水分对不同栽培年限日光温室土壤氮矿化的影响

王士超，陈竹君，周建斌，赖春香

(西北农林科技大学资源环境学院/农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨凌 712100)

近年来，我国设施农业的面积已从0.53×104hm2(1980年)增加到410.9×104hm2(2015年)，其中设施蔬菜的面积已达386×104hm2，且仍以每年10%的速度增加[1-2]，设施栽培已成为不少地区调整农业产业结构的主要产业，其中日光温室栽培在我国北方地区设施栽培中占有重要地位。

日光温室栽培下过量施肥问题突出，其中以过量施用氮肥问题尤为严重[3]。一些地区日光温室蔬菜栽培每年氮肥用量已超过2 700 kg·hm-2，是蔬菜需求量的3～5倍[4-5]。过量施用氮肥导致土壤硝态氮大量累积[6]，引起地下水硝酸盐含量超标，增加了温室气体N2O释放等。因此，日光温室栽培下如何合理施用氮肥，是这一集约化程度较高的栽培方式下养分管理研究的重要问题。

土壤中的氮素约95%以上以有机态形式存在，而作物吸收的氮素主要为矿质氮[7]。因此，土壤有机氮的矿化特性及影响因素与其氮素供应密切相关[8-12]。影响土壤氮素矿化的因子很多，包括土壤有机质含量、水分[13-19]、温度[20]和土壤类型等。国内外在这一方面已进行了大量的研究，而已有的研究主要集中在农田土壤、林地[21-22]和草地[23]，对日光温室蔬菜土壤氮矿化的研究相对较少。

日光温室栽培下大量施用有机肥，土壤有机质含量明显高于一般农田土壤，且随栽培年限的增加，土壤有机质含量逐渐增加[24-26]。另外，日光温室栽培下土壤的水热条件也与一般农田存在很大的差别。因此，研究水分对不同年限日光温室土壤氮矿化的影响，对这一栽培系统氮素管理具有重要的理论和现实意义。

为此，本研究以陕西杨凌日光温室中不同栽培年限的土壤为对象，采用室内培养法研究了水分对日光温室不同栽培年限土壤氮素矿化的影响，旨在为日光温室蔬菜生产中合理施用氮肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于陕西杨凌农业高新科技示范区大寨、五泉2个乡镇，属大陆性季风气候，海拔520 m，年均降水量约620 mm，集中于7-9月，年均温为12.9℃，土壤为塿土。定点取样的日光温室建于2009、2010年，单个温室面积多在350～700 m2之间。种植的蔬菜品种为番茄，一般每年10月份左右定植，第二年6月底拉秧；番茄产量多在100～180 t·hm-2，平均为145 t·hm-2 [27-28]。

由于建棚时将原农田土壤的表层土移走用于堆砌保温土墙，因此，新建温室表层土壤养分含量较低。其中有机质 8.3 g·kg-1、全氮 0.59 g·kg-1、硝态氮21.2 mg·kg-1、速效磷11.5 mg·kg-1和速效钾149 mg·kg-1。生产中有机肥用量高，施用有机肥以鸡粪和牛粪为主，少数农户施用猪粪、沼渣及羊粪，每年施用量为142 t·hm-2。化肥氮、磷及钾肥用量分别为690、720 kg·hm-2及759 kg·hm-2，其中氮肥、钾肥部分作基肥施用，其余的作追肥分次(5～7次)施用，磷肥和有机肥作基肥于整地前一次施入。日光温室肥料用量详见表1。

1.2 试验设计

供试土壤：选择3个2009年新建日光温室土壤作为研究对象，于种植前、种植第二年和第三年后(2009、2011年和2012年)，每年6月下旬在种植的蔬菜收获后，分别采0～20 cm及20～40 cm两层次土壤样品，每个温室取3个点，同一土层混合组成一个土样。剔除番茄根茬，样品风干后过1 mm筛，用于培养试验。供试土壤的基本理化性质见表2。

试验方案：试验设栽培年限和土壤湿度两个研究因素，其中土壤湿度水平为田间持水量的60%、80%及100%(60FC、80FC、100FC)3个水平，栽培年限包括0年(0 a)、2年(2 a)和3年(3 a)3个水平，共组成9个处理，每个处理重复3次。

