研究表明，2种不同类型的控释尿素在红壤和褐土2种土壤中的氮淋洗量分别降低了14.8%～26.9%和19.7%～34.5%。虽然缓/控释肥可显著降低氮素的淋溶，但目前推出的缓/控释肥针对性较弱，由于不同作物不同时期对氮肥的需求量不同，因此控制肥料养分的逐渐释放并使之与作物需求相吻合仍是该领域的难点。

2.2 施肥量、施肥时期及施肥方式

施肥量是影响设施菜地氮淋溶最主要的因素。设施菜地优于大田种植的主要原因在于蔬菜种植次数多，产量大，相应施肥量就大[15]，而蔬菜的根系无法吸收土壤深层的氮肥，多余的氮素就会随水淋溶至更深的土层中，导致深层土壤氮素的过量积累。韦高玲等[15]试验发现，苦瓜减氮20%处理的氮淋溶量与常规施肥间无显著差异；而减氮30%较常规施肥总氮和硝态氮淋溶量分别显著降低58.4%和59.0%。张春霞等[16]通过比较设施番茄常规施肥量1 158 kg/hm2和优化施肥918 kg/hm2的情况，结果发现，优化施肥氮淋溶总量为42.28 kg/hm2，较常规减少了50.06 kg/hm2。现有研究施肥量对氮淋溶影响效果的文献众多，集中于在当地施肥基础上进行减量处理，减量20%，30%，甚至减量50%，结果表明，多数对产量没有造成显著影响[17-18]，因此，降低施肥量是减缓氮素淋溶行之有效的措施。

除施氮量外，施肥时期也显著影响氮素的淋溶。由于作物在不同的生长阶段对养分的吸收能力以及需求量存在较大差异[19]，因此，施肥时期应与作物的“最大效率期”及“生理敏感期”相吻合，以便使施入的氮素能够被更好地利用。DELGADO[20]研究表明，根据作物需求进行施氮的实地氮肥管理策略可减少25%的氮素淋溶损失。

施肥方式也会对氮素的淋溶产生影响。传统的撒施不仅不利于作物对氮肥的吸收，还会使施入的氮肥随水流失，大大降低了氮素的利用效率[21]。NH4+不易随水流动，故铵态氮肥深施效果较好[22]，其他肥料可采用“以水带氮”的方式施用，以提高肥效，除此之外，采用垄施和穴施方式理论上也可有效提高氮肥利用率[21]，但目前此方面研究较少。

2.3 灌水

传统大田的灌溉方式主要以降水为主，辅之以漫灌、滴灌等满足作物生长需求。而设施菜地则完全由人工控制，可以更方便地采用滴灌、穴灌、垄灌的方式调节灌水量。大棚温度高，植物蒸腾蒸发旺盛，需水量多，相应灌水量就大[23]。但并非灌水越多，产量就越大[24]。王鹏勃等[24]研究发现，温室番茄在单株施肥量一定的条件下，其产量随着灌水量的增加呈现先增加后降低的趋势。同时有研究发现，NO3--N下移与水分移动相当一致，随着灌水量逐渐增大，硝态氮累积区将逐渐下移[25]，这就意味着过高的灌水量不仅不会带来高产，还会加剧氮肥的向下淋溶，增加水资源的浪费。李若楠等[26]通过对温室黄瓜处理研究得出，减氮50%加之灌溉节水20%处理可使0～100 cm土体硝态氮累积量3 a下降13.9%～31.1%。习金根等[27]在土柱试验中，分别采用滴灌和漫灌2种不同的处理，结果表明，滴灌较漫灌氮素淋失总量减少17.85 mg，降幅达24.90%；石敏等[28]在此基础上进一步研究表明，控制灌溉与常规灌溉和浅湿灌溉相比，氮素淋失总量最小，大约占常规灌溉的1/3、占浅湿灌溉的1/2。由此可以看出，在满足作物需水条件的前提下，采用合理的灌溉方式和减少灌水量均可有效减少氮素的淋溶。

