滴灌和施用秸稈降低日光溫室番茄地氮素淋溶損失

梁 斌，唐玉海，王群艷，李 飛，李俊良※

（1. 青島農業大學資源與環境學院，青島 266109； 2. 山東省水肥一體化工程技術研究中心，青島 266109；3. 濰坊科技學院賈思勰農學院，壽光 262700）

0 引 言

中國設施蔬菜栽培面積逐年增加，2016年達391萬hm2，產量2.52億t，占蔬菜總產量的30%以上[1]。設施蔬菜栽培中施肥過量問題突出。據統計，日光溫室每年化肥投入量在5 000 kg/hm2以上，氮肥利用率不足25%[2]，未被利用的氮素去向包括土壤殘留、淋溶損失和氣態損失等[3]。硝酸鹽淋溶損失是蔬菜生產系統中氮流失的主要途徑[4]。Song等[5]在山東省壽光市的研究發現有 152～347 kg/hm2的硝酸鹽發生淋溶。Sun等[4]使用EU-Rotate_N模型估算出傳統設施蔬菜生產中硝態氮年淋溶損失量達694～817 kg/hm2，占總氮輸入量的43%～67%。Min等[6]研究報道，中國南方設施蔬菜生產中硝態氮淋溶量可達182～277 kg/hm2，占氮輸入量的 16%～25%。目前，設施蔬菜體系中氮素的投入與輸出并不平衡，存在一部分“消失”的氮素，氮素淋溶損失除了礦質態氮之外，還包括可溶性有機氮[7]。在林地生態系統中，可溶性有機氮是氮素損失輸出的途徑之一[8-9]。Kessel等[10]研究指出，在降雨或灌溉過量地區，可溶性有機氮可能是土壤氮素的重要損失形態。趙滿興等[11]研究指出，有機肥中可溶性有機氮占可溶性全氮的71%～75%，這很可能是設施菜田氮素損失的潛在來源。

優化施肥、控制灌水量和增加土壤氮固持能力均可降低氮素淋溶損失。Zotarelli等[12]提出，當肥料投入量從 330 kg/hm2降到 220 kg/hm2時，硝酸鹽淋溶量減少50%。Sun等[4]研究表明，與傳統生產相比，優化水肥處理使硝態氮淋失量減少79%～86%。Min等[6]報道，在華南地區傳統氮肥施用量的基礎上減少 40%的氮投入，氮肥淋溶損失降低39.6%，且對產量無影響。

降低灌水量可減少可溶性氮向深層土壤的運移[13]。Tarkalson等[14]報道，當灌水量從318 mm減少到185 mm時，淋溶深度、硝酸鹽濃度和硝酸鹽淋溶量分別降低67.6%、47.9%和 85.3%。于紅梅等[15]在露地蔬菜的研究表明，減少灌水量和施氮量均明顯降低蔬菜地硝態氮淋洗量。Sing等[16]研究發現，間隔較長的高水量灌溉可導致大量硝態氮從根區土層淋溶損失。使用 EU-Rotate_N模型，Sun等[4]研究結果表明，與傳統漫灌相比，滴灌使得灌溉量從558 mm下降到280 mm，與此同時，硝酸鹽淋溶損失減少90%。

施用高碳氮比作物秸稈是增加土壤氮素固持能力的途徑之一[17]。Keeney[18]研究結果表明，秸稈還田增加土壤有機碳量，促進微生物固定殘留在土壤中的肥料氮[19-20]，從而降低稻田氮素的損失。在冬小麥-夏玉米輪作體系中，傳統氮肥管理模式下硝態氮年淋失量達38～60 kg/hm2，而有機物料還田使硝態氮年淋失量降低 32%～71%[21]。不同水肥管理與秸稈還田不僅影響土壤活性有機物與微生物[22-24]，而且還影響土壤礦質營養元素及其平衡，進而影響土壤氮素的固持與作物吸收[25]。另外，有機物料的施用增加土壤保水能力，減少水分的滲漏損失，這對于減少氮素淋溶損失有積極作用。在過量施用氮肥和灌溉的溫室大棚內，高溫影響有機物的分解，施用秸稈如何影響礦質態氮的淋溶損失及影響的機理值得研究。

