水肥减量对土壤硝态氮和番茄产量品质的影响

王丽娟 ，孙嘉星 ，韩卫华 , ，高丽丽 , ，毛丽丽 , ，李昊儒 , ，龚道枝, *

（1.中国农业科学院 农业环境与可持续发展研究所，北京 100081； 2.农业农村部旱作节水农业重点实验室，北京 100081）

0 引 言

【本研究的重要意义】由于经济和技术水平所限，在温室种植实际生产中，农民为了追求更高的经济效益，投入的水肥用量往往超过番茄自身对水肥的需求。在水肥一体化条件下，当土壤含水率较高时，硝态氮将随水向下淋失，施入农田中的氮肥大约30%～50%通过淋溶进入地下水，导致地下水硝态氮量增加[1]，造成地下水硝酸盐污染。而当土壤含水率较低时，硝态氮易在土壤中积累，积累的硝态氮如果无法及时被作物吸收，将降低肥料利用率并造成土壤酸化和盐渍化问[2]。因此，通过控制水肥合理投入量以达到土壤中的硝态氮被作物有效利用，减少硝态氮淋失造成地下水硝酸盐污染和硝态氮积累问题，对农业可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】一些学者们对水肥一体化条件下水肥减量对番茄的产量、品质和水肥利用效率进行了大量的研究[2]，此类研究主要集中于水肥减量对番茄产量等经济效益的影响，未考虑水肥减量对温室土壤环境的影响。也有一些学者做了日光温室内不同水肥投入对土壤硝态氮积累量和番茄产量品质影响的相关研究[3]。【本研究切入点】本试验结合当地农民的习惯水肥用量，探究水肥一体化下不同梯度的水肥减量投入对土壤含水率、土壤硝态氮积累量、番茄产量品质、水肥利用效率的影响，弥补了前人研究中缺乏结合当地农民惯用水肥投入量，大多停留在科研阶段的不足。【拟解决的关键问题】通过试验，提出当地水肥管理条件下土壤硝态氮残留量最小，且对番茄减产影响最小的适宜水肥投入减量比例，本研究结果可为当地兼顾减少水肥资源浪费、环境污染和番茄果实产量品质的水肥投入量提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2018 年8 月—2019 年2 月在张家口市宣化区晟佳农业科技有限公司日光温室内进行。试验地位于北纬40°60′，东经114°95′，海拔623 m，属温带大陆性气候，年平均气温7.6 ℃，年降水量400～600 mm，年均蒸发量为 950 mm。供试番茄品种为“16-6”，种植期间地面全覆盖聚乙烯薄膜，滴灌系统主要由井水水源、水泵、旋翼式水表、液压比例施肥泵（比例施肥泵安装于整个温室管道首部）和输配水管道系统组成，滴头间距为30 cm，内径为8 mm，滴头流量为2 L/h，滴灌工作压力为0.1 MPa，试验温室的长度、跨度和高度分别62、10 m 和4.5 m，温室为东西走向，番茄种植列为南北向。温室深层（50 cm以下）土壤为砂土，本季种植前表层（0～50 cm）土壤为黏土，其基本理化性质见表1。

表1 供试温室基础土壤理化性质 Table1 Physical and chemical properties of basic soil in greenhouse

