水肥減量對土壤硝態氮和番茄產量品質的影響

王麗娟 ，孫嘉星 ，韓衛華 , ，高麗麗 , ，毛麗麗 , ，李昊儒 , ，龔道枝, *

（1.中國農業科學院 農業環境與可持續發展研究所，北京 100081； 2.農業農村部旱作節水農業重點實驗室，北京 100081）

0 引 言

【本研究的重要意義】由于經濟和技術水平所限，在溫室種植實際生產中，農民為了追求更高的經濟效益，投入的水肥用量往往超過番茄自身對水肥的需求。在水肥一體化條件下，當土壤含水率較高時，硝態氮將隨水向下淋失，施入農田中的氮肥大約30%～50%通過淋溶進入地下水，導致地下水硝態氮量增加[1]，造成地下水硝酸鹽污染。而當土壤含水率較低時，硝態氮易在土壤中積累，積累的硝態氮如果無法及時被作物吸收，將降低肥料利用率并造成土壤酸化和鹽漬化問[2]。因此，通過控制水肥合理投入量以達到土壤中的硝態氮被作物有效利用，減少硝態氮淋失造成地下水硝酸鹽污染和硝態氮積累問題，對農業可持續發展具有重要意義。【前人研究進展】一些學者們對水肥一體化條件下水肥減量對番茄的產量、品質和水肥利用效率進行了大量的研究[2]，此類研究主要集中于水肥減量對番茄產量等經濟效益的影響，未考慮水肥減量對溫室土壤環境的影響。也有一些學者做了日光溫室內不同水肥投入對土壤硝態氮積累量和番茄產量品質影響的相關研究[3]。【本研究切入點】本試驗結合當地農民的習慣水肥用量，探究水肥一體化下不同梯度的水肥減量投入對土壤含水率、土壤硝態氮積累量、番茄產量品質、水肥利用效率的影響，彌補了前人研究中缺乏結合當地農民慣用水肥投入量，大多停留在科研階段的不足。【擬解決的關鍵問題】通過試驗，提出當地水肥管理條件下土壤硝態氮殘留量最小，且對番茄減產影響最小的適宜水肥投入減量比例，本研究結果可為當地兼顧減少水肥資源浪費、環境污染和番茄果實產量品質的水肥投入量提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2018 年8 月—2019 年2 月在張家口市宣化區晟佳農業科技有限公司日光溫室內進行。試驗地位于北緯40°60′，東經114°95′，海拔623 m，屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫7.6 ℃，年降水量400～600 mm，年均蒸發量為 950 mm。供試番茄品種為“16-6”，種植期間地面全覆蓋聚乙烯薄膜，滴灌系統主要由井水水源、水泵、旋翼式水表、液壓比例施肥泵（比例施肥泵安裝于整個溫室管道首部）和輸配水管道系統組成，滴頭間距為30 cm，內徑為8 mm，滴頭流量為2 L/h，滴灌工作壓力為0.1 MPa，試驗溫室的長度、跨度和高度分別62、10 m 和4.5 m，溫室為東西走向，番茄種植列為南北向。溫室深層（50 cm以下）土壤為砂土，本季種植前表層（0～50 cm）土壤為黏土，其基本理化性質見表1。

表1 供試溫室基礎土壤理化性質 Table1 Physical and chemical properties of basic soil in greenhouse

