2021, Vol. 29
2. 沈阳农业大学农学院 沈阳 110161;
3. 中国农业大学资源与环境学院 北京 100193
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XIE Liyong2,
ZHENG Yimin1,2,
LI Ming1,
WEI Na1,
LI Yingchun1,
JU Xiaotang3,
GUO Liping1
2. College of Agronomy, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China;
3. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China
随着我国城镇化进程及国民生活水平的提高, 对蔬菜的需求量不断增加[1]。蔬菜作物根系浅, 吸收土壤中矿质养分及水分的能力弱, 施肥和灌溉是保证蔬菜高产稳产的必要措施[2]。然而, 菜农在蔬菜生产过程中过量施用化肥的现象比较普遍, 化肥的高投入不仅没有增加农民的经济效益[3], 还降低了肥料利用率, 导致土壤中硝酸盐累积量增大, 随水淋溶至深层土壤, 对地下水的质量造成巨大威胁[3-4]。因此, 研究及筛选适合高产高效绿色蔬菜生产的水肥管理措施对指导科学施肥和提高资源利用效率以及保护环境有积极作用[5]。
旱地土壤中主要的无机氮形态——硝态氮由于带负电而无法被同样带负电的土壤腐殖质所吸附, 很容易随水流失, 造成淋溶损失[6-7]。已有研究表明施肥、降雨和灌溉、土壤特性、耕作方式、作物种类和种植方式等均会对氮素淋溶产生影响[8], 施用生物炭[9]、硝化抑制剂[10]、秸秆还田[11]等也对减少肥料氮淋溶起一定作用。研究表明, 生物炭具有强大的比表面和丰富的有机基团, 能够通过增加土壤持水能力减少淋溶体积, 以及通过吸附铵态氮、减少硝化作用产生的硝态氮来减少氮素淋溶[12]。硝化抑制剂通过抑制土壤中铵态氮向硝态氮的转化而减少氮淋溶[13]。秸秆还田能够提高土壤碳氮比, 秸秆腐解过程中可以固存一定量的土壤无机氮, 从而防止无机氮的损失[14]。水分在硝态氮淋失过程中发挥着载体作用, 降雨量和灌溉量越大, 淋溶液中的硝态氮淋失风险越高[15], 氮淋溶总量由淋溶液体积和淋溶液中的氮素浓度共同决定[16], 所以适当降低灌溉量和减少氮肥施用量是减少氮淋溶的关键。但目前一些试验在监测周年氮淋溶, 包括非生长季氮淋溶方面不够全面, 或者仅针对某一季蔬菜作物进行监测, 全面监测不同措施对露地菜地周年氮淋溶方面的研究还比较缺乏。
我国褐土土类面积约454万hm2, 主要分布在山西、陕西、河南及京津冀鲁的部分地区, 褐土有5个亚类, 包括石灰性褐土、潮褐土、褐土、褐土性土、淋溶褐土, 分别占褐土总面积的36.8%、26.2%、14.2%、12.3%和10.6%, 其中潮褐土在河北分布较多(根据中国第2次土壤普查数据整理)。河北省现有露地蔬菜面积6.7万hm2, 主要种植黄瓜(Cucumis sativus)、番茄(Lycopersicon esculentum)、菜花(Brassica oleracea var. botrytis)、甘蓝(Brassica oleracea)、白菜(Brassica pekinensis)、萝卜(Raphanus sativus)等, 年产各类鲜菜300万t。潮褐土蔬菜区属于全国蔬菜区划6大区中的黄土高原夏秋蔬菜优势区及黄淮海与环渤海蔬菜区。我们在北京、河北、河南3省(市)共29个褐土样点的实地取样测定, 露地菜地土壤养分普遍高于玉米(Zea mays)地, 露地菜地每季的氮磷钾肥用量分别比相邻玉米地高2.7~4.5倍、1.2~4.0倍及1.5~6.6倍[17], 在雨季及灌溉条件下过量的氮素随水淋溶对地下水质量会造成威胁[18]。
