番茄嫁接和施氮对氮肥去向和氮平衡的影响

2024-03-08孙昭安张译文江丽华李昭君郭鑫曹慧孟凡乔

中国农业科学 2024年4期

孙昭安，张译文，江丽华，李昭君，郭鑫，曹慧，孟凡乔

番茄嫁接和施氮对氮肥去向和氮平衡的影响

1潍坊学院现代农学院/山东省高校园艺作物精准栽培与种质创新特色实验室，山东潍坊 261061；2山东省招远市农业农村局农业技术推广中心，山东招远 265499；3山东省农业科学院农业资源与环境研究所，济南 250100；4中国农业大学资源与环境学院，北京 100193

【目的】定量番茄植株地上部带走的土壤氮量以及土壤残留的肥料氮量，评估嫁接和施氮对氮肥去向、土壤氮平衡以及土壤净残留肥料氮的影响。【方法】通过15N尿素示踪结合盆栽试验，试验番茄品种‘齐达利’和‘017’，包括嫁接和不嫁接以及施氮和不施氮处理。借助15N标记技术区分植株和土壤中源于肥料氮和土壤氮的贡献，进而追踪肥料氮去向；计算土壤氮吸收的加氮交互效应（即施氮与不施氮植株对土壤氮吸收的差值），最终评估土壤氮的平衡。【结果】番茄植株干重和氮吸收量对施氮的响应取决于接穗品种和嫁接处理。肥料氮对整个植株氮吸收贡献率为35.9%—38.8%，对地上部氮吸收的贡献（35.9%—39.9%）高于根系（31.6%—36.2%）。土壤氮吸收的加氮交互效应在大多数情况下呈现正值，嫁接对加氮交互效应无显著影响。各处理肥料氮分配到植株地上部、土壤和损失的平均比值为4.0﹕2.6﹕3.4，作物-土壤系统对氮肥的总回收率（地上部吸收+土壤残留）为70%。在施氮量250 kg·hm-2水平，各处理的土壤残留肥料氮无法弥补植株地上部带走的土壤本身氮，从长期来看，这可能导致土壤本身氮肥力的消耗。【结论】如果选择增加氮肥投入来弥补土壤本身氮的消耗，可能导致氮肥损失的风险。本研究中，与番茄‘齐达利’自根苗、‘017’自根苗和嫁接苗相比，‘齐达利’接穗与南瓜砧木组合增加了根际土壤对肥料氮的固持，降低了肥料氮的损失。因此，合适砧穗组合可能是保持番茄土壤氮肥力的有效园艺措施。

番茄；氮肥利用率；加氮交互效应；化肥氮去向；15N标记

0 引言

【研究意义】番茄在全球和我国蔬菜消费位居首位，2020年我国番茄种植面积和产量分别为111万公顷和5 836万吨，居全球第一[1]，因此，我国番茄的化肥使用管理对于农业绿色发展举足轻重。但在番茄种植上，如何做到减氮增效是番茄绿色生产需要解决的课题[2]。除了降低化学氮肥投入外，还应该优化番茄种植的农艺措施，增强番茄植株对土壤氮吸收的生物学潜力，例如，通过番茄接穗嫁接优良砧木可能是个有效途径[3]。【前人研究进展】为提高园艺作物（果树或者蔬菜）对化学氮肥的利用，园艺作物地上部（即接穗）通常嫁接强壮根系（即砧木），形成砧穗共生体，通过砧穗共生体的强壮根系来提高对养分的吸收[3-5]。作物地上部接穗和地下部砧木之间既有必须营养元素的相互影响，又有组织结构的趋同变化。例如接穗光合碳由地上部向地下砧木转移[4]，用于根系组织的建成、根际沉积碳和根源呼吸[6]，砧木反过来通过吸收土壤氮素向地上的接穗转运[5,7]。嫁接强壮优良砧木通常增强根系对矿质养分的吸收和向上转运，进一步增加地上部接穗对光合碳的固定，进而提高作物生物量和产量[3,5,7]。【本研究切入点】前人发现合适砧穗组合可显著提高园艺作物（番茄、甜瓜和苹果）的产量和品质，并提高当季氮肥利用率和降低氮肥的环境损失[3-5,7]。但是，嫁接对作物氮-肥料氮-土壤氮之间的两者或三者关系的影响未见相关报道，这两者或三者关系主要包括：（1）作物地上部土壤氮吸收的加氮交互效应（added-N interaction，ANI），即施氮与不施氮植株对土壤氮吸收的差值）[8-9]，（2）肥料氮在作物-土壤整个系统的分配，（3）肥料氮与土壤氮平衡（即土壤残留肥料氮与地上部土壤氮吸收的差值）和（4）土壤净残留肥料氮量（即土壤残留肥料氮与加氮交互效应的差值）[10]。要量化以上问题，前提需要区分作物和土壤氮中源于肥料和土壤的比例，借助15N氮肥示踪是有效的解决手段[8]。【拟解决的关键问题】本项目采用15N尿素示踪结合盆栽试验，设置嫁接和不嫁接砧木南瓜以及施氮和不施氮处理，追踪肥料氮的去向，定量分析嫁接和施氮对氮肥去向及土壤氮平衡的影响。

