鄭健,石聰,楊少鴻,宿智鵬,劉俊彥

(1. 蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050; 2. 甘肅省生物質(zhì)能與太陽能互補供能系統(tǒng)重點實驗室,甘肅 蘭州 730050;3.西北低碳城鎮(zhèn)支撐技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,甘肅 蘭州 730050)

15N utilization rate;TOPSIS method

中國的氮肥消費量約占世界氮肥消費的35%以上,而氮肥利用率僅有30%左右[1].準確計算氮肥利用率、明確氮肥來源和去向是提高氮肥施用效益、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提.計算氮肥利用率的方法主要有差減法和15N示蹤法.已有研究表明15N示蹤法能準確地區(qū)分氮肥的來源和去向[2-3],而差減法無法準確完成.

分根交替灌溉是一種根區(qū)干濕交替灌溉的高效節(jié)水技術(shù),更有利于植株對氮素的吸收,并提高產(chǎn)量和水氮利用效率[4].采用外部添加劑增加土壤養(yǎng)分在根區(qū)的滯留量,從而進一步提升作物的氮肥利用率值得關(guān)注.生物炭是植物廢棄物在缺氧條件下高溫裂解產(chǎn)生的固態(tài)產(chǎn)物,不但含有一定的營養(yǎng)元素,還具有比表面積大、吸附性強的特點,是一種優(yōu)良的土壤改良劑.LI等[5]研究表明生物炭能夠改變土壤的組成,為作物提供良好的生長環(huán)境,促進作物生長;AKHTAR等[6]研究表明,在分根交替灌溉下添加生物炭可以提高番茄水分利用效率和產(chǎn)量,但對番茄生長利用氮素的來源和去向沒有進行探討.

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)評價獲得的生產(chǎn)模式能夠?qū)r(nóng)業(yè)生產(chǎn)起到積極的指導(dǎo)作用,有效提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益.層次分析法、熵權(quán)法和TOPSIS法是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)評價中應(yīng)用較為成熟的方法[7].WANG等[8]利用層次分析法和TOPSIS法建立綜合質(zhì)量指數(shù),分析了綜合質(zhì)量指數(shù)的合理性.但現(xiàn)有研究對分根交替灌溉條件下,不同炭氮耦合模式對番茄品質(zhì)、產(chǎn)量、氮素利用效率的綜合效益評價還缺少探討.

基于此,文中采用盆栽的方式,以番茄為研究對象,利用15N示蹤技術(shù),研究分根交替灌溉下,炭氮耦合對番茄生長、產(chǎn)量、品質(zhì)、水分利用效率、肥料氮的吸收利用、積累、損失及氮肥利用率的影響,并采用基于組合賦權(quán)的TOPSIS法評價番茄綜合效益,確定最優(yōu)的炭氮耦合模式.旨在為推進化肥減施、提高土壤的可持續(xù)利用提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2021年3月至7月在蘭州市七里河區(qū)狗牙山魏嶺鄉(xiāng)水肥一體化溫室大棚(104°23′46″E,36°5′19″N,海拔1 869.4 m)中進行.大棚東西走向,頂部覆聚乙烯薄膜,自然光照,墻體厚約70 cm,保溫效果好.該地區(qū)屬于典型的溫帶大陸性氣候,冬冷夏熱,四季分明,年均降雨量367 mm,年均蒸發(fā)量1 180 mm,年均氣溫11.2 ℃,無霜期160 d.

1.2 試驗材料

供試土壤為黃綿土,田間持水率為25.3%(質(zhì)量含水率),土壤有機質(zhì)質(zhì)量比為18.5 g/kg,全氮質(zhì)量比為0.8 g/kg,有機碳質(zhì)量比為10.82 g/kg,pH值為7.39,容重為1.35 g/cm3.試驗所用氮肥是由上?；ぱ芯吭禾峁┑呢S度為10.10%、含氮質(zhì)量分數(shù)為40%的15N標記尿素.試驗所用生物炭為小麥秸稈生物炭,pH值10.13、容重0.19 g/cm3、比表面積9 m2/g、總孔隙度67.03%、陽離子交換量60.8 mol/kg,全氮質(zhì)量比為13.17 g/kg.