称取过1 mm孔筛的风干土样100.0 g于300 ml的塑料瓶中，用封口膜封口，置于25℃恒温培养箱中培养。每3～4天称重1次，补加损失的水分。分别在培养的第0、3、7、14、28、42、56、70天及84天，从每个处理的各个重复中取出5.0 g新鲜土样，测定土壤矿质氮含量。

表1 日光温室养分投入情况/(kg·hm-2)

表2 供试土壤理化性质

注：同列数据后不同字母表示处理间差异达P<0.01显著水平。

Note: Values followed by the different letters in a column are significant difference atP<0.01 level.

1.3 测定项目与方法

土壤氮素表观矿化量=培养后无机氮含量—培养前无机氮含量

土壤氮矿化过程用单因素指数模型模拟：

Nt=N0(1-ek0t)

式中,Nt是培养时间t时氮矿化量(mg·kg-1);N0是矿化势(mg·kg-1)，k0为矿化速率常数。

1.4 数据处理

用SAS for Windows(version 8.0)进行方差分析、显著性测验，用Sigmaplot(version 12.0)绘制图形。

2 结果与分析

2.1 水分对不同栽培年限日光温室土壤铵态氮含量的影响

图1A显示，随着培养时间的延长，耕层(0～20 cm)土壤铵态氮含量均呈先增加后降低的趋势，在培养第1周达到最大值后均有不同幅度的下降；土壤铵态氮含量随栽培年限的增加而明显增加。不同水分处理培养14天后同一年限处理土壤铵态氮含量的差异变小。同时，土壤铵态氮含量随含水量升高的变化差异较小。20～40 cm 土层土壤铵态氮含量的变化趋势与耕层基本一致，且同一年限处理土壤铵态氮含量均低于0～20 cm土层。

2.2 水分对不同栽培年限日光温室土壤硝态氮含量的影响

从图2可以看出，耕层0～20 cm土层各处理土壤累积硝态氮量均随培养时间延长呈增加趋势，3个栽培年限的温室土壤累积硝态氮量均随含水量升高而增加，但含水量增加到100FC时，土壤硝态氮含量反而下降。在60FC～100FC范围内矿化84 d后土壤中硝态氮含量大小顺序为3 a>2 a>0 a。培养结束后，3 a土壤硝态氮含量达156.05 mg·kg-1(60 FC)、172.03 mg·kg-1(80 FC)、186.41 mg·kg-1(100 FC)，分别比2 a、0 a处理高出88.24%、72.69%、79.32%和40.74%、56.79%、64.25%。20～40 cm土层土壤硝态氮含量变化趋势与耕层(0～20 cm)土壤一致。

2.3 水分对不同栽培年限日光温室土壤氮矿化量的影响

图3显示，随着培养时间的延长，耕层(0～20 cm)土壤累积矿化氮量呈增加趋势，且栽培年限越长，土壤累积矿化氮量越高。种植前，60FC、80FC及100FC处理土壤累积矿化氮量分别为17.60、24.28 mg·kg-1和19.06 mg·kg-1；与种植前相应水分水平相比，2 a温室60FC、80FC及100FC处理土壤累积净矿化氮量分别提高了2.55、1.89倍和1.90倍，3 a温室土壤累积净矿化氮量分别提高了2.96、2.51倍和3.06倍。

不同含水量同一栽培年限土壤相比，随着土壤含水量的增加，土壤累积矿化氮量随之增加，但当含水量为100FC时，累积矿化氮量反而降低。土壤含水量为60FC时，0 a、2 a和3 a处理土壤累积净矿化氮量分别为17.06、44.90 mg·kg-1和52.10 mg·kg-1；80FC时，0 a、2 a和3 a处理土壤累积净矿化氮量分别提高了42.32%、2.54%和17.16%；100FC时，0 a、2 a和3 a处理土壤累积净矿化氮量分别较80FC降低了21.49%、21.29%和4.52%，土壤含水量和栽培年限对累积净矿化氮量呈正交互作用，但未达到显著水平(P>0.05)。20～40 cm土壤累积矿化氮量的变化趋势与耕层土壤基本一致。同一栽培年限温室20～40 cm土层土壤累积矿化氮量均低于0～20 cm土层。

