近年来，集约化设施菜田不断发展，氮素投入过高，造成土壤氮素累积[1-3]。研究发现[4]，设施菜地土壤硝态氮含量均比大田高。海南冬季瓜菜收获后，0～20 cm土层无机氮累积高达380 kg/hm2[5]。累积在农田土壤的氮素受到降雨或者灌溉冲刷作用，很容易淋失，从而引发环境风险，造成面源污染。我国北方大部分地区设施菜田6-8月份处于敞棚休闲期[6]，而降水集中在夏季的现象更为明显，使得累积在土壤中的氮素很容易被淋洗到根层以下，加大了夏季设施菜田氮素的淋洗损失[7]。相对于氮素的过高投入，碳源补充相对不足，由此造成设施菜田土壤碳氮失衡问题。研究表明，寿光菜田的土壤C/N与粮田相比下降了2.4个单位[8]。
如何控制夏季设施菜田氮素环境风险，进一步改善土壤的碳氮状况成为当前研究的一个重要课题。生物炭作为一种土壤调理剂在土壤改良方面越来越受到人们的关注。生物炭主要为木材、畜禽粪便或植物落叶等生物质在限氧或无氧条件下的热解产物[9-10]。生物炭不但具有增强土壤通透性、改善土壤物理结构、增加土壤微生物量、激发土壤酶的活性的作用[11-13]，还有很强的吸附能力，可以吸附铵根离子、硝酸盐，具有一定的保肥性能，施加到土壤中能够有效减少氮素的流失[14]以及提高土壤氮素的利用效率[15]。有研究表明，随着生物炭添加量的增加，沙壤土中氮素的淋失量不断减少[16-17]。研究发现，施用生物炭，会增加土壤中有机碳的含量，补充土壤所需的碳源，改变土壤微生物环境[18-21]。针对设施蔬菜生产中土壤氮素累积问题，许多学者提出利用夏季填闲作物来改善土壤质量。填闲作物是指利用主要作物收获后与后茬播种前的空隙时间种植的生长周期短、能够吸收土壤残留氮素、降低土壤耕层营养盐分离子含量的作物[22]。研究表明，选择填闲作物应具有生物量大、根系伸展发达与氮素吸收量高等特点[23]，可以通过根系吸收固定一部分土壤氮素。种植填闲作物可降低土壤中NO3-N的累积，减少氮素的淋溶损失[24]。
目前，施用生物炭和利用填闲作物改善土壤环境、解决设施菜田氮素累积问题的研究很多，在施用生物炭减缓土壤氮素淋洗和改善土壤碳素状况的研究中，对施用量的研究较少且不深入，其施用生物炭的最佳用量有待明确。基于此，本研究利用夏季填闲作物吸收土壤氮素，同时结合生物炭扩增土壤中氮素的环境容量、阻控氮素淋溶，通过综合措施提高土壤质量，减缓土壤氮素运移，解决当前设施菜田氮素面源污染问题，旨在为降低设施菜田氮面源污染，提升设施土壤质量提供依据。
1 材料和方法
1.1 供试材料
试验地位于天津市武清区大孟庄镇后幼庄村，该地土壤有机质含量丰富，氮磷含量均处于丰富水平，试验前土壤表层养分含量状况：有机碳含量27.58 g/kg，全氮含量2.29 g/kg，硝态氮含量161.79 mg/kg。土壤类型为潮土，质地为中壤。
供试作物为填闲糯玉米，品种为雪糯2号，生育期90 d，种植密度10.5万株/hm2，株行距19 cm×50 cm；填闲饲用甜高粱，品种为甜杂2号，生育期130 d，种植密度15.0万株/hm2，株行距13 cm×50 cm。后茬种植水果萝卜。
供试调理剂材料为草本生物炭，稻壳材料制作，购买于天津亚德尔生物质科技股份有限公司，有机碳含量450 g/kg，pH 值10.47，阳离子交换量34.18 cmol(+)/kg，全氮含量0.68 g/kg，硝态氮含量1.09 mg/kg。
1.2 试验处理与管理
