全 文 ：中国生态农业学报 2014年 2月 第 22卷 第 2期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Feb. 2014, 22(2): 136−142


* “十二五”农村领域国家科技计划课题(2013AA102901)、公益性行业(农业)科研专项(201303103, 201203079)、山东省自主创新专项项
目(2012CX90202)、国家自然科学基金项目(31101601)和山东省泰山学者“农业面源污染防控”项目资助
** 通讯作者: 刘兆辉, 研究方向为新型肥料研制与面源污染防控技术。E-mail: liuzhaohui@saas.ac.cn
谭德水, 研究方向为土壤养分管理与面源污染防控技术。E-mail: tandeshui@163.com
收稿日期: 2013-06-12 接受日期: 2013-11-01
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2014.30589
基于减少土壤硝态氮淋失的作物搭配种植模式研究进展*
谭德水1 江丽华1 谭淑樱2 徐 钰1 魏建林1 刘兆辉1**
(1. 山东省农业科学院农业资源与环境研究所 农业部黄淮海平原农业环境重点实验室 济南 250100;
2. 山东省农业科学院试验基地服务中心 济南 250100)
摘 要 农业生产中为获得较高作物产量而投入大量的化学肥料, 同时不合理的田间管理措施使硝态氮在土
壤中大量累积, 增加了淋溶风险。不同作物搭配生长及种植模式在协同提高作物产量、充分利用光热资源、
提高集约化生产能力方面是一种有效的栽培措施, 同时在高效利用土壤养分、改善生态环境、降低硝态氮污
染方面具有很大潜力。本文从不同类型作物搭配生长及不同种植模式(设施蔬菜与填闲作物、粮食作物与经济
作物、粮食作物与粮食作物、粮食作物与露地蔬菜、蔬菜与蔬菜)方面综述了高效利用土壤氮素、降低土壤硝
态氮累积与淋失的效果, 并根据不同类型作物特点进行了机理上的解释。文末以搭配作物根系为突破点对作
物种植模式进行了研究展望。
关键词 作物类型 搭配种植模式 土壤硝态氮 淋失
中图分类号: S512.1; S626 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2014)02-0136-07
Research progress on collocation planting of crops for decreasing the
loss of soil nitrate nitrogen through leaching
TAN Deshui1, JIANG Lihua1, TAN Shuying2, XU Yu1, WEI Jianlin1, LIU Zhaohui1
(1. Institute of Agricultural Resources and Environment, Shandong Academy of Agricultural Sciences; Key Laboratory of
Agricultural Environment of Huang-Huai-Hai Plain, Ministry of Agriculture, Jinan 250100, China; 2. Service Center of Test Base,
Shandong Academy of Agricultural Sciences, Jinan 250100, China)
Abstract In order to obtain the higher crop yield, the more fertilizers were applied to the soil. At the same time, unreasonable field
management measures cause massive nitrate nitrogen accumulation in soil, which leads to a risk to the ground water due to N
leaching. Collocation planting of different types of crops is one of the effective cultivation strategies to increase crops yield and
improve utilization of photo-thermal resources, and simultaneously reduce soil nitrate nitrogen loss through enhancing soil nutrient
use efficiency. Collocation planting patterns of different types of crops (such as facility vegetables and catch crops, grain crops and
economic crops, grain crops and grain crops, grain crops and outdoor vegetables, vegetables and vegetables) were introduced in this
paper. And, the effects of different collocation planting patterns on soil N utilization, reduction of accumulation and leachate of soil
nitrate nitrogen were discussed too. The mechanisms were explained from the characteristics of different crops. Finally, some
research prospects in the future were put forward on the planting patterns. It was suggested that studies on root system of collocation
planted crops was the breakthrough point.
