微润灌溉配合减量施肥对设施番茄土壤铵态氮分布及淋失的影响

吕 诗，魏 欢，王小敏，刘 猛，姜长松，段亚军，张玉坤，杨志新

（河北农业大学 资源与环境科学学院 / 河北省农田生态环境重点实验室，河北 保定 071000）

2019 年全国蔬菜种植面积高达2 086.3 万hm2，其中河北省占比3.81%［1］，番茄作为河北省蔬菜种植的第三大作物［2］，播种面积已超7.2 万hm2［3］。2019 年我国设施番茄栽培面积约86.7 万hm2［4］，其中河北省约5.0 万hm2［5］。高产出高收入导致水肥资源超量投入的过度集约化栽培模式应运而生。据调查数据显示，设施菜田氮投入量是作物带走量的数倍，其盈余问题十分严重，其中果类蔬菜中最高，高达5.8 倍，造成1 983 kg N/（hm2·年）的盈余量［6］。盈余的氮素一部分以气态形式“上天”，另外则以溶液形式通过淋失方式“入地”。

减少氮肥用量、调节灌溉用水等措施可一定程度上影响氮素在土层中的分布从而降低其淋失风险［7］。杨荣全等人［8］提出减氮20% 和减氮50% 露地蔬菜种植模式下，全年氮淋失风险分别降低12.8%和36.3%；韦高玲等［9］在露天苦瓜栽培研究中发现相比常规施肥处理，减氮30%可显著降低耕层土壤总氮和硝态氮淋失量，降幅高达58.4%和59.0%。在调节灌溉用水措施方面，习金根等［10］通过不同灌溉方式下的土柱试验发现，滴灌较漫灌可降低24.9%的氮素淋失量；节水灌溉条件下土壤氮累积残留量比传统灌溉低，30%节水量使得设施菜田40 ～60 cm 土层硝态氮含量显著降低了8.0%～63.7%［11］，可溶性总氮淋溶量相比于常规灌溉显著降低了13.9%［12］。

微润灌溉作为一种新兴的节水灌溉模式，水分透过纳米级半透膜微孔管以类似于皮肤发汗形式缓慢渗出，有着高达70%以上的节水率，用量约为滴灌的20% ～30%［13］，并且以运行不需动力设备、成本较低的优势占据了国内外节水技术的重要地位［14］。当前关于微润灌溉在土壤氮损失领域的研究主要集中在硝态氮淋失及运移分布方面［15-16］，而土壤铵态氮的淋失对土壤氮淋失的“贡献”也不容忽视，相关研究指出，铵态氮淋失量占无机氮淋失总量的62%～97%［17］。因此，在本课题组前期对硝态氮研究的基础上［16］，后期对铵态氮进行了追踪加测，进一步探明微润灌溉配合减量施肥对设施番茄土壤铵态氮分布及淋失的影响，为设施菜田水氮管理和生态环境保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于河北省廊坊市永清县瓦屋辛庄村（116.451°E，39.214°N），地处北温带亚湿润大陆性季风气候区，年均温11.5℃，年均降水量540 mm，日照时数2 740 h。试验区具有10 年以上蔬菜种植历史，为华北平原典型设施菜田，土壤类型为潮褐土。其土壤基本理化性质如下：容重1.34 g/cm3，有机质含量16.96 g/kg，碱解氮172.00 mg/kg，有效磷356.72 mg/kg，速效钾450.13 mg/kg，pH 6.94，砂粒（0.05 ～2 mm）∶粉粒（0.002 ～0.05 mm）∶黏粒（＜0.002 mm）=39.47%∶56.45%∶4.08%。

