程曉楠,田曉楠,郭艷杰,2*,李瑞娟,張麗娟,吉艷芝*,李博文,2
(1 河北農業大學資源與環境科學學院 / 河北省農田生態環境重點實驗室 / 河北產業協同創新中心,河北保定 071001;2 華北作物改良與調控國家重點實驗室,河北保定 071001;3 河北正潤環境科技有限公司,河北石家莊 050000;4 河北省任丘市農業農村局土壤肥料工作站,河北任丘 062550)
隨著人們對蔬菜需求量的增加,我國設施蔬菜種植面積逐年擴大,近20年增加了53.1%[1]。為了追求設施蔬菜產量,生產中更加依賴化肥的施用,尤其是氮肥的投入分別達到了露地蔬菜和糧食作物的1.6與3.2倍[2]。過量的氮肥投入造成氮素的氣態損失、淋洗損失和土壤累積,嚴重威脅著生態環境[3]。其中壽光蔬菜大棚的氮肥用量是當地小麥、玉米的6~14倍[4],江蘇設施菜地氮肥投入量比測土配方施肥區高17.32%[5],全國設施蔬菜調研的氮肥施用量是推薦量的1.9倍[6]。蔬菜是淺根系作物,很難吸收淋溶到土壤下層的氮素,致使淋洗至根區以外的氮素污染淺層地下水[7]。華北平原地區硝酸鹽的平均含量為86.8 mg/L[8],超過世界衛生組織(World Health Organization, WHO)飲用水標準(50 mg/L)的1.74倍。同時土壤氮素以NH3和N2O形式的損失量約占投入量的10%[9],N2O的排放量占我國農業N2O排放總量的21%[10-11]。因此,合理有效的施用氮肥,是當前集約化蔬菜產區亟待解決的問題。
有研究表明,減少氮肥投入是降低氮素損失的有效途徑,在傳統施氮量1000 kg/hm2的基礎上減氮50%,能有效降低設施番茄土壤硝態氮殘留達56.61%,表觀氮素損失降低45.72%,土壤氮素平衡盈余率降低34.26%[12];在270 kg/hm2施氮量基礎上減氮40%,能使番茄產量顯著提高183.6%,氮素利用率顯著增加10.5個百分點[13]。也有學者研究發現,硝化抑制劑能夠延緩銨態氮向硝態氮的轉化速度和強度,減少NO3--N的淋溶和反硝化損失[14],從而提高作物對氮素的吸收和利用率[15-16]。減量施氮配施硝化抑制劑能使黃瓜增產23.3%[17]、西瓜可溶性糖含量提高0.77%~1.25%[18];N2O的排放減少42.1%~64.1%,但NH3揮發損失顯著增加34.3%~40.4%[19];芹菜地上部分氮素利用率提高到16.85%,土壤硝態氮含量降低12.28%~56.73%[20]。近年來,微生物菌劑因綠色環保和環境友好等特點,已成為我國的研究熱點[21]。有研究發現微生物菌劑在改善土壤環境、促進作物生長和提高氮素利用等方面作用顯著[22-23]。施用微生物菌劑的土壤硝態氮含量和N2O平均排放通量分別降低22%~29%和58.3%~73.1%[24],氨揮發量降低13.81%~42.21%[25],番茄產量、可溶性固形物、可溶性蛋白和可溶性糖分別顯著增加24.66%、31.05%、27.82和62.73%[26]。同時減氮配施微生物菌劑還能夠塑造良好的根系生長環境,能夠使小麥的氮素累積量提高11.3%,提高了氮素利用率[27]。可見,硝化抑制劑與微生物菌劑在菜田環境和蔬菜產量等方面發揮著良好的作用。
硝化抑制劑與菌劑對作物提質增產和環境友好均表現出良好效果,但硝化抑制劑和菌劑對土壤中氮素的去向有何影響?譙江蘭[28]在設施番茄上的研究證實了硝化抑制劑和菌劑在提高氮素利用率方面確實起到了協同的效果;張春楠等[29]在設施甜瓜上發現硝化抑制劑和菌劑配施能活化土壤養分,提高植物對養分的吸收;郭嬌[30]在設施黃瓜的研究發現,硝化抑制劑與菌劑在減少土壤氮素累積和降低N2O排放量與NH3揮發量方面有良好的效果。因此,本研究以設施茄子為研究對象,探究硝化抑制劑和微生物菌劑單施與配施對土壤-茄子體系中氮素的吸收利用、氣態損失及土壤殘留的影響,為設施蔬菜的優質、高效種植提供科學依據。