供試材料為“中研958F1”番茄.在番茄為四葉一心時移栽于種植桶中,種植桶直徑30 cm、高34 cm,每桶裝入過2 mm篩的干土22 kg.在塑料桶底部鉆6個孔以增強透氣性,塑料桶中間用塑料薄膜隔開,防止兩側(cè)水分交換,塑料膜中央裁剪“V”型缺口栽種番茄.每盆定植一株,緩苗7 d,緩苗期用水2 000 mL進行保苗處理.

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用分根交替灌溉,設(shè)置了3個生物炭混摻量(與土壤質(zhì)量比τm為0,1%和2%,分別記為B0,B1和B2),3個施氮量N(150,300,450 kg/hm2,分別記為N1,N2和N3)共9個處理,每處理6盆,每處理重復(fù)3次,共計162盆,具體試驗設(shè)計見表1.灌溉頻率為每2 d一次,灌溉量采用φ20型氣象蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量控制,灌溉量的計算式為

I=KpSEp,

(1)

式中:I為灌溉量;Kp為作物蒸發(fā)系數(shù),取值0.7;S為試驗處理控制面積,700 cm2;Ep為2 d/次頻次蒸發(fā)皿所蒸發(fā)的水量.

在番茄苗期、開花結(jié)果期和成熟期,按照質(zhì)量比為1∶2∶2施用15N尿素,其中苗期15N尿素隨基肥施入,開花結(jié)果期和成熟期15N尿素分別于取樣前10 d隨水施入.所有處理基肥按當?shù)剞r(nóng)民施用量一次性施入(磷肥94.5 kg/hm2、鉀肥97.5 kg/hm2).

1.4 測定項目與方法

1.4.1 生長指標的測定

株高、莖粗的測定:在番茄整個生育期內(nèi),每隔2 d測量一次株高、莖粗.株高用米尺(精度為1 mm)自莖稈基部土面至植株生長最高點測量,結(jié)合十字交叉法,用電子游標卡尺(精度為0.01 mm)在番茄莖稈基部測量莖粗.

干物質(zhì)質(zhì)量的測定:試驗結(jié)束后,每個處理選取具有代表性的3株番茄和土壤;將番茄植株分成根、莖、葉、果,沖洗干凈裝入自封袋,和土壤一起帶回實驗室.植物樣品稱重后放入105 ℃烘箱進行30 min殺青,最后在75 ℃烘箱中烘干至恒量并稱量各器官干物質(zhì)量,土壤避光風(fēng)干備測.

1.4.2 產(chǎn)量及品質(zhì)的測定

產(chǎn)量的測定:每個處理隨機選取3株番茄于成熟期采摘后用電子秤(精度為0.01 g)稱量并記錄,最后每個處理計算平均值作為番茄單株產(chǎn)量.

品質(zhì)的測定[9]:可溶性糖采用蒽酮顯色反應(yīng)測定;可滴定酸采用氫氧化鈉標準液滴定法測定;可溶性蛋白采用G-250染色法測定;維生素C采用2,6-二氯酚靛酚滴定法測定.

1.4.3 水分利用效率

水分利用效率的公式[10]為

WUE=Y/ET,

(2)

式中:WUE為水分利用效率,kg/L;Y為產(chǎn)量,kg/株;ET為耗水量,m3.

1.4.4 氮素含量的測定

番茄植株全氮質(zhì)量比(TN)采用凱氏定氮儀測定.植株15N豐度采用Finnigan DELTA V Advantage同位素比率質(zhì)譜儀(美國Thermo Fisher Scientific公司)測定.