本文在河北潮褐土区设置典型露地菜地大田试验, 研究控水、减氮、改肥(施用改良剂-抑制剂、生物炭、秸秆还田)等不同水肥管理措施对华北潮褐土区露地一年两季蔬菜全年土壤氮素淋溶的影响及阻控作用, 以筛选合适的水肥管理措施, 提高氮肥利用效率、降低氮淋溶损失和对地下水污染的风险, 为蔬菜绿色生产的水肥管理提供科学指导。
1 材料与方法 1.1 试验地点田间试验设在河北省保定市清苑区(115.45°E、38.71°N), 该地区属典型温带大陆性季风气候, 年均温差较大, 平原地区最热月7月平均气温为27 ℃, 平原地区最冷月1月的平均气温为-3 ℃年, 年均降水量在500 mm左右, 其中7—8月份降水占全年降水量的60%左右。2018年冬前露地蔬菜收获后到2019年第2季蔬菜结束的周年气温及降水如图 1所示。
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图 1 试验期间每日气温和降水量(从上一年蔬菜收获开始算起) Fig. 1 Daily mean temperature and precipitation during the experimental period (started since the harvesting of last vegetable in last year) |
供试土壤为潮褐土, 试验前采集土壤剖面样品, pH 8.0, 土壤质地表层(0~20 cm)为砂土、中层(20~60 cm)为砂壤土, 底层(60~100 cm)为壤质黏土。试验开始前土壤理化性状如表 1所示。
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表 1 试验前试验地土壤理化性状 Table 1 Basic physical and chemical properties of the studied soil before the experiment |
本试验为2019年两季露地蔬菜试验。试验设9个处理, 每个处理设3次重复并随机区组排列, 共27个小区, 小区面积28.8 m2 (3.6 m×8 m)。种植的蔬菜为该地区典型露地蔬菜, 一年两季蔬菜分别为春栽黄瓜和秋栽白菜。其中, 氮肥水平设置4个处理, 分别为不施肥(CK)、农民常规施肥[N3, 黄瓜季和白菜季均为550 kg(N)·hm-2]、农民常规施肥基础上黄瓜季和白菜季均减氮50%(N1)和减氮20%(N2)。在减氮20%基础上设置3个优化处理, 分别为N2水平施用双抑制剂包衣尿素(N2I)、N2水平增施生物炭(N2B)和N2水平结合秸秆还田(N2S)。另设置2个灌溉水平, 基于N2水平的减灌处理N2W1和N2W2(灌溉量是常规灌溉量的85%和70%)。灌溉方式为水管引水到小区后漫灌, 灌溉水源为当地机井水。黄瓜季进行了6次灌溉, 分别在5月4日、5月14日、6月2日、6月22日、7月1日和7月22日, 灌溉量分别为: 60.9 mm、77.2 mm、69.5 mm、75.5 mm、64.3 mm和79.7 mm。白菜季进行3次灌溉, 分别在9月4日、9月24日和10月15日进行, 灌溉量分别为: 75.5 mm、77.2 mm和77.2 mm。
