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养分专家系统 (NE) 推荐施肥提高甘肃甜瓜产量品质及降低土壤氮素淋洗损失的效果

温美娟 杨思存 王成宝 霍琳 姜万礼

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养分专家系统 (NE) 推荐施肥提高甘肃甜瓜产量品质及降低土壤氮素淋洗损失的效果

    作者简介: 温美娟 E-mail:wen_mj@126.com;
    通讯作者: 杨思存, E-mail:yangsicun@sina.com
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2016YFD0200104);甘肃省农业科学院科技创新专项(2015GAAS03)。

Availability of fertilizer recommendation by Expert Nutrient system (NE) method on melon yield, quality and soil nitrogen behavior in Gansu oasis

    Corresponding author: YANG Si-cun, E-mail:yangsicun@sina.com ;
  • 摘要:   【目的】  养分专家系统 (NE) 是利用作物多年产量水平和施肥历史进行推荐施肥的轻简化施肥技术。本文从甜瓜产量品质和土壤养分的淋洗及平衡角度,对该方法在甜瓜上的可行性进行了验证。  【方法】  以甜瓜品种‘楼兰17号’为试材,于2017—2018年在甘肃省瓜州县向阳村进行了推荐施肥田间试验。在养分专家系统 (Nutrient Expert,NE) 推荐施氮量 N 300 kg/hm2 (N300) 的基础上,设置:NE ± 25%N(N225和N375)、NE ± 50%N (N150和N450) 四个施氮量处理,以不施氮肥为对照处理 (N0)。测定甜瓜产量、品质、干物质积累量、果实氮素吸收量、氮肥利用率、0—200 cm土层硝态氮累积量,分析土壤氮素平衡状况。  【结果】  2017和2018年甜瓜产量均以NE系统推荐施氮的N300处理最高,较N0处理两年平均增产24.7%,施氮量0~300 kg/hm2范围内,甜瓜产量随施氮水平的增加而增加,超过NE推荐施氮量300 kg/hm2时产量下降;随着施氮量的增加,干物质积累量增加,但超过NE推荐施氮量时,干物质积累量差异不显著;NE推荐施氮量N 300 kg/hm2时甜瓜品质最优,商品率、经济效益最高,施氮量不足或过量都不利于品质的形成;氮肥利用率、氮肥养分内在效率随施氮量的增加而降低,但N225和N300处理差异不显著,果实吸氮量在N300处理时最高,氮素收获指数显著高于其他施氮水平;0—200 cm土层硝态氮累积量随着施氮量的增加而增加,2017年硝态氮累积量在0—100 cm土层,占200 cm土层的43.9%~55.3%,2018年硝态氮主要残留在100—200 cm土层,占0—200 cm土层的44.8%~69.9%;0—100 cm土层氮素表观损失量随施氮量的增加而增加,甜瓜植株两年平均吸氮量占氮素输出量33.2%、氮素残留量占33.1%、氮素损失量占44.2%;甜瓜产量、地上部吸氮量及氮素残留量和施氮量的多曲线分析拟合出甜瓜最高吸氮量的施氮量为323 kg/hm2,最高产量吸氮量为293 kg/hm2。施氮量每增加30 kg/hm2,产量增加886.5 kg/hm2,增幅为2.1%,土壤硝态氮增加8.5 kg/hm2,增幅37.6%。  【结论】  不论是产量和品质,还是氮素收获指数,NE系统推荐的施氮300 kg/hm2都取得了最优的效果。超过推荐量,主要增加茎叶等的生物量,还会降低果实的产量和品质。在供试生态条件下,土壤中硝态氮累积量随施氮量的增加而增加,且向下淋洗明显,试验的第一年主要积累在0—100 cm,第二年则下移至100—200 cm,环境风险增加。当氮素施用量超过300 kg/hm2时,氮素损失量 > 氮素残留量 > 植株吸氮量。因此,在生态脆弱区,限制氮肥的过高用量,不仅是产量和品质的需要,也是环境可持续的要求。
  • 图 1  2017和2018年甜瓜生育期降水量和气温

    Figure 1.  Rainfall and air temperature during the melon growth periods in 2017 and 2018

    图 2  2017和2018年不同供氮量对0—200 cm土层剖面硝态氮累积的影响

    Figure 2.  Effects of N supply levels on inorganic N distribution in 0-200 cm soil profile in 2017 and 2018

    图 3  施氮量对甜瓜产量和地上部氮素吸收、土壤硝态氮残留的影响

    Figure 3.  Effects of soil N supply levels on melon yield N uptake and soil residual inorganic N

    表 1  试验地基本理化性状

    Table 1.  Physical and chemical properties of the experimental soil

    年份
    Year
    土层 (cm)
    Soil layer
    pH容重 (g/cm3)
    Bulk density
    有机质 (g/kg)
    OM
    全氮 (g/kg)
    Total N
    速效氮 (mg/kg)
    Available N
    速效磷 (mg/kg)
    Available P
    速效钾 (mg/kg)
    Available K
    20170—208.981.388.10.5351.719.0110
    20—408.071.427.60.5146.226.9116
    20180—208.861.457.90.5556.819.5115
    20—408.151.517.50.4952.325.8121
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    表 2  不同施氮量下甜瓜产量、干物质量、品质和经济效益

    Table 2.  Effects of different N level on yield, dry matter accumulation and the quality of melon

