设施土壤有机氮组分及番茄产量对水氮调控的响应

吴汉卿，杜世宇，王丹阳，薛 飞，张玉玲，邹洪涛，张玉龙，虞 娜

（沈阳农业大学土地与环境学院/农业农村部东北耕地保育重点实验室/土肥资源高效利用国家工程实验室，沈阳 110866）

土壤有机态氮约占土壤中全氮90%以上，其形态、结构和有效性对土壤氮素固持、矿化以及供氮潜力具有重要意义[1-2]。水、氮是作物生长的必需因素，在设施条件下，传统粗放的水肥管理加上特殊的设施环境 (室内高温高湿、缺少雨水淋洗)，导致水、氮利用效率低，土壤供氮潜力不足等问题较为突出[3-4]。在特定的水氮调控下，土壤有机氮组分直接或间接影响微生物活性和氮素有效性，进而影响土壤供氮潜力和作物产量。为此，明确休耕期设施土壤有机氮组分和番茄产量对水氮调控的响应特征，对于准确评价设施土壤的供氮能力具有重要意义。

目前，国内外学者关于不同土壤类型和不同施肥条件下土壤有机氮组分含量、分布特征及其影响因素的研究已有较多报道，但多数集中在农田、森林和草地生态系统，且由于土壤、气候类型及肥料管理模式等差异，研究结果存在较大差异[5-6]。单施化肥仅增加酸解铵态氮，施加有机肥显著提高土壤有机氮含量，化肥有机肥配施会增加酸解氨基糖氮和酸解氨基酸氮，降低酸解铵态氮，有利于提高土壤氮素供应能力，且酸解氨基酸氮、酸解未知态氮和酸解铵态氮是土壤活性氮的主要贡献因子[5,7-8]。不同灌溉方式对酸解氨基酸氮、酸解氨基糖氮和酸解铵态氮占全氮的比例影响显著，滴灌和渗灌均高于沟灌[9]。氮添加能够降低土壤酸解氨基酸氮含量，增加酸解氨基糖氮含量；增加降雨量能够降低酸解铵态氮含量，增加酸解氨基糖氮含量；同时增加氮沉降量和降雨量会提高氮素利用率和土壤供氮潜力[10]。水氮调控显著影响作物产量、吸氮量和氮素利用率[11]。

综上，施肥和水分是影响农田、森林和草地土壤氮素有效性的关键因子，亦会影响有机氮组分的含量及分布特征，而二者是否对设施土壤氮素有效性存在耦合效应，尚缺少深入系统的研究。基于连续五年设施番茄的田间试验，研究水氮调控下设施土壤有机氮组分和番茄产量的变化行为及相互关系，阐明不同水氮调控的土壤供氮潜力，为评价设施土壤肥力水平和制定科学合理的水氮调控措施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验始于2012年，在沈阳农业大学科研基地新建日光温室内开展，因初期土壤板结且肥力低，在使用试验地第一、二年的春季整地时均匀施牛粪(22.5 t/hm2，鲜重)，同时考虑定位试验化肥施入的负面影响及实际生产现状，每年整地前施用膨化鸡粪(26.4 t/hm2，鲜重)。每年4～8月采用相同的试验方案开始番茄定位试验，其余时间土地休闲 (棚膜覆盖状态)，以减少连茬对番茄生长的影响。2012年定植前，各小区间用埋深60 cm的塑料布做防渗透隔离处理，防止小区间水分、养分的运移。埋设过程中表土和底土分层放置、分层回填。供试土壤类型为棕壤，始建前为荒地，0—30 cm土壤理化性质为：土壤有机质10.9 g/kg、容重1.56 g/cm3、pH值7.0、全氮1.4 g/kg、碱解氮59.5 mg/kg、速效磷26.3 mg/kg、速效钾88.8 mg/kg。

