姜慧敏,張建峰,楊俊誠*,劉兆輝,宋效宗,江麗華,張相松

(1中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,北京100081;2農(nóng)業(yè)部作物營養(yǎng)與施肥重點開放實驗室,北京100081;3山東省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所,山東濟南250100)

山東省壽光市是我國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,而且造成地下水硝酸鹽污染等一系列新問題[2-5]。據(jù)調(diào)查,該地生產(chǎn)一季番茄的氮肥投入高達N 1800 kg/hm2,遠遠超過植物地上部帶走的氮量,加之不合理的灌溉,對地下水的質(zhì)量明顯構成威脅[6]。由于養(yǎng)分投入過大、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];過量施肥,氮肥的當季利用率不到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,促進設施蔬菜優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展是當前我國設施蔬菜發(fā)展過程中亟待解決的問題。

滴灌具有節(jié)水、灌溉均勻、增產(chǎn)等優(yōu)點[9-10]。近年來,國內(nèi)外對農(nóng)作物的水肥耦合技術的研究證明[11-14],養(yǎng)分和水分結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、水分灌溉指標和不同水氮管理對菜地土壤硝酸鹽淋洗的影響[15-20];針對設施農(nóng)業(yè)條件下,土壤C/N比較低(7左右)、氮肥利用率低等問題,采用膜下滴灌的水肥耦合技術結合基于C/N調(diào)控的最佳養(yǎng)分管理(土壤增碳技術)的綜合效應研究尚未見報道。另外土壤增碳技術(秸稈還田)研究多集中在大田作物[21-23],在設施菜地的研究相對較少。

基于上述問題,以山東壽光冬春茬大棚番茄為研究對象,當?shù)剞r(nóng)民習慣施肥模式為對照,通過減施氮肥結合添加秸稈和/或滴灌措施,研究不同施氮模式對番茄產(chǎn)量、品質(zhì)和土壤肥力的影響,以期為達到設施菜地減肥增效、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 試驗設計

試驗設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″)。土壤類型為褐土,質(zhì)地為壤土。設施番茄一年種植兩茬,連作制。試驗大棚0—20 cm土壤耕層基礎養(yǎng)分狀況:pH 8.8,有機質(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,電導率 334 μ S/cm 。

供試番茄為當?shù)囟翰缙毡樵耘嗟钠贩N“好韋斯特”。2007年12月中旬開始育苗,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。

試驗采用隨機區(qū)組設計,6個處理:不施氮對照(N0);當?shù)亓晳T施肥模式(N1);減氮26%,即習慣施氮量的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%(即習慣施氮量的55%)加施玉米秸稈和滴灌(N5),重復3次。農(nóng)民習慣施肥量參考2007年對壽光市集約化大棚蔬菜種植區(qū)127個有代表性農(nóng)戶施肥量的調(diào)查,統(tǒng)計分析取平均值?；柿缀陀袡C肥100%作基施,化肥氮和化肥鉀40%基施,60%追施?；蕿槟蛩?、過磷酸鈣、硫酸鉀。有機肥為腐熟鴨糞(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。秸稈風干粉碎后(1.5 cm左右)堆制2個月,添加秸稈的處理同有機肥一起基施。各處理施肥量和灌溉量見表1。

試驗小區(qū)寬2.8 m,長11 m。小區(qū)之間用塑料薄膜縱向隔開(埋深50 cm),防止處理間肥水側滲。大棚東西兩端設有保護行,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 樣品采集及測定

番茄盛果期取果實樣品,測定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測定全氮含量。番茄拉秧期取整株作物(地上部和根系)稱重,然后烘干測定全氮含量;拉秧期取耕層土壤(0—20 cm)測定土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量,細菌、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)測定土壤硝態(tài)氮含量。田間每次采收時,每試驗小區(qū)的番茄果實集中采收分類,用電子臺秤稱重后,記錄每個小區(qū)的產(chǎn)量。