1.2 试验设计

试验设置4 个处理，分别为传统灌溉+ 传统施肥（CT）、传统灌溉+减量施肥（CY）、微润灌溉+减量施肥（WY）、微润灌溉+不施肥对照（CK）处理。传统灌溉和传统施肥（200 kg/hm2N）是指依据当地农户种植经验进行水肥管理，减量施肥（118 kg/hm2N）则是在传统化肥用量基础上做一定减量。每个处理3 次重复，共12 个小区，小区面积36 m2（长7.5 m×宽4.8 m），田间小区以随机区组法进行布置。番茄株距为35 cm，行距为40 cm，种植密度为48 800 株/hm2。为确保番茄正常保苗及生长水分需求，定植时所有处理统一按照传统灌溉方式进行，随后依据不同处理采用各自的灌溉方式，具体灌溉水量如表1 所示。供试肥料为有机质含量≥40%的生物有机肥（作为基肥一次性施入）和N-P2O5-K2O∶20-20-20、15-5-30 的化学肥料（按9∶16∶16∶16∶12∶17∶15 比例分别于番茄苗期、花期、膨果初期、膨果三穗果期、膨果四穗果期、膨果盛期、结果末期分7 次施入）。供试番茄品种为普罗旺斯。每个处理布设1 套淋溶桶（横截面积1.2 m2）装置，用于收集1 m 土壤淋溶液。

表1 设施番茄不同处理各生育期灌溉水量Table 1 Water irrigation quantity in different growth stages of

1.3 样品采集

土壤样品：于番茄苗期、花期、膨果三穗果、膨果四穗果、拉秧期，以20 cm 为一层，以“S”形采样法用土钻采集100 cm 土层土壤，每小区内5 个样点组成1 个混合样品，装袋密封，标记，置于冰盒保存。

淋溶液样品：于番茄苗期、花期、膨果初期、膨果三穗果、膨果四穗果、膨果盛期、拉秧期采集样品。连接电动真空泵-抽液管-缓冲瓶-抽液管-采样瓶，利用缓冲作用将淋溶液提取至采样瓶，用量筒测量淋溶液体积，记录，置于冰盒保存。

1.4 测定指标与方法

1.5 数据处理与分析

数据计算与作图运用Microsoft Excel 软件，数据统计学分析运用SPSS 25.0 软件。

2 结果与分析

2.1 微润灌溉配合减量施肥条件下设施番茄土壤铵态氮分布特征

不同水肥处理下番茄土壤剖面NH4+-N 含量在同一生育期具有相似的变化规律（图1）。从不同土层深度变化来看，各生育期不同处理NH4+-N 含量均呈现40 ～60 cm 土层存在明显转折峰的典型特征。然而不同生育期内NH4+-N 含量表现出的分布规律并不一致。

番茄苗期不同处理土壤剖面NH4+-N 含量如图1(a)。40 ～60 cm 土 层 上NH4+-N 达 到 了该生育期峰值，此时NH4+-N 含量大小顺序为WY＜CY＜CT，分别为5.63、9.98、12.07 mg/kg，微润灌溉WY 处理较传统灌溉CT、CY 处理NH4+-N峰值显著降低了53.34%、43.59%；同为传统灌溉模式的减量施肥CY 处理较传统施肥CT 处理NH4+-N峰值降低了17.29%，且差异达到显著水平（P＜0.05）；即该生育期单一微润灌溉产生的对阻控NH4+-N 淋失的贡献率高于单一减量施肥，微润灌溉配合减量施肥效果最佳；60 ～100 cm 土层NH4+-N 含量在各处理间不存在显著性差异。

图1(b)反映了番茄花期土壤剖面NH4+-N 含量分布状况。可以看出，该生育期CT、CY、WY 处理NH4+-N 含量的变化范围为9.35 ～11.99 mg/kg、8.75 ～10.19 mg/kg、5.63 ～10.51 mg/kg。从减量施肥角度分析，CY 处理较CT 处理在20 ～40 cm和80 ～100 cm 土 层 上NH4+-N 含 量 显 著 降 低 了19.21%、15.01%；对比不同灌溉方式发现，WY 处理较CY 处理在20 ～40 cm 土层上NH4+-N 含量显著下降了43.59%；而减量施肥与微润灌溉结合的WY 处 理 较CT 处 理 在20 ～40 cm 和40 ～60 cm土层上NH4+-N 含量也存在显著下降趋势，降幅分别为17.23%、39.78%。

