不同施氮量對加工番茄生長及土壤氮素平衡的影響

景 博，牛 寧，張文龍，刁 明

(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆石河子 832003；2.特色果蔬栽培生理與種質(zhì)資源利用兵團重點實驗室，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】加工番茄是我國北方干旱地區(qū)種植的特色經(jīng)濟作物[1]。氮肥施入土壤后，經(jīng)過微生物作用迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛猁}，除部分被農(nóng)作物利用外，大部分通過NO3-淋失、反硝化、NH3揮發(fā)等途徑從土壤中損失，保持土壤氮含量是土地持續(xù)利用和作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要條件[2]。不合理的施肥方案對作物的產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生了不利影響[3]，還引發(fā)了一系列的環(huán)境問題，包括溫室氣體排放和土壤酸化等[4]。綜合研究氮肥產(chǎn)量效應(yīng)、氮肥的吸收利用效率以及土壤-植物體系中的氮素平衡，始終是評價氮肥合理施用與否的關(guān)鍵所在[5]。【前人研究進展】李若楠等[5]針對日光溫室蔬菜生產(chǎn)中肥水超量施用問題，研究了節(jié)水減氮在溫室蔬菜生產(chǎn)中的增效潛力，推薦較習(xí)慣施肥減氮50%能有效降低氮素?fù)p失，提高氮肥利用率，保持較高經(jīng)濟效益。侯云鵬等[6]為解決吉林省半干旱區(qū)滴灌施肥條件下氮肥合理施用問題，研究了覆膜滴灌條件下施氮量對土壤剖面無機氮含量變化及氮素平衡的影響，結(jié)果表明，玉米成熟期0～200 cm剖面土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量隨土層深度增加呈逐漸下降的趨勢，且施氮提高了0～200 cm土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。蘇繼霞等[7]研究了氮素運籌對滴灌甜菜氮素平衡的影響，結(jié)果表明，適當(dāng)降低葉叢快速生長期的氮素施用比例，有利于提高氮肥表觀利用率和氮肥表觀殘留率，降低氮肥表觀損失率。【本研究切入點】以往對大田作物的氮肥產(chǎn)量效應(yīng)、氮肥的吸收利用效率以及土壤氮素平衡的研究主要集中在小麥[8-11]、玉米[12-14]等作物上，試驗基于前人臨界氮濃度模型[15]，根據(jù)干物質(zhì)量推算各生育期的施氮比例，立足當(dāng)?shù)毓鉁貤l件、天氣過程，利用節(jié)水滴灌施肥技術(shù)，結(jié)合最佳灌水方案[17]在各生育期滴灌追肥，研究在基于臨界氮濃度模型的施氮比例下，不同施氮量對加工番茄各生育期氮素吸收和土壤氮素運移的影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】基于臨界氮濃度模型的施肥方案，設(shè)置不施氮(N0)、施氮200 kg/hm2(N1)、施氮300 kg/hm2(N2)和施氮400 kg/hm2(N3)4個處理，測定加工番茄各生育期的生長、產(chǎn)量和土壤氮素等指標(biāo)。為提高氮素的有效利用、維持土壤氮素平衡和加工番茄持續(xù)高產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2018～2019年在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗站進行，列出試驗地土壤理化性質(zhì)。表1

表1 試驗地理化性質(zhì)

供試加工番茄品種為里格爾 87-5，用穴盤育苗，4葉1心時移栽大田。2018年4月29日定植，2019年4月26日定植。試驗小區(qū)采用1.2 m寬薄膜覆蓋，一膜鋪設(shè)兩條滴灌帶，1管2行的種植方式，株距30 cm，行距60 cm，滴灌帶滴頭間距為30 cm。灌水量按照75%ET0[16]，通過水表控制灌溉，灌水周期設(shè)定為7～10 d，全生育期總灌水量為4 700 m3/hm2。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置不施氮(N0)、施氮200 kg/hm2(N1)、施氮300 kg/hm2(N2)和施氮400 kg/hm2(N3)4個處理，小區(qū)面積為7.2 m×12 m，各重復(fù)3次，共12小區(qū)，各試驗小區(qū)隨機排列。

在施純氮量 300 kg/hm2條件下，加工番茄各生長階段追肥比例是由該生長階段臨界氮吸收量Nuptc所占比例確定，而臨界氮吸收量Nuptc是基于臨界氮濃度稀釋曲線模型所得，其加工番茄臨界氮濃度稀釋曲線模型和臨界氮吸收模型[16]可用公式表示：