Keywords Crop type; Collocation planting pattern; Soil nitrate nitrogen; Loss through leaching
(Received Jun. 12, 2013; accepted Nov. 1, 2013)
我国农业生产上对经济效益的片面追求使大量
化学肥料投入到土壤中以获得较高的作物产量, 其
中氮肥在不同作物的增产效果上贡献最为明显。近
些年随农业生产水平的提高, 氮磷钾平衡施用、叶
片营养诊断、水肥一体化等科学施肥技术均应用于
不同种植制度中 [1−2], 然而受利益驱使 , 大量施肥
第 2期 谭德水等: 基于减少土壤硝态氮淋失的作物搭配种植模式研究进展 137


(尤其是氮素)现象仍十分严重[3]。不同国家和地区农
业生产上氮肥的大量施用往往超过了作物生长需求,
这种情形下从施肥技术手段上无法消除过量氮素带
来的影响, 使得氮素(主要是以硝酸盐的形态)在土
壤剖面中大量累积 [4−6], 随氮素追肥次数及数量的
增加导致氮素随灌溉水淋失的可能性加大 [2], 从
而使淋洗到地下水中的硝态氮含量和总量逐年增
加 , 在浪费氮素资源的同时势必会对人类健康产生
威胁。
施入到土壤中的氮素随水淋失受多方面施肥因
素的影响, 如氮肥施用类型[7−8]、投入用量和时期[9]、
降水或灌溉水量与频率 [10]、土壤类型与质地 [11]等,
然而在氮素投入量逐年增多的背景下单纯采用施肥
技术无法消除土壤中硝酸盐大量累积和淋溶的风险,
长此以往势必会以牺牲生态效益来换取短暂的经济
利益。如何采用施肥手段之外的其他措施消除过量
施氮带来的负面影响而换取生态效益和经济效益的
双赢, 在降低土壤硝酸盐残留与累积以及向下淋溶
损失带来潜在风险的同时保证农民的收益正是本文
要探讨的内容。
诸多研究表明: 不同作物搭配生长及种植模式
在协同提高作物产量、充分利用光热资源、提高水
分利用效率方面是一种有效的栽培措施[12], 同时在
高效利用土壤养分、改善生态环境、降低硝态氮污染
方面具有很大潜力。不同类型作物搭配种植模式[13]、
作物根系形态[14]、养分吸收特点对土壤养分利用有
着施肥技术不可替代的作用。本文从粮食作物、经
济作物及蔬菜作物等不同类型搭配种植模式及种植
制度(轮作或间作/套作)角度入手, 总结、讨论防控
硝酸盐淋洗污染的作物优化栽培模式, 从而为健康
利用农田土壤、农业的可持续发展提供优化的作物
种植模式和生产导向。下面从设施蔬菜与填闲作物
轮作、粮食作物与粮食作物(或经济作物)间作、粮食
与蔬菜间作、蔬菜与蔬菜间作等不同类型作物搭配
模式方面分类阐述其在高效利用土壤硝态氮中扮演
的角色。
1 设施蔬菜与填闲作物轮作模式对土壤硝
态氮的影响
在北方设施菜地, 由于蔬菜生物产量较大, 需
要通过大量的肥水投入才能保证果菜的产出, 这种
生产条件下将肥料溶于水然后进行大水漫灌是主要
的施肥模式。过量肥水投入会造成土壤硝态氮大量
残留并累积, 随大水漫灌次数增多和间隔时间较短,
土壤中的硝态氮淋失到深层次地下水中, 使地下水
硝态氮浓度逐渐升高。如: 北京市设施菜地全年氮
肥用量平均达 1 732 kg·hm−2, 相当于蔬菜氮素吸收
量的 4.5 倍, 相当于冬小麦、夏玉米轮作粮田的 3.8
倍。山东省寿光市 18 400 hm2大棚蔬菜可能淋失的
氮素为 23 300 t 左右, 所带来的环境风险可使 23.3