    年份Year处理
    Treatment
    产量
    Yield
    (t/hm2)
    地上部干
    物质量
    Above ground
    biomass
    VC
    (mg/100g)
    可溶性糖
    Soluble
    sugar
    (%)
    可溶性
    固形物 (%)
    Soluble solid
    商品瓜率 (%)
    Commodity
    rate
    投入
    Investment
    (× 104 yuan/hm2)
    产出
    Output
    (× 104 yuan/hm2)
    纯收益
    Net outcome
    (× 104 yuan/hm2)
    2017N035.1 d5066 e11.7 c9.2 c12.5 b78.1 c4.595.811.22
    N15040.3 b5643 d13.6 ab10.0 bc14.6 a89.2 a4.667.232.57
    N22541.1 b5941 c13.0 bc12.9 a15.2 a89.9 a4.697.452.76
    N30042.8 a6608 a15.4 a13.5 a15.6 a90.3 a4.727.702.98
    N37539.3 c6228 b14.8 ab10.8 b14.9 b85.2 b4.757.472.72
    N45038.1 c6561 a14.4 ab10.6 c13.2 b83.1 b4.797.602.82
    2018N032.3 c5757 c11.3 d6.6 d8.2 b77.9 d4.465.901.44
    N15038.2 b6066 bc13.1 b7.1 bc10.9 ab88.9 a4.547.242.7
    N22540.8 b6198 b13.5 a7.2 b10.5 ab87.8 ab4.617.422.81
    N30041.2 a6320 b13.2 b7.5 a11.2 a89.3 a4.697.723.03
    N37539.3 b6708 a12.1 c7.0 c10.7 ab86.5 bc4.717.512.80
    N45038.2 b6365 ab12.2 c7.0 c9.9 ab85.4 c4.777.582.81
    显著性 Significance
    年份 Year (Y)****NSNSNS**___
    肥料 Fertilizer(F)*********NS___
    Y × F****NSNS*NS
    注 (Note):鲜瓜售价和肥料、农资成本2017年、2018年市价分别为甜瓜1.60 元/kg、1.80 元/kg;肥料两年均为N 4.35元/kg、P2O5 5.26元/kg、K2O 7.20元/kg;劳力按当地实际价格计算[人工费100.0 元/(人·天)];投入包括地膜、农药、灌溉、肥料和劳力 The price of fresh melon were 1.60 yuan/kg and 1.80 yuan/kg in2017 and 2018, the fertilizer price was 4.35 yuan/kg, for N, 5.26 yuan/kg for P2O5 and 7.20 yuan/kg for K2O, and the investment included of fertilizer, pesticides, irrigation, film, seedlings and labor cost (the daily labor cost was 100.0 yuan/person; 同列数值后的不同小写字母表示处理间在P < 0.05 水平差异显著 Values followed by different small letters are significantly different among treatments at P < 0.05; NS—不显著Not-significant; *—P < 0.05; **—P < 0.01.
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    表 3  不同施氮量对甜瓜氮素吸收和利用的影响

    Table 3.  Nitrogen uptake and use efficiency of melon under different N supply levels

    年份
    Year
    处理
    Treatment
    总吸氮量 (kg/hm2)
    N absorption
    果实吸氮量 (kg/hm2)
    Fruit N absorption
    氮肥利用率 (%)
    NRE
    氮素养分内在效率 (kg/kg)
    IEN
    氮收获指数 (%)
    NHI
    2017N075.6 c35.7 d464.4 a47.2 b
    N150110.6 b53.5 c23.3 a347.9 b48.4 b
    N225127.8 a72.7 b23.2 a321.8 c56.9 a
    N300137.2 a79.1 a20.6 a311.9 c57.7 a
    N375129.4 a64.9 b14.4 b303.4 c50.1 ab
    N450128.3 a63.8 b12.4 b297.4 c49.7 b
    2018N061.4 c26.4 d525.5 a43.1 c
    N15098.6 b54.5 c24.7 a387.2 b55.3 b
    N225114.9 a66.1b19.4 a355.1 b57.5 ab
    N300117.0 a73.1 a18.5 ab351.6 b62.5 a
    N375112.3 a62.8 b13.6 b349.6 b56.0 b
    N450115.9 a66.6 b12.8 b330.0 b57.4 b
    显著性 Significance
    年份 Year (Y)***NS*NS
    肥料 Fertilizer(F)**********
    Y × FNSNSNSNS*
    注(Note):NRE—Nitrogen recovery efficiency: IEN—Nitrogen internal efficiency: NHI—Nitrogen Harvest index. 同列数值后的不同小写字母表示处理间在P < 0.05 水平差异显著 Values followed by different small letters are significantly different among treatments at P < 0.05; NS—不显著Not-significant; *—P < 0.05; **—P < 0.01.
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    表 4  不同施氮处理0—200cm土层硝态氮累积量 (kg/hm2)

    Table 4.  NO3-N accumulation0-200 cm soil depth under different N fertilizer application rates