臨界氮濃度稀釋曲線模型：Nc=4.352DW-0.274。

式中，Nc為臨界氮濃度值，%；Nuptc為臨界氮吸收量，kg/hm2；DWmax為加工番茄地上部生物量的最大值。根據(jù)加工番茄干物質(zhì)增長量獲得Nuptc在各生育期所占比例，得出各處理在不同生育期的施氮量。施肥時氮肥全部用作追肥按比例在各生育期隨水滴施，磷肥和鉀肥全部一次性施入土壤做基肥，施入純養(yǎng)分量為P2O5210 kg/hm2，K2O 150 kg/hm2。表2

表2 基于臨界氮濃度模型的各處理施氮量

1.2.2 測定指標(biāo)

1.2.2.1 植株全氮

將植株樣烘干后粉碎，采用濃H2SO4碳化，H2O2高溫消煮，用全自動凱氏定氮儀(K-375)測定各器官含氮量，并計算植株全氮量。

1.2.2.2 土壤硝態(tài)氮

用的2 mol/L KCl溶液50 mL浸提鮮土樣1 h，然后用雙波長分光光度法(UV-2401紫外分光光度計)測定。

1.2.2.3 數(shù)據(jù)處理

參考巨曉棠[17]、蘇繼霞[7]和姜慧敏[4]的方法計算以下參數(shù)：

生育期土壤氮素凈礦化量(kg/hm2)=不施氮區(qū)作物吸氮量(kg/hm2)+不施氮區(qū)土壤無機氮殘留量(kg/hm2)-不施氮區(qū)土壤起始無機氮累積量(kg/hm2)。

土壤無機氮積累量(kg/hm2)=土層厚度(cm)×土壤容重(g/cm3)×土壤無機氮含量(mg/kg)/10。

生育期土壤氮素表觀損失量(kg/hm2)=生育期施氮量(kg/hm2)+土壤起始無機氮累積量(kg/hm2)+生育期土壤氮素凈礦化量(kg/hm2)-作物攜出量(kg/hm2)-收獲后土壤無機氮殘留量(kg/hm2)。

氮素盈余量(kg/hm2)=氮素表觀損失量(kg/hm2)+收獲后土壤無機氮殘留量(kg/hm2)。

氮肥表觀利用率(%)=[施氮區(qū)作物吸氮量(kg/hm2)-不施氮區(qū)作物吸氮量(kg/hm2)]/施氮量(kg/hm2)×100。

氮肥表觀殘留率(%)=[施氮區(qū)土壤無機氮殘留量(kg/hm2)-不施氮區(qū)土壤無機氮殘留量(kg/hm2)]/施氮量(kg/hm2)×100。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excell 2007進行數(shù)據(jù)處理，SPSS 17.0統(tǒng)計分析軟件進行方差分析，Origin9.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量對加工番茄株高莖粗的影響

研究表明，2年間不同施氮量下加工番茄株高和莖粗的變化趨勢基本一致。在加工番茄苗期階段，各處理下的株高和莖粗無顯著差異；在開花期和坐果期，植株生長速度加快，各施氮處理的加工番茄株高和莖粗均大于不施氮處理，到紅熟期，N2處理下的株高顯著大于其他處理，2018年N2處理下的株高為85.5 cm，較N1、N3和N0處理分別提高了23.02%、24.68%和29.47%，同期N2處理下的莖粗為18.40 mm，較N0處理提高了27.17%，與其他施氮處理無顯著差異，且2019年有同樣變化趨勢。拉秧期各處理下株高和莖粗的變化趨勢與紅熟期基本一致。圖1

圖1 不同施氮量下加工番茄株高莖粗變化

2.2 不同施氮量對加工番茄各生育期土壤硝態(tài)氮運移的影響

研究表明，2年間在0～80 cm土層內(nèi)的運移規(guī)律基本相同，各生育期土層中的硝態(tài)氮含量均隨著施肥量的增加而增加，在20～40 cm的土層中分布最多。

