优化施氮模式下设施菜地氮素的利用及去向

姜慧敏， 张建峰， 李玲玲， 李树山， 张水勤， 潘 攀，郭俊娒， 刘 恋， 杨俊诚

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，耕地培育技术国家工程实验室，中国农业科学院土壤质量重点开放实验室，北京 100081)

优化施氮模式下设施菜地氮素的利用及去向

姜慧敏， 张建峰， 李玲玲， 李树山， 张水勤， 潘 攀，郭俊娒， 刘 恋， 杨俊诚*

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，耕地培育技术国家工程实验室，中国农业科学院土壤质量重点开放实验室，北京 100081)

针对设施蔬菜生产中化肥氮高强度投入造成的肥料资源浪费和土壤质量下降等突出问题，以我国设施蔬菜生产典型区山东寿光为研究基地，在该区域3年减施氮肥模式对农学、肥力和环境效应影响的定位试验基础上，应用15N示踪技术，对筛选出的氮肥优化模式进行验证，并定量化地研究氮肥基于C/N调控和基于水分调控的优化模式下氮素的吸收、利用及去向，以期为设施菜地合理的氮素管理提供理论和技术支持。试验设2个处理，1)农民习惯施氮模式(FP)； 2)优化施氮模式(OPT)。研究结果表明， OPT处理的番茄地上部产量和氮素吸收量均高于FP，作物吸收氮只有20%左右来自化肥氮；与FP相比，OPT处理的化肥氮素农学效率和氮素利用率显著提高(P<0.05)；土壤中残留氮主要以硝态氮的形式存在，FP和OPT处理在0—100 cm土层中的残留量分别为N 536.9 和340.3 kg/hm2，主要分布在0—40 cm土层，随着深度的增加，累积量有所减少，OPT处理显著降低了各土层硝态氮的累积(P<0.05)；除了作物吸收和土壤残留的氮，FP和OPT处理中分别有32.4%和8.2%的化肥氮以各种途径损失，OPT处理氮素损失率比FP低24.2个百分点。综合以上研究结果，优化施氮模式对化肥氮的吸收、利用及减少化肥氮的损失方面均优于农民习惯施氮模式。

15N示踪； 设施菜地； 化肥氮素利用效率

Utilizationandfateofnitrogeningreenhousevegetableunderoptimizednitrogenfertilization

以高投入获得高产出为特点的设施蔬菜生产体系中，氮素与其他矿质元素相比，其增产作用更突出、更显著[1]，因此，长期以来设施蔬菜生产一直偏重于施用大量的氮肥。据报道，北京市设施栽培土壤全年平均施氮量为N 1732 kg/hm2，为一般蔬菜氮素吸收量的4.5倍，相当于冬小麦/夏玉米轮作粮田的3.8倍[2]；山东寿光大棚黄瓜的单季化肥氮施用量达到N 1816 kg/hm2[3]。但是作物对营养元素的吸收和利用都是有限的，只有养分供应达到适宜的水平才能确保获得最高的产量，当氮肥施用量已达到产量增加的潜力限度时，过量的氮肥投入有抑制蔬菜产量增加的趋势[4]，过量施氮一方面造成肥料浪费，大量速效氮素累积在土壤中，氮肥利用率常常不足10%[5]，另一方面大量盈余的养分进入环境，存在着巨大的环境风险。累积在土壤剖面中的大量氮素在农民习惯采用的大水漫灌的方式下使氮素随灌溉水被淋洗掉，逐渐进入地下水从而对饮用水的安全性构成威胁[6]。由此可见，过量的氮肥施入已经造成肥料资源浪费和环境风险增加，成为制约设施蔬菜可持续发展的瓶颈。

适宜的氮肥优化模式是设施蔬菜可持续发展的重要保障。国内外关于设施蔬菜合理氮肥管理模式的研究较多，概括起来可分为两类， 一类是采用土壤或植物测试以确定适宜的施氮量的方法[7-9]，但是由于设施菜地特殊的栽培条件，不同地块之间土壤的供氮能力空间分异性很大，因此，这类预测方法提出的合理氮肥施用量基本上是半定量的；另一类是平均适宜施用量法[10]，即给出一定的用量范围，测试的指标较少，可操作性很强，省工省钱，农民也易于掌握，便于推广和实际应用，更加符合我国目前设施栽培茬口紧、缺乏测试设备和技术人员的实际情况[11]。因此，本研究采用第二类方法，前期通过3年的田间定位试验，研究了减施氮肥结合C/N调控和基于水分调控等措施对设施菜地农学效应、肥力效应和环境效应的影响，初步筛选出了优化的氮肥管理模式。为了进一步对优化的氮肥管理模式进行验证，本文采用15N标记的田间微区试验，研究了优化施氮模式下蔬菜对化肥氮素的吸收、利用及化肥氮素在土壤-植物系统中的分配，以期明确优化模式下化肥氮素在设施蔬菜生产体系中的转化及去向，为优化施氮模式下化肥氮素养分高效利用提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

