滴灌和施用秸秆降低日光温室番茄地氮素淋溶损失

梁 斌，唐玉海，王群艳，李 飞，李俊良※

（1. 青岛农业大学资源与环境学院，青岛 266109； 2. 山东省水肥一体化工程技术研究中心，青岛 266109；3. 潍坊科技学院贾思勰农学院，寿光 262700）

0 引 言

中国设施蔬菜栽培面积逐年增加，2016年达391万hm2，产量2.52亿t，占蔬菜总产量的30%以上[1]。设施蔬菜栽培中施肥过量问题突出。据统计，日光温室每年化肥投入量在5 000 kg/hm2以上，氮肥利用率不足25%[2]，未被利用的氮素去向包括土壤残留、淋溶损失和气态损失等[3]。硝酸盐淋溶损失是蔬菜生产系统中氮流失的主要途径[4]。Song等[5]在山东省寿光市的研究发现有 152～347 kg/hm2的硝酸盐发生淋溶。Sun等[4]使用EU-Rotate_N模型估算出传统设施蔬菜生产中硝态氮年淋溶损失量达694～817 kg/hm2，占总氮输入量的43%～67%。Min等[6]研究报道，中国南方设施蔬菜生产中硝态氮淋溶量可达182～277 kg/hm2，占氮输入量的 16%～25%。目前，设施蔬菜体系中氮素的投入与输出并不平衡，存在一部分“消失”的氮素，氮素淋溶损失除了矿质态氮之外，还包括可溶性有机氮[7]。在林地生态系统中，可溶性有机氮是氮素损失输出的途径之一[8-9]。Kessel等[10]研究指出，在降雨或灌溉过量地区，可溶性有机氮可能是土壤氮素的重要损失形态。赵满兴等[11]研究指出，有机肥中可溶性有机氮占可溶性全氮的71%～75%，这很可能是设施菜田氮素损失的潜在来源。

优化施肥、控制灌水量和增加土壤氮固持能力均可降低氮素淋溶损失。Zotarelli等[12]提出，当肥料投入量从 330 kg/hm2降到 220 kg/hm2时，硝酸盐淋溶量减少50%。Sun等[4]研究表明，与传统生产相比，优化水肥处理使硝态氮淋失量减少79%～86%。Min等[6]报道，在华南地区传统氮肥施用量的基础上减少 40%的氮投入，氮肥淋溶损失降低39.6%，且对产量无影响。

降低灌水量可减少可溶性氮向深层土壤的运移[13]。Tarkalson等[14]报道，当灌水量从318 mm减少到185 mm时，淋溶深度、硝酸盐浓度和硝酸盐淋溶量分别降低67.6%、47.9%和 85.3%。于红梅等[15]在露地蔬菜的研究表明，减少灌水量和施氮量均明显降低蔬菜地硝态氮淋洗量。Sing等[16]研究发现，间隔较长的高水量灌溉可导致大量硝态氮从根区土层淋溶损失。使用 EU-Rotate_N模型，Sun等[4]研究结果表明，与传统漫灌相比，滴灌使得灌溉量从558 mm下降到280 mm，与此同时，硝酸盐淋溶损失减少90%。

施用高碳氮比作物秸秆是增加土壤氮素固持能力的途径之一[17]。Keeney[18]研究结果表明，秸秆还田增加土壤有机碳量，促进微生物固定残留在土壤中的肥料氮[19-20]，从而降低稻田氮素的损失。在冬小麦-夏玉米轮作体系中，传统氮肥管理模式下硝态氮年淋失量达38～60 kg/hm2，而有机物料还田使硝态氮年淋失量降低 32%～71%[21]。不同水肥管理与秸秆还田不仅影响土壤活性有机物与微生物[22-24]，而且还影响土壤矿质营养元素及其平衡，进而影响土壤氮素的固持与作物吸收[25]。另外，有机物料的施用增加土壤保水能力，减少水分的渗漏损失，这对于减少氮素淋溶损失有积极作用。在过量施用氮肥和灌溉的温室大棚内，高温影响有机物的分解，施用秸秆如何影响矿质态氮的淋溶损失及影响的机理值得研究。

