灌水频率和施氮量对番茄生长及水氮淋失的影响

张志云，赵伟霞，李久生

（1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038；2.中国农业大学水利与土木工程学院，北京100083）

灌水频率和施氮量对番茄生长及水氮淋失的影响

张志云1，2，赵伟霞1，李久生1

（1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038；2.中国农业大学水利与土木工程学院，北京100083）

不合理灌溉水氮管理引起的水氮淋失越来越受到关注。本文以日光温室滴灌番茄为对象，研究充分供水条件下水氮管理参数对土壤水氮淋失和番茄生长的影响。试验选取灌水频率和施氮量2个因素，灌水间隔设3、6和9 d 3个水平，施氮量设0、180和300 kg/hm23个水平。在番茄生育期内观测土壤含水率、土壤水势和土壤氮素含量，番茄收获时测定地上部分干物质、产量和氮素吸收量。结果表明，土壤水分深层渗漏和硝态氮淋失几乎发生在番茄整个生育期内，表现出深层渗漏量增大时硝态氮淋失量也增大的同步特征。灌水间隔3 d和6 d处理的生育期累积渗漏量接近，占灌水量的12%，而当灌水间隔增加到9 d时，生育期深层渗漏量明显增加，占灌水量的18%。同一灌水频率下，硝态氮累积淋失量随施氮量的增加呈增加趋势，生育期累积最大水氮淋失量发生在低灌水频率高施氮量处理。灌水频率和施氮量对番茄植株吸氮量和产量的影响未达到统计学上显著水平（P=0.05）。从减少水氮淋失和方便管理两方面考虑，建议温室滴灌番茄适宜的灌水间隔为6 d。

灌水频率；施氮量；日光温室；番茄；深层渗漏；氮素淋失

1 研究背景

施用氮肥是补给土壤氮素和维持土地生产力的重要措施［1］。施入土壤的氮肥，除部分被作物根系吸收外，一部分可能随水分向下移动至根系活动层以下，引起氮素淋失，对浅层地下水形成污染风险［2-3］。大量研究表明，施氮量是影响氮素淋失的重要因素［4］，例如杨莉琳等［5］华北山前平原冬小麦—夏玉米轮作长期定位试验结果指出，过量施用氮肥尽管产量不会出现下降，但会造成土壤中硝态氮累积，增大氮素淋失风险。Wang等［6］对不同滴灌均匀系数和施氮量下华北平原玉米生育期内硝态氮淋失的监测结果表明，施氮量是影响氮素淋失的最重要因素，其次是土壤初始氮素含量和均匀系数。

滴灌作为一种高频局部灌水技术，具有明显的节水增产效果［7-10］。王建东等［11］对华北地区春玉米滴灌田间试验研究表明，灌水频率对土壤水分分布及运移有明显影响，对玉米产量的影响不显著。曹红霞等［12］通过室内均质土柱试验研究表明，灌水频率可改变土壤水分的空间分布和土壤蓄水量，进而影响溶质在土壤中的分布和运移。柴付军等［13］通过对新疆膜下滴灌棉花的试验研究表明，灌水频率对土壤盐分淋洗效果影响明显，对棉花产量的影响不显著。康跃虎等［14］和Wang等［15］通过2年的田间试验研究指出，滴灌灌水频率对土壤水分、马铃薯产量影响明显。Wan等［16］通过灌水频率对萝卜生长和耗水的影响研究表明，灌水频率对萝卜产量没有明显影响，但是对根系分布影响很大；随灌水频率增加，灌水前、后土壤含水率变幅减小，滴灌湿润体内水势梯度变小，萝卜的腾发量降低。李晓欣等［17］通过对华北山前平原农田土壤硝态氮淋失与调控研究表明，随着施氮量增加，土壤中硝态氮累积和淋失量增加。李久生等［18］和Li等［19］通过对滴灌施肥灌溉土壤水氮分布规律的试验研究表明，受土壤吸附作用影响，滴灌施肥灌溉对铵态氮浓度分布范围影响较小，一般在距滴头10 cm范围内，而对硝态氮浓度分布范围的影响较大。滴灌施肥灌溉条件下硝态氮具有向湿润体边缘累积的趋势［19-20］，这无疑增大了水氮淋失的风险。研究滴灌水氮管理措施对水氮淋失和作物生长的影响，将有助于优化水氮管理，降低水氮淋失风险。本试验以日光温室滴灌番茄为研究对象，研究滴灌灌水频率和施氮量对土壤水氮淋失、番茄生长及产量的影响，为优化滴灌水氮管理提供依据。

