环境科学研究  2017, Vol. 30 Issue (9): 1390-1397  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.02.68

引用本文  

王群艳, 隋方功, 李俊良, 等. 日光温室夏季休闲期间的土壤管理对可溶性氮的影响[J]. 环境科学研究, 2017, 30(9): 1390-1397.
WANG Qunyan, SUI Fanggong, LI Junliang, et al. Effects of Soil Management on Soluble Nitrogen in a Sunlit Greenhouse during the Summer Fallow[J]. Research of Environmental Sciences, 2017, 30(9): 1390-1397.

基金项目

国家自然科学基金项目(31270382);山东省2015年度农业重大应用技术创新项目

责任作者

梁斌(1983-), 男, 山东昌乐人, 副教授, 博士, 主要从事设施蔬菜水肥资源高效利用研究, liangbin306@163.com

作者简介

王群艳(1989-),女,山东临沂人,229480962@qq.com

文章历史

收稿日期:2016-11-28
修订日期:2017-05-27
日光温室夏季休闲期间的土壤管理对可溶性氮的影响
王群艳1 , 隋方功1 , 李俊良1,2 , 梁斌1,2     
1. 青岛农业大学资源与环境学院,山东 青岛 266109;
2. 山东省水肥一体化工程技术研究中心,山东 青岛 266109
摘要:日光温室夏季休闲期间大水漫灌和高温闷棚是普遍的土壤处理措施,该过程灌水多、温度高,对氮素循环影响大.为了探明休闲期间土壤管理对氮素保持与损失的影响,通过田间试验揭示夏季休闲期间大水漫灌、高温闷棚对不同灌溉施肥模式(滴灌、漫灌)和不同有机物料还田处理(单施有机肥、有机肥配施小麦秸秆、有机肥配施玉米秸秆)土壤可溶性氮的影响.结果表明:作物收获后,滴灌和漫灌各处理平均w(矿质氮)分别为103.9和68.6 mg/kg,大水漫灌使滴灌0~30 cm土层w(矿质氮)显著降低30%,漫灌w(矿质氮)变化不大.日光温室夏季休闲期w(SON)(SON为可溶性有机氮)为16.3~69.1 mg/kg,SON相对含量为15%~48%.大水漫灌使滴灌和漫灌w(SON)分别显著增加2.9和2.5倍;高温闷棚使滴灌和漫灌w(SON)显著降低107.1和72.4 kg/hm2,降幅分别为41%和34%,同时w(矿质氮)分别显著增加117.9和126.7 kg/hm2,土壤氮素矿化速率分别为1.7和1.8 mg/(kg·d).与单施有机肥相比,长期有机肥配施玉米或小麦秸秆可显著增加滴灌w(矿质氮),但对w(SON)无影响.综上,休闲期间的土壤管理对土壤表层氮素含量的影响较大,其中大水漫灌容易造成滴灌残留氮素的大量损失,而随后的高温闷棚加速了SON的矿化.
关键词可溶性氮(SON)    秸秆还田    滴灌    漫灌    
Effects of Soil Management on Soluble Nitrogen in a Sunlit Greenhouse during the Summer Fallow
WANG Qunyan1 , SUI Fanggong1 , LI Junliang1,2 , LIANG Bin1,2     
1. School of Resource and Environment, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China;
2. Shandong Engineering Research Center for Integrated Management of Water and Fertilizer, Qingdao 266109, China
Abstract: Closing a high-temperature plastic greenhouse after flood irrigation is widely used as an effective method of soil sterilization during summer fallow, and it may affect the nitrogen (N) cycle in the soil. The goal of this study was to reveal the effects of soil sterilization measures on soil mineral N and soluble organic N (SON) after different long-term applications of organic materials, based on drip and flood irrigation modes. The results showed that the mineral N content during summer fallow was 103.9 and 68.6 mg/kg under drip and flood irrigation modes, respectively. The flood irrigation before closing the plastic greenhouse significantly decreased the mineral nitrogen content of the soil by 30% under drip irrigation mode, but had no effect on mineral nitrogen under flood irrigation mode. The soluble organic N content of the soil during summer fallow ranged from 16.3-69.1 mg/kg and accounted for 15%-48% of the total soluble nitrogen. Flood irrigation increased the soluble organic N by factors of 2.9 and 2.5 under drip and flood irrigation modes, respectively. After the high-temperature plastic greenhouse was closed, soluble organic N significantly declined by 107.1 kg/hm2 (41%) and 72.4 kg/hm2 (34%), mineral N increased by 117.9 and 126.7 kg/hm2, and the net mineralization rate of soil nitrogen was 1.7 and 1.8 mg/(kg·d) under the drip and flood irrigation fertilization modes, respectively. Compared with a single application of chicken manure, the combined application of chicken manure with maize or wheat straw significantly increased the mineral N under the drip fertilization mode; however, the method had no effect on mineral N under the flood fertilizer mode. In general, flood irrigation before closing the plastic greenhouse led to considerable mineral N loss under the drip irrigation mode, and closing the high-temperature greenhouse accelerated the mineralization of SON.
Keywords: soluble nitrogen    straw    drip irrigation    flooding irrigation    

