蔬菜生产是一种高度集约化的栽培模式^[1]，肥料的施用量往往是作物需肥量的数倍^{[2, 3]}。由于蔬菜作物根系较浅，且施肥灌水量大而频繁，土壤中累积的硝酸盐容易发生淋洗，移出作物根区，对地下水源造成严重的污染^[4]，直接影响到人类的健康^{[5, 6]}。有资料显示，全国蔬菜生产规模前10位的省份中，氮肥的平均用量均超过了300 kg·hm^-2，甚至个别达到500 kg·hm^{-2 [7]}，菜田在0~100 cm土层NO₃^--N的累积量达到700 kg N·hm^{-2 [8]}。Ju等^[9]对华北平原设施蔬菜种植区域的调查结果显示，小于15 m的浅水井硝酸盐含量超过WHO饮用水标准10 mL N·L^-1的高达99%。填闲作物具有生长期短，地上部及根系生长迅速、生物量大、根系深等特点，在蔬菜休闲期种植填闲作物，可以降低土壤硝态氮的累积，减少氮素硝酸盐的淋溶^{[10, 11, 12]}。Staver等^[13]研究表明，在种植玉米后种植黑麦与休闲耕地相比能减少硝态氮淋失量的80%；Thorup-Kristensen等^[14]研究表明，与不种植填闲作物相比，填闲作物的种植可以减少后茬韭菜和红甜菜1.0 m以下60 kg N·hm^-2的氮累积。填闲作物作为生物手段在减少氮素淋洗所带来的环境问题以及提高种植体系内养分循环方面的作用在国际上已经得到了普遍的认可^{[15, 16]}，但关于华北平原填闲作物的种植对土壤硝态氮含量的变化研究较少。我国北方的气候决定填闲作物种植应在夏季，要耐高温及耐涝性强，且具有一定的经济价值。因此，本研究以华北平原传统棚室蔬菜土壤作为研究对象，在蔬菜休闲期采用种植深根型填闲作物甜玉米、白菊花、牛膝及甜玉米间作的田间原位修复技术，揭示不同填闲作物消减土壤剖面累积NO₃^--N的特征，明确填闲作物对土壤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。 1 材料与方法 1.1 试验地概况

试验于2010年6月至10月在河北省定州市赵村镇西甘德村蔬菜基地进行，选择种植年限大于10年的日光温室大棚。西甘德村试验点所选大棚长34.7 m，宽4.4 m，面积为153 m²。土壤质地为砂壤土，供试大棚土壤的基本理化性质见表 1。

表 1 西甘德村供试土壤的基本理化性质 Table 1 Basic properties of the experimental soil

表选项

供试填闲作物为甜玉米、白菊花和牛膝，设置休闲、甜玉米、甜玉米+牛膝间作和白菊花4个处理。试验小区面积为2 m×3.5 m，小区间隔为0.2 m，区组间隔为0.6 m，试验小区采用区组条件下随机排列，每个处理重复3次。 1.2.2 田间管理

休闲（Fallow）：作为对照，不种植任何填闲作物，定期人工除草。

甜玉米（Sweet corn）：供试品种为京科糯2000，播种量为1.5 kg·667 m^-2，行距50 cm，株距30 cm，6株·m^-2，种植密度为60 000株·hm^-2，开穴种植，每穴3粒，覆土3 cm。播种后进行灌溉。

甜玉米+牛膝间作（Sweet corn+Achyranthes bidentata）：甜玉米为京科糯2000，牛膝为怀牛膝，甜玉米与牛膝相间种植，行距50 cm，甜玉米的播种量为1.5 kg·667 m^-2，牛膝的播种量为3 kg·667 m^-2，采用条播密植后覆土，播种后15 d间苗，保留株距5 cm。

白菊花（Chrysanthemum）：供试品种为药用白菊花，穴栽密度为30 cm，行距50 cm，每穴2株，种植深度为10 cm，栽植后浇足定根水。种植密度为50 000株·hm^-2。

