分根区交替滴灌施肥频率对土壤水氮运移及番茄产量的影响.pdf

土 壤(Soils),2023,55(5):983990 基金项目：国家自然科学基金项目(51809189)、山西省应用基础研究项目(202203021211139，202103021224093，20210302124248)和山西省晋中市重点研发计划项目(Y202010)资助。*通讯作者()作者简介：刘宇航(1997)，男，河北唐山人，硕士研究生，主要从事节水灌溉理论与技术研究。E-mail: http:/ DOI:10.13758/ki.tr.2023.05.007 刘宇航,冯许钰,董光华,等.分根区交替滴灌施肥频率对土壤水氮运移及番茄产量的影响.土壤,2023,55(5):983990.分根区交替滴灌施肥频率对土壤水氮运移及番茄产量的影响 刘宇航1，冯许钰1，董光华2，刘 霞2，王 丹1，申丽霞1，刘荣豪1*(1 太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2 山西能源学院，山西晋中 030604)摘 要：针对目前我国设施蔬菜实际生产过程中水肥调控不合理及水肥利用效率低的问题，本文通过温室试验研究了分根区交替滴灌施肥(ADF)条件下，不同施肥频率对土壤水分养分运移及番茄产量的影响，为番茄高效水肥调控提供理论依据。试验在 ADF 下设3 个滴灌施肥频率处理 F3(3 d)、F6(6 d)、F12(12 d)和 1 个常规滴灌施肥处理作为对照(CK，频率为 6 d)。结果表明，在 0 40 cm 土层，高频滴灌施肥处理(F3)相比于低频处理(F12)生育期内两年平均土壤含水量和无机氮含量分别增加了 7.9%和 28.3%；在40 60 cm 土层，F3 和 F6 相比于 F12 处理，两年平均无机氮累积量分别降低了 37.8%和 23.0%。与 F12 处理相比，F6 处理两年平均番茄生物量、吸氮量和产量分别显著增加 16.9%、15.2%和 22.6%，而 F3 和 F6 处理之间均无显著差异。在相同施肥量和滴灌施肥频率条件下，F6 处理在减少 40%灌水量的同时能够保持与 CK 相当产量。因此，适当提高滴灌施肥频率能够促进番茄生长及产量的形成，ADF 较常规滴灌施肥具有较大的节水稳产效果。本研究推荐 ADF 条件下 6 d 一次的滴灌施肥频率可作为温室番茄生产中较为高效的水肥管理措施。关键词：分根区交替灌溉；滴灌施肥频率；土壤水分；土壤无机氮；番茄产量 中图分类号：S275 文献标志码：A Effect of Fertilization Frequency on Soil Water,Nitrogen Transport and Tomato Yield Under Alternate Partial Root-zone Drip Irrigation LIU Yuhang1,FENG Xuyu1,DONG Guanghua2,LIU Xia2,WANG Dan1,SHEN Lixia1,LIU Ronghao1*(1 College of Water Resources Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2 Shanxi Energy University,Jinzhong,Shanxi 030604,China)Abstract:In order to explore the effects of different fertilization frequencies on soil water and nutrient transport and tomato yield under the condition of alternate partial root-zone drip irrigation(ADF),and seek for efficient water and fertilizer regulation measures in tomato production.The experiment set three irrigation and fertilization frequency treatments F3(3 d),F6(6 d),F12(12 d)under ADF and a conventional drip irrigation fertilization treatment as control(CK,frequency is 6 d).The results showed that in 040 cm soil layer,the two years