姜慧敏， 張建峰， 李玲玲， 李樹山， 張水勤， 潘 攀，郭俊娒， 劉 戀， 楊俊誠

(中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所，耕地培育技術國家工程實驗室，中國農業(yè)科學院土壤質量重點開放實驗室，北京 100081)

優(yōu)化施氮模式下設施菜地氮素的利用及去向

姜慧敏， 張建峰， 李玲玲， 李樹山， 張水勤， 潘 攀，郭俊娒， 劉 戀， 楊俊誠*

(中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所，耕地培育技術國家工程實驗室，中國農業(yè)科學院土壤質量重點開放實驗室，北京 100081)

針對設施蔬菜生產(chǎn)中化肥氮高強度投入造成的肥料資源浪費和土壤質量下降等突出問題，以我國設施蔬菜生產(chǎn)典型區(qū)山東壽光為研究基地，在該區(qū)域3年減施氮肥模式對農學、肥力和環(huán)境效應影響的定位試驗基礎上，應用15N示蹤技術，對篩選出的氮肥優(yōu)化模式進行驗證，并定量化地研究氮肥基于C/N調控和基于水分調控的優(yōu)化模式下氮素的吸收、利用及去向，以期為設施菜地合理的氮素管理提供理論和技術支持。試驗設2個處理，1)農民習慣施氮模式(FP)； 2)優(yōu)化施氮模式(OPT)。研究結果表明， OPT處理的番茄地上部產(chǎn)量和氮素吸收量均高于FP，作物吸收氮只有20%左右來自化肥氮；與FP相比，OPT處理的化肥氮素農學效率和氮素利用率顯著提高(P<0.05)；土壤中殘留氮主要以硝態(tài)氮的形式存在，F(xiàn)P和OPT處理在0—100 cm土層中的殘留量分別為N 536.9 和340.3 kg/hm2，主要分布在0—40 cm土層，隨著深度的增加，累積量有所減少，OPT處理顯著降低了各土層硝態(tài)氮的累積(P<0.05)；除了作物吸收和土壤殘留的氮，F(xiàn)P和OPT處理中分別有32.4%和8.2%的化肥氮以各種途徑損失，OPT處理氮素損失率比FP低24.2個百分點。綜合以上研究結果，優(yōu)化施氮模式對化肥氮的吸收、利用及減少化肥氮的損失方面均優(yōu)于農民習慣施氮模式。

15N示蹤； 設施菜地； 化肥氮素利用效率

Utilizationandfateofnitrogeningreenhousevegetableunderoptimizednitrogenfertilization

以高投入獲得高產(chǎn)出為特點的設施蔬菜生產(chǎn)體系中，氮素與其他礦質元素相比，其增產(chǎn)作用更突出、更顯著[1]，因此，長期以來設施蔬菜生產(chǎn)一直偏重于施用大量的氮肥。據(jù)報道，北京市設施栽培土壤全年平均施氮量為N 1732 kg/hm2，為一般蔬菜氮素吸收量的4.5倍，相當于冬小麥/夏玉米輪作糧田的3.8倍[2]；山東壽光大棚黃瓜的單季化肥氮施用量達到N 1816 kg/hm2[3]。但是作物對營養(yǎng)元素的吸收和利用都是有限的，只有養(yǎng)分供應達到適宜的水平才能確保獲得最高的產(chǎn)量，當?shù)适┯昧恳堰_到產(chǎn)量增加的潛力限度時，過量的氮肥投入有抑制蔬菜產(chǎn)量增加的趨勢[4]，過量施氮一方面造成肥料浪費，大量速效氮素累積在土壤中，氮肥利用率常常不足10%[5]，另一方面大量盈余的養(yǎng)分進入環(huán)境，存在著巨大的環(huán)境風險。累積在土壤剖面中的大量氮素在農民習慣采用的大水漫灌的方式下使氮素隨灌溉水被淋洗掉，逐漸進入地下水從而對飲用水的安全性構成威脅[6]。由此可見，過量的氮肥施入已經(jīng)造成肥料資源浪費和環(huán)境風險增加，成為制約設施蔬菜可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。