1.4.5 氮素利用指標

肥料貢獻率(Nitrogen derived from fertilizer,Ndff)=[(樣品15N豐度-自然界中15N豐度)/(15N標記尿素中15N豐度-自然界中15N豐度)]×100%;番茄吸收氮素來源于土壤氮的比例(Nitrogen derived from soil,Ndfs)=1-Ndff;番茄各器官15N吸收量A=各器官全氮質(zhì)量比×Ndff;番茄15N吸收量B=根15N吸收量+莖15N吸收量+葉15N吸收量+果15N吸收量;土壤15N殘留量C=土壤干質(zhì)量×土壤全氮質(zhì)量比×[(土壤樣品15N豐度-自然界中15N豐度)/(15N標記尿素15N豐度-自然界中15N豐度)]×100%;15N損失量D=施氮量-土壤15N殘留量-番茄15N吸收量;番茄各器官吸收土壤氮量E=番茄各器官全氮質(zhì)量比×Ndfs;番茄吸收土壤氮量F=根吸收土壤氮量+莖吸收土壤氮量+葉吸收土壤氮量+果吸收土壤氮量;15N回收率G=[(土壤15N殘留量+番茄各器官15N吸收量)/施氮量]×100%;番茄15N利用率H=(番茄15N吸收量/施氮量)×100%.

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用TOPSIS法對不同處理番茄生長和氮素利用效益[7]進行評價;采用SPSS 26.0對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析、Ducan多重比較分析,差異顯著水平為P<0.05;利用Origin 2018軟件繪圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 番茄生長及干物質(zhì)

圖1為番茄株高h、莖粗d和干物質(zhì)質(zhì)量m.由圖可知,施氮量相同時,株高、莖粗和干物質(zhì)質(zhì)量均隨生物炭添加量增加而增加,與不添加生物炭處理(B0)相比,添加生物炭處理(B1,B2)提高株高2.60%～11.72%,提高莖粗3.61%～14.46%,增加干物質(zhì)累積3.68%～26.58%.生物炭添加量相同時,各施氮水平的處理之間差異具有統(tǒng)計學(xué)意義 (P<0.05),株高、莖粗隨施氮量增加而增加,干物質(zhì)質(zhì)量隨施氮量增加呈先增加后減小的趨勢,其中處理B2N3的株高和莖粗最大,株高較處理B2N2和B2N1的分別高1.06%和4.13%;處理B2N3的莖粗較B2N2和B2N1的分別高2.15%和6.74%;與150和450 kg/hm2相比,施氮量為300 kg/hm2時更有利于番茄干物質(zhì)的積累.處理B2N2的干物質(zhì)質(zhì)量為各處理中最高,且與各處理之間差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),試驗結(jié)束時,根、莖、葉、果的干物質(zhì)質(zhì)量分別為3.83,36.10,41.86,63.17 g.說明生物炭與氮肥配施能夠?qū)Ψ阎仓甑纳L和干物質(zhì)累積產(chǎn)生積極的影響,但施氮量過高可能會導(dǎo)致植株徒長.

2.2 番茄各器官氮素分配

2.2.1 番茄各器官肥料貢獻率

表2為番茄各器官肥料貢獻率Ndff.從表可以看出,當生物炭添加量相同時,番茄各器官Ndff隨施氮量增加而增加;當施氮量相同時,番茄各器官Ndff隨生物炭添加量增加而減小,各處理中Ndff按器官排序由大到小依次為葉,果,根,莖;處理B0N3的根、莖、葉、果Ndff最高,分別為15.09%,13.06%,18.77%和16.30%,處理B2N1的根、莖、葉、果Ndff最低,分別為10.72%,9.96%,13.42%和11.62%,兩者之間各器官分別相差了4.37%,3.10%,5.35%和4.68%,且兩處理間差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);番茄各器官Ndff存在差異,表明番茄各器官對肥料的征調(diào)能力存在差異,其中果和葉的征調(diào)能力最強,使植株吸收的肥料氮素從根通過莖向植物生長最旺盛的部分果和葉轉(zhuǎn)運.添加生物炭使各器官Ndff減小,說明生物炭的添加會導(dǎo)致植株各器官15N豐度減小,其較強的吸附力將更多的肥料氮被吸附截留在土壤中.

