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本研究以华北平原传统的棚室蔬菜轮作体系作为研究对象,在蔬菜休闲期采用种植深根型填闲作物及其根层调控措施的田间原位修复技术,进行为期一年、三年填闲试验和短期示范试验。通过分析不同填闲作物种类、组合修复措施及修复时间对N03-N淋洗的影响,筛选出减少土壤深层累积硝态氮淋溶损失的深根型填闲植物及种植方式,揭示植物高效消减土壤剖面累积NO3-N的特征,明确填闲作物及其根层调控措施对下季作物产量和土壤NO3-N的影响,并为探索阻控棚室蔬菜土壤氮素淋溶损失机制及预防地下水污染提供理论依据。主要研究结果如下:
(1)甜玉米的生物量和吸氮量最大,整体根长密度与根干重大于其它填闲作物;从对土壤剖面NO3-N的消减能力来说,甜玉米的消减能力最高。一年试验中,0～200cm土层,甜玉米的消减量高达907.87kg/hm2,与甜玉米十牛膝间作、白菊花差异显著;三年试验中,总体消减土壤硝态氮能力为甜玉米＞甜高粱＞苋菜。2008、2009和2010年,甜玉米对0～200cm土层土壤NO3-N的消减量分别为153.8、605.7和56.3kg/hm2。可以得出,甜玉米具有庞大的表层根系网络,可以阻止土壤NO3-N的淋失,降低土壤剖面残留,在北方设施蔬菜体系为较好的填闲作物。
(2)一年填闲试验中,椰壳碳处理的生物量和吸氮量最高,其值分别为23,87t/hm2和288.46kg/hm2,并与传统种植呈显著性差异;1/4断根和椰壳碳处理可促进植物根系对60～160cm土层NO3-N的吸收,0～200cm土层中,椰壳碳与1/4断根的消减力较强,消减量分别为987.91和942.99kg/hm2。3年填闲种植可以得出,两种根层调控的总生物量及吸氮量要高于传统种植,随着种植年限的增加,加入土壤调理剂和适当的秸秆还田,均能降低土壤剖面NO3-N的淋失,尤其对100～200cm的作物根区NO3-N的消减能力更强。在填闲作物种植期间,加入椰壳碳、结构调理和秸秆还田措施对降低土壤剖面NO3-N淋失的效果更为明显。
(3)随着种植年限的延长,填闲作物对下茬黄瓜产量及生物量无显著影响,而且还可以降低土壤NO3-N的累积,甜玉米一黄瓜与甜高粱。黄瓜的轮作体系效果最好。不同的根层调控措施,填闲作物种植第二年对下茬黄瓜土壤NO3-N的消减效果较明显。对黄瓜田0～200em土壤NO3-N消减顺序为前茬秸秆还田＞前茬调理剂＞前茬甜玉米＞前茬休闲。填闲作物的提氮效果持续到黄瓜生长结束,前茬甜玉米与添加土壤调理剂措施能降低下茬黄瓜季土壤中硝态氮累积。
(4)高丹草的生物量与吸氮量分别为3.73t/hm2和79.81kg/hm2,显著高于甜玉米和胡萝卜;甜玉米在0～20cm土层中根长密度与根干重表现较突出,20cm以下高丹草高于甜玉米;一季填闲种植后,高丹草对0～60cm土壤NO3-N消减程度最高,对0～100cm土壤硝态氮消减能力呈现高丹草＞甜玉米＞胡萝卜＞休闲的趋势。
(5)种植填闲作物可使农民获得较高的经济效益,每公顷获得512～41702元收入。在一年及三年的填闲试验中,甜玉米的经济效益较高;在示范试验中,高丹草的经济效益高于甜玉米,其值分别为10550无/hm2和3413元/hm2。在硝态氮高累积的棚室土壤剖面上,种植填闲作物可取得环境和经济的双赢。