設(shè)施種植年限對(duì)土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮及硝化強(qiáng)度的影響

潘飛飛　張偉豪　孫壯　唐蛟　陳碧華

摘? ? 要：為了解設(shè)施蔬菜種植年限對(duì)土壤礦質(zhì)氮含量及硝化強(qiáng)度的影響及各指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系，以露地菜田土壤（0年）為對(duì)照，以不同種植年限設(shè)施菜田土壤（5、10、15、20年）為供試土壤，分別測(cè)定其銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量及硝化強(qiáng)度，以明確設(shè)施蔬菜種植年限對(duì)土壤自身速效養(yǎng)分供應(yīng)能力的影響，為不同年限設(shè)施菜田定點(diǎn)施肥管理措施的制定提供依據(jù)。結(jié)果表明，無(wú)論是露地栽培還是設(shè)施栽培，0～20 cm土層的土壤銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量和硝化強(qiáng)度均高于相同種植年限20～40 cm土層，且設(shè)施種植年限越長(zhǎng)，礦質(zhì)氮的表聚特征越明顯。與露地菜田相比，相同土層各設(shè)施菜田土壤的礦質(zhì)氮含量均顯著提高，隨種植年限的增加，呈先升后降的趨勢(shì)，0～20 cm土層礦質(zhì)氮含量（w，后同）于15年時(shí)達(dá)最大值513.45 mg·kg^-1，20～40 cm土層礦質(zhì)氮含量于10年時(shí)達(dá)最大值353.21 mg·kg^-1。硝化強(qiáng)度與銨態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)，除種植年限為15年的設(shè)施菜田外，其余設(shè)施菜田土壤的硝化強(qiáng)度均高于相同土層露地菜田土壤，以10年設(shè)施菜田最大。應(yīng)減少設(shè)施菜田氮肥投入，并控制其硝化強(qiáng)度，避免蔬菜產(chǎn)品及地下水的硝酸鹽污染。

關(guān)鍵詞：設(shè)施菜田；種植年限；銨態(tài)氮；硝態(tài)氮；硝化強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：S606+.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-2871（2023）05-109-06

Effects of planting years on soil ammonium nitrogen， nitrate nitrogen and nitrification intensity in protected vegetable fields

PAN Feifei ZHANG Weihao SUN Zhuang TANG Jiao CHEN Bihua

（1. School of Horticulture and Landscape Architecture， Henan Institute of Science and Technology， Xinxiang 453003， Henan， China; 2. Henan Province Engineering Research Center of Horticultural Plant Resource Utilization and Germplasm Enhancement， Xinxiang 453003， Henan， China; 3. School of Resources and Environment， Henan Institute of Science and Technology， Xinxiang 453003， Henan，China）

Abstract： To understand the effect of protected vegetable planting years on soil mineral nitrogen content， nitrification intensity as well as the correlativity between them， soil samples from different years of protected vegetable planting（0， 5， 10， 15 and 20 years）were collected for the determination of soil ammonium nitrogen content， nitrate nitrogen content and nitrification intensity. The object of this experiment was to clarify the influence of protected vegetable planting years on soil N supply capacity， providing basis for the establishment of site-specific fertilization management measures in protected vegetable fields with different planting years. The results showed that the contents of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen as well as the nitrification intensity in 0-20 cm soil layer were higher than those in 20-40 cm soil layer， with the surface accumulation of mineral nitrogen more obvious in protected vegetable fields with longer planting years. Compared with open field， soil mineral nitrogen content in protected vegetable fields was significantly higher， showing a trend of first increase and then decrease with the increasing years of protected vegetable cultivation. The contents of mineral nitrogen in 0-20 cm and 20-40 cm soil layers reached the maximum（513.45 mg·kg^-1and 353.21 mg·kg^-1）in soil with 15 years and 10 years of protected cultivation， respectively. The nitrification intensity was significantly higher than that in the open field （except for the facility field with 15 years of planting）in the above two soil layers， with the maximum occurred in soil with 10-year protected cultivation. A significant positive correlation between nitrification intensity and ammonium nitrogen content was observed. In summary， nitrogen fertilization should be reduced and nitrification intensity should be controlled in protected vegetable fields to avoid the nitrate pollution of vegetable products and groundwater.

