李寶石，李浩，王奇，劉文科

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所／農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081 2.河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，河北 保定 071001）

氮素和磷素是影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)的兩個重要因素［1，2］，然而中國農(nóng)田尤其是經(jīng)濟作物生產(chǎn)中氮、磷肥料的過量使用現(xiàn)象相當普遍［3］。日光溫室在冬季封閉條件下，由于蒸騰作用，表層土壤缺乏雨水的淋洗，且硝態(tài)氮不易被土壤膠體吸附、易隨水分運動，致使大量硝態(tài)氮隨水分向上遷移，富集在耕層土壤中［4－6］。此外，由于作物對磷素的吸收較低，過量的磷肥施用后在土壤中尤其是表層會產(chǎn)生有效磷累積［7］。由此造成土壤鹽漬化和酸化、養(yǎng)分不平衡、連作障礙等問題，致使蔬菜品質(zhì)和產(chǎn)量下降，嚴重威脅到設(shè)施農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［8，9］。

研究表明，設(shè)施無土栽培可以避免土壤栽培中因多年鹽分積累和連作導致的土壤鹽漬化，同時能消除土傳病害，發(fā)揮作物生產(chǎn)潛能［10，11］。傅國海等［12］提出的壟嵌式基質(zhì)栽培方法（SSC）是將土壤栽培和無土栽培相結(jié)合，利用土壟包被基質(zhì)，采用滴灌進行蔬菜栽培。前期試驗表明，SSC栽培甜椒可以顯著提高根區(qū)溫度，增強根區(qū)對氣溫的緩沖能力。同時，嵌膜基質(zhì)栽培在一定程度上起到限根的作用，結(jié)合滴灌施水施肥，大幅度提高了作物水肥利用效率，減少了肥料的損失［13－15］。

壟嵌式基質(zhì)栽培方法（SSC）是將滴灌和嵌膜技術(shù)相結(jié)合，能夠精準控制水肥用量并且阻斷氮磷養(yǎng)分的淋溶，再加上嵌膜技術(shù)能夠促進養(yǎng)分高效吸收利用，降低氮磷養(yǎng)分在根區(qū)的積累，降低氮磷養(yǎng)分殘留，避免對設(shè)施土壤的環(huán)境污染［15］。然而目前壟嵌式基質(zhì)栽培方法對根區(qū)氮磷養(yǎng)分殘留的具體效果尚不明確。因此本試驗從環(huán)境安全和水肥利用角度，研究比較3種栽培模式在相同水肥用量條件下對番茄產(chǎn)量及根區(qū)氮磷養(yǎng)分殘留的影響，以明確嵌膜式基質(zhì)栽培對氮磷養(yǎng)分殘留的具體效果，構(gòu)建設(shè)施土壤氮磷淋溶阻斷型起壟基質(zhì)栽培，優(yōu)化栽培參數(shù)，為新型栽培方式的推廣應(yīng)用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在河北省衡水市饒陽縣良品果蔬種植合作社產(chǎn)業(yè)示范區(qū)的一個簡易土墻日光溫室中進行，溫室頂部和底部均設(shè)通風口。隨試驗進行，于7—9月在溫室頂部加裝遮陽網(wǎng)，10月之后在頂部加裝棉被，其它日常管理依照當?shù)爻Ｒ?guī)進行。番茄采用基質(zhì)或土壤栽培，基質(zhì)采用河北豐源生物科技有限公司產(chǎn)品。株距為0.45 m，行距為0.60 m。供試番茄品種為“羅拉”，于2020年8月12日定植。

1.2 試驗設(shè)計

試驗以土壤栽培（SC）為對照，設(shè)置壟嵌與溝嵌2種基質(zhì)栽培類型，處理1為壟嵌式基質(zhì)栽培（SSC），處理2為溝嵌基質(zhì)栽培（SE），每處理重復6次。

壟嵌式基質(zhì)栽培即將塑料薄膜嵌在一定規(guī)格的土壟中，然后裝入購買的混合基質(zhì)。塑料膜厚度為0.12 mm，側(cè)面打孔，通氣孔距離底部2 cm，孔徑1 cm，孔距為15 cm。每壟長7.5 m，壟高10 cm?；|(zhì)槽下嵌地面10 cm，壟上底寬20 cm，壟下底寬40 cm。溝嵌式基質(zhì)栽培即在水平土壤上開溝，將塑料薄膜嵌在溝中。塑料膜厚度和通氣孔與壟嵌式基質(zhì)栽培一致。每壟溝長7.5 m，深為20 cm。壟嵌與溝嵌式基質(zhì)栽培實際效果如圖1所示。