目前对于日光温室中氮素淋溶损失的研究方法多采用渗漏管、淋溶盘（桶）收集法、负压抽提土壤溶液样品采用模型计算法等[26]。大型渗漏池研究面积大，精度高，直接监测水量和浓度，准确性好。前人对于氮素淋溶的研究多为短期试验，高温高湿的日光温室中长期施用秸秆后对降低氮素淋溶效果也需要研究。因此本试验采用大型渗漏池研究了设施菜地长期不同灌溉模式和施用有机物料对土壤可溶性总氮包括矿质态氮（硝态氮和铵态氮）和可溶性有机氮淋溶损失的影响，为合理水肥管理，降低设施菜地氮素淋溶损失提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地区概况

试验地点位于山东省寿光市，属暖温带季风区大陆性气候，年均气温12.7 ℃，年均降水量594 mm。试验开始于2008年8月，供试土壤有机碳、碱解氮、速效磷、速效钾质量分数分别为 8.2 g/kg、174.0 mg/kg、43.8 mg/kg、181.0 mg/kg，土壤pH值为8.0。

1.2 供试作物与试验设计

供试温室内种植番茄，一年两季，每年 1月定植到当年6月拉秧为冬春季，8月至翌年2月拉秧为秋冬季。番茄品种由当地农户自行选择，冬春季为奇大利，秋冬季为中寿11-3。

利用渗漏池采集渗漏液，每个渗漏池面积为1.0 m×2.0 m，土层深度为90 cm。渗漏池内番茄栽培行距50 cm，株距40 cm。试验采用裂区设计，设2个主处理和3个副处理，每个处理重复3次，共18个小区（渗漏池），主处理包括：滴灌模式和漫灌模式，副处理包括：①单施鸡粪（M）。施用量10 t/hm2，风干鸡粪均匀撒施后翻耕。②鸡粪配施玉米秸秆（M+C）。在单施鸡粪基础上，配施玉米风干秸秆10 t/hm2。③鸡粪配施小麦秸秆（M+W）。在单施鸡粪基础上，配施小麦秸秆10 t/hm2。干鸡粪、玉米和小麦秸秆均粉碎后作基肥撒施。基肥除施用上述有机物料之外，还施用平衡型复合肥（N-P2O5-K2O, 15-15-15）1 000 kg/hm2；磷酸二铵500 kg/hm2。生长期间追肥采用平衡型水溶肥和高钾型水溶肥。具体施肥情况详见表1、表2。2008年6月至2014年5月期间该试验为田间小区试验，2014年6月按30 cm一层将0～90 cm剖面土壤转移到渗漏池中。本研究试验数据采集于2016年2－12月，期间滴灌模式年灌水量为1 173 mm、漫灌模式为1 205 mm，灌水情况详见表1。

表1 2016年冬春季和秋冬季灌水与施肥情况Table 1 Irrigation and fertilization managements during winter-spring (WS) and autumn-winter (AW) seasons in 2016

表2 2016年冬春季和秋冬季设施番茄不同处理施肥量Table 2 Rate of applied N, P2O5, and K2O during winter-spring(WS) and autumn-winter (AW) seasons in 2016 kg·hm-2

1.3 样品采集与计算分析

每次灌水24 h后收集渗漏池底部渗漏液，记录渗漏液体积。将渗漏液取样冷冻保存于60 mL聚乙烯瓶中，用于各项指标测定。渗漏液中的可溶性总氮采用碱性过硫酸钾氧化—紫外分光光度计比色法[27-29]测定，矿质态氮（包括硝态氮、铵态氮）采用自动连续流动分析仪测定，可溶性有机氮（dissolved organic nitrogen，DON）为可溶性总氮（total dissolved nitrogen，TDN）与矿质态氮之差。在果实采摘期和拉秧期分别采集果实样品和植株样品测定生物量，全氮含量等。全氮含量采用浓硫酸-双氧水消煮凯氏定氮法。灌溉水损失率、氮素淋溶损失量、氮淋溶损失率、植株氮素吸收量和氮素利用率计算分别见公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）。

