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改良灌溉施肥方式下硝态氮流失的模拟研究摘要：土壤硝态氮的淋失是水环境污染的主要来源。
以江苏省宜兴市梅林流域硝态氮的淋失为研究对象，运用Hydrus-1D模型模拟了2010-2011年田间水分与硝态氮的迁移过程。
结果表明，结合野外实验观测数据，Hydrus-1D模型反映了土壤中水分与硝态氮的迁移过程，控制土壤中水分的向下运动以及土壤中硝态氮的浓度可以有效地减少硝态氮的淋失。
采用的改良灌溉施肥方案既满足了农作物对氮素的生长需求同时减少了硝态氮淋失量。
关键词：土壤；硝态氮；淋失；Hydrus-1D模型1905年，Warrington[1]提出硝态氮的淋失是影响土壤肥力的一个重要因子，而且硝态氮淋失进入地下水中导致水质恶化，也严重地危害了人们的健康[2]。
国内外大量研究结果表明农田氮肥的施用是浅层地下水中硝态氮浓度升高的重要来源[3，4]。
土壤中硝态氮的含量受到硝化、反硝化、植物吸收、矿化、大气沉降以及施肥等作用的共同影响。
从迁移机制来看，硝态氮离子所带负电与土壤负电位相排斥，土壤中的硝态氮主要贮存于土壤水分中，其迁移主要由土壤水分的运动和硝态氮浓度梯度决定[5]，所以合理的施肥与灌溉方式可以有效地减少土壤中硝态氮的淋失量[6]。
Hydrus-1D模型[7]可以用来模拟饱和-非饱和渗流区水及溶质的迁移运动，考虑了土壤水分运动、溶质迁移以及作物根系吸收等因素。
本研究运用Hydrus-1D模型对江苏省宜兴市梅林流域的土壤中水分运动以及硝态氮淋失过程进行了动态模拟分析，揭示氮肥施用与硝态氮淋失之间的关系，分析不同灌溉施肥方式下的土壤水分运动和硝态氮淋失的特征，为改良灌溉施肥方式提供参考。
1 材料与方法1.1 试验地点概况梅林流域位于江苏省宜兴市梅林河上游，濒临太湖西岸。
该区域气候温和湿润，光照充分，年平均温度15.7 ℃，年平均降雨量1 198 mm。
河海大学水文水资源与水利工程国家重点实验室在梅林流域设置了旱地试验小区污染物运移监测站。
蔬菜的硝态氮累积及菜地土壤的硝态氮残留王朝辉,宗志强,李生秀,陈宝明(西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨陵712100,E -mail:zhao -huiw @)摘要:在不同季节对11类、48种蔬菜的测定表明,硝态氮含量高于325mg #kg -1,达到4级污染水平的有20种,占调查总数的4117%,包括全部叶菜类、部分瓜类、根菜类和葱蒜类蔬菜.其中硝态氮含量高于700mg #kg -1,超过4级污染水平的有5种,均为叶菜类蔬菜.叶菜硝态氮累积虽为严重,但其中部分蔬菜叶片的硝态氮含量却低于3级污染水平.对不同类型菜地和农田土壤的测定发现,菜地0~200cm 各土层的硝态氮残留量均高于农田土壤,常年露天菜地200cm 土层的硝态氮残留总量为135818kg #hm -2,2年大棚菜田为141118kg #hm -2,5年大棚则达152019kg #hm -2,而一般农田仅为24514kg #hm -2.菜地土壤的硝态氮残留严重威胁菜区地下水环境.关键词:蔬菜;土壤;硝态氮累积;硝态氮残留中图分类号:S15813 文献标识码:A 文章编号:0250-3301(2002)03-05-0079基金项目:国家重点基础研究专项经费资助项目(G1999011707);国家自然科学基金项目(49890330,39970429,30070429)作者简介:王朝辉(1968~),男,河北元氏人,博士,副教授,从事旱地土壤和作物系统氮素动态及其生态环境效应方面的研究.收稿日期:2001-04-13;修订日期:2001-07-27Nitrate Accumulation in Vegetables and Its Residual in Vegetable FieldsWang Zhaohui,Zong Zhiqiang,Li Shengx iu,Chen Baom ing (Colleg e of Resources and Env ironmental Sc-i ences ,Nort hw estern Science and T echnology U niversity of A griculture and Forestry ,Yang ling,Shaanx i 712100,China,E -mail:zhaohuiw @public.x )Abstract:Deter minations o f 11kinds,48varieties