大棚作为蔬菜种植的重要设施，具有常年高温、高湿、无降水淋洗及高施肥、高产出、超强度利用等特点^[1-2]，导致了土壤残留无机氮增加和土壤酸化^[3]等问题，并加重植物病害，严重阻碍和制约了土地及大棚设施的可持续利用，故大棚土壤主要性质的分布与变化特征成为广大学者关注的一个焦点。

氮是植物生长发育所必需的大量元素，但不合理的施用使其成为农业面源污染的一个重要来源。目前大棚氮肥施用水平极高^[4]，使氮素的利用率较低，造成了严重的经济和资源浪费，同时导致土壤酸化^[5-6]和地下水污染^[7]等环境问题。郭文龙等^[8]对不同种植年限蔬菜大棚土壤性质演变及施肥状况做了相关研究，结果表明：土壤酸化程度随着种植年限的延长而加重，且土壤pH值的下降主要在表层^[9]。一般认为，土壤的酸化主要与过量施用氮肥有关^[10]，南镇武等^[11]研究表明施用有机肥和化肥均可导致硝态氮和铵态氮在土壤中积累，且使土壤酸化，从而引起土壤质量退化。

西藏气候具有年均温低、昼夜温差大、年温差小和干、湿季分明等特点^[12]，不适宜露地蔬菜栽培，故大棚成了当地蔬菜生产的主要方式。但西藏土壤发育不成熟，对水、肥的保蓄性能极差，在这种土壤条件下大棚的生产管理对土壤无机氮及土壤pH值的影响效应更值得关注。科学阐明不同利用年限大棚土壤pH值及无机氮的分布特征，有助于对地方土壤的合理利用与管理。本研究以西藏林芝地区米林县不同种植年限蔬菜大棚为研究对象，研究不同种植年限蔬菜大棚土壤无机态氮浓度及土壤pH值分布特征，旨在阐明蔬菜大棚对土壤无机氮及土壤pH值的影响，为当地蔬菜大棚的可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

供试土样采于林芝地区米林县蔬菜大棚以及相邻露地，位于西藏自治区东南部，林芝地区西南部，雅鲁藏布江中下游，念青唐古拉山脉与喜马拉雅山脉之间（94.19°~94.24°E，29.19°~29.23°N），平均海拔2973 m，全年日照充足，年均温8.2 ℃，为高原温带半湿润性季风气候，常年分为明显的干季和雨季（雨季一般为5-9月，干季一般为10-4月）。降水主要来源于沿雅鲁藏布江河谷深入内陆的印度洋暖湿气流，年均降水量640~650 mm。河谷内发育着温带及亚热带湿润型山地土壤如黄棕壤、棕壤、暗棕壤、灰化土等，土壤质地偏砂性^[13]，种植模式为一年一熟制。

1.2 土壤样品的采集与测定

2015年9月23日，选择米林县不同种植年限蔬菜大棚及相邻露地农田，露地作物以青稞和小麦为主，蔬菜大棚是由露地改建而成，改建前主要作物为青稞和小麦，改建后蔬菜大棚主要种植青椒、西红柿和茄子。大棚初建时主要施用有机肥，之后以化肥为主，主要以尿素、过磷酸钙及氯化钾作底肥施用。分别选择1 a、4 a和6 a的蔬菜大棚及其相邻露地为样地，每个样地设置3个样点，作为3个重复，并采集表层0~5 cm、5~10 cm和10~20 cm三个层次的土壤样品。为阐明不同土地利用条件下对土壤pH值及无机氮影响的层次效应，在每个样地各采集1个剖面土壤（0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm、40~50 cm、50~60 cm和60~70 cm），共采集土壤样品68个，装入自封袋带回实验室。去除可见的石块、植物残体等非土壤部分后，一部分土壤储存在4 ℃冰箱供测定土壤硝态氮和铵态氮（储存时间不超过24 h），另一部分室内自然风干，磨碎。土壤pH值采用5：1水土比，pH计测定，即准确称取过1 mm筛的风干土壤样品5.0 g，加入去CO₂水25 mL，搅拌1 min，静置30 min，用pH计（Model IQ150）测土壤pH值。硝态氮和铵态氮采用2 mol·L^-1 KCl溶液按照5：1液土比，振荡30 min后过滤^[14]，用连续流动分析仪（A3HR型，德国Seal公司）测定。