果實品質(zhì)測定參考《植物生理生化實驗原理和技術》[24];果實和秸稈全氮用H2SO4-H2O2消煮,凱氏定氮儀測定;堿解氮采用堿解擴散法測定;用酚二磺酸比色法測定土壤硝態(tài)氮含量;速效磷采用0.5 mol/L的NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定;速效鉀采用1.0 mol/L浸提—火焰分光光度計測定。土壤細菌、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定參照《土壤酶及其研究法》[26]。

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

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

氮肥農(nóng)學效率=(N處理果實產(chǎn)量-CK處理果實產(chǎn)量)/氮肥施用量;

氮素收獲指數(shù)=(果實吸氮量/作物地上部吸氮量)×100%

試驗數(shù)據(jù)用SAS軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 不同施氮模式對番茄產(chǎn)量和氮素吸收利用的影響

試驗地番茄一共采收19次,果實累計產(chǎn)量(表2)表明,N0處理果實產(chǎn)量顯著低于其他幾個施氮處理(P＜0.05),說明氮肥對番茄生長具有不可或缺的作用。施用氮肥處理提高了番茄果實的產(chǎn)量,增產(chǎn)率為20.1%～28.8%。然而,過量的氮肥投入并沒有得到預期的產(chǎn)量。N1處理化學氮肥的投入量最大,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%,說明減少化肥氮用量,結合調(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,又降低了過量施肥對環(huán)境的威脅。

在5個施用氮肥的處理中,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),說明習慣施肥模式下,氮肥的過量投入會造成氮肥的大量損失,對環(huán)境造成不利的影響。

不同施氮模式的氮肥農(nóng)學效率差異明顯,N1處理比其他5個施氮處理分別低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,說明番茄植株中積累的氮較多的分配到果實中,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 不同施氮模式對番茄品質(zhì)的影響

表3看出,冬春茬番茄果實施氮肥處理中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?？扇苄蕴呛退岫仍诓煌幚黹g沒有顯著差異;各處理果實的糖酸比均高于6.0(一般情況下,果實糖酸比應在6.0以上[27]),以N3處理果實糖酸比最高,達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 不同施氮模式對土壤肥力的影響

2.3.1 不同施氮模式對土壤養(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)。不同施氮處理間沒有顯著差異(圖1A)。

表3 不同施氮模式對番茄果實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為:＜33mg/kg(嚴重缺乏),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)。一般認為,菜地耕層土壤速效鉀適宜量為 150～ 250 mg/kg,當速效鉀含量＞350 mg/kg時為過量[28-29]。本試驗結果可知,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 不同施氮模式對土層硝態(tài)氮累積的影響圖2可見,不同處理硝態(tài)氮累積差別較大,N0處理經(jīng)過一季作物的吸收,0—100 cm土壤剖面硝態(tài)氮殘留量最少,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。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,為了達到微生物活動和繁殖所需的最適C/N比,必然會提高土壤脲酶的活性來促進土壤含氮有機物的水解。

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有顯著差異(圖3B)。N3處理略高于N1處理,說明減少氮肥施用或減少氮肥施用結合其他措施與農(nóng)民習慣施肥相比較,土壤蔗糖酶活性沒有降低,能夠為生物體提供充足的能源。

2.3.4 不同施氮模式對土壤微生物數(shù)量的影響不同處理土壤中微生物數(shù)量以細菌最多,說明細菌是溫室土壤微生物生命活動的主體。細菌/真菌(B/F)結果(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,具體原因還有待進一步分析。

圖3 不同施氮模式對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 不同施氮模式對土壤細菌/真菌比值的影響Fig.4 Effects of different models of applying N fertilizer on B/F