各施肥处理均为有机肥和化学肥料配合使用, 其中有机肥提供当季作物总氮量的35%, 作为基肥一次性施入。磷肥也作为基肥在每季作物基肥时一次性施入, 氮肥和钾肥分次施入。65%的化学氮肥在黄瓜季分3次追肥施入(6月2日、7月1日、7月22日), 钾肥分2次施入(第1次追肥6月2日、第3次追肥7月22日)。白菜季氮肥的35%有机肥及全部磷肥以基肥施入, 其余65%化学氮肥分2次追肥施入(9月24日和10月15日); 钾肥分2次追肥施入(9月24日和10月15日)。基肥于小高畦上开沟施入20 cm深度并覆土; 追肥施用方法为均匀撒施于垄沟后灌溉。所有处理磷、钾肥用量相同, 每季用量分别为P2O5 200 kg·hm-2、K2O 300 kg·hm-2。有机肥为充分发酵的商品有机肥、养分含量分别为N 1.3%、P2O5 1.36%、K2O 1.36%。化学氮肥为尿素(含N 46%)、磷肥为过磷酸钙(含P2O5 16%)、钾肥为硫酸钾(含K2O 50%)。抑制剂包衣材料为脲酶抑制剂(nBPT)和硝化抑制剂(双氰胺)喷雾包衣。生物炭用量为28 t·hm-2·a-1, 以基肥形式一次性施入小高畦和大垄沟、小高畦开沟施入后覆土。玉米秸秆切成7 cm左右覆盖于地表, 秸秆用量为6000 kg·hm-2。
每个小区布置3垄2沟, 垄、沟宽分别为90 cm和60 cm, 每垄种植两行, 黄瓜品种为‘改良先锋518’、白菜品种为‘北京新3号’, 均在4~5片真叶时移栽, 株距45 cm。黄瓜于2019年5月2移栽、8月5日拉秧; 白菜于9月6日移栽、11月10日收获。各处理施肥信息如表 2所示。
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表 2 各处理的施肥量 Table 2 Information of fertilization for treatments |
本研究采用简易渗漏池方法(lysimeter)[19]收集淋溶液, 渗漏池长160 cm、宽60 cm、高80 cm, 每小区1个, 共27个, 占每个小区1垄1沟的位置。池中土壤于2017年春季分层挖出(每隔20 cm为1层)并重新按各层土壤原容重回填。土体周围用塑料布围隔, 土体下方放置淋溶桶(直径40 cm, 高35 cm), 淋溶桶盖上铺有2层80目尼龙网及3 cm厚石英砂, 上方土体中的淋溶液在渗漏到80 cm深度时可全部进入淋溶桶, 淋溶桶内有连接管线连接到土面, 桶内的淋溶液可用真空泵抽出, 淋溶液抽出之后可对淋溶桶进行清洗。
本研究在每次灌溉或降雨后第2 d和第6 d收集淋溶液, 记录淋溶液体积, 将2次收集的淋溶液按体积比混合, 混合液中铵态氮、硝态氮和总氮浓度用流动分析仪测定(型号AA3)。
1.4.2 土壤采样及测定在黄瓜和白菜种植前、收获后和历次施肥后的第7 d用土钻在每个小区按0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm和60~80 cm分层取土。每个小区取3钻, 同小区同一深度的3钻土样混合装入自封袋, 新鲜土测定水分、硝态氮和铵态氮。土壤基础理化性状测定采用风干土, 测定方法为常规方法。鲜土土壤水分测定采用铝盒烘干法; 硝态氮和铵态氮用2 mol·L-1 KCl溶液浸提(土水比1:5), 流动分析仪(型号AA3)测定, 结合土壤含水量分别计算含量。
1.4.3 蔬菜测产取样及含氮量测定测产取样:每个小区标定4株连续的黄瓜植株进行全生育期测产。收获时, 分别测定生物量鲜重、干重。在第2次追肥后随机选取记产小区黄瓜测定果实含氮量, 叶和茎的含氮量及干重在拉秧时测定。白菜在收获时全小区称鲜重测产, 每小区随机取1颗白菜的1/4称取鲜重(白菜顺纵轴切1/4称鲜重及干重), 置于烘箱内105 ℃杀青30 min, 80 ℃下烘至恒重为干重并换算出水分含量。蔬菜果实及地上部茎叶烘干后用粉碎机粉碎测定全氮含量。含氮量测定参考文献[20]。并按下式计算地上部氮素吸收量:
