水肥減量對(duì)土壤硝態(tài)氮和番茄產(chǎn)量品質(zhì)的影響

王麗娟 ，孫嘉星 ，韓衛(wèi)華 , ，高麗麗 , ，毛麗麗 , ，李昊儒 , ，龔道枝, *

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

0 引 言

【本研究的重要意義】由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平所限，在溫室種植實(shí)際生產(chǎn)中，農(nóng)民為了追求更高的經(jīng)濟(jì)效益，投入的水肥用量往往超過(guò)番茄自身對(duì)水肥的需求。在水肥一體化條件下，當(dāng)土壤含水率較高時(shí)，硝態(tài)氮將隨水向下淋失，施入農(nóng)田中的氮肥大約30%～50%通過(guò)淋溶進(jìn)入地下水，導(dǎo)致地下水硝態(tài)氮量增加[1]，造成地下水硝酸鹽污染。而當(dāng)土壤含水率較低時(shí)，硝態(tài)氮易在土壤中積累，積累的硝態(tài)氮如果無(wú)法及時(shí)被作物吸收，將降低肥料利用率并造成土壤酸化和鹽漬化問(wèn)[2]。因此，通過(guò)控制水肥合理投入量以達(dá)到土壤中的硝態(tài)氮被作物有效利用，減少硝態(tài)氮淋失造成地下水硝酸鹽污染和硝態(tài)氮積累問(wèn)題，對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】一些學(xué)者們對(duì)水肥一體化條件下水肥減量對(duì)番茄的產(chǎn)量、品質(zhì)和水肥利用效率進(jìn)行了大量的研究[2]，此類研究主要集中于水肥減量對(duì)番茄產(chǎn)量等經(jīng)濟(jì)效益的影響，未考慮水肥減量對(duì)溫室土壤環(huán)境的影響。也有一些學(xué)者做了日光溫室內(nèi)不同水肥投入對(duì)土壤硝態(tài)氮積累量和番茄產(chǎn)量品質(zhì)影響的相關(guān)研究[3]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】本試驗(yàn)結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的習(xí)慣水肥用量，探究水肥一體化下不同梯度的水肥減量投入對(duì)土壤含水率、土壤硝態(tài)氮積累量、番茄產(chǎn)量品質(zhì)、水肥利用效率的影響，彌補(bǔ)了前人研究中缺乏結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)民慣用水肥投入量，大多停留在科研階段的不足?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】通過(guò)試驗(yàn)，提出當(dāng)?shù)厮使芾項(xiàng)l件下土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅孔钚?，且?duì)番茄減產(chǎn)影響最小的適宜水肥投入減量比例，本研究結(jié)果可為當(dāng)?shù)丶骖櫆p少水肥資源浪費(fèi)、環(huán)境污染和番茄果實(shí)產(chǎn)量品質(zhì)的水肥投入量提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2018 年8 月—2019 年2 月在張家口市宣化區(qū)晟佳農(nóng)業(yè)科技有限公司日光溫室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)地位于北緯40°60′，東經(jīng)114°95′，海拔623 m，屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫7.6 ℃，年降水量400～600 mm，年均蒸發(fā)量為 950 mm。供試番茄品種為“16-6”，種植期間地面全覆蓋聚乙烯薄膜，滴灌系統(tǒng)主要由井水水源、水泵、旋翼式水表、液壓比例施肥泵（比例施肥泵安裝于整個(gè)溫室管道首部）和輸配水管道系統(tǒng)組成，滴頭間距為30 cm，內(nèi)徑為8 mm，滴頭流量為2 L/h，滴灌工作壓力為0.1 MPa，試驗(yàn)溫室的長(zhǎng)度、跨度和高度分別62、10 m 和4.5 m，溫室為東西走向，番茄種植列為南北向。溫室深層（50 cm以下）土壤為砂土，本季種植前表層（0～50 cm）土壤為黏土，其基本理化性質(zhì)見表1。

