不同水氮供应对富士苹果品质产量和果园氮排放的影响

梁洁　张馨予　于国康　赵先飞　赵紫嫣　刘宇　吕中一　张林森

摘 要：【目的】針对黄土高原旱地苹果园灌水施肥利用率低、氮排放污染严重等现状，探讨不同水氮供应对富士苹果品质、产量的影响，以及果园土壤氨挥发和氧化亚氮排放上的差异，为农业合理施加氮肥和用水量提供一定的参考。【方法】于2022年以短枝富士苹果树为材料，以灌水和施氮量为变量，设置5个不同灌水处理：（W5）100%～-90%θ田、（W4）90%～-80%θ田、（W3）80%～-70%θ田、（W2）70%～-60%θ田、（W1）60%～-50%θ田，施氮量设置5个处理：N1（150 kg/ha）、N2（300 kg/ha）、N3（450 kg/ha）、N4（600 kg/ha）、N5（750 kg/ha），分析不同处理苹果生理指标、产量性状及土壤氮素排放的变化。【结果】不同施肥灌水处理下苹果新梢生长长度随灌水量和施氮量的增加而增加；施肥后发生了明显的气态氮排放，在施肥后1周内出现挥发速率峰值。氮素添加明显增加了NH3挥发累积量，而灌水量的增加则呈现降低趋势。NH3挥发最大量为W1N5，其整个生育观测收集阶段挥发总量达到了187.07 kg·hm-2；N2O 排放通量的峰值在施氮后立即出现，会在第3～4 d达到排放速率高峰，氮肥施入量越多，N2O 排放损失量越高，施氮量相同的水平下，灌水越少N2O 排放越高。W1N5的N2O排放速率达到最高，整个生育观测收集阶段排放总量达到了578.92 g·hm-2 ；不同水氮供应的果实横纵径、单果质量、大果率、可溶性固形物质量分数与酸度、产量之间均呈显著（P<0.05）和极显著（P<0.01）正相关关系。氮素利用率与横径、大果率、可溶性固形物质量分数、产量之间存在显著正相关关系。因此，水氮利用率与果实品质和产量之间关系密切。最高产量在 N3 水平获得，N5 造成苹果小幅度减产，W4N3 处理可以维持苹果产量、提高品质、获得更高的水氮利用效率；建立灌溉量（W）、施氮量（N）与苹果产量之间的二次多项式拟合水氮效应方程为：Y=-0.151 1N2-1.240 3W2-0.075 3WN+162.607 5N+547.346 9W-4.1108×104，理论最高产量对应水氮用量为施氮 486.78 kg·hm-2，灌水205.87 mm，最高产量 54 811.49 kg·hm-2。【结论】综合考虑苹果增产、减少气态氮排放、提高水氮利用率的前提和回归方程的拟合情况，推荐灌水水平为（W4）90%～80%θ田、施氮水平为450 kg·hm2是黄土高原地区苹果最优的处理组合。

关键词：苹果；水氮供应；氨挥发；氧化亚氮释放；产量；水氮效应方程

文章编号：2096-8108（2024）03-0008-10 中图分类号：S661.1中图分类号 文献标识码：A文献标志码

Effects of Different Water and Nitrogen Supply on Quality and Yield of Fuji Apple and Nitrogen Emission from Orchard

LIANG Jie，ZHANG Xinyu，YU Guokang，ZHAO Xianfei，ZHAO Ziyan，LIU Yu，LV Zhongyi，ZHANG Linsen*

（College of Horticulture， Northwest A & F University， Yangling Shaanxi 712100， China）

