肖辉，程文娟，王立艳，潘洁，高贤彪

(天津市农业资源与环境研究所，天津300192)

设施土壤施用有机肥可以改善土壤结构，增加土壤肥力［1］，减轻土壤次生盐渍化［2］，提高蔬菜产量和品质［3－5］，施用有机肥还能增加土壤中有益的微生物种类，减轻作物病害［6－7］。有机肥在设施蔬菜上施用量非常大。虽然施用有机肥有很多的益处，但是过量施用有机肥也会产生一定的环境风险，如氮、磷的流失［8］，重金属的积累［9］等。有研究表明，过量施用有机肥，会导致设施土壤中硝态氮的累积［10－12］，－N 不易被土壤胶体所吸附，迁移性强，在灌水的条件下易于淋洗，容易引起地下水的污染［13－14］。王正祥等［15］也研究表明天津蔬菜种植区0—100 m的浅层地下水硝酸盐平均浓度高达31.8 mg/L，是其他作物种植区平均浓度的2.41倍。

前人关于有机肥的研究主要集中在提高作物产量、改善作物品质方面，对于有机肥引起的土壤剖面硝态氮动态变化的研究相对较少，且一般是在等化肥用量条件下研究增施有机肥的效果［16］，而对于等氮量的情况下，不同有机肥对设施土壤硝态氮季节性变化和分布规律的研究比较少。因此，在等氮量的条件下，研究了不同有机肥与化肥对土壤硝态氮累积、迁移以及季节性变化的影响，以期为设施土壤有机肥的合理利用提供理论依据，进而达到减少环境污染，保障食品安全的目的。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在天津市西青区辛口镇第六埠村日光温室进行，该区属于暖温带大陆性季风气候，全年平均气温12℃，无霜期7个月。年降水量570～690 mm，分布不均，70%集中在6～8月份，年均蒸发量1100 mm，地下水位0.9～1.5 m。供试土壤类型为潮土，质地为中壤。试验前(2010年2月)土壤耕层(0—20 cm)有机质含量 46.9 mg/kg、硝态氮 16.5 mg/kg、速效磷 101.8 mg/kg、速效钾 309.0 mg/kg、pH值为8.11。

1.2 试验设计

选择腐熟鸡粪、猪粪、商品有机肥3种有机肥，其养分含量见表1。有机肥用量按干基设7.5、15和22.5 t/hm23个水平，以化肥作对照，共10个处理。各处理如下，1)CF单施化肥;2)TC1施鸡粪7.5 t/hm2;3)TC2施鸡粪15 t/hm2;4)TC3施鸡粪22.5 t/hm2;5)TS1施猪粪7.5 t/hm2;6)TS2施猪粪15 t/hm2;7)TS3施猪粪22.5 t/hm2;8)TO1施商品有机肥7.5 t/hm2;9)TO2施商品有机肥15 t/hm2;10)TO3施商品有机肥22.5 t/hm2。所施化肥为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含 P2O512%)和氯化钾(含K2O 60%)。各处理重复4次，随机区组排列，小区面积8.4 m2(1.2 m×7 m)。各处理氮、磷、钾总养分量一致，依照有机肥中养分最高量确定总养分量，有机肥处理养分量不足用化肥补充。有机肥、磷肥全部基施，氮肥和钾肥40%作基肥、60%作追肥，追肥共分3次，氮肥的追施比例分别为30%、20%和10%，钾肥的追施比例为10%、20%和30%，番茄季追肥时间分别为2010年4月12日、5月7日、5月27日;芹菜季追肥时间分别为2010年11月4日、12月3日、12月28日。番茄季施肥量为 N 484.4 kg/hm2、P2O5478.4 kg/hm2、K2O 600 kg/hm2;芹菜季施肥量为N 483.8 kg/hm2、P2O5650.3 kg/hm2、K2O 462.9 kg/hm2。

本试验从2010年2月25日至2011年1月27日，前茬作物为芹菜，其中番茄季从2010年2月25日到2010年7月15日，供试番茄品种为金冠5，3月3日番茄定植，7月15日拉秧。芹菜9月23日定植，2011年1月27日收获，品种为文图拉。2010年7月15日至2010年9月15日为闲置期。灌溉、病虫害防治及日常管理按照当地农民习惯进行。

