張哲,楊潤亞,朱瑾瑾,張振華,耿亞軍,孫軍娜,周義堂,徐娜
(1.魯東大學資源與環(huán)境工程學院,山東 煙臺 264025;2.魯東大學生命科學學院,山東 煙臺 264025;3.西北農林科技大學水利與建筑工程學院,陜西 楊陵 712100;4.魯東大學水利工程學院,山東 煙臺 264025)
設施番茄在中國種植面積很大,具有很高的經(jīng)濟價值.但是,設施番茄的種植通常采用大水大肥的方式,且存在盲目偏施氮肥的現(xiàn)象,溫室大棚施氮量普遍超出作物吸收的3~5倍[1],造成氮肥大量浪費.設置適宜的施氮量以最大限度地提高作物產(chǎn)量并不容易,由于土壤有機質的礦化和土壤硝酸鹽的淋溶和反硝化作用,不同種土壤之間、甚至同種土壤內部最佳施氮量都有很大的差異[2].因此,在保證作物產(chǎn)量的同時提高氮肥利用效率、降低氮素殘留對未來設施農業(yè)的發(fā)展非常重要.
適宜的滴灌和優(yōu)化施氮可以提高作物對水、氮的利用[3-4],但是作物對于水肥的利用到一定程度后難以提高,這可能是因為根區(qū)土壤在灌溉后水分飽和度過高,作物缺氧所致[5].研究表明,灌溉水過多時,驅替了土壤中的氧氣,降低了土壤通氣性,抑制了根系對養(yǎng)分的吸收[6],制約了作物的生產(chǎn)潛能.地下氧灌是在地下滴灌的基礎上,將水氣混合液輸送到作物根區(qū)土壤,有效改善作物根區(qū)缺氧狀況[7].目前,關于地下氧灌條件下,在不同水肥氣因素下對作物的水肥吸收利用效率研究較多,但是大都忽視了過量施肥澆水給土壤環(huán)境帶來的壓力.文中設置不同水平加氧量、施氮量和灌水量,從降低氮素殘留和提高番茄水氮吸收利用及產(chǎn)量2個角度進行分析,目標是得到環(huán)境和產(chǎn)量效益雙優(yōu)的水肥氣協(xié)同方案.
試驗在山東省壽光市魯盛農業(yè)研發(fā)中心日光溫室中進行(118°39′43.6″E,36°57′29.36″N),溫室長95 m,寬10 m.整個生育期內溫室溫度為7~43 ℃.供試土壤質地為黏質壤土,土壤類型為潮土,0~60 cm土層平均硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的質量比分別為101.34和24.83 mg/kg,有機碳質量比為8.02 g/kg,pH為8.31.
供試番茄品種為毛粉“歐曼達三號”,溫室內穴盤育苗,番茄于4葉1心至5葉1心時移栽,次日澆透底水,所有種植行做覆膜處理,其余田間管理措施相同,五穗果時打頂,全生育期為133 d.生育期劃分為苗期(2021-03-18—2021-04-11)、開花結果期(2021-04-12—2021-05-15)、果實膨大期(2021-05-16—2021-06-16)、果實成熟期(2021-06-17—2021-07-28).
試驗設置了三因素:① 3個不同加氧水平,即不加氧A1、低氧A2、中氧A3(氧氣質量濃度分別為0,10,20 mg/L);② 3個不同施氮水平,即低氮N1、中氮N2、高氮N3(根據(jù)當?shù)赝扑]施肥水平300 kg/hm2,設置為其50%,75%,100%);③ 3個不同灌水水平,即低水量W1、中水量W2、高水量W3(分別取作物蒸發(fā)皿系數(shù)Kcp為0.50,0.75和1.00時所求得的灌水量:1 920,2 880,384 0 m3/hm2).為消除隨機誤差,增設一組空白列,采用L9(34)正交試驗表,試驗設計見表1,表中A,N,W分別為加氧量、施氮量、灌水量.
表1 試驗設計
小區(qū)面積為8.6 m2(長8.6 m,寬1.0 m),采用雙行種植模式,每個小區(qū)定植38株番茄.小區(qū)內采用地下滴灌的供水方式,每個小區(qū)內鋪設2條地下滴灌管,滴頭間距為20 cm,滴灌管間距為40 cm,埋深為15 cm,滴頭額定流量為2.0 L/h,額定工作壓力為0.10 MPa.試驗氮素的類別為尿素(氮質量分數(shù)為46%),按照1∶2∶2∶1的比例在番茄生長的苗期、開花結果期、果實膨大期、成熟期以水肥耦合的方式施入,施用磷酸二氫鉀(P2O5,K2O的質量分數(shù)分別為52%和34%),所有處理均為210 kg/hm2.