目前對于日光溫室中氮素淋溶損失的研究方法多采用滲漏管、淋溶盤（桶）收集法、負壓抽提土壤溶液樣品采用模型計算法等[26]。大型滲漏池研究面積大，精度高，直接監測水量和濃度，準確性好。前人對于氮素淋溶的研究多為短期試驗，高溫高濕的日光溫室中長期施用秸稈后對降低氮素淋溶效果也需要研究。因此本試驗采用大型滲漏池研究了設施菜地長期不同灌溉模式和施用有機物料對土壤可溶性總氮包括礦質態氮（硝態氮和銨態氮）和可溶性有機氮淋溶損失的影響，為合理水肥管理，降低設施菜地氮素淋溶損失提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地區概況

試驗地點位于山東省壽光市，屬暖溫帶季風區大陸性氣候，年均氣溫12.7 ℃，年均降水量594 mm。試驗開始于2008年8月，供試土壤有機碳、堿解氮、速效磷、速效鉀質量分數分別為 8.2 g/kg、174.0 mg/kg、43.8 mg/kg、181.0 mg/kg，土壤pH值為8.0。

1.2 供試作物與試驗設計

供試溫室內種植番茄，一年兩季，每年 1月定植到當年6月拉秧為冬春季，8月至翌年2月拉秧為秋冬季。番茄品種由當地農戶自行選擇，冬春季為奇大利，秋冬季為中壽11-3。

利用滲漏池采集滲漏液，每個滲漏池面積為1.0 m×2.0 m，土層深度為90 cm。滲漏池內番茄栽培行距50 cm，株距40 cm。試驗采用裂區設計，設2個主處理和3個副處理，每個處理重復3次，共18個小區（滲漏池），主處理包括：滴灌模式和漫灌模式，副處理包括：①單施雞糞（M）。施用量10 t/hm2，風干雞糞均勻撒施后翻耕。②雞糞配施玉米秸稈（M+C）。在單施雞糞基礎上，配施玉米風干秸稈10 t/hm2。③雞糞配施小麥秸稈（M+W）。在單施雞糞基礎上，配施小麥秸稈10 t/hm2。干雞糞、玉米和小麥秸稈均粉碎后作基肥撒施。基肥除施用上述有機物料之外，還施用平衡型復合肥（N-P2O5-K2O, 15-15-15）1 000 kg/hm2；磷酸二銨500 kg/hm2。生長期間追肥采用平衡型水溶肥和高鉀型水溶肥。具體施肥情況詳見表1、表2。2008年6月至2014年5月期間該試驗為田間小區試驗，2014年6月按30 cm一層將0～90 cm剖面土壤轉移到滲漏池中。本研究試驗數據采集于2016年2－12月，期間滴灌模式年灌水量為1 173 mm、漫灌模式為1 205 mm，灌水情況詳見表1。

表1 2016年冬春季和秋冬季灌水與施肥情況Table 1 Irrigation and fertilization managements during winter-spring (WS) and autumn-winter (AW) seasons in 2016

表2 2016年冬春季和秋冬季設施番茄不同處理施肥量Table 2 Rate of applied N, P2O5, and K2O during winter-spring(WS) and autumn-winter (AW) seasons in 2016 kg·hm-2

1.3 樣品采集與計算分析

每次灌水24 h后收集滲漏池底部滲漏液，記錄滲漏液體積。將滲漏液取樣冷凍保存于60 mL聚乙烯瓶中，用于各項指標測定。滲漏液中的可溶性總氮采用堿性過硫酸鉀氧化—紫外分光光度計比色法[27-29]測定，礦質態氮（包括硝態氮、銨態氮）采用自動連續流動分析儀測定，可溶性有機氮（dissolved organic nitrogen，DON）為可溶性總氮（total dissolved nitrogen，TDN）與礦質態氮之差。在果實采摘期和拉秧期分別采集果實樣品和植株樣品測定生物量，全氮含量等。全氮含量采用濃硫酸-雙氧水消煮凱氏定氮法。灌溉水損失率、氮素淋溶損失量、氮淋溶損失率、植株氮素吸收量和氮素利用率計算分別見公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）。

