水氮調(diào)控對設(shè)施土壤剖面無機(jī)氮分布和番茄產(chǎn)量的影響

尹俊慧，張懋煒，梁 斌，郝祥蕊，劉 蕊，陳 清

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266109；3.上海農(nóng)樂生物制品股份有限公司，上海 201419）

蔬菜產(chǎn)業(yè)是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，其中設(shè)施蔬菜約占70%[1]。我國于20世紀(jì)80年代開始大力發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，目前設(shè)施蔬菜栽培面積已處于世界前列[2]。設(shè)施栽培可以縮短蔬菜作物生產(chǎn)周期，提高蔬菜作物年產(chǎn)量，保障冬季的蔬菜供應(yīng)，給農(nóng)民帶來較高的經(jīng)濟(jì)效益[3]。由于農(nóng)戶一味追求設(shè)施蔬菜種植的高產(chǎn)出，普遍采用過度集約化、大水大肥的管理方式[4]，沒有根據(jù)作物對養(yǎng)分和水分的需求和利用特點進(jìn)行有針對性的水肥管理，造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題和經(jīng)濟(jì)損失[5]。

聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織發(fā)布的數(shù)據(jù)表明，我國設(shè)施蔬菜體系的氮肥施用量已經(jīng)超出世界設(shè)施蔬菜總施氮量的50%，但其氮肥利用率僅為9%~17%[6]。大量研究表明，與其他必需的營養(yǎng)元素相比，蔬菜作物對氮素更為敏感，增加氮肥的施用量具有明顯的增產(chǎn)效果，但是氮素利用率低且土壤中的氮素儲存能力有限[7]。在蔬菜種植過程中，農(nóng)民為了保證作物產(chǎn)量需要長期大量施肥。然而，氮肥過量投入會導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化、潛在環(huán)境污染風(fēng)險增加、蔬菜作物產(chǎn)量減少、蔬菜品質(zhì)下降、出現(xiàn)食品安全等問題[8]。山東壽光作為典型的設(shè)施蔬菜種植區(qū)，其設(shè)施番茄種植過程中每年灌溉水?dāng)y帶的氮素高達(dá)200 kg·hm-2左右[9]。據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計，設(shè)施菜田單季氮肥投入約為2 100 kg·hm-2，其中有機(jī)肥占總氮的50%左右，氮肥投入量是作物利用量的7倍，導(dǎo)致1 800 kg·hm-2的氮剩余[2]。這種過量施氮的問題在其他地區(qū)也很常見[10-11]。在設(shè)施蔬菜的種植過程中，為了獲得高產(chǎn)量和高收入，農(nóng)民有時會進(jìn)行大量的灌溉和施肥，這不僅會導(dǎo)致資源浪費，也會造成土壤中硝酸鹽向土層下部遷移[12]。因此，灌溉與施肥有著內(nèi)在的聯(lián)系，過量施肥結(jié)合不合理的灌溉方式，可能會導(dǎo)致下層土壤硝態(tài)氮的含量不斷增加，顯著增加氮素淋洗損失。我國北方集約化設(shè)施蔬菜生產(chǎn)過程中，每季硝酸鹽淋洗量高達(dá)150~350 kg·hm-2[9,13]。硝酸鹽淋洗被認(rèn)為是設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中氮素?fù)p失的主要途徑之一，也是導(dǎo)致地下水污染的重要因素，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染[14]，這些現(xiàn)象正是許多設(shè)施栽培中普遍存在的問題[15]。綜上所述，我國設(shè)施栽培中普遍存在水肥投入不合理的問題，致使土壤下層中大量養(yǎng)分積累，從而導(dǎo)致氮肥利用率低，引發(fā)硝酸鹽淋洗、水體富營養(yǎng)化等各種環(huán)境問題[16]。