图1 不同水分和栽培年限条件下土壤铵态氮含量的变化Fig.1 Changes in concentration from different soils in solar greenhouse under different soil moisture and cultivation year treatments

图2 不同水分和栽培年限条件下土壤硝态氮含量的变化Fig.2 Changes in concentration from different soils in solar greenhouse under different soil moisture and cultivation year treatments

2.4 土壤氮素矿化模型

从表3可以看出，耕层(0～20 cm)土壤氮矿化势N0随温室蔬菜栽培年限延长而增加。2 a和3 a温室土壤氮素矿化势与种植前相比差异均达到了显著水平。就k0值而言，处理间差异不大。土壤含水量由60FC增加到80FC时，同一年限处理土壤氮矿化势随之增加。而80FC增加到100FC时，土壤氮矿化势反而减小。除2 a外，同一年限不同含水量土壤氮矿化势差异均达到显著水平。

20～40 cm土层土壤氮矿化势的变化趋势与耕层基本一致，但当土壤含水量相同时，2 a处理与种植前相比土壤氮矿化势差异未达到显著水平，且同一年限不同含水量处理间差异均不显著。相同年限和含水量处理土壤氮矿化势表现为：0～20 cm > 20～40 cm，说明年限长的温室土壤供氮潜力也大，适宜的含水量(80FC)能促进土壤氮矿化过程，含水量(100FC)过高会抑制土壤氮素矿化。

图3 不同水分和栽培年限条件下土壤累积矿化氮量的变化趋势Fig.3 The cumulative N mineralization from different soils in solar greenhouse under different soil moisture and cultivation year treatments

土层/cmSoil layer处理Treatment60 FCN0/(mg·kg-1)k080 FCN0/(mg·kg-1)k0100 FCN0/(mg·kg-1)k00～20种植前(0 a)Before planting14.83±1.17Cb0.1721.83±2.18Ca0.1817.49±1.96Cb0.21第二年(2 a)Second year36.59±5.61Ba0.1442.72±8.17Ba0.2534.25±6.80Ba0.18第三年(3 a)Third year50.85±3.41Ab0.1765.32±4.87Aa0.1451.74±1.48Ab0.1320～40种植前(0 a)Before planting9.18±1.83Ba0.3413.81±2.19Ba0.2210.27±2.78Ba0.24第二年(2 a)Second year17.01±3.21Ba0.1917.42±2.47Ba0.3311.91±2.47Ba0.29第三年(3 a)Third year30.53±5.74Aa0.1331.02±8.33Aa0.1126.69±6.38Aa0.10

注：不同大写字母代表同一含水量不同年限土壤氮矿化势差异显著(P<0.05)，不同小写字母代表不同含水量同一年限土壤氮矿化势差异显著(P<0.05)。N0为土壤氮矿化势，k0为矿化速率常数。

Note: Different capital letters in the
Table above in the same moisture of different cultivation year treatment indicate significant differences at the 5% level (Duncan’s multiple comparison test); Different lowercase letters in the same cultivation year of different moisture treatment indicate significant differences at the 5% level.N0— soil nitrogen mineralization potential;k0— constant of nitrogen mineralization potential.

2.5 土壤氮矿化势与有机质、全氮含量的关系

由图4可以看出，不同土壤含水量条件下土壤氮矿化势与有机质及全氮含量呈极显著正相关关系，土壤含水量为80FC时，土壤氮矿化势大于60FC和100FC处理。从回归模型的结果来看，土壤有机质含量每增加1 g·kg-1，60FC、80FC、100FC土壤含水量条件下土壤氮矿化势分别增加1.62、1.88 mg·kg-1和1.57 mg·kg-1；土壤全氮含量每增加1 g·kg-1，土壤氮矿化势分别增加28.93、33.42 mg·kg-1和27.82 mg·kg-1。

图4 土壤氮素矿化势(N0)与有机质、全氮含量的关系Fig.4 The relationships between soil nitrogen mineralization potential (N0) and organic matter, total N in soils