2.4 生物炭

生物炭具有多孔结构，比面积大，可吸附土壤中的氮素从而对氮素的淋溶造成影响[29]。有研究表明，生物炭能吸附NO3-，减小氮淋溶风险；也有研究认为，生物碳无吸附NO3-的能力，甚至会促进NO3-向下移动，加大硝态氮的淋溶风险[29]。其不同的结论一方面可能是由于生物炭自身性质的不同，生物炭的物理性质（孔径大小、颗粒大小）及化学性质（热解温度等）均会对氮素的淋溶产生影响[30-31]。有研究发现，当生物炭95%的孔径小于2 nm时，施入土壤才能有效降低土壤水分的移动，减少氮素的淋溶[30]；热解温度高于700℃时，生物炭才具有显著的NO3-吸附能力[31]。另一方面，生物炭的添加量及土壤类型也会对氮素的淋溶产生影响，周志红等[32]研究发现，分别将玉米秸秆生物炭以50，100 t/hm2施用于黑钙土和紫色土，黑钙土总氮淋失量分别降低29%和74%，紫色土总氮淋失量分别降低41%和78%；但生物炭施用量减少至10 t/hm2时，黑钙土和紫色土总氮淋失量则分别增加22%和2%，其中，硝态氮淋失量分别增加15%和60%。施用生物炭来减少氮素的淋溶应综合考虑多方面的因素。

2.5 硝化抑制剂

硝化抑制剂是一类对硝化细菌有毒的有机化合物，目前主要有三氯甲基吡啶（CP）、双氰胺（DCD）以及正丁基磷代磷酰三胺（DMPP）DMPP 3种类型，其主要通过加入铵态氮肥中来抑制土壤内亚硝酸细菌对铵态氮的硝化，从而减少铵态氮转化为硝态氮随水淋溶。研究表明，硝化抑制剂能有效减少NO3-的淋溶[33]。俞巧钢等[34]采用自制原状土柱进一步研究铵态氮肥添加DMPP后对氮淋溶的影响，结果发现，添加DMPP 60 d内能有效抑制土壤铵氧化反应的发生，但并没有明显导致铵态氮的垂直迁移。表明添加硝化抑制剂可有效调控土壤氮素的迁移转化，降低氮淋溶对地下水氮素污染的潜在风险。除此以外，串丽敏等[35]还将DCD和脲酶抑制剂N-丁基硫代磷酰三胺（NBPT）配合施用，采用土柱淋溶方法研究了其淋溶效果，结果表明，单施DCD及DCD和NBPT配施可分别显著降低硝态氮累积淋失量13.7%和17.2%，由此可看出，硝化抑制剂配合脲酶抑制剂更能有效减少氮素的淋溶。

2.6 填闲作物

有些设施菜地每年会有休闲期，在此期间种植填闲作物可有效减少硝态氮的淋洗，其原因一方面在于种植填闲作物可以消耗土壤中的养分，降低土壤中硝态氮的累积量；另一方面，休闲期水分的损失主要是蒸发和渗漏，而种植填闲作物后，水分的损失主要是蒸腾和渗漏，它大大提高了土壤水分的上行通量，减少了近42%的水分渗漏量，从而减少了硝态氮的淋失[36]。研究表明，C4类作物能在较短时间内快速生长，具有生物量大、根系深、耐高温的特点，是理想的填闲作物[36]。梁浩等[36]在京郊设施菜地中的研究结果表明，休闲期种植甜玉米能显著提高土壤水分的上行通量，减少约42%的水分渗漏量；种植甜玉米处理的氮素淋洗量范围为1.3～50.9 kg/hm2，远远低于施肥处理的59.2～273.6 kg/hm2，甚至低于不施肥处理的38.6～151.6 kg/hm2。因此，在夏季选择C4类作物甜玉米作为填闲作物，对硝态氮的淋洗有明显的阻控作用。除了甜玉米外，其他作物也有类似的效果，PLAZA-BONILLA等[37]通过探究不同豆科填闲作物对水氮的影响，结果发现，豆科填闲作物也能够有效降低土壤水分渗漏和硝酸盐淋洗。由此可以看出，种植填闲作物的确可降低氮素的淋溶风险。

2.7 种植年限（棚龄）

随着种植年限的增加，土壤中硝态氮不断累积，淋溶风险也就不断加大。研究表明，土壤中的硝态氮、亚硝态氮、铵态氮和可溶态有机氮含量均随设施菜地栽培年限的增加而升高，15 a棚龄其养分含量分别高达2 868.4，1.54，35.4，971.9 mg/kg，分别是露地土壤的121.1，7.1，9.5倍和33.7倍[38]。但也有研究表明，设施栽培土壤硝态氮含量随种植年限的增加呈先上升后下降的趋势[39]，这意味着在一定时间限度内，种植年限越长，土壤淋溶风险越大。

