减施氮肥对设施黄瓜产量、品质及土壤氮素平衡的影响

郭润泽，杨 扬，王艳群，孙坤雁，彭正萍，姚培清，谢 彬，门明新

（1.河北农业大学 资源与环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验室，河北 保定 071001；2. 青县农业农村局，河北 沧州 062650；3. 张北县农业农村局，河北 张北 076450）

我国设施蔬菜播种面积、产量和产值分别占蔬菜总量的21.5%、30.5%和62.75%，菜农对设施蔬菜的管理经常采用传统种植方式，导致设施种植资源利用率和蔬菜产量不高［1］。据调查，目前设施黄瓜生产中存在施肥过量、养分不平衡、肥料利用率低、果实品质变差等问题，随着种植年限的增长，设施土壤性状逐渐变差［2］。连续高氮投入易造成设施土壤氮素供应偏高，当季施用氮肥的增产效应逐渐消失［3］。连续过量施氮肥，使得土壤孔隙增加，加剧氮素淋失［4］，刺激土壤硝化作用［5］，增加土壤硝态氮含量，降低土壤保氮能力，在增加肥料成本的同时也不利于蔬菜果实品质和产量的提高［6］，降低肥料利用效率［7-8］。2015 年以来农业农村部组织实施化肥使用量零增长行动，“十四五”期间科学施肥仍是农业部门的重点研究工作。

我国设施蔬菜需要合理施用化肥，研发区域适宜性强的设施蔬菜化肥施用技术，保持优良的水土环境，降低水土流失风险，提高化肥利用效率意义重大。目前关于设施蔬菜水肥技术的研究较多，有学者研究了优化施肥下设施菜地土壤容重与孔隙度的变化［9］，有机肥施用下土壤团聚体稳定性的变化［10］、温室土壤硝态氮和盐分的变化［11］。不同氮处理对温室蔬菜品质的影响［12-13］，氮肥抑制剂减排温室气体的规律［14］等。这些研究结果在不同区域的各类设施蔬菜上均会有差异。本研究针对河北省设施黄瓜生产中存在的施氮肥过量、氮肥效率低、氮素损失严重、果实品质变差等问题，在田间原位试验条件下，设置6 个处理：农民习惯施氮肥（N1）、农民习惯施氮肥减氮10%（N2）、农民习惯施氮肥减氮20%（N3）、农民习惯施氮肥减氮30%（N4）、农民习惯施氮肥减氮50%（N5）、不施氮肥（N6），研究不同氮肥减施处理对设施黄瓜产量、品质、土壤氮素转化、氮肥利用的影响，为研究区域设施蔬菜合理施用氮肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验于2020 年5 月15 日在河北省保定市清苑区北店乡林水屯村的立中蒙养农场，北纬38º42'，东经115º25'，属温带大陆性气候，年均气温12 ℃，年均降水500 mm。供试黄瓜为‘硕源先锋517’。供试设施棚龄5 ～6 年。供试土壤为壤质潮土，0 ～100 cm 土壤基础理化性状见表1，该棚室一直种植瓜果类蔬菜。黄瓜生产期间供试肥料为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O512%）、硫酸钾（含 K2O 50%）。

表1 供试土壤基本理化性状Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

1.2 试验设计

采用田间试验法，设6 个处理，分别为：农民习惯施氮肥（N1，900 kg/hm2）、农民习惯施氮肥减氮10%（N2，810 kg/hm2）、农民习惯施氮肥减氮20%（N3，720 kg/hm2）、农民习惯施氮肥减氮30%（N4，630 kg/hm2）、农民习惯施氮肥减氮50%（N5，450 kg/hm2）、不施氮肥（N6，0 kg/hm2），各处理除了氮肥不同外，磷钾肥均一致，P2O5、K2O 施用量分别为450、1 200 kg/hm2，每个处理23 m2，重复3次，采用完全随机区组设计，小区中不同肥料混好施入土壤。各处理的氮肥40%、磷肥全部和钾肥的40%均作为基肥施入，其余60%氮肥和60%钾肥分6 次（每次各10%）施入，结合灌水，其他田间管理措施均一致，除施肥外的其他管理措施均按照当地习惯进行。5 月30 日将适龄穴盘苗定植于设施大棚，8 月31 日收获完成。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤指标 在初瓜期、末瓜期采集土壤样品，每20 cm 1 层， 采 样 深 度 为100 cm。 用2 mol/L的KCl 溶液浸提过滤后采用Smart Chem200 全自动化学分析仪测定土壤样品中NH-N 和NO-N含量［15］。

