由前述分析可以发现，设施种植中的肥料问题不仅受到农户的关注，而且也会造成一系列的水土环境问题。设施种植中的养分管理是提高大棚收益和保护大棚水土环境的关键技术之一。

1.设施种植中肥料的大量投入带来许多问题

农田土壤氮素的转化与循环是组成生物圈氮素化学循环的重要组成部分，也是影响农田生态系统的重要过程，氮的循环受到了众多研究者的重视，也有些研究者对氮循环的过程和损失途径进行了综述（Zhou等，2010）。中国的农业管理较注重肥料施用及循环利用，强调高密度的种植来达到高的田间产量；良好的田间管理结合水肥耦合操作的悠久历史赢得了极高的粮食自给率。但肥料的大量施用，已经造成了一系列的问题。从1981年到2007年，全国作物的产量和氮肥的施用量分别增加了54%和191%，过高的氮肥施用并没有引起相应的作物产量增长，反而造成了土壤酸化严重，引起土壤pH值下降了0.3～0.8（Guo等，2010）。张福锁等通过总结在全国进行的田间试验结果表明，氮肥的利用率为26.1%～28.3%，远低于国际水平，且与20世纪80年代相比呈下降趋势，造成肥料利用率低的主要原因包括高产农田过量施肥、忽视了田间土壤和作物的实际养分需求、一些养分损失未能得到有效阻控等（张福锁等，2008）。

设施种植下土壤受人类活动的强烈影响，且复种指数高，施水施氮量比较大，其内的养分状况和氮素循环最近也受到了研究者的特别关注。相比较田间作物的施肥量，设施种植作物的施肥量要高得多。在对中国北方的不同种植体系的调查中发现，大棚蔬菜年度施用有机肥、无机化肥氮、灌水带入的氮量分别为1881kg/ha、135.8kg/ha、36.56kg/ha，分别为小麦-玉米田的37.5、25、83.8倍（寇长林等，2005；Ju等，2006）。在北京地区的调查发现，超过35%的大棚当季施用氮肥超过了1000kg/ha（Chen等，2004）。

设施种植条件下过多的施肥量造成了土壤的养分含量过高，硝酸盐累积严重。夏立忠等通过开展有机肥、无机肥施用配比的试验发现，大棚覆盖条件下肥料的施用下土壤养分水平和盐分状况会迅速改变（夏立忠等，2003）。在西安市郊区对100余个设施栽培番茄的施肥现状调查发现，当地氮、磷、钾化肥的平均施用量分别为600kg/ha、623kg/ha、497kg/ha，造成了土层有机质、有效磷、速效钾含量均明显高于棚外露地，其中硝态氮含量较露地增加幅度为127%～433%（周建斌等，2006）。在3年棚龄的大棚进行的试验表明，施用1kg尿素氮或1t羊圈厩肥引起土壤电导率发生较大的增加，且增加过程中不仅有离子含量的直接增加，还存在化学交换作用导致的溶解离子增加（夏立忠等，2005）。

过量施肥下的肥料利用率一般都比较低，同时也存在未能平衡施肥的问题。如复合肥中N、P养分的当季利用率不足10%，而K素的当季利用率也不超出25%（李俊良等，2001）。在山东寿光的18个温室大棚内的调查结果发现，设施每年氮、磷、钾养分的平均投入量为4088kg/ha、3656kg/ha、3438kg/ha，氮、磷、钾养分的利用率分别为24%、8%、46%，且施用比例与作物的需求比例严重失衡（余海英等，2010）。对江苏的水稻-大棚草莓轮作农田生态系统的调查表明，系统养分投入结构以有机养分为主，氮、磷、钾投入比例中磷的投入比例过高，氮、磷、钾盈余率分别为34.27%、264.47%和33.12%。一般而言，氮肥的形式和施用效率影响到钾肥的固定和吸收，对氮肥和钾肥的比例进行优化可以获得较高的产量，但过高的施肥量不能保证高产量甚至可能有所减产；作物对钾肥的吸收还依赖于土壤中氮的形式，当硝态氮含量过高时，可能存在一定的副作用，在氨氮较多时，钾离子具有较大的移动性（Zhang等，2010）。由此可见，在设施种植中提高肥料利用率的同时，也需要注意平衡施肥。

