滴灌和施用秸稈降低日光溫室番茄地氮素淋溶損失

梁 斌，唐玉海，王群艷，李 飛，李俊良※

（1. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，青島 266109； 2. 山東省水肥一體化工程技術(shù)研究中心，青島 266109；3. 濰坊科技學(xué)院賈思勰農(nóng)學(xué)院，壽光 262700）

0 引 言

中國(guó)設(shè)施蔬菜栽培面積逐年增加，2016年達(dá)391萬hm2，產(chǎn)量2.52億t，占蔬菜總產(chǎn)量的30%以上[1]。設(shè)施蔬菜栽培中施肥過量問題突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，日光溫室每年化肥投入量在5 000 kg/hm2以上，氮肥利用率不足25%[2]，未被利用的氮素去向包括土壤殘留、淋溶損失和氣態(tài)損失等[3]。硝酸鹽淋溶損失是蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)中氮流失的主要途徑[4]。Song等[5]在山東省壽光市的研究發(fā)現(xiàn)有 152～347 kg/hm2的硝酸鹽發(fā)生淋溶。Sun等[4]使用EU-Rotate_N模型估算出傳統(tǒng)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中硝態(tài)氮年淋溶損失量達(dá)694～817 kg/hm2，占總氮輸入量的43%～67%。Min等[6]研究報(bào)道，中國(guó)南方設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中硝態(tài)氮淋溶量可達(dá)182～277 kg/hm2，占氮輸入量的 16%～25%。目前，設(shè)施蔬菜體系中氮素的投入與輸出并不平衡，存在一部分“消失”的氮素，氮素淋溶損失除了礦質(zhì)態(tài)氮之外，還包括可溶性有機(jī)氮[7]。在林地生態(tài)系統(tǒng)中，可溶性有機(jī)氮是氮素?fù)p失輸出的途徑之一[8-9]。Kessel等[10]研究指出，在降雨或灌溉過量地區(qū)，可溶性有機(jī)氮可能是土壤氮素的重要損失形態(tài)。趙滿興等[11]研究指出，有機(jī)肥中可溶性有機(jī)氮占可溶性全氮的71%～75%，這很可能是設(shè)施菜田氮素?fù)p失的潛在來源。

優(yōu)化施肥、控制灌水量和增加土壤氮固持能力均可降低氮素淋溶損失。Zotarelli等[12]提出，當(dāng)肥料投入量從 330 kg/hm2降到 220 kg/hm2時(shí)，硝酸鹽淋溶量減少50%。Sun等[4]研究表明，與傳統(tǒng)生產(chǎn)相比，優(yōu)化水肥處理使硝態(tài)氮淋失量減少79%～86%。Min等[6]報(bào)道，在華南地區(qū)傳統(tǒng)氮肥施用量的基礎(chǔ)上減少 40%的氮投入，氮肥淋溶損失降低39.6%，且對(duì)產(chǎn)量無影響。

降低灌水量可減少可溶性氮向深層土壤的運(yùn)移[13]。Tarkalson等[14]報(bào)道，當(dāng)灌水量從318 mm減少到185 mm時(shí)，淋溶深度、硝酸鹽濃度和硝酸鹽淋溶量分別降低67.6%、47.9%和 85.3%。于紅梅等[15]在露地蔬菜的研究表明，減少灌水量和施氮量均明顯降低蔬菜地硝態(tài)氮淋洗量。Sing等[16]研究發(fā)現(xiàn)，間隔較長(zhǎng)的高水量灌溉可導(dǎo)致大量硝態(tài)氮從根區(qū)土層淋溶損失。使用 EU-Rotate_N模型，Sun等[4]研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)漫灌相比，滴灌使得灌溉量從558 mm下降到280 mm，與此同時(shí)，硝酸鹽淋溶損失減少90%。