average soil water content and inorganic nitrogen content of high-frequency irrigation and fertilization treatment(F3)were increased by 7.9%and 28.3%compared with low-frequency treatment(F12)during the growth period.In the 4060 cm soil layer,the two years average accumulation amount of inorganic nitrogen of F3 and F6 treatment decreased by 37.8%and 23.0%,respectively,compared with that of F12 treatment.Compared with F12 treatment,the average tomato biomass,nitrogen uptake and yield of F6 treatment in two years increased by 16.8%,15.2%and 22.6%,respectively,but there was no significant difference between F6 and F3 treatment.Under the same fertilization amount and irrigation fertilization frequency,F6 treatment reduced 40%of the irrigation amount while maintaining the same yield as CK.Therefore,appropriately increasing the frequency of irrigation and fertilization can promote tomato growth and yield formation,and ADF has greater water-saving and stable yield effect than conventional drip irrigation and fertilization.This study recommended that applying fertilizer once every 6 days under ADF could be a more efficient water and fertilizer management measure in greenhouse tomato production.984 土 壤 第 55 卷 http:/ Key words:Alternate partial root-zone drip irrigation;Fertilization frequency of drip irrigation;Soil moisture;Soil inorganic nitrogen;Tomato yield 合理的灌溉和科学的施肥方式可以改善土壤理化性质，促进作物生长，提高水肥利用效率1-2。分根区交替灌溉技术(APRI)在作物根区两侧形成干湿交替水分条件，干燥区域根系受到水分胁迫产生根源信号，进而调节气孔开度以减少植株过度的蒸腾失水3。此外，APRI 条件下作物根系存在吸水补偿效应，根系传导能力增强，提高了根区土壤水分有效性4。APRI 可以显著减少灌溉水量，提高水分利用效率，具有较大的节水稳产效果，受到广泛关注5。大量试验研究结果表明：APRI 还可以控制植物营养生长、保持作物产量、改善果实品质6。滴灌施肥技术根据作物生长需求适时供应水肥，可促进养分吸收，提高水肥利用效率7。已有研究表明，滴灌施肥技术可以减少肥料使用量和养分损失8。在相同灌水量和施肥量条件下，与传统沟灌施肥方式相比，滴灌施肥番茄产量增加 46.9%，同时显著提高果实品质9。在作物整个生育期内合理地分配肥料主要通过改变施肥频率来实现10。滴灌施肥频率直接影响作物生育期内施肥次数与单次施肥量，影响根系周围土壤水分养分分布变化，进而影响作物生长及产量形成11。适当提高施肥频率，能够使养分更多地在表层土壤中聚集，从而为根系营造一个良好的养分条件，显著提高肥料利用率12。近年来，一些学者将 APRI 和滴灌施肥技术相结合，研究其对作物生长、产量和果实品质以及水分利用效率等方面的影响，并取得了一定成果13-15。