    处理
    Treatment
    0—100 cm100—200 cm
    20172018平均 Mean20172018平均 Mean
    播种前 BFT82.3 cd86.9 de97.1 de103.2 b201.9 a152.5 abc
    N044.9 e76.4 e60.6 f57.4 c89.4 c73.4 d
    N15085.8 cd76.7 e81.3 ef97.0 b134.8 bc115.9 c
    N225113.2 cd106.6 cd109.9 cd108.1 ab157.0 ab132.5 bc
    N300130.4 bc125.0 bc127.7 c118.7 ab168.9 ab143.8 abc
    N375150.6 ab146.4 b148.5 b128.9 ab205.1 a167.0 ab
    N450172.3 a214.0 a196.7 a139.1 a214.2 a176.6 a
    注(Note):BFT—Before transplanting;同列数值后不同小写字母表示处理间在P < 0.05 水平差异显著 Values followed by different small letters are significantly different among treatments at P < 0.05.
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    表 5  不同施氮量对0—100 cm土壤剖面氮素表观损失的影响

    Table 5.  Effects of different treatments on soil N apparent loss of melon in 0–100 cm layers

    年份
    Year
    氮投入 N input氮产出 N output
    施氮量 (kg/hm2)
    N rate
    播前氮 (kg/hm2)
    Initial N
    氮矿化 (kg/hm2)
    Mineral N
    植株吸氮量 (kg/hm2)
    N absorption
    氮残留 (kg/hm2)
    Residual N
    表观损失 (kg/hm2)
    Apparent loss
    2017082.338.575.6 c45.2 e
    15082.338.5110.6 b85.7 cd74.5 c
    22582.338.5127.8 a112.8 cd105.3 b
    30082.338.5137.2 a130.0 bc153.6 b
    37582.338.5129.4 a151.3 ab215.2 ab
    45082.338.5128.3 a172.3 a290.2 a
    2018086.950.961.4 c76.4 e
    15086.950.998.6 b76.7 e112.5 c
    22586.950.9114.9 a106.6 cd141.3 c
    30086.950.9117.1 a125.1 bc195.6 b
    37586.950.9112.3 a146.3 b254.2 a
    45086.950.9115.9 a221.2 a270.7 a
    注(Note):同列数值后的不同小写字母表示处理间在P < 0.05 水平差异显著 Values followed by different small letters are significantly different among treatments at P < 0.05.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-18
  • 录用日期:  2020-11-16

养分专家系统 (NE) 推荐施肥提高甘肃甜瓜产量品质及降低土壤氮素淋洗损失的效果

    作者简介:温美娟 E-mail:wen_mj@126.com
    通讯作者: 杨思存, yangsicun@sina.com
  • 甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所,甘肃兰州 730070
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2016YFD0200104);甘肃省农业科学院科技创新专项(2015GAAS03)。
  • 摘要:   【目的】  养分专家系统 (NE) 是利用作物多年产量水平和施肥历史进行推荐施肥的轻简化施肥技术。本文从甜瓜产量品质和土壤养分的淋洗及平衡角度,对该方法在甜瓜上的可行性进行了验证。  【方法】  以甜瓜品种‘楼兰17号’为试材,于2017—2018年在甘肃省瓜州县向阳村进行了推荐施肥田间试验。在养分专家系统 (Nutrient Expert,NE) 推荐施氮量 N 300 kg/hm2 (N300) 的基础上,设置:NE ± 25%N(N225和N375)、NE ± 50%N (N150和N450) 四个施氮量处理,以不施氮肥为对照处理 (N0)。测定甜瓜产量、品质、干物质积累量、果实氮素吸收量、氮肥利用率、0—200 cm土层硝态氮累积量,分析土壤氮素平衡状况。  【结果】  2017和2018年甜瓜产量均以NE系统推荐施氮的N300处理最高,较N0处理两年平均增产24.7%,施氮量0~300 kg/hm2范围内,甜瓜产量随施氮水平的增加而增加,超过NE推荐施氮量300 kg/hm2时产量下降;随着施氮量的增加,干物质积累量增加,但超过NE推荐施氮量时,干物质积累量差异不显著;NE推荐施氮量N 300 kg/hm2时甜瓜品质最优,商品率、经济效益最高,施氮量不足或过量都不利于品质的形成;氮肥利用率、氮肥养分内在效率随施氮量的增加而降低,但N225和N300处理差异不显著,果实吸氮量在N300处理时最高,氮素收获指数显著高于其他施氮水平;0—200 cm土层硝态氮累积量随着施氮量的增加而增加,2017年硝态氮累积量在0—100 cm土层,占200 cm土层的43.9%~55.3%,2018年硝态氮主要残留在100—200 cm土层,占0—200 cm土层的44.8%~69.9%;0—100 cm土层氮素表观损失量随施氮量的增加而增加,甜瓜植株两年平均吸氮量占氮素输出量33.2%、氮素残留量占33.1%、氮素损失量占44.2%;甜瓜产量、地上部吸氮量及氮素残留量和施氮量的多曲线分析拟合出甜瓜最高吸氮量的施氮量为323 kg/hm2,最高产量吸氮量为293 kg/hm2。施氮量每增加30 kg/hm2,产量增加886.5 kg/hm2,增幅为2.1%,土壤硝态氮增加8.5 kg/hm2,增幅37.6%。  【结论】  不论是产量和品质,还是氮素收获指数,NE系统推荐的施氮300 kg/hm2都取得了最优的效果。超过推荐量,主要增加茎叶等的生物量,还会降低果实的产量和品质。在供试生态条件下,土壤中硝态氮累积量随施氮量的增加而增加,且向下淋洗明显,试验的第一年主要积累在0—100 cm,第二年则下移至100—200 cm,环境风险增加。当氮素施用量超过300 kg/hm2时,氮素损失量 > 氮素残留量 > 植株吸氮量。因此,在生态脆弱区,限制氮肥的过高用量,不仅是产量和品质的需要,也是环境可持续的要求。