2 材料与方法

2.1 试验区概况试验于2013年在国家节水灌溉工程技术研究中心大兴试验研究基地的日光温室内进行。该基地位于北京市南部约30 km的大兴区，地理坐标116°26′E、39°37′N，海拔高程40.1 m。该试验区属半干旱大陆性季风气候，冬季寒冷，春季干燥多风，夏季炎热多雨。多年平均降水量540 mm；全年大于10℃有效积温为4 730℃，共285 d；无霜期平均185 d，全年日照时数约2 600 h，平均水面蒸发量1 800 mm以上。

试验所用日光温室长50 m，宽7.6 m，南北走向，覆盖华盾高保温流滴长寿膜，室内没有补温和通风设施。日光温室土壤质地为粉壤土（美国制），质地随深度没有明显变化（表1），地下水埋深大于5 m。

表1 供试土壤基本物理特性

2.2 试验设计及田间布置番茄（Lycopersicon esculentum）品种为中杂9号，南北向种植，留5穗果后打顶。试验考虑滴灌灌水频率和施氮量2个因素。灌水间隔考虑番茄对水分的敏感程度及试验地区常用灌水频率设置3个水平，分别为3 d、6 d和9 d，简记为W1、W2和W3。施氮量也设置3个水平，高施氮量（N2）取北京郊区温室番茄现行施氮量300 kg/hm2，考虑到滴灌有提高氮肥利用率的潜力［8］，设置中施氮量（N1）为常规施氮量的60%，即180 kg/hm2；同时设置不施氮处理（N0）作为对照。采用全组合试验设计，共9个处理（W1N0、W1N1、W1N2、W2N0、W2N1、W2N2、W3N0、W3N1、W3N2），每个处理设置3个重复，共27个小区，小区尺寸为4.5 m×2.4 m。试验小区采用随机排列布置。每个小区种植4行番茄，行距60 cm，株距50 cm。选用0.1 MPa下标称流量为1.75 L/h的滴灌带（甘肃瑞盛·亚美特高科技农业有限公司），灌水器间距30 cm，1条滴灌带控制1行作物，滴灌带紧挨作物布置。温室的开闭根据当地农民的管理经验确定，天气晴好且温室内空气温度大于30℃时将大棚底膜卷起约0.6 m保持通风，调节棚内温度和湿度。

图1 番茄生育期内累积灌水量和累积施氮量

番茄于4月20日移栽，缓苗期共灌水4次，总灌水量40 mm，缓苗15 d后开始灌水处理，灌水量根据放置在番茄冠层顶部直径20 cm的蒸发皿（DY.ZF-1，潍坊大禹水文科技有限公司）蒸发量计算，灌溉量等于灌水间隔内蒸发皿累积蒸发量与作物-皿系数的乘积，蒸发皿蒸发量在每天早上8∶00测量。根据国内外学者［21-23］对温室滴灌番茄作物-皿系数和该地区温室内番茄耗水规律的研究结果，番茄苗期和开花座果期作物-皿系数取0.6，果实膨大期和果实收获期取0.8。番茄生育期内W1处理共灌水30次，灌水量为207.1 mm；W2处理共灌水15次，灌水量为207.1 mm；W3处理共灌水10次，灌水量为210.4 mm。肥料选用尿素，分5次施入（图1）。施肥时先将肥料在水中充分溶解，然后将肥液用比例施肥泵（Mis Rite Model 2504，Tefen，以色列）采用水肥利用率高的1/4-1/2-1/4的模式施入［8］，即前1/4时间灌清水，中间1/2时间施肥，最后1/4时间灌清水冲洗管网。

