毛心怡 陳競楠 楊祁 翁郡靈 盧昕宇 金秋

摘要：為研究水分調(diào)控對設(shè)施栽培下白菜肥料氮素利用的影響，采用15N穩(wěn)定性同位素示蹤技術(shù)，設(shè)計不同施氮量（115 kg/hm2和230 kg/hm2）及不同土壤水分控制下限（分別占田間持水量60%、70%和80%），分析不同水氮處理下白菜各器官生物量累積、氮素利用及其與影響因子之間的互動響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明，水分調(diào)控和氮肥施用存在協(xié)作效應(yīng)，該協(xié)作效應(yīng)在根系生物量上的作用尤為明顯;同時，在230 kg/hm2施氮量處理下，水氮協(xié)作效應(yīng)對葉生物量累積影響顯著;115 kg/hm2施氮量條件下，白菜氮肥利用效率明顯高于相同水分控制條件下230 kg/hm2施氮量處理;115 kg/hm2和230 kg/hm2施氮量均以70%水分控制下限氮肥利用效率最高，分別達到60.1%和49.9%;氮肥利用效率與15N投入量呈極顯著負相關(guān)（r=-0.988），與根系生物量呈極顯著正相關(guān)（r=0.948）。實際生產(chǎn)中，推薦以70%土壤水分控制下限作為白菜高效利用氮肥（尿素）的水分控制指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：水分;氮素;同位素;生物量;15N

中圖分類號：S634;S311 ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）24-0076-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.24.018 ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Water-nitrogen coupling effects of greenhouse Chinese cabbage

based on 15N tracing technology

MAO Xin-yi1，CHEN Jing-nan2，YANG Qi2，WENG Jun-ling3，LU Xin-yu1，JIN Qiu4

（1.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China;2.College of Horticulture and Forest，F(xiàn)ujian Vocational College of Agriculture，F(xiàn)uzhou 350000，China;3.College of Horticulture，F(xiàn)ujian Agriculture and Forest University，F(xiàn)uzhou 350000，China;4.Institute of Water Conservancy Science of Nanjing，Nanjing 210000，China）

Abstract： In order to investigate the effect of water regulation on nitrogen utilization in greenhouse Chinese cabbage， 15N stable isotope tracer technique was used and different nitrogen application rates （115 kg/hm2 and 230 kg/hm2） and different lower water control limits （60%， 70% and 80% of field water holding capacity，respectively） were designed. Biomass accumulation， nitrogen accumulation in different organs of Chinese cabbage under different water and nitrogen treatments were observed. The relationship between nitrogen utilization and its influencing factors was analyzed. The results showed that there was a synergistic effect between water regulation and nitrogen application， especially in root biomass. At the same time， under 230 kg/hm2 nitrogen application rate， the synergistic effect of water and nitrogen on leaf biomass accumulation was significant. Under 115 kg/hm2 nitrogen application， nitrogen use efficiency of Chinese cabbage was significantly higher than the same water control condition with 230 kg/hm2 N application rate treatment; 115 kg/hm2 and 230 kg/hm2 N application rate with 70% water control lower limit were the highest in nitrogen use efficiency， which reached 60.1% and 49.9%， respectively; Nitrogen use efficiency was negatively correlated with 15N input amount（r=-0.988）， and was positively correlated with root biomass（r=0.948）. In practice， the lower limit of 70% is recommended as the water control index for high-efficient use of nitrogen fertilizer（urea） by Chinese cabbage.

Key words： water; nitrogen; isotope; biomass; 15N

設(shè)施集約化栽培下高氮肥投入造成了一系列土壤環(huán)境問題，包括土壤酸化、鹽漬化和微生物區(qū)系失衡等[1]。氮肥大量投入不僅造成肥料資源浪費和氮素流失，過量氮盈余易引發(fā)作物的亞硝酸鹽和氨中毒[1，2]。有效提升作物氮肥利用效率、降低農(nóng)田氮輸出，成為現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)亟待解決的關(guān)鍵。

水是肥料氮素在土壤-作物系統(tǒng)中運移轉(zhuǎn)化的載體。大量研究表明，水和氮肥之間存在明顯的協(xié)作效應(yīng)，適宜的水分條件可以促進作物對氮素的吸收[3-5]。然而，現(xiàn)階段作物水肥耦合效應(yīng)研究中，作物氮肥利用效率主要以植株吸氮總量為計算依據(jù)，無法精確判定植株氮中來源于肥料和來源于土壤的具體比例，這對植物水氮耦合效應(yīng)機理的研究造成了一定限制[6]。鑒于此，本研究利用15N穩(wěn)定性同位素示蹤技術(shù)，以設(shè)施白菜為試驗材料，分析不同水分調(diào)控下白菜不同部位生物量累積、氮素利用效率及其與影響因子間的互動響應(yīng)關(guān)系，旨在為科學(xué)制定設(shè)施栽培節(jié)水灌溉制度和施氮策略提供理論和實踐依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗地概況

