过量的化肥投入已成为我国农作物生产中普遍现象,严重制约着我国农业的发展,甚至导致了一系列的环境及生产问题[1]。过量施肥问题在设施蔬菜生产中尤其明显,冯武焕等[2]报道,西安市设施蔬菜生产中氮投入量平均为883.5kg·hm-2,超过露地蔬菜施肥量2.7倍,严重超出国家指导施用量的225～570kg·hm-2。张怀志等[3]通过对津冀地区超过6000hm2设施蔬菜产地施肥调查,发现N、P2O5和K2O的投入量分别超过指导量的2.5、10.4倍和2.5倍。过量施肥不仅制约了蔬菜的生产,随着氮素施用量的增加,土壤氨气挥发也随之增强[4],挥发的氨气与大气中的二氧化硫、氮氧化物等气体结合成铵盐,成为了大气气溶胶颗粒物的重要组成部分,导致了大气中PM2.5含量的增加[5]。据估计,肥料施用产生的氨排放约占我国农业源氨排放量的33%[6]。因此,通过控制肥料的施用减少土壤氨挥发是大气污染防控的重要措施之一,对于设施蔬菜生产,提出兼顾减少氨挥发及提升番茄产量和品质的施肥方案,不仅是对防控大气污染的贡献,也对蔬菜的安全生产及蔬菜产业可持续发展具有重要意义。前人在设施蔬菜合理施肥方面的研究关注更多是对土壤质量、蔬菜产量和品质等的影响[7,8,9],而针对具体蔬菜、具体生产茬口,综合考虑氨气挥发、蔬菜产量与品质的研究报道尚不多。番茄为我国北方日光温室主栽蔬菜之一,该试验从增施有机肥、减少化肥施用的角度,研究了不同施肥方案下日光温室冬春茬和早春茬番茄生产过程中的土壤氨挥发情况以及对番茄的生长、产量和品质的影响,以期明确日光温室冬春季生产中土壤氨挥发情况,提出兼顾减少氨气挥发的提质增产施肥方案,为更加环保和高效的生产提供参考依据。

1、材料与方法

1.1试验材料

供试冬春茬番茄品种为‘中研冬悦’,早春茬番茄品种为‘维也纳2号’。冬春茬和早春茬试验均于河北省保定市望都县日光温室内进行,种植面积为667m2。基肥施用前,冬春茬温室0～20cm土壤有机质含量24.40g·kg-1,铵态氮含量72.60mg·kg-1,有效磷含量76.30mg·kg-1,速效钾含量137.20mg·kg-1,pH7.45,EC值0.25mS·cm-1。早春茬温室0～20cm土壤有机质含量27.30g·kg-1,铵态氮含量86.70mg·kg-1,速效磷含量66.70mg·kg-1,速效钾含量159.80mg·kg-1,pH7.61,EC值0.25mS·cm-1。

1.2试验方法

当地冬春茬番茄习惯施肥为有机肥(主要成分为羊粪,施用前测定氮含量为1.85%,习惯用量为18000kg·hm-2,最大用量为22500kg·hm-2)+1125kg·hm-2复合肥(N-P2O5-K2O∶14-16-15)做基肥,全生育期分4次追施复合肥(N-P2O5-K2O∶12-5-40)420kg·hm-2。以此为依据,从增施有机肥,减少化肥施用的角度,基肥中有机肥设18000、19800kg·hm-2和21600kg·hm-23个水平,每种基肥施用水平设2种化肥追肥水平,共形成6种施肥方案(表1)。基肥施用时间为2017年11月29日,基肥中有机肥和复合肥撒施后深翻25cm。番茄于2017年12月15日定植,4次追肥分别在2018年1月19日、2月6日、2月24日和4月11日进行,肥料随水冲施。其它管理依照当地生产习惯进行。

当地早春茬番茄习惯施肥为有机肥(腐熟鸡粪,施用前测定氮含量为1.03%,习惯用量为22500kg·hm-2,最大用量为40500kg·hm-2)+900kg·hm-2复合肥(N-P2O5-K2O∶18-9-18)做基肥,全生育期分5次追施复合肥(N-P2O5-K2O∶16-8-35)1500kg·hm-2。以此为依据,从增施有机肥,减少化肥施用的角度,基肥有机肥设23625、31500kg·hm-2和39375kg·hm-23个水平,每个水平下设2种化肥施用水平,共形成6种施肥方案(表2)。基肥于2017年12月30日施用,番茄于2018年1月15日定植,5次追肥分别在2018年3月13日、3月30日、4月14日、4月26日和5月5日进行。肥料随水冲施,其它管理依照当地习惯进行。

