減氮控水對日光溫室番茄-小型西瓜產(chǎn)量、品質(zhì)及氮素利用的影響

程于真, 羅 偉, 陳竹君, 周建斌

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,陜西 楊凌 712100；2.農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

近年來我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，至2015年，設(shè)施蔬菜種植面積達(dá)400×104hm2以上[1]，在我國蔬菜生產(chǎn)中占有極其重要的地位。日光溫室是北方地區(qū)重要的栽培方式，具有高投入、高產(chǎn)出和較高的復(fù)種指數(shù)等特點(diǎn)，但由于農(nóng)民生產(chǎn)中缺乏養(yǎng)分管理知識，過量水肥投入問題十分嚴(yán)重。劉蘋等[2]研究發(fā)現(xiàn)，壽光市設(shè)施大棚周年平均肥料養(yǎng)分投入為 N 3 338、P2O51 710、K2O 3 446 kg·hm-2，是當(dāng)?shù)匦←?玉米輪作種植模式的6～14倍。周婷等[3]對陜西日光溫室施肥調(diào)查表明，單季化肥養(yǎng)分N投入是作物攜出量的1.2～2.7倍，氮素平均盈余量高達(dá)1 023 kg·hm-2，唐珧等[4]在山西南部地區(qū)設(shè)施栽培的研究也得到類似結(jié)果。可見我國當(dāng)前日光溫室栽培下過量施肥問題突出。

日光溫室系統(tǒng)過量施肥，導(dǎo)致土壤中氮、磷、鉀養(yǎng)分大量累積。在我國日光溫室集中地區(qū)山東壽光的研究表明，溫室土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮、速效磷、速效鉀的含量均顯著高于露地土壤[5]。隨著種植年限的增加，土壤剖面硝態(tài)氮累積量顯著增加，陜西新建日光溫室種植3 a后，0～200 cm 土層硝態(tài)氮累積量增加到1 380 kg·hm-2[6]。土壤硝態(tài)氮可通過淋洗、徑流和硝化、反硝化等途徑進(jìn)入水體和大氣，污染環(huán)境，導(dǎo)致農(nóng)田面源污染風(fēng)險(xiǎn)增加[7]。菜田土壤鹽分與土壤硝態(tài)氮含量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，表明土壤硝酸根的積累是引起土壤次生鹽漬化的重要原因之一，也是造成設(shè)施蔬菜生理障礙的主要土壤因子[8]。同時(shí)過量氮肥投入不僅沒有增產(chǎn)效果，反而導(dǎo)致蔬菜、果實(shí)硝酸鹽含量升高、品質(zhì)下降[9-10]。因此，日光溫室持續(xù)、高效、安全生產(chǎn)是需要進(jìn)一步研究的問題。

