不合理地施用氮肥造成农田土壤硝态氮累积、土壤质量下降以及水体污染等生态问题^[1-5]。研究表明，菜田土壤有机氮含量高、矿化比例较大、大量施肥和频繁灌溉容易造成根层土壤硝态氮积累及大量的矿质态氮淋洗损失^[6-8]。通过有机无机肥配施以及秸秆还田，可有效降低土壤中硝态氮的累积，减少土壤剖面残留硝态氮的淋洗损失^[9]。秸秆是农田土壤有机质的一项主要来源，秸秆的加入可以影响土壤酶活性，促进土壤碳、氮素转化^[10]。高碳氮比秸秆还田在其降解过程中会对土壤无机氮有固定作用。秸秆还田可使土壤表层无机氮含量增加^[11]。Mitchell 等^[12]培养试验表明，与未添加秸秆的对照土壤相比，添加秸秆的土壤处理始终表现为氮素的净固定，在 112 d 时固定量达到最大。施用缓效氮肥和高碳氮比的植物残体等措施可能会控制土壤氮素转化，减少损失风险。

2018 年宁夏设施蔬菜种植面积已达 4.0 万 hm^2[13]，设施菜田氮肥输入量较大，加之粗放管理方式普遍存在，由此带来的农业面源污染问题较为严重。设施蔬菜番茄-黄瓜轮作土体硝态氮累积与淋失已有研究^[14]，但在宁夏引黄灌区关于设施黄瓜-茄子轮作氮肥减施与秸秆添加下土体硝态氮累积与淋失之间关系的研究还鲜有报道。因此，在宁夏引黄灌区选取典型设施菜田，探究减施氮肥和添加秸秆对设施菜田土壤硝态氮累积分布特征、淋失以及淋失与年际间土壤累积之间的关系。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验地位于宁夏引黄灌区青铜峡市瞿靖镇蒋顶村，地理坐标是 106°01′06″E，38°01′46″N。试验地土壤类型为灌淤土。0～20 cm 土层理化性状为土壤容重 1.35 g/cm³，pH 7.97，有机质 72.1 g/kg，硝态氮 154.5 mg/kg，铵态氮 3.5 mg/kg，全氮 2.31 g/kg，全磷 0.99 g/kg，全钾 20 g/kg，有效磷 201.8 mg/kg，速效钾 303 mg/kg，土壤肥力为中等偏上^[15]。供试作物为黄瓜、茄子。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

试验设 3 个施肥处理，分别为农民常规施肥 （CON）、氮肥减量 28%（RF）、氮肥减量 39%+ 秸秆添加（BMP）。每个处理设 3 个重复，随机排列，各小区面积 33 m²，具体施肥方案见表1。试验氮肥选用普通尿素（N 46%），磷肥为重过磷酸钙（P₂O₅ 46.0%），钾肥为硫酸钾（K₂O 50%），有机肥为牛粪，施用量为 45.0 t/hm²。全部磷肥和有机肥用作基肥，氮钾肥基追比为 3∶7，全生育期黄瓜追肥 3 次、茄子追肥 4 次，施肥方式都为撒施，追肥结合灌水。黄瓜-茄子种植季采用畦灌方式，休闲期采用大水漫灌方式。蔬菜种植前，整地施肥，按小区耕翻土壤，之后起垄（垄宽 35 cm、高20 cm）。秸秆还田采用行下式秸秆反应堆技术，还田量为 30.0 t/hm²。主要有开沟（宽 50 cm、深 30 cm）、铺秸秆（干秸秆）、撒菌种（菌种与秸秆的比例为 1∶400）、覆土、浇水、打孔和定植几个技术环节。黄瓜季与茄子季牛粪干基质氮养分含量分别为 1.48%、1.56%，玉米秸秆干基质氮养分含量分别为 0.87%、0.93%。2016～2018 年蔬菜种植情况见表2。

1.3 样品采集、测定指标及分析方法

1.3.1 土壤硝态氮含量

试验前依“S”形路线多点混合采集 0～120 cm 土层土壤样品。每季蔬菜收获后，每个小区按 0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、 100～120 cm 土层依“S”形路线多点混合采集 0～120 cm 土层土壤样品，采用 1 mol/L KCl 浸提-流动注射仪法测定土壤硝态氮含量。

1.3.2 硝态氮淋失量

采用田间渗滤池法采集淋溶水样^[16]。每次灌水 3～5 d 后，提取各小区 PVC 管中全部淋溶水，测算其淋溶水体积，然后按小区提取产生的淋溶水样 500 mL，计算硝态氮淋失量。

硝态氮淋失量：$F=\sum _{i=1}^n\frac{V_i\times C_i}{S}\times \mathrm{f}$

其中：F 是硝态氮淋失量（kg/hm²）；n 表示监测周期内的农田产流次数；V_i 表示第 i 次产流的水量 （L）；C_i 表示第 i 次产流的硝态氮含量（mg/L）；S 为田间渗滤池所承载的集液区面积（m²）；f 是监测单元面源污染物排放量（mg/m²）转换为每公顷面源污染物排放量（kg/hm²）时的转换系数，为 1.2。

