姚玉霞，张雪虹，叶 玮，方珦企

(浙江师范大学 地理与环境科学学院，浙江 金华 321004)

1 研究背景及意义

设施栽培是在人工环境下进行栽培的一种农业技术，形式主要包括塑料大棚、连栋温室和日光温室[1]。我国设施栽培快速发展始于20世纪80年代，最初主要在我国“三北”地区发展[2]，近年来设施栽培迅速向南方扩展，发展势头甚至超过北方[3]。设施栽培在我国已渐成规模。截至2014年，我国设施栽培占全世界的85%以上，总面积和总产量均居第1位[4]。目前，我国设施栽培正在向规模化、集约化、机械化、科学化、智能化方向发展[5～9]。

2 设施土壤硝态氮累积特性

2.1 不同年限设施土壤硝态氮含量变化

随着设施栽培年限的增加，土壤硝态氮含量呈现先增加后降低的趋势，但是始终高于露天栽培[13～25]。曹文超等[15]对山东寿光0-20年大棚土壤进行测定发现，设施菜田表层土壤种植1～3、4～6、7～9、>10年的土壤硝态氮含量分别是130.6、141.1、154.2、125.2 mg/kg，分别为露天小麦相同土层的2.83、3.06、3.34、2.72倍。据魏迎春[14]对陕西杨凌地区不同棚龄的土壤分析，土壤硝态氮含量累积情况为：大棚土壤>拱棚土壤>露天蔬菜土壤>大田土壤；在土壤剖面的不同深度，0～10、10～20、20～40 cm土层中的硝态氮含量分别为露天菜地土壤的10.63、25.53、38.78倍。王仪炸[10]发现剖面深80～100 cm处的硝态氮含量仍是大田表土的数倍。这可能是由于设施栽培氮肥施用多，加重了硝态氮在剖面上的淋溶[13]。

不同种植模式对设施土壤中硝态氮含量的变化趋势影响不大，对硝态氮含量的峰值出现早晚存在一定影响[22]。

2.2 设施土壤纵向剖面硝态氮累积特征

设施土壤硝态氮在垂直剖面中同时存在向表层积聚和向底层迁移两种运动，以前者为主[26]。故其含量在剖面中总体呈减小趋势，但是具体变化规律可能有两种情况。一是表层设施土壤(0～20 cm)[24]硝态氮含量最多，向深处逐渐减小，在达到一定深度后又开始累积，但一般不超过表层含量[21]。杨慧[11]发现，不同年限设施栽培下，硝态氮含量在垂直剖面中会出现峰值，随着种植年限的延长，该峰值逐渐增大，且出现的峰值的深度逐年加深。这一发现得到了袁丽金[27]、张迪[28]等学者的研究证实。二是从表层至深层始终逐渐减小。这可能是由当地深层土壤为砂质土，保水性能较差，硝态氮淋溶进入地下水引起的[29]。此外，不同作物的氮素吸收性[11]及根长[30]、土样采集深度[31]等均可能影响设施土壤垂直剖面上硝态氮含量的变化规律。相比之下，露天栽培下不同深度土壤硝态氮含量则变化不大[11]。

3 设施土壤硝态氮累积的影响因素

3.1 水热条件

温度主要从两方面影响设施土壤硝态氮的累积。一方面，温度会影响土壤中氮素的转化过程，如矿化、水解、硝化、反硝化等。以硝化过程为例，适宜的温度有利于促进硝化细菌的生长，从而加快硝化作用速率，增加土壤中硝态氮含量。硝化细菌生长的最适温度范围为5～40 ℃；温度为0～5 ℃时硝化作用完全被抑制[32]。另有实验指出30 ℃时硝化率最高，硝化速率最大；20 ℃对硝化作用有一定抑制[33]。另一方面，温度通过影响土壤中的水分运动，间接影响土壤中硝态氮的累积和淋溶。当土壤含水率相同时，随着温度升高，土壤水吸力降低，相同条件下土壤持水能力降低，土壤水势升高，使得水分向上运动[34]，从而引起硝态氮的表聚现象。

水分对设施土壤硝态氮累积的影响主要表现在灌溉和降雨对硝态氮的淋洗作用。水量增加能促进硝态氮的淋洗，使得表层土壤中的硝态氮含量降低。降雨主要作用于设施栽培的休闲期。刘晓军[35]于2006～2007年对夏季休闲期前后陕西杨凌日光温室土壤硝态氮进行研究发现，在休闲期降雨量较少的2006年(65 mm)，种植3、5、10年的温室中0～200 cm土层中硝态氮含量不减反增；降雨量较大的2007年(214 mm)，各温室土壤硝态氮含量均有明显下降。模拟实验也显示，不同模拟降雨量处理时，40 mm模拟降雨量下的土壤淋出液中硝态氮浓度大于20 mm模拟降雨量处理。若灌水不连续，则第一次灌水15～20 d后硝态氮可能出现“表聚”趋势，需要再一次灌水抑制“返盐”[36]。