| $ 地上部氮素吸收量=果实含氮量×果实干重+叶含氮量×叶干重量+茎含氮量×茎干重量 $ | (1) |
数据处理采用Microsoft Excel 2010。方程分析及显著性检验采用SPSS 13.0软件中的LSD法。
2 结果与分析 2.1 不同水肥处理的蔬菜产量不同水肥处理的黄瓜和白菜产量如图 2所示。减氮20%各处理的蔬菜产量与农民常规氮水平无显著差异, 而减氮50%处理减产7.1%~19.6%。所有处理的产量都较无肥对照处理显著增加(P < 0.05), 增产幅度22.6%~83.0%。除了降低灌溉量的处理和N1、CK处理, 其他各处理对黄瓜季产量都没有显著影响。对于控制灌溉量的处理, 在需水量较高的黄瓜季, 控制灌溉量30%处理对黄瓜产量有负面影响, 黄瓜产量比等氮量处理(N2)显著降低了13.9%;而控制灌溉量15%~30%对白菜产量没有负面影响。施用抑制剂的处理, 黄瓜产量和白菜产量分别比等氮量处理(N2)提高8.0%和9.0%, 但均未达显著水平。在本研究中减氮加生物炭处理的白菜产量有所降低, 原因有待分析。
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图 2 不同水肥管理措施的露地蔬菜产量 Fig. 2 Yield of vegetables under different fertilizer and water treatments 图中相应处理说明见表 2。The treatments are described in the table 2. |
在历次施肥和降雨后一周内收集不同水肥处理在土壤剖面80 cm处的淋溶液, 从黄瓜移栽开始到白菜收获结束, 包括播前休闲期和同年两季蔬菜期间的短暂裸地期, 累计共发生并收集到14次淋溶液, 各处理全年历次淋溶液中的总氮浓度为5.9~ 48.6mg·L-1, 其中硝态氮浓度为2.4~46.3 mg·L-1, 铵态氮浓度较低(0.15~0.26 mg·L-1); 可溶性有机氮浓度(总氮减去无机氮)为3.5~7.8 mg·L-1。可见硝态氮是淋溶液中主要的氮形态。
以淋溶液中硝态氮浓度为例(图 3), 各处理中N3处理的浓度最高, 为6.8~46.3 mg·L-1; 其次是N2处理, 6.2~38.8 mg·L-1。N2基础上优化的3个处理的淋溶液硝态氮浓度比较接近, 为15.6~16.8 mg·L-1; 控制灌溉的2个处理淋溶液中硝态氮浓度与N2水平的3个肥料优化处理接近(15.0~16.2 mg·L-1), 都起到了降低淋溶液中硝态氮浓度的作用。N1处理由于减氮幅度较大(减氮达50%), 其淋溶液中硝态氮浓度大部分时期都低于其他施肥处理(浓度平均值为11.2 mg·L-1)。
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图 3 不同水肥处理历次淋溶液中硝态氮浓度 Fig. 3 Nitrate concentrations in the leachate under different fertilizer and water treatments 图中相应处理说明见表 2。The treatments are described in the table 2. |
