近年来，随着人们生活水平不断提高，蔬菜种植面积不断扩大，到 2021 年达到 218.72×10⁵ hm^2[1]。其中设施蔬菜栽培因具有反季节种植、复种指数和经济效益高等^[2-3]特点发展迅速，到 2021 年种植面积达 400 万 hm^2[4]。东北黑土区土壤有机质丰富，自然肥力高^[5]，为设施蔬菜提供良好的生长环境。但大多数蔬菜属于浅根作物，对土壤养分和水分不敏感，而在蔬菜的生产上采用粗放的水肥管理模式，造成水氮流失严重，土壤盐碱化，硝态氮淋失，甚至黄瓜产量和品质下降^[6]。灌溉影响氮肥的吸收和利用，而氮参与营养体的生理生化反应，影响作物品质。过量施用氮肥会导致与土壤中其他养分的拮抗作用，使植物无法吸收养分^[7]，是农业面源污染主要来源。因此，将施肥和灌溉减少到合理范围，在不影响产量的情况下减少土壤剖面硝态氮残留和氮素盈余，对黑土设施蔬菜的种植具有重要意义。

较多调查结果表明，设施菜田施氮量普遍超过 1000 kg/hm^2[8-9]，远远高于蔬菜氮素需求量，造成氮输入大于氮输出，土壤氮库呈盈余状态。同时，设施菜田频繁灌溉使得灌水总量高达 1307 mm^[10]，土壤中积累的硝态氮随大水灌溉向地下迁移。氮素盈余指土壤-作物体系中向作物投入的氮与作物收获氮的差值^[11]，是衡量氮素输入生产力、土壤肥力变化和环境风险的有效指标。当氮素大量盈余时，作物产量和品质的增加幅度较小或不会增加，甚至还会降低，导致氮素大量损失，引起较大的环境污染。中国设施菜地每季氮盈余量为 55～441 kg/hm²，东北区蔬菜氮盈余量为 298 kg/hm^2[12]；一年一熟作物体系的氮平均素盈余为 73 kg/hm²，一年两熟作物体系的氮素平均盈余为 160 kg/hm^2[13]。减水减氮是降低硝态氮淋溶、提高水氮利用率和控制水土污染的一个主要手段。大量研究表明^[14-15]，施肥、灌溉、作物种类、土壤特性等均可以影响土壤剖面中硝态氮累积和氮素盈余。李若楠等^[16] 的研究表明，优化水分管理是实现氮肥减施增效的关键，较农民习惯管理节水 20%～30% 配合减氮 50%，能有效降低氮素盈余，减少环境污染；Jin 等^[17]的研究表明，较高的水或氮用量会增加氮损失的风险，减少水氮用量，可降低土壤剖面氮素累积；程娟等^[18]研究表明化肥减施及减施粪水替代处理可以显著降低土壤氮盈余，随着种植茬数的增加，0～40 cm 土壤硝态氮累积量呈增加趋势。 Pant 等^[19]研究发现，投入较大水、氮会显著影响土壤剖面中硝态氮的残留量及在不同土壤剖面的分布。Wang 等^[20]研究表明，土壤硝态氮更易在土壤性质轻薄、砂性土发生淋溶的观点。但也有研究发现，减水减氮对土壤剖面硝态氮累积和土壤氮素盈余的降低效果不明显^[21]。

目前，国内外对土壤氮素盈余的研究主要集中在小麦、玉米、水稻等^[22-24]粮食作物且较多研究是短期的效应，而针对设施菜地种植模式下的氮素盈余，特别是长期减水减氮对黑土茄子氮肥利用率变化、土壤剖面硝态氮残留及氮素盈余等相关研究鲜有报道。如何优化施肥和灌溉，提高蔬菜产量和肥料利用率，减少土壤剖面硝态氮累积和氮素盈余，对黑土设施菜地土壤-蔬菜系统表观氮素平衡具有重要意义。本研究以典型黑土菜地为研究对象，设置不施氮肥、常规水肥、80% 常规肥和 80% 常规水 4 个处理，研究减水减氮对设施茄子氮素利用效率、土壤剖面硝态氮积累与分布及土壤氮素盈余等的影响，将有助于确定科学可靠的灌溉和施肥策略，以实现稳定和可持续的产量，同时降低环境成本。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