Abstract： 【Objective】 Aiming at the current situation of low utilization rate of irrigation and fertilization and serious pollution of nitrogen emission in apple orchards in dryland areas of Loess Plateau， this study investigated the effects of different water and nitrogen supply on the quality and yield of Fuji apple， as well as the differences in ammonia volatilization and nitrous oxide emission in orchard soil， so as to provide certain references for rational application of nitrogen fertilizer and water consumption in agriculture. 【 Methods 】 In 2022， Fuji apple tree was used as the material， and 5 different irrigation treatments were set with irrigation water and nitrogen application as variables： （（W5）100%-90%θ田， （W4）90%-80%θ田， （W3）80%-70%θ田， （W2）70%-60%θ田， （W1）60%-50%θ田， the nitrogen application rate was set to 5 treatments： N1 （150 kg/ha）， N2 （300 kg/ha）， N3 （450 kg/ha）， N4 （600 kg/ha）and N5 （750 kg/ha）were used to analyze the changes of physiological indexes， yield traits and soil nitrogen emission of apples under different treatments. 【 Results 】 Under different fertilization and irrigation treatments， the growth length of new shoot increased with the increase of irrigation amount and nitrogen application amount. Significant gaseous nitrogen emission occurred after fertilization， and the peak volatilization rate appeared within 1 week after fertilization. Nitrogen addition obviously increased the NH3 volatilization accumulation， but the increase of irrigation water showed a decreasing trend. The maximum amount of NH3 volatilization was W1N5， and the total amount of volatilization reached 187.07 kg·hm-2 in the whole growth observation and collection stage. The peak of N2O emission flux appeared immediately after nitrogen application， and reached the peak emission rate in the 3rd to 4th day. The more nitrogen fertilizer application， the higher the N2O emission loss. Under the same nitrogen application level， the less irrigation water， the higher N2O emission. The N2O emission rate of W1N5 reached the highest， and the total emission of the whole growth observation and collection stage reached 578.92 g·hm-2. There were significant （P<0.05）and extremely significant （P<0.01）positive correlations between transverse and longitudinal diameter， single fruit weight， large fruit rate， soluble solids， acidity and yield of fruits with different water and nitrogen supply. There was significant positive correlation between N use rate and transverse diameter， large fruit rate， soluble solids and yield. Therefore， there is a close relationship between water and nitrogen utilization and fruit quality and yield. The highest yield was obtained at N3 level， N5 resulted in a small decrease in apple yield， and W4N3 treatment could maintain apple yield， improve apple quality and obtain higher water and nitrogen utilization efficiency. The quadratic polynomial fitting equation of water and nitrogen effect between irrigation amount （W）， nitrogen application amount （N）and apple yield was established as follows： Y=-0.151 1N2-1.240 3W2-0.075 3WN+162.607 5N+547.346 9W-4.110 8×104， the water and nitrogen dosage corresponding to the theoretical maximum yield was nitrogen application 486.78kg·hm-2， irrigation 205.87mm， The highest output is 54 811.49 kg·hm-2.【 Conclusion 】Therefore， considering the premise of increasing apple yield， reducing gaseous nitrogen emission and improving water and nitrogen utilization rate and the fitting of regression equation， it is recommended that irrigation level of （W4）90%～80%θ field and nitrogen application level of 450 kg·hm-2 is the optimal treatment combination for apples in the Loess Plateau.Keywords：apple; water and nitrogen supply; ammonia volatilization; nitrous oxide release; yield; water and nitrogen effect equation

陕西是中国最好的苹果优生地区，是世界上最大的苹果种植集中区［1］。但目前陕西苹果园施肥过量现象严重，陕西省苹果平均每亩（667 m2）化肥使用量为74.8 kg，过量施肥占比超过80%，远高于世界平均水平［2］，该地区的干旱缺水和氮肥施用不当严重限制了苹果产业的发展［3］。苹果生产中氮肥使用不合理、施氮量过多，不仅导致氮素利用率低，而且带来氮沉降增加、温室效应加剧、土壤酸化等生态环境问题［4］。不同的水、氮供应量及其动态变化模式直接或间接影响树体养分的含量和组成比，最终影响果树的产量和品质。在苹果生产过程中，为了实现提高水氮利用率、促进苹果生产、减少氮排放污染等目标，必须通过“以肥调水，以水促肥”二者的交互作用，确定适当的水氮供应量［5-7］。