试验采用2因素 (施氮量和灌水下限) 3水平随机区组设计，共设9个处理，分别为W1N1、W1N2、W1N3、W2N1、W2N2、W2N3、W3N1、W3N2、W3N3。其中N1、N2、N3对应的施氮量分别为75、300、525 kg/hm2(依据作物基本需氮量、当地习惯施氮量及其间隔梯度)，W1、W2、W3对应的灌水下限分别为25、35和45 kPa (依据蔬菜适宜的土壤水分能量指标，灌水始点土壤水吸力)，灌水上限为土壤水吸力6 kPa (土壤田间持水量对应的土壤水吸力)[12]。整个番茄生长季根据张力计读数指示灌溉，灌水总量和单次灌水量如表1所示。每个处理4次重复，小区面积2.5 m2，每小区番茄16株。

试验所用有机肥为膨化鸡粪，有机质平均含量261.2 g/kg。化肥分别为尿素、过磷酸钙 (P2O5220 kg/hm2) 和硫酸钾 (K2O 300 kg/hm2)。各处理有机肥、磷肥和钾肥用量一致，有机肥、全部磷肥、1/3氮肥和1/3钾肥作为底肥施入，其余氮钾肥分别于第一和第二穗果膨大期随滴灌均分追施。灌溉采用膜下滴灌，各小区分层埋设张力计指示土壤水分变化、确定灌水时间和单次灌水量。番茄定植时浇灌定植水，再浇一次缓苗水后，进行水分处理。记录定植和缓苗水的用量，灌水上限 (土壤水吸力6 kPa) 为土壤田间持水量 (0.349 cm3/cm3)，灌水下限土壤含水量由设计土壤水吸力值算出，即当20 cm土层张力计读数 (早8：00) 达到灌溉下限土壤吸力值时，依据该观测值，使用试验地0—30 cm土壤水分特征曲线

表 1 番茄生长期不同处理单次灌水和总灌水量Table 1 Single and total irrigation amount during tomato growth period in different treatments

计算体积含水量：

式 (1) 中，h为土壤水吸力 (kPa)，θ为土壤体积含水量 (m3/m3)。

再依据下式计算各小区单次灌水量：

式 (2) 中，Q为单次灌水水量 (m3/小区)，Qf和Ql分别为灌水上限和灌水下限下的土壤含水量 (m3/m3)；H为计划湿润层厚度 (m)，取H= 0.3 m；R为土壤湿润比，取R= 0.5；S为小区面积 (m2)。记录2016年整个生长季张力计的读数、灌水量和番茄产量。

1.2 样品采集与测定方法

在试验第五年的休耕期 (2016年9月1日)，利用五点混合法采集0—10、10—20和20—30 cm土层样品。土样经自然风干后，过100目筛(0.15 mm)，分别测定有机氮组分、全氮和有机碳含量。

土壤有机氮组分采用Bremner法[13]测定。其中酸解总氮用凯氏法测定；酸解铵态氮用加MgO—凯氏蒸馏法测定；酸解铵态氮+酸解氨基糖氮用pH为11.2的磷酸盐-硼砂缓冲液蒸馏法测定；酸解氨基酸氮用茚三酮氧化后磷酸盐-硼酸盐缓冲液蒸馏法测定。非酸解氮、酸解氨基糖氮以及酸解未知态氮均由差减法求得。土壤全氮和有机碳均使用元素分析仪 (Elementar VARIO EL Ⅲ) 测得。

