不同施肥量对陕北日光温室番茄生长、产量和土壤硝态氮的影响

0 引 言

肥料是作物生长中最主要的限制因子之一[1]，在作物生长过程中肥料利用不合理，不仅浪费肥料资源[2]，而且易引起环境问题和生态危机[3-4]。尤其在日光温室的小气候环境中，作物对肥力反馈更为敏锐。我国是化肥施用大国，种植户为追求产量，普遍存在“肥大水勤，种田不愁”的经验做法。据国家统计局2015年的统计数据，我国农用化肥施用折纯量已达6 022.6万t，且逐年增加。过量化肥的施用，不仅不能提高作物产量和品质，还会引发一系列生态连锁反应[5-7]。近年来，陕北地区在设施蔬菜种植中也存在此现象，且该地区生态系统脆弱，因此在该地区设施蔬菜种植中如何有针对性地开展节肥措施也显得至关重要。前人对葡萄[8]、水稻[9]、番茄[10，12]、大豆[11]等作物的生长、产量和土壤硝态氮等方面做了大量的研究，从各个方面科学地阐述了施肥因子对作物的影响，并探索出适合不同区域作物的施肥管理措施，这有利于合理利用土壤中的肥力资源，来获得高产和优质的作物产品。多年的试验研究表明，肥料在作物生长过程中存在着明显的促进或抑制作用[13-16]。在灌水量相同的条件下，施肥量不同对作物的生长、产量和土壤养分迁移的影响也不同，一般情况下随着施肥量的增加，作物的生长、产量和养分利用效率有所增加，但达到一定比例后，二者的正相关性消失，甚至会出现负相关性。刘德等[18]研究发现适量增加施肥能促进番茄株高、茎粗的发育，增加干物质积累量，提高光合强度；刀凤兰等[18]通过“3414”田间试验，发现N、P、K施量为496.5、232.5、198 kg/hm2时，番茄产量最高；孙虎等[19]研究发现当氮肥施用量为300 kg/hm2时产量最高，氮肥用量为200 kg/hm2时经济系数最高。前人研究[20-23]都表明施肥对作物的生长、产量和土壤养分有着重要的影响。对于作物而言，肥料因子对作物的影响具有区域特征，合理施肥配比的确定及影响需要结合特定区域的土壤特征、气候等因素综合考虑。由于试验地位于黄河中游干旱半干旱地区，年均降水量为451 mm，且时空分布不均衡，降雨主要集中在7—9月，当地菜农在日光温室内种植秋冬茬作物多采用充分灌水方式。目前关于充分灌水条件下施肥对温室作物的影响，多集中在品质、产量及养分利用方面，而关于陕北地区温室作物生长、产量和土壤养分对施肥因子反馈表现方面的报道还比较少。

本研究以陕北延安地区日光温室番茄为研究对象，探讨适合于该地区日光温室番茄种植施肥管理措施，以期为当地番茄生产种植提供科学有效、针对性强的施肥指导技术。

1 材料与方法

1.1 试验区概况及材料

试验于2016年9月—2017年1月在延安大学生命科学学院试验基地的日光温室内进行。该地位于E36°8′7"，N109°26′56"，海拔953 m，年平均气温8.6 ℃，年平均日照时间为2 478.7 h，昼夜温差较大，年平均无霜期167 d，年均降雨量426.3 mm。试验所用全钢架结构的日光温室长28 m，跨度8.0 m，脊高3.6 m，拱间距为1 m。透明覆盖材料为：透明PVC膜，保温材料为4 mm厚度双层土工布外覆盖防寒防雪无滴膜。供试番茄为宁夏巨丰种苗有限公司研发培育的巨丰美粉863，试验所用肥料为尿素（N量≥46%）、过磷酸钙（P2O5量≥12%）和硫酸钾（K2O量≥52%）。供试土壤为黄壤土，耕层土壤体积质量为1.28 g/cm3，田间体积持水率为22%，pH值为8.2（表1）。