試驗于2019年9月24日—2020年5月10日在河北省保定市定興縣龍華村華農蔬菜合作社(E115°58'97″,N39°16'86″)的溫室大棚進行。定興縣位于冀中平原腹地,京津保中心地帶,地理位置優越并且地勢較為平坦開闊,土層深厚,適宜蔬菜生長,可為京津保地區提供穩定的蔬菜需求。試驗地土壤基本理化性質見表1。
供試作物為茄子,品種為‘107’圓茄。供試商品有機肥(含N 2.38%、P2O51.01%、K2O 1.39%),化肥有尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O516%)和硫酸鉀(K2O 52%)。供試抑制劑為DMPP (3,4-二甲基吡唑磷酸鹽)。供試菌劑枯草芽孢桿菌菌劑(粉劑,有效活菌數≥7.6×109cfu/g)、膠質類芽孢桿菌菌劑(粉劑,有效活菌數≥7×108cfu/g)。
試驗共設6個處理:不施氮肥對照(CK)、常規施氮量 (720 kg/hm2,FN)、減施30%氮肥(N 504 kg/hm2,RN),以及減氮30%配施硝化抑制劑DMPP(RND)、菌劑(RNB)和同時配施DMPP及菌劑(RNDB)。施氮量包括基肥中商品有機肥和追肥中尿素的純氮量,每次施肥中減氮及減氮配施DMPP和菌劑處理的施氮量均在常規處理FN的基礎上減氮30%進行施用。硝化抑制劑DMPP用量為純氮量的2%,菌劑為枯草芽孢桿菌和膠質類芽孢桿菌菌劑,用量分別為20×1012、40×1012cfu/hm2。每個處理3次重復,共18個小區,小區面積29.63 m2(3.75 m×7.90 m)。茄子種植密度為 2.84×104plant/hm2。
于2019年9月24日施基肥,2019年9月25日定植,2020年5月10日收獲。整個生育期共追肥7次,分別為2019年12月3日、2020年1月8日、2020年2月4日、2020年3月4日、2020年3月20日、2020年4月5日、2020年4月20日。其中,每個處理的磷鉀肥用量保持一致,分別為295和680 kg/hm2。各處理肥料、菌劑等具體用量見表2。施肥后灌水,肥料與DMPP施入方式為溝施,溝深10 cm,菌劑稀釋后再進行灌根,其余田間管理都按當地常規操作進行。

表2 試驗處理養分與硝化抑制劑和菌劑具體施用劑量Table 2Dosage of nutrient, DMPP andstrains in each experimental treatment
1.4.1 產量測定 茄子收獲到采摘結束期間,按小區記錄每次采摘的茄子累計產量同時測定單果重。
1.4.2 植株樣品采集與品質測定 在茄子‘四門斗’期(第3次分枝),每個小區采集充分膨大且外觀大小一致的商品果實樣品3個,測定品質指標。維生素C含量用鉬藍比色法測定,可溶性糖含量用濃硫酸-蒽酮比色法測定,可溶性蛋白質含量用考馬斯亮藍G250染色法測定,果實橫縱徑用游標卡尺測量。
1.4.3 植株氮吸收量 收獲后采集各小區長勢均勻的3株完整植株,分為果實、莖稈、葉片和根系4個部分在105℃下殺青30 min,65℃烘干至恒重。然后記錄干生物量,粉碎后采用濃H2SO4-H2O2消化—凱氏定氮法測定N含量。
1.4.4 氣體樣品的采集與測定 N2O利用密閉式靜態箱采集,氣相色譜法測定。箱體高15.50 cm,底座直徑15.00 cm。于每次追肥后第1、2、3、5、7、9 天采氣。采樣時間為每天上午9:00—11:00,每隔15 min采樣1次,共采集3次氣體,每次采集氣體后注入20 mL真空瓶內,利用Agilent 7890A型氣相色譜儀分析測定。
NH3采用海綿通氣法采集測定[31],海綿吸收的氨用1.0 mol/L KCl浸提,采用連續流動分析儀測定。裝置內徑15.00 cm,高14.50 cm。每次施肥灌水后連測 10 天[32]。
