不同施氮量对加工番茄生长及土壤氮素平衡的影响

景 博，牛 宁，张文龙，刁 明

(1.石河子大学农学院，新疆石河子 832003；2.特色果蔬栽培生理与种质资源利用兵团重点实验室，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意义】加工番茄是我国北方干旱地区种植的特色经济作物[1]。氮肥施入土壤后，经过微生物作用迅速转变为硝酸盐，除部分被农作物利用外，大部分通过NO3-淋失、反硝化、NH3挥发等途径从土壤中损失，保持土壤氮含量是土地持续利用和作物高产稳产的重要条件[2]。不合理的施肥方案对作物的产量和品质产生了不利影响[3]，还引发了一系列的环境问题，包括温室气体排放和土壤酸化等[4]。综合研究氮肥产量效应、氮肥的吸收利用效率以及土壤-植物体系中的氮素平衡，始终是评价氮肥合理施用与否的关键所在[5]。【前人研究进展】李若楠等[5]针对日光温室蔬菜生产中肥水超量施用问题，研究了节水减氮在温室蔬菜生产中的增效潜力，推荐较习惯施肥减氮50%能有效降低氮素损失，提高氮肥利用率，保持较高经济效益。侯云鹏等[6]为解决吉林省半干旱区滴灌施肥条件下氮肥合理施用问题，研究了覆膜滴灌条件下施氮量对土壤剖面无机氮含量变化及氮素平衡的影响，结果表明，玉米成熟期0～200 cm剖面土壤硝态氮和铵态氮含量随土层深度增加呈逐渐下降的趋势，且施氮提高了0～200 cm土壤硝态氮和铵态氮含量。苏继霞等[7]研究了氮素运筹对滴灌甜菜氮素平衡的影响，结果表明，适当降低叶丛快速生长期的氮素施用比例，有利于提高氮肥表观利用率和氮肥表观残留率，降低氮肥表观损失率。【本研究切入点】以往对大田作物的氮肥产量效应、氮肥的吸收利用效率以及土壤氮素平衡的研究主要集中在小麦[8-11]、玉米[12-14]等作物上，试验基于前人临界氮浓度模型[15]，根据干物质量推算各生育期的施氮比例，立足当地光温条件、天气过程，利用节水滴灌施肥技术，结合最佳灌水方案[17]在各生育期滴灌追肥，研究在基于临界氮浓度模型的施氮比例下，不同施氮量对加工番茄各生育期氮素吸收和土壤氮素运移的影响。【拟解决的关键问题】基于临界氮浓度模型的施肥方案，设置不施氮(N0)、施氮200 kg/hm2(N1)、施氮300 kg/hm2(N2)和施氮400 kg/hm2(N3)4个处理，测定加工番茄各生育期的生长、产量和土壤氮素等指标。为提高氮素的有效利用、维持土壤氮素平衡和加工番茄持续高产提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2018～2019年在石河子大学农学院试验站进行，列出试验地土壤理化性质。表1

表1 试验地理化性质

供试加工番茄品种为里格尔 87-5，用穴盘育苗，4叶1心时移栽大田。2018年4月29日定植，2019年4月26日定植。试验小区采用1.2 m宽薄膜覆盖，一膜铺设两条滴灌带，1管2行的种植方式，株距30 cm，行距60 cm，滴灌带滴头间距为30 cm。灌水量按照75%ET0[16]，通过水表控制灌溉，灌水周期设定为7～10 d，全生育期总灌水量为4 700 m3/hm2。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验设置不施氮(N0)、施氮200 kg/hm2(N1)、施氮300 kg/hm2(N2)和施氮400 kg/hm2(N3)4个处理，小区面积为7.2 m×12 m，各重复3次，共12小区，各试验小区随机排列。

在施纯氮量 300 kg/hm2条件下，加工番茄各生长阶段追肥比例是由该生长阶段临界氮吸收量Nuptc所占比例确定，而临界氮吸收量Nuptc是基于临界氮浓度稀释曲线模型所得，其加工番茄临界氮浓度稀释曲线模型和临界氮吸收模型[16]可用公式表示：

