地下氧灌对土壤氮素分布及番茄水氮利用效率的影响

2023-09-25张哲杨润亚朱瑾瑾张振华耿亚军孙军娜周义堂徐娜

排灌机械工程学报 2023年9期

张哲,杨润亚,朱瑾瑾,张振华,耿亚军,孙军娜,周义堂,徐娜

(1.鲁东大学资源与环境工程学院,山东烟台 264025;2.鲁东大学生命科学学院,山东烟台 264025;3.西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨陵 712100;4.鲁东大学水利工程学院,山东烟台 264025)

设施番茄在中国种植面积很大,具有很高的经济价值.但是,设施番茄的种植通常采用大水大肥的方式,且存在盲目偏施氮肥的现象,温室大棚施氮量普遍超出作物吸收的3～5倍[1],造成氮肥大量浪费.设置适宜的施氮量以最大限度地提高作物产量并不容易,由于土壤有机质的矿化和土壤硝酸盐的淋溶和反硝化作用,不同种土壤之间、甚至同种土壤内部最佳施氮量都有很大的差异[2].因此,在保证作物产量的同时提高氮肥利用效率、降低氮素残留对未来设施农业的发展非常重要.

适宜的滴灌和优化施氮可以提高作物对水、氮的利用[3-4],但是作物对于水肥的利用到一定程度后难以提高,这可能是因为根区土壤在灌溉后水分饱和度过高,作物缺氧所致[5].研究表明,灌溉水过多时,驱替了土壤中的氧气,降低了土壤通气性,抑制了根系对养分的吸收[6],制约了作物的生产潜能.地下氧灌是在地下滴灌的基础上,将水气混合液输送到作物根区土壤,有效改善作物根区缺氧状况[7].目前,关于地下氧灌条件下,在不同水肥气因素下对作物的水肥吸收利用效率研究较多,但是大都忽视了过量施肥浇水给土壤环境带来的压力.文中设置不同水平加氧量、施氮量和灌水量,从降低氮素残留和提高番茄水氮吸收利用及产量2个角度进行分析,目标是得到环境和产量效益双优的水肥气协同方案.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在山东省寿光市鲁盛农业研发中心日光温室中进行(118°39′43.6″E,36°57′29.36″N),温室长95 m,宽10 m.整个生育期内温室温度为7～43 ℃.供试土壤质地为黏质壤土,土壤类型为潮土,0～60 cm土层平均硝态氮、铵态氮的质量比分别为101.34和24.83 mg/kg,有机碳质量比为8.02 g/kg,pH为8.31.

1.2 试验设计

供试番茄品种为毛粉“欧曼达三号”,温室内穴盘育苗,番茄于4叶1心至5叶1心时移栽,次日浇透底水,所有种植行做覆膜处理,其余田间管理措施相同,五穗果时打顶,全生育期为133 d.生育期划分为苗期(2021-03-18—2021-04-11)、开花结果期(2021-04-12—2021-05-15)、果实膨大期(2021-05-16—2021-06-16)、果实成熟期(2021-06-17—2021-07-28).

试验设置了三因素:① 3个不同加氧水平,即不加氧A1、低氧A2、中氧A3(氧气质量浓度分别为0,10,20 mg/L);② 3个不同施氮水平,即低氮N1、中氮N2、高氮N3(根据当地推荐施肥水平300 kg/hm2,设置为其50%,75%,100%);③ 3个不同灌水水平,即低水量W1、中水量W2、高水量W3(分别取作物蒸发皿系数Kcp为0.50,0.75和1.00时所求得的灌水量:1 920,2 880,384 0 m3/hm2).为消除随机误差,增设一组空白列,采用L9(34)正交试验表,试验设计见表1,表中A,N,W分别为加氧量、施氮量、灌水量.

