减氮控水对日光温室番茄-小型西瓜产量、品质及氮素利用的影响

程于真, 罗 伟, 陈竹君, 周建斌

(1.西北农林科技大学资源环境学院,陕西 杨凌 712100；2.农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨凌 712100)

近年来我国设施农业发展迅速，至2015年，设施蔬菜种植面积达400×104hm2以上[1]，在我国蔬菜生产中占有极其重要的地位。日光温室是北方地区重要的栽培方式，具有高投入、高产出和较高的复种指数等特点，但由于农民生产中缺乏养分管理知识，过量水肥投入问题十分严重。刘苹等[2]研究发现，寿光市设施大棚周年平均肥料养分投入为 N 3 338、P2O51 710、K2O 3 446 kg·hm-2，是当地小麦-玉米轮作种植模式的6～14倍。周婷等[3]对陕西日光温室施肥调查表明，单季化肥养分N投入是作物携出量的1.2～2.7倍，氮素平均盈余量高达1 023 kg·hm-2，唐珧等[4]在山西南部地区设施栽培的研究也得到类似结果。可见我国当前日光温室栽培下过量施肥问题突出。

日光温室系统过量施肥，导致土壤中氮、磷、钾养分大量累积。在我国日光温室集中地区山东寿光的研究表明，温室土壤有机质、全氮、硝态氮、速效磷、速效钾的含量均显著高于露地土壤[5]。随着种植年限的增加，土壤剖面硝态氮累积量显著增加，陕西新建日光温室种植3 a后，0～200 cm 土层硝态氮累积量增加到1 380 kg·hm-2[6]。土壤硝态氮可通过淋洗、径流和硝化、反硝化等途径进入水体和大气，污染环境，导致农田面源污染风险增加[7]。菜田土壤盐分与土壤硝态氮含量之间呈极显著正相关关系，表明土壤硝酸根的积累是引起土壤次生盐渍化的重要原因之一，也是造成设施蔬菜生理障碍的主要土壤因子[8]。同时过量氮肥投入不仅没有增产效果，反而导致蔬菜、果实硝酸盐含量升高、品质下降[9-10]。因此，日光温室持续、高效、安全生产是需要进一步研究的问题。

近年来，不少学者开展了灌溉和施肥对日光温室作物生长发育、产量品质和水氮利用效率等方面的研究，但多集中在肥料用量、水分管理及施用方式等某一方面[11-14]，综合考虑氮肥与灌溉的协同作用对日光温室作物生长的研究相对较少。因此，本试验设置不同的水氮调控措施，对两茬作物产量、品质、氮素吸收进行研究，旨在为日光温室高产、优质蔬菜生产，控制氮素损失提供理论与实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

研究区位于黄土高原南部的陕西省杨凌示范区大寨乡设施蔬菜栽培基地。当地属大陆性季风气候，海拔520 m左右，年均降水量约630 mm，主要集中于7—9月，年均温度为12.9℃。研究区日光温室多建于2009—2010年，采用新型钢梁结构，单个温室面积约为700 m2。试验温室土壤为褐土类土亚类红油土属，试验前0～1 m土层硝态氮累积量为2 881 kg·hm-2。其他基本理化性质见表1。