表1 供試溫室基礎(chǔ)土壤理化性質(zhì) Table1 Physical and chemical properties of basic soil in greenhouse

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

番茄定植時(shí)所有處理施用的基肥量和灌水量一樣，基肥包含約27×103kg/hm2雞糞 、7.5×103kg/hm2牛糞，折合氮量約67.27 kg/hm2，依據(jù)周博等[4]在陜西楊凌日光溫室的研究結(jié)果，氮素當(dāng)量有效量（當(dāng)季有機(jī)肥氮素?cái)y出量與化學(xué)氮肥氮素?cái)y出量的比值）取值39.63%，即相當(dāng)于基肥施入化肥氮素26.65 kg/hm2。追肥氮肥為水溶性尿素，含氮量為11.6%。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，其中常規(guī)處理（CK）水肥用量為當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶平均習(xí)慣用量，3個(gè)水肥投入減量處理為H（80%CK）、M（60% CK）、L（50%CK），（每次灌水量和施肥量的減少梯度是一樣的）每個(gè)處理設(shè)置3 個(gè)小區(qū)重復(fù)，每個(gè)小區(qū)栽植6 行，約120 株，寬窄行栽培，行距分別為80 cm 和70 cm，株距50 cm，1 行1 管布置，每個(gè)小區(qū)面積45 m2，試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組排列，共12 個(gè)小區(qū)。每個(gè)小區(qū)的首部單獨(dú)安裝了水表和閥門控制灌水量，最后CK、H、M、L 處理整個(gè)生育期的總灌水量為2 171.59、1 737.261、1 302.95、1 085.76 m3/hm2。施肥時(shí)，按照農(nóng)戶習(xí)慣施肥量CK，在施肥前1～2 d 按照水肥減量梯度將肥料分別溶于4 個(gè)桶中，4 個(gè)處理分別進(jìn)行施肥，施肥時(shí)控制肥水比率為4%，隨水施肥的水量計(jì)入總的灌水量。整個(gè)生育期施肥3 次，最后總計(jì)整個(gè)生育期施肥量，CK 施入化肥氮素133.33 kg/hm2，其余3 個(gè)水肥減量處理施入化肥氮素，各處理追肥施入的化肥氮素占總施入氮素（即基肥量+追肥量）的83%、80%、75%、71%，因此，可認(rèn)為水肥投入減量處理以追肥量為主?？傆?jì)追入化肥質(zhì)量為CK：1 149 kg/hm2、H：920 kg/hm2、M：691 kg/hm2、L：575 kg/hm2。水肥減量處理從開花坐果期（9 月15 日）開始，農(nóng)民視番茄生長(zhǎng)和土壤含水率情況確定灌水施肥量和時(shí)間，具體灌水施肥量和時(shí)間見圖1。

圖1 灌水施肥過(guò)程 Fig.1 Process of fertilization amount in whole growth period

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤含水率[5]：在生育期間，每隔15 d 左右采用土鉆取土烘干法測(cè)定每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的土壤質(zhì)量含水率，選取各個(gè)試驗(yàn)小區(qū)南北列中間部位土壤作為取樣點(diǎn)，在番茄根區(qū)且在垂直滴灌管以下0～20 cm 和20～50 cm2層土壤層分別取土樣。

土壤硝態(tài)氮量[6]：施肥前（10 月15 日）和收獲后（1 月19 日）及11 月11 日追肥后1、6 和22 d 后在每個(gè)小區(qū)中部，分別在0～50 cm（每10 cm 一層）土壤層采集土樣，每個(gè)小區(qū)采樣2 份，每份約80 g，一份測(cè)定土壤含水率，另一份采用0.01 mol/L 氯化鈣浸提，采用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定硝態(tài)氮量。

