CO2施肥對設施黃瓜生長和土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響

董金龍++李汛++段增強++薛鶴

摘要：在開頂式生長箱（OTCs）內(nèi)，以津美3號和津綠婉美2個黃瓜品種為材料，研究添加不同氮條件下CO2施肥對黃瓜干物質(zhì)積累、土壤微生物生物量的影響。結果發(fā)現(xiàn)：（1）與對照大氣CO2濃度相比，CO2施肥顯著提高了黃瓜產(chǎn)量，其中施氮時的津美3號產(chǎn)量提高27.0%，不施氮時津綠婉美產(chǎn)量提高123.2%；CO2施肥更能促進根系生長量小的津綠婉美根系的生長；CO2施肥與不施氮更能促進津綠婉美黃瓜莖葉中干物質(zhì)向果實的分配。（2）CO2施肥顯著提高土壤微生物生物量氮含量，但對土壤微生物生物量碳及土壤有機碳的影響并不顯著；CO2施肥同時提高施氮時土壤銨態(tài)氮含量，降低硝態(tài)氮含量；CO2施肥下較高的土壤銨態(tài)氮含量與黃瓜產(chǎn)量有顯著正相關，正常CO2供應時土壤銨態(tài)氮含量與黃瓜產(chǎn)量無顯著相關性。以上結果表明，CO2施肥對不同設施黃瓜品種生長發(fā)育的影響差異很大，同時土壤中氮含量對CO2施肥效果有較大的影響。

關鍵詞：CO2施肥；產(chǎn)量；土壤微生物生物量；氨氧化；氮素形態(tài)

中圖分類號： S642.206文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）02-0195-05

收稿日期：2015-03-20

基金項目：國家自然科學基金（編號：41101272）；國家科技支撐計劃 （編號：2014BAD14B04）。

作者簡介：董金龍（1988—），男，安徽蚌埠人，博士研究生，主要從事植物營養(yǎng)生理與土壤生態(tài)研究。E-mail：jldong@issas.ac.cn。

通信作者：段增強（1963—），男，安徽和縣人，碩士，研究員，主要從事設施農(nóng)業(yè)和循環(huán)農(nóng)業(yè)研究。E-mail：zqduan@issas.ac.cn。近年來我國設施蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。設施大棚，尤其是冬暖式高溫棚，棚室密封，CO2缺乏嚴重，甚至接近或達到CO2補償點[1-3]。在相對密閉的設施生產(chǎn)條件下進行CO2施肥可以提高蔬菜光合作用，促進蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)的提高[4-6]。但是，CO2施肥的效果受到植物遺傳和環(huán)境等因素的影響[7-8]，因此設施蔬菜生產(chǎn)中進行CO2施肥時首先要考慮品種的選擇。如不同的植物，尤其是C3和C4植物對CO2的響應差別很大[9-10]。設施蔬菜各品種往往具有不同的根系生長能力和氮素生理利用率。這些因素極大地影響植物在CO2施肥下的光合作用和氮素代謝[7，10]，從而導致不同品種對CO2施肥的響應程度有所不同[11]。目前國內(nèi)外，尤其是國內(nèi)對CO2施肥下設施蔬菜品種響應的研究工作較少。

此外，CO2施肥在提高植物生物量的同時，常因為作物組織氮素濃度下降，氮供應不足而限制作物產(chǎn)量的提高[12-14]，因此需要進行充足的氮素進行配合施用以達到高產(chǎn)的目的[15]。但過量的氮肥施用，也容易造成土壤次生鹽漬化、酸化及土壤生物活性惡化等問題[16]。氨氧化作為硝化過程中最重要的限速過程近年來受到較多關注[17-18]。由于土壤水分、有機碳及銨態(tài)氮底物濃度等的差異，CO2施肥對土壤硝化是否有抑制作用還很難估計[18-20]。研究還表明較多銨態(tài)氮的供應更有利于提高植物對CO2施肥的響應[21-24]。因此，CO2施肥如果限制氨氧化過程可能更有利于設施蔬菜產(chǎn)量的提高。