表1 试验设计

小区面积为8.6 m2(长8.6 m,宽1.0 m),采用双行种植模式,每个小区定植38株番茄.小区内采用地下滴灌的供水方式,每个小区内铺设2条地下滴灌管,滴头间距为20 cm,滴灌管间距为40 cm,埋深为15 cm,滴头额定流量为2.0 L/h,额定工作压力为0.10 MPa.试验氮素的类别为尿素(氮质量分数为46%),按照1∶2∶2∶1的比例在番茄生长的苗期、开花结果期、果实膨大期、成熟期以水肥耦合的方式施入,施用磷酸二氢钾(P2O5,K2O的质量分数分别为52%和34%),所有处理均为210 kg/hm2.

试验中不同加氧处理使用水肥气一体化设备(郑州市达尔克电子科技有限公司)进行加氧,该设备利用变压吸附分离原理制备纯氧,通过外置的储水罐进行循环曝气,可制备高溶解氧微气泡水.灌水量由E601型蒸发皿测定的蒸发量确定,以前1 d 08:00经24 h蒸发后的蒸发量为依据,当累积蒸发量达到20 mm时进行灌水,在番茄成熟期采摘时不再予以浇水(防止裂果).灌水量计算公式为

I=SEpKcp,

(1)

式中:I为每个小区每次的灌水量,m3;S为2个支管控制的小区面积,8.6 m2;Ep为2次灌水间隔内温室内蒸发皿累积蒸发量,20 mm;Kcp为蒸发皿系数.

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤矿质态氮

1.3.2 番茄各部位生物量、全氮质量比以及产量

于番茄成熟期采集其地上部(茎、叶、果)和地下部(根系)植株样品,烘干称质量,采用浓硫酸消煮,用奈氏比色法测定全氮质量比.在果实成熟期,每个处理称量标记长势良好的9株番茄(每个小区取3株求和,1个处理3次重复)测定产量,求得整个处理的番茄产量.

1.4 指标计算方法

番茄氮素吸收量(nitrogen uptake of tomato,Nu, kg/hm2)计算式为

Nu=TnDm/1 000,

(2)

式中:Tn为番茄各器官全氮质量比,g/kg;Dm为番茄干物质量,kg/hm2.

氮素利用效率(nitrogen use efficiency,NUE,kg/kg)计算式为

NUE=Y/Nu,

(3)

式中:Y为番茄产量,kg/hm2.

灌溉水分利用效率(irrigation water use efficiency,IWUE,kg/m3)计算式为

IWUE=Y/I,

(4)

式中:I为实际灌水量,m3/hm2.

氮肥偏生产力(partial productivity of nitrogen fertilizer,PFPN,kg/kg)计算式为

PFPN=Yn/N,

(5)

式中:Yn为不同施氮处理番茄产量,kg/hm2;N为施氮量,kg/hm2.

1.5 数据分析

采用 Microsoft Excel 2010 进行数据整理,SPSS 22.0 统计软件进行多因素方差分析,多重比较采用Duncan法,Origin 2017软件作图.

2 试验结果分析

2.1 番茄不同生育期土壤矿质态氮分布

图1 番茄主要生育期不同处理0～60 cm土壤剖面矿质态氮质量比分布

2.2 水、氮、气对土壤矿质态氮质量比的影响

表2 不同处理间各土层硝态氮质量比差异分析

表3 不同处理间各土层铵态氮质量比差异分析

2.3 水、氮、气对番茄不同器官全氮质量比影响

表4为水、氮、气三因素对番茄各器官全氮质量比Tn的影响.加氧量和灌水量对番茄各器官全氮质量比的影响不具有统计学意义(P>0.05).施氮量对番茄果实和根系全氮质量比的影响具有统计学意义(P<0.05),处理N3相较于N2和N1,番茄果实全氮分别提升了27.33%和33.33%;中氮水平下根系全氮质量比最高,为29.67 g/kg.

表4 番茄各部位全氮质量比差异分析

2.4 水、氮、气对番茄水氮吸收利用、氮肥偏生产力、产量影响以及相关性分析

表5为水、氮、气三因素对番茄的氮素利用效率(NUE)、灌溉水利用效率(IWUE)、氮素吸收量(Nu)、氮肥偏生产力(PFPN)和产量(Y)的差异分析.加氧量对IWUE和PFPN的影响具有统计学意义(P<0.05),处理A3相较于A2和A1,IWUE分别提升了8.43%和17.81%;处理A3相较于A2和A1,PFPN分别提升了20.18%和27.45%.施氮量的变化对于PFPN的影响有统计学意义(P<0.01),处理N3和N2相较于N1,分别降低了85.62%和35.25%.灌水量对于IWUE和PFPN的影响具有统计学意义(P<0.01),处理W3和W2相较于W1,IWUE分别降低了50.62%和27.41%;处理W3相较于W2和W1,PFPN分别提升了20.22%和37.48%.