試驗中不同加氧處理使用水肥氣一體化設備(鄭州市達爾克電子科技有限公司)進行加氧,該設備利用變壓吸附分離原理制備純氧,通過外置的儲水罐進行循環(huán)曝氣,可制備高溶解氧微氣泡水.灌水量由E601型蒸發(fā)皿測定的蒸發(fā)量確定,以前1 d 08:00經(jīng)24 h蒸發(fā)后的蒸發(fā)量為依據(jù),當累積蒸發(fā)量達到20 mm時進行灌水,在番茄成熟期采摘時不再予以澆水(防止裂果).灌水量計算公式為
I=SEpKcp,
(1)
式中:I為每個小區(qū)每次的灌水量,m3;S為2個支管控制的小區(qū)面積,8.6 m2;Ep為2次灌水間隔內溫室內蒸發(fā)皿累積蒸發(fā)量,20 mm;Kcp為蒸發(fā)皿系數(shù).
1.3.1 土壤礦質態(tài)氮
1.3.2 番茄各部位生物量、全氮質量比以及產(chǎn)量
于番茄成熟期采集其地上部(莖、葉、果)和地下部(根系)植株樣品,烘干稱質量,采用濃硫酸消煮,用奈氏比色法測定全氮質量比.在果實成熟期,每個處理稱量標記長勢良好的9株番茄(每個小區(qū)取3株求和,1個處理3次重復)測定產(chǎn)量,求得整個處理的番茄產(chǎn)量.
番茄氮素吸收量(nitrogen uptake of tomato,Nu, kg/hm2)計算式為
Nu=TnDm/1 000,
(2)
式中:Tn為番茄各器官全氮質量比,g/kg;Dm為番茄干物質量,kg/hm2.
氮素利用效率(nitrogen use efficiency,NUE,kg/kg)計算式為
NUE=Y/Nu,
(3)
式中:Y為番茄產(chǎn)量,kg/hm2.
灌溉水分利用效率(irrigation water use efficiency,IWUE,kg/m3)計算式為
IWUE=Y/I,
(4)
式中:I為實際灌水量,m3/hm2.
氮肥偏生產(chǎn)力(partial productivity of nitrogen fertilizer,PFPN,kg/kg)計算式為
PFPN=Yn/N,
(5)
式中:Yn為不同施氮處理番茄產(chǎn)量,kg/hm2;N為施氮量,kg/hm2.
采用 Microsoft Excel 2010 進行數(shù)據(jù)整理,SPSS 22.0 統(tǒng)計軟件進行多因素方差分析,多重比較采用Duncan法,Origin 2017軟件作圖.
圖1 番茄主要生育期不同處理0~60 cm土壤剖面礦質態(tài)氮質量比分布
表2 不同處理間各土層硝態(tài)氮質量比差異分析
表3 不同處理間各土層銨態(tài)氮質量比差異分析
表4為水、氮、氣三因素對番茄各器官全氮質量比Tn的影響.加氧量和灌水量對番茄各器官全氮質量比的影響不具有統(tǒng)計學意義(P>0.05).施氮量對番茄果實和根系全氮質量比的影響具有統(tǒng)計學意義(P<0.05),處理N3相較于N2和N1,番茄果實全氮分別提升了27.33%和33.33%;中氮水平下根系全氮質量比最高,為29.67 g/kg.
表4 番茄各部位全氮質量比差異分析
表5為水、氮、氣三因素對番茄的氮素利用效率(NUE)、灌溉水利用效率(IWUE)、氮素吸收量(Nu)、氮肥偏生產(chǎn)力(PFPN)和產(chǎn)量(Y)的差異分析.加氧量對IWUE和PFPN的影響具有統(tǒng)計學意義(P<0.05),處理A3相較于A2和A1,IWUE分別提升了8.43%和17.81%;處理A3相較于A2和A1,PFPN分別提升了20.18%和27.45%.施氮量的變化對于PFPN的影響有統(tǒng)計學意義(P<0.01),處理N3和N2相較于N1,分別降低了85.62%和35.25%.灌水量對于IWUE和PFPN的影響具有統(tǒng)計學意義(P<0.01),處理W3和W2相較于W1,IWUE分別降低了50.62%和27.41%;處理W3相較于W2和W1,PFPN分別提升了20.22%和37.48%.