表2 番茄各器官肥料貢獻率

2.2.2 番茄各器官15N吸收量

圖2為番茄各器官15N吸收量A.由圖可知,15N吸收量在番茄各器官中的分配存在差異,不同器官15N吸收量順序由大到小為果,葉,莖,根.番茄各器官15N吸收量趨勢一致,當生物炭添加量相同時,番茄各器官15N吸收量隨施氮量增加而增加;當施氮量相同時,番茄各器官15N吸收量隨生物炭添加量增加而增加.不同處理的根15N吸收量為0.007 9～0.015 9 g/株,莖15N吸收量為0.055 7～0.130 8 g/株,葉15N吸收量為0.098 6～0.228 0 g/株,果15N吸收量為0.136 0～0.324 5 g/株.處理B2N3的根、莖、葉、果15N吸收量最大,分別為0.015 9,0.130 8,0.228 0,0.324 5 g/株,較處理B0N3分別提高了21.98%,37.86%,18.33%,38.82%,且兩處理間各器官15N吸收量差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);處理B2N3的根、莖、葉、果15N吸收量較處理B2N1分別提高了49.10%,68.77%,60.12%,74.51%,且兩處理間各器官15N吸收量差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),表明生物炭添加量增加和施氮量增大均能增加植株對15N的吸收量。

圖2 番茄各器官15N吸收量

2.2.3 番茄各器官全氮吸收量

表3為番茄各器官全氮質(zhì)量比TN.從表中可以看出,生物炭和氮肥配施較單施氮肥能顯著提高番茄各器官全氮質(zhì)量比(P<0.05).當施氮量相同時,各器官全氮質(zhì)量比隨生物炭添加量增加而增加;當生物炭添加量相同時,各器官全氮質(zhì)量比隨施氮量增加而增加;處理B2N3的根、莖、葉、果的全氮質(zhì)量比最高,分別為30.07,31.59,34.49和35.28 g/kg,而處理B0N1的根、莖、葉、果的全氮質(zhì)量比最低,分別為17.43,18.28,20.82和19.16 g/kg,且兩處理各器官全氮質(zhì)量比差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);成熟期番茄果實和葉中全氮質(zhì)量比較高,說明成熟期番茄的果實和葉片生長發(fā)育旺盛,根系從土中吸收的氮素通過根系運輸?shù)饺~片和果實中.

表3 番茄各器官全氮質(zhì)量比

2.3 肥料氮去向

圖3為肥料氮(15N)去向,ND為15N量;肥料氮施入土壤后一般有3種去向:一部分被植株吸收利用(番茄15N吸收量B),另一部分殘留在土壤中(土壤15N殘留量C),剩余部分就通過各種途徑損失(15N損失量D).如圖所示,不同處理間15N殘留量存在一定差異,處理B2N3的最大為1.510 g/株,B0N1的最小為0.342 g/株,且差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);當施氮量相同時,添加生物炭可顯著提高15N殘留量,且隨生物炭添加量增加而增大;處理B1N3和B2N3的15N殘留量較B0N3分別增加了28.65%和44.09%.處理B1N2和B2N2較B0N2的15N殘留量提高了23.60%和34.26%.處理B1N1和B2N1分別較B0N1的15N殘留量提高了16.88%和32.95%;當生物炭添加量相同時,隨施氮量增加,15N殘留量也逐漸增加,處理B2N3和B2N2較B2N1分別增加了1.055和0.473 g/株.說明生物炭較強的吸附性能夠?qū)⒎柿系皆谕寥乐?增加了15N在根區(qū)土壤中的滯留量,增強了土壤肥力.

圖3 肥料氮(15N)去向

不同處理間15N損失量差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),處理B0N3的15N損失量最大,為1.598 g/株;B2N1的15N損失量最小,為0.259 g/株,兩處理之間相差了1.339 g/株;當施氮量相同時,隨生物炭的添加,15N損失量逐漸減小.添加生物炭的處理(B1,B2),15N損失量為0.259～1.217 g/株,較不添加生物炭的處理(B0)減少0.161～0.381 g/株;當生物炭添加量相同時,隨施氮量增加,15N損失量也逐漸增加.B1N3的損失量為1.217 g/株,顯著高于處理B1B1和B1N2.說明添加生物炭有效減少了肥料損失,而施氮量過大會增加肥料的損失.

