地下氧灌對(duì)土壤氮素分布及番茄水氮利用效率的影響

張哲,楊潤(rùn)亞,朱瑾瑾,張振華,耿亞軍,孫軍娜,周義堂,徐娜

(1.魯東大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264025;2.魯東大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264025;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊陵 712100;4.魯東大學(xué)水利工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264025)

設(shè)施番茄在中國(guó)種植面積很大,具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值.但是,設(shè)施番茄的種植通常采用大水大肥的方式,且存在盲目偏施氮肥的現(xiàn)象,溫室大棚施氮量普遍超出作物吸收的3～5倍[1],造成氮肥大量浪費(fèi).設(shè)置適宜的施氮量以最大限度地提高作物產(chǎn)量并不容易,由于土壤有機(jī)質(zhì)的礦化和土壤硝酸鹽的淋溶和反硝化作用,不同種土壤之間、甚至同種土壤內(nèi)部最佳施氮量都有很大的差異[2].因此,在保證作物產(chǎn)量的同時(shí)提高氮肥利用效率、降低氮素殘留對(duì)未來(lái)設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展非常重要.

適宜的滴灌和優(yōu)化施氮可以提高作物對(duì)水、氮的利用[3-4],但是作物對(duì)于水肥的利用到一定程度后難以提高,這可能是因?yàn)楦鶇^(qū)土壤在灌溉后水分飽和度過(guò)高,作物缺氧所致[5].研究表明,灌溉水過(guò)多時(shí),驅(qū)替了土壤中的氧氣,降低了土壤通氣性,抑制了根系對(duì)養(yǎng)分的吸收[6],制約了作物的生產(chǎn)潛能.地下氧灌是在地下滴灌的基礎(chǔ)上,將水氣混合液輸送到作物根區(qū)土壤,有效改善作物根區(qū)缺氧狀況[7].目前,關(guān)于地下氧灌條件下,在不同水肥氣因素下對(duì)作物的水肥吸收利用效率研究較多,但是大都忽視了過(guò)量施肥澆水給土壤環(huán)境帶來(lái)的壓力.文中設(shè)置不同水平加氧量、施氮量和灌水量,從降低氮素殘留和提高番茄水氮吸收利用及產(chǎn)量2個(gè)角度進(jìn)行分析,目標(biāo)是得到環(huán)境和產(chǎn)量效益雙優(yōu)的水肥氣協(xié)同方案.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在山東省壽光市魯盛農(nóng)業(yè)研發(fā)中心日光溫室中進(jìn)行(118°39′43.6″E,36°57′29.36″N),溫室長(zhǎng)95 m,寬10 m.整個(gè)生育期內(nèi)溫室溫度為7～43 ℃.供試土壤質(zhì)地為黏質(zhì)壤土,土壤類型為潮土,0～60 cm土層平均硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的質(zhì)量比分別為101.34和24.83 mg/kg,有機(jī)碳質(zhì)量比為8.02 g/kg,pH為8.31.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試番茄品種為毛粉“歐曼達(dá)三號(hào)”,溫室內(nèi)穴盤育苗,番茄于4葉1心至5葉1心時(shí)移栽,次日澆透底水,所有種植行做覆膜處理,其余田間管理措施相同,五穗果時(shí)打頂,全生育期為133 d.生育期劃分為苗期(2021-03-18—2021-04-11)、開(kāi)花結(jié)果期(2021-04-12—2021-05-15)、果實(shí)膨大期(2021-05-16—2021-06-16)、果實(shí)成熟期(2021-06-17—2021-07-28).