3.2 施肥

施肥是影响设施土壤硝态氮累积的最直接因素，施氮量、施肥时间、施肥种类等均有不同程度影响。施氮量低于作物最佳氮肥用量时，不会造成硝态氮大量累积，但超过其最高所需氮素后，土壤中硝态氮残留量急剧增加[37]。王秀康[38]研究表明，玉米播种后一个月，硝态氮在其根系下方40 cm处形成一个孤岛，施肥处理的硝态氮含量是不施肥处理的1.65倍。蔡小斌[39]指出，在设施番茄的苗期、盛果期、末果期，高氮处理均会造成根围土壤中硝态氮大量累积，减氮处理则能降低土壤中硝态氮含量。而且对黄瓜减量施用常规施肥50%左右的氮肥并不会降低黄瓜品质[40]。施肥时间也很重要，拖后施氮肥会引起土壤硝态氮含量增加；且基肥多时硝态氮集中在深层，追肥多时则相反[21]。不同种类的肥料在土壤中的淋溶特性不同，故引起土壤垂直剖面上硝态氮的累积差异。在施用纯氮量相等的情况下，不同种类的氮肥淋溶能力为硝酸铵>尿素>碳酸氢铵，因此导致硝态氮最大累积的深度依次减小[37]。施肥过程中加入有机肥能显著减少各深度硝态氮的累积[41]，而氮肥被长期单独施用时，未被利用的氮素有59%左右以硝态氮的形式存在于土壤剖面中[42]。

3.3 耕作制度

不同耕作制度，尤其是连作和轮作对设施土壤硝态氮累积的影响差异明显。轮作能显著减少硝态氮累积，其原理是利用不同作物的氮吸收特性，提高氮素利用率[43]。在施肥完全相同的情况下，连作种植小麦、玉米和苜蓿，硝态氮残留为玉米<苜蓿<小麦[37]；对比“玉米-蔬菜”轮作和“蓖麻-蔬菜”轮作两种模式，玉米轮作能显著减少设施土壤表层的硝态氮含量，而蓖麻作为一种深根耐盐植物，对土壤深层硝态氮的吸收利用优于玉米[44]。此外，在水稻种植区，“菜-稻轮作”模式的氮肥利用率(65.6%)比仅种植蔬菜(45.1%)高出20.4%[45]。种植豆目植物进行轮作也可以有效减少设施菜地硝态氮含量[46]。

3.4 其他因素

土壤性状如土壤质地可以通过影响土壤的通气状况改变有机氮的矿化作用和铵态氮的硝化作用；土壤结构决定土壤的透水性质，从而影响硝态氮随水分在土壤剖面上的分布[12]。作物对土壤中硝态氮累积的影响表现在不同作物对硝态氮的吸收能力以及同一种作物在不同生长时期对硝态氮的需求差异上[37]。对地表进行覆盖能明显减少土壤中硝态氮含量，且覆草(如稻草、秸秆等)处理比覆膜处理效果更显著[47]。此外，种植密度[41]、耕作方式[48,49]等均在一定程度上影响着土壤硝态氮的累积。

4 设施土壤硝态氮累积的综合治理

实验表明，设施土壤硝态氮含量与土壤总含盐量呈显著正相关[48]、与土壤pH值成显著负相关[50]，说明硝态氮累积容易引起土壤酸化、盐渍化。此外，土壤中硝态氮含量过高还可能促进硝态氮的淋溶，威胁地下水水质[29]。因此有必要对硝态氮累积严重的设施土壤进行综合治理。

4.1 水肥管理

施肥上，在不降低作物产量和品质的前提下，可以适当减少无机氮肥施用量[40]。另一方面，推荐采用无机肥和有机肥配施的优化施肥方法[51,52]，二者比例合适时不仅能减少土壤硝态氮残留，提高作物产量[10]，还能补充土壤磷素[52]。灌溉方式上，目前比较提倡滴灌和渗灌[22]。二者均能有效降低土壤中盐分累积，减缓土壤盐渍化趋势[22]，且滴灌效果好于渗灌[53]。当前，欧美等农业发达国家大面积推广的是一种结合灌溉和施肥于一体的技术——滴灌施肥。该方法在不减少经济效益的情况下，对减小氮肥投入量和减轻硝态氮残留作用显著[54]。

4.2 农业措施

农业耕作方面可以采用多种作物轮作的耕作制度，并对地表进行覆草或覆膜。此外在前后两季主要作物之间的空隙种植填闲作物也有显著效果[55～57]，可以选择甜玉米、甜高粱、苋菜等，以甜玉米的效果最为显著[55]。但是填闲作物对下茬作物的产量影响仍有争议[58]。

4.3 生化措施

生化措施如施用微生物菌肥、加入碳调理剂等，通过促进硝态氮转化为铵态氮和有机态氮，从而减少硝态氮在土壤中的累积[59]。

5 结论

设施土壤中硝态氮含量显著高于露天栽培。随着设施栽培年限增加，土壤硝态氮含量先增加后降低，一般在连作4～10年间达到峰值。硝态氮在设施土壤垂直剖面上有向表层积聚和向底层迁移两种运动，总体上其含量从表层至底层呈减小趋势。设施栽培过程中，水热条件、施肥状况、耕作制度、土壤性状、作物状况等因素均影响着硝态氮的累积。硝态氮累积是引发设施土壤酸化和盐渍化的重要原因，可以通过有机肥和无机肥配施、滴灌施肥等水肥管理措施，多种作物轮作的耕作制度，用地膜、秸秆、稻草等对地表进行覆盖，加入合适的土壤调理剂或施用微生物菌肥等方法减小设施土壤硝态氮累积。

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