1.3.2 黄瓜产量和品质 从初瓜期至末瓜期，每小区选取6 株具有代表性的黄瓜植株，做标记，记录黄瓜总数量和收获总重量，按种植面积折合产量。

在盛瓜期，分别在每小区随机挑选出代表性的黄瓜果实3 根，粉碎打汁后，采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量；采用考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白含量；采用2，6-二氯靛酚滴定法测定维生素C 含量；采用便携式硝酸盐反射仪测定硝酸盐含量［16］。

1.3.3 氮肥效率计算［17］氮肥生产效率（kg/kg）=果实产量/纯氮施用量；

氮肥农学效率（kg/kg）=（施氮区果实产量-不施氮区果实产量）/纯氮施用量。

1.3.4 0 ～100 cm 土壤氮素平衡计算方法［18］氮表观损失=（施氮量+初始氮累积+矿化量）-（作物吸氮量+残留氮累积）；

氮盈余量=总输入氮-总输出氮+残留氮累积量；

初始氮累积指未施肥前土壤各土层无机氮累积量之和；残留氮累积指黄瓜拉秧后各土层无机氮累积量之和；矿化量：根据不施氮区作物吸氮量与试验前后净变化估计，矿化量=不施氮区作物吸氮量+不施氮区残留氮累积量-不施氮区初始氮累积量；作物吸氮量测定：取定量植物样烘干后粉碎，用浓H2S04-H2O2消解，采用流动分析仪法测定全氮含量，本试验计算作物吸氮量取黄瓜茎、叶、瓜3 部分之和。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010 进行数据的处理和相关图表绘制，使用SPSS 22.0 软件（Duncan）进行显著性检验，显著水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 氮肥减施对设施黄瓜产量的影响

由表2 结果可知，N1 ～N5 处理的瓜条单瓜重、瓜长、瓜粗及产量分别高于N6 处理5.50%～46.88%、21.72% ～31.86%、33.44% ～50.64%、31.15% ～42.49%。与N1 相比，N2 的单瓜重、瓜长、瓜粗和产量均没有显著变化；N3 的单瓜重、单瓜长和产量分别显著增加20.26%、8.0%、34.62%；减氮30%以上（N4 ～N6）处理的单瓜重、单瓜长、单瓜粗和产量分别降低5.73%～17.83%、0.34%～18.12%、7.15%～32.49%、6.08%～37.55%。说明施氮肥比不施氮肥处理的黄瓜产量明显增加，在农民习惯施氮肥的基础上，随着氮肥减施黄瓜产量呈先升再降的趋势，氮肥用量减少20%以内不会降低黄瓜产量，且瓜条性状更好；但当减氮30%以上时黄瓜产量开始逐渐降低。

表2 氮肥减施对设施黄瓜产量性状的影响Table 2 Effects of nitrogen reduction on yield characters of greenhouse cucumber

2.2 氮肥减施对设施黄瓜品质的影响

氮肥施用量对黄瓜Vc、可溶性蛋白、可溶性糖和硝酸盐等品质指标的影响，如表3 所示，与N1 相比，N3 的瓜条Vc、可溶性蛋白、可溶性糖含量均最高，其中Vc 和可溶性蛋白质含量分别提高8.34%、8.19%，可溶性糖含量显著提高26.21%；N3 ～N5 的瓜条硝酸盐含量降低1.76%～30.68%，其中N5 显著降低30.92 mg/L。与N6 比，N1 ～N4的黄瓜Vc、硝酸盐含量分别提高8.66%～18.08%、13.65%～30.59%；N1 ～N5 的黄瓜可溶性蛋白含量提升32.77%～110.92%；N1、N3、N4 的黄瓜可溶性糖含量增加22.88%～56.78%。可见，合理施用氮肥可以改善黄瓜品质，但过量施用氮肥黄瓜品质变差，尤其是增加黄瓜硝酸盐含量，本试验中在农民习惯施氮肥减氮20%～30%时黄瓜品质更佳。

表3 氮肥减施对设施黄瓜品质的影响Table 3 Effects of nitrogen reduction on greenhouse cucumber quality