試驗(yàn)設(shè)置了三因素:① 3個(gè)不同加氧水平,即不加氧A1、低氧A2、中氧A3(氧氣質(zhì)量濃度分別為0,10,20 mg/L);② 3個(gè)不同施氮水平,即低氮N1、中氮N2、高氮N3(根據(jù)當(dāng)?shù)赝扑]施肥水平300 kg/hm2,設(shè)置為其50%,75%,100%);③ 3個(gè)不同灌水水平,即低水量W1、中水量W2、高水量W3(分別取作物蒸發(fā)皿系數(shù)Kcp為0.50,0.75和1.00時(shí)所求得的灌水量:1 920,2 880,384 0 m3/hm2).為消除隨機(jī)誤差,增設(shè)一組空白列,采用L9(34)正交試驗(yàn)表,試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1,表中A,N,W分別為加氧量、施氮量、灌水量.

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

小區(qū)面積為8.6 m2(長(zhǎng)8.6 m,寬1.0 m),采用雙行種植模式,每個(gè)小區(qū)定植38株番茄.小區(qū)內(nèi)采用地下滴灌的供水方式,每個(gè)小區(qū)內(nèi)鋪設(shè)2條地下滴灌管,滴頭間距為20 cm,滴灌管間距為40 cm,埋深為15 cm,滴頭額定流量為2.0 L/h,額定工作壓力為0.10 MPa.試驗(yàn)氮素的類別為尿素(氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%),按照1∶2∶2∶1的比例在番茄生長(zhǎng)的苗期、開(kāi)花結(jié)果期、果實(shí)膨大期、成熟期以水肥耦合的方式施入,施用磷酸二氫鉀(P2O5,K2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為52%和34%),所有處理均為210 kg/hm2.

試驗(yàn)中不同加氧處理使用水肥氣一體化設(shè)備(鄭州市達(dá)爾克電子科技有限公司)進(jìn)行加氧,該設(shè)備利用變壓吸附分離原理制備純氧,通過(guò)外置的儲(chǔ)水罐進(jìn)行循環(huán)曝氣,可制備高溶解氧微氣泡水.灌水量由E601型蒸發(fā)皿測(cè)定的蒸發(fā)量確定,以前1 d 08:00經(jīng)24 h蒸發(fā)后的蒸發(fā)量為依據(jù),當(dāng)累積蒸發(fā)量達(dá)到20 mm時(shí)進(jìn)行灌水,在番茄成熟期采摘時(shí)不再予以澆水(防止裂果).灌水量計(jì)算公式為

I=SEpKcp,

(1)

式中:I為每個(gè)小區(qū)每次的灌水量,m3;S為2個(gè)支管控制的小區(qū)面積,8.6 m2;Ep為2次灌水間隔內(nèi)溫室內(nèi)蒸發(fā)皿累積蒸發(fā)量,20 mm;Kcp為蒸發(fā)皿系數(shù).

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤礦質(zhì)態(tài)氮

1.3.2 番茄各部位生物量、全氮質(zhì)量比以及產(chǎn)量

于番茄成熟期采集其地上部(莖、葉、果)和地下部(根系)植株樣品,烘干稱質(zhì)量,采用濃硫酸消煮,用奈氏比色法測(cè)定全氮質(zhì)量比.在果實(shí)成熟期,每個(gè)處理稱量標(biāo)記長(zhǎng)勢(shì)良好的9株番茄(每個(gè)小區(qū)取3株求和,1個(gè)處理3次重復(fù))測(cè)定產(chǎn)量,求得整個(gè)處理的番茄產(chǎn)量.

1.4 指標(biāo)計(jì)算方法

番茄氮素吸收量(nitrogen uptake of tomato,Nu, kg/hm2)計(jì)算式為

Nu=TnDm/1 000,

(2)

式中:Tn為番茄各器官全氮質(zhì)量比,g/kg;Dm為番茄干物質(zhì)量,kg/hm2.

氮素利用效率(nitrogen use efficiency,NUE,kg/kg)計(jì)算式為

NUE=Y/Nu,

(3)

式中:Y為番茄產(chǎn)量,kg/hm2.