1.2 試驗設計

番茄定植時所有處理施用的基肥量和灌水量一樣，基肥包含約27×103kg/hm2雞糞 、7.5×103kg/hm2牛糞，折合氮量約67.27 kg/hm2，依據周博等[4]在陜西楊凌日光溫室的研究結果，氮素當量有效量（當季有機肥氮素攜出量與化學氮肥氮素攜出量的比值）取值39.63%，即相當于基肥施入化肥氮素26.65 kg/hm2。追肥氮肥為水溶性尿素，含氮量為11.6%。試驗設4個處理，其中常規處理（CK）水肥用量為當地農戶平均習慣用量，3個水肥投入減量處理為H（80%CK）、M（60% CK）、L（50%CK），（每次灌水量和施肥量的減少梯度是一樣的）每個處理設置3 個小區重復，每個小區栽植6 行，約120 株，寬窄行栽培，行距分別為80 cm 和70 cm，株距50 cm，1 行1 管布置，每個小區面積45 m2，試驗采用完全隨機區組排列，共12 個小區。每個小區的首部單獨安裝了水表和閥門控制灌水量，最后CK、H、M、L 處理整個生育期的總灌水量為2 171.59、1 737.261、1 302.95、1 085.76 m3/hm2。施肥時，按照農戶習慣施肥量CK，在施肥前1～2 d 按照水肥減量梯度將肥料分別溶于4 個桶中，4 個處理分別進行施肥，施肥時控制肥水比率為4%，隨水施肥的水量計入總的灌水量。整個生育期施肥3 次，最后總計整個生育期施肥量，CK 施入化肥氮素133.33 kg/hm2，其余3 個水肥減量處理施入化肥氮素，各處理追肥施入的化肥氮素占總施入氮素（即基肥量+追肥量）的83%、80%、75%、71%，因此，可認為水肥投入減量處理以追肥量為主。總計追入化肥質量為CK：1 149 kg/hm2、H：920 kg/hm2、M：691 kg/hm2、L：575 kg/hm2。水肥減量處理從開花坐果期（9 月15 日）開始，農民視番茄生長和土壤含水率情況確定灌水施肥量和時間，具體灌水施肥量和時間見圖1。

圖1 灌水施肥過程 Fig.1 Process of fertilization amount in whole growth period

1.3 測定項目及方法

土壤含水率[5]：在生育期間，每隔15 d 左右采用土鉆取土烘干法測定每個試驗小區的土壤質量含水率，選取各個試驗小區南北列中間部位土壤作為取樣點，在番茄根區且在垂直滴灌管以下0～20 cm 和20～50 cm2層土壤層分別取土樣。

土壤硝態氮量[6]：施肥前（10 月15 日）和收獲后（1 月19 日）及11 月11 日追肥后1、6 和22 d 后在每個小區中部，分別在0～50 cm（每10 cm 一層）土壤層采集土樣，每個小區采樣2 份，每份約80 g，一份測定土壤含水率，另一份采用0.01 mol/L 氯化鈣浸提，采用連續流動分析儀測定硝態氮量。

土壤硝態氮積累量Ri 計算式[7]為：Ri=Ci×D×H×0.1，Ri 為每一土層的硝態氮殘留量（kg/hm2）；Ci 為該層土壤層土壤硝態氮量（mg/kg）；D 為該層的土壤體積質量（g/cm3）；H 為土壤層深度（cm）；各土壤層硝態氮積累量相加即0～50 cm 土壤層硝態氮積累量。

產量[8]：番茄果實從2018年12月2 日開始采摘，至2019 年1 月19 日完全收獲，每7 天左右采摘1 次，共計采摘8 次，每次收獲時將各試驗小區的番茄果實分別稱質量，最后累計每個試驗小區的番茄產量。

番茄品質[8]：在番茄盛果期，選取每個試驗小區第一層果成熟度一致的番茄5 個，作為測定番茄品質的果實樣品。其中，可溶性固形物采用RHBO-90 型號手持折射儀測定，可溶性總糖測定采用硫酸-蒽銅比色法，有機酸采用高效液相色譜儀（HPLC-MS）測定，取其平均值作為該試驗小區的最終品質指標值。

灌溉水利用效率的計算[8]：

式中：IWUE 為灌溉水利用效率（kg/m3）；Y 為產量（kg/hm2）；I 為灌溉量（m3/hm2）。

肥料偏生產力的計算式為[8]：

式中：F 為追肥的肥料總質量（kg/hm2）。

1.4 數據分析

試驗數據采用Excel2016 軟件和SigmaPlot14.0進行數據、圖表處理，采用R 語言進行單因素方差分析，方差分析差異顯著采用最小顯著差異（LSD）做多重比較。

