水氮调控对设施土壤剖面无机氮分布和番茄产量的影响

尹俊慧，张懋炜，梁 斌，郝祥蕊，刘 蕊，陈 清

（1.中国农业大学 资源与环境学院，北京 100193；2.青岛农业大学 资源与环境学院，山东 青岛 266109；3.上海农乐生物制品股份有限公司，上海 201419）

蔬菜产业是我国农业发展的支柱产业，其中设施蔬菜约占70%[1]。我国于20世纪80年代开始大力发展设施农业，目前设施蔬菜栽培面积已处于世界前列[2]。设施栽培可以缩短蔬菜作物生产周期，提高蔬菜作物年产量，保障冬季的蔬菜供应，给农民带来较高的经济效益[3]。由于农户一味追求设施蔬菜种植的高产出，普遍采用过度集约化、大水大肥的管理方式[4]，没有根据作物对养分和水分的需求和利用特点进行有针对性的水肥管理，造成了严重的环境问题和经济损失[5]。

联合国粮食及农业组织发布的数据表明，我国设施蔬菜体系的氮肥施用量已经超出世界设施蔬菜总施氮量的50%，但其氮肥利用率仅为9%~17%[6]。大量研究表明，与其他必需的营养元素相比，蔬菜作物对氮素更为敏感，增加氮肥的施用量具有明显的增产效果，但是氮素利用率低且土壤中的氮素储存能力有限[7]。在蔬菜种植过程中，农民为了保证作物产量需要长期大量施肥。然而，氮肥过量投入会导致土壤质量退化、潜在环境污染风险增加、蔬菜作物产量减少、蔬菜品质下降、出现食品安全等问题[8]。山东寿光作为典型的设施蔬菜种植区，其设施番茄种植过程中每年灌溉水携带的氮素高达200 kg·hm-2左右[9]。据文献统计，设施菜田单季氮肥投入约为2 100 kg·hm-2，其中有机肥占总氮的50%左右，氮肥投入量是作物利用量的7倍，导致1 800 kg·hm-2的氮剩余[2]。这种过量施氮的问题在其他地区也很常见[10-11]。在设施蔬菜的种植过程中，为了获得高产量和高收入，农民有时会进行大量的灌溉和施肥，这不仅会导致资源浪费，也会造成土壤中硝酸盐向土层下部迁移[12]。因此，灌溉与施肥有着内在的联系，过量施肥结合不合理的灌溉方式，可能会导致下层土壤硝态氮的含量不断增加，显著增加氮素淋洗损失。我国北方集约化设施蔬菜生产过程中，每季硝酸盐淋洗量高达150~350 kg·hm-2[9,13]。硝酸盐淋洗被认为是设施蔬菜生产中氮素损失的主要途径之一，也是导致地下水污染的重要因素，从而导致严重的环境污染[14]，这些现象正是许多设施栽培中普遍存在的问题[15]。综上所述，我国设施栽培中普遍存在水肥投入不合理的问题，致使土壤下层中大量养分积累，从而导致氮肥利用率低，引发硝酸盐淋洗、水体富营养化等各种环境问题[16]。

在推进蔬菜产业集约化、规模化、设施化发展的大背景下，水肥一体化技术凭借节水节肥、节省人工管理等优点逐渐被推广应用[17]。建立高效的水肥管理措施是设施蔬菜产业持续健康发展的重要保障[18]。目前，优化氮肥管理技术虽然已经在设施栽培领域得到了广泛的研究和试验的验证，但是合理的氮肥管理与设施栽培依然存在结合不匹配、不深入的问题。目前已有的研究主要集中在氮肥用量、灌溉方式、灌溉量等单一因素对土壤剖面氮分布和作物氮素吸收的影响，对于设施蔬菜生产中水肥一体化中水氮耦合的相关研究不足[10,19-21]。要想实现水肥的精准管理，除了明确作物的水肥需求规律以外，还需要精准调控土壤的水分状况[22-23]。基于土壤墒情原位监测的智能灌溉模式，可以实现少量多次的高频灌溉，使养分集中在根系附近，减少其淋洗损失，从而提高其利用效率[22]。本研究以山东寿光地区设施蔬菜生产中具有代表性的日光温室作为试验地点，以经济作物番茄为研究对象，结合土壤墒情实时原位检测技术设置不同的水氮耦合措施，确定合理的设施番茄水氮投入模式，明确各种水氮管理模式中土壤剖面无机氮的分布及番茄氮素的吸收情况，为提升山东寿光地区设施番茄种植中水氮管理水平，提高氮肥利用率及减少水资源浪费提供数据支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验在山东省寿光市蔬菜标准中心（36°51′19″N，118°48′48.9″E）的温室大棚（上海农乐生物制品股份有限公司实习基地）进行。该试验地点的气候类型为大陆季风气候，年均气温12.4℃，年均降雨量为558 mm，全年日照总数2 500 h以上。供试土壤属于黄棕壤土。试验地土壤基本理化性质如表1所示。