適宜的氮肥優(yōu)化模式是設施蔬菜可持續(xù)發(fā)展的重要保障。國內外關于設施蔬菜合理氮肥管理模式的研究較多，概括起來可分為兩類， 一類是采用土壤或植物測試以確定適宜的施氮量的方法[7-9]，但是由于設施菜地特殊的栽培條件，不同地塊之間土壤的供氮能力空間分異性很大，因此，這類預測方法提出的合理氮肥施用量基本上是半定量的；另一類是平均適宜施用量法[10]，即給出一定的用量范圍，測試的指標較少，可操作性很強，省工省錢，農民也易于掌握，便于推廣和實際應用，更加符合我國目前設施栽培茬口緊、缺乏測試設備和技術人員的實際情況[11]。因此，本研究采用第二類方法，前期通過3年的田間定位試驗，研究了減施氮肥結合C/N調控和基于水分調控等措施對設施菜地農學效應、肥力效應和環(huán)境效應的影響，初步篩選出了優(yōu)化的氮肥管理模式。為了進一步對優(yōu)化的氮肥管理模式進行驗證，本文采用15N標記的田間微區(qū)試驗，研究了優(yōu)化施氮模式下蔬菜對化肥氮素的吸收、利用及化肥氮素在土壤-植物系統(tǒng)中的分配，以期明確優(yōu)化模式下化肥氮素在設施蔬菜生產(chǎn)體系中的轉化及去向，為優(yōu)化施氮模式下化肥氮素養(yǎng)分高效利用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

1.2 試驗設計

前期定位試驗結果表明，50%的農民習慣化肥氮用量+秸稈+滴灌模式為當?shù)胤焉a(chǎn)的氮肥優(yōu)化模式。本研究應用15N示蹤技術擬對這一模式進行驗證，試驗共設2個處理： 1)FP，農民習慣施氮模式[12](農民習慣施肥量參考2007年對壽光市集約化大棚蔬菜種植區(qū)的面上調查，施氮量為N 1000 kg/hm2)，用15N標記的尿素(豐度10.3%，上?；ぱ芯吭禾峁?； 2)OPT，優(yōu)化施氮模式(50%的習慣化肥氮用量+秸稈+滴灌，施氮量為N 500 kg/hm2)。每個處理3次重復。各處理磷、鉀肥和有機肥用量相同，于移栽前按P2O5800 kg/hm2(過磷酸鈣)，K2O 1000 kg/hm2(硫酸鉀)和干雞糞(有機質含量39.15%、 N 2.54%、 P2O52.07%、 K2O 2.12%)47244 kg/hm2，作底肥一次施入。具體氮、磷、鉀施用量見表1。秸稈為玉米秸稈，鮮重7500 kg/hm2，其含水量為60%，全氮 0.98%，全磷 0.62%，全鉀 1.05%，C/N 49。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。整個生育期共追15N標記的尿素4次，分別于基肥后27 d、 43 d、 56 d和69 d將尿素與水混勻后施入土壤。整個生育期共灌水8次，農民習慣施肥模式處理每次灌水50 mm，滴灌采用重力插接式微孔滴灌，每次灌水20 mm。病蟲害防治等與當?shù)剞r民傳統(tǒng)方法相同。

表1 肥料施用量(kg/hm2)Table 1 Application rates of fertilizers

1.3 樣品采集與分析方法

番茄記產(chǎn)及養(yǎng)分測定： 在初果期、盛果期和拉秧期取果實樣品，風干粉碎后過0.25 mm篩，用于測定番茄含氮量和15N豐度，拉秧后取植株樣，風干粉碎后過0.25 mm篩，用于測定全氮和15N豐度。