亿 m3的地下水硝酸盐含量提高 10 mg·L−1[15]。在蔬
菜保护地种植区的地下水硝酸盐含量超标率达到
45.7%, 部分地区超标率甚至达到 67.6%, 对蔬菜保
护地种植区居民身体健康形成潜在威胁。
1.1 设施蔬菜生产中填闲作物的种植背景
在保护地栽培条件下, 为减少氮素淋失和土壤
硝态氮淋溶, 对于大多数浅根系蔬菜作物而言, 如
何使淋溶至土壤深层的残留硝态氮为作物吸收利用,
成为防控地下水硝酸盐污染及提高氮素利用率的关
键。大部分北方设施菜地 6 月下旬至 7 月上旬春茬
蔬菜收获结束, 然后处于敞棚休闲状态(约占 60%以
上), 一直持续到 8 月下旬开始种植秋茬蔬菜。处于
敞棚休闲或低植被覆盖状态的时期长达 90~120 d
(其中敞棚休闲期 40~60 d)。鉴于北方设施菜地蔬菜
收获后土壤硝态氮残留量高, 加之设施菜地有机质
含量丰富、微生物活跃, 有机氮矿化能力强, 6—9月
又是北方降雨最为集中的时期(占全年降雨量 60%
以上), 在此期间没有植物利用的条件下, 土壤硝态
氮淋失风险极大。因此, 夏季敞棚休闲期成为我国
北方设施菜地土壤硝态氮淋失的重要时期, 在此时
进行填闲作物的栽培在防控硝酸盐淋失方面具有重
要的作用[16], 国外同类研究亦表明在休闲期种植填
闲作物是减少氮素淋失的有效方法[17−18]。
1.2 填闲作物类型的选择与依据
填闲作物是指主要作物收获后, 在多雨季节种
植以吸收土壤氮素、降低氮淋溶损失的后季作物。
近几年我国利用填闲作物降低硝酸盐淋溶方面的
研究较多, 但尚未筛选出较合适的填闲作物。填闲
作物有效的氮库应具备一定的生物量, C4植物由于
高光效、生长迅速、根系发达的特点, 被广泛用作
填闲作物, 其中甜玉米和高丹草等禾本科植物的防
控硝酸盐淋失效果相对较好, 目前用于填闲种植的
C4 作物主要为玉米类, 如: 青贮玉米、糯玉米、甜
玉米等[19]。张丽娟[20]研究夏季种植高丹草对土壤上
层氮素的吸收强度大于玉米, 高丹草比玉米在截获
残留硝态氮、阻止其大量向下迁移的作用更强。
有些作物虽能降低浅层土壤硝酸盐含量 , 但无法
阻止硝酸盐向深层次的淋失 [15], 如红叶苋菜 , 其
对浅层土壤硝态氮吸收效果较好, 但因根系生物量
小 , 生长相对缓慢 , 且根系主要分布在较浅土层 ,
土壤中未被作物吸收的硝酸盐会被淋洗至下层。张
永利等[21]研究认为, 不同填闲作物的根系特点及向
138 中国生态农业学报 2014 第 22卷


下生长速度是评价填闲作物吸氮和阻控土壤硝酸盐
淋溶能力的重要指标, 以冬燕麦和饲用胡萝卜作填
闲作物, 其对土壤氮的提取量为 20~30 g·m−2, 其根
系生长速率可达 2.6 cm·d−1, 可作为高效填闲作物去
种植。
1.3 填闲作物对土壤硝态氮淋溶的防控作用
种植填闲作物在减少氮素淋洗所带来的环境效
应已经得到了普遍认同[17]。研究发现, 填闲作物的
种植不仅能有效降低硝态氮素在土壤中的累积, 减
少硝态氮淋洗, 而且能回收利用残余的肥料氮作为
下茬作物的有效氮源 [22]。甜玉米和高丹草能降低
80~100 cm层次的硝酸盐含量, 吸氮量大且速率高[15],
不仅可以大幅度降低耕层土壤硝态氮残留, 而且通
过植株蒸腾和养分吸收作用大量消耗土壤深层剖面
中的水分和氮素 , 控制土壤剖面硝态氮向下淋溶 ,
可较好地防治地下水硝酸盐污染。和亮等[23]研究表
