基于１５Ｎ同位素技术的白菜水氮耦合效应研究

毛心怡 陈竞楠 杨祁 翁郡灵 卢昕宇 金秋

摘要：為研究水分调控对设施栽培下白菜肥料氮素利用的影响，采用15N稳定性同位素示踪技术，设计不同施氮量（115 kg/hm2和230 kg/hm2）及不同土壤水分控制下限（分别占田间持水量60%、70%和80%），分析不同水氮处理下白菜各器官生物量累积、氮素利用及其与影响因子之间的互动响应关系。结果表明，水分调控和氮肥施用存在协作效应，该协作效应在根系生物量上的作用尤为明显;同时，在230 kg/hm2施氮量处理下，水氮协作效应对叶生物量累积影响显著;115 kg/hm2施氮量条件下，白菜氮肥利用效率明显高于相同水分控制条件下230 kg/hm2施氮量处理;115 kg/hm2和230 kg/hm2施氮量均以70%水分控制下限氮肥利用效率最高，分别达到60.1%和49.9%;氮肥利用效率与15N投入量呈极显著负相关（r=-0.988），与根系生物量呈极显著正相关（r=0.948）。实际生产中，推荐以70%土壤水分控制下限作为白菜高效利用氮肥（尿素）的水分控制指标。

关键词：水分;氮素;同位素;生物量;15N

中图分类号：S634;S311         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）24-0076-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.24.018           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Water-nitrogen coupling effects of greenhouse Chinese cabbage

based on 15N tracing technology

MAO Xin-yi1，CHEN Jing-nan2，YANG Qi2，WENG Jun-ling3，LU Xin-yu1，JIN Qiu4

（1.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China;2.College of Horticulture and Forest，Fujian Vocational College of Agriculture，Fuzhou 350000，China;3.College of Horticulture，Fujian Agriculture and Forest University，Fuzhou 350000，China;4.Institute of Water Conservancy Science of Nanjing，Nanjing 210000，China）

Abstract： In order to investigate the effect of water regulation on nitrogen utilization in greenhouse Chinese cabbage， 15N stable isotope tracer technique was used and different nitrogen application rates （115 kg/hm2 and 230 kg/hm2） and different lower water control limits （60%， 70% and 80% of field water holding capacity，respectively） were designed. Biomass accumulation， nitrogen accumulation in different organs of Chinese cabbage under different water and nitrogen treatments were observed. The relationship between nitrogen utilization and its influencing factors was analyzed. The results showed that there was a synergistic effect between water regulation and nitrogen application， especially in root biomass. At the same time， under 230 kg/hm2 nitrogen application rate， the synergistic effect of water and nitrogen on leaf biomass accumulation was significant. Under 115 kg/hm2 nitrogen application， nitrogen use efficiency of Chinese cabbage was significantly higher than the same water control condition with 230 kg/hm2 N application rate treatment; 115 kg/hm2 and 230 kg/hm2 N application rate with 70% water control lower limit were the highest in nitrogen use efficiency， which reached 60.1% and 49.9%， respectively; Nitrogen use efficiency was negatively correlated with 15N input amount（r=-0.988）， and was positively correlated with root biomass（r=0.948）. In practice， the lower limit of 70% is recommended as the water control index for high-efficient use of nitrogen fertilizer（urea） by Chinese cabbage.

Key words： water; nitrogen; isotope; biomass; 15N

设施集约化栽培下高氮肥投入造成了一系列土壤环境问题，包括土壤酸化、盐渍化和微生物区系失衡等[1]。氮肥大量投入不仅造成肥料资源浪费和氮素流失，过量氮盈余易引发作物的亚硝酸盐和氨中毒[1，2]。有效提升作物氮肥利用效率、降低农田氮输出，成为现代设施农业生产亟待解决的关键。

水是肥料氮素在土壤-作物系统中运移转化的载体。大量研究表明，水和氮肥之间存在明显的协作效应，适宜的水分条件可以促进作物对氮素的吸收[3-5]。然而，现阶段作物水肥耦合效应研究中，作物氮肥利用效率主要以植株吸氮总量为计算依据，无法精确判定植株氮中来源于肥料和来源于土壤的具体比例，这对植物水氮耦合效应机理的研究造成了一定限制[6]。鉴于此，本研究利用15N稳定性同位素示踪技术，以设施白菜为试验材料，分析不同水分调控下白菜不同部位生物量累积、氮素利用效率及其与影响因子间的互动响应关系，旨在为科学制定设施栽培节水灌溉制度和施氮策略提供理论和实践依据。

