姜慧敏,張建峰,楊俊誠(chéng)*,劉兆輝,宋效宗,江麗華,張相松

(1中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,北京100081;2農(nóng)業(yè)部作物營(yíng)養(yǎng)與施肥重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,北京100081;3山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所,山東濟(jì)南250100)

山東省壽光市是我國(guó)重要的日光溫室生產(chǎn)基地[1]。但是,在日光溫室生產(chǎn)上還基本沿用盲目的水肥管理,不僅造成水資源和肥料的浪費(fèi),而且造成地下水硝酸鹽污染等一系列新問(wèn)題[2-5]。據(jù)調(diào)查,該地生產(chǎn)一季番茄的氮肥投入高達(dá)N 1800 kg/hm2,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)植物地上部帶走的氮量,加之不合理的灌溉,對(duì)地下水的質(zhì)量明顯構(gòu)成威脅[6]。由于養(yǎng)分投入過(guò)大、肥料利用率低、鹽害滋生、土壤生物活性下降,而引起蔬菜產(chǎn)量、品質(zhì)下降和土壤可持續(xù)生產(chǎn)能力低[7];過(guò)量施肥,氮肥的當(dāng)季利用率不到10%[8]。因此,如何改變傳統(tǒng)的水氮管理方式,在保證農(nóng)產(chǎn)品和環(huán)境安全的前提下做到合理有效地施用氮肥,促進(jìn)設(shè)施蔬菜優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)前我國(guó)設(shè)施蔬菜發(fā)展過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題。

滴灌具有節(jié)水、灌溉均勻、增產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[9-10]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)農(nóng)作物的水肥耦合技術(shù)的研究證明[11-14],養(yǎng)分和水分結(jié)合能有效提高水肥資源的利用率,但研究多集中于肥料間的配施效果、水分灌溉指標(biāo)和不同水氮管理對(duì)菜地土壤硝酸鹽淋洗的影響[15-20];針對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)條件下,土壤C/N比較低(7左右)、氮肥利用率低等問(wèn)題,采用膜下滴灌的水肥耦合技術(shù)結(jié)合基于C/N調(diào)控的最佳養(yǎng)分管理(土壤增碳技術(shù))的綜合效應(yīng)研究尚未見(jiàn)報(bào)道。另外土壤增碳技術(shù)(秸稈還田)研究多集中在大田作物[21-23],在設(shè)施菜地的研究相對(duì)較少。

基于上述問(wèn)題,以山東壽光冬春茬大棚番茄為研究對(duì)象,當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥模式為對(duì)照,通過(guò)減施氮肥結(jié)合添加秸稈和/或滴灌措施,研究不同施氮模式對(duì)番茄產(chǎn)量、品質(zhì)和土壤肥力的影響,以期為達(dá)到設(shè)施菜地減肥增效、提升土壤質(zhì)量和保障農(nóng)田可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)在山東壽光市番茄集約化種植區(qū)的稻田鎮(zhèn)官路村(N36°49′57.7″,E118°54′58.9″)。土壤類(lèi)型為褐土,質(zhì)地為壤土。設(shè)施番茄一年種植兩茬,連作制。試驗(yàn)大棚0—20 cm土壤耕層基礎(chǔ)養(yǎng)分狀況:pH 8.8,有機(jī)質(zhì)8.1 g/kg,堿解氮37.8mg/kg,硝態(tài)氮15.13 mg/kg,速效磷 1.9 mg/kg,速效鉀 107.8 mg/kg,電導(dǎo)率 334 μ S/cm 。

供試番茄為當(dāng)?shù)囟翰缙毡樵耘嗟钠贩N“好韋斯特”。2007年12月中旬開(kāi)始育苗,2008年1月10日移栽定植。栽培方式均為傳統(tǒng)的畦栽,行距70 cm,株距40 cm,每株留果7穗。

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),6個(gè)處理:不施氮對(duì)照(N0);當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥模式(N1);減氮26%,即習(xí)慣施氮量的74%(N2);減氮26%加施玉米秸稈(N3);減氮26%加施玉米秸稈和滴灌(N4);減氮45%(即習(xí)慣施氮量的55%)加施玉米秸稈和滴灌(N5),重復(fù)3次。農(nóng)民習(xí)慣施肥量參考2007年對(duì)壽光市集約化大棚蔬菜種植區(qū)127個(gè)有代表性農(nóng)戶(hù)施肥量的調(diào)查,統(tǒng)計(jì)分析取平均值?；柿缀陀袡C(jī)肥100%作基施,化肥氮和化肥鉀40%基施,60%追施?；蕿槟蛩亍⑦^(guò)磷酸鈣、硫酸鉀。有機(jī)肥為腐熟鴨糞(N 1.16%、P2O51.1%、K2O 1.1%),成品豆粕(N、P2O5、K2O≥5%)。玉米鮮秸稈量為每小區(qū) 35 kg,其含水量為 67%、全 N 1.01%、全 P 1.07%、全K 15.46%、C/N 83。秸稈風(fēng)干粉碎后(1.5 cm左右)堆制2個(gè)月,添加秸稈的處理同有機(jī)肥一起基施。各處理施肥量和灌溉量見(jiàn)表1。