在推進(jìn)蔬菜產(chǎn)業(yè)集約化、規(guī)模化、設(shè)施化發(fā)展的大背景下，水肥一體化技術(shù)憑借節(jié)水節(jié)肥、節(jié)省人工管理等優(yōu)點逐漸被推廣應(yīng)用[17]。建立高效的水肥管理措施是設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的重要保障[18]。目前，優(yōu)化氮肥管理技術(shù)雖然已經(jīng)在設(shè)施栽培領(lǐng)域得到了廣泛的研究和試驗的驗證，但是合理的氮肥管理與設(shè)施栽培依然存在結(jié)合不匹配、不深入的問題。目前已有的研究主要集中在氮肥用量、灌溉方式、灌溉量等單一因素對土壤剖面氮分布和作物氮素吸收的影響，對于設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中水肥一體化中水氮耦合的相關(guān)研究不足[10,19-21]。要想實現(xiàn)水肥的精準(zhǔn)管理，除了明確作物的水肥需求規(guī)律以外，還需要精準(zhǔn)調(diào)控土壤的水分狀況[22-23]。基于土壤墑情原位監(jiān)測的智能灌溉模式，可以實現(xiàn)少量多次的高頻灌溉，使養(yǎng)分集中在根系附近，減少其淋洗損失，從而提高其利用效率[22]。本研究以山東壽光地區(qū)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中具有代表性的日光溫室作為試驗地點，以經(jīng)濟(jì)作物番茄為研究對象，結(jié)合土壤墑情實時原位檢測技術(shù)設(shè)置不同的水氮耦合措施，確定合理的設(shè)施番茄水氮投入模式，明確各種水氮管理模式中土壤剖面無機(jī)氮的分布及番茄氮素的吸收情況，為提升山東壽光地區(qū)設(shè)施番茄種植中水氮管理水平，提高氮肥利用率及減少水資源浪費提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗在山東省壽光市蔬菜標(biāo)準(zhǔn)中心（36°51′19″N，118°48′48.9″E）的溫室大棚（上海農(nóng)樂生物制品股份有限公司實習(xí)基地）進(jìn)行。該試驗地點的氣候類型為大陸季風(fēng)氣候，年均氣溫12.4℃，年均降雨量為558 mm，全年日照總數(shù)2 500 h以上。供試土壤屬于黃棕壤土。試驗地土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗前土壤理化性質(zhì)

1.2 供試材料

供試作物：鮮食番茄（中型果品種）口感型，生育期120 d左右，冬春季一般2月份定植，4月份采摘，5月底左右完成拉秧，一般每株留5穗果，每穗果4~5個。

供試肥料：雞糞（含氮量1.54%，施用量3.3 t·hm-2）、稻殼（含氮量0.48%，施用量20 t·hm-2），灌溉水加有機(jī)肥投入氮量約為100 kg N·hm-2，硝酸鈣、磷酸二氫鉀、硫酸鉀、氯化銨、硫酸銨等進(jìn)行追肥。目標(biāo)產(chǎn)量80 t·hm-2（鮮食番茄產(chǎn)量低），氮素攜出約200 kg·hm-2，所有處理磷素、鉀素投入一致，化肥P2O5用量為50 kg·hm-2，化肥K2O用量為300 kg·hm-2。

1.3 試驗設(shè)計

試驗根據(jù)不同施氮量和灌溉水分變化幅度設(shè)4個處理：施氮100 kg·hm-2寬幅灌溉（W100），施氮100 kg·hm-2窄幅灌溉（N100），施氮150 kg hm-2寬幅灌溉（W150），施氮150 kg·hm-2窄幅灌溉（N150）。隨機(jī)區(qū)組排列，設(shè)3個重復(fù)小區(qū)。每個小區(qū)三壟一共種植6行番茄（三壟：一壟2行，三壟6行），相鄰兩壟的間隔為0.76 m，每行植株相距0.3 m。灌水方式采用膜下滴灌方式，灌水量、澆水施肥采用基于原位監(jiān)測的全自動施肥機(jī)及其控制策略，實現(xiàn)了營養(yǎng)液的N、P、K濃度監(jiān)測與自動配肥判斷含水量，判斷土壤（基質(zhì)）肥力，根據(jù)施肥濃度計算施肥體積，灌溉施肥，判斷灌水終點，停止灌溉施肥，通過土壤濕度傳感器將土壤數(shù)據(jù)傳入到電腦中，然后根據(jù)電腦之前設(shè)好的參數(shù)來判斷澆水施肥，實現(xiàn)自動化（圖1）。當(dāng)土壤含水率低于田間持水量的65%/68.5%開始灌溉，灌溉至71.5%/75%，按照公式計算其土壤含水率。