1.4 数据统计分析

数据采用 Excel 2007 和 SPSS 14.0 进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理下 0～120 cm 土层土壤硝态氮运移动态

图1 表明，2016 年黄瓜收获后 0～120 cm 各层土壤剖面硝态氮储量为 30.2～39.3 kg/hm²，各处理硝态氮储量较基础土样都有所增加，增加幅度为 7%～30%。相对于 CON 处理，RF 和 BMP 处理能降低 0～120 cm 各层土壤硝态氮储量，可以减少0.12～11.3 kg/hm² 的硝态氮储量。BMP 较 RF 处理，通过继续降低氮肥施用量并添加玉米秸秆，进一步降低了 0～120 cm 各层土壤 0.8～2.2 kg/hm² 的硝态氮储量。2017 和 2018 年茄子收获后 0～120 cm 各层土壤硝态氮储量分别为 30.2～39.3 和 30.0～46.1 kg/hm²，与 CON 处理相比，RF 和 BMP 处理分别降低了不同层次土壤的硝态氮储量；BMP 与 RF 处理相比，又减少了 0.8～2.2 和 0.23～6.23 kg/hm² 的硝态氮储量。还可看出，2016～2018 年设施蔬菜收获后土壤硝态氮在 60～80 cm 土层储量较高，80 cm 土层以下开始下降，这可能是由于土壤硝态氮在施肥和灌溉的共同作用下有逐渐下移的趋势，淋洗到蔬菜根系主体范围 90 cm 以下将不能被吸收利用而发生淋失。同时，2017 和 2018 年茄子季 CON 处理硝态氮储量高于 2016 年黄瓜季，以 60～80 cm 土层尤为明显，分别较黄瓜季高出 4.0%～17% 的硝态氮储量，但 RF 和 BMP 处理差别不大。

2016～2018 年 0～120 cm 土层土体中硝态氮总储量表现为：2016 年黄瓜季 RF 与 BMP 处理分别为 230.8 和 213.6 kg/hm²，与 CON 处理相比，降低幅度为 2.2%～9.4%；2017 和 2018 年茄子季硝态氮储量分别为 296～319 和 318～369 kg/hm²，与 CON 处理相比，RF 和 BMP 处理分别降低了 3.9%～6.1% 和 5.2%～12.8% 的土体硝态氮储量。可以明显看出，无论黄瓜季或茄子季，减施氮肥与调节土壤碳氮比均能显著降低土体硝态氮储量。

2.2 不同施肥处理对土壤硝态氮淋失量的影响

表3 为不同蔬菜季不同施肥处理下硝态氮的淋失量，可以看出，黄瓜季和茄子季不同施肥处理下硝态氮淋失量差异显著（P <0.05）。2016 年黄瓜季 RF 和 BMP 处理硝态氮淋失量分别为 6.3 和 4.3 kg/hm²，与 CON 处理相比，硝态氮淋失量分别降低了 55.6% 和 69.7%。2017 和 2018 年茄子季硝态氮淋失量分别为 5.2～20.7 和 11.7～22.9 kg/hm²，与黄瓜季相同，CON 处理硝态氮淋失量最高，RF 和 BMP 处理的硝态氮淋失量分别降低了 59.4%、 74.8% 和 35.4%、48.9%。

注：同一列数据后不同小写字母代表差异达 5% 显著水平。

2.3 不同施肥处理下土体硝态氮储量与淋失量的关系

图2 是 0～120 cm 土层土壤硝态氮储量和硝态氮淋失量之间的相关关系，可以看出，随着 0～120 cm 土层土壤硝态氮储量的增加，硝态氮淋失量也显著增加，其决定系数 R² 达 0.6973，方程为 y=0.0893x-12.509。由方程可得，当硝态氮储量控制在 140 kg/hm² 以下时，硝态氮淋失量可降为 0。

注：图中每点表示 3 个样本的平均数。

2.4 不同施肥处理对设施蔬菜产量及效益的影响

表4 为 2016～2018 年黄瓜季和茄子季的节本增效结果，可以看出，2016～2018 年设施黄瓜和茄子的产量差异不大，2018 年茄子 RF 处理较 CON 处理增产 9.27%，其他处理保证稳产，但综合施肥成本，减施氮肥与添加秸秆与常规施肥相比，节本增效 240～6320 元，效果良好，同时也说明常规施肥存在着氮肥施用过量的问题。