截至2015年我国日光温室蔬菜面积达100×104 hm2,比2000年翻一番,占全球面积的90%以上[1].日光温室的发展保障了农民增收和蔬菜供应,但不合理的施肥带来一系列诸如地下水硝酸盐含量超标、土壤盐渍化和酸化现象严重等环境和土壤健康问题[2-3].据统计,日光温室每年氮磷钾肥的平均投入量在3 000 kg/hm2以上,其中无机肥占60%左右[4].大量化肥和低碳氮比有机肥(纯鸡粪)的投入不但降低肥料利用率,而且使土壤有机质含量和土壤碳氮比偏低[5],土壤次生盐渍化现象和土传病害严重.

夏季休闲期间大水漫灌与高温闷棚是降低土壤盐渍化和土壤消毒的普遍措施.在此过程中,单次灌水量达120 mm以上,可能会导致大量的可溶性养分发生淋溶损失.另外高温闷棚过程中,空气温度达70 ℃以上,0~10 cm土层土壤温度也在50 ℃以上,影响SON(可溶性氮)的矿化,揭示休闲期间的这种特殊土壤管理对氮素损失和供应的影响对于优化土壤管理和氮肥管理模式具有借鉴意义.

施用高碳氮比秸秆能提高土壤C/N,改善土壤物理性状[6],提高微生物的活性[7],对于修复和减缓设施土壤退化有积极意义[8-9].另外,施用高碳氮比秸秆通过直接带入氮素和影响微生物的数量和活性而影响氮素循环.还田有机物料的管理对于调节氮素供应和损失有重要作用,长期有机物料投入可增加氮肥保持与供应能力.日光温室中高温高湿影响有机物料降解特性,进而影响土壤氮素的保持与损失.因此,夏季休闲期间的高温高湿环境下长期有机物料投入对调节氮素保持和供应方面的效果如何也是值得关注的问题.

基于以上机理,该研究提出如下3个假设:① 大水漫灌导致矿质氮和SON的大量损失;② 高C/N有机物料的投入有利于减少日光温室中氮的淋溶损失;③ 高温闷棚时由于温度太高,限制了微生物的活动,在该过程中有机氮的矿化速率有限.为了验证上述假设,该试验探索了休闲期间的大水漫灌和高温闷棚过程中,不同灌溉施肥模式和有机物料还田模式下的SON和矿质氮的动态变化,分析比较有机氮矿化数量,以期为合理的土壤管理和氮肥管理提供理论借鉴.