表1冬春茬番茄不同施肥方案的施肥量

表2早春茬番茄不同施肥方案的施肥量

2个试验均在温室内采用南北方向高垄双行栽培,大行距80cm,小行距60cm,株距40cm。随机区组试验设计,重复3次,小区面积6.60m2,其它按常规管理。

1.3项目测定

冬春茬和早春茬番茄生产均采用通气法[10]原位监测整个施肥季氨挥发情况,用磷酸甘油溶液均匀浸泡海绵(dm=17cm,h=2cm),将其横置于聚氯乙烯硬质塑料管中(dm=15cm,h=16cm)。下层海绵距管底5～8cm,用于收集来自土壤中的氨挥发,上层海绵与管顶部齐平,用于吸收空气中的氨气,以避免污染下层海绵。双层海绵布置好后将塑料管插入土壤(约2cm)。取样时,将下层海绵取出后放入自封袋中带回实验室,同时放入另一块用磷酸甘油溶液均匀浸泡的海绵。上层海绵视其干湿情况每日或隔日喷洒磷酸甘油溶液。在底肥施用后的第1、3、5、7天取样,第2周开始每2～3d取样,之后每5～7d取样。每次追肥后第1周每天取样,第2周每2～3d取样,直至下次追肥。每天08:00—10:00取样,将取出的下层海绵用塑封袋密封好带回,然后浸泡在300mL的1mol·L-1的氯化钾中浸提,经滤纸过滤后用AA3连续流动分析仪测定浸提液中氨态氮的含量。

土壤氨挥发速率计算公式:NH3-N(kg·hm-2·d-1)=M/(100AD)。

式中:M为通气法单个装置平均每次测得的氨气挥发量,A为捕获装置的横截面积(m2);D为每次连续收集时间(d)。氨挥发累积量为每次捕获氨挥发量总和。

土壤采用0.01mol·L-1的CaCl2(水∶土比为10∶1)浸提,浸提液中铵态氮用连续流动注射分析仪(AA3)测定;土壤速效磷采用0.5mol·L-1碳酸氢钠溶液浸提,钼锑抗比色法测定;速效钾采用乙酸铵浸提,火焰光度计法测定;土壤pH采用自动pH仪测定;土壤EC采用电导率仪测定。

每次采收计产。于第二穗果实成熟期,每个处理随机选取10株,测定番茄植株的株高、最大功能叶的叶长、叶宽,第一坐果节位的茎粗。采收成熟度一致的果实,每处理随机5个。采用考马斯亮蓝G-250染色法测定蛋白质含量[11],AtagoPAL-1型数显糖度计测定可溶性固形物含量,蒽酮比色法测定可溶性糖含量[11],滴定法测定维生素C含量[12],采用国家标准GB/T14215-2008的方法测定番茄红素含量[13]。

1.4数据分析

采用MicrosoftExcel2016和DPS7.05软件进行数据分析。

2、结果与分析

2.1冬春茬不同施肥方案土壤氨挥发情况及对番茄产量和品质的影响

2.1.1基肥施用后土壤氨挥发速率变化

2017年11月29日施用基肥。由图1可知,施基肥后,各施肥方案的土壤氨挥发速率均在前7d逐渐上升,至第7天达到峰值,之后总体呈下降趋势,15d后降至较低水平,且稳定在0.03～0.05kg·hm-2·d-1。O1、O2和O3氨挥发速率峰值分别为0.16、0.20、0.24kg·hm-2·d-1,平均值分别为0.07、0.08、0.09kg·hm-2·d-1。O2和O3氨挥发速率显著高于O1,其平均值分别较O1高15.94%和33.33%,可见,在基肥中化肥用量相同的情况下,增施有机肥,氨挥发速率也显著增加。