土壤硝態(tài)氮積累量Ri 計(jì)算式[7]為：Ri=Ci×D×H×0.1，Ri 為每一土層的硝態(tài)氮?dú)埩袅浚╧g/hm2）；Ci 為該層土壤層土壤硝態(tài)氮量（mg/kg）；D 為該層的土壤體積質(zhì)量（g/cm3）；H 為土壤層深度（cm）；各土壤層硝態(tài)氮積累量相加即0～50 cm 土壤層硝態(tài)氮積累量。

產(chǎn)量[8]：番茄果實(shí)從2018年12月2 日開始采摘，至2019 年1 月19 日完全收獲，每7 天左右采摘1 次，共計(jì)采摘8 次，每次收獲時(shí)將各試驗(yàn)小區(qū)的番茄果實(shí)分別稱質(zhì)量，最后累計(jì)每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的番茄產(chǎn)量。

番茄品質(zhì)[8]：在番茄盛果期，選取每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)第一層果成熟度一致的番茄5 個(gè)，作為測(cè)定番茄品質(zhì)的果實(shí)樣品。其中，可溶性固形物采用RHBO-90 型號(hào)手持折射儀測(cè)定，可溶性總糖測(cè)定采用硫酸-蒽銅比色法，有機(jī)酸采用高效液相色譜儀（HPLC-MS）測(cè)定，取其平均值作為該試驗(yàn)小區(qū)的最終品質(zhì)指標(biāo)值。

灌溉水利用效率的計(jì)算[8]：

式中：IWUE 為灌溉水利用效率（kg/m3）；Y 為產(chǎn)量（kg/hm2）；I 為灌溉量（m3/hm2）。

肥料偏生產(chǎn)力的計(jì)算式為[8]：

式中：F 為追肥的肥料總質(zhì)量（kg/hm2）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel2016 軟件和SigmaPlot14.0進(jìn)行數(shù)據(jù)、圖表處理，采用R 語(yǔ)言進(jìn)行單因素方差分析，方差分析差異顯著采用最小顯著差異（LSD）做多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥減量對(duì)土壤含水率的影響

圖2 為番茄生育期間的土壤體積含水率（土壤體積含水率為土壤質(zhì)量含水率與相應(yīng)土層體積質(zhì)量的乘積）變化過(guò)程。由圖2 可見，0～20 cm 和20～50 cm 的土壤含水率變化隨著水肥減量而減小，土壤含水率為CK>H 處理>M 處理>L 處理，與水肥減量處理一致；生育期間土壤含水率在55%～100%田間持水率之間，依據(jù)指導(dǎo)意見[9]水分管理指標(biāo)為農(nóng)作物灌溉上限控制在田間持水率的85%～95%，下限控制在55%～65%，表明本試驗(yàn)中水肥減量后的土壤含水率供應(yīng)充足。且0～20 cm 土層土壤含水率變化量明顯大于20～50 cm 土層，表明0～20 cm 土層是土壤含水率主要活動(dòng)層。同時(shí)由于番茄是淺根系作物（0～40 cm），深層（50 cm 以下）的土壤含水率并不能被作物根系吸收利用，加之當(dāng)?shù)販厥彝寥赖臏\層（0～50 cm）土壤為客土（黏土），50 cm 以下為沙土，保水性較差，過(guò)量的灌水會(huì)加重硝態(tài)氮隨水向深層土壤淋失的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 生育期土壤含水率變化 Fig.2 Soil moisture content in whole reproductive period

2.2 水肥減量對(duì)土壤硝態(tài)氮量的影響

圖3 為生育期前后各處理0～50 cm 土壤硝態(tài)氮積累量，未施肥前各處理硝態(tài)氮積累量在同一土壤層幾乎無(wú)差異，且淺層硝態(tài)氮積累量大，而在生育末期各處理硝態(tài)氮積累量在同一土層差異顯著，生育末期硝態(tài)氮積累量隨著深度呈減小趨勢(shì)。各處理生育后期0～30 cm 土壤硝態(tài)氮積累量較生育前期有大幅增加（CK、H、M、L 處理生育末期的硝態(tài)氮積累量分別為生育前期的2.27、1.66、1.5、1.39 倍），表明水肥減量后的土壤中能直接被作物吸收的氮肥（硝態(tài)氮）較為充足。