試驗(yàn)小區(qū)寬2.8 m,長(zhǎng)11 m。小區(qū)之間用塑料薄膜縱向隔開(kāi)(埋深50 cm),防止處理間肥水側(cè)滲。大棚東西兩端設(shè)有保護(hù)行,常規(guī)管理。

表1 肥料施用量和灌溉量Table 1 Application rate of fertilizers and irrigation

1.2 樣品采集及測(cè)定

番茄盛果期取果實(shí)樣品,測(cè)定Vc含量、可溶性糖和酸度。番茄初果期、盛果期、盛果末期分別取果實(shí)測(cè)定全氮含量。番茄拉秧期取整株作物(地上部和根系)稱(chēng)重,然后烘干測(cè)定全氮含量;拉秧期取耕層土壤(0—20 cm)測(cè)定土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量,細(xì)菌、真菌數(shù)量和土壤脲酶、蔗糖酶活性;0—100 cm土層(每20 cm一層)測(cè)定土壤硝態(tài)氮含量。田間每次采收時(shí),每試驗(yàn)小區(qū)的番茄果實(shí)集中采收分類(lèi),用電子臺(tái)秤稱(chēng)重后,記錄每個(gè)小區(qū)的產(chǎn)量。

果實(shí)品質(zhì)測(cè)定參考《植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)》[24];果實(shí)和秸稈全氮用H2SO4-H2O2消煮,凱氏定氮儀測(cè)定;堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定;用酚二磺酸比色法測(cè)定土壤硝態(tài)氮含量;速效磷采用0.5 mol/L的NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定;速效鉀采用1.0 mol/L浸提—火焰分光光度計(jì)測(cè)定。土壤細(xì)菌、真菌數(shù)量采用稀釋平板涂抹法[25];土壤脲酶和蔗糖酶活性測(cè)定參照《土壤酶及其研究法》[26]。

根據(jù)下列公式計(jì)算氮肥的利用率、氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮素收獲指數(shù):

氮肥利用率=[(施肥處理作物吸氮量-對(duì)照處理作物吸氮量)/施肥處理施氮量]×100%;

氮肥農(nóng)學(xué)效率=(N處理果實(shí)產(chǎn)量-CK處理果實(shí)產(chǎn)量)/氮肥施用量;

氮素收獲指數(shù)=(果實(shí)吸氮量/作物地上部吸氮量)×100%

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SAS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮模式對(duì)番茄產(chǎn)量和氮素吸收利用的影響

試驗(yàn)地番茄一共采收19次,果實(shí)累計(jì)產(chǎn)量(表2)表明,N0處理果實(shí)產(chǎn)量顯著低于其他幾個(gè)施氮處理(P＜0.05),說(shuō)明氮肥對(duì)番茄生長(zhǎng)具有不可或缺的作用。施用氮肥處理提高了番茄果實(shí)的產(chǎn)量,增產(chǎn)率為20.1%～28.8%。然而,過(guò)量的氮肥投入并沒(méi)有得到預(yù)期的產(chǎn)量。N1處理化學(xué)氮肥的投入量最大,但產(chǎn)量并非最高;相反,N3和N5處理番茄的產(chǎn)量分別比N1處理增產(chǎn)1.2%和1.8%,說(shuō)明減少化肥氮用量,結(jié)合調(diào)節(jié)土壤C/N和滴灌措施,能夠保證番茄不減產(chǎn)并產(chǎn)量有所增加,既減少了肥料投入成本,又降低了過(guò)量施肥對(duì)環(huán)境的威脅。

在5個(gè)施用氮肥的處理中,N1處理氮肥施用量最高,但植物體吸收的總氮含量和氮素利用率卻最低,其氮素利用率顯著低于N4和N5處理(P＜0.05),說(shuō)明習(xí)慣施肥模式下,氮肥的過(guò)量投入會(huì)造成氮肥的大量損失,對(duì)環(huán)境造成不利的影響。