3 讨 论

3.1 含水量对土壤氮矿化的影响

本研究表明，室内培养条件下随着含水量的增加，土壤累积矿化氮量呈增加趋势，但当含水量达到100FC时，氮矿化累积量反而降低。由单因素指数模型对土壤累积矿化氮量拟合得到土壤氮矿化势的结果也可以看出，在80FC处理下0～20 cm土层土壤氮矿化势均显著高于60FC和100FC处理。其他学者研究也表明，土壤含水量为85FC时，土壤矿化氮量达到峰值[29]；土壤含水量为80～100FC时，土壤净氮矿化率与含水量呈负相关关系[30]。这与土壤微生物活动最适宜的土壤含水量为田间持水量的60%～80%有关[26]。当含水量超过一定范围时，土壤厌氧微生物作用增强，还会使无机氮以气体形式损失。因此，在日光温室栽培中控制适宜的水分供应，不仅对作物生长有利，也会促进土壤有机氮的矿化作用，增加土壤有效氮的供应。

我国日光温室栽培中不仅存在“大肥”问题(过量施肥)，还存在“大水”问题(过量灌水)[31]。据罗勤等在陕西杨凌日光温室的研究[32]，温室小型西瓜整个生育期灌溉量在农户常规灌水量基础上减量20%处理，土壤0～20 cm和20～50 cm土层水分含量均已达到或超过田间持水量，说明当地温室过量灌溉问题突出。过量灌溉导致养分淋溶损失。同时，由本研究结果看，水分含量过高，也会对土壤氮素矿化作用产生抑制，进而影响作物氮素供应。因此，应有效控制日光温室水分的供应。

3.2 栽培年限对土壤氮矿化的影响

本研究发现，随日光温室栽培年限的增加，土壤矿化氮量明显增加。这是由于日光温室蔬菜栽培条件下，长期大量施用有机肥，导致温室土壤有机质和全氮含量提高。我们对该研究区域170多个新建日光温室施肥状况的调查发现，氮、磷、钾肥投入量分别为690、720 kg·hm-2和745 kg·hm-2，均严重过量，其中磷、钾肥施用量超过磷、钾肥推荐量118%和103%[33]，说明新建日光温室存在养分过量投入问题。随着种植年限的增加，土壤养分累积量也随之增加。种植三年后，0～100 cm土壤硝态氮累积量超过了种植前的5倍[24]。本研究中，种植第二年和第三年温室土壤0～20 cm土层有机质和全氮含量分别较种植前提高了62.06%、38.16%和205.59%、122.37%。高佳佳等[27]对研究区域日光温室土壤养分定点监测的结果也证明，栽培年限长的温室土壤有机质和全氮含量高于年限短的温室。栽培13 a的温室土壤全氮含量可比种植前提高2倍[34]。由于土壤有机质和全氮含量与氮矿化势呈极显著正相关关系，因此，随栽培年限的增加，温室土壤净矿化氮量和氮矿化势明显提高。我们的研究同时发现，栽培年限长的温室20～40 cm土层土壤氮矿化势也明显增加。这与日光温室栽培大量施用有机肥，导致有机物向土壤下层移动有关。

随日光温室栽培年限的增加，土壤氮矿化量明显增加。因此，在日光温室氮素管理中，对种植年限长的温室，应适当降低氮肥的施用，以避免氮素的过量投入。虽然本研究中土壤含水量和栽培年限对累积净矿化氮量的交互作用未达显著水平，但对栽培年限长的温室，由于土壤养分特别是硝态氮累积量高，控制水分的供应，也是提高温室氮素利用率、减少氮素损失的途径之一。

4 结 论

土壤水分含量由田间持水量的60%增加到80%，土壤累积矿化氮量呈增加趋势，但当含水量达到田间持水量的100%时，土壤矿化氮量反而降低。随日光温室栽培年限的增加，土壤矿化氮量明显增加；栽培年限长的温室20～40 cm土层土壤氮矿化势也明显增加。虽然本研究中土壤含水量和栽培年限对累积净矿化氮量的交互作用未达到显著水平，但对栽培年限长的温室，由于土壤养分特别是硝态氮累积量高，生产中应有效控制水分供应，避免过量灌水影响有机氮的矿化及带来的氮素淋失问题。