膨果三穗果期是番茄高产的关键时期，施肥量与灌水量达到了全生育期最高水平，施肥处理NH4+-N含量在7.26 ～10.67 mg/kg 范围内(图1(c))，较CK对照增加了14.96%～68.87%，仅WY 处理较CT 处理在80 ～100 cm 土层上NH4+-N 含量差异达到了显著水平，降幅21.86%。可见，微润灌溉配合减量施肥对土壤深层NH4+-N 含量的降低作用明显；且高水高肥投入条件下，只有减量施肥和微润灌溉两者结合才能达到阻控NH4+-N 向土壤深层淋失的目的。番茄膨果四穗果期与拉秧期因水氮需求施加量低使得土壤NH4+-N 含量(图1(d)和1(e))较膨果三穗果期整体有所下降，80 ～100 cm 土层上CT、WY 处理土壤NH4+-N 含量分别为6.45 ～8.10 mg/kg、5.64 ～6.80 mg/kg，WY 较CT 处理降低了12.61%～16.00%，但差异不显著，说明微润灌溉配合减量施肥在水氮投入较低的时期对土壤NH4+-N 分布影响效果不理想。

图1 番茄各生育期土壤剖面NH4+-N 含量Fig. 1 NH4+-N content of soil profiles in different tomato growth stages

综上所述，微润灌溉和减量施肥均会影响NH4+-N 在土壤剖面的分布，且以微润灌溉配合减量施肥处理效果最为明显。

2.2 微润灌溉配合减量施肥对设施番茄土壤铵态氮淋失的影响

传统灌溉CT 和CY 处理在各生育期内均收集到了不同量的淋溶液；而微润灌溉WY 处理除苗期和花期外，其他生育期未收集到淋溶液（图2）。CT、CY 和WY 处理全生育期NH4+-N 淋失量分别为1.57、1.02、0.66 kg/hm2，其中苗期淋失量占全生育期淋失量的63.05%、51.23%、83.94%。苗期WY和CY 处理相比于CT 处理淋失量差异不显著；花期CY 和WY 处理NH4+-N 淋失量较CT 处理降低了43.23%～45.20%；其他生育期CY 处理较CT 处理NH4+-N 淋失量也有所降低，降幅在9.52%～19.50%范围内；就全生育期而言，单减量施肥CY 模式下可阻控35.20%的NH4+-N 淋失量，而微润灌溉配合减量施肥WY 模式对阻控土壤NH4+-N 淋失成效更为明显，下降率达57.89%。

图2 番茄各生育期土壤NH4+-N 淋失量Fig. 2 The amount of NH4+-N leaching from soil in different growth stages of tomato

2.3 微润灌溉配合减量施肥对设施番茄产量和灌溉水利用效率的影响分析

该生长季不同水肥处理番茄产量（图3）分布在101.42 ～123.21 t/hm2范围内，各处理间差异不显著，即减量施肥CY 甚至微润灌溉配合减量施肥WY 处理均未造成番茄产量损失，且WY 显著提高了灌溉水利用效率（产量与灌水量的比值）（图3），高达81.19 kg/m3，是传统灌溉CT、CY 处理的2.12倍和2.40 倍。

图3 番茄产量和灌溉水利用效率Fig. 3 Tomato yield and irrigation water use efficiency

3 讨论

铵态氮是植物根系直接吸收的氮素形态，同时也是衡量土壤肥力的重要指标。但铵态氮相较于硝态氮而言，因其带正电荷易被土壤胶体吸附而常常忽视它的淋失现象［18］，土壤胶体对NH4+-N 的吸附功能，有一定限度的，一旦含量超过阈值，就会大大降低吸附能力，进而发生明显的淋失现象［19］。正如本研究中，传统水肥CT 处理在该番茄生长期间产生了1.57 kg/hm2的NH4+-N 淋失量。夏红霞［20］提出在土壤水分相同的条件下氮素含量主导氮淋失，合理减少氮肥用量是降低土壤氮淋失的最有效措施。褚继登［21］的室内土柱模拟试验结果表明，减量施肥对降低NH4+-N 向土壤深层淋失有显著成效；吕亚敏等［22］关于水稻生育期内减氮15%和24%的土壤NH4+-N 含量比高水平施肥处理降低了42%和50%。本试验中番茄相同灌溉条件下节肥40%的CY 处理较传统施肥CT 处理在苗期40 ～60 cm、花 期20 ～40 cm 和80 ～100 cm土层上NH4+-N 含量显著降低了17.29%、19.21%和15.01%。可见减量施肥条件下相对低的氮素投入量，减少NH4+-N 来源，降低了其在土层中的分布含量。需要说明的是，以上减量施肥措施并未造成番茄减产，反而由于减少了土壤剖面氮素淋失，使得其更多地分布于土壤耕层，有利于作物充分吸收而降低氮损失，从而提高了氮肥偏生产力和氮肥农学效率［23］。