1.2 试验设计

番茄定植时所有处理施用的基肥量和灌水量一样，基肥包含约27×103kg/hm2鸡粪 、7.5×103kg/hm2牛粪，折合氮量约67.27 kg/hm2，依据周博等[4]在陕西杨凌日光温室的研究结果，氮素当量有效量（当季有机肥氮素携出量与化学氮肥氮素携出量的比值）取值39.63%，即相当于基肥施入化肥氮素26.65 kg/hm2。追肥氮肥为水溶性尿素，含氮量为11.6%。试验设4个处理，其中常规处理（CK）水肥用量为当地农户平均习惯用量，3个水肥投入减量处理为H（80%CK）、M（60% CK）、L（50%CK），（每次灌水量和施肥量的减少梯度是一样的）每个处理设置3 个小区重复，每个小区栽植6 行，约120 株，宽窄行栽培，行距分别为80 cm 和70 cm，株距50 cm，1 行1 管布置，每个小区面积45 m2，试验采用完全随机区组排列，共12 个小区。每个小区的首部单独安装了水表和阀门控制灌水量，最后CK、H、M、L 处理整个生育期的总灌水量为2 171.59、1 737.261、1 302.95、1 085.76 m³/hm2。施肥时，按照农户习惯施肥量CK，在施肥前1～2 d 按照水肥减量梯度将肥料分别溶于4 个桶中，4 个处理分别进行施肥，施肥时控制肥水比率为4%，随水施肥的水量计入总的灌水量。整个生育期施肥3 次，最后总计整个生育期施肥量，CK 施入化肥氮素133.33 kg/hm2，其余3 个水肥减量处理施入化肥氮素，各处理追肥施入的化肥氮素占总施入氮素（即基肥量+追肥量）的83%、80%、75%、71%，因此，可认为水肥投入减量处理以追肥量为主。总计追入化肥质量为CK：1 149 kg/hm2、H：920 kg/hm2、M：691 kg/hm2、L：575 kg/hm2。水肥减量处理从开花坐果期（9 月15 日）开始，农民视番茄生长和土壤含水率情况确定灌水施肥量和时间，具体灌水施肥量和时间见图1。

图1 灌水施肥过程 Fig.1 Process of fertilization amount in whole growth period

1.3 测定项目及方法

土壤含水率[5]：在生育期间，每隔15 d 左右采用土钻取土烘干法测定每个试验小区的土壤质量含水率，选取各个试验小区南北列中间部位土壤作为取样点，在番茄根区且在垂直滴灌管以下0～20 cm 和20～50 cm2层土壤层分别取土样。

土壤硝态氮量[6]：施肥前（10 月15 日）和收获后（1 月19 日）及11 月11 日追肥后1、6 和22 d 后在每个小区中部，分别在0～50 cm（每10 cm 一层）土壤层采集土样，每个小区采样2 份，每份约80 g，一份测定土壤含水率，另一份采用0.01 mol/L 氯化钙浸提，采用连续流动分析仪测定硝态氮量。

土壤硝态氮积累量Ri 计算式[7]为：Ri=Ci×D×H×0.1，Ri 为每一土层的硝态氮残留量（kg/hm2）；Ci 为该层土壤层土壤硝态氮量（mg/kg）；D 为该层的土壤体积质量（g/cm³）；H 为土壤层深度（cm）；各土壤层硝态氮积累量相加即0～50 cm 土壤层硝态氮积累量。

产量[8]：番茄果实从2018年12月2 日开始采摘，至2019 年1 月19 日完全收获，每7 天左右采摘1 次，共计采摘8 次，每次收获时将各试验小区的番茄果实分别称质量，最后累计每个试验小区的番茄产量。

番茄品质[8]：在番茄盛果期，选取每个试验小区第一层果成熟度一致的番茄5 个，作为测定番茄品质的果实样品。其中，可溶性固形物采用RHBO-90 型号手持折射仪测定，可溶性总糖测定采用硫酸-蒽铜比色法，有机酸采用高效液相色谱仪（HPLC-MS）测定，取其平均值作为该试验小区的最终品质指标值。

灌溉水利用效率的计算[8]：

式中：IWUE 为灌溉水利用效率（kg/m3）；Y 为产量（kg/hm2）；I 为灌溉量（m³/hm2）。

肥料偏生产力的计算式为[8]：

式中：F 为追肥的肥料总质量（kg/hm2）。

1.4 数据分析

试验数据采用Excel2016 软件和SigmaPlot14.0进行数据、图表处理，采用R 语言进行单因素方差分析，方差分析差异显著采用最小显著差异（LSD）做多重比较。