分根区交替滴灌施肥(ADF)综合了 APRI 和滴灌施肥的优点，具有提高水肥利用效率、提高果实质量与品质的潜力。胡笑涛等16研究表明，垂向分根区交替滴灌施肥有利于控制植株长势、增加径杆直径，在番茄产量无显著下降的情况下节水 46.5%。刘永贤等17研究了交替灌溉条件下不同施肥量及滴灌方式对糯玉米生长及产量的影响，研究发现交替滴灌水肥一体化施肥模式玉米增产效果最好。但在分根区交替滴灌条件下，有关施肥频率对土壤水分养分运移及作物生长方面的研究报道较少。ADF 条件下不同滴灌施肥频率会引起不同根区土壤中水分养分含量不同，导致整个根系处在非均匀且变化的土壤环境中，这必然对作物的水分养分吸收利用产生很大影响。因此，本研究通过日光温室试验，探明 ADF 下不同滴灌施肥频率对土壤水分养分(氮素)的时空分布规律以及番茄对水分养分非均匀性分布的响应，为提高番茄产量及水肥利用效率，进一步发展和丰富局部根区水肥一体化灌溉理论和技术提供理论依据。1 材料与方法 1.1 试验区概况 试验于 2020 年 5 月至 2021 年 10 月在山西省农业科学院旱地农业研究中心河村基地(3804N，11289E)的日光温室内进行。试验温室南北长 50 m，东西宽 7.5 m，最大高度 3.5 m，总耕地面积 268.8 m2，作物呈东西向种植。该地区属温带大陆性季风气候，年平均气温 6.0，多年平均降水量 459 mm，年均蒸发量达 1 547 mm，无霜期 144 d 左右。试验温室土壤为砂壤土，表层土壤(0 20 cm)基本理化性质为：pH 8.4，容重 1.43 g/cm3，田间持水率 25.0%，有机质 1.41 g/kg，全氮 0.91 g/kg，有效磷 29.9 mg/kg，速效钾 173 mg/kg。1.2 试验设计及处理 试验于ADF条件下设置3个滴灌施肥频率处理：F3(3 d)、F6(6 d)、F12(12 d)，并设 1 个常规滴灌施肥处理作为对照(CK，频率为 6 d)，每个处理重复 3 次，共计 12 个小区。试验采用完全随机区组设计，每个小区面积 6.72 m2(2.8 m 2.4 m)，由 4 行番茄组成，行距和株距分别为 60 cm 和 30 cm。为防止不同处理间水分和养分相互影响，相邻小区之间埋设 60 cm 深的地下防渗膜。ADF 处理每行作物布置 2 条滴灌带，分别放置于根基两侧 10 cm 处，每次灌水时仅打开一侧滴灌带，另一侧关闭，两侧滴灌带轮流交替灌水。CK 处理每行作物布置 1 条滴灌带，放置于紧靠番茄茎基位置。试验采用自压重力式滴灌系统，滴头间距20 cm，滴头流量 0.69 0.98 L/h。每个处理为一个单独控制的滴灌小区。番茄生育期内其他除草、打叶、病虫害防治等管理措施完全一致。在 2020 年 5 月 11 日和 2021 年 5 月 3 日移栽长势均匀的番茄苗(鸿福星)。为确保幼苗成活率，各处理在定植后均进行 1 次灌水(10 mm)，定植约 10 d 后(2020 年 5 月 22 日和 2021 年 5 月 13 日)开始进行试验处理，在 2020 年 9 月 7 日和 2021 年 8 月 29 日滴灌施肥结束。灌溉水量依据灌水间隔内 20 cm 口径蒸发皿累计蒸发量(Epan，mm)确定，蒸发皿放置于温室中间作物冠层上方 20 cm 处，每天早上 08:00 观测日第 5 期 刘宇航等：分根区交替滴灌施肥频率对土壤水氮运移及番茄产量的影响 985 http:/ 蒸发量。CK 处理的灌水量 W(mm)=蒸发皿系数累计Epan，其中蒸发皿系数取 1.018；ADF 处理灌水量根据相关文献设为 60%W19。2020 年 CK 处理共计灌溉 18 次，总灌水量为 550.2 mm，F3、F6、F12 处理分别灌溉 36、18、9 次，总灌水量均为 330.1 mm；2021年 CK 处理共计灌溉 18 次，总灌水量为 447.1 mm，F3、F6、F12 处理分别灌溉 36、18、9 次，总灌水量均为268.3 mm。灌溉在上午 08:0012:00 之间进行，不同处理每次的灌水量根据灌溉次数平均分配。所有处理的施肥均是按照当地推荐的施肥量(N 180 kg/hm2，P2O5 90 kg/hm2，K2O 112.5 kg/hm2)，肥料种类为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O5 12%)、硫酸钾(K2O 50%)。氮肥全部作为追肥通过滴灌系统施入，并根据番茄整个生育期需肥规律进行分配；在定植约10 d 后至第一次果实膨大期之前施入 25%，其余 75%的氮肥在后续阶段施入，不同处理每次的施氮量根据施肥次数平均分配。具体氮肥施用过程如图 1 所示。