明, 设施菜地在夏季休闲期间种植甜玉米可有效减
少浅层土壤中硝态氮的同时本身也能够形成相当的
产量, 对农民增产增收不无裨益。Gustafson 等[24]试
验表明, 填闲作物能非常有效地吸收土壤淋溶液中
的氮, 吸收量可达 19 g·m−2(以纯氮计), 每年可降低
75%的硝态氮淋溶损失。填闲作物的种植作为近年
解决蔬菜保护地氮素淋溶损失、改良保护地蔬菜土壤
的新兴途径, 在实践过程中取得了一系列成果[22]。由
于填闲作物对土壤深层淋溶氮素利用的同时, 也有
效地改善了土壤生态环境[25], 促进了土壤养分的优
化循环, 因此填闲作物在设施蔬菜生产中的推广应
用无疑将对设施蔬菜产生良好的经济效益、生态效
益, 对蔬菜食品安全也具有积极的意义。
2 粮/粮(经)作物间作模式对土壤硝态氮的
影响
在设施蔬菜休闲期种植填闲作物属于轮作模式,
而在粮食作物与粮食作物的搭配种植是传统意义上
的间作(或套作)。合理的间作模式是提高单位土地面
积作物产量的农艺途径之一, 是我国传统农业根据
区域特点发展的重要生产措施, 可以充分利用光、
热、水、土资源, 发挥着不同作物或品种的生产潜
力[26], 同时在影响土壤硝态氮残留、防控硝酸盐淋
失方面扮演不同的角色。
2.1 粮食作物/经济作物间作模式对土壤氮的影响
在不同的间作模式中, 选择合理的作物配置能
够充分利用各种资源, 促进种间有益作用, 提高作
物产量, 并能够充分利用土体中的硝态氮, 防止其
淋失[21]。豆科、禾本科作物间作主要表现在根系对
氮营养的空间利用及种间氮营养的互补性[27]。豆科
作物主要通过生物固氮来满足其生育期内对氮营养
的需求, 禾本科则吸收土壤氮来维持其生长。由于
豆科作物吸收氮素减少, 节约了土壤氮源来供禾本
科吸收利用, 这对减少氮肥用量、降低硝酸盐淋失
和促进土壤可持续利用具有现实意义。如: 蚕豆和
小麦间作体系中, 两者间作后发生氮营养生态位的
分离, 小麦通过竞争吸收土壤有效氮, 降低了豆科
根区的有效氮含量, 为豆科作物解除了氮阻遏的障
碍, 增加了豆科对空气固氮的依赖, 促进氮的互补
利用。李玉英等[28]在河西走廊灌区蚕豆/玉米间作体
系研究中, 间作蚕豆后土壤硝态氮累积量都低于单
作。不同氮水平下土壤氮素平衡变化表明, 蚕豆/玉
米间作增加了作物对氮素的吸收, 减少了土壤氮素
盈余和表观损失。Mayer 等[29]用 15N 标记试验发现
间作中豆科作物固氮量大, 并且氮素向禾本科的转
移量多, 对土壤氮素平衡产生正效应, 有利于节约氮
肥的投入, 提高了氮养分的吸收利用。Peoples 等[30]
认为, 豆科后茬作物增产一般在 1 000~2 000 kg·hm−2,
相当于施用氮肥 50~100 kg·hm−2, 显然豆科作物的
种植提高了土壤硝态氮含量。肖焱波等[31]的试验得出,
蚕豆单作的土壤与种植小麦间作相比, 0~90 cm土壤硝
酸盐累积量在 4个氮水平下分别增加了 25.4 kg·hm−2、
63.5 kg·hm−2、50.9 kg·hm−2、93.4 kg·hm−2, 这个结果
与 Mayer 等[29]的试验推断吻合, 而豆科作物与禾本
科作物间作时, 由于禾本科作物对土壤有效氮的吸
收, 降低了土壤硝酸盐残留。
2.2 粮食作物/粮食作物间作模式对土壤氮的影响
冬小麦与夏玉米轮作是我国北方特别是黄淮海
区域粮食生产的主要种植模式 , 受气候条件限制 ,