1.4.5 土壤剖面樣品采集與測定 種植前采用“S”形取樣方式,用土鉆采集5個樣點土壤,采集深度為0—120 cm,每30 cm為一個樣品,用于測定土壤基本理化指標。收獲后,每個小區選3個點,用土鉆取0—120 cm土壤剖面樣品,每30 cm為一個樣品,鮮樣采用1.0 mol/L KCl溶液浸提,連續流動分析儀測定硝態氮含量。
土壤容重采用環刀法測定;pH按水土比2.5∶1,酸度計測定。有機質采用重鉻酸鉀外加熱法測定;有效磷、速效鉀分別采用0.5 mol/L NaHCO3和1 mol/L CH3COONH4溶液浸提,紫外分光光度計測定有效磷,火焰分光光度計測定速效鉀。

式中:ρ為標準狀態下N2O氣體密度(其值為1.25 kg/hm3);H為靜態箱高度(m);Δc/Δt為N2O濃度變化率;T為測定時箱體內的平均溫度(℃)

式中:M為單個裝置平均每次測得的氨量(NH3--N,mg);r表示裝置半徑(m);D為每次連續捕獲時間(d)。
N2O凈損失率(%)= (施氮處理N2O累積排放量-不施氮處理N2O累積排放量) /施氮量×100
NH3凈損失率(%)= (施氮處理NH3累積揮發量-不施氮處理NH3累積揮發量)/施氮量×100
各器官吸氮量(kg/hm2)= 各器官生物量×各器官氮含量/106
硝態氮累積量(kg/hm2)= 土層厚度(cm)×土壤容重(g/cm3)×硝態氮含量(mg/kg)/10
氮肥偏生產力(kg/kg)= 單位面積產量(kg)/單位面積施氮量(kg)
氮肥表觀利用率(%)= (施氮處理植株總吸氮量-不施氮處理植株總吸氮量)/施氮量×100
氮肥農學效率(kg/kg)= (施氮處理作物產量-不施氮處理作物產量)/施氮量
試驗數據處理和作圖采用Microsoft Excel 2016,統計分析采用SPSS 22.0進行單因素方差分析,選用LSD (P<0.05為顯著)進行多重比較。
從表3可以看出,常規施氮FN和減氮RN處理的產量差異不顯著,分別為92.07和88.63 t/hm2。減施氮量下,RND、RNB和RNDB處理的產量分別較RN處理顯著增加12.7%、18.9%和26.7%;硝化抑制劑與菌劑聯合施用的RNDB處理比RND處理顯著增產11.0%,但與單施菌劑的RNB處理差異不顯著,且RND和RNB處理也未表現出產量差異。單果重不同處理間的變化與產量的變化趨勢一致,RND、RNB和RNDB處理茄子單果重分別較RN處理顯著增加8.2%、10.1%和16.8%,但RND、RNB和RNDB 3個處理差異不顯著。
表3顯示,除果形指數差異沒有顯著性外,茄子其他品質指標均表現為添加硝化抑制劑或菌劑處理高于未添加的處理。維生素C含量在RND、RNB、RNDB處理間無顯著差異,但較RN處理分別顯著提高23.2%、30.5%和34.4%;可溶性蛋白質含量分別比RN處理顯著增加12.5%、13.6%和20.5%,RND、RNB、RNDB處理間差異不顯著;RNDB處理的可溶性糖含量最高,為0.95%,較RND和RNB處理分別顯著提高17.3%和18.8%。

表3 不同處理對設施茄子產量和品質的影響Table 3 Yield and quality of eggplant under different treatments in a greenhouse
由表4可以看出,減氮30%處理(RN)的茄子根、莖、葉、果實吸氮量與常規施氮量處理(FN)相比,均有所降低,根的降低幅度達到顯著水平。而RND、RNB和RNDB處理各部位及總吸氮量與FN相比均無顯著差異。RNDB處理各部位和總吸氮量均高于RN處理,總吸氮量顯著高于RN處理16.1%。