近年來，不少學(xué)者開展了灌溉和施肥對日光溫室作物生長發(fā)育、產(chǎn)量品質(zhì)和水氮利用效率等方面的研究，但多集中在肥料用量、水分管理及施用方式等某一方面[11-14]，綜合考慮氮肥與灌溉的協(xié)同作用對日光溫室作物生長的研究相對較少。因此，本試驗(yàn)設(shè)置不同的水氮調(diào)控措施，對兩茬作物產(chǎn)量、品質(zhì)、氮素吸收進(jìn)行研究，旨在為日光溫室高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)蔬菜生產(chǎn)，控制氮素?fù)p失提供理論與實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)位于黃土高原南部的陜西省楊凌示范區(qū)大寨鄉(xiāng)設(shè)施蔬菜栽培基地。當(dāng)?shù)貙俅箨懶约撅L(fēng)氣候，海拔520 m左右，年均降水量約630 mm，主要集中于7—9月，年均溫度為12.9℃。研究區(qū)日光溫室多建于2009—2010年，采用新型鋼梁結(jié)構(gòu)，單個(gè)溫室面積約為700 m2。試驗(yàn)溫室土壤為褐土類土亞類紅油土屬，試驗(yàn)前0～1 m土層硝態(tài)氮累積量為2 881 kg·hm-2。其他基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)于2017年7月—2018年7月進(jìn)行，供試作物為秋冬季番茄(金鵬14-6)-春季小型西瓜(千鼎1號)。試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，分別為：不施氮+常規(guī)灌溉(N0+FI)、常規(guī)施氮+常規(guī)灌溉(FT+FI)、優(yōu)化施氮+常規(guī)灌溉(OPT+FI)、優(yōu)化施氮+優(yōu)化灌溉(OPT+OI)。其中常規(guī)施氮量及常規(guī)灌溉量根據(jù)當(dāng)?shù)厝展鉁厥以O(shè)施蔬菜施肥狀況調(diào)查和已有文獻(xiàn)的調(diào)查結(jié)果確定，優(yōu)化施氮量根據(jù)在當(dāng)?shù)匾堰M(jìn)行的研究確定，優(yōu)化灌溉量依據(jù)作物不同生長期需水規(guī)律進(jìn)行灌溉至田間持水量的70%～75%，具體施氮量及灌水量見表2。各處理有機(jī)肥和磷、鉀肥用量均相同，番茄季施入有機(jī)肥36 000、P2O5150、K2O 225 kg·hm-2，有機(jī)肥和磷肥全部作基肥，氮、鉀肥作追肥分3次施用。小型西瓜季施入有機(jī)肥3 000、P2O5100、K2O 100 kg·hm-2，有機(jī)肥作底肥一次施入，氮、磷、鉀肥均作為追肥分2次施用。供試有機(jī)肥為商品有機(jī)肥，其碳氮比(C/N)為11.0、含全氮11.9 g·kg-1、全磷21.2 g·kg-1、全鉀13.6 g·kg-1。化肥采用尿素(46% N)、重過磷酸鈣(46% P2O5)和硫酸鉀(50% K2O)。

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理重復(fù)3次，小區(qū)面積為16.8 m2(7 m×2.4 m)，相鄰小區(qū)之間設(shè)置保護(hù)行。試驗(yàn)溫室灌溉全部采用滴灌系統(tǒng)，所有追肥通過滴灌系統(tǒng)隨水沖施，用TRIME-PICO-IPH管式土壤水分儀每隔20 cm測定土壤體積含水率，測至80 cm土層。番茄定植時(shí)間為2017年9月6日，拉秧時(shí)間為2018年2月28日。田間采用寬窄行進(jìn)行種植，大行間距70 cm，小行間距50 cm，株距30 cm。小型西瓜2018年2月28日定植，當(dāng)年6月28日收獲，種植寬窄行間距同番茄季，株距50 cm。作物生長期除草、打葉、病蟲害防治等措施按照無公害蔬菜栽培技術(shù)規(guī)程進(jìn)行管理。

1.3 樣品采集與測定

番茄定植前在試驗(yàn)區(qū)采集4鉆0～200 cm土層土壤樣品(每20 cm為一層)，剔除作物根系后帶回實(shí)驗(yàn)室，測定土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)。

以小區(qū)為單位將果實(shí)鮮樣全部收獲測產(chǎn)，詳細(xì)記錄收獲的果實(shí)鮮重。在果實(shí)成熟期，每小區(qū)選4株發(fā)育狀況相對一致的植株，摘取毎株的果實(shí)，立即帶回實(shí)驗(yàn)室測定果實(shí)品質(zhì)，測定指標(biāo)包括果實(shí)Vc含量、可溶性糖含量、可滴定酸含量及硝酸鹽含量。作物生長期間及拉秧后將植株樣品的根、莖、葉、果實(shí)分開采收，烘干后混合、粉碎，測定總干重及各部分全氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Office Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和圖表制作，SPSS 21.0進(jìn)行單因素方差分析，用Duncan檢驗(yàn)(α=0.05)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理秋冬季番茄和春季小型西瓜的產(chǎn)量