圖1 壟嵌式基質(zhì)栽培（a）和溝嵌式基質(zhì)栽培（b）

土壤栽培采用農(nóng)戶傳統(tǒng)的溝灌式水肥管理，兩種基質(zhì)栽培采用滴灌式水肥管理，3種栽培模式的肥水用量相同。并在試驗小區(qū)兩側(cè)設(shè)置保護行。

1.3 樣品采集及分析

土壤或基質(zhì)樣品于果實采收期時分0～10、10～20、20～30 cm土層或基質(zhì)層采集，每處理選擇3個重復，每重復3鉆，將同一土層的土壤或基質(zhì)混為1個樣品風干待測。稱取土壤或基質(zhì)干樣5 g，加入2 mol／L的KCl溶液25 mL浸提，振蕩30 min，過濾后用流動分析儀測定硝態(tài)氮含量。稱取土壤或基質(zhì)干樣5 g加入浸提劑，振蕩30 min，過濾后用紫外／可見光分光光度計測定有效磷含量。土壤容重采用環(huán)刀法測定，基質(zhì)容重采用郭世榮［16］的方法測定。根據(jù)各土層硝態(tài)氮和土壤或基質(zhì)容重計算每一層（10 cm）的硝態(tài)氮和有效磷殘留量：

式中：Ri表示每一土層的硝態(tài)氮或有效磷殘留量（g／壟）；Ci表示該土層土壤硝態(tài)氮或有效磷含量（mg／kg）。各土層的硝態(tài)氮或有效磷殘留量相加即為0～30 cm土層硝態(tài)氮或有效磷殘留量。

番茄于11月9日開始計產(chǎn)，以后累加測產(chǎn)。每處理隨機選定4株用天平稱重累加產(chǎn)量，即為單株產(chǎn)量，并根據(jù)種植密度和面積計算單產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016、Graphpad 6.0和SPSS 25.0軟件進行數(shù)據(jù)分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 日光溫室3種栽培模式對番茄產(chǎn)量的影響

由圖1可知，3種栽培模式下番茄產(chǎn)量依次為13.49、13.50、13.42 kg／m2，即SSC＞SC＞SE，三者之間無顯著差異（P＞0.05）。但仍然能夠說明水肥用量一致條件下，嵌膜式基質(zhì)栽培能夠獲得較大經(jīng)濟效益。

圖2 日光溫室3種栽培模式的番茄產(chǎn)量

2.2 日光溫室不同深度土壤與基質(zhì)容重比較

由表1看出，土壤容重約為基質(zhì)容重的3～4倍，且隨土層深度的增加而增加?；|(zhì)容重為0.34 g／cm3，可滿足作物正常生長需求。

表1 日光溫室不同深度土壤與基質(zhì)容重

2.3 日光溫室3種栽培模式對根區(qū)硝態(tài)氮殘留量的影響

滴灌施肥可以保持根系養(yǎng)分平衡，有利于作物對各種養(yǎng)分的平衡吸收，從而提高肥料利用率，減少肥料養(yǎng)分在根區(qū)中的殘留。本研究表明，嵌膜式基質(zhì)栽培配合滴灌施肥體系的硝態(tài)氮殘留量顯著低于傳統(tǒng)土壤溝灌施肥體系（圖3）。0～10 cm土層，3種栽培模式的土壤硝態(tài)氮殘留量有顯著差異，以SC最高，SSC最低。SSC模式的硝態(tài)氮殘留量僅為SC模式的36%，SE模式僅為SC模式的64%，說明嵌膜式基質(zhì)栽培能夠大幅度降低硝態(tài)氮向下淋洗風險。10～30 cm土層，3種栽培模式間未達到顯著差異，說明硝態(tài)氮累積更集中于土壤表層。