1.2 试验设计

田间试验于2017年7月—2018年7月进行，供试作物为秋冬季番茄(金鹏14-6)-春季小型西瓜(千鼎1号)。试验共设4个处理，分别为：不施氮+常规灌溉(N0+FI)、常规施氮+常规灌溉(FT+FI)、优化施氮+常规灌溉(OPT+FI)、优化施氮+优化灌溉(OPT+OI)。其中常规施氮量及常规灌溉量根据当地日光温室设施蔬菜施肥状况调查和已有文献的调查结果确定，优化施氮量根据在当地已进行的研究确定，优化灌溉量依据作物不同生长期需水规律进行灌溉至田间持水量的70%～75%，具体施氮量及灌水量见表2。各处理有机肥和磷、钾肥用量均相同，番茄季施入有机肥36 000、P2O5150、K2O 225 kg·hm-2，有机肥和磷肥全部作基肥，氮、钾肥作追肥分3次施用。小型西瓜季施入有机肥3 000、P2O5100、K2O 100 kg·hm-2，有机肥作底肥一次施入，氮、磷、钾肥均作为追肥分2次施用。供试有机肥为商品有机肥，其碳氮比(C/N)为11.0、含全氮11.9 g·kg-1、全磷21.2 g·kg-1、全钾13.6 g·kg-1。化肥采用尿素(46% N)、重过磷酸钙(46% P2O5)和硫酸钾(50% K2O)。

试验采用随机区组设计，每个处理重复3次，小区面积为16.8 m2(7 m×2.4 m)，相邻小区之间设置保护行。试验温室灌溉全部采用滴灌系统，所有追肥通过滴灌系统随水冲施，用TRIME-PICO-IPH管式土壤水分仪每隔20 cm测定土壤体积含水率，测至80 cm土层。番茄定植时间为2017年9月6日，拉秧时间为2018年2月28日。田间采用宽窄行进行种植，大行间距70 cm，小行间距50 cm，株距30 cm。小型西瓜2018年2月28日定植，当年6月28日收获，种植宽窄行间距同番茄季，株距50 cm。作物生长期除草、打叶、病虫害防治等措施按照无公害蔬菜栽培技术规程进行管理。

1.3 样品采集与测定

番茄定植前在试验区采集4钻0～200 cm土层土壤样品(每20 cm为一层)，剔除作物根系后带回实验室，测定土壤基础理化性质。

以小区为单位将果实鲜样全部收获测产，详细记录收获的果实鲜重。在果实成熟期，每小区选4株发育状况相对一致的植株，摘取毎株的果实，立即带回实验室测定果实品质，测定指标包括果实Vc含量、可溶性糖含量、可滴定酸含量及硝酸盐含量。作物生长期间及拉秧后将植株样品的根、茎、叶、果实分开采收，烘干后混合、粉碎，测定总干重及各部分全氮含量。

1.4 数据分析

数据处理采用Microsoft Office Excel 2016进行数据统计和图表制作，SPSS 21.0进行单因素方差分析，用Duncan检验(α=0.05)进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同处理秋冬季番茄和春季小型西瓜的产量

由图1A可知，不同处理下秋冬茬番茄产量在67.7～72.3 t·hm-2之间，优化施氮+优化灌溉处理将施氮量和灌溉量分别由常规用量的450 kg·hm-2和1 618 m3·hm-2降至225 kg·hm-2和1 316 m3·hm-2，番茄产量差异均未达显著水平。由图1B可知，与FT+FI处理相比，OPT+OI处理的施氮量和灌溉量分别减少40%和15%，对小型西瓜果实产量无显著影响；在相同灌溉量条件下，优化施氮处理显著增加了果实产量。可知与当前农户常规施氮和灌溉量相比，优化施氮和优化灌溉减量潜力较大。

2.2 不同处理番茄-小型西瓜果实品质

由表3可以看出，与对照处理(N0+FI)相比，3个施氮处理下秋冬茬番茄果实的可溶性糖、可滴定酸及Vc含量均有所增加，但差异未达显著水平。同时各品质指标的变化量随施氮量的增加呈先增加后减少的趋势，其中OPT+OI处理可溶性糖和Vc含量最高，分别为4.99%和13.19 mg·100g-1。OPT+OI处理的番茄果实硝酸盐含量显著低于FT+FI和OPT+FI处理(P<0.05)，前者分别比后两者降低了66.3%和56.9%。