试验地位于黑龙江省农业科学院园艺分院的设施蔬菜大棚（45°37.83′ N，126°39.05′ E），本试验于 2016 年开始，每间设施大棚面积为 324 m² （长 27 m× 宽 12 m）。该试验地土壤为草甸黑土，成土母质为第四纪洪积黄土状黏土。试验区为典型中温带大陆性季风气候，年均降水量为 569.1 mm。试验开始前测定的土壤基础理化状况见表1。

1.2 试验设计

本试验于 2016 年开始，采用随机区组设计，在试验设计最初，有设计 80% 灌溉水和 80% 肥料的双减处理，经过两年试验结果发现，产量为常规处理大约 1/3，并且病害特别严重。因此，为了试验的合理性和经济效益的增加，在后来的试验中删除了双减处理。试验设置 4 个处理：不施氮肥处理 （CK）、常规水肥处理（WF）、80% 常规水处理 （80%WF）、80% 常规肥处理（W80%F），每个处理 3 个小区（3 垄 / 区），每个小区面积为 15 m² （5 m×3 m）。本次试验研究于 3 月初在育苗盘上播种，于温室中进行育苗，在 5 月中下旬进行人工移苗定植，种植作物为茄子（龙杂 201），施肥包括基肥和追肥两个阶段，在茄子的初果期和盛果期采用穴施的方式进行两次追肥。全程采取滴灌，到茄子开花期时，每 7～10 d 灌 1 次水，采用水表进行水量控制，直到茄子拔秧期时停止灌水。具体的施肥量和灌溉量见表2。

1.3 取样及测定方法

1.3.1 土壤取样及测定

在每个试验小区随机选取 3 个位点，以 20 cm 厚度的土壤为一个土壤层次，采集 0～100 cm 土层的土壤样品，每个层次的样品均匀混合后装自封袋带回实验室，一部分存放于 4℃冰箱保留鲜样；另一部分在风干后进行研磨过筛，进行下一步分析。

1.3.2 植株取样及测定

茄子成熟后，对成熟茄果进行采摘和称重（14 次），用于新果产量的计算，并随机选取 3～5 枚茄果带回实验室在烘箱中 80℃烘干，粉碎，用于全氮含量的测定；在茄子拉秧后，将整个茄子植株取回，根、茎、叶三部分分别进行烘干和称重，用于全氮含量的测定。

1.4 氮素盈余的相关计算

在本研究中，由于是移栽，故茄子种子输入的氮含量忽略不计，同样作物生长期间在大棚内并用薄膜覆盖，因此不考虑大气氮沉降输入的氮含量。剖面累积氮素以硝态氮为主，铵态氮的比例较小，占比不到 5%，因此不考虑铵态氮的影响。氮盈余根据 Zhang 等^[13]的方法进行计算，相关公式如下：

$\mathrm{各}\mathrm{器}\mathrm{官}\mathrm{吸}\mathrm{氮}\mathrm{量}（\mathrm{k}\mathrm{g}/{\mathrm{h}\mathrm{m}}^2\mathrm{}）=（\mathrm{器}\mathrm{官}\mathrm{生}\mathrm{物}\mathrm{量}\mathrm{}\times \mathrm{}\mathrm{器}\mathrm{官}\mathrm{含}\mathrm{氮}\mathrm{量}）/1000$

$\mathrm{氮}\mathrm{肥}\mathrm{利}\mathrm{用}\mathrm{率}（\mathrm{\%}）=（\mathrm{施}\mathrm{氮}\mathrm{区}\mathrm{果}\mathrm{实}\mathrm{吸}\mathrm{氮}\mathrm{量}\mathrm{}-\mathrm{}\mathrm{不}\mathrm{施}\mathrm{氮}\mathrm{区}\mathrm{果}\mathrm{实}\mathrm{吸}\mathrm{氮}\mathrm{量}）/\mathrm{}\mathrm{施}\mathrm{氮}\mathrm{量}\mathrm{}\times 100$

$\mathrm{氮}\mathrm{肥}\mathrm{农}\mathrm{学}\mathrm{效}\mathrm{率}（\mathrm{k}\mathrm{g}/\mathrm{k}\mathrm{g}）=（\mathrm{施}\mathrm{氮}\mathrm{区}\mathrm{作}\mathrm{物}\mathrm{产}\mathrm{量}\mathrm{}-\mathrm{}\mathrm{不}\mathrm{施}\mathrm{氮}\mathrm{区}\mathrm{作}\mathrm{物}\mathrm{产}\mathrm{量}）/\mathrm{}\mathrm{施}\mathrm{氮}\mathrm{量}$