Key words： Protected vegetable field; Planting years; Ammonium nitrogen; Nitrate nitrogen; Nitrification intensity

土壤中的氮主要以有機(jī)和無(wú)機(jī)兩種形態(tài)存在，而無(wú)機(jī)氮作為作物根系吸收氮素的主要形式，在土壤中主要以銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的形態(tài)存在，二者含量的高低能夠反映土壤的氮素供應(yīng)狀況[1]。硝化作用是氨或銨鹽通過(guò)硝化細(xì)菌的作用被氧化為硝酸鹽和亞硝酸鹽的過(guò)程，雖然能夠消耗土壤中存在的銨態(tài)氮，減少氨的揮發(fā)損失，但形成的硝態(tài)氮極易遭受淋洗損失并污染水體，在灌水過(guò)多或局部厭氧的條件下，又容易發(fā)生反硝化作用產(chǎn)生氮氧化物，以氣體的形式從土體損失并污染大氣[2-3]。可見，不論是銨態(tài)氮、硝態(tài)氮，還是硝化作用，在土壤氮素轉(zhuǎn)化、作物供應(yīng)及環(huán)境損失方面都占據(jù)重要位置并發(fā)揮重要作用。

已有研究結(jié)果表明，土壤礦質(zhì)氮含量（銨態(tài)氮+硝態(tài)氮）受施肥、管理措施的影響較大[4-5]。設(shè)施蔬菜由于施肥量大，有機(jī)肥、無(wú)機(jī)肥配合施用，且經(jīng)常大水漫灌，土壤理化性質(zhì)與露地菜田相比有很大差異。盡管前人對(duì)包括礦質(zhì)氮在內(nèi)的土壤各種理化性狀隨設(shè)施種植年限的變化規(guī)律開展了大量研究[6-8]，但極少研究土壤硝化作用的強(qiáng)弱隨種植年限的變化規(guī)律，或?qū)⑵渑c土壤銨態(tài)氮含量和硝態(tài)氮含量聯(lián)系在一起。楊艷菊等[9]研究了設(shè)施西瓜土壤凈硝化速率隨種植年限的變化規(guī)律，結(jié)果顯示，土壤凈硝化速率隨設(shè)施種植年限的延長(zhǎng)呈極顯著提高的趨勢(shì)。趙輝等[10]研究指出，設(shè)施蔬菜種植年限對(duì)參與硝化作用的微生物菌群有顯著影響，其中土壤pH值、銨態(tài)氮含量及硝態(tài)氮含量是這些微生物豐度和活性變化的主要影響因素。因此，有必要進(jìn)一步探究土壤硝化作用的強(qiáng)弱隨設(shè)施蔬菜種植年限的變化趨勢(shì)及其與土壤銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量的相關(guān)關(guān)系，并分析其可能的影響機(jī)制。

筆者選取新鄉(xiāng)周邊5個(gè)不同種植年限設(shè)施菜田土壤（0、5、10、15、20年），分別測(cè)定其銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量以及硝化強(qiáng)度，分析各指標(biāo)間的相關(guān)性及隨設(shè)施種植年限的變化規(guī)律，以明確設(shè)施蔬菜種植年限對(duì)土壤自身速效養(yǎng)分供應(yīng)能力的影響，為不同年限設(shè)施菜田定點(diǎn)施肥管理方案的制定提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于新鄉(xiāng)市牧野區(qū)朱莊屯村，地處新鄉(xiāng)市區(qū)中北部。該區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明、冬寒夏熱。年平均氣溫14 ℃，其中每年7月最熱，平均最高氣溫為27.3 ℃，1月最冷，平均最低氣溫為0.2 ℃。年平均降雨量573.4 mm，主要集中在夏季，可占全年總降水量的72%左右。年平均濕度68%，無(wú)霜期220 d。該區(qū)大棚以單棟拱圓形竹木結(jié)構(gòu)塑料大棚為主，南北延長(zhǎng)，實(shí)行早春茬黃瓜-秋冬茬番茄周年輪作制度，單畦雙行栽培。