試驗于2018年3—5月在福建省漳州市云霄縣老區(qū)果場科技示范基地（23°57′38″ N，117°20′5″ E）進行。云霄縣屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。試驗地年平均氣溫21.3 ℃。最低和最高溫分別出現(xiàn)在1月和7月，1月平均氣溫13.4 ℃，7月平均氣溫28.2 ℃。年降水量1 730.6 mm，無霜期347 d。3月2日測定供試土壤0～20 cm土層理化性質(zhì)，鹽分質(zhì)量分數(shù)2.45 g/kg，有機質(zhì)2.2%，總氮0.97 g/kg，速效磷15.6 mg/kg，速效鉀132.1 mg/kg，容重1.37 g/cm3，田間持水量23.2%。

1.2 ?試驗設(shè)計

試驗在設(shè)施大棚中進行，大棚總長25 m，跨度6 m。植物試材為白菜（濰白69），肥料來源為15N標(biāo)記尿素（豐度19.6%）。試驗設(shè)計2種施氮水平（115 kg/hm2和230 kg/hm2）和3種水分調(diào)控方案（全生育期土壤水分控制下限分別占田間持水量的60%、70%和80%），共計6個不同處理。實際操作較難精準控制灌水下限到達固定值，因此具體灌溉時允許存在3%的誤差范圍。每個處理栽培白菜9株，重復(fù)3次，白菜栽培行距和株距均為40 cm。磷肥和鉀肥用量為90 kg/hm2 P2O5和125 kg/hm2 K2O，來源于過磷酸鈣和硫酸鉀。施肥采用穴施的方法，總施肥量按照基肥施70%、蓮座期追肥施30%，灌溉采用澆灌法。整個生育期除草打藥與當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)實踐保持一致，不額外提供光、CO2等。白菜于3月6日播種，5月9日收獲。

1.3 ?指標(biāo)采集與測定

1）生物量。將收獲后的植株按照根、莖和葉分離，放入烘箱中，105 ℃殺青后，75 ℃烘干至恒重后換算為每公頃生物量（kg/hm2）。

2）土壤和植株15N含量。白菜收獲后用土鉆每20 cm采集一層土壤樣品，采集深度為0～100 cm，土壤樣品經(jīng)過自然風(fēng)干后進行研磨。土壤和植株樣品過2 mm篩后，測定其中15N同位素原子百分超。土壤和植株中15N原子百分超在南京土壤所（Nanjing Institute of Soil Science，CAS）用質(zhì)譜儀（Finniga-Mat-251，Mass-Spectrometers，F(xiàn)innigan，Germany）測定[7]。

3）土壤和植株總氮含量。采用常規(guī)凱氏定氮法測定[8]。

1.4 ?數(shù)據(jù)分析

白菜植株對15N的利用效率15NUE計算方法如下[9]：

Ndff=Cs×■

15NUE=■×100%

式中，Ndff為白菜植株中的15N含量（kg/hm2）;Cs為白菜植株中的總氮含量（kg/hm2）;Es為測定所得白菜植株中的15N原子百分超（%）;Ef為施入氮肥的15N原子百分超（%）;Mf是總15N施氮量（kg/hm2）。

顯著性分析采用SPSS 17.0軟件，依據(jù)Duncans multiple range test判斷處理之間的差異顯著性[10]。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?生物量

不同水氮協(xié)作下白菜不同部位的生物量累積見圖1。從圖1可以看出，115 kg/hm2施氮量處理白菜葉、莖和根的生物量累積均明顯低于230 kg/hm2施氮量處理，表明施氮量的提高有利于白菜器官的干物質(zhì)形成。115 kg/hm2施氮量條件下，葉部生物量累積量最高水分控制下限為80%，達到6 017 kg/hm2，但其與70%土壤水分控制下限的差異并不顯著;莖部各水分控制下限沒有明顯差異;根部以70%土壤水分控制下限的生物量累積最高，達到338 kg/hm2，顯著高于其他處理。

230 kg/hm2施氮量條件下，葉部生物量累積量以70%土壤水分下限最高（8 214 kg/hm2），且顯著高于其他控制下限，這一規(guī)律與115 kg/hm2施氮量不同;莖部生物量累積量各水分控制下限仍然沒有明顯差異;與115 kg/hm2施氮量條件下的規(guī)律類似，230 kg/hm2施氮量條件下根部生物量累積以70%土壤水分控制下限最高，達到442 kg/hm2。