将淋溶液中不同形态氮浓度乘以历次淋溶液的体积得到蔬菜生育期不同形态氮的总淋溶量。结果表明, 各施肥处理的硝态氮淋溶量占氮素总淋溶量的70.9%~80.6%;其次是有机氮, 占比18.1%~28.5%;而淋溶的铵态氮则仅占总氮淋溶量的0.9%~1.6%。以总氮淋溶量为例, 各处理全年总氮淋溶量为61.7~171.7 kg(N)·hm-2, 其中黄瓜季淋溶占51.4%~ 63.7%。农民常规施肥处理(N3)总氮淋溶量为168.1 kg(N)·hm-2·a-1, 占施氮量的9.7%。减氮20%和50%使总氮年度淋溶量分别降低23.3%和42.2%;灌溉量降低15%和30%分别使总氮淋溶量比单纯减氮处理降低24.5%和34.1%;减氮20%配合联合抑制剂、生物炭及秸秆覆盖还田使全年总氮淋溶量比常规N3处理降低16.5%~24.8%。水肥优化处理降低氮淋溶的效果均显著。
按时间序列统计周年总氮淋溶量, 黄瓜季和白菜季播前及历次施肥后的总氮淋溶量如图 4所示。
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图 4 不同水肥处理下不同施肥阶段黄瓜季(a)和白菜季(b)的总氮淋溶 Fig. 4 Leached total nitrogen at different fertilization stages in cucumber (a) and Chinese cabbage (b) seasons under different fertilizer and water treatments 图中相应处理说明见表 2。The treatments are described in the table 2. |
在黄瓜季(图 4a), 前一年冬季到当年春季蔬菜移栽前累积的总氮淋溶量占5.6%~19.6%; 4次施肥后的淋溶量分别占总淋溶量的22.1%~28.3%(平均26.3%)、23.9%~26.9%(平均24.1%)、5.4%~12.2%(平均9.1%)和25.5%~36.7%(平均30.4%), 其中基肥和最后1次追肥后的淋溶量占比较高, 这与基肥的施氮量(占黄瓜季35%)及最后1次追肥后的水分输入量(灌溉+降雨共287.3 mm, 占黄瓜季的32%)较高有关。在白菜季(图 4b), 白菜移栽前休闲期及白菜3次施肥后的总氮淋溶分别占白菜生育期总氮淋溶的20.2%~33.4%(平均28.5%)、25.9%~34.2%(平均29.3%)和18.4%~27.8%(平均21.0%)。值得注意的是, 在黄瓜拉秧后到白菜移栽前的裸地期间(共25 d)其总氮淋溶量也不容忽视, 占白菜生育期总氮淋溶量的14.8%~29.55%(平均21.2%), 主要是前茬黄瓜季追肥后残留于土壤中的氮素及土壤中矿化的氮素在降雨(39.8 mm)后的淋溶, 也产生了相当数量的氮淋溶量。
由于施肥和水分输入是土壤氮淋溶的主要原因, 按照不同的事件(休闲期、生长期施肥、生长期降雨)汇总不同事件造成的氮淋溶(图 5)。结果显示, 不同事件对氮素淋溶的影响效果也不尽相同, 对总氮淋溶损失的贡献依次为:施肥 > 灌溉 > 降雨。本试验农民习惯水肥管理模式(CK)为施肥后紧接着进行漫灌, 因此施肥结合灌溉对氮淋溶的影响最为显著。黄瓜季, 施肥结合灌溉造成的总氮淋溶占黄瓜季淋溶总量的37.2%~50.1%(平均46.2%); 单独灌溉对氮淋溶的贡献为19.2%~23.2%(平均20.8%); 本年度降雨条件下(中等降雨年型)降雨事件对氮淋溶的贡献为21.7%~25.1%(平均23.5%), 降雨对氮淋溶的贡献不可忽视; 而冬前和春季休闲期的总氮淋溶则较低, 为5.1%~14.6%(平均9.5%), 也造成了一定的氮淋溶损失。白菜季, 移栽前裸地期的总氮淋溶占白菜季总氮淋溶量的14.8%~29.5%(平均20.7%), 施肥事件各处理引起的总氮淋溶占比在55.1%~73.4%(平均68%), 降雨引起的总氮淋溶占比为8.1%~15.4%(平均12.0%)。依然是施肥事件后的总氮淋溶占比为主。白菜生育期除了配合施肥进行的灌溉, 没有进行额外的单独灌溉, 期间有数次雨量不大的降雨(降雨量都在30 mm以下)且都未紧接着施肥事件发生, 因此降雨引起的淋溶占比较小, 占白菜季总氮淋溶量的10.5%~21.9%。