表1 试验前土壤理化性质

1.2 供试材料

供试作物：鲜食番茄（中型果品种）口感型，生育期120 d左右，冬春季一般2月份定植，4月份采摘，5月底左右完成拉秧，一般每株留5穗果，每穗果4~5个。

供试肥料：鸡粪（含氮量1.54%，施用量3.3 t·hm-2）、稻壳（含氮量0.48%，施用量20 t·hm-2），灌溉水加有机肥投入氮量约为100 kg N·hm-2，硝酸钙、磷酸二氢钾、硫酸钾、氯化铵、硫酸铵等进行追肥。目标产量80 t·hm-2（鲜食番茄产量低），氮素携出约200 kg·hm-2，所有处理磷素、钾素投入一致，化肥P2O5用量为50 kg·hm-2，化肥K2O用量为300 kg·hm-2。

1.3 试验设计

试验根据不同施氮量和灌溉水分变化幅度设4个处理：施氮100 kg·hm-2宽幅灌溉（W100），施氮100 kg·hm-2窄幅灌溉（N100），施氮150 kg hm-2宽幅灌溉（W150），施氮150 kg·hm-2窄幅灌溉（N150）。随机区组排列，设3个重复小区。每个小区三垄一共种植6行番茄（三垄：一垄2行，三垄6行），相邻两垄的间隔为0.76 m，每行植株相距0.3 m。灌水方式采用膜下滴灌方式，灌水量、浇水施肥采用基于原位监测的全自动施肥机及其控制策略，实现了营养液的N、P、K浓度监测与自动配肥判断含水量，判断土壤（基质）肥力，根据施肥浓度计算施肥体积，灌溉施肥，判断灌水终点，停止灌溉施肥，通过土壤湿度传感器将土壤数据传入到电脑中，然后根据电脑之前设好的参数来判断浇水施肥，实现自动化（图1）。当土壤含水率低于田间持水量的65%/68.5%开始灌溉，灌溉至71.5%/75%，按照公式计算其土壤含水率。

图1 智能滴灌水肥一体化系统

式中，m1为烘干前的质量；m2是烘干后的质量。

试验过程中的水分变化情况如图2所示，与宽幅灌溉相比，窄幅灌溉的水分较为稳定且变化幅度较小，达到了预期的试验处理要求。

图2 不同灌溉条件下土壤水分变化情况

定植后，为了保证各处理施肥量保持与试验方案相匹配，使试验顺利进行：每10 d对各处理养分投入量（尤其是保障氮素投入）进行计算，按照植物生育期各时期的理论投入量，以及线上监控水肥投入，进行参数调节，保证试验各处理施肥量在一季结束后按照试验方案严格执行。苗期：水占比27%，N肥占比12%；开花结果期：水占比37%，N肥占比40%；拉秧期：水占比36%，N肥占比48%。具体施肥和灌水方式如表2所示。