2.3 测定项目及方法在番茄移栽前，按照均匀分布的原则在温室内选取9个点，分3层（0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm）用直径4 cm的土钻取土。每个土样分成两部分，一部分用于烘干法测定土壤初始含水率，另一部分自然风干后过2 mm筛，每个样品取20 g，用浓度为1 mol/L的KCl溶液50 mL浸提，再用流动分析仪（Auto Analyzer 3，德国Bran+Luebbe公司）测定浸提液的NO3--N和NH4+-N浓度（mg/L），获得土壤NO3--N和NH4+-N含量（mg/kg）［24］。

采用Trime-T3土壤剖面含水率测量系统（IMKO，德国）监测番茄生育期内的土壤水分动态变化［25］。因为作物生育期内多次滴灌条件下，沿滴灌带单个灌水器形成的湿润土体会充分叠加，形成近似均匀的土壤含水率带状分布［22］，赵伟霞等对日光温室滴灌番茄耗水量的研究表明，以下界面深度40 cm和60 cm估算出的生育期深层渗漏量差别很小［26］。对温室滴灌番茄的相关研究也确认了超过80%以上的总根量集中在0～40 cm土层［27-28］。因此在每个试验小区布置1根Trime测量管，埋设位置在距毛管垂直距离10 cm处，埋深80 cm，每隔7 d按10 cm 1层进行土壤水分测定，测量深度为60 cm。

在每个小区埋设1组张力计（SoilSpec，澳大利亚），埋设深度分别为55 cm和65 cm。番茄生育期内，每天上午7∶30-8∶30读取张力计数据。通过55和65 cm深度处的土水势，估算根区底部60 cm深度处的水流通量（q，cm/d）［29］：

式中：K（h）为55～65 cm土层非饱和导水率，cm/d；h为55～65 cm土层的平均土壤基质势，cm；H55和H65分别是55和65 cm深度处的土水势，cm；L为渗流路径的直线距离，cm。

K（h）由式（2）计算［30～31］：

式中：θr为残余含水率，cm3/cm3；θs为饱和含水率，cm3/cm3；θ（h）为土壤基质势为h时的土壤含水率，cm3/cm3；α、m和n为土壤水分特征曲线的拟合参数；Ks为饱和导水率，cm/d。

土壤水力参数θr、θs、α、m、n和Ks由Rosetta软件［32］利用土壤颗粒组成和容重进行估算。

为观测土壤氮素淋失量，在每个小区布置1个土壤溶液提取器，埋设位置在距毛管10 cm处，埋深60 cm。为防止土壤溶液提取器对张力计测量值的干扰，2者之间的水平距离为20 cm。每次灌水后施加30 kPa的负压，2 d后采集土壤溶液。用流动分析仪（Auto Analyzer 3，德国Bran+Luebbe公司）测试土壤溶液的硝态氮浓度［24］。根区底部硝态氮淋失量为水流通量与土壤溶液硝态氮浓度的乘积。

为监测番茄植株生长状况，在每个小区内的中间两行选取长势均匀的3株番茄，每隔10 d测量株高、茎粗和叶面积；番茄收获期，每隔1 d采摘番茄，记录单果重及总重量，统计产量。将采摘的番茄样品和收获后每小区所取3棵番茄植株的地上部分，在105℃杀青0.5 h，然后在70℃下烘干至恒重，测干物质质量。烘干后的干物质研磨后，用凯氏定氮仪（Kjeltec2300，丹麦FOSS公司）测试其全氮含量［24］。番茄吸氮量等于植株全氮含量乘以地上部分的干物质质量与果实全氮含量乘以果实干物质质量之和。

2.4 统计分析在P=0.05水平下利用方差分析法（Analysis of Variance，ANOVA）检验试验因素对观测结果影响的显著性，利用最小显著差数法（Least Significant Difference，LSD法）在同一试验因素不同水平间进行多重比较，分析工具采用DPS 7.05统计软件［33］。

3 结果与分析

3.1 初始土壤水氮分布试验田块内初始土壤水氮分布如表2所示。0～60 cm土层土壤初始含水率随深度的增加呈增大趋势。除0～20 cm土层变差系数大于0.1，呈中等变异程度外，20～60 cm土层土壤初始含水率呈弱变异程度。土壤初始硝态氮含量从土壤表层到60 cm深度处呈递减趋势，均值在表层最大，为28.01 mg/kg，各层的变差系数在0.5左右，呈中等变异程度；土壤初始铵态氮含量在剖面上分布较均匀，属弱到中等变异［31］。