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图 5 不同水肥处理下不同事件造成的黄瓜季(a)和白菜季(b)总氮淋溶 Fig. 5 Leached total nitrogen caused by different management events in cucumber (a) and Chinese cabbage (b) seasons under different fertilizer and water treatments 图中相应处理说明见表 2。The treatments are described in the table 2. |
根据测定的不同水肥管理措施下各处理的氮素输入及输出, 估算得到0~80 cm剖面土壤氮平衡(表 3)。其中氮输入中肥料氮包括有机氮和无机氮; 氮沉降数据为中国农业大学刘学军教授在试验地附近(河北农业大学)实际测定到的当年蔬菜生育期氮干湿沉降数值; 非共生固氮根据文献[21]数据估算。
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表 3 不同水肥管理措施下土壤0~80 cm剖面氮平衡 Table 3 N balance in the 0-80 cm soil profile under different water and fertilizer treatments |
数据结果显示, 在本试验条件下, 除无肥处理外, 其他各处理氮平衡都为盈余。但由于蔬菜生育期灌溉量大及灌溉次数频繁, 盈余氮素的损失量都较高, 各施肥处理的氮盈余量依次为N3 > N2I > N2 > N2W2 > N2S > N2W1 > N2B > N1, 减氮20%处理的氮盈余比常规N3处理降低28.4%~36.4%。农民习惯水肥处理(N3)的年度氮盈余达572.8 kg(N)·hm-2, 其中氮淋溶占到盈余量的30%。
收获后各施肥处理80~200 cm剖面中的无机氮积累量高达66.7~237.4 kg(N)·hm-2, 是0~80 cm剖面中含量的0.85~1.64倍, 而且有部分氮可能已淋溶到更深层次(> 2 m), 氮淋溶并向深层土壤迁移粗略估计为本试验点氮损失的主要去向。
3 讨论 3.1 不同水肥处理的氮平衡及损失途径保持土壤-作物体系氮素平衡是合理施肥的重要依据。从理论上来讲, 农田土壤氮素输入主要包括肥料氮的施入以及一些其他来源(氮沉降、大气固氮、种子带入); 氮素的输出包括作物吸收以及其他一些不可避免的氮损失(淋溶、氨挥发、硝化反硝化损失等)[22]。由于蔬菜地氮肥用量大, 本研究中的氮输入主要关注肥料氮施入及蔬菜移栽前土壤中的无机氮, 氮的输出主要考虑作物吸收和土壤中无机氮残留及氮淋溶损失。
数据显示, 随施氮量增加, 土壤氮平衡从亏缺表现为盈余(盈余指超过作物吸收的盈余氮), 本试验条件下氮素表观平衡中盈余的氮主要是土壤氮残留(粗略估计约占盈余量的50%以上), 其次是氮淋溶。因此, 土壤残留和氮淋溶是露地菜地氮损失的最主要去向, 本试验点氮去向的其他测定数据(氨挥发、N2O排放损失)也说明了这点[23]。这可能与露地蔬菜生产中水分输入量较高(年度水分输入量为1055.5~1355.6 mm), 过量速效性氮肥表面撒施结合大水漫灌使氮素淋溶到蔬菜根系无法到达的深层土壤中, 成为氮素损失的最主要途径, 积累在土壤中的无机氮在偶发性的大降雨事件后会向更深层移动。