1.3 统计分析

采用SPSS 21.0和DPS 7.05等软件进行数据统计分析，采用随机区组设计进行双因素方差分析，Duncan法进行多重比较，Origin 9.3进行绘图。

2 结果与分析

2.1 设施土壤氮对水氮调控的响应

从表2可以看出，土壤有机碳、全氮和酸解总氮含量均随土层深度增加而降低，不同土层间差异显著 (P＜ 0.05)。方差分析结果表明，0—30 cm各土层灌水下限和施氮量单一效应及水氮交互效应对土壤全氮和酸解总氮的影响均达到极显著水平 (P＜0.01)，而对土壤有机碳的影响并不明显 (P＞ 0.05)。水分单一效应对不同土层全氮含量影响各异，而氮肥单一效应统计表明0—10 cm的N1显著低于其余二个水平，而在10—20 cm和20—30 cm均表现为随氮肥用量增加，全氮含量显著降低的趋势。灌水下限、施氮量和水氮交互对不同土层土壤碳氮比的规律不一。总体上，酸解总氮含量远大于非酸解氮含量。方差分析表明，除20—30 cm土层灌水下限对非酸解氮影响不显著外，灌水下限、施氮量及水氮交互效应对各土层土壤非酸解氮均有极显著影响(P＜ 0.01)。灌水下限单一因素下，0—30 cm土层酸解总氮含量均表现为 W2＞ W3＞ W1(P＜ 0.01)；施氮量单一因素下，0—30 cm土层酸解总氮含量均表现为N2施氮水平下最低。0—10 cm土层酸解总氮在不同灌水下限下表现为N3水平最高的特点。0—30 cm土层酸解总氮均表现为N2水平下，W2最高；N3水平下，W3最高的变化特征。

2.2 设施土壤酸解氮各组分含量及其在酸解总氮中的分配比例对水氮调控的响应

不同水、氮处理设施大棚土壤酸解氮各组分含量及其在酸解总氮中分配比例大小顺序为酸解氨基酸氮、酸解铵态氮 ＞ 酸解未知态氮 ＞ 酸解氨基糖氮，除酸解氨基糖氮外，总体上随着土层加深而降低。酸解铵态氮和酸解氨基酸氮占土壤有机氮组分的绝大部分，是有机氮的主要存在形式 (图1)。

各层土壤有机氮组分含量双因素方差分析结果(表3)表明，除灌水下限对20—30 cm土层酸解氨基糖氮含量的影响不显著外 (P＞ 0.05)，其余各土层灌水下限、施氮量及水氮交互对各土层酸解铵态氮、酸解氨基糖氮和酸解氨基酸氮含量的影响均达极显著水平(P＜ 0.01)。相同施氮量下，酸解铵态氮随灌水下限的增加总体上呈先增加后降低的趋势，最高值均出现在W2水平下。相同灌水下限下，N3处理酸解铵态氮显著高于N1和N2。相同施氮量下，0—20 cm土层酸解氨基酸氮随灌水下限的增加呈现先增加后降低趋势，酸解氨基酸氮含量最高值也出现在W2，其中W2N1最大。除施氮量对0—10 cm土层土壤酸解未知态氮影响不显著及水氮交互效应对0—10 cm和20—30 cm土层土壤酸解未知态氮含量的影响显著外，其余各土层灌水下限、施氮量及水氮交互效应对酸解未知态氮影响均达极显著水平(P＜0.01)。

2.3 设施番茄产量及构成对水氮调控的响应

如表4所示，灌水下限和施氮量对番茄产量的影响均达极显著水平(P＜ 0.01)，水氮交互效应对其影响达显著水平 (P＜ 0.05)。灌水下限单一效应表明，W1显著高于W2和W3，且W2和W3差异不显著。W1和W3灌水下限下，番茄产量随施氮量的增加均呈现先增后降的变化，W2下则先降后增。施氮量单一效应表明，随施氮量增加其产量降低，N1和N2之间差异不显著，均显著高于N3水平。相同施氮下，在W1下，设施番茄产量随灌水下限增加而减少，W2和W3下则呈现出先减少后增加。水氮交互影响以W1N2处理产量最高，与W2N1和W1N1处理间差异均不显著。设施番茄单果重与产量表现出类似规律。

2.4 设施土壤有机氮组分与全氮、有机碳和番茄产量对水氮调控响应的偏相关分析

偏相关分析中将土壤碳氮比作为控制变量(表5)，结果表明土壤全氮和有机碳与酸解氨基糖氮均不相关；全氮与非酸解氮偏相关达到显著水平 (P＜0.05)，有机碳与之不相关。全氮和有机碳与酸解铵态氮、酸解氨基酸氮、酸解未知态氮和酸解总氮间的偏相关系数均达到极著性水平 (P＜ 0.01)。各有机氮组分中，仅酸解铵态氮含量与番茄产量间的零阶相关系数达到5%显著负相关。此外，土壤全氮和有机碳二者之间的相关性也达到极显著水平 (rzero=0.928**，rpartial= 0.966**)，酸解铵态氮和酸解氨基酸氮之间呈极显著正相关 (rzero= 0.858**，rpartial= 0.865**)。