$\mathrm{氮}\mathrm{肥}\mathrm{偏}\mathrm{生}\mathrm{产}\mathrm{力}（\mathrm{k}\mathrm{g}/\mathrm{k}\mathrm{g}）=\mathrm{}\mathrm{施}\mathrm{氮}\mathrm{区}\mathrm{作}\mathrm{物}\mathrm{产}\mathrm{量}\mathrm{}/\mathrm{}\mathrm{施}\mathrm{氮}\mathrm{量}\mathrm{土}\mathrm{壤}\mathrm{硝}\mathrm{态}\mathrm{氮}\mathrm{累}\mathrm{积}\mathrm{量}（\mathrm{k}\mathrm{g}/{\mathrm{h}\mathrm{m}}^2）=（\mathrm{土}\mathrm{壤}\mathrm{硝}\mathrm{态}\mathrm{氮}\mathrm{含}\mathrm{量}）\times \mathrm{}\mathrm{土}\mathrm{壤}\mathrm{容}\mathrm{重}\times \mathrm{土}\mathrm{层}\mathrm{厚}\mathrm{度}/10$

$\mathrm{氮}\mathrm{素}\mathrm{盈}\mathrm{余}\mathrm{量}（\mathrm{k}\mathrm{g}/{\mathrm{h}\mathrm{m}}^2\mathrm{}）=\mathrm{}\mathrm{氮}\mathrm{输}\mathrm{入}\mathrm{}-\mathrm{}\mathrm{茄}\mathrm{子}\mathrm{吸}\mathrm{收}\mathrm{氮}$

$\mathrm{氮}\mathrm{肥}\mathrm{表}\mathrm{观}\mathrm{利}\mathrm{用}\mathrm{率}（\mathrm{\%}）=（\mathrm{施}\mathrm{氮}\mathrm{区}\mathrm{作}\mathrm{物}\mathrm{吸}\mathrm{氮}\mathrm{量}\mathrm{}-\mathrm{}\mathrm{不}\mathrm{施}\mathrm{氮}\mathrm{区}\mathrm{作}\mathrm{物}\mathrm{吸}\mathrm{氮}\mathrm{量}）/\mathrm{}\mathrm{施}\mathrm{氮}\mathrm{量}\mathrm{}\times 100$

$\mathrm{氮}\mathrm{肥}\mathrm{表}\mathrm{观}\mathrm{残}\mathrm{留}\mathrm{率}（\mathrm{\%}）=（\mathrm{施}\mathrm{氮}\mathrm{区}\mathrm{无}\mathrm{机}\mathrm{氮}\mathrm{残}\mathrm{留}\mathrm{量}\mathrm{}-\mathrm{}\mathrm{不}\mathrm{施}\mathrm{氮}\mathrm{区}\mathrm{作}\mathrm{物}\mathrm{吸}\mathrm{氮}\mathrm{量}）/\mathrm{}\mathrm{施}\mathrm{氮}\mathrm{量}\mathrm{}\times 100$

$\mathrm{氮}\mathrm{肥}\mathrm{表}\mathrm{观}\mathrm{损}\mathrm{失}\mathrm{率}（\mathrm{\%}）=1-\mathrm{}\mathrm{氮}\mathrm{肥}\mathrm{表}\mathrm{观}\mathrm{利}\mathrm{用}\mathrm{率}\mathrm{}-\mathrm{}\mathrm{氮}\mathrm{肥}\mathrm{表}\mathrm{观}\mathrm{残}\mathrm{留}\mathrm{率}$

1.5 数据处理与分析方法

采用 Excel 2017 进行数据基本统计，利用 SPSS 25.0 进行方差分析和多重比较（Duncan），差异显著性水平α= 0.05，采用 Origin 2021 进行绘图。

