不同种植年限设施菜田土壤硝态氮的累积与空间分布特性
作者: 潘飞飞,宋俊杰,李庆飞
摘 要:为了解新乡市牧野区冬春茬蔬菜拉秧后,即夏季敞棚休闲期,硝态氮在各土层中的残留、空间分布状况及淋失风险,试验以农田为对照,采集了不同种植年限(2年、3年、16年和21年)设施菜田土壤样品进行测定分析。结果表明,设施菜田各土层硝态氮含量和累积量均高于农田,且二者均随种植年限的增加而增大,与种植年限间有极显著的线性正相关。各种植年限设施菜田中,随土层加深,硝态氮含量及累积量呈先降后增的趋势。其中,表层较高,40~60 cm最低,至80~100 cm达最大。虽然种植年限对表层土壤硝态氮的富集作用大于下层土壤,但这种由肥料表施而造成的硝态氮富集现象,会因降雨或灌水,形成在下层土体的空间分布重构。综上,随种植年限增加,设施菜田硝态氮淋失风险加剧,应控制氮肥投入量和灌水量。
关键词:设施菜田;种植年限;硝态氮;空间分布
中图分类号:S606 文献标志码:A 文章编号:1673-2871(2022)01-070-06
Accumulation and spatial distribution characteristics of nitrate nitrogen in vegetable fields with different planting years
PAN Feifei1,2, SONG Junjie1, LI Qingfei1,2
(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)
Abstract: In order to know more about the residual amount, spatial distribution and leaching risk of nitrate nitrogen in different soil layers during the summer fallow period of greenhouse field, our experiment was carried out with farmland as the control, and with soils collected as samples of different treatments from vegetable fields with different planting years (2, 3, 16 and 21 years). The results showed that both of the soil nitrate nitrogen content and its accumulation in different soil layers were higher than that of the farmland, and both of them increased with the increase of the vegetable planting years. Moreover, there was a very significant linear positive correlation between soil nitrate nitrogen and the planting years. In the vegetable field, the nitrate nitrogen content and accumulation tended to decrease first and then increase with the deepening of soil layer, among which the surface layer was higher, the lowest one was 40-60 cm, and the highest one was 80-100 cm. Although the role of vegetable planting years played on the enrichment of nitrate nitrogen was bigger in the surface soil than in the subsoil, nitrate nitrogen in the upper soil layers would reconstruct and generate new spatial distribution due to the rainfall or irrigation. In conclusion, risks of nitrate leaching increased with the increasing planting years of greenhouse vegetable, which could be controlled by reduced N fertilization and irrigation.
Key words: Greenhouse soil; Planting years; Nitrate nitrogen; Spatial distribution
近年来,随着我国社会经济的不断发展和人民生活水平的日益提高,人们对各式蔬菜,尤其是对反季蔬菜的需求逐渐增加,使得设施蔬菜的发展越来越快,数量和种类增加、种植规模扩大[1]。设施蔬菜不仅具有很好的节能效果,而且使蔬菜的周年种植和供应都得到了很好的实现[2-3]。其中,塑料大棚因其使用的年限比较长,对土地有很高的利用率,且在冬季有很好的保温蓄热效果,当前在豫北地区的应用最为普遍。