表2 温室内土壤初始含水率、铵态氮和硝态氮分布

3.2 番茄生育期内土壤含水率变化图2是由Trime测量的不同深度土壤含水率在番茄生育期内的变化（以N1施肥处理为例，其他处理与之相同）。由土壤含水率随时间的波动程度可知，0～30 cm土层土壤含水率受灌溉的影响较大，而30～60 cm土层，除W3处理产生较小波动外，其他处理土壤含水率几乎不受灌溉的影响；番茄苗期和开花坐果期（4月20日—6月10日），各处理土壤含水率的波动趋势相近，而进入果实膨大期（6月11日）后低频灌溉处理（W3）土壤含水率的波动程度大于高频（W1）和中频（W2）处理，例如6月11日—生育期结束，高、中、低频灌溉0～20 cm土层含水率波动程度分别为0.05（0.22～0.27）、0.04（0.23～0.27）和0.09（0.18～0.27）cm3/cm3。番茄整个生育期内，所有处理0～60 cm土层平均土壤含水率变化范围为0.25～0.28 cm3/cm3，处理间差异较小且均在田间持水率的75%～100%。说明基于蒸发皿蒸发量确定灌水量时，整个生育期内各处理均为充分供水。这与刘玉春和李久生在同一温室内连续2 a的番茄滴灌试验的结果类似［28］。

3.3 番茄生育期内深层渗漏量和土壤硝态氮淋失量表3和图3分别给出了番茄生育期内各处理深层渗漏量与硝态氮淋失量的变化及其统计分析结果。灌水频率、施氮量及其交互作用对番茄生育期内土壤深层渗漏量的影响虽然未达到显著水平，但灌水频率对深层渗漏量的影响（P=0.30）较施氮量（P=0.54）大。番茄生育期内W1、W2及W3处理3个施氮量平均深层渗漏量分别为25.0、23.8和37.5 mm，占灌水量的比例为12.1%、11.5%和17.8%，高频和中频灌溉的深层渗漏量接近，但均小于低频灌溉，其原因可能是由于高频（W1）处理“少量多次”的灌水特点，使得可利用土壤水分与作物需水规律吻合较好，减少了深层渗漏的发生，而低频（W3）处理“多量少次”的灌水特点，加大了供水与作物需求的差异，在灌水刚结束时，不能被作物吸收的多余水分可能运移至根区以外，造成较大的深层渗漏量。

图2 番茄生育期内各土层土壤含水率随时间的变化

表3 番茄生育期内深层渗漏量及硝态氮累积淋失量统计分析

从图3可以看出，在整个生育期内几乎都有水分深层渗漏发生。硝态氮淋失表现出与水分深层渗漏近似同步的特征，深层渗漏量大时，硝态氮的淋失量也大。由表3中的硝态氮累积淋失量及其统计分析结果可知，尽管灌水频率和施氮量及其交互作用对土壤硝态氮累积淋失量的影响未达到显著水平（P=0.05），但同一灌水频率下，土壤硝态氮累积淋失量随施氮量的增加呈增加趋势（P=0.26），当施氮量由0增加至300 kg·hm-2，3个灌水频率下累积淋失量均值从14.5 kg·hm-2增加到32.9 kg·hm-2；同一施氮量下，累积硝态氮淋失量随灌水频率的提高呈减小趋势（P=0.25），当灌水间隔由9 d（W3）降低至3 d（W1）时，3个施氮水平下的氮累积淋失量均值由33.2 kg·hm-2降低到13.2 kg·hm-2。累积硝态氮淋失量最大值发生在低频灌水高施氮量处理（W3N2）。W3N1处理硝态氮累积淋失量较小的原因可能是由于土壤初始硝态氮含量的空间变异性（表2）引起的。Wang等对华北平原滴灌春玉米深层渗漏和氮素淋失的监测也指出，每次灌水后都有深层渗漏发生，这可能与土壤初始含水率空间变异和优先流有关，且氮素淋失量随施氮量的增加显著增加［6］。