2 结果与分析

2.1 减水减氮对设施茄子产量及其构成因素的影响

表3 为减水减氮处理下产量及其生物量。2019— 2020 年，茄子平均产量在 45.24～53.19 t/hm² 之间， 4 种处理的产量表现为 WF>W80%F>80%WF>CK，减水处理显著影响设施茄子产量（P<0.05），减氮处理对设施茄子产量没有显著影响（P>0.05）。经过两年连续的田间定位试验，与处理 CK 相比，WF、80%WF、W80%F 处理的茄子分别增产 15.42%、6.63%、13.65%。与 WF 处理相比，80% WF 处理产量平均显著降低 6.88%，W80%F 处理没有显著变化；与各处理相比，CK 处理降低了设施茄子产量，平均减产 11.34%，说明不施氮肥的土壤中氮素不能满足茄子氮素需求，导致产量下降，施氮可以提高设施茄子根茎叶生物量。WF、 80%WF、W80%F 处理的茄子根生物量较 CK 平均增加了 13.41%、21.37%、11.22%，茎分别较 CK 平均增加 8.00%、3.81%、8.21%。与 WF 处理相比， 80%WF 处理的根生物量显著降低，W80%F 处理没有显著变化。

2.2 减水减氮对设施茄子氮素分配和利用的影响

由表4 可知，减水减氮处理显著降低了设施茄子地上部的吸氮量。与 WF 处理相比，80%WF 处理和 W80%F 处理总吸氮量平均降低了 8.53%、6.81%，果实吸氮量没有显著变化；WF、80%WF、W80%F 处理的总吸氮量较 CK 平均显著增加了 44.35%、 32.08%、34.61%。说明减水减氮对茄子果实吸氮量没有显著影响，但不施氮肥会显著降低设施茄子吸氮量和总氮素累积量。与 WF 处理相比，80%WF 处理的氮肥利用率、氮肥农学效率、氮肥偏生产力均显著降低，分别降低 11.00%、56.66%、6.21%， W80%F 处理的氮肥农学效率、氮肥偏生产力显著增加，平均分别增加 11.22%、4.69%。

注：同一年份同列数据后不同小写字母表示处理之间差异显著（P<0.05）。表4 同。

2.3 减水减氮对土壤剖面硝态氮分布的影响

2019、2020 年收获期后各处理 0～100 cm 土层土壤剖面硝态氮垂直分布如图1 所示。在 0～20 cm 土层硝态氮含量最高，且随着土壤深度的增加而降低。具体而言，2019 年，各处理在 0～20 cm 土层硝态氮含量没有显著变化；2020 年，80%WF 和 W80%F 处理硝态氮含量显著高于 CK 和 WF 处理； 2019 和 2020 年在 20～40 cm 土层中，80%WF 处理的硝态氮含量为 43.17 和 42.56 mg/kg，较其他处理显著提高 64.32%～86.99% 和 57.73%～83.55%； CK、WF 和 W80%F 各处理间无显著差异；2019 和 2020 年在 40～60 cm 土层硝态氮含量变化趋势一致， W80%F 处理显著高于 CK 和 WF 处理的 17.14%～32.19% 和 27.29%～40.82%；2019 年 60～80 cm 土层硝态氮含量无显著变化，2020 年 80%WF、W80%F 和 CK 处理均显著高于 WF 处理，但 3 个处理之间无显著差异；2019 和 2020 年 4 种处理在 80～100 cm 土层中土壤硝态氮含量没有显著差异。整体来看，各处理土壤硝态氮含量为 80%WF>W80%F>CK>WF，说明减水减氮处理可以降低氮素淋溶风险。

2.4 减水减氮对土壤剖面硝态氮累积量的影响

从图2 可以看出，土壤剖面硝态氮累积量范围为 302.97～352.84 kg/hm²，各处理土壤硝态氮累积量随着土层的加深呈增加的趋势，减水处理显著增加土壤硝态氮累积量，减肥处理显著降低土壤硝态氮累积量。由图2 可知，各处理之间存在显著差异，连续两年各处理的土壤硝态氮累积量从大到小为 80%WF>WF>W80%>CK，各处理总量均超过 300 kg/hm²，其中以 80%WF 处理的土壤硝态氮积累量最高，分别达到 361.91 和 353.08 kg/hm²。与 WF 处理相比，80%WF 处理显著增加 6.18% 和 7.61%，W80%F 处理显著降低 3.35% 和 5.03%，而 CK 和 W80%F 处理间无显著差异。在 0～100 cm 土层深度内，各处理土壤硝态氮累积量随着土层的加深呈增加的趋势。与 WF 处理相比，80%WF 处理和 W80%F 处理的各土层积累量均增加。与 WF处理相比，80%WF 处理各土层从上到下硝态氮累积量平均显著增加 10.32%、7.42%、8.90%、7.69% 和 5.07%。与 WF 处理相比，W80%F 处理均降低，其中 40～60 cm 显著降低 4.19% 和 14.58%；各处理硝态氮主要累积在 60～100 cm 土层中，占总累积量的 45.89%～46.93%。在相同施氮量下，减水处理增加了硝态氮在土壤上层剖面（0～60 cm） 的累积，即增加 7.63%；在相同灌溉量下，减氮处理减少了硝态氮在土壤下层剖面（60～100 cm） 的累积，即减低了 9.22%。可见，减水可以增加耕层土壤硝态氮累积，减肥可以降低土壤剖面下层硝态氮累积，从而降低氮素流失和淋溶风险。