水、氮、氣3個因素對于產(chǎn)量的影響排序由大到小表現(xiàn)為灌水量,加氧量,施氮量.加氧和不加氧處理之間產(chǎn)量差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05),處理A3相較于A2和A1,番茄產(chǎn)量分別提高了11.20%和18.41%.處理N2下,番茄產(chǎn)量高于N1和N3的,但是番茄產(chǎn)量在不同施氮處理之間的差異不具有統(tǒng)計學意義(P>0.05).灌水量的變化對番茄產(chǎn)量的影響具有統(tǒng)計學意義(P<0.01),處理W3相較于W2和W1,產(chǎn)量分別顯著提升了15.44%和32.88%(P<0.05).因此獲得最大番茄產(chǎn)量的理想處理組合為A3N2W3,但是考慮到不同施氮處理之間差距不具有統(tǒng)計學意義(P>0.05),將A3N1W3作為最佳處理組合,既能保證產(chǎn)量又能降低氮素投入,提高PFPN.
表6為番茄產(chǎn)量與氮素利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮素吸收量、灌溉水利用效率、番茄全氮含量相關分析,UN和RN分別為番茄地上部和根系全氮質量比.由表可知,Y與NUE和UN呈顯著正相關(P<0.05),NUE與PFPN呈顯著正相關(P<0.05),Y與IWUE和Nu相關性不顯著(P>0.05).UN與Nu呈顯著正相關(P<0.05),說明番茄產(chǎn)量與氮素利用效率、地上部全氮質量比高度相關.
表5 番茄水氮吸收利用、氮肥偏生產(chǎn)力和產(chǎn)量差異分析
表6 番茄產(chǎn)量與氮素利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮素吸收量、灌溉水利用效率、番茄全氮含量相關分析
土壤通氣條件較好的情況下有利于維持氮代謝關鍵酶活性,有利于氮素的吸收與利用[11].加氣灌溉將水氣兩相流輸送至作物根區(qū),改善了根區(qū)的通氣狀況,提高了作物對土壤水分、氮素的利用效率[12-13].同時良好的根區(qū)氧氣環(huán)境可以促進根系對水分的吸收和轉運,影響作物的蒸騰速率和氣孔導度[14].文中試驗發(fā)現(xiàn)處理A3的IWUE,NUE和PFPN高于處理A2和A1的.文中研究還表明,隨著施氮量增加,NUE和PFPN有降低的趨勢.楊治平等[15]也發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)的過量施氮并不利于作物的養(yǎng)分吸收,種植過程中有91.65%的氮肥通過各種途徑損失,當施氮量過多時,額外的氮素一部分在土壤中累積,另一部分通過氨揮發(fā)從土壤中流失,這都導致了作物NUE和PFPN降低.
施氮量的提升顯著提高了番茄果實的全氮質量比,但是番茄根系全氮質量比隨著施氮量提升表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢.有研究表明過高的施氮量不利于植物根系進一步生長[16],這可能降低了根系從土壤中獲取的養(yǎng)分.文中研究發(fā)現(xiàn)加氧量的提高促進了產(chǎn)量的提升,這是因為加氧處理改善了根區(qū)的缺氧環(huán)境,提升了番茄的凈光合速率、促進了根系自養(yǎng)呼吸作用的進行[17],可增強根系對水肥的吸收,有利于番茄干物質積累和產(chǎn)量增加.
在文中試驗條件下,在選擇合適的處理組合時將提高產(chǎn)量作為首要目標,其次考慮土壤氮素累積和水氮利用效率.處理N1能提升PFPN、降低氮素投入和累積,同時該施氮處理的番茄產(chǎn)量與其他施氮量處理之間差異不具有統(tǒng)計學意義(P>0.05).雖然灌水量的提高降低了IWUE,但是處理W3的番茄產(chǎn)量顯著高于其他灌水處理(P<0.05)并有利于提高PFPN.處理A3顯著提高了番茄產(chǎn)量、IWUE和PFPN.綜合考慮番茄產(chǎn)量、土壤氮素累積、水氮利用效率,建議將處理組合A3N1W3作為黏質壤土條件下溫室番茄種植時的水肥氣綜合方案.
2) 加氧量的增加提高了灌溉水利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力,施氮量的增加降低了氮肥偏生產(chǎn)力,灌水量的增加降低了灌溉水利用效率但增加了氮肥偏生產(chǎn)力,加氧量和灌水量的增加有利于番茄產(chǎn)量的提高.
3) 為了降低氮素累積、提高番茄的水氮利用率和產(chǎn)量,推薦增氧量為20 mg/L、施氮量為150 kg/hm2、灌水量取作物蒸發(fā)皿系數(shù)1.00為黏質壤土條件下種植番茄時的水肥氣綜合方案.