各处理磷肥在翻耕前作为基肥均匀撒施；钾肥在移栽期、出苗期、第一次果实膨大期、第二次果实膨大期、第三次果实膨大期按 11222 比例施入。图 1 生育期内氮肥施用过程 Fig.1 Nitrogen fertilizer application process during the growth period 1.3 样品采集及测定方法 在番茄生育期内，各处理用土钻法在距番茄根部两侧 0、5、10、20、30 cm 处分别采取 0 20、20 40、40 60 cm 深的土壤样品。一部分土样在 105 下烘干至恒重，测定土壤含水量；另一部分土样放入20 冰箱中保存用于测定土壤无机氮含量。用 50 mL 的 2 mol/L KCl 溶液浸提 5 g 土壤样品，再用紫外可见分光光度计(752N)测定滤液中 NH4+-N 和 NO3-N 含量，无机氮含量为 NH4+-N 和 NO3-N 含量之和。土壤无机氮残留量(kg/hm2)=土层深度(cm)土壤容重(g/cm3)土壤无机氮含量(mg/kg)/10。在各个生育期，每个小区内随机选取能够代表小区整体长势的 3 株番茄，放入保鲜袋中带回实验室洗净，并用滤纸吸干，再分别将植株的根、茎、叶和果实分开装入档案袋中，放入 105 烘箱中杀青 30 min，然后 75 烘干至恒重，冷却后测定干物质质量。将烘干的样品充分研磨后过 1 mm筛，经浓 H2SO4H2O2消煮，利用凯氏定氮法测定植株全氮含量。果实产量从番茄采摘开始，记录各小区未受取样影响的中间一 行实际产量。1.4 数据处理与分析 采用Excel 2019软件对数据进行处理分析，SPSS 27.0 统计软件进行方差分析(ANOVA)和 Duncans检验(P0.05)，并使用 Origin 2019 软件作图。2 结果 2.1 不同滴灌施肥频率对根区土壤水分的影响 在番茄两个生长季内各处理在不同土层土壤含水量变化趋势基本一致(图2)。与F6和F12处理相比，F3处理在0 20 cm土层两年平均土壤含水量分别增加 6.5%和 10.9%；在 20 40 cm 土层分别增加 3.0%和 4.8%；在 40 60 cm 土层，F3 处理在整个生育期内土壤含水量最低，两年平均土壤含水量分别降低4.6%和 7.3%。在整个生育期内，由于 ADF 处理的灌水量相比于 CK 减少 40%，导致不同土层土壤含水量均低于 CK。F6 处理在 0 20、20 40 和 40 60 cm土层的两年平均土壤含水量分别比 CK 处理低14.4%、11.5%和 12.6%。986 土 壤 第 55 卷 http:/ 图 2 各处理生育期内不同土层土壤水分分布规律 Fig.2 Soil water distribution in different soil layers during the growth period of each treatment 2.2 不同滴灌施肥频率对土壤无机氮含量动态变化的影响 番茄生育期内各处理不同土层土壤无机氮含量呈先增加后降低的变化规律(图 3)。在 0 20 和 20 40 cm 土层高频处理土壤无机氮含量大于低频处理，CK 处理土壤无机氮含量最低；而在 40 60 cm 土层相反。ADF 下根区土壤(0 40 cm)无机氮含量一般随滴灌施肥频率的增加而增加，而深层土壤(40 60 cm)无机氮含量减少。与 F6 和 F12 处理相比，F3 处理在0 20 cm 土层两年平均土壤无机氮含量分别增加15.2%和 27.4%；在 20 40 cm 土层分别增加 20.4%和 29.2%；在 40 60 cm 土层，F3 处理在整个生育期内无机氮含量普遍最低，相比于 F6 和 F12 处理分别减少 20.0%和 37.8%。在两个生长季内，ADF 处理较 CK 处理 0 40 cm 土壤无机氮含量有大幅度提升，而在 40 60 cm 土层明显降低(图 3)。相同滴灌施肥频率下，F6 处理在 0 20 和 20 40 cm 土层两年平均无机氮含量分别比 CK 高 21.9%和 24.2%，而 在 40 60 cm 土层低 31.9%。2.3 不同滴灌施肥频率对土壤无机氮残留的影响 在番茄收获后，ADF 条件下高频滴灌施肥处理(F3)土壤无机氮更多在表层土壤聚集，而深层土壤残留量较少(图 4)。在番茄根系密集的 0 40 cm 土层，F3 处理两年平均无机氮累积量最大，相比于 F6 和F12 处理在 0 20 cm 土层增加 20.4%和 30.0%，在20 40 cm 土层增加 8.9%和 17.7%。在 40 60 cm土层，F3 和 F6 相比于 F12 处理，两年平均无机氮累积量分别显著降低 37.8%和 23.0%。