临界氮浓度稀释曲线模型：Nc=4.352DW-0.274。

式中，Nc为临界氮浓度值，%；Nuptc为临界氮吸收量，kg/hm2；DWmax为加工番茄地上部生物量的最大值。根据加工番茄干物质增长量获得Nuptc在各生育期所占比例，得出各处理在不同生育期的施氮量。施肥时氮肥全部用作追肥按比例在各生育期随水滴施，磷肥和钾肥全部一次性施入土壤做基肥，施入纯养分量为P2O5210 kg/hm2，K2O 150 kg/hm2。表2

表2 基于临界氮浓度模型的各处理施氮量

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 植株全氮

将植株样烘干后粉碎，采用浓H2SO4碳化，H2O2高温消煮，用全自动凯氏定氮仪(K-375)测定各器官含氮量，并计算植株全氮量。

1.2.2.2 土壤硝态氮

用的2 mol/L KCl溶液50 mL浸提鲜土样1 h，然后用双波长分光光度法(UV-2401紫外分光光度计)测定。

1.2.2.3 数据处理

参考巨晓棠[17]、苏继霞[7]和姜慧敏[4]的方法计算以下参数：

生育期土壤氮素净矿化量(kg/hm2)=不施氮区作物吸氮量(kg/hm2)+不施氮区土壤无机氮残留量(kg/hm2)-不施氮区土壤起始无机氮累积量(kg/hm2)。

土壤无机氮积累量(kg/hm2)=土层厚度(cm)×土壤容重(g/cm3)×土壤无机氮含量(mg/kg)/10。

生育期土壤氮素表观损失量(kg/hm2)=生育期施氮量(kg/hm2)+土壤起始无机氮累积量(kg/hm2)+生育期土壤氮素净矿化量(kg/hm2)-作物携出量(kg/hm2)-收获后土壤无机氮残留量(kg/hm2)。

氮素盈余量(kg/hm2)=氮素表观损失量(kg/hm2)+收获后土壤无机氮残留量(kg/hm2)。

氮肥表观利用率(%)=[施氮区作物吸氮量(kg/hm2)-不施氮区作物吸氮量(kg/hm2)]/施氮量(kg/hm2)×100。

氮肥表观残留率(%)=[施氮区土壤无机氮残留量(kg/hm2)-不施氮区土壤无机氮残留量(kg/hm2)]/施氮量(kg/hm2)×100。

1.3 数据处理

采用Excell 2007进行数据处理，SPSS 17.0统计分析软件进行方差分析，Origin9.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量对加工番茄株高茎粗的影响

研究表明，2年间不同施氮量下加工番茄株高和茎粗的变化趋势基本一致。在加工番茄苗期阶段，各处理下的株高和茎粗无显著差异；在开花期和坐果期，植株生长速度加快，各施氮处理的加工番茄株高和茎粗均大于不施氮处理，到红熟期，N2处理下的株高显著大于其他处理，2018年N2处理下的株高为85.5 cm，较N1、N3和N0处理分别提高了23.02%、24.68%和29.47%，同期N2处理下的茎粗为18.40 mm，较N0处理提高了27.17%，与其他施氮处理无显著差异，且2019年有同样变化趋势。拉秧期各处理下株高和茎粗的变化趋势与红熟期基本一致。图1