不同處理間番茄15N吸收量存在一定差異,處理B2N3的15N吸收量最大(0.699 g),B0N1的最小(0.298 g);當施氮量相同時,隨生物炭的添加,番茄15N吸收量也逐漸增加,處理B1N1的15N吸收量較B0N1的大了9.40%,但兩者之間差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義,處理B2N1的15N吸收量較B0N1大了16.1%,處理B2N2和B1N2較B0N2的15N吸收量分別增加了47.06%和20.14%,處理B2N3和B1N3較B0N3的15N吸收量分別增加了30.90%和15.17%;當生物炭添加量相同時,番茄15N吸收量隨施氮量增加而增加,表明添加生物炭能促進植株吸收肥料氮.

2.4 番茄氮素吸收利用情況

表4為番茄氮素吸收利用情況.

表4 番茄氮素吸收利用情況

從表4可以看出,隨生物炭添加量和施氮量增大,番茄吸收土壤氮量F、全氮吸收量TNA均呈增加趨勢,其中處理B2N3吸收土壤氮量和全氮吸收量均最高,B0N1最低;番茄吸收15N肥料氮量的比例B/TNA隨生物炭添加量增加而降低,處理B2N1最低(10.58%),B0N3最高(16.32%),兩者相差5.74%,且差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);番茄15N回收率G和15N利用率H在施氮量相同時,隨生物炭添加量增加而增加,當生物炭添加量相同時,隨施氮量增加而降低;處理B2N1的15N回收率最高(75.53%),B0N3最低,且兩處理間差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);處理B2N1的15N利用率最高(31.84%),與B2N2相差了1.16%,兩者之間差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義;處理B0N3的15N利用率最低(16.80%),顯著低于B2N1(P<0.05).表明添加生物炭能夠提高植株吸收土壤氮的比例,同時也增加了15N在土壤中的滯留量,提高了15N肥料回收率和15N肥料利用率.

2.5 番茄產(chǎn)量、水分利用效率及品質(zhì)指標

表5為番茄產(chǎn)量Y、水分利用效率WUE情況.從表可以看出,當施氮量相同時,番茄產(chǎn)量隨生物炭添加量增大而增大.處理B2N2獲得了最大產(chǎn)量(2.61 kg/株),而B0N1的產(chǎn)量最低(1.95 kg/株),兩處理間差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);當生物炭添加量為1%和2%,施氮量為300 kg/hm2時產(chǎn)量最大,說明產(chǎn)量隨施氮量增加呈先增大后減小的趨勢.試驗中各處理灌溉量一致,所以水分利用效率與產(chǎn)量的變化趨勢一致,處理B2N2的水分利用效率最大(84.82 kg/m3),B0N1的最低(63.37 kg/m3),且兩處理間差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05).說明增加施氮量和生物炭添加量有利于提高番茄產(chǎn)量和水分利用效率.

表5 番茄產(chǎn)量、水分利用效率情況

可溶性糖(WSS)、可滴定酸(Ta)、維生素C(Vc)、可溶性蛋白(Sp)是影響番茄口味和營養(yǎng)價值的重要指標.表6為不同處理對番茄品質(zhì)的影響.

表6 不同處理對番茄品質(zhì)的影響

從表可以看出,相同施氮量下,添加生物炭的處理(B1,B2)各項品質(zhì)指標均得到了提高.處理B2N2的可溶性糖、維生素C、可溶性蛋白取得最大值,較B0N2分別提高了13.39%,7.20%和18.39%,且兩處理間各指標差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),說明添加生物炭能有效改善番茄品質(zhì);處理B2N3的可滴定酸最大,較B2N2提高了2.3%,且兩處理之間差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05).而施氮量為450 kg/hm2時的品質(zhì)并非最佳,這可能是由于施氮量過大,破壞了土壤養(yǎng)分的平衡,因此不利于植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用.

2.6 番茄生長和氮素利用的綜合評價

2.6.1 番茄單一指標權(quán)重的確定

選取干物質(zhì)質(zhì)量、株高、莖粗、15N利用率、15N回收率、全氮吸收量、產(chǎn)量、水分利用效率、可溶性糖、可滴定酸、維生素C、可溶性蛋白12個指標,構(gòu)建評價層次結(jié)構(gòu),如圖4所示,圖中A,B,P代表番茄生長效益指標層次結(jié)構(gòu).