1.3 数据分析

采用Excel 2007进行数据处理，无机氮含量及pH值方差分析、回归分析采用SPSS 17.0，采用Origin9.0进行做图分析。

2 结果与分析 2.1 不同种植年限蔬菜大棚与露地土壤pH变化 2.1.1 表层土壤pH值

由表 1可知，露地与1 a蔬菜大棚土壤pH值在6.5~7.5之间，为中性土壤。随着大棚利用年限的增加，表层土壤pH值呈降低趋势，即表现为表层土壤的酸化。其中4 a与6 a蔬菜大棚pH值小于5.0，为强酸性土壤^[15]；1 a土壤pH较露地高，可能主要与大棚初建时，大量施用有机肥有关。肖辉等^[16]研究表明，施用天然有机肥可以明显提高土壤pH，减缓土壤酸化速率。在0~5 cm层次，6 a大棚pH值较1 a降低了31.58%，较露地降低了25.32%；在5~10 cm层次，6 a较1 a降低了33.99%，较露地降低了28.58%；在10~20 cm层次，6 a较1 a降低了30.63%，较露地降低了29.98%。露地及不同利用年限大棚在0~5 cm，5~10 cm和10~20 cm三个层次土壤pH值之间的差异均未达显著水平。在不同利用年限上，1 a大棚与露地之间的各土壤层次差异均未达显著水平（P > 0.05），4 a大棚与露地在0~5 cm和5~10 cm差异达极显著水平（P < 0.01），6 a大棚与露地在10~20 cm差异达极显著水平（P < 0.01）。

2.1.2 剖面层次土壤pH值

由图 1A可知，随着土壤层次的加深，土壤pH值呈先减小后增大的趋势。1 a和4 a蔬菜大棚土壤pH值在0~20 cm范围内均呈减小的趋势，在20~70 cm范围内土壤pH值均随土壤层次的加深呈增加的趋势；露地土壤pH值在0~10 cm范围内呈减小的趋势，在10~70 cm范围内呈增加的趋势。随蔬菜大棚种植年限的延长，pH值呈减小的趋势，即1 a>4 a。随土壤层次的加深，蔬菜大棚pH值的变化程度较露地明显，1 a、4 a蔬菜大棚变异系数分别为7.60%、3.74%，露地变异系数分别为2.16%和3.56%。

2.2 不同种植年限蔬菜大棚与露地土壤硝态氮变化 2.2.1 表层土壤硝态氮

由表 2可知，在蔬菜大棚表层土壤中，硝态氮浓度表现为0~5 cm>5~10 cm>10~20 cm，表明蔬菜大棚土壤硝态氮存在表聚现象，大棚的施肥方式、施肥深度及较高的施肥量是造成表层土壤硝态氮含量较高的原因。随着大棚种植年限的延长，土壤硝态氮浓度逐渐降低，即1 a>4 a>6 a，即蔬菜大棚土壤的供氮能力随着种植年限的延长而降低。而露地硝态氮浓度表现为0~5 cm < 5~10 cm < 10~20 cm，降水淋溶作用及较深的耕层是导致露地10~20 cm的硝态氮浓度高于0~5 cm的主要原因之一。1 a大棚硝态氮浓度范围为16.80±8.71~18.61±9.38 mg·kg^-1（±SD），变异系数为8.18%，4 a大棚为5.45±0.95~9.39±4.46 mg·kg^-1，变异系数为26.60%，6 a大棚为5.76±4.96~7.95±6.82 mg·kg^-1，变异系数为17.31%。1 a大棚土壤硝态氮浓度较其他样地土壤浓度高，与大棚初建时大量施肥及土壤外部环境的较大扰动有关。在0~20 cm层次，6 a大棚土壤硝态氮浓度较1 a大棚降低了60.91%，较4 a降低了10.21%，4 a大棚土壤NO₃^--N浓度较1 a大棚降低了56.46%。1 a大棚与露地在各土壤层次之间差异均达显著性水平（P < 0.05），且在0~5 cm之间差异达极显著水平（P < 0.01），说明硝态氮浓度的降低主要集中在大棚初建时期，可能与初建时期大量施肥、灌溉、过度生产以及硝态氮易溶于水有关。