1.2 试验设计

前期定位试验结果表明，50%的农民习惯化肥氮用量+秸秆+滴灌模式为当地番茄生产的氮肥优化模式。本研究应用15N示踪技术拟对这一模式进行验证，试验共设2个处理： 1)FP，农民习惯施氮模式[12](农民习惯施肥量参考2007年对寿光市集约化大棚蔬菜种植区的面上调查，施氮量为N 1000 kg/hm2)，用15N标记的尿素(丰度10.3%，上海化工研究院提供)； 2)OPT，优化施氮模式(50%的习惯化肥氮用量+秸秆+滴灌，施氮量为N 500 kg/hm2)。每个处理3次重复。各处理磷、钾肥和有机肥用量相同，于移栽前按P2O5800 kg/hm2(过磷酸钙)，K2O 1000 kg/hm2(硫酸钾)和干鸡粪(有机质含量39.15%、 N 2.54%、 P2O52.07%、 K2O 2.12%)47244 kg/hm2，作底肥一次施入。具体氮、磷、钾施用量见表1。秸秆为玉米秸秆，鲜重7500 kg/hm2，其含水量为60%，全氮 0.98%，全磷 0.62%，全钾 1.05%，C/N 49。秸秆风干粉碎后(1.5 cm左右)堆制2个月，添加秸秆的处理同有机肥一起基施。整个生育期共追15N标记的尿素4次，分别于基肥后27 d、 43 d、 56 d和69 d将尿素与水混匀后施入土壤。整个生育期共灌水8次，农民习惯施肥模式处理每次灌水50 mm，滴灌采用重力插接式微孔滴灌，每次灌水20 mm。病虫害防治等与当地农民传统方法相同。

表1 肥料施用量(kg/hm2)Table 1 Application rates of fertilizers

1.3 样品采集与分析方法

番茄记产及养分测定： 在初果期、盛果期和拉秧期取果实样品，风干粉碎后过0.25 mm筛，用于测定番茄含氮量和15N丰度，拉秧后取植株样，风干粉碎后过0.25 mm筛，用于测定全氮和15N丰度。

植株和土壤全氮15N的测定：用万分之一分析天平分别准确称取植株样0.1 g，土样5 g，放入消化管中，每样加入催化剂1 g；植株样品加入浓硫酸5 mL，土样加入浓硫酸8 mL；将消化管放在消煮器上消化，温度410℃。植物样品消化清亮后继续消化2 h，土样消化清亮后继续消化4 h；向消化管中加入40%的氢氧化钠溶液15 mL；进行蒸馏，蒸馏液以10 mL 2% 的硼酸溶液吸收，指示剂为甲基红-溴甲酚绿，蒸馏时间为7 min；用标定好的硫酸滴定，并记录滴定体积；向三角瓶中加入1滴0.5 mol/L的硫酸，然后放在电热板上浓缩，浓缩至约N 1 mg/mL，用于测定15N丰度。

样品15N%(≤5%)按下式计算：

样品15N%(>5%)按下式计算：

所需仪器为K-05自动定氮仪(上海晟声自动化分析仪器有限公司)，15N丰度的测定采用改进型ZHT-03质谱仪(北京分析仪器厂)。

1.4 土壤表面氨挥发的原位测定

试验采用的通气法装置如图1[13]， 用PVC硬质塑料管制成，高10 cm，内径15 cm，分别将两块直径为16 cm、厚度均为2 cm的优质海绵浸以15 mL的磷酸甘油溶液(具体配制为50 mL磷酸+40 mL丙三醇，定容至1000 mL)后，置于PVC管中，上层的海绵与管顶部相平，下层的海绵距管底5 cm。上层海绵用来吸收外部空气中产生的氨气，下层海绵用来吸收土壤中挥发的氨气。