图3 番茄生育期内硝态氮淋失量与深层渗漏量变化

3.4 生育期内灌水频率和施氮量对番茄生长的影响图4、图5和图6分别给出了各处理番茄叶面积指数、株高和茎粗在生育期内的变化，其中，6月30日是摘心打顶前最后一次测量，8月5日是生育期末拉秧之前的测量值。打顶前，所有处理的番茄叶面积指数、株高和茎粗均随番茄的生长逐渐增大；打顶后，所有处理的番茄株高和茎粗虽然仍有一定增长，但平均增长速率较打顶前明显降低。不施氮处理（N0）和高施氮处理（N2）下，不同灌水频率处理的叶面积指数、株高和茎粗之间的差异不明显，而中施氮处理（N1）下，中频灌水处理（W2）的叶面积指数、株高和茎粗较高频（W1）和低频（W3）处理大。对这一结果的可能解释是：在试验选取的灌水频率和施氮量水平中，中灌水频率与中施氮量（W2N2）处理水氮耦合和协同效果最好，明显促进了作物生长，这一处理产量最高（表4）也在一定程度上认证了这一推测。同一灌水频率不同施氮处理下，叶面积指数、株高和茎粗的差异不明显。

图4 番茄叶面积指数在生育期内的变化

图5 番茄株高在生育期内的变化

图6 番茄茎粗在生育期内的变化

3.5 植株吸氮量及产量表4为各处理番茄植株吸氮量、产量及其统计分析结果。尽管灌水频率和施氮量及其交互作用对植株吸氮量的影响未达到显著水平，但吸氮量随施氮量的增加呈增加趋势（P= 0.28），当施氮量由0增加到300 kg·hm-2时，3个灌水频率下的吸氮量均值由118.0 kg·hm-2增加到133.5 kg·hm-2，增加了13%。需要指出的是，土壤初始氮素含量的空间变异（表2）也可能是导致施氮量和灌水频率对吸氮量影响不显著的一个原因。番茄产量在中频灌水和中施氮量处理（W2N1）达到最大值46.53 t/hm2。由统计分析结果可知，灌水频率、施氮量及其交互作用对单果重和番茄产量的影响未达到显著水平。这一结果与康跃虎等［12］的试验结果大致相同。康跃虎等［14］用称重式蒸渗仪确定灌水量，研究了滴灌灌水频率（灌水间隔1～8 d）对华北平原马铃薯产量的影响，结果指出，灌水间隔1 d时产量最高，但间隔4、6、8 d处理的产量无显著差异。

适宜灌水频率的确定需要综合考虑产量、水氮淋失以及灌水管理成本等因素。本研究结果表明，尽管灌水频率对产量和水氮淋失的影响未达到显著水平（P=0.05），但深层渗漏量及硝态氮淋失量随灌水频率提高均表现出较明显的降低趋势，对应的P值分别为0.29和0.25（表3）；灌水间隔3 d和6 d的深层渗漏量和硝态氮淋失量接近，而灌水间隔延长至9 d时，深层渗漏量增加了50%（从23.8～25.0 mm增加到37.5 mm），硝态氮淋失量增加1.5倍（从13～14 kg·hm-2增加到33.2 kg·hm-2）。从管理角度来说，通常灌水频率越高，管理成本也越高。综合考虑上述因素，建议温室滴灌番茄适宜的灌水间隔取6 d。

表4 番茄各处理植株吸氮量和产量及其统计分析

4 结论

本文在日光温室条件下研究了滴灌灌水频率和施氮量对番茄生育期内土壤水氮淋失、作物生长及产量的影响，主要结论如下：（1）日光温室滴灌条件下，水分深层渗漏和硝态氮淋失几乎发生在番茄整个生育期内，二者表现出明显的同步特征。（2）日光温室滴灌条件下，灌水间隔3 d和6 d处理的番茄生育期累积渗漏量接近，占灌水量的12%，而当灌水间隔增加到9 d时，生育期深层渗漏量明显增加，占灌水量的18%。同一灌水频率下，土壤硝态氮累积淋失量随施氮量的增加呈增加趋势（P= 0.26）。从减少水氮淋失和方便灌溉管理方面考虑，建议温室滴灌番茄适宜的灌水间隔为6 d。（3）灌水频率和施氮量对番茄植株吸氮量和产量的影响均不显著（P=0.05）。

