水分對不同栽培年限日光溫室土壤氮礦化的影響

王士超，陳竹君，周建斌，賴春香

(西北農林科技大學資源環(huán)境學院/農業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

近年來，我國設施農業(yè)的面積已從0.53×104hm2(1980年)增加到410.9×104hm2(2015年)，其中設施蔬菜的面積已達386×104hm2，且仍以每年10%的速度增加[1-2]，設施栽培已成為不少地區(qū)調整農業(yè)產業(yè)結構的主要產業(yè)，其中日光溫室栽培在我國北方地區(qū)設施栽培中占有重要地位。

日光溫室栽培下過量施肥問題突出，其中以過量施用氮肥問題尤為嚴重[3]。一些地區(qū)日光溫室蔬菜栽培每年氮肥用量已超過2 700 kg·hm-2，是蔬菜需求量的3～5倍[4-5]。過量施用氮肥導致土壤硝態(tài)氮大量累積[6]，引起地下水硝酸鹽含量超標，增加了溫室氣體N2O釋放等。因此，日光溫室栽培下如何合理施用氮肥，是這一集約化程度較高的栽培方式下養(yǎng)分管理研究的重要問題。

土壤中的氮素約95%以上以有機態(tài)形式存在，而作物吸收的氮素主要為礦質氮[7]。因此，土壤有機氮的礦化特性及影響因素與其氮素供應密切相關[8-12]。影響土壤氮素礦化的因子很多，包括土壤有機質含量、水分[13-19]、溫度[20]和土壤類型等。國內外在這一方面已進行了大量的研究，而已有的研究主要集中在農田土壤、林地[21-22]和草地[23]，對日光溫室蔬菜土壤氮礦化的研究相對較少。

日光溫室栽培下大量施用有機肥，土壤有機質含量明顯高于一般農田土壤，且隨栽培年限的增加，土壤有機質含量逐漸增加[24-26]。另外，日光溫室栽培下土壤的水熱條件也與一般農田存在很大的差別。因此，研究水分對不同年限日光溫室土壤氮礦化的影響，對這一栽培系統(tǒng)氮素管理具有重要的理論和現實意義。

為此，本研究以陜西楊凌日光溫室中不同栽培年限的土壤為對象，采用室內培養(yǎng)法研究了水分對日光溫室不同栽培年限土壤氮素礦化的影響，旨在為日光溫室蔬菜生產中合理施用氮肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西楊凌農業(yè)高新科技示范區(qū)大寨、五泉2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，屬大陸性季風氣候，海拔520 m，年均降水量約620 mm，集中于7-9月，年均溫為12.9℃，土壤為塿土。定點取樣的日光溫室建于2009、2010年，單個溫室面積多在350～700 m2之間。種植的蔬菜品種為番茄，一般每年10月份左右定植，第二年6月底拉秧；番茄產量多在100～180 t·hm-2，平均為145 t·hm-2 [27-28]。

由于建棚時將原農田土壤的表層土移走用于堆砌保溫土墻，因此，新建溫室表層土壤養(yǎng)分含量較低。其中有機質 8.3 g·kg-1、全氮 0.59 g·kg-1、硝態(tài)氮21.2 mg·kg-1、速效磷11.5 mg·kg-1和速效鉀149 mg·kg-1。生產中有機肥用量高，施用有機肥以雞糞和牛糞為主，少數農戶施用豬糞、沼渣及羊糞，每年施用量為142 t·hm-2。化肥氮、磷及鉀肥用量分別為690、720 kg·hm-2及759 kg·hm-2，其中氮肥、鉀肥部分作基肥施用，其余的作追肥分次(5～7次)施用，磷肥和有機肥作基肥于整地前一次施入。日光溫室肥料用量詳見表1。

1.2 試驗設計

供試土壤：選擇3個2009年新建日光溫室土壤作為研究對象，于種植前、種植第二年和第三年后(2009、2011年和2012年)，每年6月下旬在種植的蔬菜收獲后，分別采0～20 cm及20～40 cm兩層次土壤樣品，每個溫室取3個點，同一土層混合組成一個土樣。剔除番茄根茬，樣品風干后過1 mm篩，用于培養(yǎng)試驗。供試土壤的基本理化性質見表2。