圖1 智能滴灌水肥一體化系統(tǒng)

式中，m1為烘干前的質(zhì)量；m2是烘干后的質(zhì)量。

試驗過程中的水分變化情況如圖2所示，與寬幅灌溉相比，窄幅灌溉的水分較為穩(wěn)定且變化幅度較小，達(dá)到了預(yù)期的試驗處理要求。

圖2 不同灌溉條件下土壤水分變化情況

定植后，為了保證各處理施肥量保持與試驗方案相匹配，使試驗順利進(jìn)行：每10 d對各處理養(yǎng)分投入量（尤其是保障氮素投入）進(jìn)行計算，按照植物生育期各時期的理論投入量，以及線上監(jiān)控水肥投入，進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，保證試驗各處理施肥量在一季結(jié)束后按照試驗方案嚴(yán)格執(zhí)行。苗期：水占比27%，N肥占比12%；開花結(jié)果期：水占比37%，N肥占比40%；拉秧期：水占比36%，N肥占比48%。具體施肥和灌水方式如表2所示。

表2 試驗處理

1.4 指標(biāo)測定

分別于番茄的苗期、開花結(jié)果期、拉秧期采集土壤剖面樣品。其中，苗期和花開結(jié)果期采集0~60 cm土壤樣品，拉秧期采集0~200 cm土壤樣品。在施肥壟用螺旋土鉆（直徑4cm）沿垂直方向向下取土，每20 cm土層采集土壤樣品。選取各小區(qū)代表性的番茄植株6株，番茄整個生育期一般結(jié)5~6個穗的番茄，每穗番茄成熟的時候收集果實并記錄質(zhì)量數(shù)據(jù)，拉秧后每穗質(zhì)量累加，結(jié)合番茄植株的種植密度和面積換算出番茄的產(chǎn)量。土壤有效磷的測定采用濃度為0.5 mol·L-1的碳酸氫鈉溶液浸提-鉬銻抗比色法；土壤速效鉀測定采用濃度為1 mol·L-1的醋酸銨溶液浸提-火焰光度計法；土壤有機(jī)質(zhì)測定采用重鉻酸鉀外加熱法。土壤pH值的測定：稱取10 g過篩的風(fēng)干土壤樣品于離心管中，加入25 ml去離子水，磁力攪拌3 min靜置后用玻璃電極法測定。土壤EC的測定：稱取10 g過篩的風(fēng)干土壤樣品于離心管中，加入50 ml去離子水，在水平式往復(fù)振蕩機(jī)（150~180 r·min-1）上震蕩5 min，靜置30 min過濾后用電導(dǎo)法測定。土壤全氮采用濃H2SO4-H2O2消煮，用凱氏定氮儀測定。土壤無機(jī)氮的測定：采用0.5 mol·L-1的KCl溶液，土水比為1∶10，震蕩1 h，靜置過濾，用連續(xù)流動分析儀（AA3，Bran Luebbe，Germany）測定硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的含量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用WPS2019軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和表格繪制。采用SigmaPlot 12.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)圖繪制。利用SPSS22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計檢驗與數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行單因素方差分析，用Duncan法進(jìn)行多重比較，顯著性水平設(shè)置為P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同番茄生育期土壤剖面銨態(tài)氮分布

由圖3可知，番茄苗期土壤剖面的銨態(tài)氮含量較低，各處理0~60 cm土層的土壤銨態(tài)氮含量在2.33~3.76 mg·kg-1。W100和W150處理銨態(tài)氮含量在0~20 cm分別顯著高于40~60 cm土層（P＜0.05）。各土層中不同處理銨態(tài)氮含量均無顯著差異。