图1 不同施氮量下加工番茄株高茎粗变化

2.2 不同施氮量对加工番茄各生育期土壤硝态氮运移的影响

研究表明，2年间在0～80 cm土层内的运移规律基本相同，各生育期土层中的硝态氮含量均随着施肥量的增加而增加，在20～40 cm的土层中分布最多。

在加工番茄苗期阶段，各处理下的土壤硝态氮主要分布在20～40 cm土层中，40～80 cm土层中硝态氮含量逐渐降低，各处理间在60～80 cm土层中无显著差异；在开花期和坐果期，由于氮素随水下移，硝态氮在各土层中的分布较均衡；在红熟期和拉秧期，N0、N1和N2处理下的硝态氮含量在各土层中的分布较均一，N3处理下的硝态氮含量主要分布在20～60 cm土层中，且30～80 cm土层中的硝态氮含量显著大于其他处理，有较大的淋洗风险；在拉秧期，2018年N0、N1、N2和N3处理下的土壤硝态氮残留量分别为69.87、148.73、183.51和297.61 kg/hm2，N3处理显著大于其他处理，残留在40 cm以下土层中的硝态氮占54.72%，且2019年有同样趋势，N0、N1、N2和N3处理下的土壤硝态氮残留量分别为69.65、126.38、232.40和318.08 kg/hm2，N3处理的土壤氮素淋洗风险较大。

2018年，根据施氮处理下土壤硝态氮残留量与不施氮处理下土壤硝态氮残留量的差值可知N1、N2、N3在0～80 cm 土层来源于当季肥料的硝态氮残留量分别为96.40、114.37和245.16 kg/hm2，与施氮量对比，则硝态氮占各个施氮量的48.20%、38.12%和61.29%，且2019年有同样趋势。N2处理可以降低加工番茄对氮素的残留，提高氮肥利用率。图2

图2 不同施氮量下加工番茄全生长季土壤硝态氮运移

2.3 不同施氮量对加工番茄土壤氮素平衡的影响

研究表明，2年间不同施氮量对土壤-作物系统氮素平衡的分析，且2年的氮素平衡规律基本相同。氮素的输入主要以尿素、播前土壤无机氮和氮的矿化量组成，氮的总输入量随着施氮量的增加而增加。2018年在氮素输出中，N0、N1、N2处理下的氮素主要以作物吸收的方式带出土壤，分别占总氮输入的65.92%、42.64%、46.46%，N3处理下的氮素主要残留在土壤中，占总氮输入的47.36%，且2019年有同样变化趋势。随施氮量的增加，土壤剖面中的硝态氮盈余量增加。

各处理间氮肥表观利用率表现为N2处理最大，N1处理最小，2018年N1处理的表观利用率与N2处理相比降低了49.27%，2019年降低了46.39%。表观残留率表现为N3处理最大，N1处理最小，2018年N3比N2处理高50.32%，2019年高14.49%。在基于临界氮浓度模型的氮运筹下，N1处理可降低氮素在土壤中的残留量，但也降低了氮素的利用率；N3处理不但降低了利用率，且增加了土壤的残留量，N2处理有利于提高氮肥表观利用率，降低氮肥表观残留率。

氮肥的使用量会影响作物对氮素的吸收以及产量，合理施氮可显著提高加工番茄的产量，N2处理下的产量可达到120 t/hm2以上，2018年N1和N3处理相比N2处理分别减产了21.61%和12%，且2019年有同样趋势，N1和N3处理均会抑制产量的提高。表3

表3 基于临界氮浓度模型的施氮量在0～80 cm土壤剖面的氮素平衡

3 讨 论

3.1 不同施氮量对加工番茄生长的影响

加工番茄的株高和茎粗是植株生长的重要指标，影响着产量和果实的商品性[18]。

Michela Farneselli等[19]研究表明，低氮不足以满足加工番茄的生长，适宜的施氮量可以对加工番茄的生长有促进作用；李振华、张筱茜等[20-22]研究表明，施氮量对番茄株高、茎粗的影响呈不同的变化规律，大量施入氮肥不利于番茄茎粗的增加，在生育前期适当的减少氮肥施入量，有利于植株的生长。研究表明，在加工番茄苗期阶段，各处理下的株高和茎粗无显著差异；在开花期后，施氮300 kg/hm2的处理有利于促进加工番茄株高与茎粗的增加，保证了加工番茄的营养生长和产量的形成。