图1冬春茬番茄生产中施基肥后氨挥发的动态变化

2.1.2追肥后土壤氨挥发速率变化

由图2可知,追肥后各施肥方案氨挥发速率变化趋势基本相同,氨挥发速率峰值均在第1天出现,之后总体呈下降趋势,每次追肥后各处理氨挥发持续18d左右,之后各方案氨挥发速率均接近于0。各施肥方案下,第1～4次追肥后氨挥发峰值最高的施肥方案均为WS1,挥发速率分别为0.58、0.39、0.34、0.31kg·hm-2·d-1,显著高于其它方案。与WS1相比,WS2、WS3、WS4、WS5和WS6第1～4次追肥后氨挥发速率峰值分别降低31.89%～50.00%、11.49%～55.17%、5.88%～33.33%、19.30%～45.61%。追肥期间平均氨挥发速率也以WS1最高,为0.40kg·hm-2·d-1,WS2、WS3、WS4、WS5和WS6的平均氨挥发速率分别为0.31、0.27、0.25、0.22、0.20kg·hm-2·d-1,分别较WS1降低23.28%、33.56%、38.13%、45.19%和50.77%。由此可见,在该试验条件下,冬春茬番茄追肥时减施化肥20%以上可以显著降低土壤氨挥发强度。

图2冬春茬番茄生产中追肥后氨挥发的动态变化

2.1.3不同施肥方案下土壤氨挥发累积量

由图3可知,基肥施用后的氨挥发累积量O2和O3显著高于O1,分别较其增加15.58%和31.65%,说明增施有机肥也会增加氨挥发,但施基肥所产生的氨挥发累积量仅占全生育期氨挥发累积量的8.94%～15.38%。该茬番茄生产氨挥发主要来自于追肥,追肥期间的氨挥发量占全生育期的84.62%～91.06%。各施肥方案(有机肥N333.00～399.60kg·hm-2,化肥N182.70～207.90kg·hm-2)全生育期氨挥发累积量在13.75～18.54kg·hm-2,以WS1(有机肥N333.00kg·hm-2,化肥N207.90kg·hm-2)最高。WS2、WS3、WS4、WS5和WS6氨挥发累积量分别较WS1减少7.74%、8.96%、16.31%、22.90%和25.85%。表明化肥减施配合有机肥合理施用可减少土壤氨挥发。在该试验条件下,化肥(氮素)追施减少20%～50%配合有机肥常规用量或增施10%～20%,可减少土壤氨挥发,其中化肥(氮素)追施减少50%配合有机肥增加20%的施肥方案氨挥发量最低。

2.1.4不同施肥方案对冬春茬番茄生长和产量的影响

图3冬春茬番茄全生育期氨挥发累积量

由表3可知,与常规施肥WS1相比,WS3、WS4和WS5施肥方案的番茄株高显著增加,WS3、WS4、WS5和WS6的最大功能叶叶面积显著增加。从产量来看,WS3、WS4、WS5和WS6的产量显著高于WS1,分别较WS1增加19.80%、19.70%、14.40%和11.40%。因此,该试验条件下有机肥增施10%或20%配合化肥减施20%、35%或50%均能对冬春茬番茄起到促进生长和提高产量的作用。

2.1.5不同施肥方案对冬春茬番茄果实品质的影响

从表4可以看出,各施肥方案番茄果实的可溶性糖含量、可溶性蛋白质含量和番茄红素含量差异不显著。而WS6果实可溶性固形物含量显著高于WS1、WS2和WS3;其维生素C含量显著高于WS1和WS2。

2.1.6冬春茬番茄不同施肥方案肥料成本及综合评价

由表5可知,与常规施肥WS1相比,WS2、WS4和WS6的肥料成本分别降低6.42%、4.37%和4.60%;而WS3与WS5分别增加0.40%和2.44%。

综合以上,在该试验条件下,与常规施肥WS1相比,WS2、WS3、WS4、WS5和WS6均显著降低了氨挥发;其中WS3、WS4、WS5和WS6能够促进番茄植株生长和产量提高;且WS6还能提升番茄果实品质,肥料成本降幅也最大。因此WS6即基肥有机肥增施20%,追肥化肥减施50%为该试验条件下最佳施肥方案,该方案较当地习惯施肥方案土壤氨挥发减少25.85%;番茄产量增加11.40%;果实中可溶性固形物增加了19.37%,维生素C增加了53.52%,肥料成本降低了4.37%。