施用高碳氮比作物秸稈是增加土壤氮素固持能力的途徑之一[17]。Keeney[18]研究結(jié)果表明，秸稈還田增加土壤有機(jī)碳量，促進(jìn)微生物固定殘留在土壤中的肥料氮[19-20]，從而降低稻田氮素的損失。在冬小麥-夏玉米輪作體系中，傳統(tǒng)氮肥管理模式下硝態(tài)氮年淋失量達(dá)38～60 kg/hm2，而有機(jī)物料還田使硝態(tài)氮年淋失量降低 32%～71%[21]。不同水肥管理與秸稈還田不僅影響土壤活性有機(jī)物與微生物[22-24]，而且還影響土壤礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素及其平衡，進(jìn)而影響土壤氮素的固持與作物吸收[25]。另外，有機(jī)物料的施用增加土壤保水能力，減少水分的滲漏損失，這對(duì)于減少氮素淋溶損失有積極作用。在過量施用氮肥和灌溉的溫室大棚內(nèi)，高溫影響有機(jī)物的分解，施用秸稈如何影響礦質(zhì)態(tài)氮的淋溶損失及影響的機(jī)理值得研究。

目前對(duì)于日光溫室中氮素淋溶損失的研究方法多采用滲漏管、淋溶盤（桶）收集法、負(fù)壓抽提土壤溶液樣品采用模型計(jì)算法等[26]。大型滲漏池研究面積大，精度高，直接監(jiān)測(cè)水量和濃度，準(zhǔn)確性好。前人對(duì)于氮素淋溶的研究多為短期試驗(yàn)，高溫高濕的日光溫室中長(zhǎng)期施用秸稈后對(duì)降低氮素淋溶效果也需要研究。因此本試驗(yàn)采用大型滲漏池研究了設(shè)施菜地長(zhǎng)期不同灌溉模式和施用有機(jī)物料對(duì)土壤可溶性總氮包括礦質(zhì)態(tài)氮（硝態(tài)氮和銨態(tài)氮）和可溶性有機(jī)氮淋溶損失的影響，為合理水肥管理，降低設(shè)施菜地氮素淋溶損失提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于山東省壽光市，屬暖溫帶季風(fēng)區(qū)大陸性氣候，年均氣溫12.7 ℃，年均降水量594 mm。試驗(yàn)開始于2008年8月，供試土壤有機(jī)碳、堿解氮、速效磷、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 8.2 g/kg、174.0 mg/kg、43.8 mg/kg、181.0 mg/kg，土壤pH值為8.0。

1.2 供試作物與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試溫室內(nèi)種植番茄，一年兩季，每年 1月定植到當(dāng)年6月拉秧為冬春季，8月至翌年2月拉秧為秋冬季。番茄品種由當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶自行選擇，冬春季為奇大利，秋冬季為中壽11-3。

利用滲漏池采集滲漏液，每個(gè)滲漏池面積為1.0 m×2.0 m，土層深度為90 cm。滲漏池內(nèi)番茄栽培行距50 cm，株距40 cm。試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，設(shè)2個(gè)主處理和3個(gè)副處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，共18個(gè)小區(qū)（滲漏池），主處理包括：滴灌模式和漫灌模式，副處理包括：①單施雞糞（M）。施用量10 t/hm2，風(fēng)干雞糞均勻撒施后翻耕。②雞糞配施玉米秸稈（M+C）。在單施雞糞基礎(chǔ)上，配施玉米風(fēng)干秸稈10 t/hm2。③雞糞配施小麥秸稈（M+W）。在單施雞糞基礎(chǔ)上，配施小麥秸稈10 t/hm2。干雞糞、玉米和小麥秸稈均粉碎后作基肥撒施?；食┯蒙鲜鲇袡C(jī)物料之外，還施用平衡型復(fù)合肥（N-P2O5-K2O, 15-15-15）1 000 kg/hm2；磷酸二銨500 kg/hm2。生長(zhǎng)期間追肥采用平衡型水溶肥和高鉀型水溶肥。具體施肥情況詳見表1、表2。2008年6月至2014年5月期間該試驗(yàn)為田間小區(qū)試驗(yàn)，2014年6月按30 cm一層將0～90 cm剖面土壤轉(zhuǎn)移到滲漏池中。本研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集于2016年2－12月，期間滴灌模式年灌水量為1 173 mm、漫灌模式為1 205 mm，灌水情況詳見表1。