植株和土壤全氮15N的測定：用萬分之一分析天平分別準確稱取植株樣0.1 g，土樣5 g，放入消化管中，每樣加入催化劑1 g；植株樣品加入濃硫酸5 mL，土樣加入濃硫酸8 mL；將消化管放在消煮器上消化，溫度410℃。植物樣品消化清亮后繼續(xù)消化2 h，土樣消化清亮后繼續(xù)消化4 h；向消化管中加入40%的氫氧化鈉溶液15 mL；進行蒸餾，蒸餾液以10 mL 2% 的硼酸溶液吸收，指示劑為甲基紅-溴甲酚綠，蒸餾時間為7 min；用標定好的硫酸滴定，并記錄滴定體積；向三角瓶中加入1滴0.5 mol/L的硫酸，然后放在電熱板上濃縮，濃縮至約N 1 mg/mL，用于測定15N豐度。

樣品15N%(≤5%)按下式計算：

樣品15N%(>5%)按下式計算：

所需儀器為K-05自動定氮儀(上海晟聲自動化分析儀器有限公司)，15N豐度的測定采用改進型ZHT-03質譜儀(北京分析儀器廠)。

1.4 土壤表面氨揮發(fā)的原位測定

試驗采用的通氣法裝置如圖1[13]， 用PVC硬質塑料管制成，高10 cm，內徑15 cm，分別將兩塊直徑為16 cm、厚度均為2 cm的優(yōu)質海綿浸以15 mL的磷酸甘油溶液(具體配制為50 mL磷酸+40 mL丙三醇，定容至1000 mL)后，置于PVC管中，上層的海綿與管頂部相平，下層的海綿距管底5 cm。上層海綿用來吸收外部空氣中產(chǎn)生的氨氣，下層海綿用來吸收土壤中揮發(fā)的氨氣。

圖1 田間15N微區(qū)氨揮發(fā)收集裝置Fig.1 Sketch of the NH3 absorption equipment in 15N micro-plots

1.5 計算公式

作物的%Ndff =作物中的15N原子百分超/肥料的15N原子百分超×100

作物Ndff(N kg/hm2)=作物% Ndff×作物吸氮量

土壤硝態(tài)氮累積量(N kg/hm2)=土層厚度(cm)×土壤容重(g/cm3)×土壤硝態(tài)氮含量(mg/kg)/10

化肥氮利用率(%)=作物化肥氮吸收量/化肥氮用量×100

化肥氮農學效率(kg/kg)=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量

化肥氮素收獲指數(shù)(%)=果實吸氮量/作物地上部吸氮量×100

土壤的氨揮發(fā)速率NH3-N[kg/(hm2·d)]=M/A×D× 10-2

式中： M為通氣法單個裝置平均每次測得的氨量(NH3-N mg)；A為捕獲裝置的橫截面積(m2)；D為每次連續(xù)捕獲的時間(d)。

1.6 數(shù)據(jù)分析

用SAS(8.1)統(tǒng)計軟件對所有實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，LSD進行數(shù)據(jù)的顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同施氮模式對番茄氮素吸收的影響

從表2可以看出，OPT處理果實和秸稈的干物質產(chǎn)量分別比FP增加了4.1%和8.3%；果實和秸稈的氮素總吸收量分別比FP增加了8.5%和6.3%。FP處理下作物果實和秸稈吸收的來自化肥15N的氮量分別占果實和秸稈總吸氮量的27.9%、23.7%；OPT處理下作物果實和秸稈吸收的來自化肥15N的氮量分別占果實和秸稈總吸氮量20.5%和16.9%，說明作物吸收的氮只有少部分來源于化肥氮。與FP處理相比，OPT的作物果實和秸稈吸收的來自15N尿素的氮量沒有顯著差異，的肥料施用情況下，試驗區(qū)域菜地減量施氮對蔬菜產(chǎn)量和氮素吸收無顯著影響。

說明在目前 表2 不同氮肥管理模式下番茄地上部干物質產(chǎn)量及氮素吸收量Table 2 Aboveground dry matter production and N content of tomato as affected by different N fertilizermanagement models

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異達5%顯著水平 Values followed by different letters in a column are significantly different among treatments at the 5% level.

