20世纪90年代以来我国蔬菜产业发展迅速，到2017年全国蔬菜种植面积达到2 000多万hm2，单产达35.7 t/hm2[1]。与此同时，设施蔬菜也发展迅速，从1978年的0.53万hm2到2011年已超过400万hm2[2]。设施蔬菜栽培一般属于反季节栽培，光温环境与生长规律不匹配，导致根系生长差，水肥吸收能力弱，为了追求更高的经济效益，施肥量普遍较大[3]。据统计，日光温室每年氮肥的平均投入量达到3 000 kg/hm2[4]，大量的施肥不但导致资源浪费、土壤质量退化，还威胁生态健康。大量施肥导致肥料淋溶损失严重，有研究表明，设施菜地每年的氮素淋溶损失量高达182～277 kg/hm2，占施氮量的16%～25%。化肥的大量投入除增加损失，降低资源利用率外，还导致设施菜地土壤的碳氮比值下降[5-7]。虽然我国菜地土壤的碳、氮含量均高于露地土壤，但却存在明显的C、N不平衡问题[8]。与周围粮田(9.9∶1)相比，设施菜地碳氮比仅为4.4∶1，下降了一半以上[9]。
高碳氮比有机物料施用是提高土壤碳氮比的有效方式，刘继明等[10]在吉林黑土区研究表明，秸秆还田增加土壤有机氮含量并提高碳氮比，改善肥力。在不同处理中，添加秸秆处理使碳氮比从14.37提高到19.17。高碳氮比有机物料还田除提高土壤碳氮比之外，还通过影响土壤氮素固持与释放进而影响土壤氮素的有效性、损失与利用率。梁斌等[11]的研究表明，配施秸秆处理显著降低土壤矿质态氮含量，增加氮素在土壤中的固持。潘剑玲等[12]、何飞飞等[13]研究表明，施用秸秆显著降低农田氮素的淋溶损失，进而提高氮素利用率。
目前，利用高碳氮比有机物料调控土壤氮素有效性的研究主要集中于农田中，对于日光温室环境下施用有机物料调控氮素保持与损失的研究较少。日光温室长期处于封闭或半封闭状态，其内温度高、湿度大，与露地生产体系截然不同，从而可能导致有机物料的降解及其对氮素固持的规律不同。而且温室氮素投入大，淋溶多，通过施用秸秆增加氮素固持，减少氮素淋溶损失的潜力有待探索[14-17]。因此，本试验研究了日光温室环境下秸秆施用对于氮素固持及减少氮素淋溶的效果及作用机理，以期为日光温室合理的土壤碳、氮管理，降低氮肥用量，减少氮素淋溶损失提供数据支撑。
1 材料和方法
1.1 试验设计
本研究包括室内培养试验和温室内土柱淋溶试验。供试土壤和有机物料采自山东省寿光市(36°55′N，118°45′E)，土壤容重为1.25 g/cm3，基本理化性状见表1。室内培养试验设置对照(CK)、施稻壳(R)、施玉米秸秆(M)3个处理，每个处理重复6次，完全随机排列。有机物料按等碳量(0.8%)施用，稻壳和玉米秸秆用量分别为20.9，19.8 g/kg，培养温度为30 ℃，在培养的第0，2，5，10，15，25，35天取样测定矿质态氮和可溶性有机氮含量。
表1 供试土壤和有机物料基本理化性质
Tab.1 Basic physical and chemical properties of tested soil and organic materials
基本理化性质Physical and chemical properties有机碳含量/%Organic carbon content全氮含量/(mg/kg)Total nitrogen content碳氮比Carbon to nitrogen ratio矿质氮/(mg/kg)Mineral N速效磷/(mg/kg)Available phosphorus速效钾/(mg/kg)Available potassiumpHpH value土壤 Soil1.0--26.542.2613.27.7稻壳 Rice husk38.24.978.6----玉米秸秆 Corn straw40.412.133.3----
土柱淋溶试验在日光温室内进行，采用双因素随机区组设计，包括有机物料和氮肥2个研究因素，有机物料处理与室内培养试验相同。氮肥设置不施氮肥(N0)、施150 mg/kg氮肥(N1)、施300 mg/kg氮肥(N2)3个水平，共9个处理，每处理重复3次。试验所用土柱直径为11 cm，高度为70 cm，土柱中土壤高度为60 cm，装土量为7.5 kg。将土壤过5 mm筛去除杂质后混匀，每个土柱填至40 cm(4.5 kg风干土)，将剩余的土壤按试验方案处理后，填入对应土柱的0～20 cm土层，N0、N1和N2处理每土柱的施氮量分别为0，0.98，1.96 g。每土柱灌水500 mL后放在温室中培养3 d。在培养后的第1，7，14，21，28，35天灌水(500 mL)并收集PVC管内的渗漏液(第1天灌溉1 200 mL)，记录渗漏液体积。将渗漏液取样保存于50 mL聚乙烯瓶中并做好标记，冷藏保存，用于各项指标测定。