研究表明，水氮耦合对作物生长发育有显著影响［8］，但氮肥投入量的线性增加并未显著提高作物产量；相反，会导致氮素利用效率的下降。农田过量施氮对全球环境有很多负面影响，不利于可持续农业生产［8］。与传统的漫灌、沟灌等相比，滴灌施肥技术可以将水、肥均匀、适量、准确地输送到作物根部的土壤中。它不仅能有效提高氮素利用效率，还能改变土壤通气、水分迁移和速效氮的分布等，从而影响土壤硝化和反硝化作用［9］。氮作为初级生产力的限制因素的相关性以及与生物地球化学流动相关的农业系统的氮排放相关的重要影响已得到充分证实［11］。通过适当的施氮量和施氮时间来减少氮排放，对改善未来的农业管理实践具有很大的潜力［12］。目前大多研究是针对单一灌水因素、施氮因素或灌水技术因素等对苹果生长的影响，以及基于不同回归分析研究苹果品质［13］，而在达到适宜氮排放量的条件下考虑苹果的最优灌水和施氮的研究鲜见报道，且水氮耦合效应回归模拟还有待进一步的探究。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点为陕西省宝鸡市千阳县西北农林科技大学宝鸡千阳苹果实验示范站（东经107°59′48.5″，北纬 34°7′22.5″，海拔861 m），属暖温带半大陆性气候，年平均气温10.9 ℃，该区土层厚，昼夜温差大，土壤容重1.31 g·cm-3，田间持水量为20.5%，pH为8.4，速效N、P和K的含量分别为8.91、17.92和292.00 mg/kg， 有机质含量为11.14 g/kg。

1.2 试验材料与设计

2022年3月—10月在田间选取9年生长富 2号/M26/新疆野苹果为试验材料，株行距为1 m×3 m，为种植密度每亩（667 m2）220株，以灌溉量和施氮量为一个试验小区进行两因素重复试验，共25个小区，每个小区3个重复，在株间和行间结合开槽机等工具离树干外缘60 cm处进行挖槽，槽宽 20 cm，深1 m，然后将封接处理后厚度 1 mm 的土工膜放入槽中并回填原土用于防止水分和肥料的侧向移动［11］。

每个处理均随机选取长势良好、大小均一的3株苹果树，各处理重复3次。设置5个不同灌水处理：（W5）100%～90%θ田、（W4）90%～80%θ田、（W3）80%～70%θ田、（W2）70%～60%θ田、（W1）60%～50%θ田，全生育期灌溉量依次为：258 mm、216 mm、173 mm、130 mm、84 mm，施氮量设置5个处理：N1（150 kg/ha）、N2（300 kg/ha）、N3（450 kg/ha）、N4（600 kg/ha）、N5（750 kg/ha）。试验共设25个处理，另设CK不施氮灌水，氮肥采用硝酸銨钙，分别于4月27日（40%）、6月1日（20%）、8月2日（40%）施入，其他肥料各水平设置一致，其余田间管理与当地果园管理一致。

1.3 试验方法

于2022年3月，以果园0～40 cm土壤为试材进行理化性质测定（测定指标包含：土壤含水量、硝态氮、铵态氮、有机质、速效磷、速效钾）。2022年5月，从各处理试验树上选择当年生新生枝条进行取样，于植株东、南、西、北各方位随机选取长势一致且有代表性的新梢，每株选定4个枝条，挂上植物标签做好标记，最终计算当年生新梢的平均长度。

采用通气法测定土壤氨挥发［12］，选取水氮处理中、高、低组合进行挥发规律测定。土壤NH3挥发速率计算公式为：

NH3 -N（kg·hm-2·d-1）=M/（A×D）×10-2（1）

其中，M是使用通气法的单个设备每次测量的平均NH3挥发量（NH3-N，mg），A是收集装置的横截面积（m2），D是每次连续收集气体的时间（d）。

土壤N2O排放通量采用静态箱法进行收集［13］，选取水氮处理中、高、低组合进行排放规律测定。采用以下公式计算N2O的排放通量：

F（g·hm-2·d－1）=K×（P/P0）×（T0/T）×H×ρ×（dC/dT）（2）

式中，F 为气体排放通量; k 为单位换算系数; p 为采样点气压（kPa）; T 为采样时空气的绝对温度（K）; H 为采样箱的高度（m）; ρ 为标准状态下（T0 = 273 K，p0=101. 3 kPa）N2O气体的密度（g·L－1）; dc/dt 为采样时气体浓度随时间的变化率。