1 材料与方法 1.1 试验地区概况

试验地点位于山东省寿光市,属暖温带季风区大陆性气候,年均气温13.2 ℃,年均降水量708.4 mm.供试温室修建于2007年,长95 m、宽12 m.试验从2008年8月开始处理,试验开始时0~30 cm土层土壤w(有机质)为9.3 g/kg,w(碱解氮)、w(速效磷)和w(速效钾)分别为173.9、43.8和181.0 mg/kg,土壤pH为8.0.土壤样品采集于2014年8月.

1.2 供试作物与试验设计

供试温室内种植番茄,一年两季,每年1月定植到当年6月拉秧为冬春季,8月—翌年2月拉秧为秋冬季,两季之间的6—8月夏季休闲期,不种植任何作物.番茄品种由当地农户自行选择,冬春季为奇大利,秋冬季为中寿11-3,奇大利每株番茄一般留六穗果,中寿11-3每株番茄一般留五穗果,每穗果留4个果实.

试验采用裂区设计,设2个主处理和3个副处理:主处理分别为滴灌和传统漫灌处理.滴灌处理中,依据目标产量法估算作物整个生育期内的总需氮量,然后根据作物需水需肥规律,将肥配到每次灌水当中.滴灌处理各小区内埋设张力计来指示土壤水分变化,确定施肥灌溉时间,当张力计读数(10: 00) 达到-25 kPa时开始灌溉,每次灌水量10~15 mm. 2008—2014年期间,平均单季灌溉量为309 mm,氮肥施用量为204 kg/hm2(以N计,下同).漫灌处理凭农民经验灌水施肥,2008—2014年期间,平均单季灌水量为567 mm,施氮量为939 kg/hm2.

副处理包括3个不同有机物料还田处理:① 有机肥.有机肥为风干鸡粪,施用量8 t/hm2(约合215 kg/hm2,以N计),鸡粪均匀撒施后翻耕,不追施化学氮肥. ② 有机肥配施小麦秸秆.有机肥处理的基础上,增施小麦秸秆9 t/hm2. ③ 有机肥配施玉米秸秆.在施用有机肥基础上,增施玉米风干秸秆9 t/hm2.小麦和玉米秸秆施用时,秸秆粉碎成1~2 cm的小段撒施翻耕,翻耕深度为20~30 cm.

每处理重复3次,共18个小区.每小区面积42 m2(4.2 m×10 m),每个小区种植三畦,每畦双行,传统漫灌处理株距为0.45 m,滴灌处理株距为0.35 m.滴灌处理植株较密集是为了更好地匹配滴管支管两小孔之间的距离而设置.

1.3 土壤样品采集与分析

每年6—8月为日光温室夏季休闲期,于作物收获后(7月22日)、灌水后(7月24日)和闷棚后(8月11日)采集0~30 cm耕层土壤,每次每小区采集3钻的混合样,18个小区总计54份土样.新鲜土壤经0.01 mol/L氯化钾溶液浸提过滤后,滤液中的w(可溶性总氮)采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光比色法[10-12]测定,w(矿质氮)采用自动连续流动分析仪测定. w(SON)为w(可溶性总氮)与w(矿质氮)之差.土壤SON累积量通过测定w(SON)、该层土壤容重和土层深度获得,计算公式:

$ {\mathit{q}_{\rm{s}}} = \mathit{w} \times \mathit{r} \times \mathit{h} \times 100 $ (1)

式中:qS为土壤SON累积量,kg/hm2w为土壤SON质量分数,mg/kg;h为土层深度,0.3 m;r为土壤容重,kg/m3.

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010、SPSS 16.0进行数据处理和统计分析;不同处理差异显著性用One-way ANOVA(单因素方差分析)检验,多重比较采用Duncan法.

2 结果与分析 2.1 不同灌溉模式和休闲管理对土壤氮素变化的影响 2.1.1 土壤矿质态氮

夏季休闲期间,土壤0~30 cm土层中w(矿质氮)为68.6~106.1 mg/kg(见图 1).在作物收获后,滴灌和漫灌各处理下平均w(矿质氮)分别为103.9和68.6 mg/kg,滴灌w(矿质氮)较漫灌显著提高51%;大水漫灌使滴灌w(矿质氮)显著降低30%,而对漫灌w(矿质氮)无影响.经大水漫灌之后,两种灌溉施肥模式间w(矿质氮)无差异.闷棚过程中滴灌和漫灌w(矿质氮)分别显著提高了46%和48%.