2.2 不同施氮模式對番茄氮素利用的影響

OPT處理的氮肥農學效率是FP的2.1倍(表3)，差異達顯著水平(P<0.05)，說明50%農民習慣施氮量結合添加秸稈和滴灌的模式能夠提高番茄的經(jīng)濟產(chǎn)量，達到了節(jié)肥增效的目的。FP處理化肥氮用量為N 1000 kg/hm2，9.6%的化肥氮能夠為作物地上部吸收利用，其中果實4.1%、 莖葉5.5%，說明農民習慣施氮模式下作物對氮的利用很低，90%以上的氮進入土壤環(huán)境或以其他的途徑損失掉了，造成了肥料資源的極大浪費。OPT處理的化肥氮用量為N 500 kg/hm2，17.2%化肥氮能夠為作物地上部吸收利用，其中果實7.5%、 莖葉9.7%，顯著高于FP(P<0.05)。OPT處理的化肥氮素收獲指數(shù)相比FP有增加，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所造成的氮素損失，使吸收的氮素較多地轉化為經(jīng)濟產(chǎn)量，避免無效累積，提高了氮肥的農學效益。

表3 不同氮肥管理模式對化肥15N的利用Table 3 Effects of different N fertilizer management models on the utilization of chemical fertilizer N

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異達5%顯著水平 Values followed by different letters in a column are significantly different among treatments at the 5% level.

0—100 cm土層中來自15N標記尿素的硝態(tài)氮含量結果如圖2所示，F(xiàn)P處理0—20 cm土層土壤硝態(tài)氮含量顯著低于20—40 cm(P<0.05)，表明當季化肥氮的下移較明顯。隨著土層深度的增加，40—60 cm、60—80 cm和80—100 cm硝態(tài)氮含量均顯著低于0—20 cm和20—40 cm土層(P<0.05)。OPT處理0—20 cm土層土壤硝態(tài)氮含量顯著高于20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm和80—100 cm(P<0.05)；20—40 cm土層土壤硝態(tài)氮含量顯著高于40—60 cm、60—80 cm和80—100 cm(P<0.05)；40—60 cm、60—80 cm和80—100 cm土層的硝態(tài)氮含量沒有顯著差異。同一土層不同氮肥管理模式間硝態(tài)氮含量相比較，F(xiàn)P均高于OPT，其中20—40 cm土層土壤硝態(tài)氮含量顯著升高(P<0.05)。以上結果表明，土壤中殘留的硝態(tài)氮主要分布在0—40 cm土層，40 cm以下土壤硝態(tài)氮含量差異不大，施用的化肥氮量越高，土壤中殘留的硝態(tài)氮含量越高，這樣無疑會增加硝態(tài)氮被淋洗出根區(qū)的可能性及淋失總量。

圖2 不同氮肥管理模式對土壤中來自15N尿素的 含量的影響Fig.2 Effects of different N fertilizer management models on N-15N derived from chemical N fertilizer [注(Note): 圖中不同小寫字母(a,b,c,d)表示同一模式不同土層間差異達5%顯著水平，不同大寫字母(A,B)表示同一土層不同模式間差異達5% 顯著水平Different small letters (a,b,c,d)mean significant at the 5% level among soil layers, and capital (A,B)mean significant at the 5% level among N treatments.]

圖3 不同氮肥管理模式對0—100 cm 15N硝態(tài)氮累積的影響Fig.3 Soil NO3-15N accumulation derived from chemical fertilizer in the 0-100 cm depth for different N fertilizer management models

2.4 化肥15N氨揮發(fā)