由表4可知，与对照处理相比，OPT+OI处理显著提高了小型西瓜的可溶性糖及可滴定酸及Vc含量，且优化施氮+优化灌溉与常规施氮+常规灌溉相比的果实品质无显著差异。以上结果说明，常规施肥存在过量现象，减少氮肥施用能够有效地提高果实品质，减少作物对硝酸盐的吸收和累积。

表1 供试土壤基本理化性质

表2 秋冬季番茄-春季小型西瓜各处理施氮及灌溉量

注：不同字母表示处理间差异达P<0.05显著水平。Note: Different letters indicate significant difference among different treatments at P<0.05 level.图1 不同处理对两季作物产量的影响(A.秋冬茬番茄；B.春茬小型西瓜)Fig.1 Effects of different treatments on crops yield.(A: autumn-winter tomato; B:spring mini-watermelon)

2.3 不同处理番茄-小型西瓜氮素携出量

由不同处理番茄-小型西瓜氮素携出量结果(表5、6)可知，两季作物氮素吸收均以叶片和果实为主，氮在各器官的累积量为果实>叶>茎>根。对比秋冬茬番茄不同时期氮素携出量，在番茄结果初期，果实氮素携出量占到了总氮素携出量的60%以上，根部氮素携出量占植株总氮素携出量的1.53%～1.94%；茎部氮素携出量占5.55%～6.36%；叶片的氮素携出量占28.3%～32.3%。在番茄拉秧后，根、茎、叶各部分的氮素携出量分别占植株的1.18%～1.47%、5.96%～6.68%和24.1%～26.5%。果实氮素携出量占到了氮素总累积量的65%以上，其中第一和第二穗果占果实总氮素携出量的一半以上。比较两个时期发现，随着番茄的生长，各处理中根和叶片的养分氮素携出比例相比结果初期均不同程度地减少，而第1～5穗果的氮素携出量和比例均有所增加，这是果实对氮素吸收和干物质累积量共同增加的结果。OPT+OI处理的果实氮素携出比例变化最大，由60.6%增至68.8%，说明OPT+OI处理促进了氮素从营养器官向果实中的转运，有助于氮素在植株中的合理分配。

表3 不同处理对秋冬茬番茄品质的影响

注：结果为平均值±标准差，不同字母表示处理间差异达P<0.05显著水平。下同。

Note：Data in the table are mean ± SD. Different letters are significantly different among treatments at theP<0.05 level. The same below.

表4 不同处理对春茬小型西瓜品质的影响

表5 不同处理对秋冬茬番茄不同时期氮素携出量的影响

由表6可以看出，不同处理下小型西瓜各部分的氮素携出量有所差异，但差异均未达显著水平。西瓜营养器官中氮积累量较少，果实较多，根、茎、叶氮素携出量分别约占西瓜总氮素携出量的0.45%～0.8%、9.5%～10%、23%～29%，而果实氮积累量约占西瓜总氮素携出量的61%～67%。

综合两季结果来看，各处理间氮素携出总量均无显著差异，这主要是由于不同处理土壤水分的供应均较为充足，同时温室土壤养分量高，施用有机肥及化肥提供的养分量已高于作物养分的携出量，优化水肥在减氮控水的同时，不会对作物养分吸收造成显著影响。