2 結果與分析

2.1 水肥減量對土壤含水率的影響

圖2 為番茄生育期間的土壤體積含水率（土壤體積含水率為土壤質量含水率與相應土層體積質量的乘積）變化過程。由圖2 可見，0～20 cm 和20～50 cm 的土壤含水率變化隨著水肥減量而減小，土壤含水率為CK>H 處理>M 處理>L 處理，與水肥減量處理一致；生育期間土壤含水率在55%～100%田間持水率之間，依據指導意見[9]水分管理指標為農作物灌溉上限控制在田間持水率的85%～95%，下限控制在55%～65%，表明本試驗中水肥減量后的土壤含水率供應充足。且0～20 cm 土層土壤含水率變化量明顯大于20～50 cm 土層，表明0～20 cm 土層是土壤含水率主要活動層。同時由于番茄是淺根系作物（0～40 cm），深層（50 cm 以下）的土壤含水率并不能被作物根系吸收利用，加之當地溫室土壤的淺層（0～50 cm）土壤為客土（黏土），50 cm 以下為沙土，保水性較差，過量的灌水會加重硝態氮隨水向深層土壤淋失的風險。

圖2 生育期土壤含水率變化 Fig.2 Soil moisture content in whole reproductive period

2.2 水肥減量對土壤硝態氮量的影響

圖3 為生育期前后各處理0～50 cm 土壤硝態氮積累量，未施肥前各處理硝態氮積累量在同一土壤層幾乎無差異，且淺層硝態氮積累量大，而在生育末期各處理硝態氮積累量在同一土層差異顯著，生育末期硝態氮積累量隨著深度呈減小趨勢。各處理生育后期0～30 cm 土壤硝態氮積累量較生育前期有大幅增加（CK、H、M、L 處理生育末期的硝態氮積累量分別為生育前期的2.27、1.66、1.5、1.39 倍），表明水肥減量后的土壤中能直接被作物吸收的氮肥（硝態氮）較為充足。

圖3 生育期前后土壤各層硝態氮積累量 Fig.3 Dynamic of nitrate nitrogen in soil under Irrigation and fertilization reduction

40～50 cm 土壤層硝態氮積累量在生育前期大于生育后期（CK、H、M、L 處理生育前期的硝態氮積累量分別為后期的1.68、2.07、2.19、2.41 倍），在當地水肥管理及土壤質地（沙土），40～50 cm 土壤硝態氮積累量生育前期較大，可能是由于在未施肥前茬所施肥料積累所致。在生育后期H、M、L 處理的0～50 cm 各處理硝態氮積累量分別是CK（309.54 kg/hm2）的76%、68%、62%；表明水肥減量可減小0～50 cm 土壤硝態氮積累量。

2.3 水肥減量對番茄產量、品質和水肥利用效率的影響

表2 為不同水肥減量處理番茄品質。番茄的品質可分為商品品質、風味品質、營養品質等，營養成分是蔬菜品質問題的核心，其中可溶性總糖、可溶性固形物和有機酸量是評價番茄果實營養品質的重要指標[10]。由表2 可見， H、M 和L 處理可溶性總糖含量、可溶性固形物和有機酸量較CK 有所增加，且有機酸量、可溶性固形物和可溶性總糖在CK 和L 處理之間差異顯著（p<0.05）；糖酸比是果實中糖量與酸量的比值，良好的風味品質必須在較高的含糖量基礎上有合適的糖酸比，合適的糖酸比為6.9～10.8，但也有研究認為糖酸比應為4～6[11]，本試驗中，糖酸比隨著水肥減量呈先增大后減小的趨勢，但水肥減量后的糖酸比均在上述合適的糖酸比范圍內，各個水肥減量處理糖酸比高于CK，糖酸比在CK 和L 處理之間差異顯著（p<0.05）；本研究結果與羅勤等[12]的研究結果一致，說明適量的水肥減量處理在節約水肥投入的同時，可以小幅改善番茄品質和提高番茄的營養品質和風味品質。表3 為各處理整個生育期水肥投入與產量和水肥利用效率，H、M 和L 處理的番茄產量分別為CK 的86%、72%、67%，灌溉水利用效率和肥料偏生產力在CK、H 和M 處理與CK、H 和L 處理之間差異顯著（p<0.05）。