在加工番茄苗期階段，各處理下的土壤硝態(tài)氮主要分布在20～40 cm土層中，40～80 cm土層中硝態(tài)氮含量逐漸降低，各處理間在60～80 cm土層中無顯著差異；在開花期和坐果期，由于氮素隨水下移，硝態(tài)氮在各土層中的分布較均衡；在紅熟期和拉秧期，N0、N1和N2處理下的硝態(tài)氮含量在各土層中的分布較均一，N3處理下的硝態(tài)氮含量主要分布在20～60 cm土層中，且30～80 cm土層中的硝態(tài)氮含量顯著大于其他處理，有較大的淋洗風(fēng)險；在拉秧期，2018年N0、N1、N2和N3處理下的土壤硝態(tài)氮殘留量分別為69.87、148.73、183.51和297.61 kg/hm2，N3處理顯著大于其他處理，殘留在40 cm以下土層中的硝態(tài)氮占54.72%，且2019年有同樣趨勢，N0、N1、N2和N3處理下的土壤硝態(tài)氮殘留量分別為69.65、126.38、232.40和318.08 kg/hm2，N3處理的土壤氮素淋洗風(fēng)險較大。

2018年，根據(jù)施氮處理下土壤硝態(tài)氮殘留量與不施氮處理下土壤硝態(tài)氮殘留量的差值可知N1、N2、N3在0～80 cm 土層來源于當(dāng)季肥料的硝態(tài)氮殘留量分別為96.40、114.37和245.16 kg/hm2，與施氮量對比，則硝態(tài)氮占各個施氮量的48.20%、38.12%和61.29%，且2019年有同樣趨勢。N2處理可以降低加工番茄對氮素的殘留，提高氮肥利用率。圖2

圖2 不同施氮量下加工番茄全生長季土壤硝態(tài)氮運移

2.3 不同施氮量對加工番茄土壤氮素平衡的影響

研究表明，2年間不同施氮量對土壤-作物系統(tǒng)氮素平衡的分析，且2年的氮素平衡規(guī)律基本相同。氮素的輸入主要以尿素、播前土壤無機氮和氮的礦化量組成，氮的總輸入量隨著施氮量的增加而增加。2018年在氮素輸出中，N0、N1、N2處理下的氮素主要以作物吸收的方式帶出土壤，分別占總氮輸入的65.92%、42.64%、46.46%，N3處理下的氮素主要殘留在土壤中，占總氮輸入的47.36%，且2019年有同樣變化趨勢。隨施氮量的增加，土壤剖面中的硝態(tài)氮盈余量增加。

各處理間氮肥表觀利用率表現(xiàn)為N2處理最大，N1處理最小，2018年N1處理的表觀利用率與N2處理相比降低了49.27%，2019年降低了46.39%。表觀殘留率表現(xiàn)為N3處理最大，N1處理最小，2018年N3比N2處理高50.32%，2019年高14.49%。在基于臨界氮濃度模型的氮運籌下，N1處理可降低氮素在土壤中的殘留量，但也降低了氮素的利用率；N3處理不但降低了利用率，且增加了土壤的殘留量，N2處理有利于提高氮肥表觀利用率，降低氮肥表觀殘留率。

氮肥的使用量會影響作物對氮素的吸收以及產(chǎn)量，合理施氮可顯著提高加工番茄的產(chǎn)量，N2處理下的產(chǎn)量可達到120 t/hm2以上，2018年N1和N3處理相比N2處理分別減產(chǎn)了21.61%和12%，且2019年有同樣趨勢，N1和N3處理均會抑制產(chǎn)量的提高。表3

表3 基于臨界氮濃度模型的施氮量在0～80 cm土壤剖面的氮素平衡

3 討 論

3.1 不同施氮量對加工番茄生長的影響

加工番茄的株高和莖粗是植株生長的重要指標(biāo)，影響著產(chǎn)量和果實的商品性[18]。

Michela Farneselli等[19]研究表明，低氮不足以滿足加工番茄的生長，適宜的施氮量可以對加工番茄的生長有促進作用；李振華、張筱茜等[20-22]研究表明，施氮量對番茄株高、莖粗的影響呈不同的變化規(guī)律，大量施入氮肥不利于番茄莖粗的增加，在生育前期適當(dāng)?shù)臏p少氮肥施入量，有利于植株的生長。研究表明，在加工番茄苗期階段，各處理下的株高和莖粗無顯著差異；在開花期后，施氮300 kg/hm2的處理有利于促進加工番茄株高與莖粗的增加，保證了加工番茄的營養(yǎng)生長和產(chǎn)量的形成。