注：不同大写字母表示不同处理同一土层间差异显著（P<0.05）；不同小写字母表示同一处理不同土壤层间差异显著（P<0.05）。

注：不同大写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）；不同小写字母表示同一土层不同处理间差异显著（P<0.05）。

2.5 土壤-作物系统氮素养分平衡

两年设施茄子 0～60 cm 氮素盈余结果表明，在氮素输入项中，以化肥氮和有机肥氮为主，占氮输入总量的 83.89%～89.63%；而氮素输出项中，以作物吸收为主，分别占氮输出总量的 51.51%～64.29%。氮素盈余分析结果表明，各处理氮素均处于盈余状态（表5）。与常规处理相比，减水处理的土壤氮素盈余量显著增加 5.47%，减肥处理的土壤氮素盈余量显著降低 7.31%；WF、80%WF、W80%F 处理的氮素盈余量较 CK 平均显著增加了 70.35%、 80.89%、58.06%。两年试验的氮肥表观残留率、氮肥表观损失率变化趋势如表5 所示，与常规处理相比，减水处理的氮肥表观残留显著提高，分别是 111.2% 和 65.7%，减肥处理没有显著变化；氮肥表观损失率较常规处理均显著下降；氮肥表观利用率各处理间差异不显著。

注：同一年份同行数据后不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

2.6 减水减氮下氮盈余的相关性分析

由表6 可知，减水减氮下设施茄子的产量与氮肥表观损失率、氮肥利用率、氮肥农学效率呈极显著正相关（P<0.01），与氮肥偏生产力呈显著正相关（P<0.05）；植株吸氮量与氮肥表观损失率呈极显著正相关（P<0.01）；硝态氮累积量与氮淋失量呈极显著正相关（P<0.01）；氮素盈余与硝态氮累积量呈极显著正相关（P<0.01）、与氮淋失量呈显著正相关（P<0.05）；氮肥表观利用率与氮肥农学效率、氮肥偏生产力呈显著正相关（P<0.05）。从图3 可以看出，灌溉量与氮素盈余呈二次曲线关系（R² =0.550）；线性相关分析表明，施氮量和硝态氮累积量与氮素盈余呈显著正相关（R² =0.964， R² =0.975）。

注：Y：产量；S：植株吸氮量；N_sur：氮盈余量；NA：硝态氮累积量；NL：氮淋失量；NARR：氮肥表观残留率；NAUR：氮肥表观利用率；NALE：氮肥表观损失率；REN：氮肥利用率；AEN：氮肥农学效率；PFPN：氮肥偏生产力。* 表示显著相关（P<0.05）；** 表示极显著相关（P<0.01）。

注：y₁、y₂、y₃ 分别表示灌溉量、施氮量、硝态氮累积量。

3 讨论

3.1 减水减氮对设施茄子产量和氮素利用的影响

合理水肥能够协调土壤养分供给和作物吸收的同步性，促进养分合理分配，有利于作物生长发育，最终改善作物产量。前人研究^[25]表明，在常规处理基础上适量减少氮肥施用量并不会影响产量，反而能促进作物对氮素的吸收利用，降低氮素的表观损失，这与本研究结果一致（表3 至表5），主要是因为本试验在黑土上进行的，土壤比较肥沃，并且长期施有机肥，设施大棚中高温环境有利于有机肥分解，有机肥中氮素矿化后释放供作物吸收利用，因此减肥 20% 对茄子生长发育和产量影响不显著。以往研究^[26]显示，设施菜田长期施肥情况下，适当减少灌溉量，对蔬菜产量影响不明显，这与本研究结果不一致。本研究中减水后茄子减产，一方面是因为减少 20% 灌溉水会导致水分胁迫，水分胁迫下茄子叶片发生光抑制，引起叶片光能效率下降及干物质积累降低^[27]，进而引起茄子减产，另一方面茄子在不同生育期对水分敏感度不同，缺少水分影响了茄子产量。