填闲试验设置2种填闲作物，即糯玉米与饲用甜高粱，每种填闲作物下设置6个生物炭施用量水平，即C1(0%)、C2(0.5%)、C3(1%)、C4(2%)、C5(4%)、C6(8%)。种子不经过任何处理直接播种，第2天灌出苗水，试验过程中不施加任何肥料。填闲作物收获时测定生物量，并采集土壤样品，测定土壤氮素和养分吸收等指标。填闲作物收获后，清棚翻耕后整平畦面，待耕翻施肥后，种植后茬作物水果萝卜，处理分别为NC1(前茬糯玉米+C1)、NC2(前茬糯玉米+C2)、NC3(前茬糯玉米+C3)、NC4(前茬糯玉米+C4)、NC5(前茬糯玉米+C5)、NC6(前茬糯玉米+C6)、TC1(前茬甜高粱+C1)、TC2(前茬甜高粱+C2)、TC3(前茬甜高粱+C3)、TC4(前茬甜高粱+C4)、TC5(前茬甜高粱+C5)、TC6(前茬甜高粱+C6)，定植15，30，45 d后连续采取土壤样品，测定土壤脲酶、微生物量碳等指标。
1.3 测定方法
吸氮量：先用浓硫酸-双氧水消煮植物样品，消煮溶液采用凯氏定氮法测定植物全氮，吸氮量为干生物量×全氮含量。
土壤样品测定：土壤有机碳采用油浴加热，重铬酸钾外加热法，全氮采用凯氏定氮法，硝态氮采用氯化钙浸提-紫外分光光度法，脲酶采用靛酚蓝比色法。微生物量碳采用氯仿熏蒸，硫酸钾浸提法。
1.4 数据处理
试验数据采用WPS进行处理，采用SPSS 23.0软件进行统计分析。
2 结果与分析
2.1 不同处理对填闲作物氮素吸收影响
不同处理下，2种填闲作物吸氮量如表1所示，地上部吸氮量明显高于地下部吸氮量，且吸氮量总体变化趋势先增大后减小。从地上部看，填闲糯玉米C3处理显著高于其他处理，为142.69 kg/hm2；而填闲饲用甜高粱是C4处理最优，为132.43 kg/hm2。地下部状况与地上部状况相似，填闲糯玉米C3处理最好，且与其他处理差异显著。从各个处理总吸氮量来看，糯玉米：C3>C4>C2>C1>C5>C6；饲用甜高粱：C4>C3>C5>C2>C6>C1。综合来看，C3、C4处理较好，即1%～2%生物炭施用水平促进作物氮素吸收效果较好。
表1 不同处理填闲作物吸氮量
Tab.1 Nitrogen uptake of catch crops under different treatments kg/hm2
作物Crop处理Treatment地上部Aboveground part地下部Underground part总植株Total plant糯玉米 C1108.99±2.22c10.04±0.20c119.03±2.03cWaxy cornC2117.00±1.92b11.48±0.40b128.48±2.32bC3142.69±0.88a16.21±0.01a158.90±0.89aC4122.82±6.03b11.23±0.41b134.05±5.63bC5104.45±4.97c9.48±0.94c113.93±5.91cC654.89±0.15d6.69±0.00d61.58±0.15d饲用甜高粱 C191.49±0.29e6.20±0.01d97.69±0.28fFeeding sweet sorghumC2101.73±2.06d10.59±0.77ab112.32±1.30dC3114.87±2.33b10.98±0.80a125.85±3.12bC4132.43±0.29a9.98±0.01b142.41±0.29aC5112.22±0.81c8.23±0.12c120.45±0.93cC6100.29±1.37d6.73±0.17d107.02±1.21e
注：同列数值后不同字母表示差异达5%显著水平。表2同。
Note：Different letters after the same column indicate significant difference of 5%.The same as Tab.2.
