微潤灌溉配合減量施肥對設(shè)施番茄土壤銨態(tài)氮分布及淋失的影響

呂 詩，魏 歡，王小敏，劉 猛，姜長松，段亞軍，張玉坤，楊志新

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 / 河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071000）

2019 年全國蔬菜種植面積高達(dá)2 086.3 萬hm2，其中河北省占比3.81%［1］，番茄作為河北省蔬菜種植的第三大作物［2］，播種面積已超7.2 萬hm2［3］。2019 年我國設(shè)施番茄栽培面積約86.7 萬hm2［4］，其中河北省約5.0 萬hm2［5］。高產(chǎn)出高收入導(dǎo)致水肥資源超量投入的過度集約化栽培模式應(yīng)運(yùn)而生。據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，設(shè)施菜田氮投入量是作物帶走量的數(shù)倍，其盈余問題十分嚴(yán)重，其中果類蔬菜中最高，高達(dá)5.8 倍，造成1 983 kg N/（hm2·年）的盈余量［6］。盈余的氮素一部分以氣態(tài)形式“上天”，另外則以溶液形式通過淋失方式“入地”。

減少氮肥用量、調(diào)節(jié)灌溉用水等措施可一定程度上影響氮素在土層中的分布從而降低其淋失風(fēng)險(xiǎn)［7］。楊榮全等人［8］提出減氮20% 和減氮50% 露地蔬菜種植模式下，全年氮淋失風(fēng)險(xiǎn)分別降低12.8%和36.3%；韋高玲等［9］在露天苦瓜栽培研究中發(fā)現(xiàn)相比常規(guī)施肥處理，減氮30%可顯著降低耕層土壤總氮和硝態(tài)氮淋失量，降幅高達(dá)58.4%和59.0%。在調(diào)節(jié)灌溉用水措施方面，習(xí)金根等［10］通過不同灌溉方式下的土柱試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，滴灌較漫灌可降低24.9%的氮素淋失量；節(jié)水灌溉條件下土壤氮累積殘留量比傳統(tǒng)灌溉低，30%節(jié)水量使得設(shè)施菜田40 ～60 cm 土層硝態(tài)氮含量顯著降低了8.0%～63.7%［11］，可溶性總氮淋溶量相比于常規(guī)灌溉顯著降低了13.9%［12］。

微潤灌溉作為一種新興的節(jié)水灌溉模式，水分透過納米級半透膜微孔管以類似于皮膚發(fā)汗形式緩慢滲出，有著高達(dá)70%以上的節(jié)水率，用量約為滴灌的20% ～30%［13］，并且以運(yùn)行不需動力設(shè)備、成本較低的優(yōu)勢占據(jù)了國內(nèi)外節(jié)水技術(shù)的重要地位［14］。當(dāng)前關(guān)于微潤灌溉在土壤氮損失領(lǐng)域的研究主要集中在硝態(tài)氮淋失及運(yùn)移分布方面［15-16］，而土壤銨態(tài)氮的淋失對土壤氮淋失的“貢獻(xiàn)”也不容忽視，相關(guān)研究指出，銨態(tài)氮淋失量占無機(jī)氮淋失總量的62%～97%［17］。因此，在本課題組前期對硝態(tài)氮研究的基礎(chǔ)上［16］，后期對銨態(tài)氮進(jìn)行了追蹤加測，進(jìn)一步探明微潤灌溉配合減量施肥對設(shè)施番茄土壤銨態(tài)氮分布及淋失的影響，為設(shè)施菜田水氮管理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于河北省廊坊市永清縣瓦屋辛莊村（116.451°E，39.214°N），地處北溫帶亞濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均溫11.5℃，年均降水量540 mm，日照時(shí)數(shù)2 740 h。試驗(yàn)區(qū)具有10 年以上蔬菜種植歷史，為華北平原典型設(shè)施菜田，土壤類型為潮褐土。其土壤基本理化性質(zhì)如下：容重1.34 g/cm3，有機(jī)質(zhì)含量16.96 g/kg，堿解氮172.00 mg/kg，有效磷356.72 mg/kg，速效鉀450.13 mg/kg，pH 6.94，砂粒（0.05 ～2 mm）∶粉粒（0.002 ～0.05 mm）∶黏粒（＜0.002 mm）=39.47%∶56.45%∶4.08%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置4 個(gè)處理，分別為傳統(tǒng)灌溉+ 傳統(tǒng)施肥（CT）、傳統(tǒng)灌溉+減量施肥（CY）、微潤灌溉+減量施肥（WY）、微潤灌溉+不施肥對照（CK）處理。傳統(tǒng)灌溉和傳統(tǒng)施肥（200 kg/hm2N）是指依據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶種植經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行水肥管理，減量施肥（118 kg/hm2N）則是在傳統(tǒng)化肥用量基礎(chǔ)上做一定減量。每個(gè)處理3 次重復(fù)，共12 個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積36 m2（長7.5 m×寬4.8 m），田間小區(qū)以隨機(jī)區(qū)組法進(jìn)行布置。番茄株距為35 cm，行距為40 cm，種植密度為48 800 株/hm2。為確保番茄正常保苗及生長水分需求，定植時(shí)所有處理統(tǒng)一按照傳統(tǒng)灌溉方式進(jìn)行，隨后依據(jù)不同處理采用各自的灌溉方式，具體灌溉水量如表1 所示。供試肥料為有機(jī)質(zhì)含量≥40%的生物有機(jī)肥（作為基肥一次性施入）和N-P2O5-K2O∶20-20-20、15-5-30 的化學(xué)肥料（按9∶16∶16∶16∶12∶17∶15 比例分別于番茄苗期、花期、膨果初期、膨果三穗果期、膨果四穗果期、膨果盛期、結(jié)果末期分7 次施入）。供試番茄品種為普羅旺斯。每個(gè)處理布設(shè)1 套淋溶桶（橫截面積1.2 m2）裝置，用于收集1 m 土壤淋溶液。