o f vegetables w ere car ried out at different seaso ns.T he results show edt hat nitr ate -N concentrations in 20veg etables reached Pollution L evel 4(N O -3-N>325mg #kg-1),w hich accounted for 4117%of the total number of the sampled veg etables and included all of the leafy ,and most of the melon,root,onionand garlic v eg etables.Among them,5leafy vegetables even ex ceeded L evel 4(N O -3-N >700mg #kg-1).A lthough leafy vegetables w er e usually apt to heavily accumulate nitrate,most of them w er e w ith nitrate -N concentrations lowert han Level 3(NO -3-N <325mg #kg -1)in leav e blades.Fur ther investig ation show ed that vegetable soils accumulated mor e nitrates in each lay er fro m 0cm to 200cm t han did cer eal crop soil.T he total amount of residual nitrate -N was135818kg #hm -2in the 200cm soil profile of usual v egetable fields,and 141118kg #hm -2and 152019kg #hm -2in the 2-yaers and the 5-years long plastic greenhouse fields r espectiv ely,how ever that in t he cereal crop fields was only 24514kg#hm -2.N itrate residual in vegetable soils for med ser ious threats to underground water in vegetable grow ing ar eas.Keywords:v eg etable;soil;nitrate accumulation;nitrate residual人类摄入的硝态氮有72%~94%来自蔬菜[1],蔬菜硝态氮累积对人类健康的危害已引起世界各国的重视[2,3]:荷兰规定莴笋的硝态氮含量不能超过1017mg #kg -1;德国规定菠菜不能超过791mg #kg -1[4].1997年欧共体对叶类蔬菜规定了更为严格的标准[5].1982年沈明珠等对我国34种蔬菜进行了检测,发现10种蔬菜硝态氮含量超过325mg #kg -1,达4级污染水平[6].近年来,为了提高蔬菜产量,满足市场不断增长的需求,菜农大量施用化学肥料,特别是氮肥,一些地方施氮量高达3300kg #hm -2[7],超过作物需求量的数倍.伴随着过量施用氮肥,环境污染也日益严重:未被作物吸收而残留在土壤中的氮素是水体和大气氮污染的重要来源.据估计,每年随径流或降水流入河、湖中的氮素约有60%来自施入农田的化肥[8].京、津、唐地区69个观测点的地下水,半数以上硝态氮含量超标,高者达6717m g #kg-1[9];黄土高原中南部的渭北旱塬第23卷第3期2002年5月环 境 科 学ENVIRONM ENTAL SCIENCEV ol.23,N o.3M ay,2002和关中灌区,近30%的地下水硝态氮超标[10].目前,我国蔬菜播种面积达1100万hm2,占全国农作物总面积的1/10[11].蔬菜生产中氮肥用量大,灌水数量和频率又高,菜地土壤的硝态氮残留一直受到人们关注.本文根据对多种蔬菜和不同类型菜地土壤的测定,讨论当前蔬菜生产中氮素污染的严重性.1材料及方法111蔬菜样品的采集和测定选取西北农林科技大学蔬菜市场、杨陵区康乐路蔬菜批发市场、西安市胡家庙蔬菜批发市场、炭市街农副产品批发市场等4个较大的蔬菜市场,分别于2000-04~2000-06(春季)、2000-11~2000-12(冬季),采集人们普遍食用的叶菜类、根菜类、瓜类、茄果类、豆类、花菜类、葱蒜类、芽菜类、薯芋类、水生类和食用菌类等11类,48种蔬菜.