表3冬春茬番茄不同施肥方案下植株生长指标和产量

表4冬春茬番茄不同施肥方案下果实品质指标

表5冬春茬番茄不同施肥方案成本

2.2早春茬不同施肥方案土壤氨挥发情况及对番茄产量和品质的影响

2.2.1基肥施用后土壤氨挥发速率变化

由图4可知,2017年12月30日施基肥后,各施肥方案的氨挥发速率变化趋势基本一致,均在施肥后第1天出现峰值,之后总体呈下降趋势,至第28天时,各施肥方案氨挥发速率达到接近0的水平。ES1、ES2、ES3、ES4、ES5和ES6氨挥发速率峰值分别为1.57、1.22、0.88、0.78、0.65、0.49kg·hm-2·d-1;氨挥发速率平均值分别为0.49、0.41、0.33、0.25、0.24、0.20kg·hm-2·d-1。ES1方案的氨挥发速率最高,ES2、ES3、ES4、ES5和ES6平均氨挥发速率分别较ES1降低了16.61%、32.45%、48.66%、51.07%和58.97%。可见,基肥中增加有机肥,减少化肥用量可显著降低氨挥发速率。

图4早春茬番茄基肥施用后氨挥发速率的动态变化

2.2.2追肥后土壤氨挥发速率变化

由图5可知,各施肥方案5次追肥后氨挥发速率波动较大。第1～5次追肥后的氨挥发峰值分别在第7、2、6、1、4天出现,5次追肥后氨挥发速率峰值均以ES1最高,第1～5次追肥后峰值分别为1.59、0.46、0.73、0.67、0.61kg·hm-2·d-1,ES2、ES3、ES4、ES5和ES6的峰值较其降低2.82%～14.76%、19.06%～32.17%、17.52%～57.34%、16.81%～37.97%和24.63%～39.35%。平均氨挥发速率也以ES1最高,ES2、ES3、ES4、ES5和ES6平均氨挥发速率分别较ES1降低10.12%～18.59%、13.10%～34.98%、12.17%～56.52%、14.53%～41.59%和18.20%～35.61%。

2.2.3不同施肥方案下土壤氨挥发累积量

由图6可知,该茬番茄生产期间氨挥发也主要来自追肥期间,追肥期间氨挥发累积量占全生育期氨挥发量的70.14%～79.73%。各施肥方案(有机肥N243.33～405.56kg·hm-2,化肥N177.00～354.00kg·hm-2)全生育期氨挥发累积量在18.02～27.28kg·hm-2,以ES1(有机肥N243.33kg·hm-2,化肥N354.00kg·hm-2)最高,ES2、ES3、ES4、ES5和ES6分别较ES1降低14.19%、17.41%、25.62%、27.24%和33.93%。表明早春茬番茄化肥减施20%～50%配合有机肥常量或增施33%～67%可减少土壤氨挥发,其中氨挥发最低的施肥方案为化肥减施50%配合有机肥增施20%。

图5早春茬番茄追肥后氨挥发速率的动态变化

图6早春茬番茄全生育期氨挥发累积量

2.2.4不同施肥方案对早春茬番茄生长和产量的影响

由表6可知,与常规施肥ES1相比,ES2、ES3和ES4方案下,番茄株高显著增加。ES2和ES4方案下,番茄茎粗显著增加,且ES2产量显著增加。因此,在该试验条件下,ES2即有机肥常规用量,化肥减施20%对早春茬番茄起到促进生长和增产作用。

2.2.5不同施肥方案对早春茬番茄果实品质的影响

从表7可以看出,ES2、ES3和ES4的果实维生素C含量显著高于其它施肥方案,分别较常规施肥方案ES1提高了23.33%、30.00%和36.67%,其中ES4番茄的可溶性糖含量也显著高于其它施肥方案。各施肥方案番茄果实的可溶性固形物、可溶性蛋白质和番茄红素的含量均无显著差异。

2.2.6不同施肥方案肥料成本及综合评价

由表8可知,与常规施肥ES1相比,ES2和ES4施肥方案肥料成本分别降低11.23%和5.04%,ES3、ES5和ES6成本分别增加3.38%、9.58%和1.16%。