3.2 不同施氮量對加工番茄土壤氮素運移的影響

灌水與施氮均影響硝態(tài)氮的運移，試驗灌水根據(jù)蒸發(fā)蒸騰量以及前人試驗結(jié)果[16]為依據(jù)。水氮試驗[23-26]表明，在田間定額灌水下，施氮量對硝態(tài)氮在土體中的移動深度沒有顯著影響，對硝態(tài)氮在土壤剖面的累積量均隨施氮量的增加而增大，并隨土層深度的增加而減少,且高氮在深層土壤中的淋洗風(fēng)險較大。試驗結(jié)果表明，隨著生育期的推進，增氮施肥下的土壤硝態(tài)氮含量大于其他處理的趨勢越發(fā)明顯，在加工番茄拉秧期主要分布在20 cm以下的土層中，土壤氮素可能會隨著農(nóng)閑期的降雨量運移到深層土壤，來年被作物根系吸收的可能性比較小。

黃吳進等[27]研究表明溫室土壤硝態(tài)氮主要分布在 0～40 cm土層；薛亮等[28]結(jié)果表明甜瓜收獲后各處理土壤硝態(tài)氮含量在0～40 cm土層最高，且施氮量越大，硝態(tài)氮在80～120 cm土層大量累積的趨勢越明顯。試驗結(jié)果表明，在基于臨界氮濃度模型的施氮比例下，加工番茄紅熟期之前土壤氮素主要分布在0～40 cm土層中，在紅熟期和拉秧期，土壤氮素主要分布在20～60 cm土層中，且往60～80 cm土層中運移的趨勢明顯。

3.3 不同施氮量對加工番茄土壤氮素平衡影響

有研究表明秸稈還田和生物炭可有效減少土壤氮素的損失[28,29]，董強等[30]研究表明，連續(xù)3年減少20% 的施氮量可提高氮肥的農(nóng)學(xué)利用效率和偏生產(chǎn)力，顯著減少土壤剖面硝態(tài)氮殘留量；杜軍[31]等研究表明化肥使用量的降低，將有效的減少農(nóng)田系統(tǒng)中氮素的輸入量。研究表明，土壤氮素的輸入量和拉秧期土壤硝態(tài)氮的殘留量隨著施氮量的增加而增加，施氮200 kg/hm2處理下的土壤硝態(tài)氮殘留量與施氮300 kg/hm2處理相比降低了32.29%。王士紅等[32]提出棉花施氮量從常規(guī)的300 kg/hm2第1年減少為105 kg/hm2，第2年減少為210 kg/hm2。Asif Ameen等[33]研究表明氮盈余隨著施氮量的增加而增加，且促進了硝態(tài)氮的淋溶。試驗結(jié)果表明，施氮200 kg/hm2的處理與其他處理相比，減少了土壤氮素的盈余量。張彬等[34]研究表明水稻土壤無機氮吸收量隨著氮濃度的增加呈先增加后降低趨勢，水稻土壤無機氮殘留量呈相反的變化趨勢。研究結(jié)果與其有所差別，加工番茄對氮素的吸收和對土壤無機氮的殘留量均隨著施氮量的增加而增加。

4 結(jié) 論

4.1 在基于加工番茄臨界氮濃度模型的氮素運籌方案下，在加工番茄苗期階段，各處理下的株高和莖粗無顯著差異；在開花期后，施氮300 kg/hm2的處理有利于促進加工番茄株高與莖粗的增加，保證了加工番茄的營養(yǎng)生長和產(chǎn)量的形成。

4.2 在基于加工番茄臨界氮濃度模型的氮素運籌方案下，各土層中硝態(tài)氮含量隨施氮量的增加而增加，且主要分布在20～40 cm土層中；在拉秧期施氮400 kg/hm2處理下的土壤硝態(tài)氮含量主要殘留在40 cm以下土層中，淋洗風(fēng)險較大，施氮300 kg/hm2處理下的土壤硝態(tài)氮含量在土壤剖面分布較均衡，降低了氮素對土壤環(huán)境的污染。

4.3 在基于加工番茄臨界氮濃度模型的氮素運籌方案下，施氮200 kg/hm2的處理可降低氮素在土壤中的殘留量，但也降低了氮素的利用率，施氮300 kg/hm2的處理有利于提高氮肥表觀利用率，降低氮肥表觀殘留率，施氮400 kg/hm2的處理促進了作物對氮素的吸收，但加大了氮素在土壤中的殘留，降低了利用率。

4.4 在基于加工番茄臨界氮濃度模型的氮素運籌方案下，在加工番茄苗期階段，各施氮量基本不會影響植株的正常生長，在生產(chǎn)中可按N1處理施44 kg/hm2減氮施肥，在開花期后，按N2處理施234 kg/hm2的氮運籌可促進植株的生長，且土壤氮素殘留相對較少，保證了較高的氮肥利用率和經(jīng)濟效益。