試驗方案：試驗設栽培年限和土壤濕度兩個研究因素，其中土壤濕度水平為田間持水量的60%、80%及100%(60FC、80FC、100FC)3個水平，栽培年限包括0年(0 a)、2年(2 a)和3年(3 a)3個水平，共組成9個處理，每個處理重復3次。

稱取過1 mm孔篩的風干土樣100.0 g于300 ml的塑料瓶中，用封口膜封口，置于25℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。每3～4天稱重1次，補加損失的水分。分別在培養(yǎng)的第0、3、7、14、28、42、56、70天及84天，從每個處理的各個重復中取出5.0 g新鮮土樣，測定土壤礦質氮含量。

表1 日光溫室養(yǎng)分投入情況/(kg·hm-2)

表2 供試土壤理化性質

注：同列數據后不同字母表示處理間差異達P<0.01顯著水平。

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

1.3 測定項目與方法

土壤氮素表觀礦化量=培養(yǎng)后無機氮含量—培養(yǎng)前無機氮含量

土壤氮礦化過程用單因素指數模型模擬：

Nt=N0(1-ek0t)

式中,Nt是培養(yǎng)時間t時氮礦化量(mg·kg-1);N0是礦化勢(mg·kg-1)，k0為礦化速率常數。

1.4 數據處理

用SAS for Windows(version 8.0)進行方差分析、顯著性測驗，用Sigmaplot(version 12.0)繪制圖形。

2 結果與分析

2.1 水分對不同栽培年限日光溫室土壤銨態(tài)氮含量的影響

圖1A顯示，隨著培養(yǎng)時間的延長，耕層(0～20 cm)土壤銨態(tài)氮含量均呈先增加后降低的趨勢，在培養(yǎng)第1周達到最大值后均有不同幅度的下降；土壤銨態(tài)氮含量隨栽培年限的增加而明顯增加。不同水分處理培養(yǎng)14天后同一年限處理土壤銨態(tài)氮含量的差異變小。同時，土壤銨態(tài)氮含量隨含水量升高的變化差異較小。20～40 cm 土層土壤銨態(tài)氮含量的變化趨勢與耕層基本一致，且同一年限處理土壤銨態(tài)氮含量均低于0～20 cm土層。

2.2 水分對不同栽培年限日光溫室土壤硝態(tài)氮含量的影響

從圖2可以看出，耕層0～20 cm土層各處理土壤累積硝態(tài)氮量均隨培養(yǎng)時間延長呈增加趨勢，3個栽培年限的溫室土壤累積硝態(tài)氮量均隨含水量升高而增加，但含水量增加到100FC時，土壤硝態(tài)氮含量反而下降。在60FC～100FC范圍內礦化84 d后土壤中硝態(tài)氮含量大小順序為3 a>2 a>0 a。培養(yǎng)結束后，3 a土壤硝態(tài)氮含量達156.05 mg·kg-1(60 FC)、172.03 mg·kg-1(80 FC)、186.41 mg·kg-1(100 FC)，分別比2 a、0 a處理高出88.24%、72.69%、79.32%和40.74%、56.79%、64.25%。20～40 cm土層土壤硝態(tài)氮含量變化趨勢與耕層(0～20 cm)土壤一致。

2.3 水分對不同栽培年限日光溫室土壤氮礦化量的影響

圖3顯示，隨著培養(yǎng)時間的延長，耕層(0～20 cm)土壤累積礦化氮量呈增加趨勢，且栽培年限越長，土壤累積礦化氮量越高。種植前，60FC、80FC及100FC處理土壤累積礦化氮量分別為17.60、24.28 mg·kg-1和19.06 mg·kg-1；與種植前相應水分水平相比，2 a溫室60FC、80FC及100FC處理土壤累積凈礦化氮量分別提高了2.55、1.89倍和1.90倍，3 a溫室土壤累積凈礦化氮量分別提高了2.96、2.51倍和3.06倍。