圖3 生育期前后土壤各層硝態(tài)氮積累量 Fig.3 Dynamic of nitrate nitrogen in soil under Irrigation and fertilization reduction

40～50 cm 土壤層硝態(tài)氮積累量在生育前期大于生育后期（CK、H、M、L 處理生育前期的硝態(tài)氮積累量分別為后期的1.68、2.07、2.19、2.41 倍），在當(dāng)?shù)厮使芾砑巴寥蕾|(zhì)地（沙土），40～50 cm 土壤硝態(tài)氮積累量生育前期較大，可能是由于在未施肥前茬所施肥料積累所致。在生育后期H、M、L 處理的0～50 cm 各處理硝態(tài)氮積累量分別是CK（309.54 kg/hm2）的76%、68%、62%；表明水肥減量可減小0～50 cm 土壤硝態(tài)氮積累量。

2.3 水肥減量對(duì)番茄產(chǎn)量、品質(zhì)和水肥利用效率的影響

表2 為不同水肥減量處理番茄品質(zhì)。番茄的品質(zhì)可分為商品品質(zhì)、風(fēng)味品質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)等，營(yíng)養(yǎng)成分是蔬菜品質(zhì)問(wèn)題的核心，其中可溶性總糖、可溶性固形物和有機(jī)酸量是評(píng)價(jià)番茄果實(shí)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的重要指標(biāo)[10]。由表2 可見， H、M 和L 處理可溶性總糖含量、可溶性固形物和有機(jī)酸量較CK 有所增加，且有機(jī)酸量、可溶性固形物和可溶性總糖在CK 和L 處理之間差異顯著（p<0.05）；糖酸比是果實(shí)中糖量與酸量的比值，良好的風(fēng)味品質(zhì)必須在較高的含糖量基礎(chǔ)上有合適的糖酸比，合適的糖酸比為6.9～10.8，但也有研究認(rèn)為糖酸比應(yīng)為4～6[11]，本試驗(yàn)中，糖酸比隨著水肥減量呈先增大后減小的趨勢(shì)，但水肥減量后的糖酸比均在上述合適的糖酸比范圍內(nèi)，各個(gè)水肥減量處理糖酸比高于CK，糖酸比在CK 和L 處理之間差異顯著（p<0.05）；本研究結(jié)果與羅勤等[12]的研究結(jié)果一致，說(shuō)明適量的水肥減量處理在節(jié)約水肥投入的同時(shí)，可以小幅改善番茄品質(zhì)和提高番茄的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和風(fēng)味品質(zhì)。表3 為各處理整個(gè)生育期水肥投入與產(chǎn)量和水肥利用效率，H、M 和L 處理的番茄產(chǎn)量分別為CK 的86%、72%、67%，灌溉水利用效率和肥料偏生產(chǎn)力在CK、H 和M 處理與CK、H 和L 處理之間差異顯著（p<0.05）。

表2 水肥減量下番茄品質(zhì) Table 2 Tomato quality of different treatments

由表3 可見，隨著水肥投入的減量，灌溉水利用效率和肥料偏生產(chǎn)力有所增加，且H 處理的灌溉水利用效率和肥料偏生產(chǎn)力顯著高于CK。綜上所述，水肥投入同時(shí)減量20%時(shí)，番茄果實(shí)減產(chǎn)最小，水肥利用效率顯著增加。

表3 水肥減量條件下的番茄產(chǎn)量與水肥利用效率 Table 3 Tomato yield and irrigation and fertilization utilization efficiency under reduction irrigation and fertilization condition