图1 田间15N微区氨挥发收集装置Fig.1 Sketch of the NH3 absorption equipment in 15N micro-plots

1.5 计算公式

作物的%Ndff =作物中的15N原子百分超/肥料的15N原子百分超×100

作物Ndff(N kg/hm2)=作物% Ndff×作物吸氮量

土壤硝态氮累积量(N kg/hm2)=土层厚度(cm)×土壤容重(g/cm3)×土壤硝态氮含量(mg/kg)/10

化肥氮利用率(%)=作物化肥氮吸收量/化肥氮用量×100

化肥氮农学效率(kg/kg)=施氮区产量/施氮量

化肥氮素收获指数(%)=果实吸氮量/作物地上部吸氮量×100

土壤的氨挥发速率NH3-N[kg/(hm2·d)]=M/A×D× 10-2

式中： M为通气法单个装置平均每次测得的氨量(NH3-N mg)；A为捕获装置的横截面积(m2)；D为每次连续捕获的时间(d)。

1.6 数据分析

用SAS(8.1)统计软件对所有实验数据进行统计分析，LSD进行数据的显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同施氮模式对番茄氮素吸收的影响

从表2可以看出，OPT处理果实和秸秆的干物质产量分别比FP增加了4.1%和8.3%；果实和秸秆的氮素总吸收量分别比FP增加了8.5%和6.3%。FP处理下作物果实和秸秆吸收的来自化肥15N的氮量分别占果实和秸秆总吸氮量的27.9%、23.7%；OPT处理下作物果实和秸秆吸收的来自化肥15N的氮量分别占果实和秸秆总吸氮量20.5%和16.9%，说明作物吸收的氮只有少部分来源于化肥氮。与FP处理相比，OPT的作物果实和秸秆吸收的来自15N尿素的氮量没有显著差异，的肥料施用情况下，试验区域菜地减量施氮对蔬菜产量和氮素吸收无显著影响。

说明在目前 表2 不同氮肥管理模式下番茄地上部干物质产量及氮素吸收量Table 2 Aboveground dry matter production and N content of tomato as affected by different N fertilizermanagement models

注(Note): 同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平 Values followed by different letters in a column are significantly different among treatments at the 5% level.

2.2 不同施氮模式对番茄氮素利用的影响

OPT处理的氮肥农学效率是FP的2.1倍(表3)，差异达显著水平(P<0.05)，说明50%农民习惯施氮量结合添加秸秆和滴灌的模式能够提高番茄的经济产量，达到了节肥增效的目的。FP处理化肥氮用量为N 1000 kg/hm2，9.6%的化肥氮能够为作物地上部吸收利用，其中果实4.1%、 茎叶5.5%，说明农民习惯施氮模式下作物对氮的利用很低，90%以上的氮进入土壤环境或以其他的途径损失掉了，造成了肥料资源的极大浪费。OPT处理的化肥氮用量为N 500 kg/hm2，17.2%化肥氮能够为作物地上部吸收利用，其中果实7.5%、 茎叶9.7%，显著高于FP(P<0.05)。OPT处理的化肥氮素收获指数相比FP有增加，说明番茄植株中积累的氮较多的分配到果实中，吸收的氮保留在茎叶中的较少，这样可以减少秸秆移走或焚烧所造成的氮素损失，使吸收的氮素较多地转化为经济产量，避免无效累积，提高了氮肥的农学效益。

表3 不同氮肥管理模式对化肥15N的利用Table 3 Effects of different N fertilizer management models on the utilization of chemical fertilizer N

注(Note): 同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平 Values followed by different letters in a column are significantly different among treatments at the 5% level.

0—100 cm土层中来自15N标记尿素的硝态氮含量结果如图2所示，FP处理0—20 cm土层土壤硝态氮含量显著低于20—40 cm(P<0.05)，表明当季化肥氮的下移较明显。随着土层深度的增加，40—60 cm、60—80 cm和80—100 cm硝态氮含量均显著低于0—20 cm和20—40 cm土层(P<0.05)。OPT处理0—20 cm土层土壤硝态氮含量显著高于20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm和80—100 cm(P<0.05)；20—40 cm土层土壤硝态氮含量显著高于40—60 cm、60—80 cm和80—100 cm(P<0.05)；40—60 cm、60—80 cm和80—100 cm土层的硝态氮含量没有显著差异。同一土层不同氮肥管理模式间硝态氮含量相比较，FP均高于OPT，其中20—40 cm土层土壤硝态氮含量显著升高(P<0.05)。以上结果表明，土壤中残留的硝态氮主要分布在0—40 cm土层，40 cm以下土壤硝态氮含量差异不大，施用的化肥氮量越高，土壤中残留的硝态氮含量越高，这样无疑会增加硝态氮被淋洗出根区的可能性及淋失总量。