1.2 土壤樣品采集和測(cè)定

在該區(qū)選取一塊露地菜田（種植綠葉菜）作為設(shè)施種植年限為0年的對(duì)照，另外，臨近選取4個(gè)不同種植年限的塑料大棚（均由露地綠葉菜種植改為設(shè)施栽培，早春茬黃瓜-秋冬茬番茄周年輪作），截止到2021年7月早春茬黃瓜（油亮抗病16-1，由北京中農(nóng)綠亨種子科技有限公司提供）拉秧，設(shè)施種植年限分別達(dá)到5、10、15、20年。鑒于不同種植年限塑料大棚彼此間相距較近，不存在土壤類型的差異，因而不會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果。

于2021年7月7日早春茬黃瓜拉秧后，將各種植年限菜地隨機(jī)分為3個(gè)小區(qū)，隨機(jī)排列，小區(qū)面積340 m2（20 m×17）m，每個(gè)小區(qū)內(nèi)依“S”形路線多點(diǎn)混合采集0～20 cm和20～40 cm土層的土壤樣品，每個(gè)樣地各得到6個(gè)混合土樣，裝入帶編號(hào)的自封袋內(nèi)，帶回實(shí)驗(yàn)室。將不同設(shè)施種植年限的新鮮土樣，一部分置于鋁盒內(nèi)，采用烘干法[11]測(cè)定土壤含水量；另一部分過(guò)2 mm篩，測(cè)定土壤銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量和硝化強(qiáng)度。其中，采用靛酚藍(lán)比色法[11]測(cè)定土壤銨態(tài)氮含量；采用紫外分光光度法[11]測(cè)定硝態(tài)氮含量；采用重氮化偶合分光光度法[11]測(cè)定硝化強(qiáng)度。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行單因素方差分析（Duncan新復(fù)極差法），柱狀圖中的數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 設(shè)施種植年限對(duì)土壤礦質(zhì)氮含量的影響

由圖1可知，相同土壤年限，0～20 cm土層的土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均高于20～40 cm土層，且在0～15年種植年限范圍內(nèi)，隨設(shè)施種植年限的增加，兩土層之間的含量差隨之增加。其中，露地菜田土壤0～20 cm土層的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別為20～40 cm土層的1.23倍和1.21倍，至種植年限為20年時(shí)，分別增加了4.31倍和1.45倍。各設(shè)施菜田土壤0～20 cm的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均普遍高于露地菜田土壤，其中，15年和20年設(shè)施菜田土壤0～20 cm土層的銨態(tài)氮含量顯著高于露地菜田，各設(shè)施菜田土壤的硝態(tài)氮含量均顯著高于相同土層的露地菜田。

在0～20 cm土層，隨設(shè)施種植年限的增加，土壤銨態(tài)氮含量呈逐漸增加趨勢(shì)，至種植年限為20年時(shí)達(dá)最大值；土壤硝態(tài)氮含量則呈先升高后稍有降低趨勢(shì)，于種植年限為15年時(shí)達(dá)到最大，回歸方程的決定系數(shù)均達(dá)顯著水平。在20～40 cm土層，土壤銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量均呈現(xiàn)隨設(shè)施種植年限的增加先升高后降低的趨勢(shì)，均于種植年限為10年時(shí)達(dá)到最大。

各種植年限菜田土壤的硝態(tài)氮含量遠(yuǎn)高于其銨態(tài)氮含量，前者變化在117.90～493.83 mg·kg^-1，后者變化在7.13～25.54 mg·kg^-1?？偟膩?lái)說(shuō)，隨設(shè)施種植年限的增加，0～20 cm和20～40 cm土層的土壤礦質(zhì)氮含量（銨態(tài)氮+硝態(tài)氮）均呈先升高后降低的趨勢(shì)（圖2），并分別于15年和10年達(dá)最大值。各設(shè)施菜田土壤的礦質(zhì)氮含量均顯著高于露地菜田土壤。

2.2 設(shè)施種植年限對(duì)土壤硝化強(qiáng)度的影響

由圖3可知，各種植年限設(shè)施菜田土壤的硝化強(qiáng)度在0～20 cm土層范圍內(nèi)都高于相同年限20～40 cm土層。在相同土層中，除種植年限為15年的設(shè)施菜田外，其余設(shè)施菜田土壤的硝化強(qiáng)度均高于露地菜田土壤，其中以10年設(shè)施菜田土壤硝化強(qiáng)度最大，分別為1.20、1.11 mg·kg^-1·h^-1。在相同土層中，而15年設(shè)施菜田土壤的硝化強(qiáng)度則低于露地菜田土壤，且顯著低于其他設(shè)施種植年限菜田土壤。