綜上所述，本試驗通過研究廣泛種植的2個黃瓜品種在不同氮供應濃度下對CO2施肥的響應，旨在探討如何選擇良好的設施CO2施肥栽培品種及土壤氮素的轉(zhuǎn)化過程，并為如何進行氮素的合理配施提供參考。

1材料與方法

1.1試驗設計

試驗為3因素隨機區(qū)組設計。CO2設2個濃度水平，為400 μmol/mol（對照，大氣CO2濃度，C1），1 200 μmol/mol （C2）。 CO2濃度的控制使用自主設計的CO2自動控制系統(tǒng)，精度可以控制在±50 μmol/mol以內(nèi)；土壤氮濃度設2個水平，分別為不施氮（N0）和添加純N 0.12 g/kg風干土（N1）；2個黃瓜品種，分別為津美3號（編號M）、津綠婉美（編號L），種子均在江蘇南京金豐種苗有限公司購買。試驗共8個處理，每個處理6個重復。

1.2試驗方法

試驗在中國科學院南京土壤研究所（南京）溫室2個開頂式生長箱內(nèi)進行。2013年9月1日將黃瓜種子用10%的次氯酸鈉消毒15 min，完全清洗后置于25 ℃恒溫培養(yǎng)室中催芽，種子露白播種于裝有培養(yǎng)基質(zhì)的育苗盤內(nèi)。2013年9月5日于江蘇省太倉市取栽培土壤（菜園土，原始土壤為水稻土，土壤性質(zhì)見表1）并風干，磨細過1 mm篩后保存。移栽前1周，N肥以尿素形式一次性與風干土均勻混合施入土壤中，同時各處理均一次性施用KH2PO4和K2SO4，其中 N ∶P2O5 ∶K2O 質(zhì)量比為1 ∶0.5 ∶1.2，澆蒸餾水浸透。播種16 d后黃瓜苗長到3葉1心時，定植于裝有5 kg風干土的 PVC栽培桶中，每個栽培桶定植1株幼苗。移栽5 d后進行CO2施肥處理。全生長期由溫濕度自動記錄儀（L95-82，杭州路格科技有限公司），每30 min自動記錄1次數(shù)據(jù)，C1生長箱內(nèi)溫度為（21.4 ± 5.9） ℃，相對濕度為（74.2±20.7）%；C3生長箱內(nèi)溫度為（20.9 ± 5.7） ℃，相對濕度為 （75.4±21.5）%。移栽47 d后收獲植株，其間從移栽36 d開始采摘黃瓜并記錄產(chǎn)量。

1.3測定方法

收獲的植物樣品在100 ℃殺青15 min，70 ℃烘干至恒質(zhì)量后稱其干質(zhì)量。土壤相關指標測試主要參考魯如坤編寫的《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》[25]。收集的土壤使用化學分析儀 （Smartchem200，Alliance，F(xiàn)rance）測定無機銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮；土壤有機碳（DOC）、微生物生物量碳（MBC）、微生物生物量氮（MBN）由TOC測定儀（Multi N/C 3100，analytic jena，Germany）測定。試驗用土基本理化指標中土壤pH值和EC值分別用pH計（DDS-320，上海康儀） 和電導率儀 （PHS-3C，上?？祪x）測定；土壤全氮經(jīng)H2SO4-HClO4消煮，化學分析儀（Smartchem200，Alliance，F(xiàn)rance）測定；水解性氮滴定測定；土壤有機質(zhì)使用重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤質(zhì)地由激光粒度分析儀（LS13320，BeckmanCoulter，USA）測定；土壤速效磷和速效鉀含量分別使用紫外可見分光光度計（WFZ UV-2000，廣州北銳）和火焰光度計（FP640，上海精密科學儀器有限公司）測定。

1.4數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2007和SPSS 19軟件進行統(tǒng)計分析，Duncans法進行多重比較。