1 材料与方法

试验于2021年7—12月在潍坊学院植物生长室内进行。

1.1 试验地概况

供试土壤取自山东省潍坊市坊子区粮田耕作层土壤（0—30 cm），该地块位于东经119°11'、北纬36°36'，海拔高度为70 m，该地区为华北典型冬小麦-夏玉米周年种植体系。供试土壤为沙壤质褐土化潮土：土壤有机碳9.4 g·kg-1、全氮0.97 g·kg-1、有效氮56 mg·kg-1、pH 7.2（水土比为2.5﹕1）、速效磷（Olsen-P）4.8 mg·kg-1、全氮15N丰度0.3694%。

1.2 试验设计

采用内径10 cm、高25 cm的塑料花盆盆栽番茄（Mill.）植株（图1）。每盆装过5 mm筛的风干土3.7 kg。试验设计为三因子试验，分别为两个番茄品种（‘齐达利’和‘017’）、南瓜砧木嫁接与番茄自根（实生）苗以及施氮（+N）与不施氮（CK）水平，共8个处理，每个处理设置3次重复，总计24盆栽番茄。施氮处理的氮添加量为0.7 g/盆（+N，90 mg·kg-1，即等同于田间施氮量250 kg·hm-2），在移苗定植后45 d追肥。氮肥用15N标记尿素（10.115N atom%；上海化工研究院生产），含氮量为46%，将15N标记尿素先溶于盛放200 mL去离子水的塑料杯中，溶解完全后缓慢、均匀倒入盆中土壤表面，然后用100 mL去离子水清洗塑料杯，再均匀倒入盆栽土壤表面。所有处理均以过磷酸二氢钾作底肥（0.7 g/盆），P2O5和K2O用量分别为99和65 mg·kg-1（分别折合为275和180 kg·hm-2）。用称重法控制土壤水分为田间持水量的75%[6]。2021年7月25日移苗定植2颗，定植一周后，每盆留1株比较健壮的植株。在番茄整个生育期期间（158 d），根据病虫害情况，喷洒必要的农药。

图1 生长室内盆栽番茄植株

1.3 取样和分析

各处理在成熟期（移苗定植后158 d）破坏性取样，从茎基部剪断，并按根、茎和果实进行区分。首先把盆内土壤平铺于塑料布上，挑出肉眼可见的较大根系，放入网兜用水浸泡，把根系上面的土冲洗干净。将挑完根系的土壤进行混匀和平摊，用网格法划分，每个网格用秤量勺取土，最后取约60 g土壤备用。将茎和根分别置于105℃下杀青30 min，60 ℃下烘干至恒重；将番茄果实进行切片，放入培养皿，60 ℃下烘干至恒重。从挑取的60 g土壤中取约15 g置于白纸上，挑去残留细根，在60 ℃下烘干至恒重。

测定植株和土壤全氮和对应的15N之前，利用行星球磨仪（YXQM-0.4L，米淇仪器设备有限公司，中国长沙）研磨（＜500 μm）。植株和土壤样品的全氮含量和15N丰度，在南京师范大学地理科学学院分别用Thermo Elemental Analyzer 2000型元素分析仪和Thermo Delta V Advantage型质谱仪测定。

1.4 计算公式

1.4.1 作物对氮肥的利用率15N示踪法通过施氮处理地上部吸氮量乘以肥料氮的贡献比例，再除以施氮量计算，其中肥料氮的贡献通过标记植株的15N原子百分超除以标记氮肥的15N原子百分超计算[11-12]：

F利用率=A×(A15N标记-D15N自然)/[(N15N标记-0.363)× NInput]×100 （1）

式中，F利用率：15N示踪法氮肥利用率（%）；A：施氮处理的地上部吸氮量（g/盆）；A15N标记和D15N自然分别代表施氮和不施氮处理的地上部15N的原子百分含量；N15N标记和0.363分别为标记氮肥和普通氮肥15N的原子百分含量；NInput为施氮量（g/盆）。

1.4.2 土壤中氮肥的残留率15N标记氮肥除了被作物地上部吸收外，一部分肥料氮残留在土壤（包括根系）中，肥料氮的残留率通过施氮处理土壤氮量乘以肥料氮的比例，再除以施氮量计算，其中土壤氮的15N原子百分超除以标记氮肥的15N原子百分超计算[11-12]：

F残留率= SN×(S15N标记-S15N自然)/[(N15N标记-0.00363)× NInput]×100 （2）

式中，F残留率：15N标记氮肥在土壤中的残留率（%）；SN：施氮处理的土壤氮量（g/盆）；S15N标记和S15N自然分别代表施氮和不施氮处理土壤15N的原子百分含量。