3 讨论与结论

土壤全氮和有机碳均是反映土壤供氮潜力的重要指标[14]。土壤有机氮组分因其形态、结构和微生物分解难易程度不同，导致有机氮各组分对土壤全氮、有机碳的贡献也不同[15]。本研究表明，设施不同水氮调控下，各土层全氮含量均差异显著，且不同土层全氮和有机碳含量差异显著。土壤全氮和有机碳含量相对稳定，但施肥、灌溉是影响其含量在土壤中消长的主要因素。设施土壤温度高，湿度大，微生物活性增强，土壤有机氮的矿化程度也相应提高，设施条件特殊的水、气、热环境对土壤全氮的影响更为明显。本研究中0—30 cm土层中灌水下限、施氮量和水氮交互对土壤全氮均有极显著影响，这说明适当合理的水氮配合有利于调控土壤全氮含量。研究表明，施肥显著影响土壤全氮和有机碳，且有机无机肥配施可维持土壤供氮能力并提高作物产量[16-17]；水分影响土壤全氮和有机碳含量表现为随灌水量增加呈抛物线变化[18]。本研究中灌水下限、施氮量和水氮交互对土壤有机碳影响均不显著，这可能是由于试验设计本身为不同灌水和施氮处理，而对土壤有机碳含量的影响未达显著差异。本研究表明，控制土壤碳氮比，除土壤全氮、有机碳与酸解氨基糖氮含量、土壤有机碳与非酸解氮含量之间零阶和偏相关均不显著外 (P＞ 0.05)，全氮与非酸解氮间偏相关达显著水平 (P＜ 0.05)，土壤有机碳与全氮、酸解总氮及组分之间偏相关达到极显著正相关 (P＜ 0.01)。有研究表明，不同施肥措施土壤全氮和有机碳之间显著相关[19]；有机碳与全氮、酸解铵态氮极显著相关，全氮与酸解总氮、酸解铵态氮、非酸解氮极显著相关[20]，这与本文研究结果相一致，说明水氮调控下土壤全氮、有机碳与有机氮组分间联系紧密。

表 2 不同水氮调控处理土壤各层次全氮、有机碳、碳氮比、酸解总氮和非酸解氮含量Table 2 Contents of total N, organic C, C/N ratio, acidolysable and non-acidolysable N at various soil depths under different irrigation and nitrogen fertilization treatments

图 1 不同灌溉施肥组合下设施土壤0—30 cm土层酸解氮组分含量Fig. 1 Contents of acidolysable nitrogen fractions in 0-30 cm layer of soil under different irrigation and fertilization treatments

表 3 不同水氮调控下设施土壤有机氮组分含量双因素方差分析Table 3 Two-way ANOVA analysis to contents of soil organic nitrogen fractions under different irrigation and nitrogen fertilization treatments

表 4 不同灌溉施肥组合处理下设施番茄产量及单果重Table 4 Yield and single fruit weight of tomato under different irrigation and fertilization treatments

有研究表明，土壤全氮和有机碳可以增强根际微生物代谢活动，促进根系发育，进而为作物生长提供所需养分，从而达到增产效果[21]。本研究表明，W1和W3水平下，番茄产量随施氮量增加呈抛物线变化，这说明水氮调控对番茄增产可能存在阈值，超过阈值，番茄会减产，这与王鹏勃等[22]的研究结果相一致。本研究番茄最高产量为W1N2处理，但与W2N1、W1N1等处理间差异不显著，从节水节肥角度来看，适当减少灌溉量对产量无显著影响。因此，本试验控制灌水下限35 kPa和施氮量75 kg/hm2可兼顾产量和节水节肥，W2N1处理可作为最优水氮模式。