3.2 不同施氮量对加工番茄土壤氮素运移的影响

灌水与施氮均影响硝态氮的运移，试验灌水根据蒸发蒸腾量以及前人试验结果[16]为依据。水氮试验[23-26]表明，在田间定额灌水下，施氮量对硝态氮在土体中的移动深度没有显著影响，对硝态氮在土壤剖面的累积量均随施氮量的增加而增大，并随土层深度的增加而减少,且高氮在深层土壤中的淋洗风险较大。试验结果表明，随着生育期的推进，增氮施肥下的土壤硝态氮含量大于其他处理的趋势越发明显，在加工番茄拉秧期主要分布在20 cm以下的土层中，土壤氮素可能会随着农闲期的降雨量运移到深层土壤，来年被作物根系吸收的可能性比较小。

黄吴进等[27]研究表明温室土壤硝态氮主要分布在 0～40 cm土层；薛亮等[28]结果表明甜瓜收获后各处理土壤硝态氮含量在0～40 cm土层最高，且施氮量越大，硝态氮在80～120 cm土层大量累积的趋势越明显。试验结果表明，在基于临界氮浓度模型的施氮比例下，加工番茄红熟期之前土壤氮素主要分布在0～40 cm土层中，在红熟期和拉秧期，土壤氮素主要分布在20～60 cm土层中，且往60～80 cm土层中运移的趋势明显。

3.3 不同施氮量对加工番茄土壤氮素平衡影响

有研究表明秸秆还田和生物炭可有效减少土壤氮素的损失[28,29]，董强等[30]研究表明，连续3年减少20% 的施氮量可提高氮肥的农学利用效率和偏生产力，显著减少土壤剖面硝态氮残留量；杜军[31]等研究表明化肥使用量的降低，将有效的减少农田系统中氮素的输入量。研究表明，土壤氮素的输入量和拉秧期土壤硝态氮的残留量随着施氮量的增加而增加，施氮200 kg/hm2处理下的土壤硝态氮残留量与施氮300 kg/hm2处理相比降低了32.29%。王士红等[32]提出棉花施氮量从常规的300 kg/hm2第1年减少为105 kg/hm2，第2年减少为210 kg/hm2。Asif Ameen等[33]研究表明氮盈余随着施氮量的增加而增加，且促进了硝态氮的淋溶。试验结果表明，施氮200 kg/hm2的处理与其他处理相比，减少了土壤氮素的盈余量。张彬等[34]研究表明水稻土壤无机氮吸收量随着氮浓度的增加呈先增加后降低趋势，水稻土壤无机氮残留量呈相反的变化趋势。研究结果与其有所差别，加工番茄对氮素的吸收和对土壤无机氮的残留量均随着施氮量的增加而增加。

4 结 论

4.1 在基于加工番茄临界氮浓度模型的氮素运筹方案下，在加工番茄苗期阶段，各处理下的株高和茎粗无显著差异；在开花期后，施氮300 kg/hm2的处理有利于促进加工番茄株高与茎粗的增加，保证了加工番茄的营养生长和产量的形成。

4.2 在基于加工番茄临界氮浓度模型的氮素运筹方案下，各土层中硝态氮含量随施氮量的增加而增加，且主要分布在20～40 cm土层中；在拉秧期施氮400 kg/hm2处理下的土壤硝态氮含量主要残留在40 cm以下土层中，淋洗风险较大，施氮300 kg/hm2处理下的土壤硝态氮含量在土壤剖面分布较均衡，降低了氮素对土壤环境的污染。

4.3 在基于加工番茄临界氮浓度模型的氮素运筹方案下，施氮200 kg/hm2的处理可降低氮素在土壤中的残留量，但也降低了氮素的利用率，施氮300 kg/hm2的处理有利于提高氮肥表观利用率，降低氮肥表观残留率，施氮400 kg/hm2的处理促进了作物对氮素的吸收，但加大了氮素在土壤中的残留，降低了利用率。

4.4 在基于加工番茄临界氮浓度模型的氮素运筹方案下，在加工番茄苗期阶段，各施氮量基本不会影响植株的正常生长，在生产中可按N1处理施44 kg/hm2减氮施肥，在开花期后，按N2处理施234 kg/hm2的氮运筹可促进植株的生长，且土壤氮素残留相对较少，保证了较高的氮肥利用率和经济效益。