表1 不同季节有机肥养分含量Table 1 Nutrient content of organic manure in different seasons

1.3 样品采集及分析

土壤样品分别在蔬菜种植前、蔬菜生长旺盛期和收获后采集。番茄季采样时间分别为2010年2月25日、5月7日和7月19日;芹菜季采样时间分别为2010年9月1日、12月3日及2011年1月27日。蔬菜收获后的样品采集分5层(0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm)，其余采样期只采集表层土壤(0—20 cm)。土壤鲜样用于分析土壤硝态氮含量。蔬菜样品番茄在盛果期采集，芹菜样品在收获期采集，分析可食部分硝酸盐含量，并统计最终产量。

土壤硝态氮采用0.01 mol/L CaCl2浸提—连续流动分析仪法测定;土壤有机质采用重铬酸钾－浓硫酸氧化法(外加热法)测定;土壤pH采用2.5∶1水土比悬液电位法测定;土壤速效磷采用0.5 mol/L碳酸氢钠溶液浸提—钼锑抗比色法测定;土壤速效钾采用1 mol/L醋酸铵溶液浸提—火焰分光光度计法测定。

蔬菜硝酸盐含量采用蒸馏水浸提—紫外分光光度法测定。蔬菜硝酸盐污染评价采用GB18406.1－2001中的标准执行(即茄果类蔬菜硝酸盐含量不高于600 mg/kg，叶菜类蔬菜硝酸盐含量不高于3000 mg/kg)。

数据统计采用Microsoft Excel 2003和SPSS 13.0软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 有机肥对日光温室土壤剖面硝态氮分布的影响

2.1.1 番茄收获后土壤剖面硝态氮分布特征 番茄收获后，有机肥用量越大，在表层土壤中硝态氮累积越明显(图1)。鸡粪处理0—10 cm土层硝态氮含量表现为 TC3＞TC2＞TC1＞CF，TC1、TC2、TC3处理硝态氮含量分别比CF处理高出17.76%、39.77%、48.96%，且差异均达到显著水平，TC3、TC2与CF间的差异达到极显著水平。猪粪处理与鸡粪处理呈现相同的规律，TS1、TS2、TS3分别比CF处理高出17.32%、27.18%、56.69%，且与CF之间的差异均达到显著水平。商品有机肥处理，同样有机肥用量越大硝态氮含量越高，即 TO3＞TO2＞TO1，但与CF处理相比，除TO3与CF差异达到显著水平外，其余处理间差异不显著。

图1 不同有机肥种植番茄后对土壤剖面硝态氮分布的影响Fig．1 Effect of different organic manures on the nitrate distribution in soil profile after tomato harvest

随土层深度的增加，各处理硝态氮含量逐渐降低(图1)。20 cm土层以下，除鸡粪40—60 cm TC3与其他处理间差异达到显著水平外，其余各有机肥处理与化肥处理间的差异均不显著。0—80 cm土层硝态氮累积量鸡粪和猪粪处理均高于化肥处理，且用量越大累积量越高，TC1、TC2、TC3硝态氮累积量分别达到了 640、697、816 kg/hm2，分别比化肥处理(580 kg/hm2)高出10.26%、20.12%、40.58%;猪粪处理 TS1、TS2、TS3分别比 CF处理高出5.10%、15.16%、31.48%。商品有机肥除 TO3硝态氮累积量稍高于CF处理外(高出2.37%)，其余两个处理硝态氮含量均低于化肥处理。各处理高低顺序为TC3＞TS3＞TC2＞TS2＞TC1＞TS1＞TO3＞CF＞TO2＞TO1。说明在该时期有机肥的大量施用，尤其是施用鸡粪和猪粪比单纯施用化肥加剧了硝态氮的累积，原因可能为番茄收获后敞棚闲置，此时正值高温多雨天气，促进了有机肥的矿化，使有机态氮、铵态氮向硝态氮转化，致使有机肥处理表层硝态氮迅速累积，并在雨水的作用下向下层迁移;化肥处理氮肥主要集中于前期施用，后期用量少，因此，与有机肥处理相比较，此时硝态氮含量较低;商品有机肥可能腐熟度较高，后期可供矿化的氮减少，因此，硝态氮累积不是特别明显，且低量商品有机肥与化肥配合施用降低了硝态氮在土壤中的累积。

2.1.2 芹菜收获后土壤剖面硝态氮分布特征 芹菜收获后，0—80 cm土层硝酸盐含量最低，40—60 cm含量最高(图2)。在0—10 cm土层，鸡粪各处理间硝酸盐含量差异不显著;猪粪处理表现为TS1＞CF＞TS2＞TS3，且TS1与其他处理的差异达到显著水平;商品有机肥处理表现为TO1＞TO2＞CF＞TO3，TO1与其他处理的差异也均达到了显著水平，表明低量有机肥与化肥配施促进了氮素矿化，增加了土壤硝酸盐含量。各处理在40—60 cm土层均发生了明显的硝酸盐累积，硝酸盐累积峰的深度与灌水量密切相关，灌水量越大，累积峰也就越深，冬季灌水量远低于夏季，累积层较浅，因此，硝态氮在土壤剖面呈“S”形分布。