有机氮是土壤氮素的主要存在形态，各有机氮组分及其分配比例也常因施肥、灌溉、土壤类型等不同而有所差异[23-24]。本研究表明，不同水氮调控下，设施土壤酸解氮各组分含量及其在酸解总氮中的分配比例差异显著，而明确 酸解氮各组分含量及占酸解总氮的比例有利于探明土壤氮素转化对水肥条件的响应特征。这是因为土壤水肥条件影响着土壤有机质矿化和腐殖化过程，进而使酸解氮各组分含量产生差异。而设施农业生态系统其独特的水气热条件及灌溉管理模式也会导致不同形态土壤有机氮组分的重新分配。本研究表明，土壤酸解有机氮含量大于非酸解氮含量，以0—10 cm土层含量最高。各处理土壤酸解氮各组分含量及其占酸解总氮比例的大小顺序为酸解氨基酸氮、酸解铵态氮 ＞ 酸解未知态氮 ＞ 酸解氨基糖氮，这与前人研究结果相一致[25]，说明即使在不同的农业生态系统，土壤有机氮组分的分布特征仍然存在一定的共性。而不同灌溉方法对保护地土壤有机氮组分的研究表明，酸解氮各组分的含量和分配比例大小顺序为酸解未知态氮 ＞ 酸解铵态氮 ＞ 酸解氨基酸氮 ＞ 酸解氨基糖氮[9]。这与本研究结果并不一致，这可能是水氮交互作用在土壤有机氮组分分配中起到重要作用。

酸解铵态氮和酸解氨基酸氮是设施土壤中最主要的有机氮形态，酸解铵态氮和酸解氨基酸氮是土壤易矿化有机态氮的源和库，与土壤的供氮能力密不可分[26]。本研究中，酸解铵态氮和酸解氨基酸氮含量和分配比例最高 (图1)。土壤酸解铵态氮 (0—30 cm土层) 和酸解氨基酸氮 (0—20 cm土层) 均在W2(35 kPa) 灌水水平下达到峰值。这可能是由于灌溉通过调控土壤水分、通气和热量状况影响着土壤微生物活动进而决定有机氮转化过程。本研究通过监测番茄生长季土壤水吸力变化而控制灌水，番茄生长期中灌水较为频繁，且灌水周期的变化均伴随着土壤干湿交替过程的产生，一方面会增加土壤微生物死亡量，使得土壤有效氮的含量增加；另一方面土壤干湿交替过程影响土壤中氧含量，从而直接影响土壤微生物活性，进而影响土壤有机氮转化，且在干旱后复湿润过程中土壤微生物量迅速上升。Bardgett等[27]研究表明，作物生长过程中吸收的氮源主要就是土壤可溶性氮中占优势的酸解氨基酸氮。适中的灌水下限 (35 kPa) 也有利于番茄对氮的吸收，因此，同样的供氮水平下，休耕期设施土壤酸解铵态氮含量与番茄产量间达到显著负相关，这从另一个角度反应出高产水肥处理下，番茄生长季对土壤中酸解氨基酸氮的吸收量大于同等供氮水平下其他水分处理。

表 5 土壤有机氮组分与全氮、有机碳和番茄产量的偏相关分析（r）Table 5 Partial correlation analysis of soil organic nitrogen fractions with soil total nitrogen,organic carbon and tomato yield

本研究结果表明，除20—30 cm土层灌水下限对土壤酸解氨基糖氮影响不显著外，灌水下限、施氮量及水氮交互对各土层土壤有机氮各组分含量及其在酸解总氮中的分配比例均达显著或极显著影响(表3)。Stanford等[28]研究表明，灌水量的增加能显著提高土壤养分的有效性，一定土壤含水量范围内土壤氮素矿化与土壤含水量呈显著正相关。研究表明，土壤环境条件会直接或间接影响土壤微生物数量、活性、群落结构以及功能多样性，进而影响土壤有机氮的转化、运移过程[29-30]。而在不同水氮调控下设施土壤微生物活动还有待进一步研究。Wang等[31]研究表明，合理的水氮管理能有效提升土壤水氮利用率、氮素矿化、作物吸氮量和干物质累积量。综上，在设施生产系统中，水氮调控对土壤有机氮组分含量及其在酸解总氮中分配比例、全氮含量和番茄产量均有较为显著的影响，合理的水氮管理对设施土壤供氮能力和产量的提升具有重要意义。