目前，我国农田氮肥消费量占全球总消费量的31%,设施蔬菜消耗了约5%的化学氮肥，据He等^[1]调查，我国山东寿光设施番茄地的年施氮量每公顷高达4342 kg,据Chen等^[2] 调查北京市设施菜田年施氮量每公顷超过1000 kg,张学军等^[3]文献表明宁夏设施蔬菜年每公顷平均投入的化肥氮为1550 kg.此外，设施菜田有机肥施用量也很高，会带入几乎同样量的氮素。设施蔬菜施氮量如此之高，但氮肥利用率却仅为20%^[4],大部分氮肥均损失，而硝酸盐淋失是在氮素损失的主要途径，约占氮素总损失量的30%左右^[5].文献中关于施肥、灌水和降雨对硝态氮淋失影响的研究报道很多^[6,7,8,9],氮肥的大量施用是造成设施菜田土壤剖面中NO^-₃-N深层积累的主要原因之一^[10],设施菜田剖面土壤NO^-₃-N累积远远高于粮田^[11].接水盘式采样器是测定农田土壤氮素淋失常用的一种研究方法，该方法养分淋失量的计算是基于淋溶液养分质量浓度和淋溶体积的乘积而得^[12].近年来研究发现，宁夏引黄灌区滴灌施肥条件下，设施番茄硝态氮淋失主要发生在0~90 cm以上土层，表层累积的硝态氮依然有向下淋洗的趋势^[3],而传统灌溉管理能造成不同施氮处理下土壤氮素的淋洗损失，淋洗土层深度达到150~180 cm^[14].但目前关于设施菜田浅层地下水位变化、土壤耕作层温度和水分等环境因子的变化，对土壤氮素淋洗影响和土壤氮素淋洗季节性变化特征方面研究未见报道。

本文以宁夏引黄灌区设施菜田番茄-黄瓜轮作体系为研究对象，采用田间定位试验与实地观测相结合的研究方法，探讨分析引黄灌区设施菜田的浅层地下水位、土壤耕作层温度和水分等环境因子季节性变化对土壤氮素淋洗的影响，以期找到这些环境因子对硝态氮淋失的影响，为有效控制设施菜田硝态氮淋失提供理论依据。 1 材料与方法 1.1 试验地概况

试验点设在宁夏引黄灌区银川市兴庆区掌政乡杨家寨五队（东经106°21′27″，北纬38°26′51″）.该地区干旱少雨，年平均降水量不足200 mm,蒸发强烈、光照充足、热量丰富、无霜期短、温差大；6-9月在作物生长期间受黄河水灌溉的影响，引黄灌区浅层地下水位季节性变化较大，每年夏秋灌溉期间浅层地下水位大幅度回升，平均水位在1.1 m左右^[13];供试土壤类型为灌淤土，质地为砂壤土，有机质含量为23.97 g·kg^-1,全氮和全磷含量分别为1.89 g·kg^-1和1.65 g·kg^-1,速效钾含量为241.08 mg·kg^-1. 1.2 试验方案

试验设4个处理，不施任何肥料（CK）、习惯施肥（CF）、优化化肥（OF）、优化化肥+调节C/N（OC,有机碳161.3 g·kg^-1,C/N比值为17~36）,各处理施肥量及氮肥基追施用量见表 1,每个处理重复3次，各小区面积为23.4 m²（6 m×3.9 m）,随机区组排列。

表 1 番茄-黄瓜生育期各处理施肥量（kg·hm^-2） Table 1 Fertilizers of each treatment during tomato and cucumber growth period

表选项

蔬菜栽培方式为番茄-黄瓜轮作，冬春茬为番茄，每年11月下旬至12月上旬移栽，4月至6月中旬采摘，6月下旬至8月上旬为夏休闲期；秋冬茬为黄瓜，8月上旬至中旬移栽，9月下旬至11月上旬为采摘期。灌溉方式为畦灌，番茄季灌水8~9次，分别在3月下旬至5月上旬追肥3~4次；黄瓜季灌水3~4次，分别在9月中旬至10月中旬追肥2~3次。氮肥为尿素、磷肥为含P₂O₅ 46%的重过磷酸钙（全部基施）,钾肥为含K₂O 50%的硫酸钾（40%基施，60%追施）. 1.3 田间观测项目及淋溶水样的采集 1.3.1 淋溶水样的采集

采用田间淋溶液原位管式收集装置（图 1）,每个小区安装2套淋溶盘。试验开始前，以两个小区交接线为中线，挖掘一个长270 cm、宽120 cm、深160 cm的土壤剖面，在每个剖面的两端距地表 90 cm 处安装两套淋溶装置，淋溶盘规格50 cm×40 cm×5 cm（PVC盘）.淋溶盘装满用清水反复冼净的粗沙后（粒径1 mm左右）,用100目尼龙网覆盖、粘贴在淋溶盘上表面，并用取自90 cm深处的土壤调制的粗泥浆铺在纱网上，将淋溶盘放入挖好的水平方洞中使泥浆尽量与洞的上平面紧密接触，以模拟原土壤基质势，最后将洞口回填压实。在水平洞口覆盖一层比洞口大的塑料薄膜，并用粗厚泥浆封严洞口，只将连在淋溶盘底部的出液管露出，短管另一端接在一个管口直径16 cm、长180 cm的PVC管中用以盛装收集淋溶液。然后分层回填土壤，逐层压实，并多次灌溉使土壤尽量恢复原状，回填后粗PVC管露出地面20 cm.