1.2 试验设计及方法

试验在充分灌水（W100%）条件下，施肥量设置为7个水平，具体为对照（CK，不施肥），N1处理N、P、K施量分别为120、48、168 kg/hm2，N2处理的N、P、K施量分别为240、96、336 kg/hm2，N3处理的N、P、K施量分别为360、144、504 kg/hm2，N4处理的N、P、K施量分别为480、192、672 kg/hm2，N5处理的N、P、K施量分别为600、240、840 kg/hm2，N6处理的N、P、K施量分别为720、288、1 008 kg/hm2。每个处理3次重复，随机区组排列，共21个小区，小区面积为8.4 m2（长7.0 m，宽1.2 m），垄宽0.75 m，株距50 cm、行距50 cm，每小区定植2行共28株，为了防止地面水分流失并提高地温，全部小区进行覆膜处理。番茄定植于9月11日，灌水方式采用沟灌，肥料随水施入。定植和缓苗时灌水40 mm，大棚内装有1套小型气象站，灌水定额根据蒸发蒸腾量计算得出，在9—10月气温较高时，每隔10 d灌水1次；11月—次年1月温度较低时，每隔20 d灌水1次；12月15日打顶。本试验施肥时间分别为：基肥、第1穗果核桃大小、第2穗果核桃大小和第3穗果核桃大小，施肥比例为2∶3∶3∶2。

1.3 测定项目与方法

1）番茄植株生长指标的测定：定植20 d后（2016年9月30日）用卷尺测定番茄植株的株高，每隔10 d测定1次，每个处理随机选择6株长势相近的样品植株，精度为0.1 cm；用游标卡尺测量茎粗，在距地面1 cm处量取，精度为0.05 mm。并计算株高势差Δy（最后1次测量株高-初始株高）和茎粗株高比（D/H）。

2）土壤硝态氮质量浓度：施肥前1 d从植株下方开始取样，测定土层深度为0～70 cm，10 cm为1层；土样经风干、磨细、过2 mm筛后取5 g，用2 mol/LKCl浸提后用UV-2600紫外分光光度计在210 nm处进行测定，并计算土壤初始含氮量、土壤残留无机氮，公式为A=c·h·BD·0.1，式中：A为硝态氮累积量（kg/hm2）；c为土壤硝态氮质量浓度（mg/kg）；h为土层厚度（cm）；BD为土壤体积质量（g/cm3）。

3）产量：每个处理小区取3个重复，每个重复标记6株，每次收获时，各计产小区分别计数称质量，计算产量。

4）灌水量的确定。实际灌水量计算式[25]为I=KcET0，式中：试验中作物系数Kc参照FAO-56，不同生育期取值分别为0.5（苗期）、1.15（开花坐果期）、1.15（果实膨大期）、0.7～0.9（成熟期)；ET0为作物蒸发蒸腾量（mm/d）。ET0计算采用陈新明等[24]的日光温室Penman-Monteith修正公式。

5）变异系数CV的计算。CV=s/Y×100%，式中：s为产量或地上部干物质量的标准差（kg/hm2）；Y为产量或地上部干物质量（kg/hm2）。

采用Microsoft Office Excel 2010进行数据统计和图表制作，用SPSS 16.0进行单因素方差分析，如果差异显著（P＜0.05），则采用Duncan’s法进行比较。

2 结果与分析

2.1 不同施肥量对番茄株高的影响

由图1可知，番茄在整个测定阶段株高不断增长。定植后20～40 d番茄株高增长的速率较快，在充分灌水条件下，其中N3处理的番茄株高生长最快；定植后40～50 d番茄株高增长趋势变缓，定植后50～60 d，N4处理增长速率较慢，其余处理都处于停滞阶段，说明定植后60 d内养分主要用于第1穗果膨大和第2穗开花挂果。在生育期内各处理番茄株高势差（Δy）均值表现为：N3处理＞N4处理＞CK＞N1处理＞N5处理＞N6处理＞N2处理，发现N3处理的Δy远大于其他处理。且株高除N4处理在定植后30 d显著低于其他处理外，各处理之间的株高均无显著差异（P＞0.05）。

由图2可知，不同处理番茄株高生长速率趋势大体都呈抛物线形状。各处理生长速率达到最大值的时间一般在定植后40 d。定植后20 d株高生长速率均值表现为：N1处理＞CK＞N5处理＞N2处理＞N6处理＞N3处理＞N4处理；定植后30 d各处理番茄株高生长速率大小较为明显，其均值表现为：N3处理＞N2处理＞N6处理＞N5处理＞CK＞N1处理＞N4处理，其中N3、N2、N6和N5处理较CK分别提高了34%、27%、16%和8%，N1处理和N4处理生长速率与CK相差较小，较CK分别降低1%和2%，N2、N3、N5和N6处理之间差异显著，并且显著高于CK、N1处理和N4处理；定植后40 d，除N2处理外，各处理株高生长速率仍有明显的增大，N3处理显著高于其他处理（P＜0.05），CK显著低于其他处理；定植后50 d，除CK和N2处理株高生长速率变化较小外，其他各处理均开始明显下降，其中N3和N4处理降低最明显，达8%和5%，仍表现出CK显著低于其他施肥处理（N5处理除外）。定植后60 d，各处理的株高生长速率迅速下降（N4处理较缓）；定植后70 d，株高生长速率继续下降，较定植后60 d明显变缓，各处理之间无显著差异（P＞0.05）。