注:不同小写字母表示不同采样时期处理之间差异显著性(P<0.05).下同. 图 1 不同灌溉模式下w(矿质氮)和w(SON)的变化 Figure 1 The dynamic of soil mineral N and soluble organic N concentration under drip irrigation and flood irrigation modes
2.1.2 土壤SON

夏季休闲期间,土壤0~30 cm土层中w(SON)为16.3~69.1 mg/kg(见图 1).在作物收获后两种灌溉w(SON)无显著差异,在大水漫灌后和闷棚后滴灌下w(SON)较漫灌分别提高23%和9%(P<0.05).大水漫灌后滴灌和漫灌下w(SON)分别较作物收获后显著增加2.9和2.5倍;与闷棚之前(大水漫灌后)相比,闷棚后滴灌和漫灌下w(SON)分别显著下降41%和34%.

2.1.3 土壤SON相对含量

土壤SON相对含量为15%~48%(见图 2).不同时期SON相对含量差异显著,大水漫灌使SON相对含量显著增加,与作物收获后相比,滴灌和漫灌分别增加2.2和1.4倍(P<0.05);与大水漫灌后的闷棚前相比,闷棚使滴灌和漫灌SON相对含量分别降低44%和38%.

图 2 不同灌溉模式下SON相对含量 Figure 2 The relative content of SON in different irrigation modes
2.2 不同有机物料还田对土壤氮素变化的影响 2.2.1 不同有机物料还田对土壤矿质态氮的影响

配施小麦秸秆和玉米秸秆w(矿质氮)无显著差异,配施秸秆显著提高滴灌模式下w(矿质氮),但对漫灌模式下w(矿质氮)无显著影响(见图 3).滴灌模式下,与单施有机肥相比,配施玉米秸秆分别使作物收获后、大水漫灌后和闷棚后时期的w(矿质氮)显著提高30%、27%和36%,配施小麦秸秆w(矿质氮)分别显著提高43%、50%和47%.

图 3 不同有机物料还田对土壤矿质态氮的影响 Figure 3 Effects of different organic materials on soil mineral nitrogen
2.2.2 不同有机物料还田对土壤SON的影响

总体来说,有机物料还田对0~30 cm土层中w(SON)无显著影响(见图 4).滴灌模式下,在作物收获后,有机肥配施玉米秸秆w(SON)高于其他两种有机物料处理,在大水漫灌后和闷棚后,单施有机肥w(SON)较高.漫灌模式下,在作物收获后、大水漫灌后时期,有机肥配施小麦或玉米秸秆比单施有机肥w(SON)略有降低.

图 4 不同有机物料还田对土壤w(SON)的影响 Figure 4 Effects of different organic materials on soil soluble organic nitrogen
2.2.3 不同有机物料还田对土壤SON相对含量的影响

不同有机物料还田下0~30 cm土层中SON相对含量见表 1.两种灌溉模式下,与单施有机肥相比,有机肥配施玉米秸秆对SON相对含量没有显著影响;而有机肥配施小麦秸秆使滴灌和漫灌的SON相对含量降低23.4%和19.9%.

表 1 不同有机物料还田施肥模式下SON相对含量 Table 1 The soluble organic nitrogen relative content under different organic materials in fertilization
2.3 休闲期间的水肥管理措施对土壤氮素累积量的影响 2.3.1 土壤矿质氮累积量变化

滴灌模式下,土壤中矿质态氮累积量为221.8~459.6 kg/hm2(见图 5).与单施有机肥相比,添加秸秆显著提高了矿质态氮累积量;大水漫灌使土壤矿质态氮累积量显著降低,单施有机肥、有机肥配施玉米秸秆和有机肥配施小麦秸秆处理的降幅分别为99.4、140.0、126.2 kg/hm2;高温闷棚使上述三种处理的土壤矿质态氮累积量分别显著增加89.5、141.0、123.2 kg/hm2,平均增加117.9 kg/hm2.