每次采样时,各种蔬菜在1个市场选取2~3个样品,分别装入塑料袋、标记密封,放入致冷箱.带回实验室,用自来水冲去根系表面粘附的泥土,并迅速用无氮吸水纸吸干,地上部分不冲洗.根据分析目的把蔬菜按器官、部位分开,迅速称重.然后将样品分别切碎混匀,装入塑料袋,标记密封,放于冰箱,在0e~ 4e保存.硝态氮在采样后当日或次日浸取.采用研磨浸提法[12],制成待测液.待测液中的硝态氮用连续流动分析仪测定.112菜地土壤样品的采集和测定分别自南庄村、杨陵、西北农林科技大学蔬菜试验站,选取5年大棚、2年大棚和常年露地3种菜田,并以距菜地200m的一般农田为对照,研究不同种植年限和栽培方式菜田土壤的硝态氮残留.3种不同类型的菜田在建棚或露天种植蔬菜前亦为小麦-玉米轮作的一般农田.土壤采样时间为2000-03-20~2000-04-10.此时,5年大棚菜地内生长着黄瓜、番茄和芹菜等;2年大棚内生长着菠菜、小白菜和芹菜;露地菜田经过冬季休闲、即将整地移栽甘蓝、辣椒和茄子;对照农田正值冬小麦生长季节.采样时,各种类型的菜田和农田分别选取4~5个不同的田块,根据其面积大小,每块地采3~5个样点.每个样点按20cm深度为一层取样,直至200cm.同一田块各样点同一土层的土壤分别混匀作为分析样品,每一分析样品约1000g左右鲜土.取好的土壤样品分别装入塑料袋、标记密封,放入致冷箱,带回实验室后,迅速过2mm 筛,取1/2放入冰箱,在0e~4e保存,用于测定土壤的硝态氮.土壤的硝态氮用1mol/L的KCl浸取[13],连续流动分析仪测定.2结果与分析211蔬菜可食部分的硝态氮累积硝态氮是蔬菜吸收的主要氮素形态,在氮素用量合适时,吸入的硝态氮会很快被还原转化.但在过量施用氮肥情况下,蔬菜吸收的硝态氮不能及时还原,便累积在体内.对48种蔬菜在不同季节采样测定的结果(表1)表明,累积硝态氮的数量因蔬菜种类和品种不同而有极大差异.从各类蔬菜不同品种硝态氮含量的平均值来看,叶菜类的硝态氮含量较高,平均为57614mg#kg-1;其次是根菜类、瓜类、葱蒜类和薯芋类蔬菜,平均值介于16513~27610mg# kg-1;茄果类、豆类、芽菜类、花菜类、水生类和食用菌类蔬菜的硝态氮含量较低,介于1915~ 10817mg#kg-1之间.同一类蔬菜中不同品种的硝态氮含量也存在显著差异.检测的15种叶菜中,芹菜的含量最高,达108917mg#kg-1,甘蓝含量最低,仅32613mg#kg-1;5种瓜菜中,西葫芦的含量为54311mg#kg-1,而黄瓜为5210mg#kg-1;5种葱蒜类蔬菜中,蒜苔的硝态氮含量为58815mg# kg-1,洋葱却仅为519mg#kg-1.同一种蔬菜的硝态氮含量因采样季节不同也有明显差异.春季的菠菜为112210mg#kg-1,而冬季的仅为29216mg#kg-1,相差数倍之多.芹菜、芫荽、茼蒿、西葫芦、蒜苔等多种蔬菜也有类似情况.其原因除蔬菜品种、肥水管理、光温等环境气候因素外[14],还与蔬菜从采收到销售之间的贮存期长短有关,贮存期延长,硝态氮因有充分的还原时间而含量降低,但这又有使蔬菜累积亚硝态氮的危险[15].根据蔬菜的食用卫生标准[6],调查的48种表148种蔬菜可食部分(鲜重)的硝态氮含量/mg#kg-1 Table1Nitrate-N contents in the edible parts of48vegetables 蔬菜采样时间类别名称春季冬季平均叶菜类芹菜14481073114108917小白菜927167851285614芫荽1254153431079818小茴香658177991072818菠菜1122102921670713空心菜5841458414大青菜5261952619生菜544174921051813油白菜458115241149111黄心菜4741847418茼蒿179147191144912莴笋433124201542619莴笋苗3361533615大白菜3301633016甘蓝344183071932613根菜类白萝卜597145001854911心里红2361423614白山药1861818618胡萝卜144101191513118瓜类西葫芦898191871354311佛手瓜1831418314苦瓜1001610016冬瓜91159115黄瓜241479175210葱蒜类蒜苔113113451858815蒜苗694112611347717韭菜571121061