本試驗中共施肥5次，一次基施，4次追施，追肥的氨揮發(fā)速率均高于基肥(圖4)。土壤氨揮發(fā)主要發(fā)生在施肥后的14 d內，隨著時間的延長，氨揮發(fā)速率逐漸降低。在每次施肥并灌溉后，土壤氨揮發(fā)速率呈上升趨勢，除基肥外，追肥后第3 d氨揮發(fā)速率均達最大值，第一次到第4次追肥FP處理的氨揮發(fā)速率分別為N 0.339、0.204、0.197、0.279 kg/(hm2·d)，OPT分別為N 0.0087、0.127、0.026、0.01 kg/(hm2·d)，之后便逐漸下降，到下一次施肥并灌溉后，NH3揮發(fā)速率又逐漸增加，如此循環(huán)反復。

圖4 不同氮肥管理模式下 15N氨揮發(fā)速率Fig.4 Effects of different N management models on rate of NH3 volatilization

對整個生育期氨揮發(fā)累積量進行分析，結果表明，施氮量的增加顯著增加了土壤NH3的累積量，F(xiàn)P處理NH3的累積量顯著高于OPT(P<0.05)?；屎妥贩屎?，F(xiàn)P處理的氨揮發(fā)累積量為N 1.95 kg/hm2，OPT為N 0.38 kg/hm2，OPT氨揮發(fā)累積量比FP降低了80.5%。

2.5 化肥15N的去向

一般來說，蔬菜作物的根區(qū)很少能超過0—90 cm土層，本試驗為了更精確，將0—100 cm土層內的氮素視為作物能夠吸收利用的有效態(tài)氮，而將流出0—100 cm土層的氮素作為損失部分。收獲結束后，15N肥料在土壤-作物體系各部分的分配比例見表4。FP處理9.6%的化肥氮能夠為作物地上部所利用，其中莖葉利用5.5%、果實利用4.1%。58.0%的化肥氮素殘留在0—100 cm土層中，殘留量為N 580.2 kg/hm2，主要以硝態(tài)氮的形態(tài)存在。通過計算15N的平衡，大約有32.4%的化肥氮流出了土壤-作物體系損失掉了，其中氨揮發(fā)損失占總損失的0.6%。OPT處理中有17.2%的化肥氮能夠為作物地上部所利用，其中莖葉利用9.7%、果實利用7.5%。74.6%的化肥氮殘留在0—100 cm土層中，主要以硝態(tài)氮的形態(tài)存在。通過計算15N的平衡，大約有8.2%的化肥氮流出了土壤-作物體系，其中氨揮發(fā)損失占總損失的0.9%。與FP處理相比，OPT顯著提高了作物對化肥氮的吸收和利用，氮肥利用率顯著提高(P<0.05)，剩余的氮素大部分殘留在土壤中，少部分損失，損失量和損失率均顯著降低(P<0.05)。另外，在計算15N平衡過程中，由于沒有考慮作物根系吸收利用，且仍殘存于土壤中的那部分氮素，因此通過計算得出的氮肥損失量可能略高于實際的氮肥損失。但從FP處理作物地上部氮肥利用率不足10%來看，地下部對氮肥的回收率也會很低，因此認為，在傳統(tǒng)施氮量和傳統(tǒng)種植管理方式下，氮肥的損失量是巨大的，而優(yōu)化模式減少了氮肥的施用量，適合作物生長需求，提高了氮肥的利用率，進而也減少了氮素在土壤中的殘留及損失。

表4 化肥15N在土壤-作物體系中的去向Table 4 Fate of 15N-labelled fertilizer in soil and crop system

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異達5%顯著水平 Values followed by different letters in a column are significantly different among treatments at the 5% level.