表4 不同處理茄子吸氮量及氮素利用率Table 4 Nitrogen uptake and use efficiency of eggplant under different treatments
氮肥的表觀利用率(NUE)反映當季作物對氮肥的回收情況,氮肥農學效率(NAE)反映單位氮肥用量的增產量。RNDB處理氮素表觀利用率最高為20.87%,分別較RND和RNB處理提高2.44%和2.80個百分點。RN處理的NUE和NAE與FN處理相當,即減少常規施氮量的30%并未提高氮肥的回收率和增產率。而RND和RNB處理的NUE雖然相較于FN處理的提升幅度未達到顯著水平,但其農學效率顯著高于FN和RN處理,RNDB處理的NUE和NAE均顯著高于FN和RN處理,表明同時配施DMPP和菌劑提升氮肥效率的效果好于單獨配施DMPP或者菌劑。氮肥偏生產力(NPFP)為單位氮肥用量的產量,RNDB處理的NPFP與RNB處理相當,但顯著高于RND處理,RND和RNB處理顯著高于RN處理,RN處理顯著高于FN處理。因此,減氮30%同時配施DMPP和菌劑不僅提高了對化肥的回收量,而且更有效地用于果實的生產。
2.3.1 土壤N2O排放通量動態變化 從圖1可看出,所有施氮處理的土壤N2O排放通量均在施肥后第 1~2 天達到峰值,峰值在 1253~2508 μg/(m2·h),與CK處理差異顯著,隨后逐漸降低并在第9天后與CK基本一致;與FN處理相比,減氮30%的RN、RND、RNB和RNDB處理土壤N2O排放通量峰值顯著降低27.9%~50.0%,說明降低氮肥投入能有效降低N2O排放通量。相同施氮量下,RND、RNB、RNDB處理的土壤N2O排放通量峰值分別比RN處理顯著降低了30.6%、24.4%和23.0%,說明單施DMPP、菌劑或二者合用均能有效降低土壤N2O排放通量峰值。FN處理平均N2O排放通量為2998 μg/(m2·h),RN、RND、RNB、RNDB 比 FN 分別顯著降低37.2%、55.9%、43.0%和58.1%。RND和RNDB處理平均N2O排放通量則比RN處理顯著降低33.3%~34.6%。由此可見,DMPP能有效減少土壤N2O排放,菌劑對土壤N2O排放有一定抑制作用,且DMPP與菌劑配施表現出一定的協同作用。

圖1 設施茄子追肥期間土壤N2O排放通量動態變化Fig.1 Dynamics of soil N2O emission flux under different fertilization treatments
2.3.2 土壤NH3揮發速率動態變化 由土壤氨揮發速率動態變化(圖2)可知,不施氮CK處理在整個追肥期間的NH3揮發速率峰值僅為0.03 kg/(hm2·d),施氮處理均在施肥后2~3天達到峰值,在0.24~0.38 kg/(hm2·d),隨后逐漸降低,并在9~10天后趨于穩定;與FN處理相比,RN、RND、RNB、RNDB 4個減氮處理的土壤NH3揮發速率峰值顯著減小了29.0%~36.8%;與RN處理相比,RND處理表現出上升趨勢,RNB和RNDB處理則呈下降趨勢,但差異均未達到顯著水平。在整個監測期間,FN處理平均土壤NH3揮發速率為0.09 kg/(hm2·d),減氮30%的RN、RND、RNB、RNDB處理比FN處理分別顯著降低31.0%、23.3%、32.0%和26.8%;與RN處理相比,RND處理顯著增加了平均NH3揮發速率,雖然RNDB處理的平均NH3揮發速率有所增加,但未達到顯著差異水平,而RNB處理的平均NH3揮發速率表現出小幅度的下降趨勢,差異不顯著。說明DMPP在一定程度上增加了土壤NH3揮發,但菌劑對土壤NH3揮發無明顯影響。

圖2 設施茄子追肥期間土壤NH3揮發動態變化Fig.2 Dynamic changes of soil NH3 volatilization rate under different fertilization treatments