圖4 番茄綜合效益層次分析模型

通過兩兩因素之間的比較構(gòu)建判斷矩陣,最后計算出各個指標間的局部權(quán)重βi和最終權(quán)重θi,見表7,表中CR為判斷矩陣中的一致性檢驗參數(shù),CR<0.100,表明滿足一致性要求;λmax為最大特征值.由表可知,各層一致性檢驗系數(shù)CR均小于0.100,說明滿足一致性要求.

表7 基于層次分析法的番茄綜合效益指標權(quán)重

用番茄單一生長、氮素利用、生長效益、品質(zhì)指標構(gòu)造指標矩陣,利用熵權(quán)法(EWM)計算各項評價指標的客觀權(quán)重μi,見表8(詳細過程見文獻[11]).

為了更加公正客觀地評價番茄綜合效益,將最終權(quán)重θi和客觀權(quán)重μi利用式(3)計算得出各個指標的組合權(quán)重Wi.

(3)

式中:θi和μi分別為層次分析法和熵權(quán)法確定的第i個評價指標的最終權(quán)重和客觀權(quán)重.計算結(jié)果見表9.

表8 基于熵權(quán)法的番茄綜合效益指標權(quán)重

表9 基于組合賦權(quán)的番茄綜合效益指標組合權(quán)重

2.6.2 基于組合賦權(quán)的TOPSIS法評價

表10為TOPSIS法評價結(jié)果及排序,表中D+和D-分別表示各處理的與正、負理想解的加權(quán)距離;Si為最終評分.從表中可以看出,添加生物炭1%和2%處理的貼近度較不添加生物炭處理的貼近度更高.其中處理B2N2的評分最高,B2N3次之,B0N2最低.說明生物炭添加量為2%、施氮量為300 kg/hm2時有利于番茄生長和品質(zhì)提高,同時15N利用率和產(chǎn)量也較高,能夠減少肥料的損失,番茄的綜合效益最高.這可能是因為添加生物炭增大了土壤的孔隙度,有利于番茄根系呼吸,比表面積較大使其具有較強的吸附性,對養(yǎng)分的固持能力較強,從而為作物提供了良好的生長環(huán)境,使得促進生長且提高產(chǎn)量、品質(zhì)和氮肥利用率效果明顯.

表10 TOPSIS法評價結(jié)果及排序

3 討 論

分根交替灌溉較傳統(tǒng)灌溉更能促進番茄根系中毛根的生長,提高氮素在番茄中的積累[4].而生物炭添加入土壤后可以提高作物的產(chǎn)量和水分利用效率[6].試驗中,分根交替灌溉下的炭氮耦合模式較單施氮肥模式更有利于提高番茄株高、莖粗和干物質(zhì)質(zhì)量,這與GUO等[12]的研究結(jié)果類似.表明相同灌溉施肥條件下,在土壤中施加生物炭更有利于促進作物生長和干物質(zhì)的形成.

氮素的積累和分配對作物的增產(chǎn)有重要意義.試驗中在分根交替灌溉條件下,番茄各器官Ndff隨生物炭添加逐漸減小,表明生物炭使各器官15N豐度降低.主要是由于生物炭對土壤中微生物的固定化作用增強,增加了15N的滯留量[13],同時生物炭的化學(xué)吸附也可能有助于15N在土壤中的滯留.陳麗楠等[14]研究表明果實對15N的征調(diào)能力最強,果樹吸收的15N優(yōu)先儲藏在果實中.文中試驗研究表明,番茄各器官的15N吸收量和全氮質(zhì)量比均隨施氮量增加而增大;果實的15N吸收量最高,全氮多集中在葉片和果實當中.這可能是因為葉片是光合物質(zhì)形成的器官,而果實是植物生殖生長的主要體現(xiàn),使得果實和葉片成為作物生長發(fā)育最旺盛的部位,番茄植株吸收的營養(yǎng)物質(zhì)通過莖稈運輸?shù)焦麑嵑腿~片中滿足植物生長需求.添加生物炭增加了番茄各器官的15N吸收量,這主要是生物炭添加后增大了土壤孔隙度、改善了土壤結(jié)構(gòu),為微生物的生存提供了較好的繁殖環(huán)境,提高了土壤肥力,從而促進了番茄對土壤中養(yǎng)分的吸收.