2010年9月27日收获甜玉米，2010年10月28日收获牛膝与白菊花。所有处理在生长期间均不施用任何肥料，并进行定期人工除草。 1.3 样品测定方法

（1）土壤基本理化性质：采用常规方法分析测定；土壤的NO₃^--N含量采用TRACCS2000型连续流动分析仪测定。

（2）根长密度、根干重的测定：将取回的根带土冷藏保存，用水充分冲洗各层根系，过0.15 mm筛，用镊子挑除杂质，将待测根放在盛有少量水的长方形平盘中，用镊子小心地将根分开，避免根重叠和堆积，用扫描仪扫描根系并存储到计算机中，用WinRhizo Pro Vision 5.0a分析软件计算出各层根长密度。把已经扫描好的根装进信封，烘干称重。 1.4 统计方法

数据处理分别采用Excel 2003和SAS V8等软件进行数据的方差分析和LSD检验。运用SURFER软件进行等值线图的制作。 2 结果与分析 2.1 不同填闲作物地上部的生物量、含氮量和吸氮量

由表 2可以看出，最终收获时，单作甜玉米和甜玉米+牛膝间作的总生物量分别为20.11、19.62 t·hm^-2，二者差异显著，且明显高于白菊花处理；间作甜玉米影响籽粒的形成，较单作减少2.15 t·hm^-2。含氮量与生物量的趋势正相反，在秸秆中，间作牛膝的含氮量最高，达21.27 g·kg^-1，显著高于其他处理，单作甜玉米最低，仅10.94 g·kg^-1；在籽粒中，白菊花的含氮量最高，与间作牛膝无显著差异，但显著高于甜玉米。吸氮量与生物量趋势一致，甜玉米+牛膝间作与单作甜玉米处理的吸氮量最高，分别为287.56 kg·hm^-2和240.34 kg·hm^-2，二者差异不显著，但明显高于白菊花。

表 2 不同填闲作物地上部生物量和吸氮量 Table 2 Aboveground biomass and N uptake of different catch crops

表选项

填闲作物收获后的根长密度和根干重见图 1。从图 1可以看出，根长密度和根干重均随土壤剖面深度的加深而降低。0~20 cm土层中，白菊花的根长密度与根干重最大，间作甜玉米次之，尤其是0~10 cm中，白菊花的根干重明显高于其他处理；白菊花的根长密度与甜玉米差异不显著。30 cm土层以下的根干重在各处理间无差异，但30~90 cm的根长密度数值上表现为：间作甜玉米>甜玉米>白菊花>间作牛膝，部分土层的间作甜玉米显著高于白菊花和牛膝，与单作甜玉米差异不显著。

图 1 填闲作物收获后根系在不同土层的分布情况 Figure 1 Root distribution of catch crop at different soil layers after harvest

图选项

图 2反映了一年试验各处理土壤NO₃^--N含量的动态变化。总体来看，土壤硝态氮发生了向下移动的现象，种植结束时NO₃^--N出现了不同深度的累积。填闲作物种植降低了土壤剖面NO₃^--N残留，0~200 cm的土层中，甜玉米的残留量最少，NO₃^--N残留主要集中在80~100 cm的土层中。从各个时期来看，填闲作物生长初期的土壤表层NO₃^--N含量最高；在植物生长第23 d时发生了降雨，填闲作物处理表层硝态氮向下淋洗到40 cm；种植后40~60 d，所有填闲作物处理土壤表层硝态氮均明显降低，其中甜玉米的降低程度尤为明显，此时，休闲处理土壤NO₃^--N淋洗至120 cm，甜玉米与间作淋洗至60 cm，白菊花淋洗到140 cm；植物生长到71 d时又出现1次降水，休闲处理土壤NO₃^--N已淋洗至160 cm，甜玉米淋洗至80 cm，甜玉米+牛膝间作和白菊花已淋洗至140 cm；直至收获，填闲处理土壤表层NO₃^--N呈下降趋势。

图 2 土壤剖面NO3--N的动态变化 Figure 2 Dynamics of NO3--N in soil profile

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表 3为不同填闲作物收获时土壤剖面NO₃^--N的累积情况，可以看出，甜玉米与白菊花在0~60 cm土层的消减能力较强，其值分别达到1 045.12、1 109.78 kg·hm^-2，间作处理相对较低。从40 cm开始，休闲和间作处理出现硝态氮累积，80 cm处甜玉米和白菊花处理也出现不同程度的硝态氮累积，到100~120 cm又出现了消减趋势，随后又表现为累积。0~200 cm土层，土壤硝态氮的消减量为甜玉米>白菊花>间作>休闲。