1.4.3 氮肥损失率15N标记氮肥的损失率（F损失率）通过减去氮肥的利用率（F利用率）和残留率（F残留率）计算[11-12]：

F损失率=100-F利用率-F残留率（3）

1.4.4 土壤氮吸收的加氮交互效应施氮可能改变植株对土壤氮的吸收量，15N示踪法可以精确区分植株氮中源于土壤的氮量，然后减去不施氮植株的吸氮量，即为土壤氮吸收的ANI[8-9]（g/盆，图2）：

ANI=C－D=A×(A15N标记-D15N自然)/(N15N标记-0.363) -D （4）

式中，C和D代表施氮和不施氮处理植株地上部的土壤氮吸收量。

1.4.5 土壤净残留肥料氮量

土壤净残留肥料氮量（N净收支）等于土壤中残留肥料氮量减去植株地上部土壤氮吸收的ANI[10]：

N净收支=SN×F残留率－ANI （5）

1.4.6 土壤氮平衡

土壤氮平衡（N平衡）等于土壤中残留肥料氮量减去植株地上部带走的土壤氮量[11]：

N平衡=SN×F残留率-C （6）

A、B和C分别表示施氮处理的植株总氮吸收量、肥料氮吸收量和土壤氮吸收量；D表示对照处理的土壤氮吸收量

A, B and C denote plant nitrogen uptake, fertilizer-derived nitrogen uptake and soil-derived nitrogen uptake at the nitrogen fertilization treatment, respectively; D denote soil-derived nitrogen uptake at the control treatment

图2 土壤氮吸收的加氮交互效应示意图

Fig. 2 Conceptual diagram for added-N interaction of soil- derived nitrogen uptake

1.5 数据分析

施氮、番茄品种和嫁接影响番茄生物量和氮吸收的三因子-值分析采用SPSS 17.0软件中的一般线性模型单因素变量方差分析；番茄品种和嫁接影响肥料氮贡献和去向的双因子-值分析采用SPSS 17.0软件进行一般线性模型单因素变量方差分析；相同品种和嫁接处理下，施氮和不施氮植株之间的生物量和氮吸收量采用SPSS 17.0软件进行-test检验；相同品种和施氮处理下，嫁接和实生植株之间的生物量和氮吸收量采用SPSS 17.0软件进行-test检验。

2 结果

2.1 嫁接和施氮对番茄生物量和氮吸收的影响

施氮处理、不同品种和嫁接处理对整个植株干重均有显著影响，而各两因子之间对整个植株干重无显著影响；施氮处理显著增加整个植株的氮吸收，而其他两个因子对整个植株氮吸收无显著影响（表1）。与不施氮相比，施氮对‘齐达利’实生植株根系、地上部和整株生物量无显著改变，而显著改变‘齐达利’嫁接植株的地上部和整株生物量（图3-A），施氮显著增加了‘齐达利’实生和嫁接地上部和整株的吸氮量，而对根系吸氮量无显著影响（图3-B）；相反，与不施氮相比，施氮显著改变‘017’实生植株地上部和整株生物量（图3-A）和吸氮量（图3-B），而对‘017’嫁接植株地上部和整株生物量和吸氮量无显著改变。

2.2 土壤氮吸收的贡献和加氮交互效应

番茄品种和嫁接对肥料氮的贡献（包括根系、地上部和整个植株）无显著影响（表2）。肥料氮对番茄根系氮吸收的贡献低于对地上部的贡献，范围分别为31.6%—36.2%和35.9%—39.9%，肥料氮对番茄整个植株氮吸收的贡献范围为35.9%—38.8%（图4）。相反，土壤氮对番茄根系氮吸收的贡献高于地上部的贡献，范围分别为63.8%—68.4%和60.1%—64.1%，土壤氮对番茄整个植株氮吸收的贡献范围为61.2%—64.1%（图4）。

不同大写字母表示相同品种和嫁接处理下施氮和不施氮之间的植株生物量和氮吸收量达到显著水平（＜0.05）；不同小写字母表示相同品种和施氮处理下实生和嫁接植株之间的生物量和氮吸收量达到显著水平（＜0.05）

Different upper case letters denote significant differences (＜0.05) of biomass and nitrogen uptake between CK and +N treatments at the same varieties and grafting treatments; different lower case letter denote significant differences (＜0.05) of biomass and nitrogen uptake between self-rooted and grafted treatments at the same varieties and fertilization treatments

图3 番茄嫁接和施氮对植株生物量和氮吸收的影响

Fig. 3 Effects of tomato grafting and nitrogen fertilization on biomass and nitrogen uptake of plant