相同施肥频率下，F6 处理在 0 20 和 20 40 cm 土层两年平均无机氮累积量分别比 CK 显著增加 37.7%和 45.3%，而在 40 60 cm 土层显著减少 39.0%。2.4 不同滴灌施肥频率对番茄生物量和吸氮量的影响 生物量和吸氮量是反映植物养分吸收状况的重要指标。番茄生物量和吸氮量随滴灌施肥频率的增加而增加(表 1)，F3 与 F6 处理之间无显著性差异，但 第 5 期 刘宇航等：分根区交替滴灌施肥频率对土壤水氮运移及番茄产量的影响 987 http:/ 它们均显著高于 F12 处理，其中 F6 处理比 F12 处理两年平均生物量和吸氮量显著增加 16.9%和 15.2%。相同滴灌施肥频率下，F6 与 CK 处理的番茄生物量和吸氮量均无显著性差异。图 3 各处理生育期内土壤无机氮含量动态变化 Fig.3 Dynamic changes of soil inorganic nitrogen content during the growth period of each treatment (图柱上方小写字母不同表示同一土层不同处理间差异达 P0.05 显著水平，下同)图 4 各处理番茄收获后土壤无机氮残留量 Fig.4 Inorganic nitrogen residues in soils of various treatments after tomato harvest 988 土 壤 第 55 卷 http:/ 表 1 各处理番茄地上部分生物量和吸氮量 Table 1 Tomato aerial biomass and nitrogen uptake in each treatment 2020 年 2021 年 处理 生物量(g)吸氮量(kg/hm2)生物量(g)吸氮量(kg/hm2)F3 8.86 0.58 a 175.56 16.84 a 9.27 0.74 a 228.45 19.76 a F6 8.64 0.37 a 165.72 3.98 a 8.71 0.42 a 202.55 7.27 a F12 7.12 0.62 b 133.14 5.11 b 7.73 0.30 b 186.44 4.63 b CK 9.61 0.32 a 179.25 13.15 a 10.24 0.51 a 231.08 18.20 a 注：同列数据小写字母不同表示处理间差异显著(P0.05)。2.5 不同滴灌施肥频率对番茄产量的影响 在 ADF 处理下，F3 与 F6 处理番茄产量无显著性差异，但它们均显著高于 F12 处理(图 5)，其中 F6比 F12 处理两年平均产量高 22.6%。相同施肥量和滴灌施肥频率下，F6 处理灌水量减少 40%的同时能够保持与 CK 相当产量。图 5 不同滴灌施肥频率对番茄产量的影响 Fig.5 Effect of different drip irrigation fertilization frequency on tomato yield 3 讨论 3.1 滴灌施肥频率对土壤水氮运移的影响 不同滴灌施肥频率会引起灌溉施肥次数和单次施肥量的变化，从而影响土壤中水分养分分布及运移规律。本研究中，与 F6 和 F12 处理相比，F3 处理在0 40 cm 土层两年平均土壤含水量分别增加 4.8%和 7.9%，土壤无机氮含量分别增加 17.8%和 28.3%；在 40 60 cm 土层两年平均土壤含水量却分别降低6.0%和 28.9%(图 2 和图 3)。这是因为在灌水量一定情况下，高频灌溉使上层土壤频繁接受外部供水，使根区土壤水分较充足，促进根系生长及其对水分的吸收，减少了水分向深层土壤运移20。低频灌溉灌水间隔长、单次灌水量大，增加了水分在垂直方向的运移，大量水分渗入到深层土壤而不能被根系吸收8。土壤无机氮主要以溶质的形式存在于土壤溶液之中，其在土壤中的运移规律受灌水量影响较大，灌水量越大，无机氮运移能力越强21。多次少量的高频施肥，频繁补充浅层土壤养分，降低了淋溶损失的风险，引起硝态氮在根区附近聚集，促进作物吸收22。然而滴灌施肥频率过低，单次灌水量较大，容易引起养分无效淋失，水肥利用效率低23-24。低频处理使根区可利用的水肥不能及时得到补充，不能满足持续稳定的水肥供给22。提高滴灌施肥频率可使得根区土壤水分维持在相对稳定的水平，从而避免过多的农田水分损失，提高水分利用效率的同时也使得更多氮素在根区土壤累积。ADF 处理相比于常规滴灌能够节约灌溉水量，减少氮素向深层土壤运移，从而提高番茄根区土壤(0 40 cm)氮素含量。本研究中，相同滴灌施肥频率和施氮量下，番茄收获后，F6 比 CK 处理两年平均无机氮累积量在 0 20 和 20 40 cm 土层分别增加37.7%和 45.3%，然而，在 40 60 cm 土层减少39.0%(图 4)。