1.2 测定指标与方法
土壤矿质态氮含量测定采用0.5 mol/L K2SO4溶液(水土比10∶1)浸提后过滤，滤液中的硝态氮和铵态氮含量采用流动分析仪测定，可溶性总氮采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光比色法[17]测定，矿质态氮(包括硝态氮、铵态氮)采用自动连续流动分析仪测定，可溶性有机氮为可溶性总氮与矿质态氮之差。淋溶液中矿质态氮含量直接用流动分析仪测定。
在培养试验中称取相当于30 g烘干土的处理后的鲜土置于50 mL培养瓶中，将培养瓶和盛有10 mL 0.1 mol/L NaOH 溶液的塑料瓶同时放在密闭的500 mL塑料瓶中进行培养。在培养第1，2，3，4，5，10，15，25，35天，通过0.1 mol/L HCL溶液滴定剩余NaOH溶液来计算CO2的释放量。
1.3 数据处理
氮素固持量、有机物料降解率分别按公式①和公式②进行计算。
NCH=NC0-NCM
①
ODR(%)=(CO2-CM-CO2-C0)/CA
②
式中NCH为氮素固持量(mg/kg)；NC0为对照土壤矿质态氮含量(mg/kg)；NCM为有机物料处理土壤矿质态氮含量(mg/kg)；ODR(%)为有机物料降解率(%)；CO2-CM为有机物料处理CO2-C释放量；CO2-C0为对照处理CO2-C释放量, CA为有机物料中有机碳施用量。
采用Microsoft Excel 2010、SAS和Origin 8.5进行数据处理、分析与作图；不同处理差异显著性用LSD法进行多重比较分析。
2 结果与分析
2.1 有机物料降解
有机物料处理中CO2累积释放量显著高于对照处理。培养结束时，施玉米秸秆和稻壳处理中CO2累积释放量分别为3 575.6，1 446.9 mg/kg，玉米秸秆处理较稻壳处理显著提高1.5倍，上述两处理CO2累积排放量分别较对照处理提高2.1，6.8倍。在培养结束时(35 d)，玉米秸秆和稻壳降解率分别为18.8%，3.3%(图1)。
不同小写字母表示处理间0.05水平上差异显著。图2-3同。
Different lowercases are significantly different at the 0.05 probability level among treatments. The same as Fig.2-3.
图1 不同处理下CO2累积释放量和有机物料降解率
Fig.1 Accumulative emission of CO2 and decomposition rate of the added organic carbon under different treatments
2.2 土壤矿质态氮与可溶性有机氮含量及固持量
培养期间对照土壤矿质态氮含量为444.1～522.8 mg/kg。随着培养的进行，施用玉米秸秆和稻壳处理矿质态氮含量逐渐降低，到培养结束时R和M处理土壤矿质氮含量分别为368.4，321.4 mg/kg，仅为对照处理的74.5%，65.0%。整个过程中较CK分别降低23.9～173.1，6.4～126.1 mg/kg，降幅分别为24.4%，10.7%(图2)。
随培养的进行，土壤可溶性有机氮含量逐渐增加，CK处理可溶性有机氮含量为25.3～174.2 mg/kg，施有机物料显著增加土壤可溶性有机氮含量(图2)。培养过程中M处理和R可溶性有机氮含量分别为131.7～240.1，35.9 ～199.4 mg/kg，在培养第2天之后，M处理可溶性有机氮较R显著提高7.5%～31.2%。培养结束时，M和R处理下可溶性有机氮含量分别为240.1，199.4 mg/kg，分别为CK处理的1.5，1.2倍，整个培养过程中M和R较CK有机氮分别平均增加41.4%，6.4%。
图2 不同处理下矿质态氮、可溶性有机氮含量及氮素固持量变化
Fig.2 Dynamic of mineral N, soluble organic N and immobilized N under different treatments
培养期间施用稻壳和玉米秸秆处理土壤氮素固持量分别为6.4～126.1，23.9～173.1 mg/kg，玉米秸秆处理氮素固持量较稻壳处理显著提高37.2%～543.1%，占土壤矿质态氮含量的35.0%，25.5%(图2)。
2.3 矿质态氮淋溶损失