2.2.2 剖面土壤硝态氮

由图 1B可知，随土壤层次加深，蔬菜大棚土壤硝态氮浓度逐渐降低，露地呈先增加后降低的趋势。表现为蔬菜大棚硝态氮浓度在0~20 cm范围内呈逐渐降低趋势，且空间变异性较大，变异系数为29.30%；露地1和露地2的硝态氮浓度在0~20 cm范围内逐渐升高，在20 cm处达到最大值，分别为8.60 mg·kg^-1和6.27 mg·kg^-1。在20~70 cm范围内随着土壤层次逐渐加深，露地与蔬菜大棚硝态氮浓度总体均呈降低的趋势，但在土壤深度为60~70 cm处仍然有较高的硝态氮浓度。

露地和蔬菜大棚60~70 cm深度土壤硝态氮浓度分别是0~20 cm的50.20%和18.99%。在0~30 cm范围内土壤硝态氮浓度均高于30~70 cm范围，在0~30 cm范围内露地1、露地2、大棚1 a和4 a的NO₃^--N浓度分别为7.76±1.37、5.00±1.49、23.40±3.94、9.79±4.32 mg·kg^-1，较30~70 cm高出了12.73%、30.66%、56.49%和63.22%。这说明硝态氮在土壤中存在表聚现象，且蔬菜大棚较露地明显。随种植年限的延长，蔬菜大棚硝态氮浓度呈降低的趋势，即1 a>4 a，大棚高温高湿的环境容易使硝态氮分解，从而降低土壤中的硝态氮浓度。

2.3 不同种植年限蔬菜大棚与露地土壤铵态氮变化 2.3.1 表层土壤铵态氮

由表 3可知，1 a、4 a、6 a和露地土壤铵态氮浓度表现为，随着表层土壤层次的加深，土壤铵态氮浓度呈逐渐降低的趋势，即10~20 cm < 5~10 cm < 0~5 cm。1 a、4 a、6 a和露地的10~20 cm层次较0~5 cm层次分别降低了2.26%、4.60%、18.21%和8.54%。土壤铵态氮浓度在0~5 cm，5~10 cm和10~20 cm各层次之间差异均未达显著水平（P > 0.05），而对于不同种植年限大棚土壤来说，仅有1 a和4 a的大棚在10~20 cm差异达显著性水平（P < 0.05）。

2.3.2 剖面层次土壤铵态氮浓度分析

由图 2A可知，在供试土壤中，1 a蔬菜大棚土壤铵态氮浓度范围为43.81~50.70 mg·kg^-1，平均值为42.18 mg·kg^-1，变异系数为5.51%；4 a蔬菜大棚土壤铵态氮浓度范围为49.17~59.62 mg·kg^-1，平均值为47.42 mg·kg^-1，变异系数为7.42%；露地1、露地2土壤铵态氮浓度范围分别为44.94~50.82、48.46~53.77 mg·kg^-1，平均值分别为42.71、45.56 mg·kg^-1，变异系数分别为4.90%、3.50%。由此可知，露地与蔬菜大棚土壤铵态氮浓度变化范围都较小，即具有较小的垂直空间变异性。但蔬菜大棚的变异系数大于露地的变异系数，则主要是因为露地是一个开放的生态系统，其淋溶作用远强于大棚，另外由于大棚高温环境，其蒸发量较大，NH₄⁺离子随水分向上迁移，导致大棚的垂直变异性较露地大。