图2 不同有机肥对种植芹菜后土壤剖面硝态氮分布的影响Fig．2 Effect of different organic manures on the nitrate distribution in soil profile after celery harvest

0—80 cm土层硝态氮累积量鸡粪处理TC1、TC2、TC3 分别达到 417、454、314 kg/hm2，TC1、TC2处理比化肥处理(360 kg/hm2)高出16.12%、26.50%;TC3比化肥处理降低12.47%;猪粪处理硝态氮累积量均低于化肥处理，TS1、TS2、TS3处理分别比CF低10.65%、39.41%、61.74%;商品有机肥各处理累积量均高于化肥处理，TO1、TO2、TO3分别比CF高出31.53%、45.10%、11.62%。各处理高低顺序为TO2＞TO1＞TC2＞TC1＞TO3＞CF＞TS1＞TC3＞TS2＞TS3。冬季，不同有机肥显示了不同累积的特点，鸡粪高用量处理TC3与CF相比，减少了硝态氮的累积，但低用量与化肥配施促进了有机氮素的矿化，增加了土壤硝态氮含量;猪粪处理与化肥处理相比降低了硝态氮累积量，且用量越大，效果越明显;商品有机肥各处理硝态氮累积量虽均大于化肥处理，但高用量处理TO3远远低于低用量与化肥配施的处理。因此，3种有机肥均显示出高量有机肥处理土壤硝态氮累积量较少;而低量有机肥与化肥配施促进了氮素的矿化，土壤硝态氮累积量较大。

冬季与夏季相比，各处理硝态氮土壤累积量远远低于夏季，如化肥处理降低了38.07%，鸡粪与猪粪处理TC3、TS3分别降低了61.44%、81.98%，商品有机肥TO3处理降低了32.47%(图1、图2)。因此，冬季土壤硝酸盐污染的风险性要远远低于夏季。另外，鸡粪与猪粪季节变化幅度远远大于商品有机肥，因此，鸡粪和猪粪的施用量要严格控制。

2.2 有机肥对设施土壤硝态氮季节性变化的影响

设施土壤表层(0—20 cm)硝态氮含量周年变化规律如图3所示，各处理随季节变化明显，均表现出夏季硝态氮含量升高，冬季硝态氮含量降低的趋势，且施用有机肥的处理变化幅度远远大于单独施用化肥的处理。各有机肥处理前期(5月7日)硝态氮含量均低于化肥处理，且有机肥用量越大，硝态氮含量越低，TC3、TS3、TO3处理分别比 CF低29.75%、40.47%、56.47%。随时间推移，各有机肥处理硝态氮含量均迅速增加，7月份所有施用鸡粪和猪粪的处理硝态氮含量均高于单施化肥处理，且有机肥用量越大硝态氮含量越高，商品有机肥此时除TO3处理硝态氮含量稍高于化肥处理外，TO1、TO2均低于CF处理硝态氮的含量。9月份时，各处理间的差异进一步加大，鸡粪处理TC1、TC2、TC3分别比CF高出49.17%、77.01%、99.98%，差异均达到极显著水平;猪粪处理TS1、TS2、TS3与CF相比，硝态氮含量分别高出32.85%、56.68%、77.28%，各处理间的差异也均达到了极显著水平;商品有机肥TO1、TO2、TO3分别比CF高出2.05%、31.48%、38.67%，TO1与 CF处理间差异不显著，TO2、TO3与CF处理间差异达到显著水平。9月份之后，各处理硝态氮含量又迅速降低，施用有机肥的处理变化幅度远大于化肥处理，12月份时，所有有机肥处理硝态氮含量均低于化肥处理，且有机肥用量越大，降低幅度越大，如鸡粪处理TC1、TC2、TC3分别比CF低8.20%、44.11%、50.87%，且 TC2、TC3与 CF之间差异达到显著水平。芹菜收获后(2011年1月27日)，各处理表层(0—20 cm)硝态氮平均含量降低到12.31 mg/kg，且所有处理之间差异不显著。