施用有机物料与化学氮肥对灌溉水渗漏损失量无显著影响(表2)。与对照相比，施用玉米秸秆显著降低淋溶液中矿质态氮浓度，在整个培养过程中N0、N1和N2处理中施用玉米秸秆后矿质态氮浓度仅为对照处理的28.9%～62.5%，3.1%～83.5%，25.3%～52.6%。与对照处理相比，施用玉米和稻壳使矿质氮浓度分别降低14.5～207.3，5.9～202.5 mg/L，平均降幅为34.7%(图3)。
随施氮量的增加，处理间灌溉水分淋溶量并无显著差异，但矿质态氮淋溶量增加，相同氮水平处理下，有机物料的施用显著降低矿质态氮淋溶损失(图3-D)。N0水平下，与CK处理相比，M和R处理下矿质态氮淋溶量降低41.1%，17.0%；N1和N2水平下，与CK相比，R处理使矿质氮淋溶量降低12.1%，25.3%，M处理降幅达26.6%，36.9%。在各施氮水平下，玉米秸秆处理矿质氮的淋溶损失量较CK和稻壳处理分别显著降低26.7%～41.1%，5.6%～28.7%，平均降幅分别为35.1%，18.9%。
表2 不同氮水平下灌溉水渗漏损失量
Tab.2 irrigation water leakage loss under different nitrogen levels
施氮量/(mg/kg)Nitrogen application rate0150300有机物料Organic Material对照CK稻壳Rice hull玉米秸秆Corn straw 对照CK稻壳Rice hull玉米秸秆Corn straw对照CK稻壳Rice hull玉米秸秆Corn straw灌溉水渗漏损失量/(L/土柱)Loss of irrigation water leakage1.9±0.49a1.5±0.10a1.3±0.20a1.3±0.15a1.7±0.23a1.7±0.03a1.7±0.23a1.7±0.24a1.6±0.17a
图3 施氮量0(A)，150(B)，300 mg/kg(C)条件下施用不同有机物料处理淋溶液中矿质态氮浓度变化趋势及矿质氮淋溶总量(D)
Fig.3 Dynamic mineral N concentration in the treatments of 0 (A), 150 (B) and 300 mg/kg (C) nitrogen application and accumulated leached mineral N(D)during the incubation
3 讨论
日光温室栽培中水、肥投入高，硝态盐土壤累积和淋溶损失多[4]。施用高碳氮比有机物料是降低土壤矿质态氮含量的有效手段。张雅洁等[18]的研究表明，在施用碳氮比为53∶1的小麦秸秆时，矿质态氮含量降低2.84 mg/kg。本试验中在温室土壤中施用玉米秸秆，固持量为173.1 mg/kg，显著高于农田的结果。这是因为日光温室施氮量过高从而温室土壤含氮量高导致供试土壤的矿质态氮含量远高于农田土壤，这说明通过施用秸秆降低土壤矿质态氮含量潜力大。
秸秆的施用虽然降低了矿质态氮含量，但是增加了土壤中可溶性有机氮的含量。与陈恩凤、王淑平等[19-20]的研究结果一致。其他的室内培养试验[18, 21]和盆栽试验[6,22]也表明，土壤中加入有机物料后，土壤的氮素固持能力增强，土壤中的氮素固持量增加，而土壤矿质态氮的含量明显减少。因为有机物料的加入，为土壤微生物提供碳源和能源，增加土壤微生物数量。
矿质氮淋溶量降低的原因有淋溶液体积的减少和淋溶液浓度的降低。本试验中，添加玉米秸秆较对照处理矿质氮的淋溶量降低277.6 mg/土柱，而渗漏损失的水分体积与CK无显著差异，可见淋溶氮的降低主要源于淋溶液中氮浓度的降低。本研究培养试验中玉米秸秆的施用使矿质态氮降低了27.0%～41.0%。
施用稻壳处理的氮素固持量、对矿质氮淋溶量的消减作用都显著低于施用玉米秸秆处理。这是因为由于稻壳的碳氮比远大于玉米秸秆，碳氮比越低越有利于有机物料的降解[23-26]，另外稻壳中碳含量较高，不利于稻壳的降解，本试验中稻壳的降解率仅为3.3%，不到玉米秸秆降解率的20.0%。
综上，施用有机物料是降低氮素淋溶损失，降低环境风险的有效方法。施用有机物料增加土壤氮素固持，降低土壤矿质态氮含量，是减少土壤氮素的淋溶的主要原因。
培养期间，玉米秸秆与稻壳的降解率分别为18.8%，3.3%，施用玉米秸秆对氮素的固持量达到173.1 mg/kg，较稻壳显著提高37.2%～543.1%。
与不施有机物料相比，施用玉米秸秆和稻壳分别使氮素淋溶损失降低35.1%，18.9%。施用玉米和稻壳降低了土壤矿质态氮浓度是减少矿质态氮淋溶损失的主要原因。
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