圖3 番茄苗期土壤銨態(tài)氮含量

由圖4可知，番茄開花結(jié)果期土壤銨態(tài)氮含量各處理在0~20 cm均分別顯著高于20~40 cm和40~60 cm（P＜0.05）。0~20 cm土壤銨態(tài)氮含量在4.34~11.36 mg·kg-1之間，其中N100處理銨態(tài)氮含量顯著低于其他3個處理（P＜0.05）。N100處理土壤銨態(tài)氮含量在40~60 cm也表現(xiàn)出顯著低于其他3個處理（P＜0.05）。

圖4 番茄開花結(jié)果期土壤銨態(tài)氮含量

由圖5可知，番茄拉秧期土壤銨態(tài)氮含量在不同土層的變化幅度較小，但在不同施氮量和灌溉方式下存在較大差異。W100處理的銨態(tài)氮含量在土壤剖面上顯著高于其他3個處理（P＜0.05），其含量為22.7~29.2 mg·kg-1。W150處理的土壤剖面銨態(tài)氮含量最低。N100和N150處理土壤剖面銨態(tài)氮含量無明顯差異。

圖5 番茄拉秧期土壤剖面銨態(tài)氮含量

2.2 不同番茄生育期土壤剖面硝態(tài)氮分布

由圖6可知，番茄苗期不同處理的硝態(tài)氮含量在各土層表現(xiàn)出明顯的差異。在0~20 cm處，高施氮量（150 kg·hm-2）的N150和W150處理土壤硝態(tài)氮含量顯著高于N100和W100處理（P＜0.05），且N150（23.62 mg·kg-1）處理硝態(tài)氮含量顯著高于W150處理（P＜0.05）。在20~40 cm處，N150處理的土壤硝態(tài)氮含量仍顯著高于其他處理（P＜0.05）。而在40~60 cm處，W150處理的土壤硝態(tài)氮含量為15.25 mg·kg-1，顯著高于其他處理（P＜0.05）。

總體來看，番茄開花結(jié)果期硝態(tài)氮含量隨土層深度增加而呈現(xiàn)下降的趨勢（圖7）。不同處理硝態(tài)氮含量之間在各土層表現(xiàn)出較為一致的變化規(guī)律。W100處理硝態(tài)氮含量在各個土層中均顯著高于其他處理（P＜0.05），分別在0~20、20~40、40~60 cm高達(dá)176、143、41.7 mg·kg-1。N100和W150處理硝態(tài)氮含量在各個土層中均顯著低于其他處理（P＜0.05）。

圖7 番茄開花結(jié)果期土壤硝態(tài)氮含量

番茄拉秧期0~200 cm土層不同處理硝態(tài)氮含量如圖8所示。整體來看，N100、W150處理呈現(xiàn)隨土層深度的加深而先減少后增加的趨勢，N150、W100處理隨著土層深度的加深呈現(xiàn)先增加后減少再增大的趨勢，且所有處理土壤硝態(tài)氮含量均在60~80 cm處出現(xiàn)最低值。在0~200 cm土層深度范圍內(nèi)，W100處理的土壤硝態(tài)氮含量最高，在20~40 cm土層出現(xiàn)最大峰值119 mg·kg-1；其次是N150處理土壤硝態(tài)氮含量較高，并在20~40 cm土層出現(xiàn)最大峰值54.8 mg·kg-1。

圖8 番茄拉秧期土壤剖面硝態(tài)氮含量

2.3 水氮調(diào)控對番茄產(chǎn)量的影響

不同水氮處理對番茄產(chǎn)量的影響如圖9所示。N100、N150處理的番茄產(chǎn)量分別為86.7、81.1 t·hm-2，均顯著高于W100和W150處理（P＜0.05）。W100和W150處理下的番茄產(chǎn)量分別是65.00、69.43 t·hm-2，均低于試驗預(yù)期的目標(biāo)產(chǎn)量80 t·hm-2。