633819大蒜241824172417大葱42196152417韭黄1019819919洋葱516613519薯芋类生姜441181641330310土豆241430192716茄果类茄子246181221918418蕃茄1615139167810甜椒3911109197415尖辣椒301626142815豆类四季豆29012981819415芸豆1011610116肉豆73137313豇豆54145414豆角王351042103815花菜类菜花15213861411914绿菜花8912106189810芽菜类豆芽菜241575124918豆芽5810153615水生类莲藕281210181915蔬菜中,达到4级污染水平(硝态氮含量> 325mg#kg-1),既不宜生食、盐渍,也不宜熟食的蔬菜有20种,占被调查蔬菜总数的4117%,包括全部的叶菜类、部分根菜类和葱蒜类;其中有5种叶菜还超过4级污染水平(硝态氮含量>700mg#kg-1).硝态氮含量低于98mg#kg-1的优质蔬菜仅18种,占被调查蔬菜总数的3715%.可见,蔬菜的硝态氮累积比20世纪80年代初更加严重[6];叶菜类、根菜类和葱蒜类蔬菜的硝态氮累积更为突出.这些情况提示,硝态氮在蔬菜中的累积已对人类健康构成严重威胁.212叶菜类蔬菜不同部位的硝态氮累积和其它蔬菜相比,叶菜类蔬菜的硝态氮累积更为严重,但并非其可食部分各器官部位的硝态氮含量都一样高.10种叶菜不同器官硝态氮的测定(表2)表明,叶片的硝态氮含量均显表2叶菜不同部分的硝态氮含量(NO-3-N,鲜重)/mg#kg-1 Table2Nitrate-N contents in the di fferentparts of leafy vegetables蔬菜叶柄和茎秆1)叶片范围平均范围平均小白菜93511~1005179701441013~4651643810茼蒿86513~961159121544810~7381360212芹菜42412~1092117841927614~10371757619黄心菜60212~88315742198512~1751913015油白菜65013~755137021811818~1851815213大青菜35713~99717677155810~2011512917生菜59318~743126681537818~3941638617菠菜33011~65013501189413~1261711114大白菜25715~63812414121216~166119016甘蓝12219~847124071510313~20311130141)茼蒿和芹菜的测定值包括茎秆部分,其它蔬菜仅为叶柄.著低于叶柄和茎杆.如硝态氮累积量较高的小白菜叶柄含量为97014mg#kg-1,而叶片的含量仅为43810mg#kg-1,比叶柄低5419%;黄心菜叶柄的硝态氮含量为74219mg#kg-1,而叶片的含量只有13015mg#kg-1,比前者低8214%.虽然10种叶菜叶柄或茎秆的硝态氮含量均达到4级污染水平,但黄心菜、油白菜、大青菜、菠菜、大白菜和甘蓝的叶片硝态氮含量均不到3级污染水平(硝态氮含量<325mg #kg -1),既可盐渍,也可熟食.看来,即使在叶菜硝态氮污染较为严重的情况下,叶片仍是比较安全的食用部分.213 菜地土壤的硝态氮残留200cm 土层硝态氮总残留量计算:先根据所测定的各土层硝态氮含量和土壤容重计算每一土层(20cm)的硝态氮残留量(R i ):R i =c @(D @H @A )@10-6R i :每一土层的硝态氮(NO -3-N )残留量,单位:kg #hm -2;c :该土层土壤硝态氮含量,单位:mg #kg -1;D :该土层土壤容重,单位:kg #m -3;H :每一土层的厚度:012m;A :每公顷土地的面积:100m @100m;再由0~2m 深土壤中各土层的硝态氮残留量之和,求出200cm 土层硝态氮总残留量.不同类型菜地和农田0~200cm 土层硝态氮的测定(图1)表明,随土层深度增加,土壤硝态氮残留量降低,但下降速度因土层深度而异,在0~60cm 的土层中,硝态氮残留量迅速降低,在60~200cm 的土层中降低速度较慢,呈逐渐下降趋势,且不同类型菜地各土层的硝态氮残留量均高于农田.一般农田不同土层的硝态氮残留量介于11312~112kg #hm -2,而5年大棚菜田的硝态氮残留量介于50914~6116kg #hm -2,2年大棚菜地介于33219~5314kg #hm -2,常年露天菜地介于46716~5610kg #hm -2.