设施条件下不同水氮用量对番茄生长及根区土壤环境的影响

马志杰，张学科，白俊英，王金鹏，陈卫东

（宁夏大学土木与水利工程学院/宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心/旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川750021）

水分是番茄进行一系列代谢活动的必需物质，适宜的水分供应能够促进番茄的产量和品质［1］。亏缺灌溉导致番茄密度、硬度增加，产量降低。过量灌溉能够提高番茄产量，但番茄内含物如糖分、维生素C含量、番红素等均显著降低［2］；另一方面过量灌溉也导致根区大量营养元素淋失，降低肥料的利用率，尤其对易随水分流失的养分如硝态氮、钾、镁离子等［3，4］。氮素是植物生长必需的营养元素之一，合理施用氮肥能够促进番茄植株体营养器官的形成，氮素过量会使营养器官如根、茎、叶等生长过旺、果实成熟较晚，另一方面氮肥过量也会降低其利用率［5］。硝态氮是植物易于吸收的氮素形态，在土壤耕作层易发生流失，造成氮素利用率低［6］。此外，硝态氮也是土壤中主要的盐分离子，过量硝态氮的累积及淋失导致根区土壤盐渍化加重，土壤发生盐渍化或次生盐渍化［7］。目前合理水、氮利用仍然是宁夏设施生产中难于协调的技术问题［8］，本研究以日光温室条件下栽培番茄为供试作物，研究灌水量及减氮量对作物生长、产量及根区土壤环境产生的影响，此研究以期为宁夏水、氮资源合理利用及温室蔬菜水肥调控提供技术与理论参考。

1 材料与方法

1.1 温室条件及供试土壤

供试温室位于宁夏贺兰县习岗镇设施农业示范园区，单栋东西延长，一面坡式，镀锌钢管结构，外用聚乙烯无滴膜覆盖。温室土壤属沙壤土，其基础理化性质见表1。

表1 供试土壤基本理化性质

1.2 试验设计及实施

试验采用裂区设计，主区设种植番茄和裸地2种栽培形式，副区设不同灌水量（W）和不同施氮量（N）2个试验因素。灌水量设2.25×103t/hm2（W1）和 t/hm2（W2）2个水平；施氮量设450 kg/hm2（N1）和675 kg/hm2（N2）2个水平，副区共4个处理，每处理重复3次，试验共设24个微区。灌水量4.50×103t/hm2和施氮量675 kg/hm2为当地农户的习惯用量，灌水量2.25×103t/hm2和施氮量450 kg/hm2为目标灌水量及施氮量。

采用田间微区方法进行试验，将直径300 mm、长600 mm的PVC管打入温室土壤中，试验在管内进行。在温室内选择好试验区，整平试验区的土壤并确定好24个微区的位置。先用与PVC直径相同的铁皮圈切割环状土层，然后将PVC管放至指定位置后垫上木板，用锤子缓慢打入土中，保持所有土柱深浅一致，PVC管上端高出土面5 cm，用小铲将所有土柱表面20 cm整平。将培育好的番茄幼苗定植于微区内，所有处理均灌500 mL定植水，待番茄缓苗正常且土柱表面水分适宜时，将番茄苗扶正并再次将所有处理灌300 mL定植水。后期所有处理均按试验设计进行灌溉。整个生育期番茄苗按常规田间农艺管理措施进行统一管理。

氮肥用量处理N1、N2按管径300 mm计算，折合出尿素（N 46%）用量后，每次按计算总量的1/4进行追施。追施时将肥料溶于水中，每次施肥时用喷壶将肥料缓慢喷洒于土壤表面。按相同方法计算不同灌水量W1、W2下土柱实际灌水量，按番茄生育期及表层水分含量监测结果进行灌溉，期间共灌水8次。

1.3 样品采集与测定

试验前测定温室内土壤的基础理化性质；试验结束后用土钻将微区内土壤每隔10 cm分层采样，测定其质量含水量、硝态氮含量、电导率（EC）、pH等指标。

果实成熟期分次记录产量，收获时记录植株不同器官生物量及最后产量。

土壤各指标测定方法：株高采用田间刻度尺测定；茎粗采用游标卡尺测定；叶绿素含量采用叶绿素仪测定；生物量、产量采用称重法。pH采用酸度计测定；电导率测定采用电导仪法；土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法；全氮测定采用半微量开氏法；硝态氮、氨态氮测定采用连续流动分析仪法。

1.4 结果计算

质量含水量=（鲜土重-干土重）/干土重

硝态氮含量C=C0×V×A×（1+m0）/m1

式中，C0为检测浓度；V为浸提体积；A为分取倍数；m0为质量含水量；m1为鲜土质量。

1.5 数据分析

用Excel 2007和SAS V8软件进行统计分析，利用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同灌水量、施氮量对番茄生长的影响

由表2可知，W2N2处理番茄株高显著高于其他处理，W2N1株高最小；W1N1、W2N1茎粗显著高于W1N2、W2N2；W1N2、W2N2叶片叶绿素含量显著高于W1N1、W2N1，表明施氮量越大，叶绿素含量越大。就总生物量及各器官生物量而言，W1N2总生物量最小，根、茎、叶各器官生物量均最小。可见，施氮量、灌水量越少植株越粗壮，较多的灌水量和氮肥用量使植株徒长、变细，但施氮量、灌水量大时植株形成的总生物量越大。