这一方面，因为 ADF 处理相比 CK 灌 第 5 期 刘宇航等：分根区交替滴灌施肥频率对土壤水氮运移及番茄产量的影响 989 http:/ 水量减少 40%，降低了土壤中无机氮随水向深层运移；另一方面，APRI 使根区土壤干湿交替变化，在湿润区与干燥区之间存在水势梯度，使水分会向干燥区域扩散，减少了水氮向深层土壤的垂向运移19。此外，APRI 还有效降低了土壤氨挥发，使氮素在浅层土壤积累25。3.2 滴灌施肥频率对番茄生长及产量的影响 水肥条件是影响作物生长及产量的关键因素。整个生育期内各层土壤无机氮含量呈现先增加后降低的变化规律，这是因为番茄生长前期需肥量较少，根系吸收能力较弱，导致土壤无机氮含量逐渐增加。提高滴灌施肥频率会促进番茄生长和氮素吸收，本研究中 F6 处理相比于 F12 处理两年平均番茄生物量、吸氮量和产量分别显著增加 16.9%、15.2%和 22.6%。这可能是由于在高频施肥下，水分和养分更多在表层土壤分布，利于番茄生长和根系吸收。当滴灌施肥频率过低时，表层土壤长时间处于水肥亏缺状态，使得番茄植株养分吸收不足，从而造成植株生物量和吸氮量降低26。高频处理“少量多次”的灌溉施肥特点，使得可利用土壤水分养分与番茄生长需求规律吻合较好，减少了深层渗漏的发生27；而低频处理“多量少次”的灌溉施肥特点，加大了水肥条件与作物需求的差异，增加了土壤水肥淋失的风险，进而影响最终产量28。F3 与 F6 处理番茄产量无显著差异，这与前人在传统滴灌上的研究结果相似29-30，表明过高的滴灌施肥频率并不能取得更好的增产效果。分根区交替滴灌施肥相比于常规滴灌具有较大的节水稳产效果。在灌水量减少 40%条件下，与 CK处理相比，F6 处理两年平均番茄生物量、吸氮量和产量均不存在显著差异，这可能是由于 APRI 显著提高了根系活力和根系导水能力，利于植物从土壤中吸收水分和养分，即使灌水量大幅减少，也能保证作物生长和产量的形成31。有研究表明，APRI 改善了营养物质和光合产物向生殖器官转移，从而增加了果实数量和产量32。此外，APRI 引起的土壤干湿循环刺激了微生物活动，利于土壤中有机质矿化和无机氮累积，从而增加了植株氮素吸收16。因此，本试验推荐温室番茄 ADF 下适宜的滴灌施肥频率为 6 d 一次。4 结论 ADF 条件下高频滴灌溉施肥处理(F3)相比于低频处理(F12)番茄主要根层(0 40 cm)土壤含水量、无机氮含量均显著增加，明显减少了水肥向深层土壤运移，利于根系吸收水分养分，从而使番茄生物量、吸氮量和产量均显著增加，但 F3 与中频处理(F6)番茄氮素吸收、产量均无显著差异。在灌水量减少 40%条件下，F6 处理能够保持与 CK 番茄产量相当，表明ADF 具有较大的节水稳产效果。在综合考虑产量与节水条件下，ADF 下 6 d 一次的施肥频率可作为温室番茄生产中较适宜的水肥调控措施。参考文献：1 王浩翔,张新燕,牛文全,等.不同滴灌施肥模式对油菜生长和水肥利用的影响J.干旱地区农业研究,2020,38(2):3036.2 宋修超,仇美华,郭德杰,等.水肥处理对基质栽培西瓜生长、水分利用效率及光合特性的影响J.土壤,2019,51(2):284289.3 Ahmadi S H,Agharezaee M,Kamgar-Haghighi A A,et al.Effects of dynamic and static deficit and partial root zone drying irrigation strategies on yield,tuber sizes distribution,and water productivity of two field grown potato cultivarsJ.Agricultural Water Management,2014,134:126136.4 Wei Z H,Du T S,Zhang J,et al.Carbon isotope discrimination shows a higher water use efficiency under alternate partial root-zone irrigation of field-grown tomatoJ.Agricultural Water Management,2016,165:3343.5 Du S Q,Tong L,Zhang X T,et al.Signal 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