3 討論

3.1 氮素的吸收和利用

氮肥利用率的計算方法有兩種，一是差減法，二是15N示蹤法。差減法主要是施肥區(qū)作物吸氮量與不施肥區(qū)作物吸氮量的養(yǎng)分之差與肥料投入的比值，是通過設置無氮對照試驗來實現(xiàn)的，而示蹤法表示作物吸收的肥料氮占施氮量的百分數(shù)，是通過對氮素的標記來實現(xiàn)的[14]。由于差減法計算的結果不能準確表示作物吸收的肥料氮，因此，要研究肥料的利用、殘留及損失的具體情況，宜采用15N同位素示蹤技術[15]。15N示蹤試驗結果表明，農民習慣施氮模式(FP)下作物吸收的來自外源化肥氮的量與優(yōu)化施氮模式(OPT)相比沒有顯著差異，說明FP處理沒有有效促進作物對化肥氮的吸收。由于大量的肥料氮得不到有效地吸收，必然造成利用率的顯著降低，即研究結果所顯示的，F(xiàn)P處理化肥氮的利用率顯著低于OPT。對利用率的結果進行分析，本實驗FP處理化肥氮的利用率為9.6%，韓鵬遠等[16]在田間采用微區(qū)15N示蹤法研究番茄生產(chǎn)過程中農民習慣施肥的氮肥利用效率為8.0%， 朱建華[17]采用15N示蹤試驗研究設施菜地氮素利用的結果表明，農民習慣施氮量為1200 kg/hm2時，辣椒的氮素利用率為10.5%，說明當前設施栽培條件下，農民習慣施氮模式化肥氮的利用率非常低，其原因可能與土壤原來氮庫或所施有機肥礦化提供了大量氮素有關。與FP處理相比較，OPT顯著提高了化肥氮的利用率，其原因一方面是化肥氮施用量減少，而作物對化肥氮的吸收量與FP模式相比無顯著差異；另一方面可能是采取的滴灌措施，滴灌條件水分進入土壤的速度緩慢，使施入的肥料大多數(shù)隨灌溉水均勻地分布在作物根際附近，促進了作物根系對氮肥的吸收和利用，而傳統(tǒng)灌溉水分量大，使肥料向土壤深層淋洗較多，造成作物根際氮肥的濃度相對較低。Laura[18]研究表明，滴灌可以使作物根區(qū)保持較適宜的濕度和養(yǎng)分濃度，更加有利于作物生長對養(yǎng)分的吸收和利用。

3.2 氮素的去向

4 結論

長期以來我國設施蔬菜生產(chǎn)中氮肥盲目、不合理地大量投入造成的肥料資源浪費、養(yǎng)分利用率低、土壤質量退化、作物產(chǎn)量和品質降低等問題已受到全社會的高度關注。從保護環(huán)境和設施菜地土壤可持續(xù)利用的角度來看，在不降低經(jīng)濟效益的前提下，提出合理的施氮量， 構建合理的施肥模式，是協(xié)調農學效益、經(jīng)濟效益與環(huán)境效益的關系，解決土壤質量退化與肥料資源浪費等問題的關鍵。本研究應用15N標記的微區(qū)試驗，揭示了農民習慣施氮模式和氮肥優(yōu)化模式下無機氮素在植物-土壤體系中的去向，綜合分析結果表明，優(yōu)化施氮模式(OPT)對化肥氮的吸收、利用及減少化肥氮的損失方面均明顯優(yōu)于農民習慣施氮(FP)，能夠實現(xiàn)化肥氮素養(yǎng)分的高效利用。

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JIANG Hui-min, ZHANG Jian-feng, LI Ling-ling, LI Shu-shan, ZHANG Shui-qin, PAN Pan,

GUO Jun-mei, LIU Lian, YANG Jun-cheng*

(InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,CAAS/NationalEngineeringLaboratoryforImprovingQualityofArableLand/KeyLaboratoryofSoilQuality,CAAS,Beijing100081,China)

15N tracer technology；greenhouse vegetable；chemical N recovery efficiency

2012-12-19接受日期2013-04-01

國家重點基礎研究計劃“973”課題(2013CB127406)；國家自然科學基金項目(21107139)；農業(yè)部公益性行業(yè)科研專項(201103007)； 科研院所技術開發(fā)研究專項資金(2012EG134235)資助。

姜慧敏(1980—)， 女， 黑龍江哈爾濱人，博士，主要從事土壤培肥與環(huán)境研究。E-mail: jianghuimin@caas.cn * 通信作者 E-mail: yangjuncheng@caas.cn

S625.5+4

A

1008-505X(2013)05-1146-09