很多研究[24-26]表明, 土壤中残留的无机氮不断淋溶到深层土壤中是氮盈余的主要去向, 这些残留的无机氮在偶发大降水情况下即可继续淋溶到深层, 对地下水造成巨大威胁。因此, 综合本研究监测及前人研究结果, 控制氮肥用量及避免单独施用速效性氮肥, 使氮肥用量与作物的吸收量相匹配[27-28], 并结合合理的灌溉管理[29]、氮肥增效措施(使用硝化抑制剂和脲酶抑制剂)[30]、施用生物炭[31]、秸秆还田[32]等措施, 不但能使氮盈余降低, 而且能促进施入的氮素被作物吸收、防止无机氮以各种方式损失。
3.2 不同水肥处理下氮淋溶损失及主要影响因素本试验中氮淋溶量随施氮量的增加而增加, 二者呈线性关系, 淋溶量y=53.6+0.096x (R2=0.9317)。试验点从上一年蔬菜收获到本年度第2季蔬菜收获结束的降水量共398.7 mm (属中等偏旱年份), 灌溉量共656.8 mm, 总计年度水分输入为1055.5 mm。在本年度试验条件下, N3处理的淋溶系数为10.1%, 相比本试验地在第1年和第2年的结果, 本年度0~80 cm总氮淋溶量与施氮量的关系分别为y= 122.9+0.289x (R2=0.9961)和y=85.7+0.248x (R2=0.9999), 前2年N3处理的总氮淋溶系数分别为29.1%和24.9%[19, 33], 这与前两年的施肥量及水分输入量高相关。本试验地2017年施肥量1560 kg(N)·hm-2·a-1, 且黄瓜生育期有连续降水(属偏湿年份); 2018年水分输入量1355.6 mm (灌溉量989.4 mm+降水量366.2 mm); 且前2年灌溉为大水渠灌, 灌溉水可能优先通过土壤中大孔隙产生优先流[34-35]; 而本试验年度的灌溉为通过水管引入各小区, 灌溉水速度比前2年低(出水量40 m3·h-1 vs 25 m3·h-1)。因此, 施氮量、降雨年型及灌溉水供应速度(与短时大降雨及持续均匀小降雨间的区别类似)都对氮淋溶起主要作用。
与种植粮食作物的农田相比, 设施菜地采用滴灌的比例较高, 而露地菜地主要采用大水漫灌形式, 加之高频率的灌溉, 更加重了由于高施肥量引起的露地菜地氮淋溶状况[36]。本试验结果表明:在同等施肥处理下黄瓜季总氮淋溶占全年的51.4%~63.7%, 氮素淋失量高于白菜季, 其原因是由于黄瓜季节高灌溉频率(6次)和高灌水量(427.1 mm)。赵营等[37]通过对设施菜地黄瓜-番茄(Lycopersicon esculentum)轮作地的研究发现, 由于黄瓜季灌溉量大且休闲期进行了2次大水漫灌, 氮素淋溶主要发生在黄瓜季和休闲期, 这与本研究结果一致。本试验结果表明, 黄瓜-白菜轮作周期农民常规灌溉的基础上减少灌溉量15%和30%, 黄瓜季和白菜季0~80 cm土壤剖面总氮淋溶量分别降低24.5%、34.1%和42.5%、57.3%, 其中黄瓜季和白菜季氮素淋溶分别占到当季施氮量的9.8%和5.0%。Tarkalson等[38]报道, 当灌水量从318 mm减少到185 mm时, 硝酸盐浓度和硝酸盐淋溶量分别降低47.9%和85.3%。石敏等[39]研究表明, 控制灌溉与常规灌溉相比, 氮素淋失总量约占常规灌溉的1/3, 与本研究结果一致。因此, 适当控制灌溉量或分次少量灌水措施可有效地降低土壤残留硝态氮的淋失。刘健[40]认为通透性越高的土壤氮素淋溶损失的风险越高, 砂壤土氮素的淋失可以占施氮量的30%, 其研究结果远高于本试验结果, 主要原因可能与本试验地0~80 cm土壤质地较轻有关。Silva等[41]研究表明根隙、土壤裂缝等大孔隙对硝态氮的淋失有一定的影响, 质地越粗, 硝态氮淋失量越大, 加上露地蔬菜大水大肥管理模式, 可能造成2 m以下土层累积大量硝态氮[42]。