3 展望

近年来，设施菜地氮淋溶的研究已涉及到施肥、灌水、生物炭、硝化抑制剂等方面，但有些方面的研究仍存在不足，今后研究应集中在几个方面。

（1）不同地区，不同土壤类型的研究目前很少，只有一些室内土柱试验，难以指导实际生产。因此，有必要对全国主要设施蔬菜所在地土壤类型进行多点定位研究，为不同地区的研究开展提供理论依据。（2）现有对设施菜地氮素损失的影响大多集中在单一因素，多种因素同时产生影响有所不同。因此，对多种因素共同作用下氮素的损失有待进一步研究。（3）目前，设施菜地氮素淋溶损失研究主要集中在根层，而包气带作为连接根层和地下水最后的生态屏障，对氮在根层—深层包气带—地下水淋溶机制和阻控机制还缺乏深入研究。因此，今后应注重此方面的研究。（4）微生物具有反硝化作用，提高包气带中微生物的活性可以有效减少硝酸盐的淋溶损失。今后应加强此方面的研究以及参与的微生物水平和分子水平机制深入研究。

［1］李天来.我国设施蔬菜科技与产业发展现状及趋势 [J].中国农村科技，2016（5）：75-77.

［2］关桂峰.我国设施蔬菜面积达5 700余万亩，大城市蔬菜自给率仍不足30%[EB/OL].[2016-10-21].http://news.xinhuanet.com/fort une/2014-04/01/c_1110051027.htm.

［3］侯利敏，王凌，孙世友，等.河北露地蔬菜土壤硝态氮淋溶特征及影响因素研究[J].华北农学报，2016，31（Z）：364-368.

［4］安江勇，肖厚军.不同施肥量对贵州高产玉米养分吸收、生物性状、产量及品质的影响[J].中国土壤与肥料，2016（3）：73-79.

［5］杜连凤.长江三角洲地区菜地系统氮肥利用与土壤质量变异研究[D].北京：中国农业科学院，2005.

［6］左海军，张奇，徐力刚.农田氮素淋溶损失影响因素及防治对策研究[J].环境污染与防治，2008，30（12）：83-89.

［7］串丽敏，赵同科，安志装，等.土壤硝态氮淋溶及氮素利用研究进展[J].中国农学通报，2010，26（11）：200-205.

［8］SHAFER MJ.Nitrogen modeling for soil management[J].Journal of Soil Water Conserve，2002，57：417-424.

［9］MACEDO A.X-ray microtomography to investigate thin layers of soil clod[J].Soil and Tillage Research，1998，49（3）：249-253.

［10］刘宏斌.农田面源污染监测方法与实践 [M].北京：科学出版社，2015.

［11］高伟.有机无机肥料配合施用对设施黄瓜产量、氮素累积及硝酸盐淋溶的影响[J].华北农学报，2015，30（4）：188-193.

［12］习斌，翟丽梅，刘申.有机无机肥配施对玉米产量及土壤氮磷淋溶的影响[J].植物营养与肥料学报，2015，21（2）：326-335.

［13］梁新安，张守仕.袋控缓释肥对日光温室番茄生长发育及土壤氮素淋失的影响[J].水土保持学报，2015，29（3）：306-310.

［14］曲均峰，王国忠，傅送保，等.控释尿素对土壤氨挥发及脲酶活性和氮淋溶的影响[J].贵州农业科学，2015，43（7）：97-100.

［15］姜俊，李艳，王勇，等.豫南地区设施蔬菜产业发展中的问题与对策[J].河南农业科学，2015，44（12）：112-116.

［16］张春霞，文宏达.优化施肥对大棚番茄氮素利用和氮素淋溶的影响[J].植物营养与肥料学报，2013，19（5）：1139-1145.

［17］GAO S，PENG X，FENG Z，et al.Quantifying nitrogen leaching response to fertilizer additions in China's cropland[J].Environmental Pollution，2016，211：241-251.

［18］廖上强，陈延华.减量灌溉条件下缓释肥料对番茄产量、品质及硝态氮淋溶的影响[J].中国土壤与肥料，2015（6）：70-75.

［19］周伟，吕腾飞，杨志平，等.氮肥种类及运筹技术调控土壤氮素损失的研究进展[J].应用生态学报，2016，27（9）：3051-3058.

［20］DELGADO J A.Nitrogen fertilizer management based on site-specific management zones reduces potential for nitrate leaching[J]. Journal ofSoil&Water Conservation，2005，60：402-410.

［21］鲁如坤，时正元，赖涛.氮肥穴施对提高磷肥肥效的作用[J].土壤，1996（4）：220.

［22］廖晓勇，张杨珠，刘学军，等.农田生态系统中土壤氮素行为的研究现状与展望[J].西南农业学报，2001，14（3）：94-98.

［23］刘钰，TEIXEIRAJ L，PEREIRAL S，等.作物需水量与灌溉制度模拟[J].水利水电技术，1997（4）：38-43.