随着土壤层次加深铵态氮浓度呈先降低后增加的趋势。露地1、露地2在40 cm处达到最小值，分别为41.130、48.581 mg·kg^-1，蔬菜大棚在20 cm处达到最小值，1 a、4 a分别为44.526、49.169 mg·kg^-1。铵态氮容易在硝化细菌的作用下转化为硝态氮，由于蔬菜大棚特殊的环境条件，使得硝化作用、植物吸收利用及水分蒸发量均大于露地，另外露地是一个开放的生态系统，淋溶作用较强，因此，露地最小值出现在40 cm处而大棚最小值出现在20 cm。

2.4 土壤矿化氮

由图 2B可知，土壤矿化氮^[17]浓度随大棚种植年限的延长呈降低的趋势，即1 a>4 a。1 a与4 a矿化氮浓度范围分别为51.02~77.63 mg·kg^-1和51.30~64.11 mg·kg^-1，其土壤矿化氮浓度垂直空间变异性相对较大，变异系数分别为15.83%和7.78%。4 a较1 a大棚的垂直空间变异性小。露地1和露地2土壤矿化氮浓度范围分别为52.21~56.74、51.78~56.84 mg·kg^-1，变异系数分别为3.01%、3.81%，其土壤矿化氮浓度垂直空间变异性明显小于蔬菜大棚。

随着土壤层次的加深，蔬菜大棚矿化氮浓度总体呈逐渐降低的趋势，露地呈先增加后降低的趋势。其中1 a与4 a蔬菜大棚土壤矿化氮浓度在0~40 cm范围内表现为1 a>4 a，在这个范围内，1 a、4 a大棚土壤矿化氮浓度平均值分别为69.62、60.30 mg·kg^-1，1 a较4 a高出15.45%。这可能与大棚初建时期为了快速增加土壤肥力、追求蔬菜高产，对土壤的肥料投入量极大，导致供过于求，使肥料在土壤中积累。在40~70 cm范围内表现为4 a>1 a，1 a、4 a大棚土壤矿化氮浓度平均值分别为51.77、55.66 mg·kg^-1，4 a较1 a高出了7.49%，说明矿化氮存在淋溶迁移现象。露地矿化氮浓度在0~10 cm范围呈增加的趋势，在10~70 cm范围呈降低的趋势。

2.5 无机氮与土壤pH值相关性分析

经各拟合方程比较，多项式方程的拟合程度最高，由pH值与硝态氮及铵态氮浓度之间的回归方程可以看出（表 4），大棚土壤pH与硝态氮及铵态氮浓度之间均呈负相关关系，但相关性未达显著水平（P > 0.05），拟合方程的相关系数分别为0.76和0.15；露地硝态氮及铵态氮浓度与土壤pH值之间的回归方程显示，土壤硝态氮及铵态氮浓度与pH值之间存在正相关关系，且铵态氮浓度与pH值之间相关性达极显著水平（R=0.845 6，P < 0.01）。

3 讨论 3.1 不同种植年限土壤pH值分布特征

pH值是土壤最重要的属性之一，对土壤氮、磷等物质循环和植物正常生产发育产生重要影响。本研究中，大棚生产导致表层土壤pH值明显下降，即大棚表层土壤表现出酸化现象。这与其他研究者的结果一致^[18]。且这种影响主要表现在表层0~10 cm，可能是由于化肥主要集中施用于表层所致。李晓东等^[19]研究结果表明，土壤pH值随土壤深度的增加而增加。杨恒山等^[20]研究表明，在0~40 cm土层内，pH值随土壤深度的增加而增加。本研究结果同样表明，随着土壤层次加深，土壤pH呈先降低后增加的趋势，且大棚在20 cm处pH值达最小值，露地在10 cm处达最小值。这可能与耕层深浅、植物根系分泌及残体分解释放有机酸有关。

随大棚种植年限的延长，土壤酸化程度有增强的趋势，可能与超标施肥、矿质元素比例失衡、土壤有机质偏低以及土壤中无机氮含量随种植年限的延长逐渐升高密切相关。Malhi等^[21]研究结果表明，土壤酸化程度加强与硝态氮的累积有着显著的相关性，并且认为土壤酸化程度随硝态氮的升高而加强。伊田等、曾希柏等^[22-23]研究表明，随种植年限的增加，设施栽培土壤pH呈下降趋势。