本研究结果表明, 在减氮20%基础上添加脲酶抑制剂和硝化抑制剂的处理(N2I)比不添加抑制剂的处理(N2)总氮及硝态氮淋溶量分别降低22.1%和21.7%。俞巧钢等[43]通过对3, 4-二甲基吡唑磷酸(DMPP)在小粉土和青紫泥土壤上的研究表明, 硝态氮的累积淋失量分别降低66.8%和69.4%, 其降低比率较高可能是由于土壤质地不同, 本试验土壤为潮褐土, 黏粒含量为9.3%, 而小粉土和青泥土黏粒含量分别为29.0%和46.4%, 黏粒含量较高, 氮素在土壤中下渗速度较慢, 因此淋溶总量低、阻控效果优于本试验。串丽敏等[44]对潮土的土柱模拟试验研究表明, 硝化抑制剂双氰胺(DCD)和脲酸抑制剂正丁基硫代磷酰三胺(NBPT)配施可显著降低硝态氮淋失量17.2%, 施用抑制剂在一定程度上能够减少淋溶液中硝态氮浓度, 主要原因是由于脲酶抑制剂能使尿素水解速率减缓, 同时硝化抑制剂抑制铵态氮向硝态氮转化的缘故, 其他相关研究[45]也与本试验的结果一致。
本试验结果显示, 与不添加生物炭的N2处理相比, 添加生物炭使得总氮和硝态氮淋溶量分别降低25.5%和24.7%。Pratiwi等[46]通过土柱试验表明:在肥沃土地上添加的稻壳炭能减少总氮淋失23%;与本研究的结果接近。方明等[47]的研究表明, 与单独添加氮肥相比, 施用花生壳生物炭0.5%~4%(w/w)使潮土硝态氮淋失量显著降低11.9%~34.2%, 生物炭用量高的处理对氮淋失的阻控效果更好; 同一试验条件下生物炭使红壤硝态氮淋失降低25.8%~73.0%, 本研究结果与其潮土结果相似, 这与红壤pH低及南方土壤中黏粒矿物以1:1型为主、土壤整体淋溶率高有一定关系。
一般来讲, 秸秆还田可提高土壤中的C/N, 增加土壤中微生物量碳, 对土壤氮素有一定固持作用, 可将土壤中无机氮以微生物量氮的形式暂时保存, 避免了无机氮以淋溶等形式损失[48-49]。王伟等[50]报道, 传统施肥加秸秆处理使硝态氮淋溶降低29.8%。本试验结果显示, 相比N2处理, 秸秆还田使得硝态氮淋溶量降低15.4%, 其阻控氮淋溶的效果与其他试验结果相比偏低, 可能与本试验秸秆还田量较低有关。
总之, 由于露地蔬菜种植系统水热同季, 大水漫灌条件下氮素的淋溶不可避免。因此在经济投入允许的条件下, 采用滴灌或水肥一体化, 能同时大幅降低氮肥用量和灌溉量, 是降低氮淋溶的有效措施[51-52]。生物炭对阻控氮淋溶有一定效果, 但生物炭的成本也较高[53-54], 大面积使用可能有一定难度。综合来讲, 合理降低氮肥用量, 配合脲酶抑制剂和硝化抑制剂以及适量的灌溉量控制, 是降低土壤氮淋溶较为可行的措施。
4 结论1) 对于水热同季及水氮充足的露地菜地, 深层土壤氮残留及氮淋溶是施肥盈余氮中的主要氮去向。
2) 氮淋溶量与施氮量呈线性关系, 具体的氮淋溶背景值及淋溶系数与施氮量范围及不同年型的降雨特征有关。
3) 在灌溉量充足及每季施氮550 kg(N)·hm-2水平下, 减氮20%对蔬菜产量没有显著影响, 减氮50%及灌溉量降低30%对水肥需求量较高的黄瓜产量有显著的负面影响。
4) 黄瓜-白菜一年两季露地种植系统在常规施氮量[每季550 kg(N)·hm-2]水平下, 0~80 cm剖面总氮淋溶量占施氮量的10%;减氮20%使总氮淋溶降低23.8%;减氮20%配合优化氮肥管理(联合抑制剂、生物炭、秸秆还田)及适当控制灌溉量(15%)均可使氮淋溶降低34.0%以上, 实际生产中可因条件选择合适的阻控措施。
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