不同施氮模式的氮肥農(nóng)學(xué)效率差異明顯,N1處理比其他5個(gè)施氮處理分別低5.6%、42.6%、2.7%和95.7%,顯著低于N5處理(P＜0.05)。氮的收獲指數(shù)以N5處理最高,說(shuō)明番茄植株中積累的氮較多的分配到果實(shí)中,吸收的氮保留在莖葉中的較少,這樣可以減少秸稈移走或焚燒損失的氮,提高氮的利用率。

表2 不同施氮模式對(duì)番茄產(chǎn)量、氮素吸收和利用效率的影響Table 2 Effects of different models of applying N fertilizer on tomato yield,N uptake and utilization efficiency

2.2 不同施氮模式對(duì)番茄品質(zhì)的影響

表3看出,冬春茬番茄果實(shí)施氮肥處理中N4處理Vc含量最高,為92.1 mg/kg,FW,但不同施肥模式間差異不顯著。可溶性糖和酸度在不同處理間沒(méi)有顯著差異;各處理果實(shí)的糖酸比均高于6.0(一般情況下,果實(shí)糖酸比應(yīng)在6.0以上[27]),以N3處理果實(shí)糖酸比最高,達(dá)8.62,顯著高于N2處理(P＜0.05);而N2、N3、N4、N5與N1處理間差異不顯著。

2.3 不同施氮模式對(duì)土壤肥力的影響

2.3.1 不同施氮模式對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響 施氮處理土壤堿解氮含量均顯著高于不施氮處理(P＜0.05)。不同施氮處理間沒(méi)有顯著差異(圖1A)。

表3 不同施氮模式對(duì)番茄果實(shí)Vc和糖酸含量的影響Table 3 Effects of different models of applying N fertilizer on Vc content,sugar and acid content in tomato fruit

圖1 不同施氮模式對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響Fig.1 Effects of different models of applying N fertilizer on soil nutrient contents

土壤速效磷含量由高到低依次為N5＞N2＞N3＞N1＞N4＞N0,施氮處理間差異不顯著(圖1B)。一些研究提出,菜地土壤有效磷含量的豐缺指標(biāo)為:＜33mg/kg(嚴(yán)重缺乏),33～60 mg/kg(缺乏),60～90 mg/kg(適宜),＞90 mg/kg(偏高)[6],按照這一指標(biāo)衡量,N2和N5處理處在磷適宜的水平,N1、N3、N4處理磷稍有缺乏,N0處理嚴(yán)重缺乏。

施氮處理土壤速效鉀含量顯著高于不施氮處理(P＜0.05,圖1C)。一般認(rèn)為,菜地耕層土壤速效鉀適宜量為 150～ 250 mg/kg,當(dāng)速效鉀含量＞350 mg/kg時(shí)為過(guò)量[28-29]。本試驗(yàn)結(jié)果可知,N3和N4處理處于適宜的速效鉀含量范圍。

圖2 不同施氮模式對(duì)0—100 cm土層硝態(tài)氮累積量的影響Fig.2 Effects of different models of applying N fertilizer on accumulation of NO-3-N in soil profile

2.3.2 不同施氮模式對(duì)土層硝態(tài)氮累積的影響圖2可見(jiàn),不同處理硝態(tài)氮累積差別較大,N0處理經(jīng)過(guò)一季作物的吸收,0—100 cm土壤剖面硝態(tài)氮?dú)埩袅孔钌?為139.2 kg/hm2。隨著氮肥用量的增加,土壤剖面硝態(tài)氮累積量明顯增加,N1處理硝態(tài)氮的累積最大,0—100 cm剖面累積量高達(dá)705 kg/hm2,N2處理略低于N1處理,為701.6 kg/hm2,而N3、N4和N5處理硝態(tài)氮的累積量分別比N1處理累積量減少30%、35.6%和34.6%,明顯降低了土層中硝態(tài)氮累積。硝態(tài)氮主要累積在0—40 cm土層,其中以N2處理累積的最多,為409 kg/hm2,其次是N1處理為364 kg/hm2。

2.3.3 不同施氮模式對(duì)土壤酶活性的影響 由圖3A可知,施氮處理土壤脲酶活性顯著高于不施氮處理(P＜0.05)。N2處理土壤的脲酶活性略高于N1處理,說(shuō)明在灌水量相同的情況下,高量施用化肥氮有抑制土壤脲酶活性的趨勢(shì)。N5處理脲酶含量最高,其次為N3處理,其原因可能是由于施用秸稈,使土壤含碳量增加,為了達(dá)到微生物活動(dòng)和繁殖所需的最適C/N比,必然會(huì)提高土壤脲酶的活性來(lái)促進(jìn)土壤含氮有機(jī)物的水解。