图 1 田间淋溶液原位管式收集装置 Figure 1 Device for in situ soil leachate collection

图选项

每次灌溉后的第2~4 d取淋溶水样，每个处理提取2小瓶，每瓶约250 mL.同时测算每次淋溶水量，样品于-20 ℃冰柜中保存待测，测定前解冻，测试硝态氮含量。 1.3.2 浅层地下水位监测

在试验区两侧保护区内埋置长3.9 m、直径10 cm的PVC管，监测地下水位动态变化。在蔬菜生长期间，每15 d观测1次浅层地下水位并记录；在灌溉期间（包括温室休闲期间）,灌溉前观测1次浅层地下水位，灌水后连续观测5 d. 1.3.3 土壤耕作层温度的测定

采用地温计测定土壤温度。在处理CF和处理OC埋设地温计，各3次重复，每组地温计埋置深度为5、10、15、20、25 cm,均匀分布在试验区。在蔬菜生长期间，每15 d观测1次土壤温度；在灌溉期间，灌溉前后每天观测1次土壤温度，连续观测6 d. 同时用温度计观测气温变化，在日光温室内定点安置2个气温计，气温计观测频率同土壤温度观测。遇到特殊天气，增加观测次数。 1.3.4 土壤水分动态的测定

采用张力计测定土壤水分。分别在土壤深度30 cm和60 cm处埋置张力计，灌溉后连续观测5 d. 1.4 分析测试

水样中硝态氮含量用流动注射分析仪（A lliance FuturaII）测定^[15]. 1.5 数据分析

采用Excel 2003和SPSS 13.0进行方差、相关性分析和制图。 2 结果与分析 2.1 硝态氮淋洗季节性变化特征

从图 2可看出，氮素淋失高峰主要出现在黄瓜移栽后第一次灌水和休闲期漫灌。2009-2011年休闲期（6月末至7月底）进行伏泡田，产生大量淋溶水，CF、OF、OC各处理NO^-₃-N分别为19.4~49.9、9.1~43.8、7.3~46.1 kg·hm^-2.在秋冬茬黄瓜季（8月上旬至11月中旬）氮素平均淋失量比较高，2009-2011年黄瓜移栽后，单次灌水造成各个施肥处理NO^-₃-N分别为10.5~39.4、12.4~46.6、22.0~42.7 kg·hm^-2.这是由于基肥施用全部有机肥和30%的化学氮肥，此时黄瓜对养分和水分的需求比较少，畦灌会引起大量的淋溶水。而在冬春茬番茄季（11月下旬至转年6月上旬）灌水氮素淋失较少。以上数据说明硝态氮淋洗季节性明显，秋冬季淋失较多，冬春季淋失较少，从种植季节来看，夏季休闲期>黄瓜季>番茄季。另外，灌溉量也是影响淋溶水产生的重要因素，但淋溶水量的产生与蔬菜生育时期关系更为密切，番茄盛果期（4-5月）需水量大，其淋溶水产生体积并不高，黄瓜季在8月和9月两次灌水产生大量淋溶水，是由于周边作物种植期灌水引起的地下水位上升（图 3）,造成浅层地下水侧渗进入淋溶盘，增加了各处理的淋溶水量。

B-base fertilization,applied organic manure and chemical fertilizers; T-chemical fertilizers as topdressing; F-fallow图 2 不同施肥处理下各个时期NO-3-N淋失动态 Figure 2 Dynamics of NO-3-N leached in different treatments over time

图选项

图 3 2009年12月-2011年11月设施菜田地下水埋深变化 Figure 3 Variation of groundwater depth in greenhouse field from Dec 2009 to Nov 2011