式中WL为灌溉水损失率，%；VL为每小区收集的灌溉水渗漏损失量，L；VI为每小区总灌水量，L；NL为氮素淋溶损失量，kg/hm2；CW、Cf、Cp分别为渗漏水中可溶性总氮浓度（mg/L）、果实含氮量（mg/kg）和植株含氮量（mg/kg）；N为氮淋溶损失率，%；Nt为 N总投入量，kg/hm2；NUE为氮素利用率，%；Nu为氮素吸收量，kg/hm2；Yf和Yp分别为果实和植株生物量，kg/hm2（干基）。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010、SPSS 16.0和Origin 8.5进行数据处理、分析与作图；不同处理间差异根据情况采用单因素和双因素方差分析，多重比较采用Duncan法。

2 结果与分析

2.1 番茄产量与氮素利用率分析

冬春季和秋冬季番茄产量分别为 105.8～127.4和70.6～95.9 t/hm2（表3）。相对于漫灌模式，滴灌使冬春季和秋冬季番茄平均增产11.4%和21.7%（P＜0.05），全年番茄产量显著提高15.6%；与单施鸡粪相比，配施秸秆对番茄产量无显著影响。

冬春季和秋冬季设施番茄氮素吸收量分别为248.9～299.6和190.6～279.6 kg/hm2（表4）。与漫灌相比，滴灌模式下冬春季和秋冬季番茄氮素吸收量显著增加 30.5和69.7 kg/hm2，增幅分别为11.6%和33.8%（P＜0.05），全年番茄氮素吸收量显著提高21.4%。与单施鸡粪相比，配施秸秆对番茄氮素吸收量无显著影响。

冬春季和秋冬季番茄氮素利用率分别为 27.1%～42.6%和19.3%～39.9%，平均为33.7%和29.4%（表4）。在冬春季和秋冬季滴灌模式较漫灌模式氮素利用率分别显著提高10.0个百分点和14.2个百分点。与单施鸡粪相比，鸡粪配施秸秆处理氮素利用率反而有所降低，这与施用秸秆增加了氮素投入量有关。

表3 灌溉施肥管理对番茄产量的影响Table 3 Effect of different irrigation and fertilization managements on yield of tomato t·hm-2

表4 番茄氮素吸收量与氮素利用率Table 4 N uptake and utilization of tomato

2.2 灌溉水渗漏损失

冬春季和秋冬季灌溉水渗漏损失量分别为 51.1～68.8和63.5～129.7 mm，损失率分别为8.7%～15.8%和10.3%～17.2%（表5）。本研究中，滴灌模式和漫灌模式全年的灌水量相差不大，分别为1 173和1 205 mm。全年滴灌模式中灌溉水渗漏损失量大于漫灌模式，尤其在秋冬季差异达显著水平（P＜0.05）。

双因素方差分析显示，与单施鸡粪相比，配施秸秆（玉米/小麦）使秋冬季灌溉水渗漏损失量平均显著减少34.7 mm，降幅达31.9%；冬春季灌溉水渗漏损失量平均减少7.5 mm，降幅达11.5%。

2.3 矿质态氮淋溶损失

与漫灌模式相比，滴灌使秋冬季渗漏液中矿质态氮质量浓度显著降低149.4 mg/L，降幅达51.1%（P＜0.05），冬春季差异不显著（P＞0.05）。漫灌模式下，与M处理相比，M+C和 M+W 处理分别使冬春季矿质态氮浓度显著增加33.0%和62.1%，但秋冬季M与M+W处理无差异，M+C处理较M处理显著降低10.4%（P＜0.05）；滴灌模式下，与M处理相比，配施秸秆对冬春季和秋冬季矿质态氮浓度无显著影响（表6）。

表5 灌溉水渗漏损失量与损失率Table 5 Amount of water leakage and percent of water leakage in irrigation water