农田土壤养分淋失直接来源于土壤水分的垂直运移，设施栽培高养分投入和多茬口的种植模式，使得土壤基础养分含量大幅升高，不当的灌水措施势必造成土壤养分淋失风险加剧［10］。正如本试验传统灌溉在各个生育期均产生了淋溶现象，而微润灌溉仅苗期和花期收集到了较传统灌溉量少的淋溶液。且各处理最大淋失量出现在苗期也主要归因于定植期一次性大量水分投入产生的持续渗漏效应。此外，土壤水分还通过影响硝化作用有关微生物活性及土壤通气性而对土壤NH4+-N 含量产生影响。相关研究表明在一定范围内，土壤NH4+-N 含量与水分含量呈正相关关系［24］。本研究中WY 处理较CY 处理在苗期40 ～60 cm、花期20 ～40 cm 土层上NH4+-N 含量显著降低了43.59%、43.59%，印证了上述观点。值得强调的是，微润灌溉所表现出的NH4+-N 含量降低结果不仅仅得益于单纯土壤含水量的减少，更大可能是水分分布差异的结果，相较于传统灌溉模式下的减少水分投入措施，微润灌溉的运行特性使得土壤水分和养分含量最大值出现在微润管周围，随着水平距离的增加，水肥含量由高到低变化［15］。植物根系周围水肥稳定地保持在适宜恒量，一方面，不会像传统水肥投入即刻水氮骤然增多，这种微量持续的供给更有助于作物吸收土壤氮素［25］，从而减少因一次性投入过量氮素而产生损失；另一方面，微润灌溉良好的土壤水分环境提高了硝化速率［26］，从而降低了土壤NH4+-N 含量。减量施肥降低了土壤剖面NH4+-N 含量，微润灌溉削减了NH4+-N 向土壤深层淋失的动力，本研究中将微润灌溉与减量施肥结合运用，使得WY 较CT处理NH4+-N 在番茄全生育期土壤剖面含量和淋失量显著降低了17.23% ～53.34% 和57.89%，对阻控NH4+-N 淋失风险效果更优。微润灌溉配合减量施肥模式在减少水氮投入提高资源利用率的同时，增加了设施栽培过程中的经济收入，从而实现环境与收益的双赢。

4 结论

（1）微润灌溉配合减量施肥处理显著降低了设施番茄土壤剖面NH4+-N 含量。与传统水肥处理相比，苗期40 ～60 cm 土层、花期20 ～40 cm 和40 ～60 cm 土层、膨果三穗果期80 ～100 cm 土层NH4+-N 含量显著降低了53.34%、17.23%、39.78%、21.86%。

（2）微润灌溉与减量施肥均减少了NH4+-N 向深层土壤淋失，以WY 处理效果最佳。WY 处理仅在苗期和花期收集到了土壤淋溶液；CT、CY 和WY 处理全生育期NH4+-N 淋失量分别为1.57、1.02、0.66 kg/hm2；苗期淋失量占比高达全生育期淋失量的51.23%～83.94%，但各处理间差异互不显著；全生育期CY 和WY 处理NH4+-N 淋失量较CT 处理分别降低了35.20%、57.89%。

（3）WY 处理在未影响番茄产量的基础上显著提高了灌溉水利用效率（81.19 kg/m3），是传统灌溉CT、CY 处理的2.12 倍和2.40 倍，因此，推荐微润灌溉配合减量施肥作为设施菜田栽培的水肥管理模式。