表2 水肥減量下番茄品質 Table 2 Tomato quality of different treatments

由表3 可見，隨著水肥投入的減量，灌溉水利用效率和肥料偏生產力有所增加，且H 處理的灌溉水利用效率和肥料偏生產力顯著高于CK。綜上所述，水肥投入同時減量20%時，番茄果實減產最小，水肥利用效率顯著增加。

表3 水肥減量條件下的番茄產量與水肥利用效率 Table 3 Tomato yield and irrigation and fertilization utilization efficiency under reduction irrigation and fertilization condition

3 討 論

3.1 水肥減量對土壤含水率、土壤硝態氮的影響

試驗表明，水肥減量處理后，生育期間土壤含水率在55%～100%田間持水率之間，而羅勤等[12]的試驗水肥減量后土壤相對含水率在75%以上，遠大于本試驗水肥減量后的土壤含水率，這可能是由于試驗設計梯度不同引起的。有關研究[13]明與農戶常規施肥處理相比，減量施肥明顯降低了硝態氮在土壤剖面中的過量累積，與本試驗（水肥減量處理之后的土壤剖面硝態氮積累表現為CK>H 處理>M 處理>L 處理）水肥減量后土壤硝態氮的變化規律一致。另外，下層土壤硝態氮量較定植前增大，在11 月施肥后有所減小可能是由于溫室夏季（定植前）前茬大量施用有機肥會引起和促進硝態氮向下層遷移，而冬季（11 月）卻相反，有機肥能夠降低土壤硝酸鹽的量，減少硝態氮在土壤中的累積[14]。硝態氮累積生育期結束又有回升，是由于追肥結束后表層土層硝態氮量增加，加之灌水和深層為沙土，導致硝態氮在生長后期逐漸淋洗到更深土層。

3.2 水肥減量對番茄產量、品質的影響

本試驗中水肥減量后，番茄減產較大，而周博等[13]的研究減量施肥處理的櫻桃番茄產量均比CK 增加，其原因是本試驗處理菜農習慣施肥量較低，減量20%、40%和50%后施肥量較低，周博等[13]的試驗設計施肥量均高于本試驗設計量。因此在減量施肥時，減量幅度還要兼顧菜農習慣施肥量，否則可能引起番茄大幅度減產。本試驗所得結果中，番茄果實品質隨著水肥減量呈現先增大后減小的變化規律，而邢英英等[8]的研究結果不同，這可能是由于試驗地點、番茄品種及施肥種類等不同原因引起的。

3.3 水肥減量對水肥利用效率的影響

王峰等[14]在甘肅研究番茄全生育期灌水量減量20%后，灌溉水利用率提高了13%。張學科[14]研究表明，灌水量減量20%，施肥量減量25%時，肥料偏生產力與CK 相比顯著減小。本試驗表明，水肥減量可顯著提高肥料偏生產力與灌溉水分利用效率，與已有相關研究結果一致。

4 結 論

1）水肥減量后土壤含水率仍然較高（下限為55%田間持水率），加速硝酸鹽向土壤深層（40 cm 以下）的淋溶，水肥減量可減小這一問題發生。

2）H 處理番茄產量減產最少（CK 的86%），番茄糖酸比為CK 的1.18 倍。番茄風味品質的糖酸比隨著水肥減量呈先增大后減小的趨勢。不同水肥減量處理灌溉水肥利用效率，隨著水肥減量呈先增大后減小的趨勢，且CK 顯著增加。綜合考慮不同水肥減量處理對土壤含水率狀況、土壤硝態氮積累量、番茄產量品質和水肥利用效率的影響，建議在當地水肥施用管理條件下當地農民的水肥投入習慣，水肥減量20%左右為宜。