3 討論與結論

3.1 秸稈對作物產(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。試驗證明,通過調(diào)節(jié)土壤C/N可使土壤速效鉀和速效磷的供應量明顯增加。宮亮等[23]研究表明,與單施無機肥相比,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,同時改善土壤的氮、磷、鉀養(yǎng)分狀況。在設施菜地,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。本試驗結果表明,單獨減施化肥氮(N2處理)的增產(chǎn)率為 22.93%,低于 N1處理(增產(chǎn)率為26.51%),而減施化肥氮結合添加秸稈措施(N3處理)番茄產(chǎn)量的增長率為27.99%,高于N1處理,也高于N2處理。說明減施化肥氮26%結合添加秸稈的模式,不但沒有造成番茄產(chǎn)量的下降,反而有所增加。對植物吸收的總氮量、氮素利用率和氮肥農(nóng)學效率結果進行分析表明,N3處理均高于N1、N2處理,說明減施化肥氮26%結合調(diào)節(jié)土壤C/N比能夠提高當季氮肥的利用效率,減少其施入土壤后的損失。除產(chǎn)量外,番茄品質(zhì)與氮肥供應之間也有很大的關系,生產(chǎn)上對于不同施肥處理對果實品質(zhì)的影響也是評價施肥量合適與否的標準。本研究表明,N3處理的果實Vc含量和果實糖酸比與N1沒有顯著差異,果實糖酸比顯著高于N2處理(P＜0.05)。

大量的研究認為,施用有機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]。劉杏認等[34]研究了不同氮水平下秸稈C/N比對土壤硝態(tài)氮殘留的影響表明,當C/N比值高時,只要不是過量施用氮肥,由于大量土壤微生物的活動,礦質(zhì)氮可被固持,一般不會產(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。本試驗也驗證了這一結果,即在減氮結合腐熟的秸稈處理,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)氮的大量殘留而對地下水造成的污染。

長期連作與秸稈還田條件下,土壤微生物狀況趨于好轉,生物多樣性指數(shù)增加,細菌、放線菌數(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,土壤細菌/真菌比值(B/F值)也高于上述處理,主要是因為秸稈含有微生物活動所必需的碳源和氮源,會影響土壤微生物的活性,改變土壤的生物學狀況。

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

Pier和Doerge[36]在滴灌試驗中看出,氮素與水分互作可以使作物達到高產(chǎn)和使氮素損失最少。本試驗在減氮結合調(diào)節(jié)C/N比基礎上加入了滴灌措施,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將水分和養(yǎng)分適時適量地輸送到作物根部附近,使作物根部的土壤長期保持適宜于作物生長的水分、通氣和營養(yǎng)狀況,既可以較好滿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,減少對環(huán)境的污染。

肥料的農(nóng)學效率是單位面積施肥量對作物經(jīng)濟產(chǎn)量增加的反映,是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最重要也是最關心的經(jīng)濟指標之一。本試驗表明,N5處理顯著高于N1處理(P＜0.05),說明化肥氮減施45%結合調(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較明顯,土壤能維持適宜的養(yǎng)分供應狀況,保持穩(wěn)定的產(chǎn)量,達到減肥增效的目的。這一結果也進一步驗證了戰(zhàn)洪成等[37]和喬立文等[38]對滴灌應用的研究結果。

據(jù)報道[39],B/F值降低可能是大棚設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,這一指標可考慮作為施肥后土壤微生物群落變化的指標。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“細菌型”向“真菌型”過渡。真菌型土壤是地力衰竭的標志,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?從微生物數(shù)量的角度來看,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。本試驗結果,N5處理B/F值均高于N1和N2處理,說明減氮結合調(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,在壽光設施蔬菜生產(chǎn)中,在農(nóng)民習慣用量的基礎上減少化肥氮施用量30%～50%是有可能的,但要結合施用秸稈調(diào)節(jié)土壤C/N比和采用滴灌的集成模式。綜合分析農(nóng)學效率、氮素利用率、果實產(chǎn)量和品質(zhì)及土壤生物功能的基礎上,試驗篩選出N3(74%農(nóng)民習慣施化肥氮+秸稈)和N5(55%農(nóng)民習慣施化肥氮+秸稈+滴灌)兩個集成模式具有明顯優(yōu)勢。

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