图 5 不同水肥管理模式对土壤矿质态氮累积量的影响 Figure 5 Effect of different water and fertilizer management models on soil mineral nitrogen accumulation

漫灌模式下,土壤中矿质态氮累积量为240.1~405.9 kg/hm2.与单施有机肥相比,添加秸秆对土壤矿质态氮累积量无显著影响;不同有机物料还田处理中,大水漫灌对该模式下土壤矿质态氮累积量影响较小,而高温闷棚使各有机物料处理土壤矿质态氮累积量显著增加123.5~128.6 kg/hm2,平均增加126.7 kg/hm2.

2.3.2 土壤SON累积量变化

滴灌模式下,土壤SON累积量为53.7~279.4 kg/hm2(见图 6),与单施有机肥相比,添加秸秆对土壤SON累积量无显著影响;大水漫灌使单施有机肥、有机肥配施玉米秸秆和有机肥配施小麦秸秆土壤SON累积量分别显著增加215.1、188.7、186.0 kg/hm2;高温闷棚使上述三种处理土壤SON累积量分别减少107.6、123.0、90.8 kg/hm2,平均降低107.1 kg/hm2.漫灌模式下,土壤SON累积量为50.2~244.9 kg/hm2,与单施有机肥相比,添加秸秆对土壤SON累积量无显著影响;大水漫灌使单施有机肥、有机肥配施玉米秸秆和有机肥配施小麦秸秆土壤SON累积量分别显著增加172.8、162.3、124.6 kg/hm2;高温闷棚使上述三种处理土壤SON累积量分别显著降低102.1、83.1、32.0 kg/hm2,平均降低72.4 kg/hm2.

图 6 不同水肥管理模式对土壤SON累积量的影响 Figure 6 Effect of different water and fertilizer management models on soil soluble organic nitrogen accumulation
2.4 高温闷棚期间土壤氮素矿化速率

滴灌模式下,土壤氮素矿化速率为1.3~2.0 mg/(kg·d),平均为1.7 mg/(kg·d)(见图 7),有机肥配施小麦或玉米秸秆矿化速率显著高于单施有机肥;漫灌模式下,土壤氮素矿化速率平均为1.8 mg/(kg·d),不同有机物料处理对土壤氮素矿化速率无显著差异.

图 7 高温闷棚期间不同处理土壤有机氮矿化速率 Figure 7 The soil organic nitrogen mineralization rate under different treatments during high temperature
3 讨论 3.1 长期不同水肥管理对土壤氮素的影响

土壤可溶性有机氮含量反映了土壤中潜在活性养分含量及其周转速率,与土壤养分循环和供应状况关系密切.杨绒等[13]研究表明,黑垆土、红油土和淋溶褐土中SON相对含量分别为51.3%、68.3%和68.4%. SONG等[14]研究表明,东北林区0~15 cm土层中SON相对含量为87.9%.该研究中设施菜地0~30 cm土层中SON相对含量为15%~48%,与LIANG等[15]在日光温室研究结果相当;CHEN等[16]报道,在大多数温带森林中,0~15 cm表层中w(SON)在6.5~16.3 mg/kg之间. Berthrong等[17]报道,温带针阔混交林0~10 cm土层中w(SON)为20 mg/kg.宋震震等[18]研究指出,不同施肥处理农田中w(SON)为8.2~51.2 mg/kg.该研究中0~30 cm土层w(SON)在16.3~69.1 mg/kg之间,由此可见,日光温室休闲期SON相对含量低于农田和林地,但w(SON)高于农田和林地.