總體來看，不同水分調(diào)控對白菜莖部生物量累積沒有明顯影響，但對白菜根系生物量累積影響顯著，不同施氮量均以70%水分控制下限最優(yōu)。前人研究表明，土壤水分過高或過低均不利于根系的生長發(fā)育，保障植物養(yǎng)分吸收的水分條件下，適當(dāng)降低灌水量（旱促根）有利于根系結(jié)構(gòu)形成[11，12]。此外，在230 kg/hm2施氮量條件下，水氮協(xié)作效應(yīng)還體現(xiàn)在葉部生物量累積。這可能由于高施氮量有利于活化土壤水分[13]，促進作物對水分的吸收及養(yǎng)分向葉部的轉(zhuǎn)移，同時高施氮量下良好的根系條件也為葉部生物量高累積奠定了基礎(chǔ)[14]。

2.2 ?氮肥利用效率

氮肥利用效率有兩種計算方法，即差值法和示蹤法。差值法反映了因施氮造成的植株中氮素的實際增加情況（施氮會激發(fā)土壤氮的礦化，促進植物對土壤氮的吸收），因此被認為更有農(nóng)學(xué)意義。但在區(qū)分不同氮肥來源時，氮肥利用效率的計算宜采用示蹤法。不同水氮協(xié)作條件下白菜氮肥利用效率（示蹤）見圖2。由圖2可以看出，115 kg/hm2施氮量條件下白菜氮肥利用效率明顯高于相同水分控制條件下230 kg/hm2施氮量處理。115 kg/hm2施氮量條件下以70%土壤水分控制下限白菜氮肥利用效率最高，達到60.1%，且顯著高于其他處理。類似地，230 kg/hm2施氮量條件下也以70%土壤水分控制下限氮肥利用效率最高，為49.9%，但60%與70%之間的氮肥利用效率差異并不顯著?？傮w來看，不同施氮量條件下均以70%水分控制下限最有利于白菜對氮素的利用。

盡管60%與80%土壤水分控制下限的白菜氮肥利用效率沒有明顯差異，但其機理有所不同，60%土壤水分控制下限可能由于無法充分實現(xiàn)肥料態(tài)氮素向速效態(tài)轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致植物氮吸收量相對偏低;而80%土壤水分控制下限主要由于造成了一部分15N向深層次土壤遷移，造成根區(qū)15N的降低，因而在一定程度上降低了氮肥利用效率[15，16]。

2.3 ?土壤氮素殘留

施氮量115 kg/hm2和施氮量230 kg/hm2條件下土壤剖面15N殘留量見圖3。從圖3可以看出，230 kg/hm2施氮量條件下各土層土壤15N殘留量均要高于115 kg/hm2施氮量。115 kg/hm2施氮量條件下，0～20 cm淺層土壤以60%土壤水分控制下限15N殘留量最高，70%下限處理較低，這可能是由于70%控制下限的白菜15N吸收量高，造成主根區(qū)（0～20 cm土壤）15N殘留量低;20～40 cm土層和0～20 cm土層規(guī)律相似;40～60 cm及60～80 cm土層以80%土壤水分控制下限15N土壤殘留量最高，表明較高灌水量促使15N向深層次土壤轉(zhuǎn)移[17]。230 kg/hm2施氮量條件下，0～20 cm淺層土壤仍以60%土壤水分控制下限的15N殘留量最高，達到45.4 kg/hm2;但在20 cm以下土層，均以80%土壤水分控制下限的15N殘留量更高。

2.4 ?氮肥利用效率與影響因子的相關(guān)分析

氮肥利用效率與根區(qū)土壤15N殘留量、15N總投入量、灌水量和根系生物量之間的相關(guān)分析見表1。從表1可以看出，氮肥利用效率與根區(qū)（0～40 cm土壤）殘留量呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)（r）為-0.725;與15N總投入量呈極顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.988;與根系生物量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.948。表明在本試驗的設(shè)計梯度下，氮肥投入量越高，氮肥利用效率越低，較高的根系生物量可促進白菜高效利用氮肥。

3 ?小結(jié)

研究了水分調(diào)控對設(shè)施栽培下白菜肥料氮肥利用的影響，得到結(jié)論如下：

1）水分調(diào)控和氮肥施用存在協(xié)作效應(yīng)，該協(xié)作效應(yīng)在根系生物量上的作用尤為明顯。同時，230 kg/hm2施氮量條件下，水氮協(xié)作效應(yīng)對葉生物量累積影響顯著。

2）115 kg/hm2施氮量條件下，白菜氮肥利用效率明顯高于相同土壤水分控制條件下230 kg/hm2施氮量處理。115 kg/hm2和230 kg/hm2施氮量均以70%土壤水分控制下限的氮肥利用效率最高，分別達到60.1%和49.9%。

3）氮肥利用效率與15N投入量呈極顯著負相關(guān)（r=-0.988），與根系生物量呈極顯著正相關(guān)（r=0.948）。

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