表1 施氮、番茄品种和嫁接对番茄生物量和氮吸收影响的三因子P-值分析

图4 肥料氮和土壤氮对番茄植株氮吸收的贡献

表2 番茄品种和嫁接对肥料氮的贡献和去向的影响双因子P-值分析

嫁接处理影响‘齐达利’和‘017’品种地上部对土壤氮吸收的加氮交互效应，例如两个番茄品种实生植株的加氮交互效应分别为-1.6%和86.8%，而嫁接植株的加氮交互效应分别为11.8%和29.3%（图5）。

2.3 嫁接对肥料氮去向的影响

除了番茄品种对土壤残留肥料氮的去向有显著影响外，番茄品种和嫁接对肥料氮的全部去向（包括植株、土壤和损失）无显著影响（表2）。番茄植株地上部对肥料氮的利用率为37.1%—43.1%，肥料氮在土壤中的残留率为21.5%—33.6%，氮肥总回收率（即地上部利用率+土壤残留率）为58.6%—76.7%，损失率为23.3%—41.4%（图6）。

不同大写字母表示加氮交互效应在不同处理之间差异显著（＜0.05）

Different uppercase letters indicate significant differences of added-N interaction among different components (＜0.05)

图5 番茄土壤氮吸收的加氮交互效应

Fig. 5 Added-N interaction of soil-derived nitrogen uptake by tomato plants

2.4 嫁接和施氮对土壤氮平衡和净残留肥料氮的影响

嫁接和施氮对土壤氮平衡无显著影响（表2）。番茄植株地上部带走的土壤氮量为0.20—0.22 g/盆，土壤中残留的肥料氮量（包括根系吸收的肥料氮）为0.07—0.11 g/盆，由于植株地上部带走的氮量高于土壤中残留的肥料氮量，因此，这会导致土壤本身氮肥力的亏损，亏损量为0.10—0.14 g/盆（图7-A）。土壤净残留肥料氮量取决于土壤残留肥料氮量和地上部土壤氮吸收ANI的平衡（图7-B）：对于‘齐达利’品种，自根和嫁接植株均提高了土壤净残留肥料氮量，两者约为0.09 g/盆；对于‘017’品种，自根苗降低了土壤净残留肥料氮量（约为-0.02 g/盆），而嫁接反而增加了土壤净残留肥料氮量（约为0.02 g/盆）。

不同大写字母表示同一番茄-土壤系统内不同肥料氮去向之间的显著性差异（＜0.05）

Different uppercase letters indicate significant differences of different fertilizer nitrogen rate at the same tomato-soil system (＜0.05)

图6 肥料氮在番茄-土壤系统中的去向

Fig. 6 Fate of fertilizer-derived nitrogen in tomato-soil system

不同大写字母表示土壤净残留肥料氮量在不同处理之间的显著性差异（＜0.05）

Different uppercase letters indicate significant differences of net residual fertilizer nitrogen in soils among different components (＜0.05)

图7 番茄品种和嫁接对土壤氮平衡和净残留肥料氮量的影响

Fig. 7 Effects of tomato varieties and grafting on nitrogen balance and net residual fertilizer nitrogen in soils

3 讨论

3.1 番茄氮来自肥料氮和土壤氮的比例

本研究中，番茄植株氮吸收主要源于土壤氮（约占60%），当季输入的肥料氮对植株氮吸收的贡献仅占40%左右。张怀志等[13]在河北定兴，曹兵等[14]在南京郊区以及姜慧敏等[15]在山东寿光的微区试验结果与本研究结果趋势相同，番茄植株氮吸收主要源于土壤氮，当季肥料氮对番茄植株氮吸收的贡献分别为47%、32%和21%。在3大类作物（玉米、水稻和小麦）上也有类似趋势，15N试验整合分析发现作物氮吸收主要源于非当季肥料氮输入，肥料氮的贡献仅为41%（玉米）[16]、32%（水稻）[16]和29%（小麦）[17]。因此，从长期来看，维持土壤本身氮肥力是保证作物氮素吸收和维持高产的前提[16-17]。另外，在本研究中，当季肥料氮对番茄地上部的贡献均高于根系的贡献（平均高于10%），类似地，在小麦[11]、玉米[18]、花生[18]和甜瓜[5]上，也发现从营养器官氮（根系和茎）向果实氮库的转运。这些都暗示番茄生长后期氮素从根系向茎和果实氮库的转运。