施氮處理土壤蔗糖酶活性顯著高于不施氮處理(P＜0.05);施氮處理間土壤蔗糖酶活性沒(méi)有顯著差異(圖3B)。N3處理略高于N1處理,說(shuō)明減少氮肥施用或減少氮肥施用結(jié)合其他措施與農(nóng)民習(xí)慣施肥相比較,土壤蔗糖酶活性沒(méi)有降低,能夠?yàn)樯矬w提供充足的能源。

2.3.4 不同施氮模式對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響不同處理土壤中微生物數(shù)量以細(xì)菌最多,說(shuō)明細(xì)菌是溫室土壤微生物生命活動(dòng)的主體。細(xì)菌/真菌(B/F)結(jié)果(圖4)表明,N3和N5處理B/F的比值均高于N1處理,N4處理B/F的比值很低,具體原因還有待進(jìn)一步分析。

圖3 不同施氮模式對(duì)土壤脲酶和蔗糖酶活性的影響Fig.3 Effects of different models of applying N fertilizer on soil urease and invertase activities

圖4 不同施氮模式對(duì)土壤細(xì)菌/真菌比值的影響Fig.4 Effects of different models of applying N fertilizer on B/F

3 討論與結(jié)論

3.1 秸稈對(duì)作物產(chǎn)量、品質(zhì)和土壤肥力的影響

作物秸稈富含各種養(yǎng)分和生理活性物質(zhì),能夠改良土壤物理性狀,提高土壤有效養(yǎng)分含量,改善土壤膠體組成。余延豐等[22]研究表明,江漢平原地區(qū)秸稈還田能明顯提高水稻和小麥的產(chǎn)量,尤其是與化肥配施可以顯著提高作物產(chǎn)量,而且秸稈還田能改善土壤的供肥能力。試驗(yàn)證明,通過(guò)調(diào)節(jié)土壤C/N可使土壤速效鉀和速效磷的供應(yīng)量明顯增加。宮亮等[23]研究表明,與單施無(wú)機(jī)肥相比,施用秸稈可以改善土壤的理化性質(zhì),培肥地力,增加玉米產(chǎn)量,同時(shí)改善土壤的氮、磷、鉀養(yǎng)分狀況。在設(shè)施菜地,由于化肥氮的大量施用,造成土壤C/N比值降低。有研究表明[30],與附近糧田相比,壽光菜田土壤C/N比下降了2.4個(gè)單位,菜田碳、氮投入比例低可能是菜田土壤C/N比下降的重要原因;而土壤C/N比的下降,伴隨著菜田土壤明顯的酸化和鹽漬化。本試驗(yàn)結(jié)果表明,單獨(dú)減施化肥氮(N2處理)的增產(chǎn)率為 22.93%,低于 N1處理(增產(chǎn)率為26.51%),而減施化肥氮結(jié)合添加秸稈措施(N3處理)番茄產(chǎn)量的增長(zhǎng)率為27.99%,高于N1處理,也高于N2處理。說(shuō)明減施化肥氮26%結(jié)合添加秸稈的模式,不但沒(méi)有造成番茄產(chǎn)量的下降,反而有所增加。對(duì)植物吸收的總氮量、氮素利用率和氮肥農(nóng)學(xué)效率結(jié)果進(jìn)行分析表明,N3處理均高于N1、N2處理,說(shuō)明減施化肥氮26%結(jié)合調(diào)節(jié)土壤C/N比能夠提高當(dāng)季氮肥的利用效率,減少其施入土壤后的損失。除產(chǎn)量外,番茄品質(zhì)與氮肥供應(yīng)之間也有很大的關(guān)系,生產(chǎn)上對(duì)于不同施肥處理對(duì)果實(shí)品質(zhì)的影響也是評(píng)價(jià)施肥量合適與否的標(biāo)準(zhǔn)。本研究表明,N3處理的果實(shí)Vc含量和果實(shí)糖酸比與N1沒(méi)有顯著差異,果實(shí)糖酸比顯著高于N2處理(P＜0.05)。

大量的研究認(rèn)為,施用有機(jī)肥能夠降低土壤中的硝態(tài)氮含量,并能夠改善土壤質(zhì)量[31-33]。劉杏認(rèn)等[34]研究了不同氮水平下秸稈C/N比對(duì)土壤硝態(tài)氮?dú)埩舻挠绊懕砻?當(dāng)C/N比值高時(shí),只要不是過(guò)量施用氮肥,由于大量土壤微生物的活動(dòng),礦質(zhì)氮可被固持,一般不會(huì)產(chǎn)生硝態(tài)氮的氮量積累,甚至在一些情況下可以減少硝態(tài)氮的累積和淋失。本試驗(yàn)也驗(yàn)證了這一結(jié)果,即在減氮結(jié)合腐熟的秸稈處理,土壤0—100 cm土層累積的硝態(tài)氮含量低于農(nóng)民習(xí)慣施氮處理,這樣可以減少因土壤硝態(tài)氮的大量殘留而對(duì)地下水造成的污染。