2 结果与分析

2.1 水肥减量对土壤含水率的影响

图2 为番茄生育期间的土壤体积含水率（土壤体积含水率为土壤质量含水率与相应土层体积质量的乘积）变化过程。由图2 可见，0～20 cm 和20～50 cm 的土壤含水率变化随着水肥减量而减小，土壤含水率为CK>H 处理>M 处理>L 处理，与水肥减量处理一致；生育期间土壤含水率在55%～100%田间持水率之间，依据指导意见[9]水分管理指标为农作物灌溉上限控制在田间持水率的85%～95%，下限控制在55%～65%，表明本试验中水肥减量后的土壤含水率供应充足。且0～20 cm 土层土壤含水率变化量明显大于20～50 cm 土层，表明0～20 cm 土层是土壤含水率主要活动层。同时由于番茄是浅根系作物（0～40 cm），深层（50 cm 以下）的土壤含水率并不能被作物根系吸收利用，加之当地温室土壤的浅层（0～50 cm）土壤为客土（黏土），50 cm 以下为沙土，保水性较差，过量的灌水会加重硝态氮随水向深层土壤淋失的风险。

图2 生育期土壤含水率变化 Fig.2 Soil moisture content in whole reproductive period

2.2 水肥减量对土壤硝态氮量的影响

图3 为生育期前后各处理0～50 cm 土壤硝态氮积累量，未施肥前各处理硝态氮积累量在同一土壤层几乎无差异，且浅层硝态氮积累量大，而在生育末期各处理硝态氮积累量在同一土层差异显著，生育末期硝态氮积累量随着深度呈减小趋势。各处理生育后期0～30 cm 土壤硝态氮积累量较生育前期有大幅增加（CK、H、M、L 处理生育末期的硝态氮积累量分别为生育前期的2.27、1.66、1.5、1.39 倍），表明水肥减量后的土壤中能直接被作物吸收的氮肥（硝态氮）较为充足。

图3 生育期前后土壤各层硝态氮积累量 Fig.3 Dynamic of nitrate nitrogen in soil under Irrigation and fertilization reduction

40～50 cm 土壤层硝态氮积累量在生育前期大于生育后期（CK、H、M、L 处理生育前期的硝态氮积累量分别为后期的1.68、2.07、2.19、2.41 倍），在当地水肥管理及土壤质地（沙土），40～50 cm 土壤硝态氮积累量生育前期较大，可能是由于在未施肥前茬所施肥料积累所致。在生育后期H、M、L 处理的0～50 cm 各处理硝态氮积累量分别是CK（309.54 kg/hm2）的76%、68%、62%；表明水肥减量可减小0～50 cm 土壤硝态氮积累量。

2.3 水肥减量对番茄产量、品质和水肥利用效率的影响

表2 为不同水肥减量处理番茄品质。番茄的品质可分为商品品质、风味品质、营养品质等，营养成分是蔬菜品质问题的核心，其中可溶性总糖、可溶性固形物和有机酸量是评价番茄果实营养品质的重要指标[10]。由表2 可见， H、M 和L 处理可溶性总糖含量、可溶性固形物和有机酸量较CK 有所增加，且有机酸量、可溶性固形物和可溶性总糖在CK 和L 处理之间差异显著（p<0.05）；糖酸比是果实中糖量与酸量的比值，良好的风味品质必须在较高的含糖量基础上有合适的糖酸比，合适的糖酸比为6.9～10.8，但也有研究认为糖酸比应为4～6[11]，本试验中，糖酸比随着水肥减量呈先增大后减小的趋势，但水肥减量后的糖酸比均在上述合适的糖酸比范围内，各个水肥减量处理糖酸比高于CK，糖酸比在CK 和L 处理之间差异显著（p<0.05）；本研究结果与罗勤等[12]的研究结果一致，说明适量的水肥减量处理在节约水肥投入的同时，可以小幅改善番茄品质和提高番茄的营养品质和风味品质。表3 为各处理整个生育期水肥投入与产量和水肥利用效率，H、M 和L 处理的番茄产量分别为CK 的86%、72%、67%，灌溉水利用效率和肥料偏生产力在CK、H 和M 处理与CK、H 和L 处理之间差异显著（p<0.05）。