水、氮、气3个因素对于产量的影响排序由大到小表现为灌水量,加氧量,施氮量.加氧和不加氧处理之间产量差异具有统计学意义(P<0.05),处理A3相较于A2和A1,番茄产量分别提高了11.20%和18.41%.处理N2下,番茄产量高于N1和N3的,但是番茄产量在不同施氮处理之间的差异不具有统计学意义(P>0.05).灌水量的变化对番茄产量的影响具有统计学意义(P<0.01),处理W3相较于W2和W1,产量分别显著提升了15.44%和32.88%(P<0.05).因此获得最大番茄产量的理想处理组合为A3N2W3,但是考虑到不同施氮处理之间差距不具有统计学意义(P>0.05),将A3N1W3作为最佳处理组合,既能保证产量又能降低氮素投入,提高PFPN.

表6为番茄产量与氮素利用效率、氮肥偏生产力、氮素吸收量、灌溉水利用效率、番茄全氮含量相关分析,UN和RN分别为番茄地上部和根系全氮质量比.由表可知,Y与NUE和UN呈显著正相关(P<0.05),NUE与PFPN呈显著正相关(P<0.05),Y与IWUE和Nu相关性不显著(P>0.05).UN与Nu呈显著正相关(P<0.05),说明番茄产量与氮素利用效率、地上部全氮质量比高度相关.

表5 番茄水氮吸收利用、氮肥偏生产力和产量差异分析

表6 番茄产量与氮素利用效率、氮肥偏生产力、氮素吸收量、灌溉水利用效率、番茄全氮含量相关分析

3 讨论

土壤通气条件较好的情况下有利于维持氮代谢关键酶活性,有利于氮素的吸收与利用[11].加气灌溉将水气两相流输送至作物根区,改善了根区的通气状况,提高了作物对土壤水分、氮素的利用效率[12-13].同时良好的根区氧气环境可以促进根系对水分的吸收和转运,影响作物的蒸腾速率和气孔导度[14].文中试验发现处理A3的IWUE,NUE和PFPN高于处理A2和A1的.文中研究还表明,随着施氮量增加,NUE和PFPN有降低的趋势.杨治平等[15]也发现,传统的过量施氮并不利于作物的养分吸收,种植过程中有91.65%的氮肥通过各种途径损失,当施氮量过多时,额外的氮素一部分在土壤中累积,另一部分通过氨挥发从土壤中流失,这都导致了作物NUE和PFPN降低.

施氮量的提升显著提高了番茄果实的全氮质量比,但是番茄根系全氮质量比随着施氮量提升表现为先增加后降低的趋势.有研究表明过高的施氮量不利于植物根系进一步生长[16],这可能降低了根系从土壤中获取的养分.文中研究发现加氧量的提高促进了产量的提升,这是因为加氧处理改善了根区的缺氧环境,提升了番茄的净光合速率、促进了根系自养呼吸作用的进行[17],可增强根系对水肥的吸收,有利于番茄干物质积累和产量增加.

在文中试验条件下,在选择合适的处理组合时将提高产量作为首要目标,其次考虑土壤氮素累积和水氮利用效率.处理N1能提升PFPN、降低氮素投入和累积,同时该施氮处理的番茄产量与其他施氮量处理之间差异不具有统计学意义(P>0.05).虽然灌水量的提高降低了IWUE,但是处理W3的番茄产量显著高于其他灌水处理(P<0.05)并有利于提高PFPN.处理A3显著提高了番茄产量、IWUE和PFPN.综合考虑番茄产量、土壤氮素累积、水氮利用效率,建议将处理组合A3N1W3作为黏质壤土条件下温室番茄种植时的水肥气综合方案.