表1 2016年冬春季和秋冬季灌水與施肥情況Table 1 Irrigation and fertilization managements during winter-spring (WS) and autumn-winter (AW) seasons in 2016

表2 2016年冬春季和秋冬季設(shè)施番茄不同處理施肥量Table 2 Rate of applied N, P2O5, and K2O during winter-spring(WS) and autumn-winter (AW) seasons in 2016 kg·hm-2

1.3 樣品采集與計(jì)算分析

每次灌水24 h后收集滲漏池底部滲漏液，記錄滲漏液體積。將滲漏液取樣冷凍保存于60 mL聚乙烯瓶中，用于各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定。滲漏液中的可溶性總氮采用堿性過硫酸鉀氧化—紫外分光光度計(jì)比色法[27-29]測(cè)定，礦質(zhì)態(tài)氮（包括硝態(tài)氮、銨態(tài)氮）采用自動(dòng)連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定，可溶性有機(jī)氮（dissolved organic nitrogen，DON）為可溶性總氮（total dissolved nitrogen，TDN）與礦質(zhì)態(tài)氮之差。在果實(shí)采摘期和拉秧期分別采集果實(shí)樣品和植株樣品測(cè)定生物量，全氮含量等。全氮含量采用濃硫酸-雙氧水消煮凱氏定氮法。灌溉水損失率、氮素淋溶損失量、氮淋溶損失率、植株氮素吸收量和氮素利用率計(jì)算分別見公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）。

式中WL為灌溉水損失率，%；VL為每小區(qū)收集的灌溉水滲漏損失量，L；VI為每小區(qū)總灌水量，L；NL為氮素淋溶損失量，kg/hm2；CW、Cf、Cp分別為滲漏水中可溶性總氮濃度（mg/L）、果實(shí)含氮量（mg/kg）和植株含氮量（mg/kg）；N為氮淋溶損失率，%；Nt為 N總投入量，kg/hm2；NUE為氮素利用率，%；Nu為氮素吸收量，kg/hm2；Yf和Yp分別為果實(shí)和植株生物量，kg/hm2（干基）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010、SPSS 16.0和Origin 8.5進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析與作圖；不同處理間差異根據(jù)情況采用單因素和雙因素方差分析，多重比較采用Duncan法。

2 結(jié)果與分析

2.1 番茄產(chǎn)量與氮素利用率分析

冬春季和秋冬季番茄產(chǎn)量分別為 105.8～127.4和70.6～95.9 t/hm2（表3）。相對(duì)于漫灌模式，滴灌使冬春季和秋冬季番茄平均增產(chǎn)11.4%和21.7%（P＜0.05），全年番茄產(chǎn)量顯著提高15.6%；與單施雞糞相比，配施秸稈對(duì)番茄產(chǎn)量無顯著影響。

冬春季和秋冬季設(shè)施番茄氮素吸收量分別為248.9～299.6和190.6～279.6 kg/hm2（表4）。與漫灌相比，滴灌模式下冬春季和秋冬季番茄氮素吸收量顯著增加 30.5和69.7 kg/hm2，增幅分別為11.6%和33.8%（P＜0.05），全年番茄氮素吸收量顯著提高21.4%。與單施雞糞相比，配施秸稈對(duì)番茄氮素吸收量無顯著影響。