从200cm 土层的硝态氮残留总量(各土层残留量之和)来看,常年露天菜地为135818kg #hm -2,2年大棚菜田为141118kg #hm -2,5年大棚为152019kg #hm -2,一般农田的残留总量仅为24514kg #hm -2.可见,菜田土壤的硝态氮残留量显著地高于一般农田,大棚菜地更为突出.如调查的两处大棚,种菜史虽然仅有2年和5年,硝态氮残留总量已分别比农田高出418和512倍;露天菜地也比农田土壤高出415倍.一般作物,如小麦、玉米的根系在土壤中的分布可达200cm 以上,而叶菜类、根菜类、葱蒜类、茄果类、瓜类和豆类等蔬菜的根系分布较浅,主要集中在表层0~40cm 的土层中[16],在菜地土壤中淋洗到40cm 以下的硝态氮就难以再被作物吸收;而且硝态氮又不易被土壤胶体吸附[17].因此会不断在雨水和灌溉水的淋洗作用下向土壤深层迁移,污染菜区地下水环境.调查的常年露地、2年和5年大棚菜田中,180~200cm 土层的硝态氮残留量分别为5610kg #hm -2,8913kg #hm -2和6713kg #hm -2以上,远高于一般农田土壤(213kg #hm -2).可见,菜区土壤的硝态氮淋洗现象非常严重.图1 不同类型菜地和农田土壤的硝态氮残留Fig.1 Nitrate -N residual in different vegetablesoils and cereal crop soil3 结论不同季节测定了48种蔬菜硝态氮的含量.结果表明,不同种类蔬菜可食部分的硝态氮累积存在明显差异.叶菜类蔬菜的硝态氮含量较高,平均为57614mg #kg -1;其次是根菜类、瓜类、葱蒜类和薯芋类蔬菜,平均值介于16513mg #kg -1~27610mg #kg -1;而茄果类、豆类、芽菜类、花菜类、水生类和食用菌类蔬菜的含量较低,介于1915m g #kg -1~10817mg #kg -1.蔬菜的硝态氮含量因品种、采样季节不同也有明显差异.叶菜类蔬菜的硝态氮累积还因器官部位而异,10种叶菜中,叶片的硝态氮含量均显著低于叶柄和茎秆.调查的48种蔬菜中,20种蔬菜的硝态氮含量达到4级污染水平,占被调查蔬菜总数的4117%,包括全部的叶菜类、部分瓜菜类、根菜类和葱蒜类蔬菜.其中硝态氮含量高于700mg #kg -1,超过4级污染水平的有5种,均为叶菜类蔬菜.而硝态氮含量低的优质蔬菜仅18种,占所调查蔬菜的3715%.叶菜的硝态氮累积虽为严重,但其中黄心菜、油白菜、大青菜、菠菜、大白菜和甘蓝的叶片硝态氮含量均低于3级污染水平,既可盐渍,也可熟食.蔬菜生产中过量施用氮肥,频繁和过量灌水,不仅使硝态氮在蔬菜体内大量累积,还在菜地土壤中大量残留,使菜田土壤的硝态氮残留量明显高于一般农田.常年露天菜地200cm土层的硝态氮残留总量可达135818kg#hm-2,2年大棚菜田为141118kg#hm-2,5年大棚为152019kg#hm-2,而一般农田仅为24514kg# hm-2.蔬菜作物的根系分布较浅,残留在菜地土壤深层的硝态氮难以被重新吸收利用;加之硝态氮又不易被土壤胶体吸附,在雨水和灌溉水的淋洗作用下会不断向土壤深层迁移,污染菜区的地下水环境.参考文献:1Walker R.Nitrate,nitrite and N-nitroso compounds:A re-view of the occurrence in food and diet and the tox i cologi cal implications.Food Add.Cont.,1990,7:717~768.2Dich J,Jrvinen R,Knekt P et al.Dietary intakes of nitrate, nitri te and NDM A in the Finish M obile Cli nic Health Exam-i nation Survey.Food Add.Contam.,1996,13:541~552. 3Choi B C K.N-nitroso compounds and human cancer:a 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蔬菜对铵、硝态氮的吸收
氮肥在蔬菜生长过程中占据巨大作用，主要分为硝态氮、铵态氮和酰胺态氮，其中在蔬菜生产过程中经常使用硝态氮和铵态氮，这两种氮肥，蔬菜吸收利用过程的过程是不同的，在此，为了菜农朋友们更好的合理利用氮肥，菜医网专家将铵态氮和硝态氮在蔬菜上的吸收利用特点总结如下。
特点一：单纯施用硝态氮肥一般不会产生不良效果，而单纯施用铵态氮则会发生铵盐毒害。