2.3 設(shè)施種植年限與土壤礦質(zhì)氮含量及硝化強(qiáng)度的相關(guān)分析

由圖4可知，土壤銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量與設(shè)施土壤種植年限間呈顯著或極顯著正相關(guān)，即隨設(shè)施種植年限的增加，土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量呈增加趨勢(shì)。土壤銨態(tài)氮含量與硝態(tài)氮含量呈極顯著正相關(guān)，與土壤硝化強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)。土壤硝化強(qiáng)度與設(shè)施種植年限呈負(fù)相關(guān)，但差異并不顯著，與硝態(tài)氮含量亦無(wú)顯著相關(guān)性。

3 討論與結(jié)論

作為作物氮素吸收的主要形式，土壤礦質(zhì)氮含量的高低直接決定了作物氮素供應(yīng)的豐缺狀況。筆者的研究結(jié)果表明，各菜田土壤的硝態(tài)氮含量遠(yuǎn)高于其銨態(tài)氮含量，是土壤礦質(zhì)氮存在的主要形式。隨著設(shè)施種植年限的增加，土壤硝態(tài)氮和礦質(zhì)氮含量呈先升高后稍有降低的趨勢(shì)，其中0～20 cm土層土壤硝態(tài)氮和礦質(zhì)氮含量于設(shè)施種植年限為15年時(shí)達(dá)最大值，20～40 cm土層中于種植年限為10年時(shí)達(dá)最大值。這與前人研究結(jié)果基本一致，于淼等[7]、楊園媛等[12]、張敬智等[6]研究認(rèn)為，設(shè)施蔬菜土壤養(yǎng)分隨種植年限的增加不會(huì)持續(xù)累積，而是呈先升高后降低的趨勢(shì)，且隨設(shè)施種植年限的增加，土壤養(yǎng)分變異特征亦趨于穩(wěn)定。而張艷霞等[13]、王學(xué)霞等[14]研究指出，隨設(shè)施蔬菜種植年限的增加，土壤氮素養(yǎng)分呈累積的趨勢(shì)，尤其是速效氮含量。這一研究結(jié)果的差異可能一方面是由于作為研究對(duì)象的設(shè)施菜田的最長(zhǎng)種植年限不同，前者一般多于20年，而后者則一般低于12年，顯然，較長(zhǎng)尺度的研究對(duì)象更能反映真實(shí)情況；另一方面，這可能與不同設(shè)施菜田的施肥管理措施有關(guān)，其中，有機(jī)肥施用種類及施用量將極大程度影響土壤礦質(zhì)氮含量[15-18]。

此外，筆者的研究結(jié)果顯示，同一年限0～20 cm土層的土壤銨態(tài)氮含量和硝態(tài)氮含量均高于20～40 cm土層，且隨設(shè)施種植年限的增加，兩土層之間的礦質(zhì)氮含量差亦隨之增大。說(shuō)明施肥對(duì)表層土壤礦質(zhì)氮含量的影響要大于下層土壤，且隨著設(shè)施種植年限的增加，土壤礦質(zhì)氮含量呈現(xiàn)出表層累積的現(xiàn)象，這一結(jié)論和土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量與種植年限呈顯著或極顯著正相關(guān)的結(jié)果相一致。這一方面是由于設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中有機(jī)、無(wú)機(jī)氮肥的過(guò)量施用，且以表施為主；另一方面，則是由于設(shè)施蔬菜長(zhǎng)期處于相對(duì)密閉的狀態(tài)，環(huán)境中溫度偏高，水分蒸散作用較強(qiáng)，同時(shí)早春茬黃瓜拉秧后設(shè)施內(nèi)不再大量灌水，土壤溶液中的氮素易隨水分向土表遷移，從而發(fā)生養(yǎng)分表層累積的現(xiàn)象[8，19]，設(shè)施種植年限越長(zhǎng)，表層累積特征越明顯。盡管這一水分上移過(guò)程會(huì)造成設(shè)施土壤退化，如次生鹽漬化、酸化、養(yǎng)分失衡等[20]，但也有助于將由大量灌水、施肥所導(dǎo)致的淋溶至下層土體的養(yǎng)分重新帶回到作物主要根系吸收區(qū)。因此，作物拉秧后，可通過(guò)溫度和水分調(diào)控來(lái)運(yùn)作下層土體養(yǎng)分的上行運(yùn)動(dòng)，增加后茬作物對(duì)土壤殘留養(yǎng)分的利用效率，減少氮素養(yǎng)分投入，緩解設(shè)施中因有機(jī)、無(wú)機(jī)氮肥過(guò)量施用所造成的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與環(huán)境污染等問(wèn)題[21]。