不同含水量同一栽培年限土壤相比，隨著土壤含水量的增加，土壤累積礦化氮量隨之增加，但當含水量為100FC時，累積礦化氮量反而降低。土壤含水量為60FC時，0 a、2 a和3 a處理土壤累積凈礦化氮量分別為17.06、44.90 mg·kg-1和52.10 mg·kg-1；80FC時，0 a、2 a和3 a處理土壤累積凈礦化氮量分別提高了42.32%、2.54%和17.16%；100FC時，0 a、2 a和3 a處理土壤累積凈礦化氮量分別較80FC降低了21.49%、21.29%和4.52%，土壤含水量和栽培年限對累積凈礦化氮量呈正交互作用，但未達到顯著水平(P>0.05)。20～40 cm土壤累積礦化氮量的變化趨勢與耕層土壤基本一致。同一栽培年限溫室20～40 cm土層土壤累積礦化氮量均低于0～20 cm土層。

圖1 不同水分和栽培年限條件下土壤銨態(tài)氮含量的變化Fig.1 Changes in concentration from different soils in solar greenhouse under different soil moisture and cultivation year treatments

圖2 不同水分和栽培年限條件下土壤硝態(tài)氮含量的變化Fig.2 Changes in concentration from different soils in solar greenhouse under different soil moisture and cultivation year treatments

2.4 土壤氮素礦化模型

從表3可以看出，耕層(0～20 cm)土壤氮礦化勢N0隨溫室蔬菜栽培年限延長而增加。2 a和3 a溫室土壤氮素礦化勢與種植前相比差異均達到了顯著水平。就k0值而言，處理間差異不大。土壤含水量由60FC增加到80FC時，同一年限處理土壤氮礦化勢隨之增加。而80FC增加到100FC時，土壤氮礦化勢反而減小。除2 a外，同一年限不同含水量土壤氮礦化勢差異均達到顯著水平。

20～40 cm土層土壤氮礦化勢的變化趨勢與耕層基本一致，但當土壤含水量相同時，2 a處理與種植前相比土壤氮礦化勢差異未達到顯著水平，且同一年限不同含水量處理間差異均不顯著。相同年限和含水量處理土壤氮礦化勢表現為：0～20 cm > 20～40 cm，說明年限長的溫室土壤供氮潛力也大，適宜的含水量(80FC)能促進土壤氮礦化過程，含水量(100FC)過高會抑制土壤氮素礦化。

圖3 不同水分和栽培年限條件下土壤累積礦化氮量的變化趨勢Fig.3 The cumulative N mineralization from different soils in solar greenhouse under different soil moisture and cultivation year treatments

土層/cmSoil layer處理Treatment60 FCN0/(mg·kg-1)k080 FCN0/(mg·kg-1)k0100 FCN0/(mg·kg-1)k00～20種植前(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種植前(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：不同大寫字母代表同一含水量不同年限土壤氮礦化勢差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母代表不同含水量同一年限土壤氮礦化勢差異顯著(P<0.05)。N0為土壤氮礦化勢，k0為礦化速率常數。

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 土壤氮礦化勢與有機質、全氮含量的關系

由圖4可以看出，不同土壤含水量條件下土壤氮礦化勢與有機質及全氮含量呈極顯著正相關關系，土壤含水量為80FC時，土壤氮礦化勢大于60FC和100FC處理。從回歸模型的結果來看，土壤有機質含量每增加1 g·kg-1，60FC、80FC、100FC土壤含水量條件下土壤氮礦化勢分別增加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，土壤氮礦化勢分別增加28.93、33.42 mg·kg-1和27.82 mg·kg-1。

圖4 土壤氮素礦化勢(N0)與有機質、全氮含量的關系Fig.4 The relationships between soil nitrogen mineralization potential (N0) and organic matter, total N in soils