综上,在该试验条件下,与常规施肥ES1相比,ES2、ES3、ES4、ES5和ES6均显著减少了氨挥发;其中ES2促进了番茄植株生长,提高了产量和维生素C含量,且成本降幅最多。因此,ES2即有机肥常量,化肥减施20%为该试验条件下最佳施肥方案。该施肥方案较当地习惯施肥方案土壤氨挥发减少14.19%;番茄产量增加9.52%;果实中的维生素C含量增加22.33%;肥料成本降低11.23%。

表6早春茬番茄不同施肥方案的植株生长指标和产量

表7早春茬番茄不同施肥方案的果实品质指标

表8早春茬番茄不同施肥方案成本

3、讨论与结论

氨挥发是土壤氮损失的一种重要形式,土壤氨挥发是目前大气污染防控的主要关注点之一[14]。从环保角度出发,大量研究表明,无论在大田还是设施菜地,减少氮肥投入,用有机肥部分替代化肥可减少土壤氨挥发[15,16,17]。李银坤等[18]研究表明,在设施黄瓜生产中,与常规施肥相比,减氮25%和减氮50%处理的氨挥发累积量分别较对照降低22.1%和37.2%。郝小雨等[19]报道,在日光温室芹菜-番茄轮作中,通过增施有机肥,减少化肥施用可使土壤氨挥发减少50%。该试验表明,按当地常规施肥方案,冬春茬和早春茬番茄生育期内氨挥发累积量分别为18.54kg·hm-2和27.28kg·hm-2,增施有机肥,减少化肥的施肥方案氨挥发累积量较常规施肥方案降低7.74%～25.85%和14.19%～33.93%,这与前人研究结果一致。

设施蔬菜生产普遍存在化肥过量施用的问题,由此导致土壤盐渍化,并影响蔬菜的产量和品质[20,21],近年来,学者们针对这一问题,从合理施肥,提高产量和品质的角度,开展了大量研究[22,23,24,25,26]。但环保角度控制氨排放的施肥与产业高效角度优质高产的施肥要求是否一致,兼顾氨减排、提质、增产、节本的优化施肥研究尚不多。该研究的重点在于明确化肥减施对日光温室土壤氨挥发及番茄产量和品质的综合效应,筛选番茄产量、品质不受影响的氨减排施肥方案,以便于当地推广应用。结果表明,增施有机肥,减施化肥的施肥方案,不仅减少了土壤氨挥发,也提高了番茄产量,且果实可溶性固形物、维生素C含量增加,肥料成本降低。可见,减施化肥,合理增施有机肥,既可以减少氨排放,也具有增产、提质和节本的效应,这为设施蔬菜生产的氨减排,实现环保、增产、提质和节本相统一提供了理论依据。

土壤氨挥发除与施肥量有关外,还受施肥种类、施肥方式及环境条件等诸多因素影响。与化肥相比,有机肥氨挥发量较少,但不同有机肥导致的氨挥发也有不同,李燕青[27]研究结果为猪粪>鸡粪>牛粪。该研究中,用腐熟鸡粪做基肥的早春茬,基肥施用后氨挥发速率峰值和累积量均比用商品羊粪做基肥的冬春茬高,这主要与有机肥种类有关,还是受当时温度、湿度等因素的影响,需进一步研究。施肥方式也影响氨挥发,氨挥发强度随施肥深度的增加而降低[28,29]。该研究中,两茬番茄基肥中除了有机肥,均含有与追肥相同的化肥,但基肥施用后土壤氨挥发均显著低于追肥后的氨挥发,这可能与基肥采用撒施后深翻25cm的方式;而追肥采用随水沟灌冲施方式有关。另外,日光温室内空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、灌水量及灌水频次等均可能影响氨挥发,该试验中冬春茬氨挥发速率波动较小且峰值均在每次追肥后的第1天出现;早春茬的氨挥发速率波动较大,这可能与当时的温度、浇水等有关。设施土壤氨挥发除受施肥量、施肥种类、施肥方式影响外,还受土壤理化性质、温室环境条件等因子的影响,对各种因子的作用尚有待更深入的系统研究。

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基金:生态环境部资助项目(DQGG0208-02)