特点二：土壤酸性越强，有利于硝态氮的吸收；碱性强，有利于铵态氮的吸收。
特点三：硝态氮能直接被蔬菜吸收利用，铵态氮需要转化为硝态氮才能被大部分吸收。
特点四：一般情况下，同时施用铵态氮和硝态氮肥，往往能获得蔬菜较高的生长速率和产量。
同时施用两种形态氮，蔬菜更易调节细胞内pH值和通过消耗少量能量来贮存一部分氮。
两者合适的比例取决于施用的总浓度：浓度低时，不同比例对植物生长影响不大，浓度高时，硝态氮作为主要氮源显示出优越性。
特点五：大多数蔬菜喜欢硝态氮肥。
另外，铵态氮肥比较适合基肥使用，硝态氮肥作为一种速效氮肥，经常用作追肥。
在使用过程中最好搭配使用，不要总是单一使用某种形态的氮肥。
肥料不管是以铵态氮还是以硝态氮的形式施入土壤中,最终大部分都会以硝态氮的形式被作物吸收,供应作物生长.一般情况下,旱地施铵态氮后2-3天就转化为硝态氮,酸性土壤转化要慢点,大约10-15天.所以,不管施不施硝态氮,作物吸收氮的形态还是以硝态氮为主,蔬菜也是喜硝态氮作物.再者,亚硝酸盐很不稳定,在土壤仅能存在几个小时.所以施用硝态氮肥一定导致蔬菜中硝酸盐积累的观点是没有科学依据的,是错误的.蔬菜合理施用硝态氮肥是安全的.(中国农业大学教授、博士生导师：陈清）。
蔬菜中硝态氮测定方法及累积因素的研究的开题报告一、选题背景随着现代农业的发展和农业生产方式的改变，化学肥料的使用量越来越大，同时农药的使用也越来越普遍。
进而导致农产品中的化学物质含量增加、营养成分减少，食品安全受到关注。
蔬菜作为人们日常饮食中不可缺少的营养源，如果存在化学物质含量过高的问题，就会对人体健康造成威胁。
因此，为了保障人民食品安全，对蔬菜中含量过高的硝态氮进行监测和控制是必要的。
二、选题意义硝态氮是蔬菜中一种重要的化学物质，它对植物的生长和发育有重要的影响，同时也与人体健康密切相关。
过量的硝态氮会造成蔬菜污染，对人体健康产生危害，如胃肠道疾病、甚至致癌。
因此，建立准确、可靠的蔬菜中硝态氮的测定方法，探讨硝态氮的累积因素及防范措施，对促进蔬菜生产安全，保障食品安全具有重要意义。
三、选题内容本论文主要包括以下内容：1. 硝态氮在蔬菜中的累积及危害因素探讨。
2. 影响蔬菜硝态氮含量及影响因素的分析。
3. 蔬菜中硝态氮的测定方法及其优缺点分析。
4. 实验研究，对不同地区蔬菜中硝态氮的含量进行调查，选取不同的测定方法进行检测，并对结果进行比较分析。
5. 针对实验结果，提出相应的建议和措施，以达到控制硝态氮污染的目的。
四、研究方法1. 文献调研法：全面收集国内外有关蔬菜中硝态氮测定方法及累积因素的研究，分析硝酸盐离子形成机理及其在环境中的分布变化规律。
2. 野外采集方法：通过对不同地区、不同季节的蔬菜进行采集，收集样品，初步了解蔬菜中硝态氮的含量和分布情况。
3. 实验研究法：选取不同的测定方法对采集的样品进行检测，并进行分析，比较其优缺点及适用范围。
五、预期成果1. 对蔬菜中硝态氮的累积及危害因素进行探讨，为人们了解蔬菜的安全风险提供依据。
2. 对不同地区蔬菜中硝态氮的含量进行调查并进行分析，为制定蔬菜种植和监测标准提供依据。
3. 通过不同的硝态氮测定方法比较，为精准和快速测定蔬菜中硝态氮提供选定方案。
蔬菜地土壤硝态氮运移研究进展葛建军，于红梅安徽农业大学资源与环境学院，安徽合肥（230036）E-mail：gij@摘要：本文综述了蔬菜地土壤硝态氮运移理论及模拟模型研究的现状，并简要讨论了该领域未来的研究趋势和发展方向。
关键词：蔬菜地；硝态氮；溶质运移中图分类：S153.6 文献标识码：A1. 引言蔬菜是人们生活不可缺少的食物，随着人民生活水平的提高，对蔬菜的需求量也愈来愈大。
硝酸盐是蔬菜作物氮素的主要来源,在适宜范围内它是蔬菜丰产优质的积极因素。
但是菜农为了高产,常常超量施用化学氮肥，年施用量一般为水田投入量的数倍，远远超过蔬菜生长的需求量[1]。
蔬菜地，尤其是经过长期种植的老菜地，形成了特有的菜园土，结构良好，有机质含量较高，若施肥不当，氮素在土壤中可转化成NO3-N，这一形态不易被土壤胶体吸附，若没有被作物及时吸收利用，很容易引起氮素淋洗并污染地下水，对生态环境和人畜健康产生负面影响[2-11]。
研究表明，土壤硝态氮过量累积导致地下水硝态氮污染、土壤盐渍化、肥料利用率下降、氮氧化物等温室气体的大量释放、蔬菜品质变劣等问题。
同时施用的氮肥仅有1/3-1/2被作物吸收利用，其中很大一部分损失于挥发、地表径流和渗入地下水，造成大气和水环境污染。
硝态氮淋溶被认为是旱地农田氮素损失的主要途径，淋失量可达5%-41.9%[12]，是农田向水体输送Ｎ的主要形态。