3 討 論

3.1 含水量對土壤氮礦化的影響

本研究表明，室內培養(yǎng)條件下隨著含水量的增加，土壤累積礦化氮量呈增加趨勢，但當含水量達到100FC時，氮礦化累積量反而降低。由單因素指數模型對土壤累積礦化氮量擬合得到土壤氮礦化勢的結果也可以看出，在80FC處理下0～20 cm土層土壤氮礦化勢均顯著高于60FC和100FC處理。其他學者研究也表明，土壤含水量為85FC時，土壤礦化氮量達到峰值[29]；土壤含水量為80～100FC時，土壤凈氮礦化率與含水量呈負相關關系[30]。這與土壤微生物活動最適宜的土壤含水量為田間持水量的60%～80%有關[26]。當含水量超過一定范圍時，土壤厭氧微生物作用增強，還會使無機氮以氣體形式損失。因此，在日光溫室栽培中控制適宜的水分供應，不僅對作物生長有利，也會促進土壤有機氮的礦化作用，增加土壤有效氮的供應。

我國日光溫室栽培中不僅存在“大肥”問題(過量施肥)，還存在“大水”問題(過量灌水)[31]。據羅勤等在陜西楊凌日光溫室的研究[32]，溫室小型西瓜整個生育期灌溉量在農戶常規(guī)灌水量基礎上減量20%處理，土壤0～20 cm和20～50 cm土層水分含量均已達到或超過田間持水量，說明當地溫室過量灌溉問題突出。過量灌溉導致養(yǎng)分淋溶損失。同時，由本研究結果看，水分含量過高，也會對土壤氮素礦化作用產生抑制，進而影響作物氮素供應。因此，應有效控制日光溫室水分的供應。

3.2 栽培年限對土壤氮礦化的影響

本研究發(fā)現，隨日光溫室栽培年限的增加，土壤礦化氮量明顯增加。這是由于日光溫室蔬菜栽培條件下，長期大量施用有機肥，導致溫室土壤有機質和全氮含量提高。我們對該研究區(qū)域170多個新建日光溫室施肥狀況的調查發(fā)現，氮、磷、鉀肥投入量分別為690、720 kg·hm-2和745 kg·hm-2，均嚴重過量，其中磷、鉀肥施用量超過磷、鉀肥推薦量118%和103%[33]，說明新建日光溫室存在養(yǎng)分過量投入問題。隨著種植年限的增加，土壤養(yǎng)分累積量也隨之增加。種植三年后，0～100 cm土壤硝態(tài)氮累積量超過了種植前的5倍[24]。本研究中，種植第二年和第三年溫室土壤0～20 cm土層有機質和全氮含量分別較種植前提高了62.06%、38.16%和205.59%、122.37%。高佳佳等[27]對研究區(qū)域日光溫室土壤養(yǎng)分定點監(jiān)測的結果也證明，栽培年限長的溫室土壤有機質和全氮含量高于年限短的溫室。栽培13 a的溫室土壤全氮含量可比種植前提高2倍[34]。由于土壤有機質和全氮含量與氮礦化勢呈極顯著正相關關系，因此，隨栽培年限的增加，溫室土壤凈礦化氮量和氮礦化勢明顯提高。我們的研究同時發(fā)現，栽培年限長的溫室20～40 cm土層土壤氮礦化勢也明顯增加。這與日光溫室栽培大量施用有機肥，導致有機物向土壤下層移動有關。

隨日光溫室栽培年限的增加，土壤氮礦化量明顯增加。因此，在日光溫室氮素管理中，對種植年限長的溫室，應適當降低氮肥的施用，以避免氮素的過量投入。雖然本研究中土壤含水量和栽培年限對累積凈礦化氮量的交互作用未達顯著水平，但對栽培年限長的溫室，由于土壤養(yǎng)分特別是硝態(tài)氮累積量高，控制水分的供應，也是提高溫室氮素利用率、減少氮素損失的途徑之一。

4 結 論

土壤水分含量由田間持水量的60%增加到80%，土壤累積礦化氮量呈增加趨勢，但當含水量達到田間持水量的100%時，土壤礦化氮量反而降低。隨日光溫室栽培年限的增加，土壤礦化氮量明顯增加；栽培年限長的溫室20～40 cm土層土壤氮礦化勢也明顯增加。雖然本研究中土壤含水量和栽培年限對累積凈礦化氮量的交互作用未達到顯著水平，但對栽培年限長的溫室，由于土壤養(yǎng)分特別是硝態(tài)氮累積量高，生產中應有效控制水分供應，避免過量灌水影響有機氮的礦化及帶來的氮素淋失問題。