2.3.3 土壤N2O排放和NH3揮發的氣態損失量 從表5可以看出,與FN處理相比,RN、RND、RNB和RNDB處理土壤N2O累積排放量顯著降低了26.1%~49.9%;相同施氮量下,RND和RNDB處理的N2O累積排放量較RN處理分別顯著降低32.1%、32.3%,RNDB的N2O累積排放量比RNB顯著降低28.8%。同樣,在N2O凈損失率中RNDB處理比RN處理顯著降低了37.6%。RN、RND、RNB和RNDB處理土壤NH3累積揮發量比FN處理顯著降低15.3%~34.8%;相同施氮量下,與RN處理相比,RND和RNDB處理土壤NH3累積揮發量分別增加了23.2%和9.1%,RN與RNDB處理差異不顯著。相比FN處理,其余各處理的N2O排放和NH3揮發的氣態損失量顯著降低26.33%~85.48% (FN處理的氣態凈損失總量顯著高于其他施氮處理35.35%~49.69%),減氮30%處理間差異不顯著。但RNDB處理比RND處理N2O排放量,NH3累積揮發量和二者的氣體損失量分別降低0.3%、11.5%和9.1%。

表5 不同處理土壤N2O累積排放量與NH3累積揮發量(kg/hm2)及凈損失率(%)Table 5 Cumulative N2O emission and NH3 volatilization(kg/hm2) and the net loss rate (%) in different treatments
從不同處理茄子收獲后0—120 cm土壤剖面NO3--N累積量(圖3)可以看出,CK處理最低,為750 kg/hm2;FN處理最高,為2440 kg/hm2。與FN處理相比,RN、RND、RNB和RNDB處理的NO3--N累積量分別顯著降低17.5%、34.1%、17.6%和35.2%,降低幅度以RNDB處理最大,RNDB處理的NO3--N累積量顯著低于RNB處理,與RND處理差異不顯著,RNDB處理比RN、RNB和RND處理0—60 cm土層NO3--N累積量分別降低17.6%、17.7%和2.2%;60—120 cm土層RNDB的NO3--N積累量為744.0 kg/hm2。

圖3 不同處理設施茄子收獲后0—120 cm土壤剖面NO3--N累積量Fig.3 Soil NO3--N accumulation in the 0-120 cm soil profile in different treatments after eggplant harvest in a greenhouse
各處理硝態氮均在0—30 cm表土層的累積量較多,FN和RN處理的硝態氮累積量分別為662和565 kg/hm2,二者無顯著差異。與RN處理相比,0—30 cm土層RND與RNB處理NO3--N累積量無顯著差異,而RNDB處理顯著降低了20.7%。在30—60 cm的土層中,除CK外,各處理的硝態氮累積量在175~484 kg/hm2,且差異不顯著。0—60 cm土層RNDB NO3--N累積量為873.1 kg/hm2。在60—90 cm土層中,RNDB處理比RNB處理顯著降低了35.1%,與RND處理差異不顯著。在90—120 cm土層中,FN處理的NO3--N累積量為626 kg/hm2,顯著高于其他處理。
氮素是植物體生長的必需元素,其對作物產量的貢獻率高達40%~50%[33],并且也是影響品質的重要因素[34]。本研究表明,與CK處理相比,各施氮肥處理均能顯著提高茄子產量、單果重及可溶性蛋白含量等指標;硝化抑制劑與菌劑配施的RNDB處理表現出良好的協同效果,比單一添加硝化抑制劑或菌劑處理的增產與提質效果顯著。石艷星[35]和郭廣正等[36]研究發現,減氮配施菌劑或硝化抑制劑對蔬菜的產量及果實品質均有顯著的促進作用。