    English Abstract

    • 甜瓜是我国主要的水果之一,栽培历史悠久,分布广泛,具有较高的医用价值和营养价值,近年来我国甜瓜产量和种植面积稳步上升[1]。甘肃荒漠绿洲瓜州县土壤结构疏松,光热资源丰富,生产的厚皮甜瓜具有口味甘甜、耐储运等诸多优势,在我国瓜果生产和销售中占有重要地位[2]。但近年来该区域生产的甜瓜产量下降、品质变劣,这除了与甜瓜品种、种子质量及营销观念有关外,还缺乏高产优质栽培的施肥技术[3]。氮是植物生长最重要的元素,对植物的生长发育及产量品质均有显著的影响,适宜施氮量能兼顾作物产量品质和生态环境。对甘肃瓜州县甜瓜施肥调查中发现,当地农户氮肥年平均用量为N 400~500 kg/hm2,最高的达N 600 kg/hm2,过高的施氮量不仅降低了氮肥利用率,增加了氮素残留量,破坏了生态环境,还严重影响了果品商品率,导致甜瓜滞销严重,农民负担加重。因此,减氮增效成为该区甜瓜产业可持续发展的关键。

      随着甜瓜品种的不断更新和栽培技术的改善,合理的施氮量能补充土壤氮素消耗,促进作物氮素吸收,增加氮肥利用率,降低氮肥损失率[4]。要同时兼顾产量、品质、环境效益、经济效益和农学效益,则优化氮肥推荐量成为研究的重点。国内学者研究了作物产量与施氮量的关系,指出要获得高产高效施氮量必需在合理阈值内。杜少平[5]等确定的西北旱区温室沙田早熟厚皮甜瓜滴灌条件下适宜施氮量108~180 kg/hm2 时,甜瓜产量高、品质优。薛亮等[6]在甘肃民勤的试验研究表明,滴灌条件下中熟甜瓜在施氮量超过 240 kg/hm2 时,甜瓜产量反而下降。胡国智等[7]在新疆吐鲁番市灌耕棕漠土上的研究结果表明,哈密瓜型甜瓜在适宜灌溉量下,当施氮量 300 kg/hm2 时,甜瓜产量最高为 34.2 kg/hm2。可见施氮量与种植模式、种植地区、品种等有关。土壤中累积的氮素大部分以硝态氮形式存在,硝态氮淋失占到氮肥损失量的30%[8],降低氮肥投入量是降低硝态氮淋溶的有效手段。闫鹏等[9]研究了不同水氮用量对黄瓜季硝态氮淋失的影响,指出与农民习惯水氮处理相比节水30%减氮25%时,整个生育期硝态氮淋失量降低30%。温美娟等[10]在果树施肥模式上的研究也表明,减氮可降低硝态氮向深层土壤淋溶的风险。巨晓棠等[11]的研究表明,当施氮量由120 kg/hm2增加至360 kg/hm2时,肥料当季利用率可降低19.3%,损失率增加45.7%。因此在兼顾产量保证品质的前提下,减少氮肥投入量是降低氮肥损失率,提高氮肥利用率的可行手段。

      近年来,国内学者对适宜氮肥施用量的推荐方法不断探索。养分专家系统 (Nutrient Expert, NE) 是依据作物产量反应和农学效率的关系确定的养分推荐方法,能够帮助农民提高产量和经济效益[12]。目前NE系统在水稻[13]、小麦[14]、玉米[15]等作物种植区进行的推荐施肥工作取得了良好的效果,并基于同样原理构建了甜瓜养分专家系统。但甜瓜田间收获物是鲜果,基于产量反应和农学效率的养分专家推荐的施肥系统是否适合甜瓜田间生产有待进一步验证,且对于兼顾作物产量和生态效应的适宜施氮量多集中于小麦[13]、水稻[14]、甜菜[15]等作物,对甜瓜适宜施氮量的研究大多集中于滴灌模式或温室栽培模式下产量品质与施氮量的关系[16-17],而对垄膜沟灌模式下施氮对露地甜瓜生产、植株氮素吸收及土壤氮素平衡的研究较少。因此,我们于2017和2018年在甜瓜主产地甘肃瓜州县开展了基于NE系统的氮素养分梯度试验,研究不同施氮量对甜瓜产量品质和氮肥利用率、硝态氮累积量和氮素平衡的影响,验证NE系统推荐施氮量对兼顾甜瓜生产、环境效应、农学效应的效果,以期为甜瓜合理施肥,提高甜瓜产量和肥料养分利用率提供理论依据。

      • 试验于2017年和2018年在甘肃省瓜州县向阳村进行 (40°48′N,95°65′ E),两年试验地块相邻,土壤类型均为灰灌漠土,土壤耕层 (0—40 cm) 理化性状见表1。该区地处河西走廊最西端,属典型大陆性荒漠、半荒漠气候,海拔1065 m,年均降水量43.4 mm、蒸发量3140.6 mm,降雨主要集中在6、7月份;年平均气温8.8℃,昼夜温差大,≥ 10.0℃的积温3662℃;年日照时数3150 h,无霜期140 天。2017年、2018年生育期降水量分别为46.7 mm、45.3 mm(甜瓜生育期日均气温、降水量来自瓜州县气象局,见图1)。供试甜瓜品种为哈密瓜型‘楼兰17号’,株距45 cm,行距100 cm,种植密度14800 株/hm2。甜瓜于2017年4月20日播种,7月25日收获;2018年4月15日播种,7月17日收获。

