我国是世界上最大的蔬菜生产和消费国，蔬菜在我国人民膳食结构中占据了极为重要的位置^[1]。太湖地区是我国经济较为发达的地区之一，近年来设施蔬菜发展迅速，为追求高产往往施入大量化肥。据文献统计：我国设施蔬菜生产中化肥养分用量平均达到1354.5kg/hm²，是全国农作物化肥养分平均用量的4.1倍^[2]，蔬菜种植的肥料投入量也往往远超作物的需求量^[3]。已有研究表明，设施菜地氮肥表观利用率平均仅为10%～20%^[4-5]，大量氮素流失到环境中，在水网交错的太湖地区，由过量施肥导致的面源污染问题日益严重^[6-7]。由于蔬菜品种繁多，栽培方式多样，蔬菜生产过程常常需要投入大量的劳动力^[8]。太湖地区经济发展迅速，设施蔬菜日趋集约化、规模化，劳动力需求大。因此，该地区设施蔬菜体系亟需节工、增效且环境友好的种植技术。近年来，水肥一体化技术在北方蔬菜种植区得到广泛应用，如李若楠等^[9]报道连续3年采用水肥一体化技术种植设施黄瓜和番茄，土壤硝态氮含量和EC值均有所下降，氮肥表观利用率显著增加9.0%～13.8%；黄倩楠等^[10]报道采用设施水肥一体化技术种植花椰菜，氮肥表观利用率最高达到40%以上。虽然太湖地区灌溉水资源充足，实施水肥一体化技术的节水意义有限，但其仍然可以在省工、节肥、提高肥料利用效率和减少环境排放等方面发挥重要作用^[11]。然而，在南方水网地区应用水肥一体化技术对化肥减施、增效及环境减排影响的研究尚缺乏。基于此，本研究于地处太湖之滨的江苏省宜兴市开展设施蔬菜水肥一体化田间试验，对不同氮肥施用量下的设施蔬菜产量、氮肥利用率、氨挥发排放和经济效益等进行观测和分析，为太湖地区设施蔬菜水肥一体化技术的推广应用提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验于2019年在江苏省宜兴市周铁镇中新村（119.96507°E，31.38259°N）进行。该地属亚热带季风气候，年均气温17.4℃，4～8月平均气温16.1～28.3℃，年均无霜期240d左右，年均日照时数1700h，年均降水量1177mm。试验田位于连栋塑料大棚内，棚高5.2m，大棚两侧设有通风口。根据中国土壤系统分类命名^[12]，供试土壤类型为普通肥熟旱耕人为土。0～20cm耕层土壤基础性质为：有机质22.21g/kg，全氮1.54g/kg，硝态氮60.81mg/kg，铵态氮11.79mg/kg，有效磷109.48mg/kg，速效钾169.53mg/kg，pH 5.80（ 水土比2.5∶1）。

1.2 试验设置

设置不施化肥氮对照（CK）、常规化肥氮量 （FD）、减施化肥氮10%（R10%）、15%（R15%）、 20%（R20%）、25%（R25%）和30%（R30%）共计7个处理，每个处理3次重复。小区面积36.1m²，采用随机区组排列。所有处理仅施用等量有机肥作为基肥，施用量为15t/hm²，有机肥为腐熟羊粪，N、P₂O₅ 和K₂O含量分别为0.62%、 0.41%和0.35%，基肥不施用化肥；以水溶性肥料作为追肥，其中氮肥为尿素、磷肥为磷酸二氢钾、钾肥在扣除磷酸二氢钾中的钾量后，用硫酸钾补全钾用量。FD处理追肥的化肥用量分别为N 225kg/hm²、P₂O₅ 75kg/hm² 和K₂O 330kg/hm²。减氮（R10%～R30%） 处理的尿素氮减量施用，磷、钾用量与FD处理相同。追肥采用水肥一体化技术于开花初期、开花坐果期、第一穗果膨大期、第二穗果膨大期和第三穗果膨大期分5次施用，5次追肥的氮、磷、钾均按1∶2∶3∶3∶1施用。

供试蔬菜为番茄（Solanumly copersicum），品种为“东圣一号”。番茄采用穴盘播种育苗，苗龄4～5周时人工移栽，双行种植，行间距30cm，株距40cm，畦面宽80cm，沟宽40cm，生育期为3～7月。基肥撒施后翻耕覆土，移栽后采用滴灌进行灌溉，在施肥处理进行追肥时，对CK处理同步采用滴灌进行灌溉。每次追肥灌溉水用量控制在135～180m³/hm²，其余田间管理措施与当地种植习惯相同。