氮素是作物必需的营养元素，作物体内适宜的氮素有利于植物新陈代谢、生长发育和促进其形成较高的产量，但过低或过高的氮素会造成养分比例失衡，对作物产生不利的影响^[28-29]。本研究发现，减水减氮处理与常规处理相比，茄子果实吸氮量没有显著差异，各部分吸氮量表现为果实 >茎 >叶 >根，这与佟鑫等^[30]研究结果基本一致。虽然果实吸氮量之间没有显著差异，但总吸氮量显著高于减水减氮处理，这可能是减水减氮处理导致土壤根层氮素含量较低，降低了植株对氮的吸收。氮肥过量施用，不仅使土壤中盈余氮素淋溶进入地下水，对饮用水产生威胁，造成环境污染和养分浪费，而且会间接使氮肥利用率降低^[31]；在本研究中，减水处理的茄子氮肥利用效率均低于常规处理，这可能是由于减水处理造成茄子生育前期水分亏缺，干旱胁迫降低了茄子对氮素的吸收。减氮处理的氮肥农学效率、氮肥偏生产力分别提高了 10.3%、 24.69%，0～100 cm 土壤硝态氮累积量降低了 4.19%，与刘佳等^[32]研究结果类似。可见，适度减施氮肥是提高茄子生产效率，降低土壤剖面硝态氮累积的有效途径。

因此，在实际生产中，设施茄子适当减氮既可以满足作物的水肥要求，减少水分和肥料在土壤里的残留，又可以节约养分资源，降低氮素淋溶的风险，有利于设施蔬菜的可持续发展。

3.2 减水减氮对土壤剖面硝态氮分布与累积的影响

施入土壤中的氮在短时间内会水解并转化为硝态氮^[33]，一部分被作物吸收利用，另一部分不易被土壤胶体吸附，随水移动淋溶到深层土壤，造成土壤硝态氮的积累。本试验结果表明，在 0～100 cm 土层中随着土壤深度的增加，土壤硝态氮含量逐渐降低，这与前人的研究结果一致^[34-36]。各处理中，与 0～20 cm 土层相比，各土层的土壤硝态氮含量随土壤深度增加而降低，与杨慧等^[37]的研究结果一致，这主要是因为设施大棚的肥料施用多为表面穴施，使得土壤硝态氮的富集作用主要在表层发生。在相同施氮量下，减水处理的土壤硝态氮分布在 0～40 cm 的土层中较多，这可能是因为减水处理导致了土壤硝酸盐的淋洗效应减弱，促进其他形态氮转化为硝态氮^[36]，导致 0～40 cm 土层中硝态氮含量增加。

本研究中，与常规处理相比，减水减氮处理对 0～100 cm 土壤硝态氮累积有显著影响。在相同施氮量下，减水处理显著提高了 0～60 cm 土壤中硝态氮积累量，与李艳梅等^[27]研究结果相似，说明减水后限制了氮肥氮素释放及土壤剖面的硝态氮迁移，将大量硝态氮保留在作物可吸收的范围内。然而值得注意的是，减水处理虽然提高了当季土壤剖面中的硝态氮累积量，阻控了硝酸盐向 100 cm 以下土层的淋溶作用，但在这种连续多年种植的大棚中，由于常年的投入水肥，当季向根区密集层以下淋溶的氮素量还是很高，存在很大的环境风险，且施氮量与氮素盈余量有显著正相关（图3）。本研究中，在连续两年的设施菜田中，随着土壤深度的增加，各土层硝态氮累积量均增加，各处理土壤耕层已经产生严重的氮素淋失现象，与王克安等^[38]研究结果有所不同。出现这种现象的原因是由于大棚多年有机肥和氮肥的投入，使得土体中的氮素及有机质含量均处于较高水平，土壤大孔隙增加，土壤大孔隙增大了氮素随水分向土体下层淋溶的可能，再加上施用氮肥激发了土壤氮素初级矿化速率，同时刺激了土壤的硝化过程，而抑制了土壤铵态氮的同化^[39]，从而降低了土壤的保氮能力。在灌溉条件下，更加速了土壤硝态氮向下层的淋溶。由于设施茄子的浅根系特性，导致 60 cm 以下土层富集的硝态氮并不能被作物很好地吸收利用，武星魁等^[40] 研究证实，长期施用氮肥会增加土壤中的硝态氮含量，且各土层的硝态氮积累量随施肥年限的增加而增加。本研究中，可以将 60～100 cm 土壤深度定义为氮淋失的土壤深度，这是因为这个深度的氮很难被茄子根系吸收。在 60～100 cm 的硝态氮积累量占总积累量的 45% 以上，与潘飞飞等^[41]研究相似；在相同灌溉量下，减氮处理的硝态氮累积量在 60～100 cm 显著降低，说明减氮可以将硝态氮保存在土壤中，这样既可以提高土壤耕层供氮能力，也可以减少硝态氮淋失到土壤深层，降低环境污染的风险。结合前人研究和本试验的研究来看，笔者推测土壤 100 cm 以下土层中含部分硝态氮，但受本试验测定深度的限制，无法证明此推测。因此，在设施蔬菜生产中，应根据作物的需求采用根层调控措施进行合理施肥^[42]，从而降低土壤硝态氮的淋失风险及对地下水的污染。