由圖1A可知，不同處理下秋冬茬番茄產(chǎn)量在67.7～72.3 t·hm-2之間，優(yōu)化施氮+優(yōu)化灌溉處理將施氮量和灌溉量分別由常規(guī)用量的450 kg·hm-2和1 618 m3·hm-2降至225 kg·hm-2和1 316 m3·hm-2，番茄產(chǎn)量差異均未達(dá)顯著水平。由圖1B可知，與FT+FI處理相比，OPT+OI處理的施氮量和灌溉量分別減少40%和15%，對小型西瓜果實(shí)產(chǎn)量無顯著影響；在相同灌溉量條件下，優(yōu)化施氮處理顯著增加了果實(shí)產(chǎn)量。可知與當(dāng)前農(nóng)戶常規(guī)施氮和灌溉量相比，優(yōu)化施氮和優(yōu)化灌溉減量潛力較大。

2.2 不同處理番茄-小型西瓜果實(shí)品質(zhì)

由表3可以看出，與對照處理(N0+FI)相比，3個(gè)施氮處理下秋冬茬番茄果實(shí)的可溶性糖、可滴定酸及Vc含量均有所增加，但差異未達(dá)顯著水平。同時(shí)各品質(zhì)指標(biāo)的變化量隨施氮量的增加呈先增加后減少的趨勢，其中OPT+OI處理可溶性糖和Vc含量最高，分別為4.99%和13.19 mg·100g-1。OPT+OI處理的番茄果實(shí)硝酸鹽含量顯著低于FT+FI和OPT+FI處理(P<0.05)，前者分別比后兩者降低了66.3%和56.9%。

由表4可知，與對照處理相比，OPT+OI處理顯著提高了小型西瓜的可溶性糖及可滴定酸及Vc含量，且優(yōu)化施氮+優(yōu)化灌溉與常規(guī)施氮+常規(guī)灌溉相比的果實(shí)品質(zhì)無顯著差異。以上結(jié)果說明，常規(guī)施肥存在過量現(xiàn)象，減少氮肥施用能夠有效地提高果實(shí)品質(zhì)，減少作物對硝酸鹽的吸收和累積。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

表2 秋冬季番茄-春季小型西瓜各處理施氮及灌溉量

注：不同字母表示處理間差異達(dá)P<0.05顯著水平。Note: Different letters indicate significant difference among different treatments at P<0.05 level.圖1 不同處理對兩季作物產(chǎn)量的影響(A.秋冬茬番茄；B.春茬小型西瓜)Fig.1 Effects of different treatments on crops yield.(A: autumn-winter tomato; B:spring mini-watermelon)

2.3 不同處理番茄-小型西瓜氮素?cái)y出量

由不同處理番茄-小型西瓜氮素?cái)y出量結(jié)果(表5、6)可知，兩季作物氮素吸收均以葉片和果實(shí)為主，氮在各器官的累積量為果實(shí)>葉>莖>根。對比秋冬茬番茄不同時(shí)期氮素?cái)y出量，在番茄結(jié)果初期，果實(shí)氮素?cái)y出量占到了總氮素?cái)y出量的60%以上，根部氮素?cái)y出量占植株總氮素?cái)y出量的1.53%～1.94%；莖部氮素?cái)y出量占5.55%～6.36%；葉片的氮素?cái)y出量占28.3%～32.3%。在番茄拉秧后，根、莖、葉各部分的氮素?cái)y出量分別占植株的1.18%～1.47%、5.96%～6.68%和24.1%～26.5%。果實(shí)氮素?cái)y出量占到了氮素總累積量的65%以上，其中第一和第二穗果占果實(shí)總氮素?cái)y出量的一半以上。比較兩個(gè)時(shí)期發(fā)現(xiàn)，隨著番茄的生長，各處理中根和葉片的養(yǎng)分氮素?cái)y出比例相比結(jié)果初期均不同程度地減少，而第1～5穗果的氮素?cái)y出量和比例均有所增加，這是果實(shí)對氮素吸收和干物質(zhì)累積量共同增加的結(jié)果。OPT+OI處理的果實(shí)氮素?cái)y出比例變化最大，由60.6%增至68.8%，說明OPT+OI處理促進(jìn)了氮素從營養(yǎng)器官向果實(shí)中的轉(zhuǎn)運(yùn)，有助于氮素在植株中的合理分配。

表3 不同處理對秋冬茬番茄品質(zhì)的影響

注：結(jié)果為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，不同字母表示處理間差異達(dá)P<0.05顯著水平。下同。

Note：Data in the table are mean ± SD. Different letters are significantly different among treatments at theP<0.05 level. The same below.