灌溉水分利用效率(irrigation water use efficiency,IWUE,kg/m3)計(jì)算式為

IWUE=Y/I,

(4)

式中:I為實(shí)際灌水量,m3/hm2.

氮肥偏生產(chǎn)力(partial productivity of nitrogen fertilizer,PFPN,kg/kg)計(jì)算式為

PFPN=Yn/N,

(5)

式中:Yn為不同施氮處理番茄產(chǎn)量,kg/hm2;N為施氮量,kg/hm2.

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用 Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,SPSS 22.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行多因素方差分析,多重比較采用Duncan法,Origin 2017軟件作圖.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 番茄不同生育期土壤礦質(zhì)態(tài)氮分布

圖1 番茄主要生育期不同處理0～60 cm土壤剖面礦質(zhì)態(tài)氮質(zhì)量比分布

2.2 水、氮、氣對(duì)土壤礦質(zhì)態(tài)氮質(zhì)量比的影響

表2 不同處理間各土層硝態(tài)氮質(zhì)量比差異分析

表3 不同處理間各土層銨態(tài)氮質(zhì)量比差異分析

2.3 水、氮、氣對(duì)番茄不同器官全氮質(zhì)量比影響

表4為水、氮、氣三因素對(duì)番茄各器官全氮質(zhì)量比Tn的影響.加氧量和灌水量對(duì)番茄各器官全氮質(zhì)量比的影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05).施氮量對(duì)番茄果實(shí)和根系全氮質(zhì)量比的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),處理N3相較于N2和N1,番茄果實(shí)全氮分別提升了27.33%和33.33%;中氮水平下根系全氮質(zhì)量比最高,為29.67 g/kg.

表4 番茄各部位全氮質(zhì)量比差異分析

2.4 水、氮、氣對(duì)番茄水氮吸收利用、氮肥偏生產(chǎn)力、產(chǎn)量影響以及相關(guān)性分析

表5為水、氮、氣三因素對(duì)番茄的氮素利用效率(NUE)、灌溉水利用效率(IWUE)、氮素吸收量(Nu)、氮肥偏生產(chǎn)力(PFPN)和產(chǎn)量(Y)的差異分析.加氧量對(duì)IWUE和PFPN的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),處理A3相較于A2和A1,IWUE分別提升了8.43%和17.81%;處理A3相較于A2和A1,PFPN分別提升了20.18%和27.45%.施氮量的變化對(duì)于PFPN的影響有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01),處理N3和N2相較于N1,分別降低了85.62%和35.25%.灌水量對(duì)于IWUE和PFPN的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01),處理W3和W2相較于W1,IWUE分別降低了50.62%和27.41%;處理W3相較于W2和W1,PFPN分別提升了20.22%和37.48%.

水、氮、氣3個(gè)因素對(duì)于產(chǎn)量的影響排序由大到小表現(xiàn)為灌水量,加氧量,施氮量.加氧和不加氧處理之間產(chǎn)量差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),處理A3相較于A2和A1,番茄產(chǎn)量分別提高了11.20%和18.41%.處理N2下,番茄產(chǎn)量高于N1和N3的,但是番茄產(chǎn)量在不同施氮處理之間的差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05).灌水量的變化對(duì)番茄產(chǎn)量的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01),處理W3相較于W2和W1,產(chǎn)量分別顯著提升了15.44%和32.88%(P<0.05).因此獲得最大番茄產(chǎn)量的理想處理組合為A3N2W3,但是考慮到不同施氮處理之間差距不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),將A3N1W3作為最佳處理組合,既能保證產(chǎn)量又能降低氮素投入,提高PFPN.

表6為番茄產(chǎn)量與氮素利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮素吸收量、灌溉水利用效率、番茄全氮含量相關(guān)分析,UN和RN分別為番茄地上部和根系全氮質(zhì)量比.由表可知,Y與NUE和UN呈顯著正相關(guān)(P<0.05),NUE與PFPN呈顯著正相關(guān)(P<0.05),Y與IWUE和Nu相關(guān)性不顯著(P>0.05).UN與Nu呈顯著正相關(guān)(P<0.05),說(shuō)明番茄產(chǎn)量與氮素利用效率、地上部全氮質(zhì)量比高度相關(guān).