图3 不同时间各处理土壤表层硝酸盐变化Fig．3 Changes of surface soil nitrate at different times

3种有机肥处理(TC3、TS3、TO3)和化肥处理(CF)引起土壤表层硝态氮的季节变化幅度分别达到205.63、180.89、138.82、96.67 mg/kg，有机肥处理(TC3、TS3、TO3)分别比 CF高出 112.7%、87.12%、43.60%。因此，施用有机肥引起土壤表层硝态氮的季节性变化非常明显，变化幅度也要远大于单施化肥处理。

2.3 有机肥对蔬菜产量及硝态氮含量的影响

季节不同，有机肥对蔬菜硝酸盐含量的影响也不同(表2)。对于春季施肥夏季收获的番茄，有机肥的施用增加了番茄体内的硝酸盐含量，且有机肥用量越大，硝酸盐含量越高，TC3、TS3、TO3分别比CF高出20.23%、23.94%、20.67%。虽然有机肥增加了番茄硝酸盐的含量，但各处理硝酸盐含量均符合无公害蔬菜的要求(茄果类≦600 mg/kg)。而对于秋季施肥冬季收获的芹菜，有机肥不同用量对芹菜硝酸盐含量的影响不一致，高量有机肥与化肥处理相比能够降低芹菜硝酸盐的含量，但低量有机肥与化肥配施能促进芹菜硝酸盐的累积，如TC3、TS3、TO3的硝酸盐含量比 CF低 17.09%、6.26%、18.99%，而TC1、TS1、TO1的硝酸盐含量分别比CF高出 25.17%、28.40%、11.04%，TC1、TS1的硝酸盐含量甚至超出了无公害蔬菜的限量标准(叶菜类≦3000 mg/kg)。

施用适量的有机肥可以提高蔬菜产量。TC1、TS1、TO2处理的番茄产量较高。有机肥处理的芹菜产量均显著高于单独化肥处理，猪粪和商品有机肥处理有机肥用量越大产量越高，TS3、TO3分别比CF处理高出13.82%、13.70%;鸡粪处理中TC1处理产量最高，与CF处理高出13.45%，但该处理芹菜硝酸盐含量过高，因此，鸡粪此时施用量也不宜太少。

表2 不同蔬菜硝酸盐含量及产量Table 2 Nitrate content and yield of different vegetables

3 讨论

3.1 不同有机肥对土壤剖面硝态氮累积与分布的影响

氮肥的不合理施用是引起设施土壤硝态氮累积与淋溶的主要原因，但除速效氮肥外，有机肥带入的氮素也不容忽视［17］。设施土壤施用有机肥可以改善土壤结构，提高蔬菜产量和品质，但不合理利用也会造成土壤硝态氮的累积、淋溶，甚至污染地下水［12］。本研究表明有机肥对土壤硝态氮的影响不同季节呈现不同的特点，夏季有机肥的大量施用，容易造成硝态氮在土壤中的大量累积，尤其是鸡粪和猪粪，施用量越大硝态氮的累积量越大，原因可能为有机肥矿化速度慢，番茄收获时土壤中还含有大量的有机态氮［18］，再加上先前吸附的其它形态氮素，在高温及硝化细菌的作用下，迅速转化为硝态氮，致使表层土壤硝态氮含量远远大于化肥处理。另外，有机肥分解过程中产生大量的低分子量有机酸，能够对土壤吸附的硝态氮进行替换，此时灌水及降水(敞棚时)的情况下，易于造成硝态氮向下层迁移，本研究结果显示0—80 cm土层硝态氮累积量，鸡粪和猪粪处理均远高于化肥处理，且用量越大累积量越高。商品有机肥除高量处理土壤硝态氮累积量稍高于化肥处理外，其余两个处理与化肥配合施用降低了硝态氮的累积，原因可能为商品有机肥前期矿化度较高，到后期可供矿化的量减少，因此累积量低于鸡粪和猪粪。化肥处理氮肥主要集中在前期施用，随着植物吸收、土壤淋溶和挥发，后期剩余氮素较少，因此，化肥处理后期硝态氮累积量远远低于有机肥处理。

冬季与夏季不同，芹菜收获时设施大棚温度低，湿度大，蒸发量小，微生物活力差，不利于有机态氮和铵态氮向硝态氮的转化，再加上蔬菜的吸收，使表层硝态氮含量普遍较低，且各处理间0—20 cm土层平均硝态氮含量差异不显著。冬季蔬菜灌水量较少，加上地表蒸发量小，硝态氮在土壤中的上下迁移能力相对较弱，在灌水的情况下硝态氮向下迁移，在40—60 cm土层形成累积层，因此冬季土壤剖面硝态氮分布形成“S”形。各处理0—80 cm土层硝态氮累积量均远远低于夏季，且各有机肥处理均表现出高用量处理硝态氮累积量较低，而低量有机肥与化肥配合施用硝态氮的累积量较高的趋势，原因可能为有机肥与化肥适量配比可以促进有机氮的矿化［19］，进而提高了土壤中硝酸盐含量。