2.2 不同施肥量对番茄茎粗、D/H的影响

不同施肥量下番茄茎粗随着生育期的延长总体呈缓慢上升趋势（图3），N2处理的番茄茎粗显著大于其他处理。在充分灌水条件下，各处理在定植后50 d前茎粗增长明显，定植60 d后番茄茎粗有一个快速增长期，这可能是因为追肥促进了根茎的发育。在生育期内，N1、N2、N3、N4、N5和N6处理番茄茎粗均值较CK分别增大了15%、32%、6%、4%、9%和3%，其中N2处理番茄茎粗增长优势明显，显著高于其他处理，N1处理次之，且N2处理从定植20 d后显著高于其他处理（P＜0.05）。由图4可知，随着番茄的生理生长，在定植后40 d前番茄D/H迅速减小，定植后40～50 d番茄D/H减小速率总体变慢，定植后50 d番茄以果实膨大和生理生长为主，N1、N3、N4、N5和N6处理的番茄D/H趋于平缓，减小的幅度较小；CK和N2处理的番茄D/H均略有上升后又下降的趋势。可见，定植后40 d以前番茄株高增长处于优先态势，定植后40～50 d番茄以生殖生长为优先态势，定植后50 d番茄茎粗增长为优先态势。此种现象可解释为茎粗增长为支撑果实而趋向选择，符合作物的生长规律。在生育期内，N1、N2、N3、N4、N5和N6处理的番茄D/H均值较CK分别提高了7%、29%、9%、13%、10%和7%，N2处理的番茄D/H增长优势最明显。

2.3 不同施肥量对番茄产量和干物质量的影响

由表2可知，不同处理下番茄产量和地上部干物质量的变异系数在8.21%～19.34%之间变化，番茄产量随着施肥量增加呈先增加后降低的趋势。其中N3处理番茄产量最高为71.75 t/hm2，变异系数最小为 8.21%，N4处理次之，N1、N2、N3、N4、N5和N6处理产量较CK分别增加18.63%、33.69%、59.02%、52.64%、36.44%和11.35%，且N3处理产量显著高于其他各处理（N4除外）（P＜0.05）。N5处理地上部分干物质量最大，N3处理次之，二者差异显著（P＜0.05）；各施肥处理地上部干物质量较CK分别增加了13.01%、22.25%、37.57%、31.79%、28.84%和36.42%。N3处理地上部干物质量的变异系数最小，为8.69%，N6处理的变异系数最大，为19.34%。

2.4 不同施肥量对土壤硝态氮质量分数的影响

由图5可知，施入基肥对耕层（0～20 cm）土壤硝态氮质量分数有明显影响，本试验土壤翻耕深度为30 cm左右，起垄后各处理0～30 cm中土壤硝态氮质量分数相近且远大于40～70 cm中土壤硝态氮质量分数；40～70 cm中的土壤硝态氮质量分数与CK相近。

由图6可知，在不同土壤深度各处理都有一个硝态氮累积层，因为施肥量不同，所以各处理在土壤中硝态氮的累积深度也不同。CK、N1、N2、N3、N4、N5、N6处理的硝态氮分别在60、50、60、30、30、70和50 cm处形成累积。另外，CK、低肥处理（N1、N2）和高肥处理（N5、N6）土壤中的硝态氮有向土壤深层累积的趋势，而中肥处理（N3、N4）则趋向于在30～40 cm土层形成硝态氮累积层。硝态氮形成累积的土层深度越深就越容易淋渗到地下水层，从而污染地下水，也造成了养分流失，不利于植物生长，其中N4处理的硝态氮在各土层中质量分数明显高于其他处理，土壤中硝态氮质量分数均值受施肥量影响总体呈：N4处理＞N3处理＞N2处理＞N5处理＞N6处理＞N1处理＞CK，并且各处理在0～70 cm土层硝态氮质量分数均值分别是CK的6.45倍、6.2倍、4.9倍、3.43倍、3.06倍和1.16倍。