施氮影响土壤氮循环和根际效应，导致施氮和不施氮植株对土壤氮吸收量的差异，这个差异也就是土壤氮吸收的ANI，是导致15N示踪法和差减法量化氮肥利用率差异的直接原因[8-9]。嫁接处理由于改变了原有根系，可能改变根际效应，进而导致番茄对土壤氮吸收的ANI。例如，本研究发现嫁接增加‘齐达利’植株土壤氮吸收的ANI，而抑制了‘017’品种的ANI，暗示ANI依赖于根际效应介导的土壤氮转化以及根系的氮素吸收能力。从植物-土壤整个系统来考虑，土壤氮的额外吸收量到底是源于微生物氮库的置换效应，还是源于土壤有机氮的矿化，需要比较施氮和不施氮根际土壤源无机氮去向的累计量，包括作物氮、土壤无机氮和微生物氮[19]。如果施氮和不施氮处理根际土壤源无机氮累积量没有显著差异，那么土壤氮吸收的ANI主要源于微生物氮库的置换效应；反之，如果两者土壤源无机氮累积量有显著差异，那么土壤氮的额外吸收量可能主要源于有机氮的矿化[19]。

3.2 肥料氮去向和对嫁接的响应

本研究中，化肥氮施入番茄植株-土壤系统后，进入到作物地上部吸收、土壤残留以及气态损失的平均比例分别为40%、26%、34%，氮肥有效率（地上部吸收+土壤残留）比例约为70%。本研究的氮肥损失率和有效率与姜慧敏等[15]得出的常规施氮分配模式类似（分别为32%和68%），而地上部吸收和土壤残留的比例存在很大差异，姜慧敏等[15]发现肥料氮被地上部吸收和残留土壤的比例分别为10%和58%。在田间设施菜田高化肥氮（800—1 000 kg·hm-2）输入下[13,15]，肥料氮利用率往往很低，一般不超过20%，远低于本研究的量化结果（40%），这是由于肥料氮利用率和施氮量成反比。本研究中，对于‘齐达利’品种，嫁接处理增加了整个作物-土壤系统对肥料氮的回收（增加幅度约10%），这主要源于土壤残留的增加贡献（68%），而肥料氮利用率的增加贡献仅为32%。

3.3 残留肥料氮对土壤本身氮消耗的补偿

未被番茄植株地上部吸收的肥料氮，一部分以土壤有机氮、无机氮以及根系形式残留在土壤中，本研究的土壤残留比例为22%—34%，这部分残留肥料氮是地上部带走土壤氮的重要补充[17,20]。通过优化农艺措施，肥料氮利用率达到一定程度就不再增加，这是由于总有一定比例肥料氮残留土壤和损失到环境中[20]。另外，本研究中土壤氮对番茄植株氮吸收的贡献一般为50%以上，这暗示土壤残留肥料氮实际上是肥料氮与土壤氮库置换的结果[21]。本研究中，番茄经历整个生育期，地上部带走的土壤氮量（0.2 g/盆）远高于土壤残留的肥料氮量（0.1 g/盆），从长期来看，土壤氮肥力会耗竭。由于秸秆氮包括土壤原有氮和外源添加的肥料氮。因此，秸秆还田是补充土壤氮肥力的有效措施[17]。

3.4 加氮交互效应和土壤净残留肥料氮量

在早期土壤氮吸收的ANI研究阶段，巨晓棠等[21]和朱兆良[22]认为土壤氮吸收的ANI是由于土壤中残留肥料氮与土壤固定态氮置换的结果，即土壤残留肥料氮约等于作物土壤氮吸收的ANI。然而，本研究量化的土壤净残留肥料氮量（土壤残留肥料氮减去土壤氮吸收的ANI）在大部分情况下大于0，表明ANI不仅来源于土壤氮和肥料氮库的置换[23]，可能还来源于施氮和嫁接改变的根际效应[24]—通过间接影响根际沉积碳量和组分来介导根际土壤氮矿化的激发效应，进而影响土壤本身的供氮能力，进而提高作物对土壤本身氮的吸收，呈现正ANI。为了进一步说明这个情况，本研究整合盆栽农作物的15N研究（盆栽试验15N氮肥和不施氮土壤起始值相对一致，这样消除了两者土壤本身供氮能力对土壤氮吸收ANI计算的影响）[12]，量化土壤残留肥料氮与正ANI比值大于1（均值和中位数分别为6.7和1.1，图8），即土壤净残留肥料氮量为正值，这进一步说明由于正ANI引起的土壤氮的额外吸收不仅来源于土壤氮和肥料氮的置换效应，还来源于根际效应导致的土壤有机氮的矿化[24-25]。

代表数据源的数目；小提琴图中的实线和虚线分别表示中位数和平均值；整合分析土壤残留肥料氮/正ANI的比值来源于小麦[17,26-27]、玉米[28-30]和水稻[12,31]盆栽15N试验数据

Thein the figure represents the number of data points; the solid and dashed lines represent the median and mean values, respectively; the ratio of soil residual fertilizer nitrogen to positive ANI are based on a15N literature synthesis from pot-grown wheat[17,26-27], maize[28-30], and rice[12,31]

图8 文献整合分析土壤残留肥料氮与正加氮交互效应的比值

Fig. 8 Literature synthesis of the ratio between soil residual fertilizer nitrogen and positive added-N interaction