表2 试验处理

1.4 指标测定

分别于番茄的苗期、开花结果期、拉秧期采集土壤剖面样品。其中，苗期和花开结果期采集0~60 cm土壤样品，拉秧期采集0~200 cm土壤样品。在施肥垄用螺旋土钻（直径4cm）沿垂直方向向下取土，每20 cm土层采集土壤样品。选取各小区代表性的番茄植株6株，番茄整个生育期一般结5~6个穗的番茄，每穗番茄成熟的时候收集果实并记录质量数据，拉秧后每穗质量累加，结合番茄植株的种植密度和面积换算出番茄的产量。土壤有效磷的测定采用浓度为0.5 mol·L-1的碳酸氢钠溶液浸提-钼锑抗比色法；土壤速效钾测定采用浓度为1 mol·L-1的醋酸铵溶液浸提-火焰光度计法；土壤有机质测定采用重铬酸钾外加热法。土壤pH值的测定：称取10 g过筛的风干土壤样品于离心管中，加入25 ml去离子水，磁力搅拌3 min静置后用玻璃电极法测定。土壤EC的测定：称取10 g过筛的风干土壤样品于离心管中，加入50 ml去离子水，在水平式往复振荡机（150~180 r·min-1）上震荡5 min，静置30 min过滤后用电导法测定。土壤全氮采用浓H2SO4-H2O2消煮，用凯氏定氮仪测定。土壤无机氮的测定：采用0.5 mol·L-1的KCl溶液，土水比为1∶10，震荡1 h，静置过滤，用连续流动分析仪（AA3，Bran Luebbe，Germany）测定硝态氮和铵态氮的含量。

1.5 数据分析

利用WPS2019软件进行数据的整理和表格绘制。采用SigmaPlot 12.5软件进行数据图绘制。利用SPSS22.0软件进行统计检验与数据分析，进行单因素方差分析，用Duncan法进行多重比较，显著性水平设置为P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 不同番茄生育期土壤剖面铵态氮分布

由图3可知，番茄苗期土壤剖面的铵态氮含量较低，各处理0~60 cm土层的土壤铵态氮含量在2.33~3.76 mg·kg-1。W100和W150处理铵态氮含量在0~20 cm分别显著高于40~60 cm土层（P＜0.05）。各土层中不同处理铵态氮含量均无显著差异。

图3 番茄苗期土壤铵态氮含量

由图4可知，番茄开花结果期土壤铵态氮含量各处理在0~20 cm均分别显著高于20~40 cm和40~60 cm（P＜0.05）。0~20 cm土壤铵态氮含量在4.34~11.36 mg·kg-1之间，其中N100处理铵态氮含量显著低于其他3个处理（P＜0.05）。N100处理土壤铵态氮含量在40~60 cm也表现出显著低于其他3个处理（P＜0.05）。

图4 番茄开花结果期土壤铵态氮含量

由图5可知，番茄拉秧期土壤铵态氮含量在不同土层的变化幅度较小，但在不同施氮量和灌溉方式下存在较大差异。W100处理的铵态氮含量在土壤剖面上显著高于其他3个处理（P＜0.05），其含量为22.7~29.2 mg·kg-1。W150处理的土壤剖面铵态氮含量最低。N100和N150处理土壤剖面铵态氮含量无明显差异。

图5 番茄拉秧期土壤剖面铵态氮含量

2.2 不同番茄生育期土壤剖面硝态氮分布

由图6可知，番茄苗期不同处理的硝态氮含量在各土层表现出明显的差异。在0~20 cm处，高施氮量（150 kg·hm-2）的N150和W150处理土壤硝态氮含量显著高于N100和W100处理（P＜0.05），且N150（23.62 mg·kg-1）处理硝态氮含量显著高于W150处理（P＜0.05）。在20~40 cm处，N150处理的土壤硝态氮含量仍显著高于其他处理（P＜0.05）。而在40~60 cm处，W150处理的土壤硝态氮含量为15.25 mg·kg-1，显著高于其他处理（P＜0.05）。

总体来看，番茄开花结果期硝态氮含量随土层深度增加而呈现下降的趋势（图7）。不同处理硝态氮含量之间在各土层表现出较为一致的变化规律。W100处理硝态氮含量在各个土层中均显著高于其他处理（P＜0.05），分别在0~20、20~40、40~60 cm高达176、143、41.7 mg·kg-1。N100和W150处理硝态氮含量在各个土层中均显著低于其他处理（P＜0.05）。

图7 番茄开花结果期土壤硝态氮含量

番茄拉秧期0~200 cm土层不同处理硝态氮含量如图8所示。整体来看，N100、W150处理呈现随土层深度的加深而先减少后增加的趋势，N150、W100处理随着土层深度的加深呈现先增加后减少再增大的趋势，且所有处理土壤硝态氮含量均在60~80 cm处出现最低值。在0~200 cm土层深度范围内，W100处理的土壤硝态氮含量最高，在20~40 cm土层出现最大峰值119 mg·kg-1；其次是N150处理土壤硝态氮含量较高，并在20~40 cm土层出现最大峰值54.8 mg·kg-1。