但在当前设施蔬菜生产体系中,氮肥的过量施用和大水漫灌导致土壤中硝态氮残留量多且淋失严重[4-5],造成了不同程度的资源浪费和环境污染。据调查,中国北方许多地区土壤剖面中硝酸盐的大量累积已对水体环境构成了严重威胁[6]。此外,土壤中高量硝酸盐的存在还会造成土壤次生盐渍化、土体结构破坏、养分供应失衡等一系列问题[7-8],阻碍设施菜田的可持续利用。因此,土壤硝酸盐富集俨然已成为设施蔬菜栽培中一项不可忽视的重大问题。
以往对不同种植年限的土壤硝态氮的累积、分布及淋失风险的研究多集中在降雨丰富或高灌水量的地区[9-10],而对年降雨量平均550 mm的中国北方地区土体中硝态氮淋洗的注意不足,认为该地区较少的降雨量并不足以引起淋溶损失或损失量较少。事实上,该地区虽然降雨少,但却主要集中在6—9月,正值冬春茬与秋冬茬作物之间的敞棚休闲期,期间并没有人为灌水,仅高强度降雨便会使得土表因施肥而富集的硝态氮下渗淋溶到相当深度,甚至进入地下水层。豫北地区设施蔬菜种植以黄瓜-番茄轮作为主,其特定的施肥管理措施也造就了该区域特定的土壤硝态氮累积与分布状况。因此,有必要深入了解该区不同设施蔬菜种植年限对土壤硝态氮的影响,并结合当地的降雨特性对夏季休闲期残留在不同土层中的硝态氮的淋失风险进行简要评估。
试验以新乡市不同种植年限塑料大棚为研究对象,旨在了解土壤硝态氮的累积和分布特征随设施蔬菜种植年限的变化趋势,以期为控制和降低设施菜田土壤硝酸盐的累积和淋失、减少地下水污染提供理论依据。
1 材料和方法
1.1 研究区概况
试验地位于新乡市牧野区朱庄屯(35°18′N,113°54′E)。该区属暖温带大陆性气候,全年平均气温14 ℃。其中,最热为7月,最冷为1月。年平均降雨量为573.4 mm,无霜期220 d,全年日照时长2400 h。
该区塑料大棚为番茄-黄瓜轮作,秋冬季主栽番茄,冬春季主栽黄瓜。2018年7月本试验取样前的一个轮作周期,番茄栽培品种为金棚218(由西安金鹏种苗有限公司提供),黄瓜栽培品种为油亮抗病16-1(由北京中农绿亨种子科技有限公司提供)。其中,番茄行距为66 cm,株距40 cm,黄瓜行距60 cm,株距35 cm,二者均采用单畦双行栽培。
塑料大棚为单栋拱圆形竹木塑料大棚,南北延长,大棚的规格是64 m×17 m。每个棚内划分3个小区,随机排列,小区面积20 m×17 m,相邻小区之间有间隔2 m的保护行。
选用4个不同种植年限的菜棚,截止到2018年7月,种植年限分别为2年、3年、16年和21年。由于4个种植年限菜棚彼此间相距不超过100 m,土壤类型相同,不存在土壤间的差异。因此,对试验处理的效果不产生任何影响。另外,因当地菜农施肥习惯普遍存在成区成片现象,所以不同种植年限大棚间肥料的施用量、种类及时间基本相同。
1.2 样品采集与处理
于2018年7月25日(此时各棚黄瓜都已拉秧,棚内不再浇水施肥且不进行任何土地作业),在棚内各个小区依“S”形路线多点混合采集0~100 cm(每20 cm一层)的土壤样品,每个菜棚每个土层最终得到3个混合土样,即3个重复。以大棚周边的农田土壤(周年轮作小麦-玉米)为对照(CK),于2018年6月8日,即小麦收获后采集0~100 cm的土壤样品。混匀的鲜土装入聚乙烯自封袋中,编号,带回实验室,放于0~4 ℃冰箱中暂存,用于测定土壤硝态氮。
在棚内挖掘梯形土壤剖面,剖面深度为100 cm。每20 cm一层,取中间位置将环刀从剖面侧边压入土中,直到环刀筒中充满土壤样品为止。将环刀带回实验室,用于测定各土层的土壤容重。
1.3 测定方法与数据分析
1.3.1 土壤容重 将装有土壤样品的环刀称质量,然后从环刀筒中取约10 g土,称质量,把取出的土样放入烘箱中烘6~7 h,直至土样完全烘干,取出称质量,计算土壤含水量。
土壤容重:RS=g×100/V×(100+w)。
式中:RS—土壤容重(g·cm-3);g—环刀内湿样质量(g);V—环刀容积(cm3);w—土壤含水量(%)。
1.3.2 土壤硝态氮含量 取30 g新鲜土样,加入100 mL 2 mol·L-1的KCl溶液,以220 r·min-1进行振荡浸提1 h,过滤,滤液经AA3连续流动分析仪测定。待测定完毕,导出测定结果。
土壤硝态氮积累量(kg·hm-2)=土层厚度(cm)×土壤容重(g·cm-3)×土壤硝态氮含量(mg·kg-1)/10。
1.3.3 数据分析 试验数据采用Excel 2010进行数据处理、相关分析和绘图,采用IBM SPSS Statistics 19.0中文版软件进行单因素ANOVA方差分析,Duncan新复极差法多重比较。文中所有图和表中的数据均为3次重复的平均值。
2 结果与分析
2.1 种植年限对土壤硝态氮含量的影响
由图1可知,设施菜田各土层的土壤硝态氮含量普遍高于对照农田,设施菜田土壤硝态氮含量(w,后同)变化在41.48~113.77 mg·kg-1,而农田土壤则变化在44.91~51.07 mg·kg-1之间,前者各土层土壤平均硝态氮含量为后者的1.28~1.86倍。随着菜棚种植年限的增加,各土层土壤硝态氮含量总体呈增加的趋势,且均于种植年限为21年时达最大值,显著高于对照农田及种植年限为2年、3年的菜棚。
在0~20 cm土层,农田土壤中硝态氮含量仅有44.91 mg·kg-1,经2~3年菜棚种植模式后,土壤硝态氮含量已有50~80 mg·kg-1,当种植年限达到21年时,土壤硝态氮含量可高达100 mg·kg-1。而在20~40 cm土层,与0~20 cm土层相比,其硝态氮含量随种植年限的增加而增加的强度稍有减弱,种植年限为16年和21年菜棚的土壤硝态氮含量仅为2年菜棚的1.4倍和1.5倍,小于0~20 cm土层对应的1.7倍和1.9倍,说明种植年限对表层土壤硝态氮的增加作用要大于下层土壤。