注：黄瓜价格 9.6 元 /kg，茄子价格 9.0 元 /kg，普通尿素 2.0 元 /kg，硫酸钾 4.0 元 /kg，重过磷酸钙 3.5 元 /kg。

3 讨论

设施蔬菜栽培是高投入高产出的集约化种植模式。与大田作物相比，设施蔬菜施肥及灌溉强度更大，增加了土壤硝态氮累积与淋洗风险^[17-18]。柯英等^[7]研究发现，宁夏引黄灌区不同类型农田 0～150 cm 各层土壤剖面中硝态氮含量都显著高于大田，其原因是与大田作物种植相比，由于高频率、高强度的施肥和灌水管理，设施菜田土壤氮素累积较多。本研究中，设施黄瓜季和茄子季硝态氮储量大于同为宁夏引黄灌区玉米的硝态氮储量^[19]。另外，相同施肥处理下，茄子季硝态氮储量高于黄瓜季，主要是因为茄子季施氮量高于黄瓜季，土体中硝态氮储量也随之增加。通过优化施肥，相对于 CON 处理，RF 和 BMP 处理能降低 0～120 cm 各层土壤硝态氮储量，可以减少 0.12～11.3 kg/hm² 的硝态氮累积，由此可见，氮肥施用量是影响土壤硝态氮累积残留的重要因素，通过降低氮肥施用量可以有效降低硝态氮储量。

在灌溉和施肥的共同作用下，土体中累积残留的硝态氮不断向深层土壤淋洗，直至根区以下，从而发生淋失，本研究中，与 CON 处理相比，RF 和 BMP 处理降低了 35.4%～74.8% 的硝态氮淋失量 （表3），同时，由于不同蔬菜季施氮量和灌水等田间管理的差异，造成茄子季收获后土体有较高的硝态氮储量，2017、2018 年茄子季各处理硝态氮淋失量也高于黄瓜季，比例为 45.8%～172.1%，这与前面关于 0～120 cm 土层土壤硝态氮运移的研究结果相一致。

研究发现，秸秆还田能够降低淋溶水中硝态氮浓度^[20]，可能是秸秆与作物争氮，降低了无机氮浓度。Keeney^[21]发现，秸秆还田能增加有机碳，固定土壤无机氮。杨世琦等^[22]、杨文叶等^[23]研究表明，秸秆还田能够提高耕作层的蓄水量，减少土壤氮素的淋失、水分的损失量，增加对水分和养分的吸附能力，有效控制土壤氮素流失。本研究中，2016～2018 年不同蔬菜季 BMP 处理因减少氮肥的施用量，同时添加秸秆调节土壤碳氮比，显著降低了土体中的硝态氮储量与淋失量。BMP 较 RF 处理，通过继续降低氮肥施用量并添加玉米秸秆，进一步降低了 0～120 cm 各层土壤 0.8～2.2 kg/hm² 的硝态氮储量（图1）以及 20.9%～38.1%的硝态氮淋失量（表3），说明通过减施氮肥或添加玉米秸秆都能有效降低土壤剖面硝态氮的累积与残留，减施氮肥配合添加玉米秸秆对降低土壤硝态氮残留的作用效果最佳，可能是通过调节土壤碳氮比，增加土壤中的碳，很好地将残留无机氮进行生物固定^[12]。

本研究发现，硝态氮淋失量随土壤硝态氮储量的增加而增加（图2），因此，降低硝态氮淋洗风险要从降低土体硝态氮储量上着手，通过合理地减量施氮降低土体硝态氮储量，在减施氮肥的基础上再配合外源碳的添加（如秸秆添加等），以增加土壤残留氮素的生物固定，直接降低了土体硝态氮储量，从而降低了氮素淋失风险，调控效果最为明显。

另外，在考虑不同施肥措施对设施菜田土壤中硝态氮淋失和累积的调控效果上，必须综合考虑设施蔬菜的产量和效益，骆晓声等^[24]研究表明，设施番茄和辣椒菜田，通过有机肥替代氮肥及适当节水灌溉，能够有效降低菜田氮素淋溶，同时保持蔬菜产量。张学军等^[25]在宁夏引黄灌区设施黄瓜-番茄轮作的研究中也发现，减施化肥，增施有机肥，添加秸秆等措施不会造成蔬菜大幅度的减产。本研究中虽然降低了氮肥用量，但产量与常规施肥相比，保持稳定并有所增加，提高了效益，且优化效果明显。

4 结论

硝态氮淋失量随土壤硝态氮累积残留量的增加而增加，因此可以通过合理地减量施氮降低土体硝态氮累积残留量，在减施氮肥的基础上再配合外源碳的添加（如秸秆添加等），以增加土壤残留氮素的生物固定，直接降低了土体硝态氮储量，从而降低了硝态氮淋失的风险，同时并没有对产量造成影响，是最有效、最直接的优化施肥调控手段。

综上，在宁夏引黄灌区设施菜田农民习惯施肥的基础上，采用氮肥减施结合秸秆添加（BMP），即黄瓜氮肥减施 39%，氮肥纯养分量为 275 kg/hm²，配合添加玉米秸秆 30.0 t/hm²，茄子氮肥减施 39%，氮肥纯养分量为 319 kg/hm²，配合添加玉米秸秆 30.0 t/hm²，在获得高产的同时能够降低土壤硝态氮累积和淋失，降低农田土壤面源污染风险，并提高经济效益，值得在宁夏引黄灌区设施菜田大面积推广应用。

参考文献