式中WL為灌溉水損失率，%；VL為每小區收集的灌溉水滲漏損失量，L；VI為每小區總灌水量，L；NL為氮素淋溶損失量，kg/hm2；CW、Cf、Cp分別為滲漏水中可溶性總氮濃度（mg/L）、果實含氮量（mg/kg）和植株含氮量（mg/kg）；N為氮淋溶損失率，%；Nt為 N總投入量，kg/hm2；NUE為氮素利用率，%；Nu為氮素吸收量，kg/hm2；Yf和Yp分別為果實和植株生物量，kg/hm2（干基）。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2010、SPSS 16.0和Origin 8.5進行數據處理、分析與作圖；不同處理間差異根據情況采用單因素和雙因素方差分析，多重比較采用Duncan法。

2 結果與分析

2.1 番茄產量與氮素利用率分析

冬春季和秋冬季番茄產量分別為 105.8～127.4和70.6～95.9 t/hm2（表3）。相對于漫灌模式，滴灌使冬春季和秋冬季番茄平均增產11.4%和21.7%（P＜0.05），全年番茄產量顯著提高15.6%；與單施雞糞相比，配施秸稈對番茄產量無顯著影響。

冬春季和秋冬季設施番茄氮素吸收量分別為248.9～299.6和190.6～279.6 kg/hm2（表4）。與漫灌相比，滴灌模式下冬春季和秋冬季番茄氮素吸收量顯著增加 30.5和69.7 kg/hm2，增幅分別為11.6%和33.8%（P＜0.05），全年番茄氮素吸收量顯著提高21.4%。與單施雞糞相比，配施秸稈對番茄氮素吸收量無顯著影響。

冬春季和秋冬季番茄氮素利用率分別為 27.1%～42.6%和19.3%～39.9%，平均為33.7%和29.4%（表4）。在冬春季和秋冬季滴灌模式較漫灌模式氮素利用率分別顯著提高10.0個百分點和14.2個百分點。與單施雞糞相比，雞糞配施秸稈處理氮素利用率反而有所降低，這與施用秸稈增加了氮素投入量有關。

表3 灌溉施肥管理對番茄產量的影響Table 3 Effect of different irrigation and fertilization managements on yield of tomato t·hm-2

表4 番茄氮素吸收量與氮素利用率Table 4 N uptake and utilization of tomato

2.2 灌溉水滲漏損失

冬春季和秋冬季灌溉水滲漏損失量分別為 51.1～68.8和63.5～129.7 mm，損失率分別為8.7%～15.8%和10.3%～17.2%（表5）。本研究中，滴灌模式和漫灌模式全年的灌水量相差不大，分別為1 173和1 205 mm。全年滴灌模式中灌溉水滲漏損失量大于漫灌模式，尤其在秋冬季差異達顯著水平（P＜0.05）。

雙因素方差分析顯示，與單施雞糞相比，配施秸稈（玉米/小麥）使秋冬季灌溉水滲漏損失量平均顯著減少34.7 mm，降幅達31.9%；冬春季灌溉水滲漏損失量平均減少7.5 mm，降幅達11.5%。

2.3 礦質態氮淋溶損失

與漫灌模式相比，滴灌使秋冬季滲漏液中礦質態氮質量濃度顯著降低149.4 mg/L，降幅達51.1%（P＜0.05），冬春季差異不顯著（P＞0.05）。漫灌模式下，與M處理相比，M+C和 M+W 處理分別使冬春季礦質態氮濃度顯著增加33.0%和62.1%，但秋冬季M與M+W處理無差異，M+C處理較M處理顯著降低10.4%（P＜0.05）；滴灌模式下，與M處理相比，配施秸稈對冬春季和秋冬季礦質態氮濃度無顯著影響（表6）。

表5 灌溉水滲漏損失量與損失率Table 5 Amount of water leakage and percent of water leakage in irrigation water