它被认为是农业环境中造成地下水污染最重要的污染源。
对于氮素污染问题的研究，已在国际上引起广泛重视[13]。
因此,如何合理科学地施用化肥,提高肥料的有效利用率,充分发挥肥效,减少损失,已成为近代农业发展、保护生态环境的重大课题。
有研究表明，大量施肥可导致保护地菜田土壤硝酸盐积累在3-8年内便超过200mg/kg。
氮肥过量施用时，蔬菜特别是叶菜类蔬菜体内也会累积较高的硝酸盐，给人们食用带来不安全性，硝态氮含量过高不仅导致高铁血红蛋白症，还对人有致癌、致突变的危害。
因此，土壤中的硝态氮管理已经受到广泛关注。
随着土壤溶质运移理论研究的发展及人们对氮肥施用引起的环境问题的日益关注，国内外学者对氮素运移机理及模型的研究也不断深入。
硝态氮在土壤中很少被土壤颗粒所吸持，主要以溶质的形式存在于土壤溶液中，其运移规律直接受土壤含水量、水流运动状态和土壤物理性质的影响。
硝态氮的运移可分为垂直向下淋移和水平扩散2种形式，它在土壤中的运移行为，已成为环境科学和土壤科学研究中的热点问题[14,15]。
本文综述了蔬菜地土壤硝态氮运移理论及模拟模型研究的现状，并简要讨论了该领域未来的研究趋势和发展方向。
为蔬菜地土壤水氮精确管理、生态环境优化及防治土壤中硝态氮淋移渗漏污染地下水等提供科学依据。
2. 菜地土壤硝态氮运移过程研究进展由于硝酸盐是蔬菜作物氮素的主要来源，在适宜范围内它是蔬菜丰产优质的积极因素。
因此蔬菜地土壤硝态氮运移有与一般大田相似的规律，又有其特有的运移特征。
土壤氮素运移主要是土壤氮素行为中的物理过程，一般指土壤无机态氮的运移，即NH4+和NO3-的运移[16]。
土壤硝态氮运移过程主要包括硝态氮的残留积累、剖面动态变化、淋失等过程，运移方式可分为水平运移和垂直运移2种。
运移途径有对流、扩散、机械弥散和水动力扩散等。
土壤硝态氮的运移受到众多因素的影响,主要包括田间管理措施（农业耕作措施、氮肥管理、水管理等）、土壤水分状况、土壤质地和结构、根系吸收和降水等。
2.1 菜地土壤硝态氮的累积和分布对典型蔬菜生产基地土壤硝酸盐含量进行调查，明确露天或设施栽培下NO3-N 在土壤剖面中的分布，对于评价养分的有效性及其可能引起的环境效应具有重要的意义。
同时研究NO3-N在土壤剖面的空间累积特性，也为确定合理的养分调控措施，保证蔬菜栽培的持续发展提供理论依据[17-19]。
由于干旱区和半干旱区土壤有机质和全氮含量很低，作物高产必须依赖大量氮肥的投入，因此容易导致土壤中硝态氮的大量积累。
且硝态氮已成为最常见农业非点源污染物，,威胁浅层地下水水质。
近来大量开采地下水用于灌溉,导致了地下水位急剧下降。
随着地下水埋深的大幅度下降，土壤包气带厚度加大,显著改变了水分入渗路径和入渗系数及硝态氮向地下水移动的通道。
近年来国内外对土壤中硝态氮累积和分布规律的研究多数局限在作物根区，更深层的硝态氮分布特征研究报道较少。
在陕西岐山测定了129个土壤剖面发现有66.7%的田块0～100cm土层中的残留NO3-N最少与1季作物的吸氮量相当。
并发现土壤剖面中的残留NO3-N通过对流和扩散等途径，逐渐向深层移动，脱离根区。
在杨凌灌溉试验站和蔬菜试验站的测定结果也相似。
这说明在上层(特别是在耕层)以各种途径增加的NO3-N，通过长期淋溶,完全有可能脱离根区，淋溶到1000cm以下土层,进入地下水。
土壤中硝态氮是大气干湿沉降与硝化作用的产物。
土壤剖面中硝态氮含量的分布及变化是土壤中氮素转化淋洗移动的综合表现，与作物、施肥、土壤类型、降雨等密切相关。
地下水中硝态氮含量与土壤剖面内硝态氮的动态变化有直接的关系。
土壤剖面中累积的NO3-N影响生物多样性。
Wedin和Tilman[20]的研究表明，土壤剖面中NO3-N的大量累积，会促进C3和C4植物种群间的竞争,导致C4植物种群减少，影响植物多样性；相反，由于不同植物种群生长、根系分布及其对NO3-N吸收利用能力的差异[21]，植物多样性和种群组成也强烈影响土壤剖面中NO3-N的淋溶损失，但随着植物多样性丰富程度的增加，NO3-N的淋溶损失相应减少[22]。
因此,研究干旱半干旱区生态变化过程中土壤硝态氮累积及其在植物氮素营养中的作用具有一定的科学意义[23]。
宋海星，李生秀[24]研究了根系的吸收作用和土壤水分对耕层土壤硝态氮迁移及分布的影响，说明随着植物吸水硝态氮作为溶质向根表迁移。
杜春先等研究了不同水肥条件下硝态氮在土壤剖面中垂直分布规律，结果表明有机无机肥料配合使用能有效地降低硝态氮在土壤中的累积；硝态氮在肥力高的地块比在肥力低的地块累积量小；只有综合考虑施肥,灌溉等影响因子才能降低硝态氮在土壤中的累积。