1.3 样品采集与测定

所有小区的成熟番茄分5次进行采摘计产， 5次采摘全部完成后累加作为小区产量。番茄秸秆和果实烘干粉碎后测定全氮含量，计算各处理的氮肥表观利用率（RE_N）:

$R{E}_{\mathrm{N}}=\left(U-U_0\right)/F$

其中：U 为施肥处理的作物收获时地上部总吸氮量，U ₀ 为未施肥处理的作物收获时地上部吸氮总量，F 为相应处理的施肥量。

采用通气法对施肥后的土壤氨挥发进行连续监测，采样装置为聚氯乙烯硬质塑料管，内径15cm，高20cm。采样时分别将两块厚度为2cm、直径为16cm的海绵均匀浸以15mL磷酸甘油溶液（50mL磷酸 +40mL丙三醇，定容至1000mL），下层海绵 （样品）置于塑料管中部，上层海绵（隔离空气中的氨）与塑料管顶部齐平。施肥后前6d每天固定时间更换下层海绵，之后每3d更换一次下层海绵，上层海绵每3d更换一次，直至检测氨挥发量接近空白处理。海绵样品中的氨采用1mol/L KCl溶液浸提，靛酚蓝比色法测定。

1.4 数据分析

采用Excel 2016对数据进行基础统计，SPSS 18.0进行方差分析和多重比较，Origin 2019作图，图中误差线为均值的标准差。

2 结果与分析

2.1 番茄产量和氮肥利用率

不同处理的番茄产量、地上部氮积累量和氮肥表观利用率见表1。各施氮处理的番茄产量均高于CK处理，减氮10%～20%的处理与CK间存在显著差异，但各施氮处理间的差异尚未达到显著性水平。在施氮处理中，R15%处理的番茄产量最高，达到111.96t/hm²，比FD处理高出6.1%； R30%处理产量最低，为102.34t/hm²，仅比CK处理高7.0t/hm²。各处理间地上部氮积累量的变化与产量变化趋势接近，与CK处理相比，各施氮处理均显著提高了番茄地上部氮累积量。R15%处理的地上部氮积累量最高，比FD处理增加了8.5%，比CK处理增加了57.1%。R30%处理的地上部氮积累量在各施氮处理中最低，相比FD处理减少了16.3%，仅高于CK处理。氮肥表观利用率方面也表现为R15%处理最高，达到41.30%，比FD处理高12.4%；其次是R20%处理，氮肥表观利用率达到35.97%，比FD处理高7.0%；而R10%、R25%、R30%处理的氮肥表观利用率均低于FD处理，其中R30%处理最低，仅为17.35%。与FD处理相比，R30%处理虽未显著减产，但地上部氮积累量显著减少，导致氮肥表观利用率大幅下降。

注：同一列数据后的不同小写字母表示在0.05水平上存在显著差异。

2.2 不同氮肥施用量下的土壤氨挥发排放

番茄全生育期共计进行了6个时间段（1次基肥 +5次追肥）的氨挥发观测，单次监测天数为12～15d（图1）。各处理在不同取样时期的氨挥发速率基本呈现先升高后下降的趋势，基肥和第5次追肥在施肥后第4d达到最大氨挥发速率；追肥1、追肥2和追肥3在施肥后第2d达到最大氨挥发速率；追肥4在施肥后第1d就达到了最大氨挥发速率。各处理的氨挥发速率随施氮量的减少而降低，但各处理间的氨挥发速率较为接近，差异并不显著。第3和4次追肥的化肥氮用量均为化肥氮总用量的30%，但第4次追肥后的氨挥发速率显著大于第3次追肥。各处理在第4次追肥后均达到了全生育期氨挥发速率的最大值，其中FD处理的氨挥发速率最大，在施肥后第1d高达482.5g/（hm² ·d）。

不同减氮处理在各施肥时期的氨挥发累积量见图2。施用基肥后，与CK处理相比，FD处理并未显著增加土壤氨挥发累积量。在5次追肥中，FD处理相比CK处理均显著增加了土壤氨挥发累积量，但部分减氮处理（R10%～R30%）与CK处理间的氨挥发累积量差异不显著。对比5次追肥的氨挥发累积量，各处理均在第4次追肥后达到最大氨挥发排放量，在该时期氨挥发累积量的大小排序为R10%>R20%>FD>R30%>R25%>R15%>CK。R10%处理在第4次追肥后氨挥发累积量最高，但其与FD处理间不存在显著差异。