長(zhǎng)期連作與秸稈還田條件下,土壤微生物狀況趨于好轉(zhuǎn),生物多樣性指數(shù)增加,細(xì)菌、放線(xiàn)菌數(shù)量增加,真菌數(shù)量降低,土壤蔗糖酶活性增加[35]。本研究表明,N3處理土壤脲酶和蔗糖酶活性高于N1和N2處理,土壤細(xì)菌/真菌比值(B/F值)也高于上述處理,主要是因?yàn)榻斩捄形⑸锘顒?dòng)所必需的碳源和氮源,會(huì)影響土壤微生物的活性,改變土壤的生物學(xué)狀況。

3.2 秸稈和滴灌措施對(duì)作物產(chǎn)量、品質(zhì)和土壤肥力的影響

Pier和Doerge[36]在滴灌試驗(yàn)中看出,氮素與水分互作可以使作物達(dá)到高產(chǎn)和使氮素?fù)p失最少。本試驗(yàn)在減氮結(jié)合調(diào)節(jié)C/N比基礎(chǔ)上加入了滴灌措施,番茄產(chǎn)量增產(chǎn)率為 28.81%,比N1處理增產(chǎn)1.8%。其原因一方面由于提高了土壤的C/N比;另一方面由于滴灌能夠?qū)⑺趾宛B(yǎng)分適時(shí)適量地輸送到作物根部附近,使作物根部的土壤長(zhǎng)期保持適宜于作物生長(zhǎng)的水分、通氣和營(yíng)養(yǎng)狀況,既可以較好滿(mǎn)足作物的需水需肥要求,又可以避免水分和肥料在土壤里大范圍殘留,減少對(duì)環(huán)境的污染。

肥料的農(nóng)學(xué)效率是單位面積施肥量對(duì)作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量增加的反映,是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最重要也是最關(guān)心的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一。本試驗(yàn)表明,N5處理顯著高于N1處理(P＜0.05),說(shuō)明化肥氮減施45%結(jié)合調(diào)節(jié)土壤C/N比和采用滴灌措施,土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量的供應(yīng)較明顯,土壤能維持適宜的養(yǎng)分供應(yīng)狀況,保持穩(wěn)定的產(chǎn)量,達(dá)到減肥增效的目的。這一結(jié)果也進(jìn)一步驗(yàn)證了戰(zhàn)洪成等[37]和喬立文等[38]對(duì)滴灌應(yīng)用的研究結(jié)果。

據(jù)報(bào)道[39],B/F值降低可能是大棚設(shè)施土壤土傳病害增加的原因之一,B/F值越高,土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定程度越高,這一指標(biāo)可考慮作為施肥后土壤微生物群落變化的指標(biāo)。還有研究表明[40],連作溫室土壤環(huán)境惡化主要表現(xiàn)為土壤生物環(huán)境由“細(xì)菌型”向“真菌型”過(guò)渡。真菌型土壤是地力衰竭的標(biāo)志,很多蔬菜病害的病原菌均為真菌,真菌數(shù)量的減少或抑制增加均有助于土壤微生物環(huán)境的改善?？梢?jiàn),從微生物數(shù)量的角度來(lái)看,真菌數(shù)量的減少或抑制增加均有助于土壤微生物環(huán)境的改善。本試驗(yàn)結(jié)果,N5處理B/F值均高于N1和N2處理,說(shuō)明減氮結(jié)合調(diào)節(jié)土壤C/N比和采用滴灌措施,土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定程度提高,有助于土壤微生物環(huán)境的改善,能夠降低土壤質(zhì)量的退化。

綜上所述,在壽光設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中,在農(nóng)民習(xí)慣用量的基礎(chǔ)上減少化肥氮施用量30%～50%是有可能的,但要結(jié)合施用秸稈調(diào)節(jié)土壤C/N比和采用滴灌的集成模式。綜合分析農(nóng)學(xué)效率、氮素利用率、果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)及土壤生物功能的基礎(chǔ)上,試驗(yàn)篩選出N3(74%農(nóng)民習(xí)慣施化肥氮+秸稈)和N5(55%農(nóng)民習(xí)慣施化肥氮+秸稈+滴灌)兩個(gè)集成模式具有明顯優(yōu)勢(shì)。

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