苹果成熟期进行采收，采摘后不同水氮处理随机选取10个果实测定品质。每株单独称重，计算平均值。根据单株产量累计计算出各处理产量，再根据各处理产量计算果园每公顷产量。调查果实不同大小类型的百分数，大果率等于每棵树上大于75 mm的果子占比。用电子天秤、游标卡尺、硬度计、手持式酸度计、糖度计、色度仪分别测量果实质量、果实横纵径、硬度、酸度（TA）、可溶性固形物质量分数（TSS）、果色［14］。

本试验安装以介电常数原理为基础的传感器—土壤墒情监测仪，持续监测土壤不同层次的水分含量，各水分处理的灌溉量由式（3）计算：

I（L）=0.001×γ×H×S（Fm-Fs）（3）

式中，I为每棵树灌水量；γ为壤容重（g/cm3）；H为计划湿润层（40 cm）；S为单棵树占地面积（取树周100 cm占地面积）： Fm为灌水上限（分别为100%θ田、90%θ田、80%θ田、70%θ田、、60%θ田），Fs 为实际土壤含水量。

灌溉水利用效率（Irrigation Water Use Efficiency ，以下简称IWUE）计算公式［15］如下：

IWUE（kg·m-3）=Y/W（4）

式中，Y为苹果总产量（kg·hm-2）；W为累计灌水量（m3·hm-2）

氮肥农学利用率（Nitrogen agronomic utilization efficiency，NAUE）［16］计算公式：

NAUE（kg·kg-1）=（Yn-Y0）/M（5）

式中，Yn 为施氮处理产量（kg·hm-2）；Y0为不施氮处理产量（kg·hm-2）；M为施氮量（kg·hm-2）。

1.4 数据整理与分析

数据采用Microsoft Office excel 2021分析，使用Origin 2023b绘图软件作图及回归方程拟合，利用IBM SPSS 25.0进行显著性和方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同水氮供应对植株新梢生长长度的影响

试验结果表明（见图1），新梢长度随着灌水量和施氮量的增加而增加，各水分处理对苹果树新梢生长长度的影响表现为W5处理略高于其他土壤水分水平，同一灌水水平下，新梢长度均在N5水平下达到了最高，该水平下的各处理W1N5、W2N5、W3N5、W4N5、W5N5的新梢长度比CK各增长了37.5%、51.06%、79.73%、105.85%、144.00%，其中W5N5水平下新梢长度达到了最高，为64.27 cm。新梢生长速率于6月—7月达到最快，7月渐慢，8月以后基本停止生长。

2.2 不同水氮供应对土壤NH3挥发的影响

如图2，各处理的NH3挥发量变化趋势基本一致，在4月27日、6月1日、8月2日施肥后1周内出现挥发速率峰值，然后逐渐下降，并维持在相对较低的水平。氮素添加明显增加了累积NH3挥发量，而灌水量的增加则呈现降低趋势。NH3挥发于8月出现挥发高峰期，同一灌水水平下，NH3挥发最大量为6.74～9.82 （kg·hm-2·d-1），最高的为W1N5，较W3N5、W5N5的最大挥发速率分别增长了30.23%、45.70%，其整个生育观测收集阶段挥发总量达到了187.07 kg/hm2。

2.3 不同水氮供應对土壤N2O释放的影响

由图3看出，N2O 排放通量的峰值总是在施氮后立即出现，会在第3～4 d达到排放速率高峰，氮肥施入量越多，N2O 排放损失量越高，施氮量相同的水平下，灌水越少N2O 排放越高。同一水分处理下，N5的N2O排放速率均达到最高，整个生育观测收集阶段排放总量依次为578.92、463.09、361.25 g/hm2 ，其中W1N5最高。各水分处理下N5的排放总量较N3、N1增加了92.60%、39.82%。各处理N2O 排放速率在8月6日出现最高点，之后逐渐降低，10月之后维持在较低排放速率下。

2.4 不同水氮供应对果实品质、产量以及水氮利用效率的影响

2.4.1 外观品质

本试验条件下（见表1），水氮用量对苹果的果形指数影响并不明显，但对苹果单果质量与大果率（横径大于75 mm）具有极显著影响（P<0.01），W3N3的平均单果质量和大果率相比于其他处理均达到了最大值，分别为276.50 g和80.52%。可以发现，氮肥过量单果质量和大果率也相应降低。