图选项

从图 2还可看出，各施肥处理 NO^-₃-N淋失量均高于对照CK处理（1.2~22.0 kg·hm^-2）,硝态氮的淋失量顺序为CF>OF>OC>CK,并存在显着性差异；各个时期CK与CF、OF处理相比，冬春季NO^-₃-N淋失量较少，秋冬季CK与CF、OC淋失量相当；OC优化施肥处理降低氮肥用量25%~40%,因而减少了硝态氮的淋失。本试验OC调节碳氮比处理，用C/N为（19~35）∶1的牛粪来调节土壤C/N,对设施菜田NO^-₃-N淋失控制起到良好效果，由于提高土壤C/N,大量土壤微生物进行活动，矿质氮可被固持，并且秸秆本身具有保水作用，可以防止硝态氮随水大量下渗，即调节C/N减少了硝态氮的淋失，与张相松等^[16]、王永生等^[17]的研究结果一致。 2.2 不同施肥处理对硝态氮淋失量的影响

从表 2可以看出，与CK相比，CF、OF、OC处理都能显着增加NO^-₃-N淋失量，但这三个处理间差异不明显。CF处理氮素淋失量最高，其年硝态氮淋洗量平均为185.7 kg·hm^-2,OF和OC两处理硝态氮淋洗量比CF分别降低了10.6%和8.3%.以上数据表明，通过OF和OC处理，都可达到降低番茄-黄瓜轮作体系氮素淋失的目的。沈灵凤等^[9]研究表明，设施菜田有机肥与化肥配施容易造成硝态氮淋溶，而刘杏认等^[18]、赵营^[19]等研究表明，减量施氮和调节C/N,均可控制氮素流失尤其是硝态氮的流失。

表 2 2009-2011年番茄-黄瓜轮作体系不同施肥处理下硝态氮淋失量（kg·hm^-2） Table 2 Amount of NO^-₃-N leaching losses in tomato-cucumber rotation system under different fertilization treatments from 2009 to 2011（kg·hm^-2）

表选项

从图 3可以看出，该试验地浅层地下水埋深也呈明显的季节性变化，变幅范围在64.5~301 cm,2010年和2011年度间变化趋势基本一致，在冬春季的1-3月，地下水埋深呈不断降低趋势，从150 cm左右降低到约280 cm,而后趋于平稳；夏秋季4-9月，随着灌区春灌和水稻种植开始，地下水埋深快速提升，至9月上旬达到100 cm左右；在冬季11-12月，随着11月上旬冬灌进行，埋深迅速从250 cm上升到约150 cm;在休闲期过后的秋冬茬黄瓜季（8月上旬至11月中旬）,浅层地下水水位变化更明显，当地下水埋深小于90 cm会引起浅层地下水进入淋溶装置。

从图 4可以看出，CK、CF、OF、OC处理的硝态氮淋失量均与浅层地下水位呈负相关，决定系数R2分别为0.770 5、0.817 6、0.776、0.809 3,均达极显着水平（P<0.01）.这说明浅层地下水位越浅，硝态氮淋失量越大，反之亦然。以上数据表明地下水位埋深越浅，土壤剖面氮被溶解淋失到下层越多，与Bengtson等^[20]、向万胜等^[21]的研究结果一致。因此，浅层地下水位是硝态氮淋失的重要影响因子。

图 4 各处理硝态氮淋失量与浅层地下水位的相关性 Figure 4 Relationship between leached nitrate and groundwater level in different treatments

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从图 5可以看出，土壤温度与温室气温变化规律一致，冬春季较低，秋冬季稍高。两个处理的土壤温度稍有差异，气温较低时，OC处理的土壤温度较CF处理略低，气温较高时，OC处理的土壤温度较CF处理略高，由于OC处理添加了秸秆和牛粪，提高了土壤通透性，空气流通较顺畅，所以其温度总是与气温较接近。

图 5 番茄-黄瓜生育期内土壤温度观测 Figure 5 Soil temperature in tomato-cucumber system

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图 6 CF、OC处理硝态氮淋失量与土壤温度的相关性 Figure 6 Relationship between leached nitrate and soil temperature in CF and OC treatments

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从图 7可以看出，自灌水后第2 d开始无论是30 cm还是60 cm埋深的张力计读数都逐渐升高，即土壤水分含量逐渐降低，并且30 cm处张力计的读数均大于60 cm处张力计的读数。这是沙壤质土壤透水性较高，水分下渗较快的缘故。其中8月31日至9月4日张力计读数很小，是由于这时期浅层地下水位较高，上层水分下渗较慢，30 cm处的张力计读数也较其他观测时期的读数小。由于秸秆本身具有保水作用，OC处理30 cm埋深张力计读数较其他处理有减小的趋势。

图 7 番茄-黄瓜生育期土壤水分观测 Figure 7 Soil moisture in tomato-cucumber system

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从图 8可看出，CK、CF、OF、OC处理硝态氮淋失量均与30 cm埋深张力计读数存在负相关，决定系数分别为0.862 9、0.957 8、0.923 5、0.917 2,均达到了极显着水平（P<0.01）;与60 cm埋深张力计读数也存在负相关，决定系数分别为0.891 3、0.831 8、0.869 2、0.885 6,均达到了极显着水平（P<0.01）.说明土壤水分含量越高，硝态氮淋失越多。土壤水分渗漏、NO^-₃-N的分布及其淋溶损失存在着明显的时空变异性，土壤水分的深层渗漏和NO^-₃-N的淋溶损失发生在施肥灌水之后^[22].