表4 不同處理對春茬小型西瓜品質(zhì)的影響

表5 不同處理對秋冬茬番茄不同時(shí)期氮素?cái)y出量的影響

由表6可以看出，不同處理下小型西瓜各部分的氮素?cái)y出量有所差異，但差異均未達(dá)顯著水平。西瓜營養(yǎng)器官中氮積累量較少，果實(shí)較多，根、莖、葉氮素?cái)y出量分別約占西瓜總氮素?cái)y出量的0.45%～0.8%、9.5%～10%、23%～29%，而果實(shí)氮積累量約占西瓜總氮素?cái)y出量的61%～67%。

綜合兩季結(jié)果來看，各處理間氮素?cái)y出總量均無顯著差異，這主要是由于不同處理土壤水分的供應(yīng)均較為充足，同時(shí)溫室土壤養(yǎng)分量高，施用有機(jī)肥及化肥提供的養(yǎng)分量已高于作物養(yǎng)分的攜出量，優(yōu)化水肥在減氮控水的同時(shí)，不會對作物養(yǎng)分吸收造成顯著影響。

表6 不同處理對春茬小型西瓜氮素?cái)y出量的影響

3 討 論

本試驗(yàn)中OPT+OI處理兩季作物種植的施氮水平由700 kg·hm-2減少到375 kg·hm-2，灌溉量從2 518 m3·hm-2減少到2 081 m3·hm-2，相當(dāng)于施氮量和灌溉量分別降低了46%和15%，而番茄和小型西瓜果實(shí)產(chǎn)量均與FT+FI處理的產(chǎn)量無顯著差異，說明在當(dāng)?shù)厥┑肮喔却嬖谶^量問題。不施氮處理與施氮處理間相比，番茄果實(shí)產(chǎn)量間也無顯著差異，西瓜果實(shí)產(chǎn)量在常規(guī)施氮條件下還有所降低，一部分是因?yàn)槎嗄陙懋?dāng)?shù)厥卟松a(chǎn)中不斷大量投入化學(xué)肥料及有機(jī)肥，從而造成養(yǎng)分在土壤中大量累積，作物可以從底層土壤中吸收累積的礦質(zhì)氮；另一部分來源于施用有機(jī)肥中易降解有機(jī)氮的礦化。已有研究表明，山東壽光設(shè)施土壤每年表觀氮礦化量約200 kg·hm-2[15]，且土壤氮素礦化量隨其日光溫室栽培年限的增加顯著增加[16]，在不考慮氮素利用的情況下，每年通過土壤礦化、有機(jī)肥和灌溉水帶入的氮素量約為植株氮素吸收量的2～3倍[17]。本試驗(yàn)中不施氮處理與施氮處理相比，番茄果實(shí)品質(zhì)和兩季作物的氮素?cái)y出量均無顯著差異，也進(jìn)一步說明了當(dāng)?shù)厝展鉁厥以耘噢r(nóng)戶常規(guī)施氮與灌水問題突出，減氮控水具有較大潛力。為進(jìn)一步明確減氮控水的田間效果，有必要進(jìn)行長期的田間試驗(yàn)。