        表 1  试验地基本理化性状

        Table 1.  Physical and chemical properties of the experimental soil

        年份
        Year
        土层 (cm)
        Soil layer
        pH容重 (g/cm3)
        Bulk density
        有机质 (g/kg)
        OM
        全氮 (g/kg)
        Total N
        速效氮 (mg/kg)
        Available N
        速效磷 (mg/kg)
        Available P
        速效钾 (mg/kg)
        Available K
        20170—208.981.388.10.5351.719.0110
        20—408.071.427.60.5146.226.9116
        20180—208.861.457.90.5556.819.5115
        20—408.151.517.50.4952.325.8121

        图  1  2017和2018年甜瓜生育期降水量和气温

        Figure 1.  Rainfall and air temperature during the melon growth periods in 2017 and 2018

      • 试验在NE推荐施氮量的基础上设置设计6个氮水平 (N kg/hm2):不施氮处理 (N0)、NE推荐施氮量N 300 kg/hm2(N300)、NE推荐施氮量减氮50%(N 150 kg/hm2,N150)、NE推荐施氮量减氮25%(N 225 kg/hm2,N225)、NE推荐施氮量增氮25%(N 375 kg/hm2,N375)、NE推荐施氮量增氮50%(N 450 kg/hm2,N450)。试验氮肥为尿素 (N 46%),20%的氮肥做基肥沟施入垄膜带下部,剩余氮肥在五叶期、定瓜后、膨大期随水施入,施氮比例分别为25%、25%和30%;磷肥为磷酸二铵 (P2O5 46%),施用量P2O5 150 kg/hm2,100%磷肥作基肥沟施入垄膜带下部;钾肥为硫酸钾 (K2O 50%),施用量K2O 120 kg/hm2,50%的钾肥作基肥,另外50%的钾肥在膨大期施入。各处理随机排列,4次重复,共24个小区,小区面积75 m2(3 m × 25 m)。采用垄膜沟灌栽培方式,沟宽80 cm、垄宽220 cm。甜瓜生育期总灌水量300 mm,灌水7次,在覆膜后灌水,保证一次底墒,播种后每15天灌水一次。

      • 成熟期选取植株样品10株,分茎叶和果实置于105℃烘箱中杀青 30 min,降至80℃至恒重,称量计算不同处理植株生物量。样品粉碎过5 mm筛,经H2SO4-H2O2 消煮后用凯氏定氮法测定成熟期地上部植株全氮含量[18]

      • 甜瓜收获时,每个小区随机采摘20个瓜,计算单瓜重,根据种植密度折合成公顷产量。

      • 每个小区随机采摘5个瓜,带回实验室切开,可食部分多点采样、混合、打浆,可溶性糖含量采用蒽酮比色法,VC含量采用2,6-二氯酚靛酚滴定法,有机酸含量采用NaOH中和法,可溶性固形物含量用折光仪 (PAL-1) 测定。

      • 甜瓜成熟后每小区在垄上避开施肥点随机选取5个采样点,采集各处理0—200 cm土样,每20 cm为一层,剔除根系后混匀,密封带回实验室,称取土样5 g,加入2 mol/L的KCl溶液25 mL浸提,振荡30 min,过滤后保存在4℃冰箱中,用流动分析仪测定土壤硝态氮含量[18]

      • 植株地上部总吸氮量 (kg/hm2) = 茎叶吸氮量 + 果实吸氮量;

        茎叶吸氮量 (kg/hm2) = 茎叶含氮量 (g/kg) × 茎叶生物量 (kg/hm2)/1000;

        果实吸氮量 (kg/hm2) = 果实含氮量 (g/kg) × 果实生物量 (kg/hm2)/1000;

        氮收获指数 (NHI,%) = (果实吸氮量/植株吸氮量) × 100;

        商品瓜率 (%) = (甜瓜收获果数-破损、畸形、未成熟果数)/甜瓜收获果数 × 100;

        氮肥利用率 (NRE,%) = (施氮区地上部分吸氮量-不施氮区地上部分吸氮量)/施氮量 × 100;

        氮素养分内在效率 (IEN,kg/kg) = 施氮区产量/施氮区地上部氮累积量;

        硝态氮累积量:I = h × C × B/10

        式中:I为硝态氮累积量 (kg/hm2);h为土层厚度 (cm);C为硝态氮含量 (mg/kg);B为该土层的平均容重 (g/cm3),0—20 cm和20—40 cm容重见表1,其它土层各按1.54 g/cm3计算。

        氮矿化根据无氮区作物吸氮量与试验前后土壤无机氮的净矿化加以计算,由于不考虑氮肥的激发效应,故假定施肥处理的土壤氮素矿化量和无肥区相同,即:

        氮表观矿化量 (kg/hm2) = 不施氮区地上部分吸氮量 + 收获后土壤Nmin-播前土壤起始Nmin

        本文在不考虑干湿沉降和降水、种子带入的氮素量的情况下,根据氮素输入输出平衡的原理计算氮的表观损失:氮表观损失量 (kg/hm2) = (施氮量 + 种植前土壤起始Nmin + 氮表观矿化量)-(施氮区地上部分吸氮量 + 收获后土壤Nmin);

        氮素输入包括施入氮肥、起始硝态氮和氮素矿化3项,氮素输出项包括作物吸收、硝态氮残留和表观损失3项。

        数据采用采用Excel2007处理,Simpalot12.5绘图,SAS19.0软件进行统计分析。采用单因素方差分析检验所有处理间的差异显著性;采用Duncan法进行多重比较,差异显著性水平设为α = 0.05。

      • 表2可知,2017和2018年甜瓜产量的施肥效应表现出极显著的变化。与不施氮相比,各施氮处理增产效果达到显著水平 (P < 0.05),增产幅度分别为8.7%~21.9%(2017年)、18.2%~27.5%(2018年)。在不同施氮处理中,甜瓜产量随施氮量的增加呈先增后降的趋势。两个年份甜瓜总生物量的施肥效应有极显著的变化。相对于N0,施氮处理两年间分别提高了11.4%~30.4%(2017年)、5.4%~16.5%(2018年)。施氮量超过300 kg/hm2时,总生物量继续增加,但产量反而下降,说明总生物量的增加主要是茎叶。表2还可看出,与不施氮相比,施氮后甜瓜维生素C(VC)、可溶性固形物和可溶性糖2017年、2018年VC提高11.1%~31.6%、7.1%~19.4%,可溶性糖提高8.7%~46.7%、7.1%~13.6%,可溶性固形物提高5.6%~24.8%、20.7%~36.6%,且在施氮超过300 kg/hm2时,VC、可溶性固形物和可溶性糖随施氮量的增加而降低。试验年份对商品瓜率有极显著影响,施氮后商品瓜率保持在80%以上,最高商品瓜率出现在N300处理,随后逐渐降低,说明施氮量越多畸形瓜越多,商品瓜产量越低。对经济效益的分析如表2所示,投入金额随着施氮量的增加而增加,产出随施氮量的增加而降低,N300时产出最高,2017年和2018年纯收益也均以N300最高,平均为3.01万元/hm2

        表 2  不同施氮量下甜瓜产量、干物质量、品质和经济效益

        Table 2.  Effects of different N level on yield, dry matter accumulation and the quality of melon

        年份Year处理
        Treatment
        产量
        Yield
        (t/hm2)
        地上部干
        物质量
        Above ground
        biomass
        VC
        (mg/100g)
        可溶性糖
        Soluble
        sugar
        (%)
        可溶性
        固形物 (%)
        Soluble solid
        商品瓜率 (%)
        Commodity
        rate
        投入
        Investment
        (× 104 yuan/hm2)
        产出
        Output
        (× 104 yuan/hm2)
        纯收益
        Net outcome
        (× 104 yuan/hm2)
        2017N035.1 d5066 e11.7 c9.2 c12.5 b78.1 c4.595.811.22
        N15040.3 b5643 d13.6 ab10.0 bc14.6 a89.2 a4.667.232.57
        N22541.1 b5941 c13.0 bc12.9 a15.2 a89.9 a4.697.452.76
        N30042.8 a6608 a15.4 a13.5 a15.6 a90.3 a4.727.702.98
        N37539.3 c6228 b14.8 ab10.8 b14.9 b85.2 b4.757.472.72
        N45038.1 c6561 a14.4 ab10.6 c13.2 b83.1 b4.797.602.82
        2018N032.3 c5757 c11.3 d6.6 d8.2 b77.9 d4.465.901.44
        N15038.2 b6066 bc13.1 b7.1 bc10.9 ab88.9 a4.547.242.7
        N22540.8 b6198 b13.5 a7.2 b10.5 ab87.8 ab4.617.422.81
        N30041.2 a6320 b13.2 b7.5 a11.2 a89.3 a4.697.723.03
        N37539.3 b6708 a12.1 c7.0 c10.7 ab86.5 bc4.717.512.80
        N45038.2 b6365 ab12.2 c7.0 c9.9 ab85.4 c4.777.582.81
        显著性 Significance
        年份 Year (Y)****NSNSNS**___
        肥料 Fertilizer(F)*********NS___
        Y × F****NSNS*NS
        注 (Note):鲜瓜售价和肥料、农资成本2017年、2018年市价分别为甜瓜1.60 元/kg、1.80 元/kg;肥料两年均为N 4.35元/kg、P2O5 5.26元/kg、K2O 7.20元/kg;劳力按当地实际价格计算[人工费100.0 元/(人·天)];投入包括地膜、农药、灌溉、肥料和劳力 The price of fresh melon were 1.60 yuan/kg and 1.80 yuan/kg in2017 and 2018, the fertilizer price was 4.35 yuan/kg, for N, 5.26 yuan/kg for P2O5 and 7.20 yuan/kg for K2O, and the investment included of fertilizer, pesticides, irrigation, film, seedlings and labor cost (the daily labor cost was 100.0 yuan/person; 同列数值后的不同小写字母表示处理间在P < 0.05 水平差异显著 Values followed by different small letters are significantly different among treatments at P < 0.05; NS—不显著Not-significant; *—P < 0.05; **—P < 0.01.
      • 表3可知,施肥和试验年份对甜瓜地上部总吸氮量和果实吸氮量有显著或极显著影响,但随试验年份,吸氮量的施肥效应变化不明显。与不施氮相比,施氮处理甜瓜地上部吸氮量提高46.3%~81.5%(2017年)、60.6%~90.6%(2018年),不同施氮处理中,吸氮量随着施氮量的增加呈先增加后降低趋势,当施氮量超过300 kg/hm2时,果实吸氮量显著降低。表3还可看出,施氮对氮素回收率和养分内在效率有极显著影响。氮肥利用率和氮素养分内在效率随着施氮量的增加而降低,表明在较低施氮量下,氮素被甜瓜吸收利用的机会较大,施氮量超过300 kg/hm2,甜瓜产量降低,由增加施氮量转化为产量的氮素养分效率降低,继续增加施氮量,植株总吸氮量并未增加,从而导致氮素养分回收率和养分内在效率的降低。因此,结合甜瓜产量、品质和氮素吸收量,施氮量300 kg/hm2时施氮量最佳。施氮和试验年份对氮素收获指数有显著或极显著的影响。施氮较不施氮,氮素收获指数提高2.5%~22.2%(2017年)、28.3%~43.1%(2018年)。随着施氮量的增加NHI先增加后降低,施氮量超过300 kg/hm2时,NHI开始下降,说明过量施氮提高了甜瓜茎叶中的氮素比例,茎叶氮素奢侈吸收。