1  材料与方法

1.1  试验地概况

试验于2018年3—5月在福建省漳州市云霄县老区果场科技示范基地（23°57′38″ N，117°20′5″ E）进行。云霄县属南亚热带海洋性季风气候。试验地年平均气温21.3 ℃。最低和最高温分别出现在1月和7月，1月平均气温13.4 ℃，7月平均气温28.2 ℃。年降水量1 730.6 mm，无霜期347 d。3月2日测定供试土壤0～20 cm土层理化性质，盐分质量分数2.45 g/kg，有机质2.2%，总氮0.97 g/kg，速效磷15.6 mg/kg，速效钾132.1 mg/kg，容重1.37 g/cm3，田间持水量23.2%。

1.2  试验设计

试验在设施大棚中进行，大棚总长25 m，跨度6 m。植物试材为白菜（潍白69），肥料来源为15N标记尿素（丰度19.6%）。试验设计2种施氮水平（115 kg/hm2和230 kg/hm2）和3种水分调控方案（全生育期土壤水分控制下限分别占田间持水量的60%、70%和80%），共计6个不同处理。实际操作较难精准控制灌水下限到达固定值，因此具体灌溉时允许存在3%的误差范围。每个处理栽培白菜9株，重复3次，白菜栽培行距和株距均为40 cm。磷肥和钾肥用量为90 kg/hm2 P2O5和125 kg/hm2 K2O，来源于过磷酸钙和硫酸钾。施肥采用穴施的方法，总施肥量按照基肥施70%、莲座期追肥施30%，灌溉采用浇灌法。整个生育期除草打药与当地的生产实践保持一致，不额外提供光、CO2等。白菜于3月6日播种，5月9日收获。

1.3  指标采集与测定

1）生物量。将收获后的植株按照根、茎和叶分离，放入烘箱中，105 ℃杀青后，75 ℃烘干至恒重后换算为每公顷生物量（kg/hm2）。

2）土壤和植株15N含量。白菜收获后用土钻每20 cm采集一层土壤样品，采集深度为0～100 cm，土壤样品经过自然风干后进行研磨。土壤和植株样品过2 mm筛后，测定其中15N同位素原子百分超。土壤和植株中15N原子百分超在南京土壤所（Nanjing Institute of Soil Science，CAS）用质谱仪（Finniga-Mat-251，Mass-Spectrometers，Finnigan，Germany）测定[7]。

3）土壤和植株总氮含量。采用常规凯氏定氮法测定[8]。

1.4  数据分析

白菜植株对15N的利用效率15NUE计算方法如下[9]：

Ndff=Cs×■

15NUE=■×100%

式中，Ndff为白菜植株中的15N含量（kg/hm2）;Cs为白菜植株中的总氮含量（kg/hm2）;Es为测定所得白菜植株中的15N原子百分超（%）;Ef为施入氮肥的15N原子百分超（%）;Mf是总15N施氮量（kg/hm2）。

显著性分析采用SPSS 17.0软件，依据Duncans multiple range test判断处理之间的差异显著性[10]。

2  结果与分析

2.1  生物量

不同水氮协作下白菜不同部位的生物量累积见图1。从图1可以看出，115 kg/hm2施氮量处理白菜叶、茎和根的生物量累积均明显低于230 kg/hm2施氮量处理，表明施氮量的提高有利于白菜器官的干物质形成。115 kg/hm2施氮量条件下，叶部生物量累积量最高水分控制下限为80%，达到6 017 kg/hm2，但其与70%土壤水分控制下限的差异并不显著;茎部各水分控制下限没有明显差异;根部以70%土壤水分控制下限的生物量累积最高，达到338 kg/hm2，显著高于其他处理。

230 kg/hm2施氮量条件下，叶部生物量累积量以70%土壤水分下限最高（8 214 kg/hm2），且显著高于其他控制下限，这一规律与115 kg/hm2施氮量不同;茎部生物量累积量各水分控制下限仍然没有明显差异;与115 kg/hm2施氮量条件下的规律类似，230 kg/hm2施氮量条件下根部生物量累积以70%土壤水分控制下限最高，达到442 kg/hm2。