表6 不同处理对春茬小型西瓜氮素携出量的影响

3 讨 论

本试验中OPT+OI处理两季作物种植的施氮水平由700 kg·hm-2减少到375 kg·hm-2，灌溉量从2 518 m3·hm-2减少到2 081 m3·hm-2，相当于施氮量和灌溉量分别降低了46%和15%，而番茄和小型西瓜果实产量均与FT+FI处理的产量无显著差异，说明在当地施氮及灌溉存在过量问题。不施氮处理与施氮处理间相比，番茄果实产量间也无显著差异，西瓜果实产量在常规施氮条件下还有所降低，一部分是因为多年来当地蔬菜生产中不断大量投入化学肥料及有机肥，从而造成养分在土壤中大量累积，作物可以从底层土壤中吸收累积的矿质氮；另一部分来源于施用有机肥中易降解有机氮的矿化。已有研究表明，山东寿光设施土壤每年表观氮矿化量约200 kg·hm-2[15]，且土壤氮素矿化量随其日光温室栽培年限的增加显著增加[16]，在不考虑氮素利用的情况下，每年通过土壤矿化、有机肥和灌溉水带入的氮素量约为植株氮素吸收量的2～3倍[17]。本试验中不施氮处理与施氮处理相比，番茄果实品质和两季作物的氮素携出量均无显著差异，也进一步说明了当地日光温室栽培农户常规施氮与灌水问题突出，减氮控水具有较大潜力。为进一步明确减氮控水的田间效果，有必要进行长期的田间试验。

氮肥供应与作物品质之间存在一定的关系，果实品质的优劣也是评价施氮量适当与否的标准。与不施氮处理相比，3个施肥处理随着施肥量的增多，番茄和小型西瓜果实的可溶性糖含量、Vc、可滴定酸含量总体上呈先上升后下降趋势，OPT+OI处理的小型西瓜品质显著高于对照处理，适量施用氮肥有利于提高果实的品质，此结果与闵炬等[18]的研究结果一致。一般认为，氮素营养参与果实中糖类和氨基酸的形成过程，氮肥施用过少则导致果实芳香物质的合成减少，影响其风味；但过量施肥却会降低其非氮源营养成分如Vc、总糖等的含量，还会引起作物营养生长与生殖生长失调，同时造成果实中硝酸盐含量上升[19]。范庆峰等[20]研究认为，蔬菜硝酸盐含量与土壤中氮素含量、形态、灌水量密切相关，土壤硝态氮含量较高时亦可引起茄果类蔬菜果实中硝酸盐的大量累积，试验各处理番茄果实的硝酸盐含量虽然没有超过我国对无公害蔬菜安全要求——瓜果类蔬菜硝酸盐限量标准(NO-3≤600 mg·kg-1，GB 18406.1-2001)[7]，但农户常规施肥处理已显著高于减施氮肥处理，若继续长期大量施用氮肥，可能造成番茄果实硝酸盐超标。有关灌水量与日光温室果蔬品质的关系研究少有报道，从本试验结果看，在施氮量相同的情况下，优化灌溉与常规灌溉相比，两季作物果实品质均无显著差异。因此，适当减施氮量和调控灌溉既能降低蔬菜中硝酸盐的含量且能保证果蔬营养品质。

设施生产存在品种单一化、土壤栽培和施肥位置相对固定的特点，随着栽培年限的延长，土壤连作障碍和病虫害问题加剧[21-22]。施肥量过大，导致土壤养分不均衡和盐分累积，是连作障碍产生的重要原因之一。陈志杰等[23]研究发现，设施黄瓜连作2～4 a后，土传病害和气传病害的发生随连作年限的延长明显加重。本试验所用温室种植时间已超过9 a，栽培过程中发现作物灰霉病、青枯病严重，作物生长发育不良，干物质累积量减少，致使总养分携出量偏低，但未影响植株各部分氮素含量。因此，在适当减施氮量和调控灌溉的基础上，配合合理轮作、高温闷棚等措施[24]，预防或减轻土壤连作引起的病害，有利于保证设施农业稳产高效。

4 结 论

对一年中日光温室两季作物番茄和小型西瓜轮作体系的研究结果表明，优化施氮+优化灌溉处理的施氮量和灌水量分别为375 kg·hm-2和2 518 m3·hm-2，虽较农户常规施氮和灌水量分别降低放

46%和15%，作物产量并未下降，且果实品质得到改善。说明在目前日光温室栽培条件下，常规施肥与灌水措施存在严重的过量问题，采取节水节肥措施具有巨大的潜力。同时，日光温室栽培条件下大量氮肥施入后的氮素去向及其环境效应，还需进行深入研究。