作物吸氮量是反映植株生長能力的重要指標之一,而植株良好的生長勢是確保蔬菜優質豐產的前提。本試驗中硝化抑制劑與菌劑配施的RNDB處理吸氮量為259.66 kg/hm2,比RN處理顯著提高16.1%;氮肥表觀利用率最高為20.87%,分別比RND和RNB處理提高2.44%和2.80個百分點,高于硝化抑制劑與菌劑單施的效果,這與郭嬌等[37]在蔬菜上的研究結果一致。其原因一是由于硝化抑制劑能夠抑制銨態氮向硝態氮轉化[38],使NH4+-N在土壤中大量聚集并且留存時間較長[39],促進植株對氮素的吸收,進而促進作物增產;二是由于微生物菌劑在土壤中可以活化速效養分或土壤微生物菌群,從而促進植物的吸收,有利于植物生長[40]。硝化抑制劑與菌劑配施后,土壤NH4+-N較單施硝化抑制劑或菌劑的處理有所增加,從而增加了植株的吸氮量。
農田土壤氮素的氣態損失途徑主要為NH3揮發、硝化-反硝化產生的N2O的排放,且隨著施氮量的增加,氣態氮素的損失量也隨之增加[9]。本試驗條件下,與減氮RN處理相比,單施硝化抑制劑的RND處理N2O損失量顯著降低32.1%,NH3揮發量顯著增加23.2%,由于硝化抑制劑抑制土壤中硝化微生物的氨氧化過程,減少土壤NH4+-N向NO2--N的轉化,使土壤中銨態氮濃度能夠維持較長的時間[41],減少NO2--N的累積,從而降低土壤中N2O產生和排放[42-43],增加了NH3揮發[44]。本研究中傳統施氮處理的氣態凈損失總量為23.89 kg/hm2,顯著高于其他施氮處理,達35.35%~49.69%;而單施硝化抑制劑、單施菌劑、硝化抑制劑與菌劑配施處理的氣態凈損失總量分別為17.65、15.96和16.05 kg/hm2,且3個處理間差異不顯著。單施硝化抑制劑的N2O排放量、NH3揮發累積量和二者的氣體損失量與硝化抑制劑/菌劑配施的數值相近,但RNDB處理比RND處理分別降低0.3%、11.5%和9.1%;而且與減氮RN處理相比,單施菌劑處理的N2O排放量和NH3累積量雖有所降低,但差異不顯著,由此說明了菌劑對于氮素氣態轉化的影響不明顯,而菌劑、硝化抑制劑配施的處理中硝化抑制劑的效果表現更為突出。
由于設施蔬菜栽培的環境封閉和生產高度集約化[45],換茬頻率與周年利用率較高,土壤中過量的氮肥未能及時被作物吸收利用而產生大量殘留,加之大水漫灌和灌水頻率高,導致其向蔬菜根圈底層土壤遷移和累積[46-47]。本研究中,0—60 cm土體作為茄子根區范圍,NO3--N累積量表現為FN>RNB>RN>RND>RNDB>CK,硝化抑制劑與菌劑配施的RNDB處理比RNB和RND處理分別降低17.7%和2.2%;60—120 cm土體的NO3--N累積量表現為FN>RN>RNB>RND>RNDB>CK,RNDB處理比 RND和RNB處理分別降低1.0%和25.2%。硝化抑制劑和菌劑配施能降低土壤硝態氮累積,主要是由于硝化抑制劑和微生物菌劑的作用機理不同。硝化抑制劑降低土壤NO3--N累積量主要是抑制了土壤的硝化作用所致[28,40]。而枯草芽孢桿菌(本試驗所用菌劑)一方面能產生許多抗生素和植物激素活性的化合物,調節大氣固氮菌固定大氣中的氮素[48];另一方面由于溶磷解鉀菌(枯草芽孢桿菌與膠質類芽孢桿菌)的施用,能夠產生疊加效應,提高土壤速效氮的含量,提高氮素利用率[49]。
在供試條件下,將茄子施氮量由720 kg/hm2減至504 kg/hm2,對茄子的產量和品質、氮素吸收總量和氮肥吸收利用效率、農學效率均無不利影響。但相比RN處理,配施硝化抑制劑降低了N2O排放量提高了NH3揮發量,而配施菌劑沒有影響N2O排放量,只降低了NH3揮發量,因而同時配施DMPP和菌劑有效減少了N2O排放量,且對NH3揮發量影響較小,提高了茄子氮素吸收總量,因而顯著降低了0—60 cm土層土壤氮素殘留。因此,減氮配施硝化抑制劑與菌劑是實現茄子優質高產、環境友好的有效措施。