硝化作用是由硝化微生物驅(qū)動(dòng)逐步將氨或銨鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的過(guò)程，其中氨氧化細(xì)菌參與硝化過(guò)程的第一步，將氨氧化為亞硝酸鹽，是硝化作用的限制性步驟[22]。已有研究結(jié)果顯示，土壤氨氧化細(xì)菌豐度受土壤銨態(tài)氮含量的影響[23]，設(shè)施菜田由于施肥量大，土壤銨態(tài)氮含量高，且隨種植年限的增加呈表層累積特征，硝化作用的底物較豐富[24]，故硝化作用強(qiáng)度一般較露地菜田要高。這和筆者研究中土壤硝化強(qiáng)度與銨態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)的結(jié)果相一致。同時(shí)，在筆者的研究中，在同一種植年限，各菜田土壤0～20 cm土層的硝化強(qiáng)度均高于20～40 cm土層，這與銨態(tài)氮在兩個(gè)土層中的分布多少相一致，也同樣說(shuō)明了銨態(tài)氮作為底物對(duì)硝化作用的正向誘導(dǎo)作用。陳秋會(huì)[25]進(jìn)一步對(duì)比了露地和設(shè)施菜田土壤的硝化特征及相關(guān)微生物，結(jié)果顯示，設(shè)施菜田土壤的硝化勢(shì)和氨氧化細(xì)菌數(shù)量明顯高于露地菜田，且土壤硝化勢(shì)與氨氧化細(xì)菌數(shù)量、銨態(tài)氮含量均呈顯著正相關(guān)，這與筆者的研究結(jié)果一致，在0～20 cm和20～40 cm土層，除種植年限為15年的設(shè)施菜田外，其余設(shè)施菜田土壤的硝化強(qiáng)度均高于相同土層露地菜田土壤，且均以10年設(shè)施菜田為最大。

鑒于設(shè)施菜田中礦質(zhì)氮以硝態(tài)氮為主，且隨種植年限的增加呈現(xiàn)出表層累積特征，易造成收獲物中硝酸鹽超標(biāo)，影響蔬菜品質(zhì)[26]。在實(shí)際生產(chǎn)中，更應(yīng)控制根區(qū)土壤的硝化強(qiáng)度，防止硝態(tài)氮庫(kù)容的進(jìn)一步增加，加劇蔬菜產(chǎn)品和地下水的硝酸鹽污染風(fēng)險(xiǎn)。目前市面上已開發(fā)了種類繁多的硝化抑制劑，如2-氯-6-三甲基吡啶、3，4-二甲基吡唑磷酸鹽、雙氰胺等[27-28]，對(duì)硝化作用都有很好的抑制效果，還可減少硝態(tài)氮的淋溶損失[29]，可用于設(shè)施生產(chǎn)，尤其是種植年限較長(zhǎng)的設(shè)施菜田。

綜上所述，在相同種植年限，各菜田土壤0～20 cm土層的土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均高于20～40 cm土層，且截至15年，隨著設(shè)施種植年限越長(zhǎng)，兩土層之間的礦質(zhì)氮含量差越大，表層累積特征越明顯。與露地菜田相比，各土層設(shè)施菜田土壤的礦質(zhì)氮含量均顯著提高，且隨設(shè)施種植年限的增加，呈先升高后降低的趨勢(shì)，0～20 cm和20～40 cm土層礦質(zhì)氮含量分別于15年和10年時(shí)達(dá)最大值。

硝化強(qiáng)度與銨態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)。0～20 cm土層的硝化強(qiáng)度亦均高于相同種植年限20～40 cm土層。除種植年限為15年的設(shè)施菜田外，其余設(shè)施菜田土壤的硝化強(qiáng)度均高于相同土層露地菜田土壤，其中以10年設(shè)施菜田土壤硝化強(qiáng)度最大。

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