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我国是全世界设施蔬菜种植面积最大的国家,目前设施蔬菜的增产主要依靠氮肥的大量投入,长期过量施肥不仅使得蔬菜品质下降,同时盈余氮素流失后对水环境和大气环境的污染存在较大风险,这在太湖地区尤其明显。因此,针对太湖地区设施菜地氮素排放规律不清,氮污染阻控技术匮乏的现状,研究减投减排保产的氮素管理原理与技术具有重要的理论和现实意义。
本研究从2007年至2010年连续4年进行田间定位试验,定量评价了太湖地区具有代表性的设施蔬菜一番茄、黄瓜和芹菜轮作制度下的化肥氮环境效应,针对太湖地区设施菜地主要的氮损失途径进行了氮污染阻控措施研究。探讨了在习惯施氮量基础上分别减施化肥氮20%、40%和60%对蔬菜作物产量和减少氮损失量的效果及机制;分析了夏季揭棚休闲期种植填闲作物一甜玉米对氮淋失的阻控作用以及对后茬作物生长的影响。并在此基础上,提出了源头减量措施和填闲作物拦截阻控技术相耦合的设施菜地氮素流失综合阻控技术。
研究结果表明,农民习惯施氮量下(870 kg N ha-1yr-1),18%的化肥氮被蔬菜作物吸收利用,20.6%从土壤-植物系统中损失,53%残留在土壤中,8.4%为未知去向的氮素。损失的氮素中20%以淋洗途径损失,0.5%以N2O形式排放,0.1%以氨挥发途径损失。优化施氮量下(522 kg N ha-1yr-1),31%的化肥氮被蔬菜作物吸收利用,21.5%从土壤-植物系统中损失,30%残留在土壤中,17.5%为未知去向的氮素。
太湖地区设施菜地全年N2O的平均排放通量为117.4±9μg N m-2 h-1,年累积排放量为8.1±0.6 kg N2O-N ha-1,是相同地区相同土壤类型下的稻田N2O排放量的7倍。氮淋洗量、N2O排放量随施氮量的增加而增加。传统习惯施氮量下土壤耕层硝态氮大量残留。
太湖地区设施菜地平均总氮淋洗量为219 kg N ha-1yr-1。NH4-N淋洗占总氮淋洗比例极小可忽略不计。水溶性有机氮(DON)淋洗量为18.8 kg N ha-1,占总氮淋洗量的8.3%。氮淋洗高峰期发生在夏季揭棚期(7~10月),此时平均总氮淋洗量为143.5 kg N ha-1,约占总氮淋洗量的65%。
在习惯施氮量的基础上减氮40%不会导致减产,连续4年设施蔬菜年产量可保持在156~205 t ha-1。与习惯施氮量相比,减氮40%可使表观氮肥利用率增加54~113%。适当减少化学氮肥用量可以有效减少氮淋洗量和N2O排放量。与习惯施氮量相比,减氮40%可减少全年氮淋洗量24~56%,可减少淋洗排放高峰期-揭棚期氮淋洗量25~63%;同时,也可减少N2O排放量33%。
在氮淋洗高峰期种植填闲作物一甜玉米,在习惯施氮量下,可使淋洗液中总氮浓度从94 mg L-1减少到59 mg L-1,并且可使表层0~10cm土壤硝态氮含量从306 mg kg-1减少至195 mg kg-1;与习惯施氮水平相比,减氮40%的同时种植填闲作物可减少氮淋洗量73%。将源头减量技术与填闲作物拦截阻控技术相耦合对氮素流失进行阻控,可大大降低设施菜地氮流失的环境风险,同时不会对蔬菜产量产生明显影响。