表6 渗漏液中矿质态氮质量浓度与淋失量Table 6 Content and accumulative amount of leached mineral N

漫灌模式下，冬春季和秋冬季矿质态氮淋溶损失量分别是 68.1～94.5和 176.4～260.2 kg/hm2，平均为 85.6和207.0 kg/hm2，秋冬季矿质态氮淋溶损失量占全年淋溶损失量的70.7%。滴灌模式下，冬春季和秋冬季矿质态氮淋溶损失量平均为97.1和126.9 kg/hm2，秋冬季矿质态氮淋溶损失量占全年淋溶损失量的56.7%。

与漫灌模式相比，滴灌使秋冬季矿质氮淋失量显著减少80.1 kg/hm2，降幅为 38.7%，使冬春季矿质态氮淋失量显著增加11.5 kg/hm2。滴灌模式和漫灌模式全年矿质态氮淋失量分别为224.0和292.6 kg/hm2（表6）。

双因素方差分析显示，与单施鸡粪相比，配施秸秆（玉米/小麦）使冬春季矿质态氮淋失量平均减少22.2 kg/hm2，降幅为20.9%（P＜0.05）；秋冬季矿质态氮淋失量显著减少61.3 kg/hm2，降幅为29.5%（P＜0.05）。

2.4 可溶性有机氮淋溶损失

冬春季和秋冬季DON淋溶损失量分别为18.9～40.1和26.5～115.6 kg/hm2，占可溶性总氮的16.5%～26.1%和17.6%～34.6%，平均为 21.7%和 29.4%（表 7），DON占TDN的百分比平均为25.6%。与漫灌模式相比，滴灌对冬春季DON淋失量无显著影响，但使秋冬季DON淋失量显著降低48.9 kg/hm2，降幅达53.7%（P＜0.05）。

与M处理相比，滴灌模式下M+C处理使冬春季和秋冬季DON淋失量显著降低21.2%和58.5%，M+W处理使冬春季和秋冬季DON淋失量分别显著降低52.9%和43.7%。

表7 可溶性有机氮淋溶损失量及其占可溶性总氮的百分比Table 7 Amount of leached dissolved organic N (DON) and its percent in total

2.5 可溶性总氮淋溶损失

滴灌和漫灌模式下全年TDN淋失量分别为294.7和395.4 kg/hm2，其中秋冬季淋失量占全年淋失量的百分比分别为 56.8%和 71.1%。漫灌模式下，冬春季和秋冬季TDN淋溶损失量分别为 98.9～122.4和 242.8～336.4 kg/hm2，分别占单季氮投入量的10.1%～14.2%和24.7%～34.9%，平均分别为12.5%和29.3%（表8）。与漫灌模式相比，滴灌使秋冬季TDN淋失量显著降低113.8 kg/hm2，降幅达 40.5%；使冬春季可溶性总氮淋失量显著增加13.1 kg/hm2，增幅为11.5%（P＜0.05）。总体全年分析，滴灌模式较漫灌模式TDN淋失量降低25.5%。

与单施鸡粪相比，配施秸秆（玉米/小麦）使冬春季TDN淋失量平均降低29.3 kg/hm2，降幅达20.9%；秋冬季 TDN淋失量平均降低 76.6 kg/hm2，降幅达 27.8%（P＜0.05）。

表8 可溶性总氮淋溶损失量及其占施氮量的百分比Table 8 Amount of leached total dissolved N (TDN) and its percent in total

3 讨 论

3.1 灌溉方式与灌水量对氮素淋溶损失的影响

淋溶损失是氮肥从土壤流失的主要途径之一，农田氮素淋溶损失一般随着水分渗漏强度的增加而增大[30]，因此采用合理的灌溉方式，不仅可以控制水分的渗漏强度，还有效减少农田氮素淋溶损失。本研究中，冬春季和秋冬季矿质态氮淋溶损失量分别为 68.1～118.1和98.3～260.2 kg/hm2，可溶性总氮淋失率分别为 10.1%～22.5%和 15.9%～34.9%，秋冬季氮素淋溶损失明显高于冬春季，可能是因为不合理的灌溉制度所致。秋冬季在苗期需水、需氮少，而此时温度高，灌水和氮素供应大，供肥、供水数量与需水、需肥规律相反，导致损失多；冬春季生长期间气温由低到高，灌水和氮素供应逐渐增大，与此同时番茄需水需肥也逐渐增加，从而使供水、供肥与作物需水、需肥规律相一致，使水肥损失低于秋冬季。本研究中，秋冬季和冬春季平均灌水量分别为676.5和 512.5 mm，与冬春季相比，秋冬季灌水量平均增加32.0%，灌水量的增加使得氮素淋溶损失增加（矿质态氮、可溶性有机氮和总氮淋失量分别增加 82.7%、125.8%和85.4%），这说明相同灌溉模式下，灌水制度是影响氮素淋溶损失的重要因素。