氮肥供應(yīng)與作物品質(zhì)之間存在一定的關(guān)系，果實(shí)品質(zhì)的優(yōu)劣也是評價(jià)施氮量適當(dāng)與否的標(biāo)準(zhǔn)。與不施氮處理相比，3個(gè)施肥處理隨著施肥量的增多，番茄和小型西瓜果實(shí)的可溶性糖含量、Vc、可滴定酸含量總體上呈先上升后下降趨勢，OPT+OI處理的小型西瓜品質(zhì)顯著高于對照處理，適量施用氮肥有利于提高果實(shí)的品質(zhì)，此結(jié)果與閔炬等[18]的研究結(jié)果一致。一般認(rèn)為，氮素營養(yǎng)參與果實(shí)中糖類和氨基酸的形成過程，氮肥施用過少則導(dǎo)致果實(shí)芳香物質(zhì)的合成減少，影響其風(fēng)味；但過量施肥卻會降低其非氮源營養(yǎng)成分如Vc、總糖等的含量，還會引起作物營養(yǎng)生長與生殖生長失調(diào)，同時(shí)造成果實(shí)中硝酸鹽含量上升[19]。范慶峰等[20]研究認(rèn)為，蔬菜硝酸鹽含量與土壤中氮素含量、形態(tài)、灌水量密切相關(guān)，土壤硝態(tài)氮含量較高時(shí)亦可引起茄果類蔬菜果實(shí)中硝酸鹽的大量累積，試驗(yàn)各處理番茄果實(shí)的硝酸鹽含量雖然沒有超過我國對無公害蔬菜安全要求——瓜果類蔬菜硝酸鹽限量標(biāo)準(zhǔn)(NO-3≤600 mg·kg-1，GB 18406.1-2001)[7]，但農(nóng)戶常規(guī)施肥處理已顯著高于減施氮肥處理，若繼續(xù)長期大量施用氮肥，可能造成番茄果實(shí)硝酸鹽超標(biāo)。有關(guān)灌水量與日光溫室果蔬品質(zhì)的關(guān)系研究少有報(bào)道，從本試驗(yàn)結(jié)果看，在施氮量相同的情況下，優(yōu)化灌溉與常規(guī)灌溉相比，兩季作物果實(shí)品質(zhì)均無顯著差異。因此，適當(dāng)減施氮量和調(diào)控灌溉既能降低蔬菜中硝酸鹽的含量且能保證果蔬營養(yǎng)品質(zhì)。

設(shè)施生產(chǎn)存在品種單一化、土壤栽培和施肥位置相對固定的特點(diǎn)，隨著栽培年限的延長，土壤連作障礙和病蟲害問題加劇[21-22]。施肥量過大，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分不均衡和鹽分累積，是連作障礙產(chǎn)生的重要原因之一。陳志杰等[23]研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)施黃瓜連作2～4 a后，土傳病害和氣傳病害的發(fā)生隨連作年限的延長明顯加重。本試驗(yàn)所用溫室種植時(shí)間已超過9 a，栽培過程中發(fā)現(xiàn)作物灰霉病、青枯病嚴(yán)重，作物生長發(fā)育不良，干物質(zhì)累積量減少，致使總養(yǎng)分?jǐn)y出量偏低，但未影響植株各部分氮素含量。因此，在適當(dāng)減施氮量和調(diào)控灌溉的基礎(chǔ)上，配合合理輪作、高溫悶棚等措施[24]，預(yù)防或減輕土壤連作引起的病害，有利于保證設(shè)施農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)高效。

4 結(jié) 論

對一年中日光溫室兩季作物番茄和小型西瓜輪作體系的研究結(jié)果表明，優(yōu)化施氮+優(yōu)化灌溉處理的施氮量和灌水量分別為375 kg·hm-2和2 518 m3·hm-2，雖較農(nóng)戶常規(guī)施氮和灌水量分別降低放

46%和15%，作物產(chǎn)量并未下降，且果實(shí)品質(zhì)得到改善。說明在目前日光溫室栽培條件下，常規(guī)施肥與灌水措施存在嚴(yán)重的過量問題，采取節(jié)水節(jié)肥措施具有巨大的潛力。同時(shí)，日光溫室栽培條件下大量氮肥施入后的氮素去向及其環(huán)境效應(yīng)，還需進(jìn)行深入研究。