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)林科技大學資源環(huán)境學院,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)境重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

近年來我國設施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，至2015年，設施蔬菜種植面積達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)出和較高的復種指數(shù)等特點，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重。劉蘋等[2]研究發(fā)現(xiàn)，壽光市設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?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1 023 kg·hm-2，唐珧等[4]在山西南部地區(qū)設施栽培的研究也得到類似結(jié)果?？梢娢覈斍叭展鉁厥以耘嘞逻^量施肥問題突出。

日光溫室系統(tǒng)過量施肥，導致土壤中氮、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、反硝化等途徑進入水體和大氣，污染環(huán)境，導致農(nóng)田面源污染風險增加[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，也是造成設施蔬菜生理障礙的主要土壤因子[8]。同時過量氮肥投入不僅沒有增產(chǎn)效果，反而導致蔬菜、果實硝酸鹽含量升高、品質(zhì)下降[9-10]。因此，日光溫室持續(xù)、高效、安全生產(chǎn)是需要進一步研究的問題。

近年來，不少學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，本試驗設置不同的水氮調(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)，控制氮素損失提供理論與實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(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)設施蔬菜栽培基地。當?shù)貙俅箨懶约撅L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)，單個溫室面積約為700 m2。試驗溫室土壤為褐土類土亞類紅油土屬，試驗前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 試驗設計

田間試驗于2017年7月—2018年7月進行，供試作物為秋冬季番茄(金鵬14-6)-春季小型西瓜(千鼎1號)。試驗共設4個處理，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?shù)厝展鉁厥以O施蔬菜施肥狀況調(diào)查和已有文獻的調(diào)查結(jié)果確定，優(yōu)化施氮量根據(jù)在當?shù)匾堰M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。各處理有機肥和磷、鉀肥用量均相同，番茄季施入有機肥36 000、P2O5150、K2O 225 kg·hm-2，有機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肥3 000、P2O5100、K2O 100 kg·hm-2，有機肥作底肥一次施入，氮、磷、鉀肥均作為追肥分2次施用。供試有機肥為商品有機肥，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)。

試驗采用隨機區(qū)組設計，每個處理重復3次，小區(qū)面積為16.8 m2(7 m×2.4 m)，相鄰小區(qū)之間設置保護行。試驗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。番茄定植時間為2017年9月6日，拉秧時間為2018年2月28日。田間采用寬窄行進行種植，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)程進行管理。

1.3 樣品采集與測定

番茄定植前在試驗區(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驗室，測定土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)。

以小區(qū)為單位將果實鮮樣全部收獲測產(chǎn)，詳細記錄收獲的果實鮮重。在果實成熟期，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，立即帶回實驗室測定果實品質(zhì)，測定指標包括果實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進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和圖表制作，SPSS 21.0進行單因素方差分析，用Duncan檢驗(α=0.05)進行多重比較。

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產(chǎn)量?？芍c當前農(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-小型西瓜果實品質(zhì)

由表3可以看出，與對照處理(N0+FI)相比，3個施氮處理下秋冬茬番茄果實的可溶性糖、可滴定酸及Vc含量均有所增加，但差異未達顯著水平。同時各品質(zhì)指標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-小型西瓜氮素攜出量

由不同處理番茄-小型西瓜氮素攜出量結(jié)果(表5、6)可知，兩季作物氮素吸收均以葉片和果實為主，氮在各器官的累積量為果實>葉>莖>根。對比秋冬茬番茄不同時期氮素攜出量，在番茄結(jié)果初期，果實氮素攜出量占到了總氮素攜出量的60%以上，根部氮素攜出量占植株總氮素攜出量的1.53%～1.94%；莖部氮素攜出量占5.55%～6.36%；葉片的氮素攜出量占28.3%～32.3%。在番茄拉秧后，根、莖、葉各部分的氮素攜出量分別占植株的1.18%～1.47%、5.96%～6.68%和24.1%～26.5%。果實氮素攜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總氮素攜出量的一半以上。比較兩個時期發(fā)現(xiàn)，隨著番茄的生長，各處理中根和葉片的養(yǎng)分氮素攜出比例相比結(jié)果初期均不同程度地減少，而第1～5穗果的氮素攜出量和比例均有所增加，這是果實對氮素吸收和干物質(zhì)累積量共同增加的結(jié)果。OPT+OI處理的果實氮素攜出比例變化最大，由60.6%增至68.8%，說明OPT+OI處理促進了氮素從營養(yǎng)器官向果實中的轉(zhuǎn)運，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±標準差，不同字母表示處理間差異達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期氮素攜出量的影響

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

綜合兩季結(jié)果來看，各處理間氮素攜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均較為充足，同時溫室土壤養(yǎng)分量高，施用有機肥及化肥提供的養(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，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攜出量的影響

3 討 論

本試驗中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產(chǎn)量均與FT+FI處理的產(chǎn)量無顯著差異，說明在當?shù)厥┑肮喔却嬖谶^量問題。不施氮處理與施氮處理間相比，番茄果實產(chǎn)量間也無顯著差異，西瓜果實產(chǎn)量在常規(guī)施氮條件下還有所降低，一部分是因為多年來當?shù)厥卟松a(chǎn)中不斷大量投入化學肥料及有機肥，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肥中易降解有機氮的礦化。已有研究表明，山東壽光設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]。本試驗中不施氮處理與施氮處理相比，番茄果實品質(zhì)和兩季作物的氮素攜出量均無顯著差異，也進一步說明了當?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。為進一步明確減氮控水的田間效果，有必要進行長期的田間試驗。

氮肥供應與作物品質(zhì)之間存在一定的關(guān)系，果實品質(zhì)的優(yōu)劣也是評價施氮量適當與否的標準。與不施氮處理相比，3個施肥處理隨著施肥量的增多，番茄和小型西瓜果實的可溶性糖含量、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的品質(zhì)，此結(jié)果與閔炬等[18]的研究結(jié)果一致。一般認為，氮素營養(yǎng)參與果實中糖類和氨基酸的形成過程，氮肥施用過少則導致果實芳香物質(zhì)的合成減少，影響其風味；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)，同時造成果實中硝酸鹽含量上升[19]。范慶峰等[20]研究認為，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)氮含量較高時亦可引起茄果類蔬菜果實中硝酸鹽的大量累積，試驗各處理番茄果實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準(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，可能造成番茄果實硝酸鹽超標。有關(guān)灌水量與日光溫室果蔬品質(zhì)的關(guān)系研究少有報道，從本試驗結(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，兩季作物果實品質(zhì)均無顯著差異。因此，適當減施氮量和調(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，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。本試驗所用溫室種植時間已超過9 a，栽培過程中發(fā)現(xiàn)作物灰霉病、青枯病嚴重，作物生長發(fā)育不良，干物質(zhì)累積量減少，致使總養(yǎng)分攜出量偏低，但未影響植株各部分氮素含量。因此，在適當減施氮量和調(diào)控灌溉的基礎(chǔ)上，配合合理輪作、高溫悶棚等措施[24]，預防或減輕土壤連作引起的病害，有利于保證設施農(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，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，還需進行深入研究。