表 3 填闲作物收获后土壤剖面硝态氮的消减量 Table 3 Decrease of NO3--N in soil profile after harvest

表选项

在我国北方设施蔬菜体系中，不合理的水氮调控管理模式使土壤中累积大量的硝态氮^[9]。有研究表明，棚室蔬菜在0~400 cm的硝态氮累积量明显高于大田，0~100、100~200、200~300 cm和300~400 cm分别为农田的12.3、3.8、4.6倍和5.1倍，且棚龄年限越长，土壤中硝态氮的含量越高^[17]。累积的硝态氮在灌溉和降雨条件下很容易向深层淋洗污染地下水^[18]，因此如何有效地控制硝态氮的淋洗是设施蔬菜种植体系中急需解决的问题。已有研究表明，种植填闲作物能有效地降低硝态氮在土壤中的累积，原因主要在于填闲作物不仅延长植被覆盖时间，且通过植株蒸腾和养分吸收作用大量消耗土壤剖面中的水分和氮素，控制土壤剖面硝态氮向下淋溶^{[19, 20, 21]}。

甜玉米由于其高光效的代谢特点，生长迅速，生物量大且根系发达，能在温度较高及降雨集中的较短期间内大量吸收土壤中的硝酸盐，可作为短期填闲作物。白菊花和牛膝是中药，均为深根系植物，所以选作填闲作物，其中白菊花生长期长，可作为长期填闲作物，可以和一季蔬菜轮作。由于不同作物消减硝态氮的能力不同，所以如何选择适宜的填闲作物，要考虑当地的实际情况。本试验采用甜玉米、白菊花和牛膝作为夏季填闲作物，研究表明，甜玉米具有较高的生物量和吸氮量，甜玉米对0~200 cm土体NO₃^--N的消减能力最强，达到907.87 kg·hm^-2，其中0~100 cm土壤硝态氮含量急剧降低，消减量高达996.49 kg·hm^-2，这是由于甜玉米根系主要集中在0~100 cm，可见填闲作物是利用根系来吸收根层土壤NO₃^--N来抵制NO₃^--N向土壤深层淋溶；在0~20 cm土层中，白菊花消减力最强，这与白菊花在0~20 cm具有较高的根长密度和根干重有很大关系。吉艳芝^[1]在定州的填闲试验表明，甜玉米对土壤硝态氮的消减量可达605.70 kg·hm^-2，对土壤剖面硝态氮的消减效果最好。张继宗等^[22]在北京郊区的研究也发现，设施蔬菜休闲季甜玉米生物量大、吸氮量大且速率快，阻控硝酸盐向深层土壤淋溶的能力强。本研究还表明，种植甜玉米后100~200 cm土壤硝态氮较种植前增加了88.61 kg·hm^-2，说明在受到雨水淋洗的情况下，土壤浅层没有被作物利用吸收的硝态氮含量会随水分向下移动而减少，而随着土壤深层硝态氮的累积一定会继续向下移动^[23]。

填闲作物作为减少土壤硝态氮淋失的主要措施正在农业中广泛应用，而若想达到预期的效果需充分考虑当地的土壤条件并结合环境气候特点，另外还需要充分考虑填闲作物对下一季蔬菜的产量及土壤硝态氮影响。有研究表明，种植填闲作物与前茬休闲相比，对于下茬黄瓜的产量没有影响，土壤硝态氮休闲出现负累积而填闲出现正累积^[1]；也有研究得出相反结论，前茬甜玉米会降低土壤硝态氮的残留，但下茬菠菜的产量降低了84%^[24]；任翠莲^[25]对填闲作物下茬作物影响的3年试验表明，填闲作物对于下茬黄瓜第一年有所影响，随着种植年限的延长，影响作用逐渐消失。填闲作物的种植对于下茬作物的产量和土壤硝态氮的影响是一个重要指标，填闲作物对于土壤硝态氮的影响，是我们需要进一步研究的内容。 4 结论

填闲作物可以有效减少北方设施蔬菜土壤中的硝态氮累积，本试验研究得出甜玉米的生物量和吸氮量较大，分别为20.11 t·hm^-2和240.34 kg·hm^-2；整体根长密度与根干重大于其他填闲作物；对土壤剖面NO₃^--N的消减能力最高，在0~200 cm土层的消减量高达907.87 kg·hm^-2。