菜地氮素循环及其环境效应研究进展胡晓霞

0引言农田土壤氮素的转化与循环不仅是氮素生物地球化学循环的重要组成部分，也是农田生态系统氮素循环最重要和最活跃的过程。为了估计和预测农田生态系统氮素循坏的变化及其对环境的影响，20世纪70年代以来对生态系统中氮的循环进行了广泛研究[1]。大量研究表明，中国氮肥的利用率一般在30.00%~35.00%，而发达国家平均利用率达50.00%~60.00%，比中国高15.00%~30.00%[2]。而水稻麦类作物的氮肥利用率平均只有28.00%~41.00%[3-6]，远低于发达国家谷类作物42.00%的氮肥利用率。一季作物之后残留氮常占施氮量的15.00%~30.00%，甚至更多[4,7]。黄淮海地区小麦田的化学氮肥残留率为21.00%~45.00%，玉米田为15.00%~40.00%[8]。至于氮素的损失，中国旱田的氮肥损失一般为20.00%~50.00%，平均达45.00%左右[2,5]。菜地生态系统不同于自然生态系统，也不同于一般农田生态系统，是受人类剧烈活动影响的人工生态系统，复种指数高，氮肥用量大，肥水条件优越，其养分含量尤其是土壤全N和NO3--N含量较高。在实际生基金项目：福建省自然基金重点项目“菜地土壤中氮素去向及其对环境影响评价”（2006J0009）；福建省自然科学面上基金项目“果园土壤氮素硝化反硝化损失及N2O排放量研究”（2008J0120）；福建省财政专项—福建省农业科学院科技创新团队建设基金“农业生态过程与资源合理利用”（STIF-Y01）。第一作者简介：胡晓霞，女，1982年出生，内蒙古赤峰人，硕士研究生，主要从事氮素生物地球化学循环。通信地址：350013福建省福州市晋安区埔垱福建省农业科学院土壤与肥料研究所，E-mail：[e-mail]。通讯作者：丁洪，男，1965年出生，江西福安人，博士，研究员，主要从事氮素生物地球化学循环。通信地址：350013福建省福州市晋安区埔垱福建省农业科学院土壤与肥料研究所，Tel：[phone]，E-mail：[e-mail]。收稿日期：2009-12-24，修回日期：2010-03-06。菜地氮素循环及其环境效应研究进展胡晓霞1,2，丁洪1，张玉树1，秦胜金1（1福建省农业科学院土壤肥料研究所，福州350013；2福建农林大学资源与环境学院，福州350002）摘要：菜地生态系统氮肥投入量大、氮素循环强度高、损失量大。综合分析了菜地土壤氮素转化与循环的研究现状；介绍了施肥、大气沉降、自生固氮、氨化、硝化、反硝化、植物吸收、硝酸盐累积、NH3的挥发、地表径流、NO3-淋溶等菜地土壤氮素输入、转化和输出的途径和过程及其数量特征；论述了氮素损失对环境的影响。关键词：蔬菜；氮素循环；环境效应中图分类号：S15文献标志码：A论文编号：2009-2749ResearchProgressonNitrogenCyclinganditsEnvironmentEffectsinVegetableCrop-SoilSystemHuXiaoxia1,2,DingHong1,ZhangYushu1,QinShengjin1(1InstituteofSoilandFertilizer,FujianAcademyofAgriculturalSciences,Fuzhou350013;2CollegeofResourceandEnvironmental,FujianAgriculturalandForestUniversity,Fuzhou350002)Abstract:Theintensityofnitrogencyclinginvegetablecrop-soilsystemishighandtheamountofnitrogenlossesisgreatwithvariouslosingwaysbecauseoftheexcessivefertilization.Inthispaper,thestatuswassummarized.Theprocessesandthequantityfeatureofsoilnitrogeninput,interiortransformationandoutput,includingfertilization,atmospheredeposition,ammonificationnitrogenfixation,ammonification,nitrification,denitrification,plantuptake,nitrogenaccumulated,NH3volatilization,runoffandNO3-leachingwereintroduced.Theenvironmentaleffectsofnitrogenlosswerecarriedout.Keywords:vegetable;nitrogencycling;environmenteffects中国农学通报2010,26(10):287-294ChineseAgriculturalScienceBulletin中国农学通报产中，菜农在高产出、高收益的刺激下，基本不考虑环境问题，往往盲目地加大施肥量（尤其是氮肥），施氮量通常高出常规大田作物的几倍甚至10倍以上，很多地区达每公顷1000多千克氮素[9]，严重超出蔬菜对氮素的实际需求量。曹兵等分别对大白菜和番茄两种菜地进行了研究，结果显示，番茄地的氮素利用率16.40%~28.80%，土壤残留率37.00%~37.50%，损失率34.20%~46.00%；白菜地的氮素利用率18.10%~24.60%，土壤残留率为33.40%~33.50%，损失率为41.90%~48.50%[10-11]。李俊良等[12-13]在大白菜和番茄地上的研究结果也表明，大白菜土壤中的氮肥表观损失率为60.00%~75.00%，番茄土壤中的肥料氮的总损失率达67.20%~97.70%。菜地土壤的氮素利用率明显低于粮田土壤，大量的氮素或以氮的不同形态残留于土壤中，或通过不同途径损失于环境之中，这不仅造成蔬菜品质降低、氮肥利用率低等不良后果，同时引起了一系列环境问题。因此，深入研究菜地土壤氮素输入、转化和输出等循环规律，明确氮素在土壤—环境体系中的行为和去向及其数量特征具有重要的科学意义。综合分析国内外有关菜地土壤氮素循环的研究结果，可为最大限度提高蔬菜的氮素利用率，减低氮肥对菜地生态系统和人类生存的负面效应提供科学依据。1菜地生态系统氮素的输入菜地生态系统土壤氮素输入主要来源于化肥和有机肥料氮素的输入、大气氮干湿沉降、生物固氮等，这些途径共同参与和影响氮的生物地球化学过程。肥料氮是蔬菜地土壤氮素输入的主要途径之一，其对提高农作物产量效果是十分显著，但盲目增加氮肥使用量，并不能连续增加作物产量，还导致氮肥利用率降低，同时也不能达到高效的目的[14]。张福锁等[15]的调查结果表明，蔬菜的施肥量，尤其是N肥远远高于粮食作物，也远高于蔬菜N肥推荐量。李翠萍等[16]调查显示，西芹的氮肥施用量为2227kg/hm2，氮素盈余高达2051kg/hm2。目前，中国蔬菜施肥的研究工作仍处于揭示问题的阶段，而对如何从深层次上研究造成这些问题的科学和社会原因，提出既具有科学价值，又具有实践应用价值的解决措施，仍是今后要重点加以解决的问题[12]。世界各地大气氮沉降的通量是受氮素的排放量支配的。氮沉降与氮排放呈线性相关[17]。大气氮的干湿沉降除少量能被植物直接吸收外，大部分进入土壤层，进而被作物所吸收。在氮沉降量较低的地区，几乎所有的沉降氮（大于95.00％）都被土壤吸收，氮沉降将具有施肥作用。但在具有充足氮素供应的土壤中，N沉降量的增加将会出现土壤中“N饱和”现象[18]，强烈地影响到系统内各种有机体的活动和生态过程。尽管土壤的自生固氮很有限，但由一些真菌、细菌等微生物所固定的氮量也是土壤氮来源不可忽视的部分[19]。