影响肥料利用率提高的主要问题是过量施肥，在实际的田间操作中，一些农户担心肥料的减施可能影响作物的产量。但一些相关的研究指出，减少施肥不会造成产量的明显减少。在夏玉米、冬小麦、夏玉米等3季作物累计施入优化制度后的氮肥225kg/ha，比常规施氮（900kg/ha）少施675kg/ha，但作物产量并没有降低（巨晓棠等，2002）。通过优化施肥，减少氮肥用量至62%、78%和80%，没有对作物的产量造成影响，同时0～0.9m剖面内的土壤硝酸盐含量出现了明显的降低（He等，2007）。还有田间试验中观察到的作物产量与作物吸氮量密切相关，均随施肥水平的提高而提高，但肥水过剩的条件下，作物产量与作物吸氮量会出现下降（董洁等，2010）。在氮肥钾肥的联合施用试验中发现，长期增施氮肥没有明显作用，长期过量施氮却会导致减产（Liu等，2008）。在不同的施磷水平下，田间有效磷含量出现了中等水平（50～90mg/kg）和较高水平（＞90mg/kg），番茄的产量没有受到较大的影响，因此说明，对于磷肥在田间的施用量可以相对少施，可以减少环境威胁（Zhang等，2007）。由于大多数的有机肥的用量都是按照有机肥中的氮含量为标准进行计算的，如果考虑到有机肥中的氮磷比较小的情况，在基于氮的有机肥施用制度中，可能存在磷的过施情况。在按照磷的含量计算的有机肥施用制度中发现表层5cm内的土壤磷含量减少了47%，但是对作物吸氮量没有显著性的影响（Toth等，2006）。

2.氮肥损失是环境的一个重大威胁

肥料的大量施用可能增加了对环境的潜在威胁。如大量施用氮肥显著增加了菜地土壤硝态氮的淋失风险，被认为是引起地下水氮素污染的主因之一。年施氮量（黄棕壤）在395.89kg/ha和646.78kg/ha时，就会达到国家对饮用水和地下水源的硝酸盐（氮含量）控制限值10mg L和20mg L（赵长盛等，2009）。多年的肥料施用试验结果表明，单季作物生长后会有20.9%～48.4%肥料氮残留在100cm内土层中，但残留氮在后茬的利用率不足8%；低的施氮量会造成肥料氮以硝态氮形式残留的量很低，高施氮量时，残留氮以有机氮和硝酸盐形式存在的比例很高，由此造成了氮素的淋洗损失非常高（巨晓棠等，2003）。为了分析中国北方的塑料大棚的硝态氮淋洗风险，Song等（2009）实地布置了9个排水渗漏计调查田间硝酸盐渗漏，结果表明，传统的田间管理造成了较大的硝酸盐的渗漏（17～457mg/L）和1m土体内较大的氮损失（152～347kg/ha）；高的施氮量情况下，氮的利用效率比较低，仅33%左右被植物吸收（Song等，2009）。在滇池地区开展的调查结果表明，设施种植区地下水、地表水的硝酸盐含量与土壤硝酸盐含量均呈正相关关系，因此种植区土壤的硝酸盐累积将加重滇池面源污染的负荷（张乃明等，2006）。中国北方3种重要的集约化种植体系小麦-玉米轮作、大棚蔬菜和果园3种体系均表现出明显的硝酸盐淋洗，大棚区内99%的浅井地下水硝态氮含量超过了10mg/L，而大棚深井和果园浅井超标率均为5%，小麦-玉米深井则仅为1%（寇长林等，2005）。在上海青浦农田水利试验站利用渗漏池进行青紫泥土壤氮素的淋溶模拟试验表明，铵态氮下渗对地下水环境形成的威胁不如硝态氮，硝态氮淋洗的峰值相比铵态氮要超前且变幅较大，氮素淋失的主要季节在6—8月，与降雨高频期的重叠加剧了对水环境的污染（王少平等，2002）。这些结果都表明，设施地的高施肥量，已经造成了地下水环境的污染。