2.2 菜地土壤硝态氮的淋失硝态氮处于氮素流动、损失和被利用的中心环节,硝态氮借助水分运动进入地下水的淋失是土壤氮素损失的主要形式。
有关土壤硝态氮的淋失，国内外学者已取得很大进展。
其研究对象多为一些粮食作物生长区。
然而我国对旱作农田中蔬菜地土壤硝态氮淋溶方面较少，与其客观实际一致的现场试验研究则相对更少[25-27]。
王平等[28]对新疆新和县郊区菜地硝态氮的淋洗调查表明硝态氮极易随水移动，在过量灌水施肥的条件下,容易发生淋失。
灌区土壤硝态氮的淋失受土壤中硝态氮的浓度和向下淋失速度以及氮肥品种、施氮量和灌水量的影响。
对于具体一块菜地来说,还受到蔬菜种植年限、土壤质地、种植何种蔬菜等因素的影响。
蔬菜种植年限影响土壤硝态氮的累积程度。
由于土壤硝态氮的淋洗过程是累积过程，不同菜地在一年内均会种植几茬不同蔬菜，因此，不同的蔬菜品种对硝态氮淋失的影响有限。
蔬菜品种对硝态氮淋失的影响表现在对当季淋洗过程的影响上。
影响土壤剖面NO3-N残留累积和淋溶的主要因素包括耕作方式、施氮量、植物吸氮量、前作收获后的植物残留物、氮肥种类、施氮方式和降雨量等。
在施肥、灌溉等影响硝态氮淋失的可控因子以外，从耕作模式上研究硝态氮淋失是今后研究的方向[29]。
在水肥管理措施以外，是否采取耕作以及耕作时间的选择也影响着硝态氮的淋失。
耕作易于造成硝态氮淋失的解释是，结构性好的土壤耕作以后产生大的土壤比表面积和短的弥散路径；免耕易于造成硝态氮淋失的解释是，蚯蚓的数量和活性得以提高,形成大的土壤孔径。
保护性耕作在我国已经得到普遍应用，然而以耕作制度特别是保护性耕作模式为背景进行土壤硝态氮累积的研究少见报道。
残留NO3-N本身具有很高的生物有效性，但能否被植物吸收利用，关键在于残留NO3-N所在深度及其是否能够到达根区。
在半干旱区降雨量较高的雨季，NO3-N向深层移动，而在较干旱条件下即使土壤剖面深层NO3-N，也可随水分上移供根系利用,因此土壤剖面中累积的残留NO3-N显著影响氮肥肥效果，许多地方用一定深度土层中累积的NO3-N作为土壤供氮指标，以减少NO3-N的淋溶损失和提高氮肥肥效。
在蔬菜生产中，不同水氮用量对蔬菜产量和土壤剖面中NO3-N残留及向下运移的关系一直为众多研究者所关注。
但在NO3-N淋洗量的研究中，由于对水分渗漏量的估算有一定的技术难度，导致这一方面的研究相对较少。
于红梅等[30]通过连续3年的定点试验，利用田间定位通量法分析不同水氮管理对蔬菜地NO3-N淋洗的影响，结果表明：在蔬菜生长期内，通过减少灌溉水量不但能够降低蔬菜地水分渗漏量，而且明显降低蔬菜地NO3-N淋洗量。
减少施氮量同样明显降低蔬菜地NO3-N淋洗量，且蔬菜产量未受到影响。
这为蔬菜生产中进行合理的灌溉与施肥提供了理论依据。
3. 菜地土壤硝态氮运移理论研究进展对硝态氮运移规律的研究是随着土壤溶质运移理论研究的不断深入而发展起来的，国外对土壤溶质运移问题的研究始于20世纪50 年代初，Lapidus和Amundson提出了一个类似于对流－弥散方程（CDE）的模拟模型，从此揭开了溶质运移研究的序幕。
随后，为了搞清溶质运移的客观规律，国外学者开展了大量的室内外试验。
Lohis(1913)首先进行了氮素运移规律的研究工作。
此后，各种学科(如土壤、气象、地理、农学、水利、环境科学等)的学者，从不同角度出发,对土壤中氮素运移和转化规律进行了大量的研究工作，取得了一系列的研究成果[31]。
Scheidegger(1954)将Lapidus的方程扩展到三维的情况，并在均质土壤、稳态流条件下,推导出了反映溶质运移的概率密度函数，同时考虑了溶质运移时的水动力弥散作用，使溶质运移理论的研究向前推进了一步。
Rifai(1956)在Scheidegger研究成果的基础上,考虑了溶质运移时的分子扩散作用，并引入了弥散度的概念，来表征土壤特性对溶质运移的影响，使溶质运移理论的研究更加深入。
Nielson和Biggaz(1960)从理论上，推导建立了对流—弥散方程,并根据实验结果，对Lapidus、Scheidegger和Nielson的模型进行了比较分析,因此实验和理论进一步表明对流—弥散方程能较好地描述非反映性物质在多孔介质中的迁移规律[32]。
美国的Ellsworth（1996）在露天试验场进行了２ｍ×２ｍ的微区试验，研究了NO3-随水流在非饱和土壤中的运移规律等。
国外对土壤NO3-N淋失已进行了较长时间的研究，在土壤硝化作用、NO3-N淋失条件、NO3-N移动力学与数学模型以及NO3-N淋失的防治和对策等方面都进行了系统的研究[33,34]。