表5 番茄水氮吸收利用、氮肥偏生產(chǎn)力和產(chǎn)量差異分析

表6 番茄產(chǎn)量與氮素利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮素吸收量、灌溉水利用效率、番茄全氮含量相關(guān)分析

3 討 論

土壤通氣條件較好的情況下有利于維持氮代謝關(guān)鍵酶活性,有利于氮素的吸收與利用[11].加氣灌溉將水氣兩相流輸送至作物根區(qū),改善了根區(qū)的通氣狀況,提高了作物對(duì)土壤水分、氮素的利用效率[12-13].同時(shí)良好的根區(qū)氧氣環(huán)境可以促進(jìn)根系對(duì)水分的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn),影響作物的蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度[14].文中試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)處理A3的IWUE,NUE和PFPN高于處理A2和A1的.文中研究還表明,隨著施氮量增加,NUE和PFPN有降低的趨勢(shì).楊治平等[15]也發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)的過(guò)量施氮并不利于作物的養(yǎng)分吸收,種植過(guò)程中有91.65%的氮肥通過(guò)各種途徑損失,當(dāng)施氮量過(guò)多時(shí),額外的氮素一部分在土壤中累積,另一部分通過(guò)氨揮發(fā)從土壤中流失,這都導(dǎo)致了作物NUE和PFPN降低.

施氮量的提升顯著提高了番茄果實(shí)的全氮質(zhì)量比,但是番茄根系全氮質(zhì)量比隨著施氮量提升表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì).有研究表明過(guò)高的施氮量不利于植物根系進(jìn)一步生長(zhǎng)[16],這可能降低了根系從土壤中獲取的養(yǎng)分.文中研究發(fā)現(xiàn)加氧量的提高促進(jìn)了產(chǎn)量的提升,這是因?yàn)榧友跆幚砀纳屏烁鶇^(qū)的缺氧環(huán)境,提升了番茄的凈光合速率、促進(jìn)了根系自養(yǎng)呼吸作用的進(jìn)行[17],可增強(qiáng)根系對(duì)水肥的吸收,有利于番茄干物質(zhì)積累和產(chǎn)量增加.

在文中試驗(yàn)條件下,在選擇合適的處理組合時(shí)將提高產(chǎn)量作為首要目標(biāo),其次考慮土壤氮素累積和水氮利用效率.處理N1能提升PFPN、降低氮素投入和累積,同時(shí)該施氮處理的番茄產(chǎn)量與其他施氮量處理之間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05).雖然灌水量的提高降低了IWUE,但是處理W3的番茄產(chǎn)量顯著高于其他灌水處理(P<0.05)并有利于提高PFPN.處理A3顯著提高了番茄產(chǎn)量、IWUE和PFPN.綜合考慮番茄產(chǎn)量、土壤氮素累積、水氮利用效率,建議將處理組合A3N1W3作為黏質(zhì)壤土條件下溫室番茄種植時(shí)的水肥氣綜合方案.

4 結(jié) 論

2) 加氧量的增加提高了灌溉水利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力,施氮量的增加降低了氮肥偏生產(chǎn)力,灌水量的增加降低了灌溉水利用效率但增加了氮肥偏生產(chǎn)力,加氧量和灌水量的增加有利于番茄產(chǎn)量的提高.

3) 為了降低氮素累積、提高番茄的水氮利用率和產(chǎn)量,推薦增氧量為20 mg/L、施氮量為150 kg/hm2、灌水量取作物蒸發(fā)皿系數(shù)1.00為黏質(zhì)壤土條件下種植番茄時(shí)的水肥氣綜合方案.