2.3 氮肥减施对土壤铵态氮时空分布的影响

初瓜期，同一土层，随着氮肥减施量增加，土壤铵态氮含量逐渐减少，各处理间铵态氮大小顺序为：N1>N2>N3>N4>N5>N6；0 ～100 cm 内 随 着土壤深度增加铵态氮呈先减少后增加再减少的“S”型变化，增加的拐点在40 ～80 cm。与N1 相比，0 ～20 cm、40 ～60 cm 土层，N2 ～N5 的铵态氮分别降低5.38% ～10.75%、0.60% ～16.14%。与N3 相比，20 ～60 cm 土层的N4、N5 铵态氮含量降低5.73% ～10.94%；80 ～100 cm 土层N1、N2的铵态氮提高11.04% ～14.03%。N1 ～N5 各土层的铵态氮均高于N6，与N6 相比在0 ～20 cm 土层N1 ～N5 铵态氮含量高出0.92 ～1.52 mg/kg，80 ～100 cm 高出0.45 ～1.16 mg/kg。

末瓜期，不同处理的土壤铵态氮含量随土层深度增加而逐渐降低，同一土层，随着氮肥减施数量增加土壤铵态氮逐渐减少，有N1>N2>N3>N4>N5>N6，N6处理的铵态氮含量均低于其他处理。各处理铵态氮变幅为1.34 ～4.88 mg/kg；铵态氮含量在0 ～40 cm 较高。与N1 相比，0 ～100 cm 各土层N2 ～N5 处理铵态氮分别减少0.29 ～1.02 mg/kg、0.2 ～1.42 mg/kg、0.45 ～1.29 mg/kg、0.24 ～1.11 mg/kg、0.15 ～1.05 mg/kg。说明除植物吸收外，部分铵态氮随灌溉淋溶到深土层，施氮量过高导致铵态氮在土壤中各层残留增加。

根据图1 可知，末瓜期各处理各土层铵态氮含量均低于对应土层初瓜期铵态氮含量，土壤铵态氮含量随黄瓜生长发育逐渐降低，0 ～100 cm 土层末瓜期各处理铵态氮含量较初瓜期降低幅度为0.28 ～2.17 mg/kg。

图1 氮肥减施对土壤铵态氮时空分布的影响Fig.1 Effect of nitrogen reduction on NH-N of soil

2.4 氮肥减施对土壤硝态氮时空分布的影响

由图2 可知，末瓜期各处理土壤硝态氮含量均小于初瓜期。初瓜期，0 ～100 cm 内随着土壤深度增加硝态氮呈先减少后增加又减少的“S”型，但增加的拐点在60 ～80 cm，各土层硝态氮变幅为20.38 ～47.16 mg/kg。同一土层，随着氮肥减施数量增加，土壤硝态氮含量逐渐减少，呈N1>N2>N3>N4>N5>N6 的趋势。土壤硝态氮主要集中在0 ～20 cm 和20 ～40 cm；与N1 相比，0 ～20 cm、20 ～40 cm、40 ～60 cm、60 ～80 cm、80 ～100 cm 土层N2 ～N5 土壤硝态氮分别减少1.63 ～13.87、0.94 ～ 7.03、3.60 ～ 7.09、1.89 ～ 5.43 、4.05 ～5.72 mg/kg。N3 处 理 中，0 ～20 cm、60 ～80 cm 土层硝态氮含量较N4、N5 分别提高4.52%～24.66%、4.34%～5.49%。说明黄瓜生长初期，土壤硝态氮含量集中在土壤表层，施氮量越高土壤中硝态氮含量积累越多，这与铵态氮表现趋势一致。

图2 氮肥减施对土壤硝态氮时空分布的影响Fig. 2 Effect of nitrogen reduction on NO-N of soil

末瓜期，随着植物吸收和土壤氮素转化，各处理在不同土层硝态氮含量比初瓜期整体降低。同一土层，随着氮肥减施数量增加土壤硝态 氮 逐 渐 减 少， 有N1>N2>N3>N4>N5>N6，N6 处理的各土层硝态氮含量分别均低于其他处理2.30 ～11.18 、3.64 ～11.64、2.47 ～11.56、3.73 ～ 10.46 、3.93 ～11.44 mg/kg，N1 处 理各土层深度的硝态氮含量均大于其他处理。与N1 相 比，0 ～100 cm 各 土 层N2 ～N5 处 理硝 态 氮 分 别 减 少2.83 ～8.88 、3.80 ～8.00、4.93 ～9.09、4.53 ～6. 73、4.55 ～7.51 mg/kg。0 ～60 cm 土层硝态氮含量各减氮处理间（N2 ～N5）相差较大，60 ～100 cm 土层硝态氮含量减氮处理间（N2 ～N4）相差不大。说明黄瓜生长后期，随着植物吸收，部分硝态氮随灌溉淋溶到深土层，施氮量过高导致硝态氮在土壤中各层残留增加。

