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(tuán)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(jì)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]?！厩叭搜芯窟M(jìn)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(jì)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(jī)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(yùn)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?！颈狙芯壳腥朦c】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(yùn)移的影響?！緮M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(jìn)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(jī)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(jī)氮殘留量(kg/hm2)-不施氮區(qū)土壤起始無機(jī)氮累積量(kg/hm2)。

土壤無機(jī)氮積累量(kg/hm2)=土層厚度(cm)×土壤容重(g/cm3)×土壤無機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)氮殘留量(kg/hm2)-不施氮區(qū)土壤無機(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS 17.0統(tǒng)計分析軟件進(jìn)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(yùn)移的影響

研究表明，2年間在0～80 cm土層內(nèi)的運(yùn)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(yùn)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(jī)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(yùn)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(dá)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(jìn)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(jìn)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(yùn)移的影響

灌水與施氮均影響硝態(tài)氮的運(yùn)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(jìn)，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(yùn)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(jìn)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(yùn)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(qiáng)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(yùn)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(jìn)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(yùn)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(yùn)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(jìn)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(yùn)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(yùn)籌可促進(jìn)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(jì)效益。