为充分利用光热、雨水及土地资源, 既实现主产作
物增产, 又多收一季粮食, 部分地区也有小麦/玉米
间作的种植模式存在。马忠明等[32]研究小麦/玉米间
作模式下, 在共生期内 0~200 cm 土层土壤硝态氮
含量表现为玉米带>小麦带 , 最大差异出现在小麦
灌浆期和玉米大喇叭口期 , 小麦灌浆期玉米带
0~200 cm土层硝态氮累积量比小麦带高 57%~96%,
在玉米大喇叭口期比小麦带高 25%~47%, 这主要是
小麦根系在土壤中分布广且深, 加强了对剖面土体
硝态氮的吸收。因此优化氮肥底追比例, 降低小麦
播前施氮量和施氮后移可提供给间作玉米前期足够
的氮源, 亦能降低土壤硝态氮深层淋溶的风险[33]。
也有研究得出, 在间作栽培模式下合理的施氮量能
够减轻土壤硝态氮的累积[34]。刘朝巍等[35]研究小麦/
玉米间作发现, 间作处理比单作显著提高了作物的
籽粒吸氮量和氮收获指数, 硝态氮淋失量平均比单
作处理低 3.75%。叶优良等[36]研究得出: 在小麦收获
第 2期 谭德水等: 基于减少土壤硝态氮淋失的作物搭配种植模式研究进展 139


后, 间作小麦在没有将根系分隔的条件下 0~60 cm土
层土壤硝态氮累积量低于分隔, 而 0~200 cm土层土
壤硝态氮累积量与分隔近似, 说明在没有分隔条件
下, 小麦可能利用了玉米带 0~60 cm 土层的养分,
而在有分隔条件下, 小麦则可能利用了深层土壤的
养分。间作小麦和玉米地下部不分隔条件下硝态氮
淋失量都明显低于地下部分隔, 说明根系间的相互
作用减少了土壤中硝态氮的淋失, 从而促进了氮素
的吸收和利用。小麦/空带和玉米/空带间作进一步证
明了由于间作作物根系之间的相互作用影响了土壤
中硝态氮的含量和分布, 可以减少土壤中硝态氮淋
失[37]。粮食作物与黑麦草等草类作物的间作也收到
了良好的效果[38]: 由于黑麦草对土壤硝态氮的吸收
比例提高, 降低了硝态氮淋洗到深层土壤的可能性,
玉米的产量亦可维持在与单作相同的水平。Thomsen[39]
在黑麦草与大麦间作试验以及张永利等[21]在黑麦/甜
高粱试验中也得出了类似的结论。
3 粮食/蔬菜与菜/菜间作模式对土壤硝态氮
的影响
蔬菜生产受栽培技术和销售途径影响, 栽培模
式单一且集中, 这种模式虽然在短期内可以带来可
观的收益, 但随着种植年限的增加, 以及水肥的大
量投入, 不同程度地出现营养失衡、致病菌发生、
硝酸盐累积等土壤质量下降问题[40], 进一步引起作
物生理病害、产量和品质下降。目前对障碍产生原
因以及作用机理方面的研究较多, 发现种间搭配种
植可以作为解决以土体硝酸盐累积为主要问题的措
施之一。
3.1 粮食作物/露地蔬菜间作模式对土壤氮的影响
虽不同于上述设施蔬菜与填闲作物的种植模式,
露地蔬菜栽培中同样也存在土体硝态氮大量累积的
问题[41]。国外学者对粮食与蔬菜、蔬菜与蔬菜轮作或
间作模式做了一定的研究[42]。在国内, 郝旺林等[43]
在关中平原地区研究将粮食−蔬菜轮作模式适宜引
入大田生产, 其中小麦−辣椒和小麦−茄子轮作有较
好种植前景。于彬[44]在美国马铃薯−大麦轮作系统中
模拟 NO3−-N 动态变化, 发现大麦生长期内能够多吸
收 57 600 kg的 NO3−-N, 马铃薯−大麦系统的氮利用
率约为 60%。叶优良等[45]研究蚕豆和豌豆与玉米间
作 , 作物收获后 , 无论施氮与否 , 间作土壤硝态氮