表1 設(shè)施番茄不同處理各生育期灌溉水量Table 1 Water irrigation quantity in different growth stages of

1.3 樣品采集

土壤樣品：于番茄苗期、花期、膨果三穗果、膨果四穗果、拉秧期，以20 cm 為一層，以“S”形采樣法用土鉆采集100 cm 土層土壤，每小區(qū)內(nèi)5 個(gè)樣點(diǎn)組成1 個(gè)混合樣品，裝袋密封，標(biāo)記，置于冰盒保存。

淋溶液樣品：于番茄苗期、花期、膨果初期、膨果三穗果、膨果四穗果、膨果盛期、拉秧期采集樣品。連接電動真空泵-抽液管-緩沖瓶-抽液管-采樣瓶，利用緩沖作用將淋溶液提取至采樣瓶，用量筒測量淋溶液體積，記錄，置于冰盒保存。

1.4 測定指標(biāo)與方法

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)計(jì)算與作圖運(yùn)用Microsoft Excel 軟件，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析運(yùn)用SPSS 25.0 軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 微潤灌溉配合減量施肥條件下設(shè)施番茄土壤銨態(tài)氮分布特征

不同水肥處理下番茄土壤剖面NH4+-N 含量在同一生育期具有相似的變化規(guī)律（圖1）。從不同土層深度變化來看，各生育期不同處理NH4+-N 含量均呈現(xiàn)40 ～60 cm 土層存在明顯轉(zhuǎn)折峰的典型特征。然而不同生育期內(nèi)NH4+-N 含量表現(xiàn)出的分布規(guī)律并不一致。

番茄苗期不同處理土壤剖面NH4+-N 含量如圖1(a)。40 ～60 cm 土 層 上NH4+-N 達(dá) 到 了該生育期峰值，此時(shí)NH4+-N 含量大小順序?yàn)閃Y＜CY＜CT，分別為5.63、9.98、12.07 mg/kg，微潤灌溉WY 處理較傳統(tǒng)灌溉CT、CY 處理NH4+-N峰值顯著降低了53.34%、43.59%；同為傳統(tǒng)灌溉模式的減量施肥CY 處理較傳統(tǒng)施肥CT 處理NH4+-N峰值降低了17.29%，且差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）；即該生育期單一微潤灌溉產(chǎn)生的對阻控NH4+-N 淋失的貢獻(xiàn)率高于單一減量施肥，微潤灌溉配合減量施肥效果最佳；60 ～100 cm 土層NH4+-N 含量在各處理間不存在顯著性差異。

圖1(b)反映了番茄花期土壤剖面NH4+-N 含量分布狀況?？梢钥闯?，該生育期CT、CY、WY 處理NH4+-N 含量的變化范圍為9.35 ～11.99 mg/kg、8.75 ～10.19 mg/kg、5.63 ～10.51 mg/kg。從減量施肥角度分析，CY 處理較CT 處理在20 ～40 cm和80 ～100 cm 土 層 上NH4+-N 含 量 顯 著 降 低 了19.21%、15.01%；對比不同灌溉方式發(fā)現(xiàn)，WY 處理較CY 處理在20 ～40 cm 土層上NH4+-N 含量顯著下降了43.59%；而減量施肥與微潤灌溉結(jié)合的WY 處 理 較CT 處 理 在20 ～40 cm 和40 ～60 cm土層上NH4+-N 含量也存在顯著下降趨勢，降幅分別為17.23%、39.78%。