表6 滲漏液中礦質態氮質量濃度與淋失量Table 6 Content and accumulative amount of leached mineral N

漫灌模式下，冬春季和秋冬季礦質態氮淋溶損失量分別是 68.1～94.5和 176.4～260.2 kg/hm2，平均為 85.6和207.0 kg/hm2，秋冬季礦質態氮淋溶損失量占全年淋溶損失量的70.7%。滴灌模式下，冬春季和秋冬季礦質態氮淋溶損失量平均為97.1和126.9 kg/hm2，秋冬季礦質態氮淋溶損失量占全年淋溶損失量的56.7%。

與漫灌模式相比，滴灌使秋冬季礦質氮淋失量顯著減少80.1 kg/hm2，降幅為 38.7%，使冬春季礦質態氮淋失量顯著增加11.5 kg/hm2。滴灌模式和漫灌模式全年礦質態氮淋失量分別為224.0和292.6 kg/hm2（表6）。

雙因素方差分析顯示，與單施雞糞相比，配施秸稈（玉米/小麥）使冬春季礦質態氮淋失量平均減少22.2 kg/hm2，降幅為20.9%（P＜0.05）；秋冬季礦質態氮淋失量顯著減少61.3 kg/hm2，降幅為29.5%（P＜0.05）。

2.4 可溶性有機氮淋溶損失

冬春季和秋冬季DON淋溶損失量分別為18.9～40.1和26.5～115.6 kg/hm2，占可溶性總氮的16.5%～26.1%和17.6%～34.6%，平均為 21.7%和 29.4%（表 7），DON占TDN的百分比平均為25.6%。與漫灌模式相比，滴灌對冬春季DON淋失量無顯著影響，但使秋冬季DON淋失量顯著降低48.9 kg/hm2，降幅達53.7%（P＜0.05）。

與M處理相比，滴灌模式下M+C處理使冬春季和秋冬季DON淋失量顯著降低21.2%和58.5%，M+W處理使冬春季和秋冬季DON淋失量分別顯著降低52.9%和43.7%。

表7 可溶性有機氮淋溶損失量及其占可溶性總氮的百分比Table 7 Amount of leached dissolved organic N (DON) and its percent in total

2.5 可溶性總氮淋溶損失

滴灌和漫灌模式下全年TDN淋失量分別為294.7和395.4 kg/hm2，其中秋冬季淋失量占全年淋失量的百分比分別為 56.8%和 71.1%。漫灌模式下，冬春季和秋冬季TDN淋溶損失量分別為 98.9～122.4和 242.8～336.4 kg/hm2，分別占單季氮投入量的10.1%～14.2%和24.7%～34.9%，平均分別為12.5%和29.3%（表8）。與漫灌模式相比，滴灌使秋冬季TDN淋失量顯著降低113.8 kg/hm2，降幅達 40.5%；使冬春季可溶性總氮淋失量顯著增加13.1 kg/hm2，增幅為11.5%（P＜0.05）。總體全年分析，滴灌模式較漫灌模式TDN淋失量降低25.5%。

與單施雞糞相比，配施秸稈（玉米/小麥）使冬春季TDN淋失量平均降低29.3 kg/hm2，降幅達20.9%；秋冬季 TDN淋失量平均降低 76.6 kg/hm2，降幅達 27.8%（P＜0.05）。

表8 可溶性總氮淋溶損失量及其占施氮量的百分比Table 8 Amount of leached total dissolved N (TDN) and its percent in total

3 討 論

3.1 灌溉方式與灌水量對氮素淋溶損失的影響

淋溶損失是氮肥從土壤流失的主要途徑之一，農田氮素淋溶損失一般隨著水分滲漏強度的增加而增大[30]，因此采用合理的灌溉方式，不僅可以控制水分的滲漏強度，還有效減少農田氮素淋溶損失。本研究中，冬春季和秋冬季礦質態氮淋溶損失量分別為 68.1～118.1和98.3～260.2 kg/hm2，可溶性總氮淋失率分別為 10.1%～22.5%和 15.9%～34.9%，秋冬季氮素淋溶損失明顯高于冬春季，可能是因為不合理的灌溉制度所致。秋冬季在苗期需水、需氮少，而此時溫度高，灌水和氮素供應大，供肥、供水數量與需水、需肥規律相反，導致損失多；冬春季生長期間氣溫由低到高，灌水和氮素供應逐漸增大，與此同時番茄需水需肥也逐漸增加，從而使供水、供肥與作物需水、需肥規律相一致，使水肥損失低于秋冬季。本研究中，秋冬季和冬春季平均灌水量分別為676.5和 512.5 mm，與冬春季相比，秋冬季灌水量平均增加32.0%，灌水量的增加使得氮素淋溶損失增加（礦質態氮、可溶性有機氮和總氮淋失量分別增加 82.7%、125.8%和85.4%），這說明相同灌溉模式下，灌水制度是影響氮素淋溶損失的重要因素。