土壤有机物是土壤SON的重要来源.有机物料还田影响土壤碳、氮矿化—固持过程,从而影响土壤SON和矿质氮的动态变化.秸秆还田对于土壤矿质氮的影响与还田时间长短有关,研究[19-21]表明,短期秸秆还田下,由于增加了土壤微生物对氮素的固定,降低了土壤矿质态氮含量;而长期(超过3 a)秸秆还田增加了氮素的来源,使土壤矿质态氮含量增加[22].该研究中,与单施有机肥相比,长期(8 a)有机肥配施秸秆使滴灌土壤矿质态氮含量增加,但是对漫灌土壤矿质态氮含量没有影响,这与漫灌过量的灌溉增加了土壤矿质氮的淋溶损失有关.

3.2 夏季休闲期间土壤管理对土壤氮素的影响

灌水洗盐是目前国内日光温室土壤次生盐渍化发生后通常采取的一种降盐措施.该研究中,大水漫灌使得滴灌土壤矿质态氮含量减少31.3 mg/kg,对于降低该模式下盐分累积有一定作用,同时导致99.4~ 140.0 mg/kg的土壤矿质态氮累积量淋溶到30 cm土层以下,加剧了氮素的损失;但是灌水洗盐对漫灌土壤矿质态氮含量没有影响.由此可见,休闲期内大水漫灌导致了滴灌土壤氮损失,但对于降低长期漫灌土壤矿质氮累积作用有限.

灌水洗盐使w(SON)显著上升,李亚娟等[27]针对潮土的研究表明,淹水后土壤w(SON)显著升高;胡玮等[28]的研究也表明,随着土壤含水量的增加,土壤溶液中w(SON)明显提高. SON在灌水后迅速升高可能是由于灌溉水对有机氮的溶解作用所致,这也表明频繁灌水,使大量有机氮溶解进入土壤溶液,可能导致大量氮素以SON的形态发生损失. ZHAO等[29]研究表明,在日光温室传统漫灌模式下,每年SON的淋溶损失量达到79.0 kg/hm2以上,占氮素淋溶量的33%.

该研究中,高温闷棚过程中滴灌和漫灌土壤SON累积量分别平均降低107.1、72.4 kg/hm2,同时土壤矿质态氮累积量分别平均增加117.9、126.7 kg/hm2. SON累积量的降低,一方面可能随土壤含水量的降低,部分溶解的有机氮重新转化为难溶状态;另一方面可能在微生物的作用下矿化为矿质氮.在闷棚的18 d内,滴灌和漫灌下土壤氮素的矿化速率分别为1.7和1.8 mg/(kg·d),李铭等[30]研究表明,农田中的土壤有机氮净矿化速率0.22 mg/(kg·d);潘剑玲等[31]研究表明,不添加秸秆和添加秸秆的日光温室土壤的有机氮矿化速率分别为0.4、0.8 mg/(kg·d).由此可见,在闷棚过程中,土壤有机氮的矿化速率明显高于农田土壤或日光温室中作物生长阶段.土壤有机氮的矿化是在微生物参与下完成的,主要受土壤碳氮比[32]、水分和温度等的影响[33].王常慧等[34]研究发现,土壤氮素矿化和硝化速率在一定的范围内随着土壤含水量和土壤温度的升高而升高,闷棚过程中的高温高湿可能是有机氮净矿化速率高的主要原因.

4 结论

a) 日光温室夏季休闲期间土壤矿质态氮含量为68.6~106.1 mg/kg,w(SON)为16.3~69.1 mg/kg,SON相对含量为15%~48%.

b) 夏季休闲期间的大水漫灌使滴灌和漫灌模式下w(SON)分别增加2.9和2.5倍,使滴灌模式下的矿质态氮含量降低30%.

c) 高温闷棚过程中土壤氮素的矿化速率达到1.3~2.0 mg/(kg·d),高于生长期间或农田有机氮的净矿化速率.

d) 对于滴灌模式来说,在生产中应降低休闲期间的灌水量,减少氮素损失,并且由于高温闷棚过程中矿化的氮量较多,可适当减少下一茬基肥中氮肥的施用量.

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