3.2 有机肥对土壤硝态氮季节性变化的影响

有机肥与化肥相比，施用前期矿化速度较慢，因此施肥初期(春季和秋季)有机肥处理硝态氮含量低于化肥处理。除自身特点外，环境因素对氮素转化也起支配作用，有机态氮、铵态氮向硝态氮转化受土壤质地［20］、温度［21－22］、水分［23］、pH［24］、细菌活度［25］、植物的吸收等众多因素的影响，其中温度的影响尤为重要，如王帘里等［22］研究表明土壤有机质和有机氮含量越高，土壤氮的矿化对温度的敏感性也越大，温度越高，矿化量越大。与本研究的结果相似，从2月到7月，随气温的升高，有机肥处理土壤硝态氮含量迅速上升;7月到9月，由于大棚闲置，这种趋势进一步加强。进入秋季以后，有机氮矿化速度逐渐减缓，再加上植物的吸收，致使有机肥处理硝态氮含量迅速降低，一直至芹菜收获，硝态氮含量均处于较低水平。但不同有机肥对硝态氮季节性变化的影响也略有不同，鸡粪、猪粪处理变化幅度远远大于商品有机肥，原因可能为商品有机肥腐熟度高，稳定性强，受外界环境因素的影响相对较小，周年变化幅度也就相对较低。鸡粪、猪粪稳定性较差，易于引起硝态氮的累积，因此，鸡粪、猪粪要严格控制施用量。

3.3 有机肥对蔬菜产量及硝酸盐含量的影响

李吉进等［26］研究表明施用适量有机肥可以提高蔬菜产量，降低蔬菜硝酸盐含量，与本研究结果相似，但不同季节有机肥的适宜用量不同。夏季，各处理土壤氮素含量均较高，养分不是产量高低的限制因素，相反养分含量过高可能会降低蔬菜产量，增加蔬菜硝酸盐含量［27］。本试验中高量有机肥处理土壤硝酸盐含量过高，致使番茄产量偏低，并且硝酸盐含量较高;低量有机肥处理可以获得较高的产量，并且蔬菜硝酸盐含量相对较低。因此，夏季有机肥用量不宜过高，尤其是鸡粪和猪粪。冬季则相反，高量猪粪和商品有机肥处理蔬菜产量较高，且硝酸盐含量较低;鸡粪高量处理虽然产量稍低于低量处理，但硝酸盐含量低，蔬菜更加安全，因此，冬季有机肥用量可以适当增大。

本文是在等氮量条件下研究了有机肥对日光温室土壤硝态氮的影响，获得了其周年变化规律，但对于多年的累积效应没有涉及。另外，不同有机肥具有不同的特点(C/N、腐熟度等)，针对不同有机肥不同季节的降解转化规律还需进一步研究。

4 结论

有机肥对设施土壤硝态盐的影响不同季节呈现不同特点，夏季大量施用有机肥会引起土壤和蔬菜中硝酸盐的累积，并促进硝态氮向下层迁移;而冬季却相反，高量有机肥能够降低土壤及蔬菜中硝酸盐的含量，减少硝态氮在土壤中的累积。因此，设施土壤对于春季施肥夏季收获的蔬菜，有机肥用量不宜过高，而秋季施肥冬季收获的蔬菜有机肥用量可适当增加。3种有机肥对土壤硝态氮影响大小不同，高低顺序为鸡粪＞猪粪＞商品有机肥，鸡粪、猪粪造成土壤硝态氮累积与淋溶的风险性远远大于商品有机肥，因此，鸡粪和猪粪的施用量要严格控制。本试验中，依据既能提高蔬菜产量，又要降低土壤及蔬菜中硝酸盐的累积量，得出鸡粪最佳用量春季7.5 t/hm2并配合化肥施用，秋季15～22.5 t/hm2，配合少量化肥施用;猪粪最佳用量春季7.5 t/hm2配合化肥施用，秋季22.5 t/hm2，少施或不施化肥;商品有机肥春季7.5～15 t/hm2配合化肥施用，秋季22.5 t/hm2，少施或不施化肥。

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