土壤水氮淋失是制定最优水氮管理措施的重要考虑因素。从本文的研究结果来看，农田尺度上的水氮淋失除了与灌溉水肥管理措施参数（如灌溉频率、灌水量、施氮量等）有关外，还与土壤类型、水分和氮素的初始值以及空间变异、作物吸收、降雨等密切相关。影响农田尺度土壤水氮淋失因素的复杂性，无疑增加了研究结果的不确定性。本研究仅在温室条件下，针对番茄在砂壤土上开展了滴灌水氮淋失田间试验，建议在典型生态地区代表性大田作物上开展更多的试验和模拟工作，以便为滴灌水肥优化管理措施的建立提供更充分的依据。

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Effects of drip irrigation frequency and nitrogen fertilizer on nitrate leaching and tomato growth

ZHANG Zhiyun1，2，ZHAO Weixia1，LI Jiusheng1
（1.China State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing100038，China；2.College of Water Resources&Civil Engineering，China Agricultural University，Beijing100038，China）

Deep percolation and nitrate leaching caused by unreasonable irrigation and nitrogen management practices are increasingly concerned by designers，managers，and users of irrigation systems.For a drip irri⁃gation system that is properly designed，irrigation frequency is an important management parameter since an improper irrigation frequency may not be able to provide sufficient water for crop growth on time or lead to deep percolation.Field experiments were conducted in a solar heated greenhouse in the growing sea⁃son of tomato to investigate the effects of drip irrigation frequency and nitrogen applied on deep percola⁃tion，nitrate leaching and tomato growth.Three drip irrigation intervals of 3，6 and 9 d and three nitrogen application levels of 0，180 and 300 kg/hm2were used.The experiments were conducted using a random⁃ized complete block design（RCBD）with three replications and a total of 27 experimental plots were creat⁃ed.The spatial and temporal distributions of soil water content，soil water potential as well as soil nitrogen content were measured during the growing season of tomato.Fruit yield was recorded individually for each plot.Total dry matter aboveground was measured on harvest and nitrogen uptake was determined by sum⁃ming of the product of total dry matter aboveground and fruit weight and corresponding nitrogen content. The results indicated that the wetted soil depth was normally less than 30 cm as the irrigation interval var⁃ied from 3 d to 9 d，increasing with the irrigation interval.Deep percolation and nitrate leaching was ob⁃served during the whole growing season of tomato，and the nitrate leaching always increased with the deep percolation.An approximately similar seasonal deep percolation was observed for the irrigation intervals of 3 d and 6 d，accounting for 12%of the seasonal irrigation amount.However，the seasonal deep percolation，increased greatly as the irrigation interval increased to 9 d，accounting for 18%of the seasonal irrigation amount.Similarly，nitrateleachingdemonstratedaclearlyincreasingtendencyasirrigationintervalin⁃creased from 6 d to 9 d.For a given irrigation frequency，the seasonal nitrate leaching increased with nitro⁃gen applied.The maximum seasonal nitrate leaching was found in the treatment of the lowest irrigation fre⁃quency with highest nitrogen applied（W3N2）.There was no significant influence of drip irrigation frequen⁃cy and nitrogen applied on plant N uptake and fruit yield of tomato.An irrigation interval of 6 d was rec⁃ommended for drip irrigated tomato in solar greenhouse when yield，deep percolation，nitrate leaching，and management cost of labor input were considered comprehensively.

irrigation frequency；nitrogen fertilizer；greenhouse；tomato；deep percolation；nitrate leaching

S274.1

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.02.001

1672-3031（2015）02-0081-10

（责任编辑：王学凤）

2014-11-25

国家自然科学基金项目（51179204）；中国博士后科学基金特别项目（201104203）

张志云（1988-），女，河北邢台人，硕士，讲师，主要从事节水灌溉原理及技术研究。E-mail：zhiyundoris@163.com

李久生（1962-），男，河北邢台人，研究员，博士生导师，主要从事节水灌溉技术与理论研究。E-mail：lijs@iwhr.com