冬春季和秋冬季番茄氮素利用率分別為 27.1%～42.6%和19.3%～39.9%，平均為33.7%和29.4%（表4）。在冬春季和秋冬季滴灌模式較漫灌模式氮素利用率分別顯著提高10.0個(gè)百分點(diǎn)和14.2個(gè)百分點(diǎn)。與單施雞糞相比，雞糞配施秸稈處理氮素利用率反而有所降低，這與施用秸稈增加了氮素投入量有關(guān)。

表3 灌溉施肥管理對(duì)番茄產(chǎn)量的影響Table 3 Effect of different irrigation and fertilization managements on yield of tomato t·hm-2

表4 番茄氮素吸收量與氮素利用率Table 4 N uptake and utilization of tomato

2.2 灌溉水滲漏損失

冬春季和秋冬季灌溉水滲漏損失量分別為 51.1～68.8和63.5～129.7 mm，損失率分別為8.7%～15.8%和10.3%～17.2%（表5）。本研究中，滴灌模式和漫灌模式全年的灌水量相差不大，分別為1 173和1 205 mm。全年滴灌模式中灌溉水滲漏損失量大于漫灌模式，尤其在秋冬季差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。

雙因素方差分析顯示，與單施雞糞相比，配施秸稈（玉米/小麥）使秋冬季灌溉水滲漏損失量平均顯著減少34.7 mm，降幅達(dá)31.9%；冬春季灌溉水滲漏損失量平均減少7.5 mm，降幅達(dá)11.5%。

2.3 礦質(zhì)態(tài)氮淋溶損失

與漫灌模式相比，滴灌使秋冬季滲漏液中礦質(zhì)態(tài)氮質(zhì)量濃度顯著降低149.4 mg/L，降幅達(dá)51.1%（P＜0.05），冬春季差異不顯著（P＞0.05）。漫灌模式下，與M處理相比，M+C和 M+W 處理分別使冬春季礦質(zhì)態(tài)氮濃度顯著增加33.0%和62.1%，但秋冬季M與M+W處理無差異，M+C處理較M處理顯著降低10.4%（P＜0.05）；滴灌模式下，與M處理相比，配施秸稈對(duì)冬春季和秋冬季礦質(zhì)態(tài)氮濃度無顯著影響（表6）。

表5 灌溉水滲漏損失量與損失率Table 5 Amount of water leakage and percent of water leakage in irrigation water

表6 滲漏液中礦質(zhì)態(tài)氮質(zhì)量濃度與淋失量Table 6 Content and accumulative amount of leached mineral N

漫灌模式下，冬春季和秋冬季礦質(zhì)態(tài)氮淋溶損失量分別是 68.1～94.5和 176.4～260.2 kg/hm2，平均為 85.6和207.0 kg/hm2，秋冬季礦質(zhì)態(tài)氮淋溶損失量占全年淋溶損失量的70.7%。滴灌模式下，冬春季和秋冬季礦質(zhì)態(tài)氮淋溶損失量平均為97.1和126.9 kg/hm2，秋冬季礦質(zhì)態(tài)氮淋溶損失量占全年淋溶損失量的56.7%。

與漫灌模式相比，滴灌使秋冬季礦質(zhì)氮淋失量顯著減少80.1 kg/hm2，降幅為 38.7%，使冬春季礦質(zhì)態(tài)氮淋失量顯著增加11.5 kg/hm2。滴灌模式和漫灌模式全年礦質(zhì)態(tài)氮淋失量分別為224.0和292.6 kg/hm2（表6）。

雙因素方差分析顯示，與單施雞糞相比，配施秸稈（玉米/小麥）使冬春季礦質(zhì)態(tài)氮淋失量平均減少22.2 kg/hm2，降幅為20.9%（P＜0.05）；秋冬季礦質(zhì)態(tài)氮淋失量顯著減少61.3 kg/hm2，降幅為29.5%（P＜0.05）。