2.2 不同处理对设施土壤碳氮变化的影响
2.2.1 设施土壤表层有机碳含量 试验土壤基础样品表层有机碳含量为21.58 g/kg，由图1可知，与基础样相比，各个处理土壤有机碳含量均增加。种植填闲糯玉米0～30 cm土层土壤有机碳含量随着生物炭施用量增多而明显增加，C6处理最高，为35.24 g/kg。与基础样相比，种植填闲饲用甜高粱不同处理提高了0～30 cm土层土壤有机碳含量，C6处理显著提高了66.0%。造成这种现象的原因可能是由于生物炭添加到土壤中提高了土壤有机碳含量。
图1 不同处理土壤表层有机碳含量
Fig.1 The content of organic carbon in the soil
surface under different treatments
2.2.2 设施土壤表层全氮含量 如图2所示，经过种植不同的填闲作物，不同处理土壤表层全氮含量较基础值均有所降低。填闲糯玉米不同处理降低幅度为2.5%～11.0%，其中，C3处理降低最多，降低了15.4%，其次是C4处理，各处理之间差异不显著；填闲饲用甜高粱除C6处理外，其他处理降低幅度为1.4%～15.5%，降低最多的为C3处理，其次是C2处理。综合来看，C2、C3、C4处理较好，即0.5%～2%生物炭施用水平下有利于减少土壤表层全氮含量，种植填闲饲用甜高粱比糯玉米更有利于降低设施土壤表层氮素积累，减少氮素损失。
图2 不同处理土壤表层全氮含量
Fig.2 The total nitrogen content of the soil
surface under different treatments
2.2.3 设施土壤C/N 如图3所示，在不同生物炭施用量水平下，种植填闲糯玉米，0～30 cm土层土壤C/N各个处理均显著高于试验基础值，且随着生物炭施用量增加而逐渐增大。种植填闲饲用甜高粱0～30 cm土层土壤C/N状况为：C5>C6>C3>C4>C2>C1，与基础值相比，除C1处理外，其他处理差异显著。综合分析，不同用量生物炭与填闲作物结合种植能够提高设施土壤C/N值，其中C2、C3、C4处理改善效果较好。
图3 不同处理设施土壤C/N
Fig.3 Soil C/N status of different treatment facilities
2.2.4 种植前后设施土壤各土层硝态氮含量 填闲作物种植期间不施用任何肥料，其生长所需氮素主要由上茬土壤残留氮素供应。由图4可以看出，种植填闲糯玉米各个处理0～30 cm，30～60 cm土层硝态氮含量较种植之前均有所降低，60～90 cm，90～120 cm土层硝态氮含量则是C5处理降低最多，降低率分别为47%，44%。分析4层土层数据，只有C3、C5处理0～120 cm土层土壤硝态氮含量较种植前均降低，说明C3、C5处理减缓氮素向下运移的效果较好。如图5所示，种植填闲饲用甜高粱不同处理不同土层土壤硝态氮含量与种植前相比均有所降低，其中，0～30 cm土层硝态氮含量降低变化最为明显，30～60 cm，60～90 cm，90～120 cm土层土壤硝态氮降低最大的均为C4处理，说明种植填闲饲用甜高粱与生物炭结合可以降低土壤硝态氮向下移动。综合分析，种植填闲饲用甜高粱比种植填闲糯玉米对降低土壤氮素移动的效果更好，C3、C4、C5处理降低氮素向下移动的效果较好。
图4 填闲糯玉米种植前后设施土壤各土层硝态氮含量
Fig.4 Nitrate nitrogen content in each soil layer
of the facility soil before and after
planting of waxy corn
图5 填闲饲用甜高粱种植前后
设施土壤各土层硝态氮含量
Fig.5 Nitrate nitrogen content in each soil layer
of the facility soil before and after planting