2.4.2 内在品质

苹果内在品质各指标的指向性存在差异。如苹果果肉硬度、可溶性固形物均属于正向型指标，即越大越好；可滴定酸为负向型指标，即越小越好。对苹果内在品质进行方差分析（见表2）。施氮处理对苹果果实硬度、可溶性固形物质量分数、酸度、果皮亮度指标具有显著（P<0.05）或极显著（P<0.01）的影响，对果皮红绿色度和黄青色度无显著影响（P>0.05）。土壤水分处理对可溶性固形物质量分数和着色亮度和黄青度影响不显著（P>0.05），对苹果硬度、酸度、果皮亮度、果皮红绿度有极显著影响（P<0.01）。土壤水分和施氮量的交互效应对苹果硬度、可溶性固形物指标、果皮黄绿色度影响不显著（P>0.05）。

2.4.3 产量、水分利用效率和氮素利用效率

由表3可知，施氮量、灌水量以及施氮量和灌水量的交互效应对苹果产量、IWUE、NAUE均有极显著影响（P<0.01）。各处理以W3N3产量最高，为56 662.67 kg·hm-2 ，除对照外，W1N1处理产量最低，与W1N1处理相比，其余处理产量增加 8.15%～185.45%，表明适量增加灌水和氮量有助于苹果树增产。

2.4.4 不同水氮供应果实品质、产量以及水氮利用效率相关性分析影响

不同水氮供应的果实横纵径、单果质量、大果率、可溶性固形物质量分数以及酸度与产量之间均呈显著（P<0.05）和极显著（P<0.01）正相关关系（见图4）。氮素利用率与横径、大果率、可溶性固形物质量分数、产量之间存在显著（P<0.05）正相关关系。因此，水氮利用率与果实品质和产量之间关系密切。

2.5 不同水氮供应下苹果产量回归模拟的建立

为了更科学的分析水氮耦合各单因素和交互因素对苹果产量、品质的影响，建立灌溉量（W）、施氮量（N）与苹果产量之间的二次多项式逐步回归模拟（见图5），拟合水氮效应方程（见表4），理论最高产量对应水氮用量为施氮 486.78 kg·hm-2，灌水205.87 mm，最高产量 54 811.49 kg·hm-2，与本试验 W4N3水平最为接近。但在对比品质、产量相差不大的情况下，结合表3的水氮利用效率值和产量发现，W3N3表现更优。

3 讨论

为了进一步提高作物产量，中国每年都在持续增加施氮量。然而，线性增加的氮投入并没有使果树产量大幅增加，导致氮利用效率 （NUE）急剧下降，尤其是NH3挥发损失［17］。过量施用氮肥导致的NH3挥发过量，对农田以及全球环境造成严重干扰，包括大气雾霾、酸雨、土壤酸化和地表水富营养化，增加氮沉降。氮肥水解产生的土壤NH4+-N易被土壤吸收，进一步减缓NH3挥发；与其他处理相比，本研究中同一施氮水平下，NH3挥发损失量随灌水量的增多而减少。一般而言，NH3 挥发随时间增加，施肥后 3 d内达到最大值，7 d后随土壤吸收和植物对 N 的吸收而减少，减少 NH3 挥发的关键时期是施肥后 7 d内，这与本文的结果一致。在此期间，可以通过灌溉、使用缓释氮肥和脲酶抑制剂或深施肥料来减轻 NH3 挥发。N2O是大气中重要的温室气体之一，农业中 N2O 是氮素排放的重要来源，能长期滞留在大气中并参与多种光化学反应，对臭氧层进行破坏［18］。农户实践中氮肥的过度施氮促进了果树生产，同样也增加了果园N2O排放。许多研究报道N2O排放与施氮量呈二次指数相关［19］。在过量氮肥条件下，N2O排放的施氮量阈值为不高于400 kg/hm2，补充了N2O排放与氮肥施用之间的关系［20］。这与本研究推荐是施氮量N3较为接近。因此，在满足产量品质的前提下，通过调整氮肥量是减少 N2O 排放的有效措施。