2.4 可溶性有機(jī)氮淋溶損失

冬春季和秋冬季DON淋溶損失量分別為18.9～40.1和26.5～115.6 kg/hm2，占可溶性總氮的16.5%～26.1%和17.6%～34.6%，平均為 21.7%和 29.4%（表 7），DON占TDN的百分比平均為25.6%。與漫灌模式相比，滴灌對(duì)冬春季DON淋失量無顯著影響，但使秋冬季DON淋失量顯著降低48.9 kg/hm2，降幅達(dá)53.7%（P＜0.05）。

與M處理相比，滴灌模式下M+C處理使冬春季和秋冬季DON淋失量顯著降低21.2%和58.5%，M+W處理使冬春季和秋冬季DON淋失量分別顯著降低52.9%和43.7%。

表7 可溶性有機(jī)氮淋溶損失量及其占可溶性總氮的百分比Table 7 Amount of leached dissolved organic N (DON) and its percent in total

2.5 可溶性總氮淋溶損失

滴灌和漫灌模式下全年TDN淋失量分別為294.7和395.4 kg/hm2，其中秋冬季淋失量占全年淋失量的百分比分別為 56.8%和 71.1%。漫灌模式下，冬春季和秋冬季TDN淋溶損失量分別為 98.9～122.4和 242.8～336.4 kg/hm2，分別占單季氮投入量的10.1%～14.2%和24.7%～34.9%，平均分別為12.5%和29.3%（表8）。與漫灌模式相比，滴灌使秋冬季TDN淋失量顯著降低113.8 kg/hm2，降幅達(dá) 40.5%；使冬春季可溶性總氮淋失量顯著增加13.1 kg/hm2，增幅為11.5%（P＜0.05）?？傮w全年分析，滴灌模式較漫灌模式TDN淋失量降低25.5%。

與單施雞糞相比，配施秸稈（玉米/小麥）使冬春季TDN淋失量平均降低29.3 kg/hm2，降幅達(dá)20.9%；秋冬季 TDN淋失量平均降低 76.6 kg/hm2，降幅達(dá) 27.8%（P＜0.05）。

表8 可溶性總氮淋溶損失量及其占施氮量的百分比Table 8 Amount of leached total dissolved N (TDN) and its percent in total

3 討 論

3.1 灌溉方式與灌水量對(duì)氮素淋溶損失的影響

淋溶損失是氮肥從土壤流失的主要途徑之一，農(nóng)田氮素淋溶損失一般隨著水分滲漏強(qiáng)度的增加而增大[30]，因此采用合理的灌溉方式，不僅可以控制水分的滲漏強(qiáng)度，還有效減少農(nóng)田氮素淋溶損失。本研究中，冬春季和秋冬季礦質(zhì)態(tài)氮淋溶損失量分別為 68.1～118.1和98.3～260.2 kg/hm2，可溶性總氮淋失率分別為 10.1%～22.5%和 15.9%～34.9%，秋冬季氮素淋溶損失明顯高于冬春季，可能是因?yàn)椴缓侠淼墓喔戎贫人隆Ｇ锒驹诿缙谛杷?、需氮少，而此時(shí)溫度高，灌水和氮素供應(yīng)大，供肥、供水?dāng)?shù)量與需水、需肥規(guī)律相反，導(dǎo)致?lián)p失多；冬春季生長(zhǎng)期間氣溫由低到高，灌水和氮素供應(yīng)逐漸增大，與此同時(shí)番茄需水需肥也逐漸增加，從而使供水、供肥與作物需水、需肥規(guī)律相一致，使水肥損失低于秋冬季。本研究中，秋冬季和冬春季平均灌水量分別為676.5和 512.5 mm，與冬春季相比，秋冬季灌水量平均增加32.0%，灌水量的增加使得氮素淋溶損失增加（礦質(zhì)態(tài)氮、可溶性有機(jī)氮和總氮淋失量分別增加 82.7%、125.8%和85.4%），這說明相同灌溉模式下，灌水制度是影響氮素淋溶損失的重要因素。