4 结论

对于施氮处理，番茄氮吸收主要来源于土壤氮（61%—64%）；与不施氮植株的氮吸收相比，多数情况下施氮增加了地上部对土壤氮的吸收（加氮交互效应呈现正值）。尤其对于‘齐达利’品种，嫁接同时增加了植株土壤氮吸收和土壤中残留肥料氮量，推测嫁接提高了植株对土壤本身氮的掘取和吸收。与不嫁接植株相比，‘齐达利’嫁接处理增加了土壤对肥料氮的固持，进而提高了作物-土壤整个系统对氮肥的总回收率（回收率达到77%），降低了氮肥的损失（幅度为33%）。因此，合适的砧穗组合可能是提高当季氮肥总回收率（作物-土壤系统）和降低氮肥损失的有效园艺措施。

[1] FAO. FAO statistics. http://faostat.fao.org, 2020.

[2] 梁斌, 陈清, 董静, 李俊良. 设施番茄绿色增产潜力及技术体系建设. 中国蔬菜, 2017(1): 27-31.

LIANG B, CHEN Q, DONG J, LI J L. Yield-increasing potential of tomato and integrated soil-fertilizer-water managements under greenhouse system. China Vegetables, 2017(1): 27-31. (in Chinese)

[3] 袁亭亭, 宋小艺, 王忠宾, 杨建平, 徐坤. 嫁接与施肥对番茄产量及氮、磷、钾吸收利用效率的影响. 植物营养与肥料学报, 2011, 17(1): 131-136.

YUAN T T, SONG X Y, WANG Z B, YANG J P, XU K. Effect of grafting cultivation and fertilization on the yield, NPK uptake and utilization of tomatoes. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(1): 131-136. (in Chinese)

[4] 王海宁, 葛顺峰, 姜远茂, 魏绍冲, 陈倩, 孙聪伟. 不同砧木嫁接的富士苹果幼树13C和15N分配利用特性比较. 园艺学报, 2013, 40(4): 733-738.

WANG H N, GE S F, JIANG Y M, WEI S C, CHEN Q, SUN C W. Effects of different rootstocks on distribution and utilization of13C and15N of×Borkh.‘Red Fuji’. Acta Horticulturae Sinica, 2013, 40(4): 733-738. (in Chinese)

[5] 薛亮, 马忠明, 杜少平. 嫁接与施氮对甜瓜产量和氮素吸收、利用的影响. 应用生态学报, 2017, 28(6): 1909-1916.

XUE L, MA Z M, DU S P. Effects of grafting and nitrogen fertilization on melon yield and nitrogen uptake and utilization. Chinese Journal of Applied Ecology, 2017, 28(6): 1909-1916. (in Chinese)

[6] SUN Z A, WU S X, ZHANG Y W, MENG F Q, ZHU B, CHEN Q. Effects of nitrogen fertilization on pot-grown wheat photosynthate partitioning within intensively farmed soil determined by13C pulse-labeling. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2019, 182(6): 896-907.

[7] LIANG J Y, CHEN X L, GUO P J, REN H Z, XIE Z L, ZHANG Z, ZHEN A. Grafting improves nitrogen-use efficiency by regulating the nitrogen uptake and metabolism under low-nitrate conditions in cucumber. Scientia Horticulturae, 2021, 289: 110454.

[8] JENKINSON D S, FOX R H, RAYNER J H. Interactions between fertilizer nitrogen and soil nitrogen-the so-called ‘priming’ effect. Journal of Soil Science, 1985, 36(3): 425-444.

[9] HARMSEN K. A comparison of the isotope-dilution and the difference method for estimating fertilizer nitrogen recovery fractions in crops. II. Mineralization and immobilization of nitrogen. NJAS: Wageningen Journal of Life Sciences, 2003, 50(3/4): 349-381.

[10] 杨秉庚, 蔡思源, 刘宇娟, 徐灵颖, 汪玉, 彭显龙, 赵旭, 颜晓元. 土壤供保氮能力决定稻田氮肥增产效果和利用率. 土壤学报, 2023, 60(1): 212-223.

YANG B G, CAI S Y, LIU Y J, XU L Y, WANG Y, PENG X L, ZHAO X, YAN X Y. Soil nitrogen supply and retention capacity determine the effect and utilization rate of nitrogen fertilizer in paddy field. Acta Pedologica Sinica, 2023, 60(1): 212-223. (in Chinese)

[11] 孙昭安, 陈清, 吴文良, 孟凡乔. 冬小麦对基肥和追肥15N的吸收与利用. 植物营养与肥料学报, 2018, 24(2): 553-560.

SUN Z A, CHEN Q, WU W L, MENG F Q. Nitrogen uptake and recovery from basal and top-dressing fertilizer15N in winter wheat. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2018, 24(2): 553-560. (in Chinese)

[12] QUAN Z, ZHANG X, FANG Y T, DAVIDSON E A. Different quantification approaches for nitrogen use efficiency lead to divergent estimates with varying advantages. Nature Food, 2021, 2: 241-245.