图2 不同氮肥管理模式对土壤中来自15N尿素的 含量的影响Fig.2 Effects of different N fertilizer management models on N-15N derived from chemical N fertilizer [注(Note): 图中不同小写字母(a,b,c,d)表示同一模式不同土层间差异达5%显著水平，不同大写字母(A,B)表示同一土层不同模式间差异达5% 显著水平Different small letters (a,b,c,d)mean significant at the 5% level among soil layers, and capital (A,B)mean significant at the 5% level among N treatments.]

图3 不同氮肥管理模式对0—100 cm 15N硝态氮累积的影响Fig.3 Soil NO3-15N accumulation derived from chemical fertilizer in the 0-100 cm depth for different N fertilizer management models

2.4 化肥15N氨挥发

本试验中共施肥5次，一次基施，4次追施，追肥的氨挥发速率均高于基肥(图4)。土壤氨挥发主要发生在施肥后的14 d内，随着时间的延长，氨挥发速率逐渐降低。在每次施肥并灌溉后，土壤氨挥发速率呈上升趋势，除基肥外，追肥后第3 d氨挥发速率均达最大值，第一次到第4次追肥FP处理的氨挥发速率分别为N 0.339、0.204、0.197、0.279 kg/(hm2·d)，OPT分别为N 0.0087、0.127、0.026、0.01 kg/(hm2·d)，之后便逐渐下降，到下一次施肥并灌溉后，NH3挥发速率又逐渐增加，如此循环反复。

图4 不同氮肥管理模式下 15N氨挥发速率Fig.4 Effects of different N management models on rate of NH3 volatilization

对整个生育期氨挥发累积量进行分析，结果表明，施氮量的增加显著增加了土壤NH3的累积量，FP处理NH3的累积量显著高于OPT(P<0.05)。基肥和追肥后，FP处理的氨挥发累积量为N 1.95 kg/hm2，OPT为N 0.38 kg/hm2，OPT氨挥发累积量比FP降低了80.5%。

2.5 化肥15N的去向

一般来说，蔬菜作物的根区很少能超过0—90 cm土层，本试验为了更精确，将0—100 cm土层内的氮素视为作物能够吸收利用的有效态氮，而将流出0—100 cm土层的氮素作为损失部分。收获结束后，15N肥料在土壤-作物体系各部分的分配比例见表4。FP处理9.6%的化肥氮能够为作物地上部所利用，其中茎叶利用5.5%、果实利用4.1%。58.0%的化肥氮素残留在0—100 cm土层中，残留量为N 580.2 kg/hm2，主要以硝态氮的形态存在。通过计算15N的平衡，大约有32.4%的化肥氮流出了土壤-作物体系损失掉了，其中氨挥发损失占总损失的0.6%。OPT处理中有17.2%的化肥氮能够为作物地上部所利用，其中茎叶利用9.7%、果实利用7.5%。74.6%的化肥氮残留在0—100 cm土层中，主要以硝态氮的形态存在。通过计算15N的平衡，大约有8.2%的化肥氮流出了土壤-作物体系，其中氨挥发损失占总损失的0.9%。与FP处理相比，OPT显著提高了作物对化肥氮的吸收和利用，氮肥利用率显著提高(P<0.05)，剩余的氮素大部分残留在土壤中，少部分损失，损失量和损失率均显著降低(P<0.05)。另外，在计算15N平衡过程中，由于没有考虑作物根系吸收利用，且仍残存于土壤中的那部分氮素，因此通过计算得出的氮肥损失量可能略高于实际的氮肥损失。但从FP处理作物地上部氮肥利用率不足10%来看，地下部对氮肥的回收率也会很低，因此认为，在传统施氮量和传统种植管理方式下，氮肥的损失量是巨大的，而优化模式减少了氮肥的施用量，适合作物生长需求，提高了氮肥的利用率，进而也减少了氮素在土壤中的残留及损失。

表4 化肥15N在土壤-作物体系中的去向Table 4 Fate of 15N-labelled fertilizer in soil and crop system

注(Note): 同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平 Values followed by different letters in a column are significantly different among treatments at the 5% level.