除了灌水制度影響之外，灌溉方式也是決定氮素淋溶損失的關鍵因素。本研究表明，與漫灌模式相比，滴灌使全年可溶性總氮、礦質態氮、可溶性有機氮淋失量分別減少100.7、68.6、47.4 kg/hm2，降幅分別達25.5%、33.1%、39.6%。習金根[31]土柱試驗發現，滴灌較漫灌氮素淋失總量減少17.9 mg，降幅達24.9%；石敏等[32]研究表明，控制灌溉與常規灌溉和淺濕灌溉相比，氮素淋失總量最小，約占常規灌溉的 1/3、占淺濕灌溉的 1/2。Sharmasarkar等[33]研究認為，滴灌代替畦灌可有效降低氮素淋溶損失。本研究中，與漫灌模式相比，滴灌模式下灌水量并沒有大幅降低，灌溉水滲漏損失量也高于漫灌模式，但滴灌使全年氮素吸收量和氮素利用率分別顯著提高21.4%和47.5%，使秋冬季滲漏液中礦質態氮濃度顯著降低51.1%，從而降低了全年的氮素淋溶損失。由此可見，在滿足作物正常生長對水分需求的前提下，采用合理的灌溉方式和減少灌水量均可有效減少氮素淋溶損失，這不僅有利于解決農業實際生產過程中氮素的淋溶，而且對節水和保護環境至關重要。

3.2 施用秸稈對氮素淋溶的影響

秸稈還田可以促進土壤有機質積累，改良土壤結構，減少氮素損失[34]。大量研究表明，秸稈還田具有顯著的保水保肥功能[35]。本研究中，與單施雞糞相比，配施秸稈使全年礦質態氮和可溶性有機氮淋失量平均減少83.4 kg/hm2（26.6%）和41.8 kg/hm2（33.7%）。王偉等[36]研究發現，傳統施肥加秸稈處理可減少29.8%的硝態氮淋溶。潘劍玲等[37]研究同樣表明，礦化的秸稈組分能夠促進氮循環，減少氮素淋溶，提高氮素利用率。本研究中，與單施雞糞相比，配施秸稈使全年可溶性總氮淋失量和灌溉水滲漏損失量平均降低25.5%和24.3%，但是配施小麥秸稈并沒有顯著降低滲漏液中礦質態氮濃度，配施玉米秸稈也僅使礦質態氮濃度降低11.2%（冬春季）和4.2%（秋冬季）。由此可見，配施小麥秸稈降低氮素淋溶損失主要歸因于秸稈增加了水分保持能力，降低了灌溉水的淋溶損失。

4 結 論

1）日光溫室栽培條件下，氮素的淋溶損失主要發生于秋冬季，滴灌和漫灌模式下，該季可溶性總氮淋失量占全年淋失量的56.8%和71.1%。

2）可溶性有機氮占可溶性總氮淋失量的 16.5%～34.6%，平均為25.6%。

3）漫灌模式下全年可溶性總氮的淋溶損失量達395.4 kg/hm2，占全年氮投入量的 22.2%。與漫灌模式相比，由于滴灌降低了滲漏液中礦質態氮的濃度，進而使滴灌模式下全年可溶性總氮淋失量降低25.5%。

4）與單施雞糞相比，雞糞配施秸稈（玉米或小麥）使全年灌溉水滲漏損失量平均降低24.3%，進而使全年礦質態氮和可溶性有機氮淋失量分別降低26.6%和33.7%。