［24］王鹏勃，李建明.水肥耦合对温室袋培番茄品质、产量及水分利用效率的影响[J].中国农业科学，2015，48（2）：314-323.

［25］SHARMA S K，MANCHANDA H R.Influence of leaching with different amount of water on desalinization and permeability：behavior of chloride and sulphate-dominated saline soils[J].Agricultural Water Management，1996，31（3）：225-235.

［26］李若楠，武雪萍，张彦才，等.节水减氮对温室土壤硝态氮与氮素平衡的影响[J].中国农业科学，2016，49（4）：695-704.

［27］习金根.不同灌溉施肥方式下尿素态氮在土壤中迁移转化特性的研究[J].植物营养与肥料学报，2003，9（3）：271-275.

［28］石敏，肖伟华，王春梅，等.施肥与灌溉对黑土区稻田氮素渗漏淋溶的影响[J].南水北调与水利科技，2016（1）：42-49.

［29］刘玉学，吕豪豪，石岩，等.生物质炭对土壤养分淋溶的影响及潜在机理研究进展[J].应用生态学报，2015，26（1）：304-310.

［30］武玉，徐刚，吕迎春，等.生物炭对土壤理化性质影响的研究进展[J].地球科学进展，2014，29（1）：68-79.

［31］CLOUGH T J，BERTRAMJ E，RAY J L，et al.Unweathered wood Biochar Impact on Nitrous Oxide Emissions from a Bovine-Urine-Amended Pasture Soil[J].Soil Science Society of America Journal，2010，74（3）：852-860.

［32］周志红，李心清，邢英，等.生物炭对土壤氮素淋失的抑制作用[J].地球与环境，2011，39（2）：278-284.

［33］HONG J D，CAMERON K C.Inhibition of nitrification to mitigate nitrate leaching and nitrous oxide emissions in grazed grassland[J]. Journal ofSoils&Sediments，2016，16（5）：1401-1420.

［34］俞巧钢，陈英旭，张秋玲，等.DMPP对氮素垂直迁移转化及淋溶损失的影响[J].环境科学，2007，28（4）：813-818.

［35］串丽敏，安志装.脲酶/硝化抑制剂对壤质潮土氮素淋溶影响的模拟研究[J].中国农业科学，2011，44（19）：4007-4014.

［36］梁浩，胡克林，侯森，等.填闲玉米对京郊设施菜地土壤氮素淋洗影响的模拟分析[J].农业机械学报，2016，47（8）：125-136.

［37］PLAZA-BONILLA D，NOLOT J M，RAFFAILLAC D，et al.Cover crops mitigate nitrate leaching in cropping systems including grain legumes:field evidence and model simulations[J].Agriculture E-cosystems＆Environment，2015，212（1）：1-12．

［38］王楠.设施栽培年限对设施土壤生态环境的影响及次生盐渍化土壤的改良[D].重庆：西南大学，2012.

［39］伊田，梁东丽，王松山，等.不同种植年限对设施栽培土壤养分累积及其环境的影响 [J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2010，38（7）：111-117.

Research Advance in Factors Affecting on Nitrogen Leaching in Greenhouse Vegetables

TANGYao1，LIUPing2，BAI Guangjie2，LI Lijun2

（1.College ofBiological Engineering，Shanxi University，Taiyuan 030006，China；2.Institute ofAgricultural Environment and Resources，Shanxi Academy ofAgricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

Nitrogen leaching from the field of greenhouse vegetables caused a lot of problems,such as the waste of fertilizer,the safety ofdrinking water,ect.According to reports ofgreenhouse nitrogen leaching in recent years,the paper described fertilization as main factors on the effect of the nitrogen leaching in vegetable greenhouse.Appropriate fertilization modes including fertilizer type,fertilizer amount,fertilization time and fertilization way could effectively reduce the loss of nitrogen.Mean while,the reduction of the amount of irrigation and the application of drip irrigation could also exert influences.Besides,the risk of nitrogen leaching increased with the increase of cultivation years.In the fallow period,the planting of the idle crops,adding the biological in the soil and adding the nitrification inhibitor in the fertilizer all could affect leaching of nitrogen.This can reduce greenhouse nitrogen leaching and provide theoretical basis for increasing nitrogen use efficiency.

greenhouse vegetables;nitrogen leaching;affecting factors

S153

A

1002-2481（2017）03-0473-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.03.37

2016-10-28

科技自主创新能力提升工程项目（2016zzcx-13）

唐 珧（1992-），女，山西沁水人，在读硕士，研究方向：土壤生产力恢复与荒漠化防治。李丽君为通信作者。