膨果三穗果期是番茄高產(chǎn)的關(guān)鍵時(shí)期，施肥量與灌水量達(dá)到了全生育期最高水平，施肥處理NH4+-N含量在7.26 ～10.67 mg/kg 范圍內(nèi)(圖1(c))，較CK對照增加了14.96%～68.87%，僅WY 處理較CT 處理在80 ～100 cm 土層上NH4+-N 含量差異達(dá)到了顯著水平，降幅21.86%?？梢姡櫣喔扰浜蠝p量施肥對土壤深層NH4+-N 含量的降低作用明顯；且高水高肥投入條件下，只有減量施肥和微潤灌溉兩者結(jié)合才能達(dá)到阻控NH4+-N 向土壤深層淋失的目的。番茄膨果四穗果期與拉秧期因水氮需求施加量低使得土壤NH4+-N 含量(圖1(d)和1(e))較膨果三穗果期整體有所下降，80 ～100 cm 土層上CT、WY 處理土壤NH4+-N 含量分別為6.45 ～8.10 mg/kg、5.64 ～6.80 mg/kg，WY 較CT 處理降低了12.61%～16.00%，但差異不顯著，說明微潤灌溉配合減量施肥在水氮投入較低的時(shí)期對土壤NH4+-N 分布影響效果不理想。

圖1 番茄各生育期土壤剖面NH4+-N 含量Fig. 1 NH4+-N content of soil profiles in different tomato growth stages

綜上所述，微潤灌溉和減量施肥均會影響NH4+-N 在土壤剖面的分布，且以微潤灌溉配合減量施肥處理效果最為明顯。

2.2 微潤灌溉配合減量施肥對設(shè)施番茄土壤銨態(tài)氮淋失的影響

傳統(tǒng)灌溉CT 和CY 處理在各生育期內(nèi)均收集到了不同量的淋溶液；而微潤灌溉WY 處理除苗期和花期外，其他生育期未收集到淋溶液（圖2）。CT、CY 和WY 處理全生育期NH4+-N 淋失量分別為1.57、1.02、0.66 kg/hm2，其中苗期淋失量占全生育期淋失量的63.05%、51.23%、83.94%。苗期WY和CY 處理相比于CT 處理淋失量差異不顯著；花期CY 和WY 處理NH4+-N 淋失量較CT 處理降低了43.23%～45.20%；其他生育期CY 處理較CT 處理NH4+-N 淋失量也有所降低，降幅在9.52%～19.50%范圍內(nèi)；就全生育期而言，單減量施肥CY 模式下可阻控35.20%的NH4+-N 淋失量，而微潤灌溉配合減量施肥WY 模式對阻控土壤NH4+-N 淋失成效更為明顯，下降率達(dá)57.89%。

圖2 番茄各生育期土壤NH4+-N 淋失量Fig. 2 The amount of NH4+-N leaching from soil in different growth stages of tomato

2.3 微潤灌溉配合減量施肥對設(shè)施番茄產(chǎn)量和灌溉水利用效率的影響分析

該生長季不同水肥處理番茄產(chǎn)量（圖3）分布在101.42 ～123.21 t/hm2范圍內(nèi)，各處理間差異不顯著，即減量施肥CY 甚至微潤灌溉配合減量施肥WY 處理均未造成番茄產(chǎn)量損失，且WY 顯著提高了灌溉水利用效率（產(chǎn)量與灌水量的比值）（圖3），高達(dá)81.19 kg/m3，是傳統(tǒng)灌溉CT、CY 處理的2.12倍和2.40 倍。

圖3 番茄產(chǎn)量和灌溉水利用效率Fig. 3 Tomato yield and irrigation water use efficiency

3 討論

銨態(tài)氮是植物根系直接吸收的氮素形態(tài)，同時(shí)也是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)。但銨態(tài)氮相較于硝態(tài)氮而言，因其帶正電荷易被土壤膠體吸附而常常忽視它的淋失現(xiàn)象［18］，土壤膠體對NH4+-N 的吸附功能，有一定限度的，一旦含量超過閾值，就會大大降低吸附能力，進(jìn)而發(fā)生明顯的淋失現(xiàn)象［19］。正如本研究中，傳統(tǒng)水肥CT 處理在該番茄生長期間產(chǎn)生了1.57 kg/hm2的NH4+-N 淋失量。夏紅霞［20］提出在土壤水分相同的條件下氮素含量主導(dǎo)氮淋失，合理減少氮肥用量是降低土壤氮淋失的最有效措施。褚繼登［21］的室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，減量施肥對降低NH4+-N 向土壤深層淋失有顯著成效；呂亞敏等［22］關(guān)于水稻生育期內(nèi)減氮15%和24%的土壤NH4+-N 含量比高水平施肥處理降低了42%和50%。本試驗(yàn)中番茄相同灌溉條件下節(jié)肥40%的CY 處理較傳統(tǒng)施肥CT 處理在苗期40 ～60 cm、花 期20 ～40 cm 和80 ～100 cm土層上NH4+-N 含量顯著降低了17.29%、19.21%和15.01%?？梢姕p量施肥條件下相對低的氮素投入量，減少NH4+-N 來源，降低了其在土層中的分布含量。需要說明的是，以上減量施肥措施并未造成番茄減產(chǎn)，反而由于減少了土壤剖面氮素淋失，使得其更多地分布于土壤耕層，有利于作物充分吸收而降低氮損失，從而提高了氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)效率［23］。