feeding sweet sorghum
2.3 生物炭施用与填闲作物种植结合对后茬初期土壤碳氮的影响
2.3.1 土壤脲酶活性 酶是土壤生态系统物质循环的关键物质，土壤脲酶活性是表征土壤氮素情况的一个指标，参与有机氮的转化，为作物生长提供氮源[25-26]。如表2所示，在定植15 d时，与NCl(0)相比，前茬糯玉米与生物炭结合的其他处理均提高了脲酶活性。填闲糯玉米种植后，随着生物炭施用量的增加，各处理土壤脲酶活性先增加后减少。定植15 d后，NC3处理脲酶活性最高，为3.33 mg/(g·d)，定植30 d以及定植45 d均是NC4处理较高，均显著高于NC1处理。填闲饲用甜高粱定植15 d后脲酶活性变化为TC4>TC3>TC2>TC5>TC6>TC1，定植45 d后，TC3处理最高，为1.23 mg/(g·d)，TC2处理次之，为1.13 mg/(g·d)。后茬初期通过连续3次采样，各处理脲酶活性逐渐降低。综合来看，C3、C4处理与填闲作物配合种植，土壤脲酶活性降低效果较好，说明生物炭施用与填闲作物种植结合可以降低后茬萝卜生长初期土壤脲酶活性，降低土壤氮素有效性。
表2 不同处理对后茬初期土壤脲酶活性的影响
Tab.2 The effects of different treatments on soil
urease activity at the beginning of
the subsequent cropping mg/(g·d)
处理Treatment采样时间Sampling time定植15 dColonization for15 days定植30 dColonization for30 days定植45 dColonization for45 daysNC11.19±0.05c1.03±0.02d0.89±0.03fNC22.43±0.58b1.42±0.06b1.01±0.00eNC33.33±0.22a1.56±0.02a1.31±0.01bNC43.00±0.07a1.60±0.02a1.48±0.00aNC51.52±0.06c1.13±0.02c1.22±0.02cNC61.39±0.08c1.03±0.04d1.17±0.04dTC10.78±0.03c1.04±0.01b0.98±0.01cTC21.20±0.05b1.01±0.00c1.13±0.21bTC31.36±0.02a1.27±0.00a1.23±0.03aTC41.40±0.03a1.26±0.00a1.13±0.00bTC50.83±0.04c1.25±0.04a1.02±0.03cTC60.78±0.00c0.70±0.01d0.97±0.03d
2.3.2 土壤微生物量碳 由图6可知，与定植前相比，后茬初期各个处理微生物量碳含量大部分有所增加。填闲糯玉米收获后，在后茬水果萝卜定植15 d时，随着生物炭施用量的增加，各处理土壤微生物量碳含量先增加后减少，NC3处理达到最大值，为184.05 mg/kg；定植30 d时，NC4处理最大，其次是NC3处理；定植45 d后，与NC1相比，其他处理均降低。说明种植填闲糯玉米后，NC3、NC4处理能够较好促进土壤微生物的繁殖和活动。从图7可以看出，在后茬水果萝卜生长初期，与TC1相比，大部分处理处于降低趋势，在定植15 d以及定植45 d时，TC4处理有所增加，说明在同一个时期TC4处理能增加土壤微生物量碳含量，有利于土壤肥力的提高。
图6 填闲糯玉米不同处理
对后茬初期土壤微生物量碳的影响
Fig.6 Effects of different treatments of filling waxy
corn on soil microbial biomass carbon at
the beginning of the subsequent crop
图7 填闲饲用甜高粱不同处理
对后茬初期土壤微生物量碳的影响