注：同一施肥时期的不同小写字母表示处理间存在显著差异（P<0.05）。

对比各处理在番茄生长期间的氨挥发累积量 （图3）可以看出，各施肥处理的氨挥发累积量均显著高于CK处理，其中FD处理的氨挥发累积量最高，达到了N 5.8kg/hm²，其余各减氮处理氨挥发累积量均低于FD处理。FD和R10%处理与减氮R25%和R30%处理间的氨挥发累积量存在显著差异，R15%处理与氨挥发累积量最低的R30%处理没有显著差异。各处理减去CK处理的氨挥发累积量后，由化肥氮施用导致的氨挥发表观损失率分别为0.96%、0.91%、0.79%、0.93%、0.68%和0.61%（FD～R30%）。对比由化肥氮施用导致的氨挥发损失量，减氮30%处理相比FD处理减少了50.4%的氨挥发累积量。

注：不同小写字母表示处理间存在显著差异（P<0.05）。

2.3 不同氮肥施用量下的经济效益分析

对水肥一体化技术下设施番茄氮肥减施的经济效益（表2）进行分析。由于太湖地区灌溉水源充足，灌溉成本及采用水肥一体化技术的节水成本等未在此考虑。各施氮处理所施用的肥料价格如下：有机肥0.57元/kg、尿素2.00元/kg、磷酸二氢钾5.20元/kg、硫酸钾3.00元/kg。种苗和农药成本为20000元/hm²，水肥一体化设备维护以平均10000元/hm² 计算。人工费以100元/（人·d）计算，包括施肥、打药、除草、番茄采摘和整枝等其他田间管理，其中施肥和灌溉人工以3000元/hm² 计算，打药和除草人工以2000元/hm² 计算，番茄采摘人工以600元/t（番茄）计算，整枝等其他田间管理以10000元/hm² 计算。番茄销售价格以2.2元/kg计算。CK处理的总成本最低，约为99214元/hm²，施氮处理的总成本相比CK处理平均增加了9.97%，主要体现在有机肥施用的人工成本和产量增加后相应的采摘成本。与FD处理相比，减施氮肥10%～20%均可使利润增加，其中减氮15%利润增加最高，达到了10365元/hm²，增幅为8.37%；减施氮肥25%～30%使毛利润有所下降，其中R30%处理毛利润下降最多，减收幅度达到4.07%。

注：同一列数据后的不同小写字母表示在0.05水平上存在显著差异。总成本=有机肥 + 化肥 + 人工 + 种苗和农药 + 水肥一体化设备维护费，毛利润=产值-总成本。

3 讨论

设施菜地中化肥的施用量普遍偏高，化肥减氮在提高作物产量和氮肥利用率上已得到普遍认可^[13-15]。本研究中，与常规施肥量相比，5个减氮处理的番茄产量均未显著降低，其中减化肥氮15%处理在番茄产量、地上部氮累积量和氮肥表观利用率上均为最高（表1）。李英楠等^[16]的研究显示，与常规施肥（15-15-15复合肥4995kg/hm²）相比，减氮15%未显著减少番茄单果质量和单株结果数，产量增加了1.3%。孙丽等^[17]在巢湖流域减量施肥对番茄产量的研究中发现，与习惯施肥相比，减氮15%可使番茄产量提高24.3%，减氮35%使番茄产量降低8.2%，该结果与本试验减氮15%可增产6.1%，减氮30%产量降低8.6%的结果（表1）类似。这说明在农民习惯施肥量的基础上减氮15%可维持番茄高产量，而当减氮量达到25%以上时，减产效果才开始显现。本研究中，增收区间为减氮10%～20%，与番茄的增产区间一致，这说明水肥一体化技术下，增收的前提是增产。王文军等^[18]的研究显示，与农民习惯施肥相比，减氮20%显著提高了利润，而减氮40%并未显著提高利润。杜文波^[19]的研究表明，与常规漫灌相比，滴灌水肥一体化净产值提高了25876元/hm²，其中产量提高带来的增收（24008元/hm²）远高于灌溉投入（954元/hm²）和病虫害投入（914元/hm²）。此外，与常规撒施相比，利用水肥一体化施肥可以在灌溉与施肥上节约一定的人工成本，但这种节约可能在大面积、长时期的种植中才能得到有效体现。