圖9 不同水氮處理下的番茄產(chǎn)量

3 討論與結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，施氮量和水分共同影響著設(shè)施番茄土壤中的氮素分布和遷移。灌溉頻率和施氮量的差異導(dǎo)致每個處理的滴灌的溶液濃度和次數(shù)不同。硝態(tài)氮淋溶是設(shè)施菜地氮素淋溶的主體[24]，本研究同樣發(fā)現(xiàn)，土壤剖面中的氮素主要以硝態(tài)氮為主。土壤硝態(tài)氮的運移依賴于土壤水分運移[22]，試驗中發(fā)現(xiàn)，在番茄的生長后期，W100處理的土壤硝態(tài)氮含量顯著高于N100處理，原因可能是在低濕度土壤中的硝態(tài)氮部分以固體硝酸鹽形態(tài)存在，在土壤中是固定的；在高濕度土壤中的硝態(tài)氮主要以硝酸根離子形態(tài)存在于土壤溶液中，含有硝酸根離子的土壤溶液在向下運移過程中不斷溶解土壤中的硝酸鹽，增加其濃度[25]。大量的單因素試驗表明，隨著施氮量增加土壤硝態(tài)氮積累量增加。而不同研究對于灌溉方式對土壤硝態(tài)氮的影響存在差異，有研究認(rèn)為，隨著灌溉量的增多，硝態(tài)氮淋洗加劇；也有研究認(rèn)為，灌溉強(qiáng)度以及土壤質(zhì)地、孔隙度等物理性質(zhì)將通過影響水分的入滲速度來共同決定硝態(tài)氮的淋洗量[26]。在窄幅灌溉條件下，不同施肥處理的硝態(tài)氮含量隨施氮量的增加而升高并且在深層土壤累積，表明過多氮肥的施入會導(dǎo)致硝態(tài)氮出現(xiàn)在土壤中累積并向土壤深層淋失的現(xiàn)象。在寬幅灌溉條件下，不同施氮量處理在土壤中的硝態(tài)氮分布規(guī)律不一致，原因可能是單次大量灌水導(dǎo)致硝態(tài)氮在土壤中的水平移動能力增強(qiáng)，同時垂直方向滲入力度減弱，導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮含量高。研究發(fā)現(xiàn)，降低灌溉量，增加灌溉頻率可以減少硝態(tài)氮的遷移淋失風(fēng)險[27]。因此，在設(shè)施生產(chǎn)中需要合理調(diào)節(jié)灌溉水分區(qū)間并控制灌溉頻率，從而達(dá)到降低硝酸鹽淋失和提高氮肥利用效率的目的。水分區(qū)間和不同施氮水平還是影響作物產(chǎn)量、吸氮量的重要因素。

通過觀察不同水氮處理下的產(chǎn)量結(jié)果，在相同灌溉幅度下，不同施氮量的產(chǎn)量沒有顯著差異，原因可能是高頻灌溉模式下的養(yǎng)分集中在根系附近，利用率較高，因此受施氮量的影響較小。該結(jié)果也說明在高頻灌溉模式下合理地降低氮肥投入并不會對產(chǎn)量造成影響。在施氮量一致情況下，窄幅灌溉的番茄產(chǎn)量高于寬幅灌溉，說明寬幅灌溉由于更多的養(yǎng)分流失使得產(chǎn)量降低。本研究中水氮耦合對番茄產(chǎn)量的影響主要體現(xiàn)在對灌溉的控制上，不同水氮條件下，蔬菜作物的產(chǎn)量表現(xiàn)不同。因此，在減少氮肥施用量的同時合理調(diào)控灌溉頻率是降低土壤剖面硝態(tài)氮積累和遷移并提高蔬菜產(chǎn)量的有效途徑。

設(shè)施番茄土壤剖面氮素累積和番茄產(chǎn)量受施氮量和灌溉方式的綜合影響。在100 kg·hm-2施氮量條件下，寬幅灌溉施肥將顯著促進(jìn)銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在土壤剖面累積。窄幅灌溉條件下的番茄產(chǎn)量顯著高于寬幅灌溉。綜合番茄產(chǎn)量、降低氮素淋洗風(fēng)險以及氮肥的投入成本考慮，在智能滴灌水肥一體化系統(tǒng)中在施氮量為100 kg·hm-2條件下，將灌溉范圍設(shè)置為田間持水量的68.5%~71.5%是最優(yōu)的水氮耦合模式。