表2 不同水氮处理对番茄生长的影响

2.2 不同灌水量、施氮量对番茄产量形成的影响

由图1a可知，番茄在整个生育期共摘果5次，产量结果表明，W1N2和W2N2前3次产量较低，而第4、第5次产量较高；相同灌水量对果实成熟无显著影响，而施氮量越大果实成熟期越晚。全生育期总产量结果（图1b）表明，W1N2处理产量显著高于其他处理，W1N2较W1N1、W2N1和W2N2分别增产26.7%、35.1%和15.5%。可见，氮肥用量大而灌水量较少时能够提高番茄产量。

图1 不同水氮处理对番茄产量的影响

2.3 不同灌水量、施氮量对土壤水分的影响

由图2可知，种植番茄的4个处理土壤各层水分含量低于不种植的处理，种植番茄的4个处理不同灌水量间0~30 cm土壤剖面含水量有明显差异，W2N1、W2N2土壤剖面含水量显著大于W1N1、W1N2；相同灌水量下不同施氮间无显著差异。裸地的4个处理相比较而言，灌水量和施氮量均显著影响土壤剖面含水量，W2N1、W2N2剖面含水量显著大于W1N1、W1N2；灌水量相同而施氮量不同时，在W1灌水量下不同施氮量显著影响土壤表层剖面含水量，而W2灌水量时不同施氮量对剖面含水量没有显著影响。

图2 不同水氮处理对土壤水分的影响

2.4 不同灌水量、施氮量对土壤剖面硝态氮浓度的影响

由图3可知，种植番茄的4个处理W1N1、W1N2峰值在0~10 cm，而W2N1、W2N2峰值在10~20 cm；裸地的4个处理峰值均出现在0~10 cm。

图3 不同水氮处理对土壤硝态氮浓度影响

种植番茄的4个处理相比较而言，相同灌水量下硝态氮浓度趋势一致，不同灌水量间有显著差异，灌水量越大，10~20 cm处硝态氮浓度越大。灌水量为W1时，N1处理与N2处理间无显著差异；灌水量为W2时，N2处理硝态氮浓度显著高于N1处理。

裸地的4个处理相比较而言，灌水量和施氮量均影响土壤中硝态氮浓度，各土层相比，W2N2硝态氮浓度显著大于W1N2、W2N1，且大于W1N1，较大灌水量及施氮量处理下土壤中硝态氮浓度也最大，在40~50 cm土层W2N2硝态氮浓度显著大于其他处理。

2.5 不同灌量水、施氮量对土壤总盐分浓度的影响

由图4可以看出，种植作物后根区（0~50 cm）土壤电导率增加84.4%。种植番茄的4个不同水氮处理0~50 cm电导率间均有显著差异，裸地的4个处理在0~10 cm有显著差异，10 cm以下均无显著差异。种植番茄时4个不同水氮处理相比较，0~10 cm各处理间电导率均有显著差异。W2处理0~50 cm电导率均显著低于其他各处理。

图4 不同水氮处理对土壤电导率的影响

裸地时W1N2、W2N2处理0~10 cm土壤电导率显著高于W1N1、W2N1。种植作物区与裸地区各层次土壤盐分相比，种植作物区盐分为600~1 100 μS/cm，而祼地区表层盐分较高，20 cm以下盐分含量均较低。

由图5可以看出，与裸地相比，种植番茄后土壤pH平均下降2.08%，其中，W1N1、W1N2、W2N1和W2N2处理各层分别下降3.00%、1.67%、2.02%和1.54%。从土壤层次来看，0~10、10~20、20~30、30~40、40~50 cm土 壤pH分 别 下 降0.46%、2.60%、2.16%、2.50%、2.60%。对表层0~10 cm土壤而言，W2N1和W2N2处理土壤pH高于W1N1和W1N2，施氮量对土壤pH的影响无规律性。可见，种植作物可使根际土壤变酸，表层0~10 cm土壤灌水量越小，pH越小。

图5 不同水氮处理对土壤pH的影响

3 小结与讨论

本研究结果表明，水分、氮素显著影响了番茄的生长，当灌水量和施肥量都较大时，番茄生长势强，形成的生物量也较大，但从产量结果来看，水少氮多的处理产量较高，其他处理间并无显著差异。水分是一切生物体的生命之源，充足的水分能够促进植物的新陈代谢［8］。但当土壤中水分过量时，较多水分以重力水的形式向下迁移，在土体中形成无效水，不仅浪费水资源，还会造成土壤中易流失离子如硝态氮发生淋溶作用从而导致氮素损失，因此对沙壤土来说，合理控制水量非常重要［9-12］。设施条件下由于当季种植密度大，复种指数也高，农户为了获取最大收益，在生产中经常提倡大水大肥，从本研究结果来看，大水并未提高产量，大肥对产量有一定提高作用，但与此同时，当施肥量较大时，土壤表层硝态氮残留和表层盐分都有显著增加的趋势。硝态氮残留和表层盐分增加导致土壤盐渍化程度加剧，缩短温室寿命，从长远效益来看，农户收益减少。从种植番茄的处理与裸地土壤环境来看，种植作物后，表层土体水分、pH下降而硝态氮浓度、盐分含量均增加，可见，设施条件下人为耕作对表层土壤影响很大，土壤酸化和盐渍化问题均与耕作方式有关。生产中产量因素固然重要，但从环境效益及温室长远利益来看，减少水氮用量非常有必要。