除了灌水制度影响之外，灌溉方式也是决定氮素淋溶损失的关键因素。本研究表明，与漫灌模式相比，滴灌使全年可溶性总氮、矿质态氮、可溶性有机氮淋失量分别减少100.7、68.6、47.4 kg/hm2，降幅分别达25.5%、33.1%、39.6%。习金根[31]土柱试验发现，滴灌较漫灌氮素淋失总量减少17.9 mg，降幅达24.9%；石敏等[32]研究表明，控制灌溉与常规灌溉和浅湿灌溉相比，氮素淋失总量最小，约占常规灌溉的 1/3、占浅湿灌溉的 1/2。Sharmasarkar等[33]研究认为，滴灌代替畦灌可有效降低氮素淋溶损失。本研究中，与漫灌模式相比，滴灌模式下灌水量并没有大幅降低，灌溉水渗漏损失量也高于漫灌模式，但滴灌使全年氮素吸收量和氮素利用率分别显著提高21.4%和47.5%，使秋冬季渗漏液中矿质态氮浓度显著降低51.1%，从而降低了全年的氮素淋溶损失。由此可见，在满足作物正常生长对水分需求的前提下，采用合理的灌溉方式和减少灌水量均可有效减少氮素淋溶损失，这不仅有利于解决农业实际生产过程中氮素的淋溶，而且对节水和保护环境至关重要。

3.2 施用秸秆对氮素淋溶的影响

秸秆还田可以促进土壤有机质积累，改良土壤结构，减少氮素损失[34]。大量研究表明，秸秆还田具有显著的保水保肥功能[35]。本研究中，与单施鸡粪相比，配施秸秆使全年矿质态氮和可溶性有机氮淋失量平均减少83.4 kg/hm2（26.6%）和41.8 kg/hm2（33.7%）。王伟等[36]研究发现，传统施肥加秸秆处理可减少29.8%的硝态氮淋溶。潘剑玲等[37]研究同样表明，矿化的秸秆组分能够促进氮循环，减少氮素淋溶，提高氮素利用率。本研究中，与单施鸡粪相比，配施秸秆使全年可溶性总氮淋失量和灌溉水渗漏损失量平均降低25.5%和24.3%，但是配施小麦秸秆并没有显著降低渗漏液中矿质态氮浓度，配施玉米秸秆也仅使矿质态氮浓度降低11.2%（冬春季）和4.2%（秋冬季）。由此可见，配施小麦秸秆降低氮素淋溶损失主要归因于秸秆增加了水分保持能力，降低了灌溉水的淋溶损失。

4 结 论

1）日光温室栽培条件下，氮素的淋溶损失主要发生于秋冬季，滴灌和漫灌模式下，该季可溶性总氮淋失量占全年淋失量的56.8%和71.1%。

2）可溶性有机氮占可溶性总氮淋失量的 16.5%～34.6%，平均为25.6%。

3）漫灌模式下全年可溶性总氮的淋溶损失量达395.4 kg/hm2，占全年氮投入量的 22.2%。与漫灌模式相比，由于滴灌降低了渗漏液中矿质态氮的浓度，进而使滴灌模式下全年可溶性总氮淋失量降低25.5%。

4）与单施鸡粪相比，鸡粪配施秸秆（玉米或小麦）使全年灌溉水渗漏损失量平均降低24.3%，进而使全年矿质态氮和可溶性有机氮淋失量分别降低26.6%和33.7%。