图 8 各处理硝态氮淋失量与土壤水分的相关性 Figure 8 Relationship between leached nitrate and soil moisture in each treatment

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设施菜田由于灌水频繁和施氮量高，造成土壤硝态氮累积和淋失严重，本试验结果表明，宁夏引黄灌区设施菜田硝态氮淋洗季节性特征明显，在秋冬季淋失较多，冬春季淋失较少，峰值出现在7-8月夏季休闲期，黄瓜季（秋冬茬）淋失显着高于番茄季（冬春季）.这主要由于夏季休闲期和秋冬茬黄瓜季灌水量较大，灌溉是影响农田硝态氮淋洗的主要元素之一，陈晓歌等^[8]研究表明，施氮量一定时，土壤剖面NO^-₃-N 含量随灌水量增大而减小，随土层深度增加呈显着增加趋势，与本试验研究结果一致；另外由于宁夏引黄灌区浅层地下水位季节性变化较大的特点，每年夏秋灌溉期间浅层地下水位大幅度回升^[13],有可能造成浅层地下水进入淋溶装置，本试验研究结果还表明，设施菜田地下水位埋深越浅，土壤剖面氮被溶解淋失到下层越多。Bengtson等^[20]研究结果表明，控制不同地下水位时对NO^-₃-N流失量影响较明显，地下水埋深越小，土壤剖面上不同深度的NO^-₃-N含量越低；向万胜等^[21]研究也表明，地下水位的变化能明显影响土壤养分的有效性，随着地下水位的升高，土壤有效氮含量下降，也验证了本试验的结果。本研究结果表明，优化施肥和调节碳氮比两处理比常规施肥硝态氮淋洗量有所减少，尤其是调节C/N处理对设施菜田NO^-₃-N淋失控制起到良好效果。刘杏认等^[18]研究结果表明，随着有机肥C/N的增加，有机肥对土壤硝态氮含量的降低效果趋于明显。在施用高量氮肥时，高C/N下能够降低土壤NO^-₃-N的含量。当C/N比值高时，只要不是过量施用，由于大量土壤微生物的活动，矿质氮可被固持，一般不会产生硝态氮的大量积累，甚至在一些情况下可以减少硝态氮的积累和淋失。

设施菜田硝态氮季节性变化与土壤水分和温度密切相关，本研究结果表明，随着土壤表层温度和含水量升高，硝态氮淋失增多。很多学者研究发现，土壤温度是影响氮转化及利用的主要因素^[23,24],非干旱条件下的土壤温度升高，土壤溶液浓度上升，因温度升高促进了矿物质分解和有机质矿质化作用及NH⁺₄-N的硝化作用，增加了速效养分^[25].Mathan^[26]研究也表明有效氮与15 cm土壤温度相关，土壤温度高，氮的有效性高，则淋失多，支持本试验研究结果。易军等^[27]认为，硝态氮运移与水分迁移具有很好的一致性，随着硝态氮运移距离增加，硝态氮浓度增高，并在湿润峰处累积；硝态氮浓度随含水量的增加而减少，并呈幂函数关系，与本研究结果一致。

本试验研究揭示了设施菜田土壤硝态氮季节性变化特征及其环境因子浅层地下水位、温度和土壤水分对其的影响。针对宁夏引黄灌区农田浅层地下水位季节性变化大的特点，在夏秋季灌溉期间水位上升，对设施菜田土壤硝态氮有多大影响及其向下运移数量还有待于进一步研究；另外，设施菜田不同施氮处理对不同层次土壤温度、水分季节性变化规律及其对硝态氮淋洗影响也尚需深入系统研究。 4 结论

（1）硝态氮淋失呈现明显的季节变化。在秋冬季淋失较多，冬春季淋失较少，峰值出现在7-8月夏季休闲期，黄瓜季（秋冬茬）淋失显着高于番茄季（冬春季）.

（2）优化施肥和调节碳氮比可有效控制硝态氮淋洗量。常规施肥周年硝态氮淋洗量平均为185.7 kg·hm^-2,优化施肥和调节碳氮比两处理硝态氮淋洗量比常规处理分别降低了10.6%和8.3%.

（3）硝态氮淋洗的季节变化与土壤温度、土壤水分和浅层地下水等环境因子密切相关。硝态氮的淋洗与表层土壤温度和表层土壤含水量呈显着正相关，说明随着土壤表层温度和含水量升高，硝态氮淋失增多；与浅层地下水位呈极显着负相关，说明浅层地下水位埋深越浅，硝态氮淋失量越大。