除了灌水制度影響之外，灌溉方式也是決定氮素淋溶損失的關(guān)鍵因素。本研究表明，與漫灌模式相比，滴灌使全年可溶性總氮、礦質(zhì)態(tài)氮、可溶性有機(jī)氮淋失量分別減少100.7、68.6、47.4 kg/hm2，降幅分別達(dá)25.5%、33.1%、39.6%。習(xí)金根[31]土柱試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，滴灌較漫灌氮素淋失總量減少17.9 mg，降幅達(dá)24.9%；石敏等[32]研究表明，控制灌溉與常規(guī)灌溉和淺濕灌溉相比，氮素淋失總量最小，約占常規(guī)灌溉的 1/3、占淺濕灌溉的 1/2。Sharmasarkar等[33]研究認(rèn)為，滴灌代替畦灌可有效降低氮素淋溶損失。本研究中，與漫灌模式相比，滴灌模式下灌水量并沒有大幅降低，灌溉水滲漏損失量也高于漫灌模式，但滴灌使全年氮素吸收量和氮素利用率分別顯著提高21.4%和47.5%，使秋冬季滲漏液中礦質(zhì)態(tài)氮濃度顯著降低51.1%，從而降低了全年的氮素淋溶損失。由此可見，在滿足作物正常生長(zhǎng)對(duì)水分需求的前提下，采用合理的灌溉方式和減少灌水量均可有效減少氮素淋溶損失，這不僅有利于解決農(nóng)業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程中氮素的淋溶，而且對(duì)節(jié)水和保護(hù)環(huán)境至關(guān)重要。

3.2 施用秸稈對(duì)氮素淋溶的影響

秸稈還田可以促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)積累，改良土壤結(jié)構(gòu)，減少氮素?fù)p失[34]。大量研究表明，秸稈還田具有顯著的保水保肥功能[35]。本研究中，與單施雞糞相比，配施秸稈使全年礦質(zhì)態(tài)氮和可溶性有機(jī)氮淋失量平均減少83.4 kg/hm2（26.6%）和41.8 kg/hm2（33.7%）。王偉等[36]研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)施肥加秸稈處理可減少29.8%的硝態(tài)氮淋溶。潘劍玲等[37]研究同樣表明，礦化的秸稈組分能夠促進(jìn)氮循環(huán)，減少氮素淋溶，提高氮素利用率。本研究中，與單施雞糞相比，配施秸稈使全年可溶性總氮淋失量和灌溉水滲漏損失量平均降低25.5%和24.3%，但是配施小麥秸稈并沒有顯著降低滲漏液中礦質(zhì)態(tài)氮濃度，配施玉米秸稈也僅使礦質(zhì)態(tài)氮濃度降低11.2%（冬春季）和4.2%（秋冬季）。由此可見，配施小麥秸稈降低氮素淋溶損失主要?dú)w因于秸稈增加了水分保持能力，降低了灌溉水的淋溶損失。

4 結(jié) 論

1）日光溫室栽培條件下，氮素的淋溶損失主要發(fā)生于秋冬季，滴灌和漫灌模式下，該季可溶性總氮淋失量占全年淋失量的56.8%和71.1%。

2）可溶性有機(jī)氮占可溶性總氮淋失量的 16.5%～34.6%，平均為25.6%。

3）漫灌模式下全年可溶性總氮的淋溶損失量達(dá)395.4 kg/hm2，占全年氮投入量的 22.2%。與漫灌模式相比，由于滴灌降低了滲漏液中礦質(zhì)態(tài)氮的濃度，進(jìn)而使滴灌模式下全年可溶性總氮淋失量降低25.5%。

4）與單施雞糞相比，雞糞配施秸稈（玉米或小麥）使全年灌溉水滲漏損失量平均降低24.3%，進(jìn)而使全年礦質(zhì)態(tài)氮和可溶性有機(jī)氮淋失量分別降低26.6%和33.7%。