3 讨论

3.1 氮素的吸收和利用

氮肥利用率的计算方法有两种，一是差减法，二是15N示踪法。差减法主要是施肥区作物吸氮量与不施肥区作物吸氮量的养分之差与肥料投入的比值，是通过设置无氮对照试验来实现的，而示踪法表示作物吸收的肥料氮占施氮量的百分数，是通过对氮素的标记来实现的[14]。由于差减法计算的结果不能准确表示作物吸收的肥料氮，因此，要研究肥料的利用、残留及损失的具体情况，宜采用15N同位素示踪技术[15]。15N示踪试验结果表明，农民习惯施氮模式(FP)下作物吸收的来自外源化肥氮的量与优化施氮模式(OPT)相比没有显著差异，说明FP处理没有有效促进作物对化肥氮的吸收。由于大量的肥料氮得不到有效地吸收，必然造成利用率的显著降低，即研究结果所显示的，FP处理化肥氮的利用率显著低于OPT。对利用率的结果进行分析，本实验FP处理化肥氮的利用率为9.6%，韩鹏远等[16]在田间采用微区15N示踪法研究番茄生产过程中农民习惯施肥的氮肥利用效率为8.0%， 朱建华[17]采用15N示踪试验研究设施菜地氮素利用的结果表明，农民习惯施氮量为1200 kg/hm2时，辣椒的氮素利用率为10.5%，说明当前设施栽培条件下，农民习惯施氮模式化肥氮的利用率非常低，其原因可能与土壤原来氮库或所施有机肥矿化提供了大量氮素有关。与FP处理相比较，OPT显著提高了化肥氮的利用率，其原因一方面是化肥氮施用量减少，而作物对化肥氮的吸收量与FP模式相比无显著差异；另一方面可能是采取的滴灌措施，滴灌条件水分进入土壤的速度缓慢，使施入的肥料大多数随灌溉水均匀地分布在作物根际附近，促进了作物根系对氮肥的吸收和利用，而传统灌溉水分量大，使肥料向土壤深层淋洗较多，造成作物根际氮肥的浓度相对较低。Laura[18]研究表明，滴灌可以使作物根区保持较适宜的湿度和养分浓度，更加有利于作物生长对养分的吸收和利用。

3.2 氮素的去向

4 结论

长期以来我国设施蔬菜生产中氮肥盲目、不合理地大量投入造成的肥料资源浪费、养分利用率低、土壤质量退化、作物产量和品质降低等问题已受到全社会的高度关注。从保护环境和设施菜地土壤可持续利用的角度来看，在不降低经济效益的前提下，提出合理的施氮量， 构建合理的施肥模式，是协调农学效益、经济效益与环境效益的关系，解决土壤质量退化与肥料资源浪费等问题的关键。本研究应用15N标记的微区试验，揭示了农民习惯施氮模式和氮肥优化模式下无机氮素在植物-土壤体系中的去向，综合分析结果表明，优化施氮模式(OPT)对化肥氮的吸收、利用及减少化肥氮的损失方面均明显优于农民习惯施氮(FP)，能够实现化肥氮素养分的高效利用。

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JIANG Hui-min, ZHANG Jian-feng, LI Ling-ling, LI Shu-shan, ZHANG Shui-qin, PAN Pan,

GUO Jun-mei, LIU Lian, YANG Jun-cheng*

(InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,CAAS/NationalEngineeringLaboratoryforImprovingQualityofArableLand/KeyLaboratoryofSoilQuality,CAAS,Beijing100081,China)

15N tracer technology；greenhouse vegetable；chemical N recovery efficiency

2012-12-19接受日期2013-04-01

国家重点基础研究计划“973”课题(2013CB127406)；国家自然科学基金项目(21107139)；农业部公益性行业科研专项(201103007)； 科研院所技术开发研究专项资金(2012EG134235)资助。

姜慧敏(1980—)， 女， 黑龙江哈尔滨人，博士，主要从事土壤培肥与环境研究。E-mail: jianghuimin@caas.cn * 通信作者 E-mail: yangjuncheng@caas.cn

S625.5+4

A

1008-505X(2013)05-1146-09