由于大棚长期大量施肥，使得在同一采样区域，蔬菜大棚pH值显著低于露地。熊汉琴等^[24]研究结果同样表明，大棚土壤pH值小于露地，设施菜地土壤矿化与硝化作用比露天有机菜地土壤强烈，使硝态氮在大棚土壤中的累积大于露地^[25]，从而导致大棚土壤酸化程度大于露地。陈碧华等^[26-27]研究结果显示，蔬菜大棚土壤中Cl^-、NO₂^-、NO₃^-、SO₄^2-是造成土壤酸化的重要因子。本研究区主要以尿素、过磷酸钙及氯化钾作为底肥施用，其化学成分主要是Ca²⁺、SO₄^2-、PO₄^3-、NH₄⁺、Cl^-和K⁺等，而NH₄⁺又可以在硝化细菌的作用下被硝化成NO₃^-，可见施用含阴离子的化肥是导致该样区土壤酸化的主要原因。因此，在蔬菜大棚种植过程中，将有机肥与无机肥混合使用可能会减缓土壤的酸化速度^[28]。

3.2 土壤氮素分布特征及效应

本研究中，米林县蔬菜大棚经过长期的连续生产和大量施肥，其与露地相比，土壤硝态氮浓度较高，且有明显的表聚现象。这主要由于大棚硝化作用较农田明显和大棚采用漫灌的灌溉方式及土壤淋溶作用较露地弱，限制了大棚土壤硝态氮的纵向迁移；其次，大棚土壤水分蒸发强烈，使土壤表层的水分气化，带动地下水和表层水分不断上升，从而使得溶于水中的NO₃^-被带到土壤表层而聚积；另外，大棚较高的肥料投入，远远超过了作物的需求量，导致硝态氮在土壤根系层累积。刘庆芳等^[29]研究结果同样显示，各棚龄土壤硝态氮均表现出明显的表聚现象。

随着土壤层次加深，露地及蔬菜大棚硝态氮、铵态氮及矿化氮浓度均呈降低的趋势，且硝态氮和矿化氮浓度变化范围明显缩小，表明硝态氮和矿化氮的向下迁移能力较弱。朱红霞等^[30]研究结果表明，随着土壤层次的加深，硝态氮、铵态氮浓度呈降低的趋势。郑洁等^[31]对洱海流域露地土壤氮素矿化的相关研究亦得出同样的结论。

随着大棚种植年限的延长，土壤硝态氮和矿化氮浓度均呈降低的趋势，土壤铵态氮浓度呈增加的趋势。李若楠等^[32]、王亚男等^[33]、魏迎春等^[34]研究结果显示，随大棚种植年限的延长，土壤硝态氮浓度呈增加的趋势，但本研究结果与此相反。田霄鸿等^[35]研究表明：大多数蔬菜对氮素的吸收表现为喜硝性，则可能是本研究中土壤硝态氮浓度较铵态氮浓度低的原因之一；另外，还可能与大棚连续生产、耕作方式、作物种类、大量施用有机肥、尿素及植物残体矿化分解相关；同时该研究区土壤微生物的种类、数量及活性也会影响土壤氮素的动态及比例。另一方面，设施大棚内CO₂浓度相对较高，O₂浓度相对较低，一般地，低pH值、缺氧环境条件不利于铵态氮向硝态氮的转化，使铵态氮积累增加，硝态氮含量较低；铵态氮是还原态，易被土壤胶体吸附和固定，而硝态氮是氧化态，且水溶性高，易到达根系表面而被吸收。因此，导致大棚土壤铵态氮较硝态氮含量高。

4 结论

（1）蔬菜大棚土壤酸化程度明显高于露地，且随着大棚利用年限的增加，土壤酸化现象呈加重趋势。

（2）大棚的利用导致土壤酸化加重，这种影响主要表现在表层0~20 cm。

（3）与露地相比，蔬菜大棚土壤铵态氮和硝态氮含量存在明显的“表聚现象”。

（4）随蔬菜大棚种植年限的延长，土壤pH、硝态氮和矿化氮均呈降低的趋势，铵态氮呈增加的趋势。