2結果與分析

2.1黃瓜生長發(fā)育狀況

2.2黃瓜產(chǎn)量與干物質(zhì)積累

CO2施肥顯著提高了黃瓜產(chǎn)量，如在施氮時CO2施肥提高津美3號黃瓜產(chǎn)量27.0%，不施氮下CO2施肥提高津綠婉美黃瓜產(chǎn)量123.2% （圖1）。CO2施肥能夠顯著提高根系的干質(zhì)量和干物質(zhì)分配（表3和圖2）。不施氮時，CO2施肥對津綠婉美根系干質(zhì)量的提高程度更大，達到87.1%，但津美3號根干物質(zhì)的分配更多。供氮濃度提高后，津綠婉美黃瓜根干質(zhì)量提高程度下降，為57.5%；但津美3號黃瓜根干質(zhì)量提高程度由29.4%升高到57.0%。CO2施肥促進總干物質(zhì)的積累，其中對不施氮津綠婉美干物質(zhì)積累影響最大，達到47.5%，這一品種在施氮時干物質(zhì)積累提高程度反而下降。

CO2施肥傾向于提高黃瓜根冠比，其中不施氮下津綠婉美品種的根冠比顯著提高（圖3）。CO2施肥對莖、葉和瓜干

物質(zhì)分配的影響與果實產(chǎn)量密切相關。CO2施肥下，施氮處理的津美3號和不施氮處理的津綠婉美果實產(chǎn)量都有顯著提高，干物質(zhì)分配也增加；同時其對應葉片的干物質(zhì)分配都下降，甚至不施氮處理的津綠婉美莖干物質(zhì)分配也下降。

2.3土壤有機碳、有機氮及無機氮變化

CO2施肥沒有顯著改變土壤可溶性有機碳含量，但提高了微生物生物量氮含量（圖4和表2）。施氮時，CO2施肥降低了津綠婉美品種種植下土壤微生物生物量碳含量和微生物生物量C/N；不施氮時，CO2施肥反而提高其微生物生物量C/N。CO2施肥有提高土壤銨態(tài)氮含量并降低其硝態(tài)氮含量

的趨勢，對總無機氮（以銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量之和計；亞硝態(tài)氮含量極低，忽略不計）含量的影響不顯著（圖5）。施氮下2個品種的土壤銨態(tài)氮含量都顯著提高，津美3號品種提高得更為明顯；同時施氮下津綠婉美種植的土壤硝態(tài)氮含量下降最顯著。

3討論

3.12個品種對CO2施肥響應的差異

津美3號和津綠婉美對CO2施肥響應存在一定差異。整個發(fā)育過程，津美3號出芽更早；在氮素供應不充足時，植株向根系的干物質(zhì)分配量更多，根系生長旺盛，植株獲取養(yǎng)分的能力強，從而造成其總干物質(zhì)積累明顯高于津綠婉美，這可能與津美3號選育目標更為針對低溫弱光的溫室環(huán)境有關[26]。

CO2施肥下2個黃瓜品種產(chǎn)量和干物質(zhì)積累的變化都表明，不同品種黃瓜對CO2施肥的響應顯著不同。由于遺傳因素的不同，研究表明不僅是不同物種，甚至同一物種不同品種對高CO2濃度的響應也不同[27-28]，這種響應與環(huán)境養(yǎng)分供應同樣有密切關系[15]。CO2施肥使得不施氮時津綠婉美的產(chǎn)量和干物質(zhì)增加最多，可能歸因于CO2施肥補足了此時黃瓜生長缺N最大限制因子。首先遺傳水平上，津綠婉美根系生長弱于津美3號，CO2施肥對津綠婉美根冠比的促進作用最大。為了適應CO2施肥下出現(xiàn)的缺氮現(xiàn)象，植株通過增加根系的生長獲得更多的養(yǎng)分[29-30]。其次，CO2施肥促進了不施氮供應條件下干物質(zhì)向果實內(nèi)的分配。氮濃度高時，植物更傾向于進行營養(yǎng)生長，干物質(zhì)向果實的分配下降[31]，導致施氮時產(chǎn)量的增加反而并不顯著。同時，不施氮下CO2施肥導致津綠婉美干物質(zhì)累積甚至高于施氮處理。這也表明即使在CO2施肥時，施氮對這一品種的生長仍然有抑制作用。