水是提高水果品质的媒介，作物不同生长期的适当水分胁迫能够控制植物新陈代谢，促进无机和有机物质的吸收、运输和转化，促进光合作用产物的积累，提高果实品质。氮素含量是影响果实品质形成的主要因素。适量施氮可提高果实中可溶性糖和维生素C的含量，增加果形指数和果皮亮度，降低可滴定酸的含量［21］。在本研究中发现，氮素利用率与可溶性固形物之间存在显著（P<0.05）正相关关系。不同的供水情况可能改变了植物的源-库关系，改变了水果中蛋白质、淀粉、脂肪和其他成分的水解度。极端缺水显著降低了可溶性固形物的含量，这可能是由于过度的水分胁迫降低了果树的生理活性，导致合成可溶性固形物的关键酶活性降低［22］，这与本文研究中灌水量与果实硬度存在极显著（P<0.01）影响相符，且本文研究中发现果实硬度与水分利用效率呈负相关关系。亏缺灌溉显著增加了果实的糖酸比，导致果实颜色变红［23］。本文中灌水量与果实亮度以及果皮红绿色度都存在极显著关系（P<0.01）。

水和肥料的不合理管理严格限制了作物的生长，导致产量降低、质量下降［24］。适当的土壤水分和氮素状况将改善作物根系的养分吸收能力，从而增加产量和水氮利用率。当果树营养生长和生殖生长发育平衡时，增施水氮可获得较高的水分和氮素利用效率。相反，过多的水和氮投入会使营养生长比生殖生长更旺盛，延缓果实的成熟进程，降低产量和水氮利用效率［25］。研究结果表明，水分和氮素投入对苹果产量、IWUE有重要影响。产量随灌水量和施氮量的增加呈现先增后减的趋势，水分利用效率、氮素利用效率随灌水量的增加也而先增后减。水肥耦合有阈值响应，当水肥投入低于阈值时，就会导致作物减产。相反，当水和氮的投入大于阈值时，作物产量的增加并不明显，甚至可能减少［26］。在本研究中，W3N3处理的苹果产量最高，而W1N1处理的产量最低。这可能是由于极端的水分亏缺降低了水分的化学活性，同时低氮的施用无法弥补树内养分的缺乏，土壤养分的吸收和运输能力降低，造成低产。

本文中，W3N3处理下，富士苹果产量达到最高，这拟合水氮效应方程得出的结果有所偏差。然而，综合分析发现，与拟合水氮效应方程结果接近的W4N3与W3N3的产量和品质极为接近，但同一施氮水平下，气态氮排放随着灌溉量的增加而降低，W4N3处理的氮排放更低。另外，W4N3的水氮利用效率也优于W3N3。综合发现，W4N3处理的施氮量和灌溉量更具有价值。

4 结论

综上所述，不同水氮供应下富士苹果的新梢生长、品质、产量、 IWUE 和NAUE以及苹果园的气态氮排放获得最优解时，灌水量和施氮量组合最接近W4N3处理。建立灌溉量（W）、施氮量（N）与苹果产量之间的二次多项式拟合水氮效应方程为：Y=-0.1511N2-1.2403W2-0.0753WN+162.6075N+547.3469W-4.1108×104，理论最高产量对应水氮用量为施氮 486.78 kg·hm-2，灌水205.87 mm，最高产量 54 811.49 kg·hm-2，与本试验 W4N3水平也最为接近。因此，综合考虑以苹果增产、减少气态氮排放、提高水氮利用率的前提下，建议灌水水平为（W4）90%～80%θ田，施氮水平为450 kg·hm-2为黄土高原地区苹果最优的处理组合。

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收稿日期：2024-02-15

基金项目：财政部和农业农村部：国家现代农业产业技术体系（CARS-27）;陕西省科技统筹创新工程项目（2015KTZDNY02-03）；陕西省重点研发计划（2023-YBNY-05）

第一作者简介：梁 洁（1998-），女，硕士，主要从事果树生理生态研究。E-mail：1723805545@qq.com

*通信作者：张林森（1964-），男，教授、硕士生导师，主要从事果树生理生态研究。E-mail：linsenzhang@163.com