3 討 論

3.1 水肥減量對(duì)土壤含水率、土壤硝態(tài)氮的影響

試驗(yàn)表明，水肥減量處理后，生育期間土壤含水率在55%～100%田間持水率之間，而羅勤等[12]的試驗(yàn)水肥減量后土壤相對(duì)含水率在75%以上，遠(yuǎn)大于本試驗(yàn)水肥減量后的土壤含水率，這可能是由于試驗(yàn)設(shè)計(jì)梯度不同引起的。有關(guān)研究[13]明與農(nóng)戶常規(guī)施肥處理相比，減量施肥明顯降低了硝態(tài)氮在土壤剖面中的過(guò)量累積，與本試驗(yàn)（水肥減量處理之后的土壤剖面硝態(tài)氮積累表現(xiàn)為CK>H 處理>M 處理>L 處理）水肥減量后土壤硝態(tài)氮的變化規(guī)律一致。另外，下層土壤硝態(tài)氮量較定植前增大，在11 月施肥后有所減小可能是由于溫室夏季（定植前）前茬大量施用有機(jī)肥會(huì)引起和促進(jìn)硝態(tài)氮向下層遷移，而冬季（11 月）卻相反，有機(jī)肥能夠降低土壤硝酸鹽的量，減少硝態(tài)氮在土壤中的累積[14]。硝態(tài)氮累積生育期結(jié)束又有回升，是由于追肥結(jié)束后表層土層硝態(tài)氮量增加，加之灌水和深層為沙土，導(dǎo)致硝態(tài)氮在生長(zhǎng)后期逐漸淋洗到更深土層。

3.2 水肥減量對(duì)番茄產(chǎn)量、品質(zhì)的影響

本試驗(yàn)中水肥減量后，番茄減產(chǎn)較大，而周博等[13]的研究減量施肥處理的櫻桃番茄產(chǎn)量均比CK 增加，其原因是本試驗(yàn)處理菜農(nóng)習(xí)慣施肥量較低，減量20%、40%和50%后施肥量較低，周博等[13]的試驗(yàn)設(shè)計(jì)施肥量均高于本試驗(yàn)設(shè)計(jì)量。因此在減量施肥時(shí)，減量幅度還要兼顧菜農(nóng)習(xí)慣施肥量，否則可能引起番茄大幅度減產(chǎn)。本試驗(yàn)所得結(jié)果中，番茄果實(shí)品質(zhì)隨著水肥減量呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，而邢英英等[8]的研究結(jié)果不同，這可能是由于試驗(yàn)地點(diǎn)、番茄品種及施肥種類等不同原因引起的。

3.3 水肥減量對(duì)水肥利用效率的影響

王峰等[14]在甘肅研究番茄全生育期灌水量減量20%后，灌溉水利用率提高了13%。張學(xué)科[14]研究表明，灌水量減量20%，施肥量減量25%時(shí)，肥料偏生產(chǎn)力與CK 相比顯著減小。本試驗(yàn)表明，水肥減量可顯著提高肥料偏生產(chǎn)力與灌溉水分利用效率，與已有相關(guān)研究結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

1）水肥減量后土壤含水率仍然較高（下限為55%田間持水率），加速硝酸鹽向土壤深層（40 cm 以下）的淋溶，水肥減量可減小這一問(wèn)題發(fā)生。

2）H 處理番茄產(chǎn)量減產(chǎn)最少（CK 的86%），番茄糖酸比為CK 的1.18 倍。番茄風(fēng)味品質(zhì)的糖酸比隨著水肥減量呈先增大后減小的趨勢(shì)。不同水肥減量處理灌溉水肥利用效率，隨著水肥減量呈先增大后減小的趨勢(shì)，且CK 顯著增加。綜合考慮不同水肥減量處理對(duì)土壤含水率狀況、土壤硝態(tài)氮積累量、番茄產(chǎn)量品質(zhì)和水肥利用效率的影響，建議在當(dāng)?shù)厮适┯霉芾項(xiàng)l件下當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的水肥投入習(xí)慣，水肥減量20%左右為宜。