        表 3  不同施氮量对甜瓜氮素吸收和利用的影响

        Table 3.  Nitrogen uptake and use efficiency of melon under different N supply levels

        年份
        Year
        处理
        Treatment
        总吸氮量 (kg/hm2)
        N absorption
        果实吸氮量 (kg/hm2)
        Fruit N absorption
        氮肥利用率 (%)
        NRE
        氮素养分内在效率 (kg/kg)
        IEN
        氮收获指数 (%)
        NHI
        2017N075.6 c35.7 d464.4 a47.2 b
        N150110.6 b53.5 c23.3 a347.9 b48.4 b
        N225127.8 a72.7 b23.2 a321.8 c56.9 a
        N300137.2 a79.1 a20.6 a311.9 c57.7 a
        N375129.4 a64.9 b14.4 b303.4 c50.1 ab
        N450128.3 a63.8 b12.4 b297.4 c49.7 b
        2018N061.4 c26.4 d525.5 a43.1 c
        N15098.6 b54.5 c24.7 a387.2 b55.3 b
        N225114.9 a66.1b19.4 a355.1 b57.5 ab
        N300117.0 a73.1 a18.5 ab351.6 b62.5 a
        N375112.3 a62.8 b13.6 b349.6 b56.0 b
        N450115.9 a66.6 b12.8 b330.0 b57.4 b
        显著性 Significance
        年份 Year (Y)***NS*NS
        肥料 Fertilizer(F)**********
        Y × FNSNSNSNS*
        注(Note):NRE—Nitrogen recovery efficiency: IEN—Nitrogen internal efficiency: NHI—Nitrogen Harvest index. 同列数值后的不同小写字母表示处理间在P < 0.05 水平差异显著 Values followed by different small letters are significantly different among treatments at P < 0.05; NS—不显著Not-significant; *—P < 0.05; **—P < 0.01.
      • 图1显示,成熟期不同施氮水平下0—200 cm土层土壤剖面NO3-N含量随着土层深度的增加呈现降低—平缓—升高的趋势。不同施氮处理的差异主要表现在0—60 cm土层,施氮量越多,硝态氮累积量越多,60—140 cm土层变化平缓,各处理差异不明显,140—300 cm土层有升高趋势,尤其在2018年这种表现更为明显,说明本研究中,该区甜瓜生育期存在明显的土壤硝态氮向深层淋溶的现象。

        图  2  2017和2018年不同供氮量对0—200 cm土层剖面硝态氮累积的影响

        Figure 2.  Effects of N supply levels on inorganic N distribution in 0-200 cm soil profile in 2017 and 2018

        表4表明,0—100 cm和100—200 cm土层硝态氮累积量随着施氮量的增加显著增加,0—100 cm土层,两年均表现为施氮量超过300 kg/hm2时,残留氮显著高于播前氮,2017年硝态氮在0—100 cm土层累积量较高,占0—200 cm土层的43.9%~55.3%,2018年硝态氮主要残留在100—200 cm土层,占0—200 cm土层的44.8%~69.9%,从两年平均值可得出,施氮量与0—100 cm土层硝态氮累积量回归方程为:y=0.21915x+47.928(R2 = 0.9391**),施氮量每增加100 kg,硝态氮残留量增加21.9 kg;100—200 cm土层施氮量与硝态氮累积量回归方程为:y=0.521x+125.43(R2 = 0.9881**),施氮量每增加100 kg,硝态氮残留量增加52.1 kg。可见,减少施氮量是降低硝态氮残留的有效手段。

        表 4  不同施氮处理0—200cm土层硝态氮累积量 (kg/hm2)

        Table 4.  NO3-N accumulation0-200 cm soil depth under different N fertilizer application rates