通过自生固氮微生物的联合活动每年可使土壤得到66~112kg/hm2的氮[20]。土壤氮素输入的数量和质量，对促进菜地生态系统内部的物质循环、维持土壤肥力以及提高农田生产力水平具有重要作用。2菜地生态系统氮素的转化土壤中氮素的转化与肥料氮的利用、固持和损失之间有密切的关系，氮素转化作用直接影响着作物的氮素营养和氮素在土壤-植物系统中的损失。作物在生长期间，土壤能为作物提供的可利用的有效氮量主要是起始矿质氮和可矿化氮量。可矿化氮主要来自土壤有机N的矿化，在南方旱地土壤上，土壤的矿化N量为N9.26mg/kg，占土壤全N量的1.89%[21]。Henry[22]研究表明番茄地0~0.30m土壤矿化N量大于112kg/hm2。李俊良等[12]假定不施N处理的N素无表观损失，计算出大白菜生长季土壤N的表观矿化量为N193kg/hm2。硝化作用和反硝化作用是土壤氮素转化的2个重要过程。硝化作用和反硝化作用影响初级生产力，引起土壤酸化，导致阳离子和硝酸盐淋失，与N2O的释放密切相关。金雪霞等[23]、李辉信等[24]以及范晓晖等[25]通过对不同土壤的硝化作用研究，都得出了硝化率与土壤的pH呈正相关的结论。徐玉裕等[26]通过对五川流域农业土壤的反硝化作用的测定，发现流域内不同土地利用方式下反硝化差别较大，其中蔬菜土壤的反硝化作用强于其他土地利用类型。土壤氮素的矿化和固持是在土壤微生物的参与下进行的，而土壤微生物态氮本身亦是土壤活性氮库中的重要组成部分。从土壤的生物化学过程来看，土壤微生物一方面通过自身的生命活动将其他的有机态氮矿化分解成无机态氮，供给植物或其他微生物吸收利用，同时也通过自身的代谢参与土壤的氮素循环[27]。3菜地生态系统氮素的残留伴随着农村经济结构和种植业结构的调整，蔬菜种植的集约化程度逐渐增加，氮肥的高投入导致了菜地生态系统氮素的持续盈余。表1中数据显示，蔬菜收获后氮素尤其是NO3--N大量残留于土壤剖面中，其中50.00%以上的氮素残留于0~1.00m的土壤剖面中。王朝辉等[28]比较研究了陕西关中平原菜地土壤与一般农田土壤养分累积的差异，大棚和露天菜地··2880~2.00m土层的全氮比一般农田高出36.20%和18.60%；硝态氮累积总量比一般农田高出5.2倍和4.5倍；铵态氮比一般农田高出29.60%和21.20%。陈晓群等[29]调查了宁夏设施蔬菜地土壤硝态氮变化的研究结果表明，设施蔬菜地土壤与相邻粮田比较，其表层（0~0.30m）硝态氮含量较高，栽培年限越长，土壤表层积累的硝态氮越多，8a和15a棚龄的菜地土壤表层硝态氮较相邻粮田分别增加了8.2倍和9.3倍。而张丽娟[30]的研究结果表明，菠菜对土壤不同层次0.15、0.45、0.75m标记硝态氮的利用率分别为28.20%、22.30%和16.30%。氮素的大量残留不仅易引起土壤的次生盐渍化，且增加了向地下水淋洗的风险。4菜地生态系统氮素的输出菜地生态系统中氮素输出的主要途径为：作物的吸收和损失。一方面，作物吸收越多，表明氮肥的利用效率越高；而另一方面，氮素经氨挥发、硝化反硝化、流失和淋失等不同途径损失于环境之中。氮素的各种损失途径之间既有区别又有密切联系，各种途径所损失的氮量在氮素总损失中所占的比例因土壤性质、作物种类、氮肥的种类和施肥技术以及施肥前后的气象条件而异[34]。4.1菜地生态系统中氮素的作物吸收蔬菜收获输出的氮量与生物量、作物体氮素含量有直接关系，它是作物各部分收获量乘以各自氮含量的总和。曹兵等[32]研究结果显示，用差值法测得小青菜、大白菜和番茄3种菜地的氮肥利用率分别为39.60%~42.50%、25.90%~35.20%和14.60%~22.50%，而示踪法的利用率分别为39.40%~46.80%、18.10%~24.60%和16.40%~28.80%。周艺敏等[35]采用示踪法对露地番茄的研究结果是氮肥的利用率为26.00%。这些研究结果表明，