農(nóng)田土壤養(yǎng)分淋失直接來源于土壤水分的垂直運(yùn)移，設(shè)施栽培高養(yǎng)分投入和多茬口的種植模式，使得土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量大幅升高，不當(dāng)?shù)墓嗨胧﹦荼卦斐赏寥鲤B(yǎng)分淋失風(fēng)險(xiǎn)加?。?0］。正如本試驗(yàn)傳統(tǒng)灌溉在各個(gè)生育期均產(chǎn)生了淋溶現(xiàn)象，而微潤灌溉僅苗期和花期收集到了較傳統(tǒng)灌溉量少的淋溶液。且各處理最大淋失量出現(xiàn)在苗期也主要?dú)w因于定植期一次性大量水分投入產(chǎn)生的持續(xù)滲漏效應(yīng)。此外，土壤水分還通過影響硝化作用有關(guān)微生物活性及土壤通氣性而對土壤NH4+-N 含量產(chǎn)生影響。相關(guān)研究表明在一定范圍內(nèi)，土壤NH4+-N 含量與水分含量呈正相關(guān)關(guān)系［24］。本研究中WY 處理較CY 處理在苗期40 ～60 cm、花期20 ～40 cm 土層上NH4+-N 含量顯著降低了43.59%、43.59%，印證了上述觀點(diǎn)。值得強(qiáng)調(diào)的是，微潤灌溉所表現(xiàn)出的NH4+-N 含量降低結(jié)果不僅僅得益于單純土壤含水量的減少，更大可能是水分分布差異的結(jié)果，相較于傳統(tǒng)灌溉模式下的減少水分投入措施，微潤灌溉的運(yùn)行特性使得土壤水分和養(yǎng)分含量最大值出現(xiàn)在微潤管周圍，隨著水平距離的增加，水肥含量由高到低變化［15］。植物根系周圍水肥穩(wěn)定地保持在適宜恒量，一方面，不會像傳統(tǒng)水肥投入即刻水氮驟然增多，這種微量持續(xù)的供給更有助于作物吸收土壤氮素［25］，從而減少因一次性投入過量氮素而產(chǎn)生損失；另一方面，微潤灌溉良好的土壤水分環(huán)境提高了硝化速率［26］，從而降低了土壤NH4+-N 含量。減量施肥降低了土壤剖面NH4+-N 含量，微潤灌溉削減了NH4+-N 向土壤深層淋失的動力，本研究中將微潤灌溉與減量施肥結(jié)合運(yùn)用，使得WY 較CT處理NH4+-N 在番茄全生育期土壤剖面含量和淋失量顯著降低了17.23% ～53.34% 和57.89%，對阻控NH4+-N 淋失風(fēng)險(xiǎn)效果更優(yōu)。微潤灌溉配合減量施肥模式在減少水氮投入提高資源利用率的同時(shí)，增加了設(shè)施栽培過程中的經(jīng)濟(jì)收入，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境與收益的雙贏。

4 結(jié)論

（1）微潤灌溉配合減量施肥處理顯著降低了設(shè)施番茄土壤剖面NH4+-N 含量。與傳統(tǒng)水肥處理相比，苗期40 ～60 cm 土層、花期20 ～40 cm 和40 ～60 cm 土層、膨果三穗果期80 ～100 cm 土層NH4+-N 含量顯著降低了53.34%、17.23%、39.78%、21.86%。

（2）微潤灌溉與減量施肥均減少了NH4+-N 向深層土壤淋失，以WY 處理效果最佳。WY 處理僅在苗期和花期收集到了土壤淋溶液；CT、CY 和WY 處理全生育期NH4+-N 淋失量分別為1.57、1.02、0.66 kg/hm2；苗期淋失量占比高達(dá)全生育期淋失量的51.23%～83.94%，但各處理間差異互不顯著；全生育期CY 和WY 處理NH4+-N 淋失量較CT 處理分別降低了35.20%、57.89%。

（3）WY 處理在未影響番茄產(chǎn)量的基礎(chǔ)上顯著提高了灌溉水利用效率（81.19 kg/m3），是傳統(tǒng)灌溉CT、CY 處理的2.12 倍和2.40 倍，因此，推薦微潤灌溉配合減量施肥作為設(shè)施菜田栽培的水肥管理模式。