3.2CO2施肥對土壤碳、氮轉(zhuǎn)化的影響

CO2施肥促進植物生長，同時也能促進植物向根際分泌有機物[32-33]。但本研究中可溶性有機碳變化并不明顯，這可能是因為在溫室高濕環(huán)境下，植物分泌的較多有機物同樣較快地被分解[34]。可利用有機碳源的增加也必然促進土壤微生物生物量氮的提高。但由于施氮抑制津綠婉美干物質(zhì)的積累，施氮下CO2施肥可能促進根際微生物組成的演變[35-36]，導致土壤微生物生物量碳下降。津美3號具有更大的根系生物量，分泌的較多有機物促進植物微生物的生長，更多地利用土壤中的氮素，形成土壤微生物生物量氮[37-38]。本試驗中CO2施肥并沒有顯著降低土壤中總無機態(tài)氮的含量，因此微生物利用的氮素主要來源于根系分泌的有機氮素和土壤礦化氮，這就有利于異養(yǎng)微生物的生長，進而導致土壤自養(yǎng)氨氧化微生物競爭能力下降。這可能是CO2施肥導致氨氧化活性降低、銨態(tài)氮含量提高的原因之一[19，39]。

3.3CO2施肥下黃瓜產(chǎn)量與土壤氮形態(tài)關系

試驗表明CO2施肥下微生物生物量氮與黃瓜產(chǎn)量有顯著正相關性（r=0.402*），而非CO2施肥時卻沒有顯著相關性。一方面由于土壤氮素往往是微生物生長的重要限制因子[40]，施入土壤的氮會很快被微生物吸收轉(zhuǎn)化為微生物氮，微生物氮是土壤肥力的重要指標之一[41]，CO2施肥促進土壤氮向微生物生物量氮的轉(zhuǎn)化，提高土壤供肥能力。另一方面，CO2施肥的黃瓜產(chǎn)量與土壤銨態(tài)氮含量有顯著正相關性（r=0.424*），而非CO2施肥時卻沒有相關性（r=-0.076）。這表明CO2施肥對植物生長的促進作用與供氮形態(tài)可能密切相關[21，23]。CO2施肥由于抑制光呼吸，對硝態(tài)氮還原為銨態(tài)氮的過程具有負效應，從而降低植物氮含量，產(chǎn)生光合適應[10，21]。因而適當提高土壤中銨態(tài)氮濃度有利于提高植株對CO2施肥的響應，緩解植株光合適應進而提高黃瓜的產(chǎn)量。

4結論

在氮素供應水平較低時，CO2施肥可使得津綠婉美黃瓜的產(chǎn)量提高123.2%；而施氮時，津美3號品種更具有增產(chǎn)優(yōu)勢，產(chǎn)量可提高27.0%，津綠婉美品種并不適合高氮栽培；同時產(chǎn)量增加的不同也與2個品種根系發(fā)育和干物質(zhì)分配對CO2施肥的響應不同有關。CO2施肥促進土壤微生物生物量氮的形成，但這部分氮可能來源于土壤有機氮。有機氮礦化的增加提高土壤異養(yǎng)微生物活性，進而抑制土壤自養(yǎng)微生物氨氧化過程，提高土壤氨態(tài)氮含量。由于CO2施肥下，硝態(tài)氮供應抑制植物氮代謝過程，土壤氨態(tài)氮含量的升高能夠顯著提高黃瓜產(chǎn)量。但本試驗研究時間較短，并沒有對土壤微生物種類進行全面分析，氮轉(zhuǎn)化的內(nèi)在機理仍需要進一步深入研究。

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