由图7可知，随着作物的生长，CK土壤中硝态氮质量分数与初始土壤中硝态氮（表1）分布规律相同，并且在40 cm处形成累积层；N1、N2、N6处理随着土层深度的增加，硝态氮质量分数先下降后上升再下降，最大值均出现在10 cm处；随着土层深度的增加，N3、N4、N5处理硝态氮质量分数先上升后下降再上升，最大值均出现在20 cm处；其中N1、N2和N6处理在40、50和60 cm处形成硝态氮累积；N3处理和N4处理在60 cm处形成累积，N5处理在70 cm处形成累积；各处理土壤中硝态氮质量分数在0～70 cm的均值与施肥量呈线性关系（y=55.502x+11.82，R2=0.944），可见土壤中的硝态氮质量分数随着施肥量的增加而增大。随着施肥次数的增加，在定植后76 d土壤中硝态氮质量分数随之增大，由于地温下降和灌水周期变长，土壤硝态氮的迁移速率下降，但在总量上各层都有所增加，分布规律与定植后62 d时土壤硝态氮分布情况相似（图8）。

3 讨论

3.1 不同施肥量对番茄生长和产量的影响

关于施肥对番茄生长和产量的影响，众多学者对此做了大量的研究，且大多表明合理的施肥能够促进番茄生长并增产[26-30]。本研究表明，在充分灌水条件下，番茄的株高和茎粗随施肥量的增加而增大，产量呈先增加后降低的趋势，且中肥处理最大。这与孙丽丽等[26]、李灵芝等[27]和孙文涛等[29]研究结果相符合。同时发现株高和产量随着施肥量的增加而增大，在N3处理下达到最大值，这与郭晓冬等[28]和张燕等[30]研究结果相符，表明植株的生长与产量的增加具有同步性，并且N2处理番茄茎粗增长最快，这也说明番茄茎粗和株高生长适宜的肥力质量分数有所不同。但是N5处理番茄地上部干物质量最大，说明施肥过多会造成“徒长”现象，因此，在该地区充分灌水条件下，应重点考虑生长和产量的综合效应。

3.2 不同施肥量对土壤硝态氮质量分数的影响

硝态氮在土壤中状况与作物对养分吸收利用有关，施肥量对土壤中硝酸盐的残留有很大的影响，供氮量越大，浸出量越大[31]。本研究表明，随着施肥量的增加，土壤硝态氮质量分数随之增大，且主要分布在0～40 cm土层。低肥和高肥处理的硝态氮累积层集中在深土层（50～70 cm），而中肥处理的硝态氮累积层集中在中土层（30～40 cm），这与马革新等[32]在棉花上的研究结果相似。硝态氮总体随着土层深度呈先下降后上升再下降的趋势，但是在定植后46 d土壤中硝态氮质量分数出现大幅度的降低，是由于在此阶段日光温室内气温较高，施肥比例较小，番茄生长较快，对土壤中氮素的吸收量较大而造成的。

本研究还发现土壤中的硝态氮质量分数与施肥量有显著的线性关系，二者在0～70 cm土层中的关系表现为：y=55.502x+11.82，R2=0.944。故可以根据施肥量定量地推断该地区土壤中硝态氮质量分数，进而可以指导该地区进行合理的施肥管理。

4 结 论

1）番茄在整个生育期内株高不断增长，随着作物的生长和肥料的施入各处理番茄株高生长速率呈先快后慢的趋势，其中以N3处理（N、P、K施量为360、144、504 kg/hm2）番茄株高生长最为明显。

2）各处理番茄茎粗随着定植时间的延长而增长，但在定植后40 d以株高增长为主要态势，定植后50 d茎粗增长为主要态势，其中N2处理（N、P、K施量为240、96、336 kg/hm2）的番茄茎粗增长速率显著大于其他处理。

3）随着施肥量的增加，番茄产量和地上部干物质量呈先上升后下降的趋势，中肥处理（N3和N4）变异系数最小，增产效果最为明显。

4）随着生育期的延长和施肥量的不断增大，各处理土壤中硝态氮质量浓度不断增大（除CK外），土壤中硝态氮累积层也不断迁移，低肥处理的硝态氮累积层上移10 cm，中肥处理的下移30 cm，而高肥处理的基本不变，各处理土壤中硝态氮质量分数在0～70 cm的均值与施氮量呈线性关系，y=55.502x+11.82，R2=0.944。

综合考虑不同施肥量对番茄株高、茎粗、产量和土壤硝态氮质量分数的影响，在充分灌溉条件下，中肥处理番茄株高和茎粗的生长优势比较明显，土壤中硝态氮的累积层也适中，适宜番茄的生长吸收，增产最为明显，变异系数最小，较为稳产。因此，建议在该地区日光温室番茄种植时，充分灌水下N、P、K施量分别为360～480、144～192、504～672 kg/hm2。

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