圖3 3種栽培模式下根區(qū)土壤硝態(tài)氮殘留

2.4 日光溫室3種栽培模式對根區(qū)有效磷殘留量的影響

與硝態(tài)氮殘留量的表觀特征基本相同：0～10 cm土層，3種栽培模式之間的有效磷殘留量有顯著差異，SC栽培模式的最高，且與SSC及SE模式差異達顯著水平，SSC栽培模式最低（圖4）。SSC模式的有效磷殘留量僅為SC的19%，SE模式僅為SC的23%，說明嵌膜式基質(zhì)栽培能夠大幅度降低有效磷淋洗風險。10～20 cm土層，盡管3種栽培模式間未達到顯著差異，但是SC的有效磷有累積的現(xiàn)象。20～30 cm土層，3種栽培模式間未達到顯著差異，SE的有效磷殘留相對較高，SSC相比SC仍然有減少殘留量的特征。

圖4 3種栽培模式下根區(qū)土壤有效磷殘留

2.5 日光溫室3種栽培模式對根區(qū)累積氮磷殘留量的影響

3種栽培模式不同土層或基質(zhì)中的有效磷和硝態(tài)氮的累積量見表2。相比SC，SSC和SE栽培模式0～30 cm土層有效磷殘留量分別減少46.34%和43.97%。其主要原因是這兩種栽培模式0～10 cm土層顯著減少了有效磷的殘留量。硝態(tài)氮為土壤或基質(zhì)中供作物生長所需的速效氮源，相比SC，SSC和SE栽培模式0～30 cm土層硝態(tài)氮殘留量分別減少24.82%和24.44%。

表2 3種栽培模式0～30 cm基質(zhì)或土壤累積氮磷殘留量

3 討論

本研究結(jié)果顯示，3種栽培模式的番茄產(chǎn)量無顯著差異，這與李宗耕［15］的研究結(jié)果不一致。導致這一現(xiàn)象的原因可能是基于水肥用量相同的前提下，嵌膜式基質(zhì)栽培依靠的是本季的水肥灌溉，而土壤本身由于自身養(yǎng)分的儲存從而導致養(yǎng)分含量優(yōu)于前者。另外，番茄株高普遍高于甜椒，在結(jié)果后期造成陽光的遮擋進而影響根區(qū)溫度，從而影響根系對養(yǎng)分的吸收利用。此外，盡管3種模式間無顯著差異但是壟嵌式基質(zhì)栽培的番茄產(chǎn)量表現(xiàn)最優(yōu)，這也說明嵌膜式基質(zhì)栽培可以充分發(fā)揮滴灌施肥和基質(zhì)栽培高效生產(chǎn)的優(yōu)勢。

眾多研究結(jié)果表明，施用氮肥是導致硝態(tài)氮在設(shè)施土壤中累積的最主要因素［4，17］。因此，如何提高氮肥利用率、減少根區(qū)硝態(tài)氮的殘留就成為需要解決的關(guān)鍵問題。本研究結(jié)果表明，在番茄根區(qū)生長區(qū)域，土壤栽培的根區(qū)硝態(tài)氮殘留顯著高于嵌膜式基質(zhì)栽培。其原因可能是嵌膜式基質(zhì)栽培的內(nèi)嵌薄膜阻隔了氮素的淋溶，將養(yǎng)分聚集在根區(qū)能夠更好地被番茄根系吸收利用；另一方面土壤栽培采用溝灌式水肥管理模式，而且底部沒有薄膜的阻隔導致養(yǎng)分會四周擴散，不能被番茄根系有效吸收，從而使得硝態(tài)氮在土壤表層過多積累［15］。

作物對磷素的吸收較低，施磷后殘留在土壤中的磷素有一定的后效，但對環(huán)境威脅較大［7］。本研究結(jié)果顯示，隨著土層深度的增加，土壤栽培的有效磷殘留逐漸遞減，尤以耕作層的殘留量顯著最高。然而嵌膜式基質(zhì)栽培的殘留量僅為土壤栽培的1／5左右，原因可能是滴灌促進了根系對磷素的吸收，增強了地下部向地上部的物質(zhì)運輸，提高作物的光合速率，進而促進植株生長。另一方面，秋冬季的低溫弱光會抑制根系的生長［18］，傳統(tǒng)溝灌施肥體系過量的冷水灌溉會進一步降低根系代謝活動，不利于根系吸收養(yǎng)分。

4 結(jié)論

綜上所述，相比土壤栽培，嵌膜式基質(zhì)栽培能夠在獲得較大經(jīng)濟效益的同時減少環(huán)境污染。因此，土壤氮磷淋溶阻斷型起壟基質(zhì)栽培是一種低環(huán)境代價和高效穩(wěn)定的生產(chǎn)模式，具有較高的推廣價值。