3.3 减水减氮对土壤氮盈余的影响

氮素盈余是衡量氮素投入及环境影响的有效指标，造成土壤氮素大量盈余的原因是不合理的施肥和灌溉。土壤中盈余的氮素一部分被下季作物吸收利用，另一部分通过挥发、硝化-反硝化作用和硝态氮淋溶等损失，造成环境污染。丁武汉等^[12]研究结果表明，我国设施菜地每个生长季氮素盈余量为 49～1154 kg/hm²，东北地区为 55 kg/hm²，而本研究中各处理下的氮盈余量均高于 55 kg/hm² 这一指标。在本研究中，在相同施氮量下，减水处理氮素盈余显著增加，这与李银坤^[43]研究不一致，一方面多年种植，土壤中积累大量氮素，再次输入氮肥，在减水处理下减少向下淋失的量，使得氮素盈余增加；另一方面茄子在关键生育期减少灌溉量，导致植株吸收氮素减少使氮素盈余增加。在相同灌溉量下，减氮处理的氮素盈余显著降低，与郭润泽等^[44]的研究相同。本研究中，由于作物对氮吸收有限，施氮量超出作物吸氮量的 69.04%～85.38%，并且每年投入的养分还在继续，使得作物-土壤系统中氮素盈余增加。鲁如坤等^[45]研究表明，农田氮素盈余率大于 20% 就有可能对环境造成危害，而本研究中各处理氮素盈余率均在 70% 以上，远远高于以往研究结果，这可能是因为本研究氮素盈余只考虑有机肥、氮肥、灌溉水与作物吸收，未考虑大气沉降、种子带入及土壤氮矿化、氨挥发、硝态氮淋溶和反硝化等，从而使氮盈余偏高。本研究结果还表明，氮素盈余与种植年限相关，随着种植年限的增加，土壤中氮素盈余量也会增加，这与孙文彦等^[46]的试验结果一致。结合前人研究和本试验的研究来看，笔者推测在 80% 灌溉水和 80% 肥料的双减处理下，茄子不会显著减产，并且可以增加硝态氮在 0～60 cm 土层中的累积量，减少向下淋失的风险，增加氮素盈余。但受本试验设计限制，并且我国不同地区生产条件差异大，品种、施肥水平、灌溉量、土壤质地和气候等因素影响，无法证明笔者的推测，需要进一步试验来证实。本研究中相关分析表明 （表6、图4），氮素盈余与灌溉量、施氮量、土壤剖面硝态氮呈显著相关，这与前人的研究结果一致^[2，47]，说明最佳灌溉和施氮肥是减少氮素盈余的有效途径。因此，在长种植年限、过量水肥投入的单一设施大棚中，控制水肥投入，探究科学合理的用量，对降低氮素盈余、减少环境污染是至关重要的。

4 结论

在种植两年的设施茄子后，在相同施氮量下，减水处理虽然降低茄子产量和氮肥利用效率，但可以增加土壤上层（0～60 cm）氮素盈余和土壤剖面硝态氮累积；在相同灌溉量下，减氮处理在保证茄子产量下，提高氮肥利用效率，减少 0～100 cm 土层中氮素盈余和土壤剖面硝态氮累积，减少向下淋失的风险。综合茄子产量、氮肥利用效率、硝态氮累积量和氮素盈余等综合考量，在当前减水减氮条件下进一步调整水氮用量，降低土壤剖面硝态氮累积和土壤氮素盈余，减少环境污染，实现提高产量和降低环境风险的目标。

参考文献