降雨量和氮肥施用对土壤硝态氮淋失有显著性影响，施肥后的淋溶浓度普遍较高，硝态氮随降雨不断向下淋溶，在接近地下水位的120cm剖面处产生渗漏液的硝态氮浓度值已经超过限量标准（20mg/L）（侯晶等，2006）。传统的大水漫灌条件下，蔬菜保护地土壤硝酸盐的淋洗状况相当严重，并有可能造成地下水的硝酸盐污染（李俊良等，2001）。Zhou等的研究还表明，硝酸盐的淋洗也与年度降雨特性有关，在湿润年的100cm内硝酸盐损失可以达到158kg/ha，但在干旱年内的累积硝酸盐损失比较小（Zhou等，2010）。(www.daowen.com)

设施种植体系中，养分的主要问题还包括潜在的磷输出的问题。大量的具有砂性土壤、高有机质、高含磷量的田间存在农业排水中磷过多或者向环境输出过多磷的问题，Sims J.T等对这个问题进行了综述（Sims等，1998）。在华北平原的研究发现，设施种植菜地镉含量为大田的2.8倍，分析结果显示镉含量与土壤速效磷呈显著正相关，表明过量施用磷肥是导致土壤镉累积的主要原因（寇长林等，2004）。因此，加强对设施种植中养分的管理有利于改善设施水土环境，减少潜在的环境威胁。

3.需要加强设施种植的田间管理

设施农业中存在的养分管理不善问题确实需要引起研究的重视，合理的田间管理有利于提高设施种植的养分利用效率，减少水土环境及相关环境污染的发生。

蔬菜硝酸盐含量对人体健康的影响机理虽然没有完全被理解，但存在于蔬菜中过多的硝酸盐仍然是人体健康的一大威胁。在多种蔬菜内开展的调查发现，硝酸盐含量的积累在蔬菜的不同种类、菜体的不同部位上差异很大。随着施氮量的不断增加，蔬菜产量先增加后降低，但蔬菜硝酸盐含量随着施氮量的增加而迅速增加，因此分析认为，减少蔬菜硝酸盐含量的主要方法应该是减少氮肥的施用量（赵长盛等，2009）。但有学者对影响菜体硝酸盐积累的因素分析后认为，在一定的氮肥水平下，影响蔬菜硝酸盐累积的主要因子依次为光照、采收时间及施肥制度等（张兵等，2007）；不同的肥料和施用量下，蔬菜硝酸盐积累的影响结果不同，基于硝酸盐类型的氮肥施用下，蔬菜的硝酸盐含量比较高，一般的含量高峰值出现在施肥后7～9天（温庆放等，2005）。在灰埭田和灰沙泥田两种土壤上开展的菜田田间试验则对氮肥用量、土壤硝态氮含量、菜体硝酸盐含量和产量的关系进行了研究，发现两种土壤类型下硝态氮含量均随氮肥用量的增加而提高，但随着时间推移会出现含量下降，菜体硝酸盐含量和产量也均随氮肥用量的增加而增加，因此在符合无公害蔬菜生产安全的条件下，推荐的氮肥用量分别为210.30kg/ha和154.35kg/ha（罗涛等，2010）。

养分管理中损失较大的还包括氮的挥发损失，一般是指氨的挥发。小青菜和秋冬季大白菜田间试验结果表明，在pH值较小的试验地（种植小青菜），氨挥发损失小（＜0.4%），而在pH值超过7的试验地（种植大白菜），氨挥发损失率为0.97%～17.1%，因此认为pH值是设施种植中影响氨挥发的主要因素；但也有研究认为，保护地内土壤温度高于露地菜田，土壤蒸发和植物蒸腾作用均较露地栽培强，且由于频繁灌溉，可能造成了大量的氮素挥发损失（习斌等，2010）。在不同季节、不同土壤的氨挥发通量也得到了分析，不同土壤上的氨挥发通量趋势具有一致性，最大值均出现在施入基肥后的7～8天，但模拟降雨追肥后1～2天后即出现氨挥发的峰值（崔键等，2007）；但也有研究认为，降雨能够通过降低表层土壤的氮浓度而影响氨挥发，降雨离施肥期越近，雨量越大，氨挥发越小（贺发云等，2005）。以上研究说明，土壤的性质、土壤含水量及气象因素等都对氮的氨挥发损失有一定的影响，都是需要在设施地的氮素管理中引起注意的。