图8 番茄拉秧期土壤剖面硝态氮含量

2.3 水氮调控对番茄产量的影响

不同水氮处理对番茄产量的影响如图9所示。N100、N150处理的番茄产量分别为86.7、81.1 t·hm-2，均显著高于W100和W150处理（P＜0.05）。W100和W150处理下的番茄产量分别是65.00、69.43 t·hm-2，均低于试验预期的目标产量80 t·hm-2。

图9 不同水氮处理下的番茄产量

3 讨论与结论

本研究发现，施氮量和水分共同影响着设施番茄土壤中的氮素分布和迁移。灌溉频率和施氮量的差异导致每个处理的滴灌的溶液浓度和次数不同。硝态氮淋溶是设施菜地氮素淋溶的主体[24]，本研究同样发现，土壤剖面中的氮素主要以硝态氮为主。土壤硝态氮的运移依赖于土壤水分运移[22]，试验中发现，在番茄的生长后期，W100处理的土壤硝态氮含量显著高于N100处理，原因可能是在低湿度土壤中的硝态氮部分以固体硝酸盐形态存在，在土壤中是固定的；在高湿度土壤中的硝态氮主要以硝酸根离子形态存在于土壤溶液中，含有硝酸根离子的土壤溶液在向下运移过程中不断溶解土壤中的硝酸盐，增加其浓度[25]。大量的单因素试验表明，随着施氮量增加土壤硝态氮积累量增加。而不同研究对于灌溉方式对土壤硝态氮的影响存在差异，有研究认为，随着灌溉量的增多，硝态氮淋洗加剧；也有研究认为，灌溉强度以及土壤质地、孔隙度等物理性质将通过影响水分的入渗速度来共同决定硝态氮的淋洗量[26]。在窄幅灌溉条件下，不同施肥处理的硝态氮含量随施氮量的增加而升高并且在深层土壤累积，表明过多氮肥的施入会导致硝态氮出现在土壤中累积并向土壤深层淋失的现象。在宽幅灌溉条件下，不同施氮量处理在土壤中的硝态氮分布规律不一致，原因可能是单次大量灌水导致硝态氮在土壤中的水平移动能力增强，同时垂直方向渗入力度减弱，导致土壤硝态氮含量高。研究发现，降低灌溉量，增加灌溉频率可以减少硝态氮的迁移淋失风险[27]。因此，在设施生产中需要合理调节灌溉水分区间并控制灌溉频率，从而达到降低硝酸盐淋失和提高氮肥利用效率的目的。水分区间和不同施氮水平还是影响作物产量、吸氮量的重要因素。

通过观察不同水氮处理下的产量结果，在相同灌溉幅度下，不同施氮量的产量没有显著差异，原因可能是高频灌溉模式下的养分集中在根系附近，利用率较高，因此受施氮量的影响较小。该结果也说明在高频灌溉模式下合理地降低氮肥投入并不会对产量造成影响。在施氮量一致情况下，窄幅灌溉的番茄产量高于宽幅灌溉，说明宽幅灌溉由于更多的养分流失使得产量降低。本研究中水氮耦合对番茄产量的影响主要体现在对灌溉的控制上，不同水氮条件下，蔬菜作物的产量表现不同。因此，在减少氮肥施用量的同时合理调控灌溉频率是降低土壤剖面硝态氮积累和迁移并提高蔬菜产量的有效途径。

设施番茄土壤剖面氮素累积和番茄产量受施氮量和灌溉方式的综合影响。在100 kg·hm-2施氮量条件下，宽幅灌溉施肥将显著促进铵态氮和硝态氮在土壤剖面累积。窄幅灌溉条件下的番茄产量显著高于宽幅灌溉。综合番茄产量、降低氮素淋洗风险以及氮肥的投入成本考虑，在智能滴灌水肥一体化系统中在施氮量为100 kg·hm-2条件下，将灌溉范围设置为田间持水量的68.5%~71.5%是最优的水氮耦合模式。