2.5 氮肥减施对土壤氮素平衡的影响

表4 表明，施氮水平对黄瓜氮素表观损失有重要影响。氮素输入主要来自施入氮肥，化肥氮占总输入量的55.99%～71.79%。氮素输出中土壤残留氮的累积占比最多为78.56%～82.47%。从作物吸收来看，随着施氮量减少植物吸收氮呈先升后降趋势，N2 和N3 处理植物吸收氮素较多，比农民习惯施氮肥的N1 处理提高10.97%、3.01%，N5 处理吸收最少。随着施氮量减少收获后土壤中残留氮累积量逐渐降低，N1 收获后的土壤氮素残留最高，较N2 ～N6 提高66.16 ～196.10 kg/hm2。土壤—黄瓜系统中的氮素表观损失随减氮量增加而减少；N5 表观损失量最小，较N1 降低290.34 kg/hm2，说明造成土壤氮素表观损失的主要原因是施肥量大。收获后土壤中无机氮残留累积量在土壤氮素中有重要地位，氮盈余与无机氮残留量变化趋势相似，表现为随减氮量增大氮盈余量减少，与N1 相比，N2 ～N5氮素盈余量降低101.35 ～427.74 kg/hm2。说明合理减少氮肥施用，有利于减少氮素损失，降低土壤氮盈余量。

表4 氮肥减施对氮素损失的影响Table 4 Effects of nitrogen reduction on nitrogen loss

通过计算，N1、N2、N3、N4、N5 氮肥生产效率分别为71.56、81.21、92.55、96.01、118.31 kg/kg，5 个处理的氮肥农学效率分别为26.87、31.56、36.69、32.17、28.93 kg/kg。与N1 相比，N2 ～N5氮肥生产效率显著提高13.49%～65.33%，N5 的氮肥生产效率最高；N2 ～N5 氮肥农学效率显著增加7.68%～36.54%，N3 的氮肥农学效率最高。

3 讨论与结论

过量施入氮肥不仅造成设施蔬菜减产，而且品质下降［19］。蔬菜果实品质与肥料投入呈正相关，一定阈值后呈负相关［20］。研究表明，优化施肥施氮488 kg/hm2后黄瓜果实的Vc、可溶性蛋白、可溶性糖分别提高39.6%、29.3%、17.7%，硝酸盐降低20.6%［21］。本试验中与农民习惯施氮肥比较，在减氮20%以内时（N2 和N3）黄瓜产量较高增加1 375 ～2 230 kg/hm2，N3 的黄瓜Vc、可溶性蛋白质、可溶性糖分别增加8.34%、8.19%、26.21%，硝酸盐降低1.76%。

过量施氮使土体无机氮残留和氮表观损失均显著增加，加剧土壤氮素累积，增加氮素污染风险［25］。减氮处理可有效降低土壤氮盈余及潜在面源污染风险。据报道，多年设施土壤硝态氮含量大幅度提高，生产中水肥过量氮素淋溶量过高［22］，种植期间总氮流失量随着施肥量减少而降低，施肥量与肥料氮素流失密切相关，减少施氮量是控制菜地氮素流失的重要方式之一［24］。徐捷［23］表明减氮20%～40%时甘蓝的氮素利用率高于常规施肥41.34%～74.39%。寇长林［26］在设施番茄试验得出优化施氮肥500 kg/hm2比农民习惯施肥的土壤硝态氮积累量降低43.35%，表观氮损失降低42.20%。王亚玲［27］在黄瓜试验中表明进行适当减氮处理可提高氮磷钾的农学效率。本研究土壤硝态氮、铵态氮最高值均出现在表层，随施氮量增加土壤各层残留硝态氮和铵态氮均增加，向深层移动的硝态氮和铵态氮也增加，N2 ～N5 处理残留氮累积量虽比不施氮肥处理增加58.71 ～129.94 kg/hm2，但远低于农民习惯施肥处理（N1）残留氮累积量。N1 处理的氮盈余、氮表观损失比N2 ～N5 分别多8.81% ～37.19%、5.31% ～43.77%，随施氮量增加，向下层淋洗量也较多。减氮处理中N2、N3 处理的土壤铵态氮含量较高，这是促进其氮素转化和吸收利用的主要原因，该处理的黄瓜产量也较高，与N1 相比，N2 ～N5 氮肥农学效率显著增加7.68%～36.54%，N3 的氮肥农学效率最高。

综上，在农民习惯施氮肥减氮20%以内时，可以控制设施菜地氮素有效转化、促进吸收和利用，提高黄瓜产量，改善果实品质，减少氮素淋溶和表观损失；同时考虑经济效益，以农民习惯施氮肥减氮20%效果和效益较佳。