[13] 张怀志, 唐继伟, 袁硕, 冀宏杰, 黄绍文. 化肥减施对日光温室越冬长茬番茄氮肥利用率及去向的影响. 植物营养与肥料学报, 2020, 26(7): 1295-1302.

ZHANG H Z, TANG J W, YUAN S, JI H J, HUANG S W. Effect of fertilizer reduction on nitrogen utilization efficiency and fate during overwinter long-season tomato production in greenhouse. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2020, 26(7): 1295-1302. (in Chinese)

[14] 曹兵, 贺发云, 徐秋明, 蔡贵信. 南京郊区番茄地中氮肥的效应与去向. 应用生态学报, 2006, 17(10): 1839-1844.

CAO B, HE F Y, XU Q M, CAI G X. Use efficiency and fate of fertilizer N in tomato field of Nanjing suburb. Chinese Journal of Applied Ecology, 2006, 17(10): 1839-1844. (in Chinese)

[15] 姜慧敏, 张建峰, 李玲玲, 李树山, 张水勤, 潘攀, 郭俊娒, 刘恋, 杨俊诚. 优化施氮模式下设施菜地氮素的利用及去向. 植物营养与肥料学报, 2013, 19(5): 1146-1154.

JIANG H M, ZHANG J F, LI L L, LI S S, ZHANG S Q, PAN P, GUO J M, LIU L, YANG J C. Utilization and fate of nitrogen in greenhouse vegetable under optimized nitrogen fertilization. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2013, 19(5): 1146-1154. (in Chinese)

[16] YAN M, PAN G X, LAVALLEE J M, CONANT R T. Rethinking sources of nitrogen to cereal crops. Global Change Biology, 2020, 26(1): 191-199.

[17] 孙昭安, 陈清, 朱彪, 曹慧, 孟凡乔. 化肥氮对冬小麦氮素吸收的贡献和土壤氮库的补偿. 植物营养与肥料学报, 2020, 26(3): 413-430.

SUN Z A, CHEN Q, ZHU B, CAO H, MENG F Q. Contributions of fertilizer N to winter wheat N uptake and compensation of soil N pool in farmland. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2020, 26(3): 413-430. (in Chinese)

[18] GAO H X, ZHANG C C, VAN DER WERF W, NING P, ZHANG Z, WAN S B, ZHANG F S. Intercropping modulates the accumulation and translocation of dry matter and nitrogen in maize and peanut. Field Crops Research, 2022, 284: 108561.

[19] RAO A C S, SMITH J L, PARR J F, PAPENDICK R I. Considerations in estimating Nitrogen Recovery Efficiency by the difference and isotopic dilution methods. Fertilizer Research, 1992, 33(3): 209-217.

[20] 巨晓棠. 氮肥有效率的概念及意义: 兼论对传统氮肥利用率的理解误区. 土壤学报, 2014, 51(5): 921-933.

JU X T. The concept and meanings of nitrogen fertilizer availability ratio-discussing misunderstanding of traditional nitrogen use efficiency. Acta Pedologica Sinica, 2014, 51(5): 921-933. (in Chinese)

[21] 巨晓棠, 张福锁. 关于氮肥利用率的思考. 生态环境, 2003, 12(2): 192-197.

JU X T, ZHANG F S. Thinking about nitrogen recovery rate. Ecology and Environmental Sciences, 2003, 12(2): 192-197. (in Chinese)

[22] 朱兆良. 中国土壤氮素研究. 土壤学报, 2008, 45(5): 778-783.

ZHU Z L. Research on soil nitrogen in China. Acta Pedologica Sinica, 2008, 45(5): 778-783. (in Chinese)

[23] LIN S, DITTERT K, WU W L, SATTELMACHER B. Added nitrogen interaction as affected by soil nitrogen pool size and fertilization–significance of displacement of fixed ammonium. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2004, 167(2): 138-146.

[24] SUN Z A, ZHU B. Rethinking discrepancies between difference and15N methods for estimating fertilizer nitrogen recovery. Biology and Fertility of Soils, 2022, 58(8): 855-869.

[25] LIU X J A, VAN GROENIGEN K J, DIJKSTRA P, HUNGATE B A. Increased plant uptake of native soil nitrogen following fertilizer addition-not a priming effect? Applied Soil Ecology, 2017, 114: 105-110.

[26] RAO A C S, SMITH J L, PAPENDICK R I, PARR J F. Influence of added nitrogen interactions in estimating recovery efficiency of labeled nitrogen. Soil Science Society of America Journal, 1991, 55(6): 1616-1621.

[27] 吴成龙, 沈其荣, 夏昭远, 相恒成, 徐阳春. 麦-稻轮作系统有机无机肥料配施协同氮素转化的机制研究Ⅰ.小麦季15N去向分析. 土壤学报, 2010, 47(5): 905-912.