太湖地区设施蔬菜化肥常规撒施方式下，化肥氮表观利用率仅为18.8%^[14]。本研究中减氮15%处理的氮肥表观利用率达到了41.3%（表1）。蔡树美等^[20]报道设施黄瓜采用水肥一体化技术在适宜施氮量下的氮肥表观利用率超过了40%；邢英英等^[21]报道关中平原地区番茄采用水肥一体化技术，在适宜的氮肥用量和灌溉模式下，氮肥表观利用率最高可达60%。与之相比，在太湖地区设施蔬菜采用水肥一体化后其氮肥利用率仍有提升空间，可在水溶肥中增施增效剂，如硝化抑制剂、生物刺激素等^[22-23]，或在基肥中添加生物质炭来进一步提高氮肥利用率，减少环境排放^[24]。本研究中减氮30%处理的产量虽未显著减少，但氮肥表观利用率相比减氮15%处理却下降了58%，仅有17.35%，这主要是由于减氮30%处理的茎叶生物量显著低于其他处理，从而导致了该处理的地上部氮积累量比减氮15%处理下降了22.9%，造成了氮肥表观利用率急剧下降。

氨挥发是化肥氮损失的重要途径之一。本研究中，常规施氮量处理采用水肥一体化技术的氨挥发累积量为N 5.78kg/hm²，表观损失率仅为0.96%（图3）。这可能是因为大棚内通风量有限，常常具有很高的湿度，同时，采用水肥一体化技术进行少量多次灌溉，不仅使肥料随水进入了土体，还使土壤保持了较高的含水量。有研究表明，80%的田间持水量相比20%田间持水量可以有效减少土壤氨挥发量2～3倍^[25]；设施菜地相同施氮条件下，降低灌溉量可使氨累积排放量增加46.7%^[26]。华北地区玉米采用水肥一体化技术氨挥发累积量最高仅为0.99kg/hm^2[27]；河套灌区采用水肥一体化技术种植玉米，全生育期土壤氨挥发量占施氮量的1.93%～3.52%^[28]；新疆地区棉田采用膜下滴灌，氨挥发损失率仅为0.13%～0.20%^[29]。这些研究均显示采用水肥一体化技术可以大大减少土壤氨挥发损失。目前，基于大田作物土壤氨挥发损失的研究较多，结论也相对一致，而对于蔬菜种植过程中的氨挥发损失研究较少，且结果存在较大差异。龚巍巍等^[30]报道种植上海青和生菜，肥料撒施后监测的氨挥发损失率约在21.3%～24.0%之间。贺发云等^[31]报道在pH为7.7的大白菜试验地上，当施氮量为300kg/hm² 时，氨挥发损失率为12.1%；在pH为5.4的小青菜试验地上，氨挥发损失率仅为0.29%～0.33%。习斌等^[32]报道设施番茄化肥氮施用量为360kg/hm² 时，氨挥发损失率为0.73%。一般认为，土壤pH是影响氨挥发损失的重要因素，而设施菜地由于连续大量施肥，极易造成土壤酸化，可能由此造成了设施土壤氨挥发损失关注度不高的现象。但最新研究表明，设施大棚内氨挥发损失也可以达到较高的水平，如武星魁等^[33]报道设施大棚（pH 6.6）种植包心菜和小青菜，氨挥发损失率分别为12.2%和10.1%；在设施土壤低氨挥发率的结果（0.80%～3.45%）下，随着土壤pH的增加，氨挥发量反而呈现减少的趋势^[26]；在pH为7.99的设施菜地上种植茄子的氨挥发率仅为1.06%～1.29%^[34]。由此可见，土壤pH值可能并非是菜地土壤氨挥发的唯一决定因素，土壤含水量、温度等因素也可直接影响土壤氨挥发过程^[35-36]。

4 结论

在太湖地区水肥一体化模式下，现有的常规化肥氮用量存在过量问题。综合考虑设施番茄产量、氮肥利用率及氨挥发排放等因素，在常规用量上可减施15%的化肥氮。在化肥氮减施15%处理下，氮肥表观利用率达41.3%，比常规用量处理高43.1%；该处理下利润增加量最高，达到了10365元/hm²，增幅为8.4%。相比常规用量处理，减氮15%，氨挥发排放量可减少17.7%。常规化肥氮用量减氮15%，可维持设施番茄高产、增效的同时实现环境的减排。此外，水肥一体化技术在太湖地区应用带来的增收主要是由于增产的贡献，在种植规模逐渐扩大时，对人工成本的节约将快速显现。

参考文献