累积量均低于单作。王晓丽等[46]研究玉米/空心菜间
作来验证深根系作物和浅根系作物间作可降低土壤
剖面硝态氮累积的推断: 间作有降低蔬菜地上部硝
态氮浓度和土壤剖面硝态氮残留的趋势; 与单作种
植相比, 间作玉米的产量有显著增加, 间作空心菜
的产量没有显著降低 ; 与单作玉米和空心菜相比 ,
间作玉米的根系表层分布较多, 间作空心菜的根长
密度有所降低 , 但间作种植总体有利于增加产量 ,
减少氮的淋洗损失。
3.2 蔬菜/蔬菜间作模式对土壤氮的影响
将深根系蔬菜引入浅根系蔬菜系统进行间作 ,
有利于对土壤养分的高效利用。根据生态位理论 ,
间作作物各自占据不同的生态位, 将会使竞争作用
降低, 利于根系生长发育。不同作物根系分布深度
和范围不同, 作物吸收养分的土壤区域也有所不同,
可达到分别利用不同土壤深度硝态氮的目的[47], 这
样既可以提高肥料利用率, 又可同时减少硝态氮新
的累积。Whitmore 等[48]通过模型研究证明, 在不降
低产量的条件下, 间作能够减少土壤硝态氮向下淋
洗。Shock 等[49]研究发现, 在洋葱收获后, 间作的甜
菜可回收利用残留于土壤中的氮素; 吴琼等[50]研究
发现, 萝卜/芹菜间作体系与单作相比, 能够将更多
的氮素保留在表层, 降低了氮素的淋洗风险。
4 结语
作物搭配种植属于间作或套作复混种植方式 ,
我国粮食的 1/2、棉花和油料的 1/3是依靠间作套种
获得[51]。间作(或套作)的特点是通过各类作物的不
同组合、搭配构成多层次、多功能的复合群体, 巧
妙地运用时空差把不同习性作物组合配套, 既要保
证各自发展, 又要求互相促进补充、减少共生期矛
盾。间作体系中作物之间同时存在着地上部和地下
部的相互作用, 地上部通过植株形态的差异互补充
分利用自然环境中的光、热、水、气[52], 改善农田
小环境, 地下部则由于根系特点及根际效应不同而
对土壤环境和植株生长产生不同的作用, 这种作用
有种间竞争和种间促进作用, 二者共同的结果决定
了间作有无优势[53]。搭配种植作物的物种特性和根
系特点决定了在降低土体硝态氮累积方面是否可以
协同作用。作物的合理搭配种植对土壤硝态氮淋洗
的降低作用主要通过浅根系和深根系对不同土壤层
次氮素的全面吸收, 同时交叉的根系网能够充分利
用土壤空间的水分, 起到降低水分淋溶和土壤溶液
硝态氮浓度的作用, 所以作物根系的生长状况及空
间分布特征影响着硝态氮的空间有效性及吸收提取
程度[54]。
在粮食作物、油料作物、设施蔬菜、露地蔬菜
以及可以利用的草类作物间有诸多模式可以搭配 ,
在选择搭配种植作物时, 要考虑作物的生长特性、
需肥特性和作物之间的相生相克原理, 发挥作物的
有益作用, 减少作物间的抑制效应[55]。不同植物搭
140 中国生态农业学报 2014 第 22卷


配种植在降低土壤硝态氮淋洗方面还需要进行多方
面机理性的研究: 如禾本科与豆科作物间作竞争吸
收土壤有效氮与根结瘤固氮, 作物根系形态特征、
深浅搭配和根系分泌物、根际效应, 作物搭配种植
后的需肥特性改变、不同种植模式下的养分吸收规
律及施肥运筹, 作物的共生期选择等。这在保证土
壤可持续利用、降低土体硝态氮累积以及可能的流
失、提高氮素利用率等方面有重要的应用价值。
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