研究表明,添加生物炭能夠增加作物對肥料氮的吸收,提高作物對肥料氮的回收率,增加土壤中15N殘留量[15].文中試驗表明,施加生物炭能夠促進番茄對肥料氮的吸收,但處理B0N1和B1N1之間植株的15N吸收量差異并不具有統(tǒng)計學(xué)意義,可能是處理B1N1中生物炭施加量和氮肥都處于較低水平,沒有形成協(xié)同作用,使番茄植株15N吸收量較少.而施加生物炭會增加肥料氮在土壤中的殘留,并減少肥料氮的損失.這可能是因為生物炭較大的比表面積增加了土壤對肥料的吸附和固持能力[16],使得肥料在土壤中的滯留量增加,但隨施氮量增加,肥料氮的損失量也逐漸增大.

氮肥利用率是影響農(nóng)田氮肥管理水平的重要因素之一.李鑫鑫等[17]研究表明,滴灌條件下施氮量過高不利于提高葡萄的氮素利用率,這與文中試驗的15N利用率隨施氮量增加而減小的結(jié)果類似.

文中試驗中,在施氮量為150 kg/hm2時,15N回收率、15N利用率高于其他處理,因而過高的氮素投入不利于提高氮肥利用率和氮肥回收率;植株肥料貢獻率隨生物炭添加量增加而降低,但15N利用率卻隨之提高.主要是施加生物炭在改善土壤環(huán)境的同時,與施入氮肥形成了協(xié)同作用,促進了番茄生長和干物質(zhì)累積,使得植株對氮素的需求量增大,提高了番茄氮肥利用率.施加生物炭的處理,產(chǎn)量隨施氮量增加呈先增大后減小的趨勢,而沙海寧等[18]研究表明施氮量在600 kg/hm2以下時隨施氮量增加,產(chǎn)量也增加.這可能是由于生物炭與氮肥配施,更多的營養(yǎng)物質(zhì)固定在根區(qū)附近,形成良好的根區(qū)環(huán)境促進了植物生長發(fā)育,提高了15N利用率,從而達到了在減少施氮的條件下維持高產(chǎn)的效果.

農(nóng)田水肥管理的目的就是通過協(xié)調(diào)水肥關(guān)系,實現(xiàn)作物節(jié)水、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的目標.但在實際生產(chǎn)當中,作物產(chǎn)量、氮肥利用效率、品質(zhì)和水分利用效率幾個指標的最大化很難同時實現(xiàn).研究表明, TOPSIS法對蔬菜品質(zhì)的評價更為合理[19].文中通過基于組合賦權(quán)的TOPSIS法對番茄生長、氮素利用、產(chǎn)量和品質(zhì)指標進行綜合效益評價的結(jié)果表明,生物炭添加量為2%,施氮量為300 kg/hm2時,番茄產(chǎn)量、氮素利用和品質(zhì)均得到明顯提高.說明適宜的施氮量和生物炭添加量有利于促進番茄生長、氮素吸收利用,提高產(chǎn)量和品質(zhì).

4 結(jié) 論

1) 分根交替灌溉下,添加生物炭能夠促進番茄株高、莖粗增長和干物質(zhì)質(zhì)量積累,并提高產(chǎn)量、水分利用效率和品質(zhì).其中處理B2N2的產(chǎn)量和水分利用效率最高,分別為2.61 kg/株、84.82 kg/L.

2) 分根交替灌溉下,添加生物炭、增加施氮量均能夠提高番茄各器官的15N吸收量、全氮質(zhì)量比和15N殘留量.各器官15N吸收量由大到小排序為果、葉、莖、根;全氮質(zhì)量比以葉片和果實居高.與不添加生物炭處理相比,添加生物炭的處理提高15N殘留量16.88%～44.09%;添加生物炭能夠降低肥料氮的損失和肥料貢獻率,提高氮肥利用率.

3) 基于組合賦權(quán)的TOPSIS法評價表明,分根交替灌溉條件下,生物炭添加2%、施氮量300 kg/hm2的處理B2N2綜合效益評分最高(0.942 9),是文中試驗條件下最理想的處理.