总体来看，不同水分调控对白菜茎部生物量累积没有明显影响，但对白菜根系生物量累积影响显著，不同施氮量均以70%水分控制下限最优。前人研究表明，土壤水分过高或过低均不利于根系的生长发育，保障植物养分吸收的水分条件下，适当降低灌水量（旱促根）有利于根系结构形成[11，12]。此外，在230 kg/hm2施氮量條件下，水氮协作效应还体现在叶部生物量累积。这可能由于高施氮量有利于活化土壤水分[13]，促进作物对水分的吸收及养分向叶部的转移，同时高施氮量下良好的根系条件也为叶部生物量高累积奠定了基础[14]。

2.2  氮肥利用效率

氮肥利用效率有两种计算方法，即差值法和示踪法。差值法反映了因施氮造成的植株中氮素的实际增加情况（施氮会激发土壤氮的矿化，促进植物对土壤氮的吸收），因此被认为更有农学意义。但在区分不同氮肥来源时，氮肥利用效率的计算宜采用示踪法。不同水氮协作条件下白菜氮肥利用效率（示踪）见图2。由图2可以看出，115 kg/hm2施氮量条件下白菜氮肥利用效率明显高于相同水分控制条件下230 kg/hm2施氮量处理。115 kg/hm2施氮量条件下以70%土壤水分控制下限白菜氮肥利用效率最高，达到60.1%，且显著高于其他处理。类似地，230 kg/hm2施氮量条件下也以70%土壤水分控制下限氮肥利用效率最高，为49.9%，但60%与70%之间的氮肥利用效率差异并不显著。总体来看，不同施氮量条件下均以70%水分控制下限最有利于白菜对氮素的利用。

尽管60%与80%土壤水分控制下限的白菜氮肥利用效率没有明显差异，但其机理有所不同，60%土壤水分控制下限可能由于无法充分实现肥料态氮素向速效态转化，导致植物氮吸收量相对偏低;而80%土壤水分控制下限主要由于造成了一部分15N向深层次土壤迁移，造成根区15N的降低，因而在一定程度上降低了氮肥利用效率[15，16]。

2.3  土壤氮素残留

施氮量115 kg/hm2和施氮量230 kg/hm2条件下土壤剖面15N残留量见图3。从图3可以看出，230 kg/hm2施氮量条件下各土层土壤15N残留量均要高于115 kg/hm2施氮量。115 kg/hm2施氮量条件下，0～20 cm浅层土壤以60%土壤水分控制下限15N残留量最高，70%下限处理较低，这可能是由于70%控制下限的白菜15N吸收量高，造成主根区（0～20 cm土壤）15N残留量低;20～40 cm土层和0～20 cm土层规律相似;40～60 cm及60～80 cm土层以80%土壤水分控制下限15N土壤残留量最高，表明较高灌水量促使15N向深层次土壤转移[17]。230 kg/hm2施氮量条件下，0～20 cm浅层土壤仍以60%土壤水分控制下限的15N残留量最高，达到45.4 kg/hm2;但在20 cm以下土层，均以80%土壤水分控制下限的15N残留量更高。

2.4  氮肥利用效率与影响因子的相关分析

氮肥利用效率与根区土壤15N残留量、15N总投入量、灌水量和根系生物量之间的相关分析见表1。从表1可以看出，氮肥利用效率与根区（0～40 cm土壤）残留量呈显著负相关，相关系数（r）为-0.725;与15N总投入量呈极显著负相关，相关系数为-0.988;与根系生物量呈极显著正相关，相关系数为0.948。表明在本试验的设计梯度下，氮肥投入量越高，氮肥利用效率越低，较高的根系生物量可促进白菜高效利用氮肥。

3  小结

研究了水分调控对设施栽培下白菜肥料氮肥利用的影响，得到结论如下：

1）水分调控和氮肥施用存在协作效应，该协作效应在根系生物量上的作用尤为明显。同时，230 kg/hm2施氮量条件下，水氮协作效应对叶生物量累积影响显著。

2）115 kg/hm2施氮量条件下，白菜氮肥利用效率明显高于相同土壤水分控制条件下230 kg/hm2施氮量处理。115 kg/hm2和230 kg/hm2施氮量均以70%土壤水分控制下限的氮肥利用效率最高，分别达到60.1%和49.9%。

3）氮肥利用效率與15N投入量呈极显著负相关（r=-0.988），与根系生物量呈极显著正相关（r=0.948）。

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