WU C L, SHEN Q R, XIA Z Y, XIANG H C, XU Y C. Mechanisms for the increased utilization of fertilizer n under integrated use of inorganic and organic fertilizers in a winter wheat—rice rotation system Ⅰ.fate of fertilizer15N during winter wheat growing stages. Acta Pedologica Sinica, 2010, 47(5): 905-912. (in Chinese)

[28] AZAM F, LODHI A, ASHRAF M. Interaction of15N-labelled ammonium nitrogen with native soil nitrogen during incubation and growth of maize (L.). Soil Biology and Biochemistry, 1991, 23(5): 473-477.

[29] 吴永成, 王志敏, 周顺利.15N标记和土柱模拟的夏玉米氮肥利用特性研究. 中国农业科学, 2011, 44(12): 2446-2453. doi: 10.3864/ j.issn.0578-1752.2011.12.005.

WU Y C, WANG Z M, ZHOU S L. Studies on the characteristics of nitrogen fertilizer utilization in summer maize based on techniques of soil column and15N-label. Scientia Agricultura Sinica, 2011, 44(12): 2446-2453. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2011. 12.005. (in Chinese)

[30] 山楠, 杜连凤, 毕晓庆, 安志装, 赵丽平, 赵同科. 用15N肥料标记法研究潮土中玉米氮肥的利用率与去向. 植物营养与肥料学报, 2016, 22(4): 930-936.

SHAN N, DU L F, BI X Q, AN Z Z, ZHAO L P, ZHAO T K. Nitrogen use efficiency and behavior studied with15N labeled fertilizer in maize in fluvo-aquic soils. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(4): 930-936. (in Chinese)

[31] 彭卫福, 吕伟生, 黄山, 曾勇军, 潘晓华, 石庆华. 土壤肥力对红壤性水稻土水稻产量和氮肥利用效率的影响. 中国农业科学, 2018, 51(18): 3614-3624. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2018.18.017.

PENG W F, LÜ W S, HUANG S, ZENG Y J, PAN X H, SHI Q H. Effects of soil fertility on rice yield and nitrogen use efficiency in a red paddy soil. Scientia Agricultura Sinica, 2018, 51(18): 3614-3624. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2018.18.017. (in Chinese)

Effects of Tomato Grafting and Nitrogen Fertilization on Fertilizer Nitrogen Fate and Nitrogen Balance

1University Characteristic Laboratory of Precision Cultivation and Germplasm Innovation of Horticultural Crops in Shandong/School of Advanced Agricultural Sciences, Weifang University, Weifang 261061, Shandong;2Agricultural Technology Extension Center of Zhaoyuan Agricultural and Rural Bureau, Zhaoyuan 265499, Shandong;3Institute of Agricultural Resources and Environment, Shandong Academy of Agricultural Sciences, Jinan 250100;4College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193

【Objective】By quantifying the amounts of soil-derived nitrogen (N) uptake by tomato aboveground and residual fertilizer N in soil, this study evaluated the impacts of tomato grafting and N fertilization on the fertilizer N fate, net residual fertilizer N, and N balance in soil-tomato production.【Method】A pot experiment with15N-labeled urea and the experiment were conducted. Tomato varieties were Qidali and 017, included grafting (grafting and self-rooted), and fertilization (control and N-fertilization) treatments. The15N tracer was used to distinguish the contribution of fertilizer- and soil-derived N in plants and soils, the fertilizer N fate and the added-N interaction (ANI, i.e. the difference of soil-derived N uptake between N-fertilized and -unfertilized treatments), and the N balance in soil-tomato production was also evaluated.【Result】The contribution of fertilizer N to whole plant N uptake was 35.9%-38.8%, and the contribution to aboveground plant N uptake (35.9%-39.9%) was higher than that in root N uptake (31.6%-36.2%). The ANI exhibited positive values in most treatments, and there was no significant impacts from grafting. Under all the treatments, the average fertilizer N allocated to aboveground, soil and loss was 4.0﹕2.6﹕3.4, and the total recovery of fertilizer N (aboveground N uptake + soil residue) was about 70%. At the fertilizer N level of 250 kg·hm-2, the residual fertilizer N in the soil could not compensate for the soil-derived N allocation to tomato aboveground, and this might cause the depletion of soil N stock in the long run. 【Conclusion】The risk of fertilizer N loss was high if large rate of N fertilization was chosen compensate the consumption of soil native N. Compared with tomato 017 scion and self-rooted treatment, the combination of tomato Qidali scion and pumpkin rootstock increased the fertilizer N stay in soil and reduced the fertilizer N loss. Appropriate tomato scion and rootstock could be an feasible and effective measure to maintain the soil N fertility in tomato production.

tomato; fertilizer nitrogen recovery; added-N interaction; fertilizer nitrogen fate;15N labeling