根据氮肥管理的需求和基于减少氮对环境影响的目的出发，很多学者根据试验结果给出了一些推荐施肥量。田间试验发现，大棚土壤养分含量水平一般较高，按照番茄最高经济单产65t/ha计算，化学纯氮的施用量应为255kg/ha，羊厩肥的施用量应为26.25t/ha，实际经济施肥量应低于上述计算量。而根据蔬菜作物硝酸盐控制标准拟定的最佳施氮量范围为秋季小白菜180～270kg/ha，冬季菠菜40～80kg/ha，春夏季早辣椒150～300kg/ha，秋萝卜120～180kg/ha（张兵等，2007）。也有学者通过比较多种氮的处理方案以后提出，每年150kg/ha不足以维持土壤的氮平衡，具有过量有机质含量的土壤会造成土壤磷和钾的流失，因此推荐的氮、磷、钾施肥量分别为150kg/ha、25kg/ha、60kg/ha辅以2～3t/ha有机质来维持土壤（棕壤）肥力，在充分降雨和平衡施肥情况下，氮肥利用率会得到很大的提高。

水分管理对田间养分状况也有一定的影响，因此加强灌溉管理对养分的管理也非常重要。有研究认为年际供水变化是作物产量年际变化的主要原因（巨晓棠等，2002）。通过2年的田间试验调查分析了滴灌系统和沟灌系统下的水肥利用效率，结果发现滴灌系统节约了31%～37%的水，却收获了超出3.7%～12.5%的产量，由此得到的滴灌下的推荐氮施肥量仅为120kg/ha（Singandhupe等，2003）。通过比较不同灌溉方式的蔬菜试验表明，喷灌比畦灌要少消耗30%的水分，但产量和氮素吸收都高于畦灌处理，氮施肥量约节约了60kg/ha（张晓晟等，2005）。Ren等通过农田系统内的氮循环分析提出，要重视降雨中氮的含量，同时加强对排水中氮含量的再次利用，以提高氮肥的利用效率（Ren等，2010）。针对磷的水分研究则提出，在施用磷肥前进行50mm左右的灌溉，有利于磷下移到土壤0.1m的剖面下，对于提高肥料利用效率和减少环境损失非常有益（Bush等，2001）。在最近兴起的控制排水条件下的田间试验研究表明，控制排水对大多数的氮平衡项没有影响，大豆的种植季内的土壤氮一直处于氮亏状态，通过氮平衡计算，控制排水中的氮排量被较少了33%（Woli等，2010）。

氮肥的田间管理还包括一些其他的农艺措施。赵长盛在对武汉城郊菜地开展的土柱和田间试验结果分析后，提出了菜田氮素控制策略，分别为少量施氮、少施秋冬季氮或者种植填闲作物、将深浅根系作物轮作、节水灌溉、测土配方施肥和施用硝化作用抑制剂等（赵长盛等，2009）。通过在16年种植年限的高龄大棚内进行的不同处理试验表明，腐植酸和沸石在降低土壤盐分含量和提高养分利用效率方面效果都很显著（张继舟等，2009）。一些填闲作物则发挥了吸收残余氮量、减少氮淋失的作用。在潮土上开展的试验表明，甜玉米生长迅速、生物量大、吸收氮素能力强，吸氮量可达205.6～246.1kg/hm2；与休闲处理相比，种植甜玉米能有效的吸收0～60cm土壤中残留氮素，实现了土壤残留氮素的再利用，且后茬作物菠菜的生长和产量没有受到影响（任智慧等，2006）。通过填闲作物的管理，相对于传统田间管理减少了53%的施氮量，同时也没有造成黄瓜的减产；根区的氮管理也在两年试验季内分别减少了氮肥损失的44%和45%（Guo等，2008）。