表2 水肥减量下番茄品质 Table 2 Tomato quality of different treatments

由表3 可见，随着水肥投入的减量，灌溉水利用效率和肥料偏生产力有所增加，且H 处理的灌溉水利用效率和肥料偏生产力显著高于CK。综上所述，水肥投入同时减量20%时，番茄果实减产最小，水肥利用效率显著增加。

表3 水肥减量条件下的番茄产量与水肥利用效率 Table 3 Tomato yield and irrigation and fertilization utilization efficiency under reduction irrigation and fertilization condition

3 讨 论

3.1 水肥减量对土壤含水率、土壤硝态氮的影响

试验表明，水肥减量处理后，生育期间土壤含水率在55%～100%田间持水率之间，而罗勤等[12]的试验水肥减量后土壤相对含水率在75%以上，远大于本试验水肥减量后的土壤含水率，这可能是由于试验设计梯度不同引起的。有关研究[13]明与农户常规施肥处理相比，减量施肥明显降低了硝态氮在土壤剖面中的过量累积，与本试验（水肥减量处理之后的土壤剖面硝态氮积累表现为CK>H 处理>M 处理>L 处理）水肥减量后土壤硝态氮的变化规律一致。另外，下层土壤硝态氮量较定植前增大，在11 月施肥后有所减小可能是由于温室夏季（定植前）前茬大量施用有机肥会引起和促进硝态氮向下层迁移，而冬季（11 月）却相反，有机肥能够降低土壤硝酸盐的量，减少硝态氮在土壤中的累积[14]。硝态氮累积生育期结束又有回升，是由于追肥结束后表层土层硝态氮量增加，加之灌水和深层为沙土，导致硝态氮在生长后期逐渐淋洗到更深土层。

3.2 水肥减量对番茄产量、品质的影响

本试验中水肥减量后，番茄减产较大，而周博等[13]的研究减量施肥处理的樱桃番茄产量均比CK 增加，其原因是本试验处理菜农习惯施肥量较低，减量20%、40%和50%后施肥量较低，周博等[13]的试验设计施肥量均高于本试验设计量。因此在减量施肥时，减量幅度还要兼顾菜农习惯施肥量，否则可能引起番茄大幅度减产。本试验所得结果中，番茄果实品质随着水肥减量呈现先增大后减小的变化规律，而邢英英等[8]的研究结果不同，这可能是由于试验地点、番茄品种及施肥种类等不同原因引起的。

3.3 水肥减量对水肥利用效率的影响

王峰等[14]在甘肃研究番茄全生育期灌水量减量20%后，灌溉水利用率提高了13%。张学科[14]研究表明，灌水量减量20%，施肥量减量25%时，肥料偏生产力与CK 相比显著减小。本试验表明，水肥减量可显著提高肥料偏生产力与灌溉水分利用效率，与已有相关研究结果一致。

4 结 论

1）水肥减量后土壤含水率仍然较高（下限为55%田间持水率），加速硝酸盐向土壤深层（40 cm 以下）的淋溶，水肥减量可减小这一问题发生。

2）H 处理番茄产量减产最少（CK 的86%），番茄糖酸比为CK 的1.18 倍。番茄风味品质的糖酸比随着水肥减量呈先增大后减小的趋势。不同水肥减量处理灌溉水肥利用效率，随着水肥减量呈先增大后减小的趋势，且CK 显著增加。综合考虑不同水肥减量处理对土壤含水率状况、土壤硝态氮积累量、番茄产量品质和水肥利用效率的影响，建议在当地水肥施用管理条件下当地农民的水肥投入习惯，水肥减量20%左右为宜。