Fig.7 The effects of different treatments of feeding
sweet sorghum on the soil microbial biomass
carbon at the beginning of the subsequent crop
3 讨论与结论
3.1 填闲作物的选择
根据前人报道[27-29]，夏季设施菜田填闲作物一般选择生长期较短且生物量大、根系发达，具有较高的吸氮量的作物。在国内，甜玉米、糯玉米、甜高粱、速生叶菜、毛苕子、豆类等不同类作物经常被选为填闲作物[30-31]。而在国外，油菜、饲料萝卜、芥菜等经常被用作填闲作物以达到抑制杂草、控制土传病原菌等目的[32]。选择填闲作物应因地制宜，根据实际情况选择合适的填闲作物。北方设施菜田土壤氮素累积，选择的填闲作物既要考虑由于氮素淋失而引起的面源污染问题，同时作物还应具有较好的经济价值，本研究选择糯玉米与饲用甜高粱作为填闲作物。糯玉米与饲用甜高粱均为C4作物，糯玉米生育期短，根系深长，而饲用甜高粱的需氮量低于玉米，植株高大、根系发达、对氮素吸收较多[33]，同时具有耐高温的特点。
3.2 后茬初期酶活性变化
土壤酶活性与土壤物理性质、土壤生物量等密切相关，所以土壤酶活性被作为土壤质量的生物指标。生物炭对土壤酶活性有一定影响，影响程度与生物炭用量有关，施用生物炭可以显著提高脲酶活性[34]。程效义等[34]研究得出，与对照处理 (CK)相比，BC1(20 t/hm2)和BC2(40 t/hm2)处理土壤脲酶活性分别提高15.7%，23.8%。这与本试验得出的结果一致。相对NC1(0)处理来说，前茬糯玉米与生物炭结合的其他处理均提高脲酶活性，但本试验中，在后茬萝卜生长初期，各处理脲酶活性逐渐降低，可能是由于本试验是在填闲作物种植后进行的，而种植填闲作物能降低后茬萝卜生长时期土壤脲酶活性。
3.3 后茬初期土壤微生物量碳变化
土壤微生物量是植物可利用养分的重要来源，参与土壤养分循环与平衡，土壤微生物量碳是土壤有机碳的有效指示因子[35-36]。本研究得出，添加生物炭可以增加土壤微生物量碳的含量，这与何甜甜等[37]研究一致，可能是由于生物炭为土壤微生物提供了适宜的生长环境。随着生物炭施用量的增加，各个处理土壤微生物量碳含量并不是呈现逐渐增加趋势，可能是由于生物炭本身具有多孔性、比表面积大的特点，增加了对土壤的固持作用，从而导致微生物量碳含量增加，微生物量碳含量降低可能是与供试土壤质地以及原有的微生物量等因素有关。
2种填闲作物随着生物炭施用量的增加，吸氮量先增大后减小，其中填闲糯玉米C3处理地上部吸氮量最大(142.69 kg/hm2)，而填闲饲用甜高粱是C4处理最优(132.43 kg/hm2)；土壤全氮填闲糯玉米不同处理降低幅度为2.5%～11.0%，填闲饲用甜高粱除C6处理外，其他处理降低幅度为1.4%～15.5%，均是C3处理降低最多；种植饲用甜高粱后，不同处理不同土层土壤硝态氮含量比种植前均有所降低；不同用量生物炭与填闲作物结合均能增加土壤有机碳含量，提高设施土壤C/N值，种植填闲作物能降低后茬生长初期土壤脲酶活性，降低后茬作物生长时期氮素的供给能力；随着生物炭施用量的增加，各处理土壤脲酶活性先增加后减少，定植15 d后NC3处理脲酶活性最高，为3.33 mg/(g·d)，填闲饲用甜高粱种植后，定植45 d后，TC3处理最高，TC2处理次之。生物炭施用与填闲作物种植结合能增加后茬初期土壤微生物量碳含量，有利于土壤肥力提高。本研究结果显示，生物炭施用量为1%～2%种植填闲糯玉米促进氮素吸收较好，生物炭施用量为0.5%～2%种植填闲饲用甜高粱促进氮素吸收效果较好，有利于减少土壤氮素含量，对土壤C/N改善效果较好。种植填闲饲用甜高粱比种植填闲糯玉米对降低土壤氮素移动的效果更好。
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