        处理
        Treatment
        0—100 cm100—200 cm
        20172018平均 Mean20172018平均 Mean
        播种前 BFT82.3 cd86.9 de97.1 de103.2 b201.9 a152.5 abc
        N044.9 e76.4 e60.6 f57.4 c89.4 c73.4 d
        N15085.8 cd76.7 e81.3 ef97.0 b134.8 bc115.9 c
        N225113.2 cd106.6 cd109.9 cd108.1 ab157.0 ab132.5 bc
        N300130.4 bc125.0 bc127.7 c118.7 ab168.9 ab143.8 abc
        N375150.6 ab146.4 b148.5 b128.9 ab205.1 a167.0 ab
        N450172.3 a214.0 a196.7 a139.1 a214.2 a176.6 a
        注(Note):BFT—Before transplanting;同列数值后不同小写字母表示处理间在P < 0.05 水平差异显著 Values followed by different small letters are significantly different among treatments at P < 0.05.
      • 甜瓜根系较发达,主根可深入土层100 cm,因此0—100 cm 土层可作为甜瓜根系吸收养分主要层来评估甜瓜对氮肥的利用状况。如表5所示,试验区无机氮主要以NO3-N 形式存在,因而在计算氮素平衡过程中以NO3-N含量为准。氮素投入方面,施肥所占总投入量的比例2017年为55.4%~79.6%,2018年为52.1%~77.3%,播前土壤无机氮和氮素矿化量之和占氮肥输入总量的比例较小,2017年占比为20.4%~44.6%,2018年为22.7%~47.9%。氮素输出项包括地上部氮素吸收量、氮素残留量和表观损失量,综合各处理平均值,2017年地上部吸氮量占氮素输出量的36.8%,2018年占29.7%;2017年氮素残留量占氮素输出量的32.0%,2018年占34.2%;2017年氮素表观损失量占氮素输出量的39.9%,2018年占44.4%。氮素残留量和表观损失量占氮输出的比例较大,且随着施氮量的增加而增加,最大值为N450处理,且与N300处理差异显著。大量残留的硝态氮很容易通过淋洗、径流、氨挥发或者是反硝化途径损失,从而对环境造成巨大压力。将氮素表观损失量 (y) 与施氮量进行回归分析得到如下方程为:y1 =0.604x-1.9243(R2 = 0.9645**),即总氮输入量每增加1.0 kg,氮素表观损失量增加0.6 kg。

        表 5  不同施氮量对0—100 cm土壤剖面氮素表观损失的影响

        Table 5.  Effects of different treatments on soil N apparent loss of melon in 0–100 cm layers

        年份
        Year
        氮投入 N input氮产出 N output
        施氮量 (kg/hm2)
        N rate
        播前氮 (kg/hm2)
        Initial N
        氮矿化 (kg/hm2)
        Mineral N
        植株吸氮量 (kg/hm2)
        N absorption
        氮残留 (kg/hm2)
        Residual N
        表观损失 (kg/hm2)
        Apparent loss
        2017082.338.575.6 c45.2 e
        15082.338.5110.6 b85.7 cd74.5 c
        22582.338.5127.8 a112.8 cd105.3 b
        30082.338.5137.2 a130.0 bc153.6 b
        37582.338.5129.4 a151.3 ab215.2 ab
        45082.338.5128.3 a172.3 a290.2 a
        2018086.950.961.4 c76.4 e
        15086.950.998.6 b76.7 e112.5 c
        22586.950.9114.9 a106.6 cd141.3 c
        30086.950.9117.1 a125.1 bc195.6 b
        37586.950.9112.3 a146.3 b254.2 a
        45086.950.9115.9 a221.2 a270.7 a
        注(Note):同列数值后的不同小写字母表示处理间在P < 0.05 水平差异显著 Values followed by different small letters are significantly different among treatments at P < 0.05.
      • 为了探明协调甜瓜高产和环境保护的适宜氮肥用量,以甜瓜产量为产量指标,甜瓜地上部吸氮量和土壤硝态氮残留量为环境指标进行多曲线分析 (图3)。甜瓜产量、地上部吸氮量和施氮量的关系可用二次加平台、二次抛物线方程来模拟,而土壤硝态氮残留量随施氮量的增加呈指数关系增加。基于模拟方程得到最大产量 (42100 kg/hm2) 和吸氮量 (114.0 kg/hm2) 的施氮量为293 kg/hm2、323 kg/hm2,在获得最高吸氮量的基础上,施氮量每增加30 kg/hm2,产量增加886.5 kg/hm2,增幅为2.1%,硝态氮残留量增加8.5 kg/hm2,增幅37.6%。因此,保证适宜施氮量是保障甜瓜生长的关键,超过最大产量的吸氮量并未增加甜瓜产量,而是累积在茎叶中,造成氮奢侈吸收,且多余的氮素超过甜瓜截获能力,增加土壤氮素损失风险。

        图  3  施氮量对甜瓜产量和地上部氮素吸收、土壤硝态氮残留的影响

        Figure 3.  Effects of soil N supply levels on melon yield N uptake and soil residual inorganic N

      • 地上部干物质积累量是表征作物生长发育状况的重要生理指标,与作物高产关系密切,更多的干物质量从营养器官转移到籽粒器官是提高作物产量的关键[21]。本研究结果显示,随着施氮量的增加,干物质积累量逐渐增加,产量就增加,但施氮量超过300 kg/hm2时产量降低,说明当施氮量超过300 kg/hm2时,增加了茎叶部分干物质积累量,而非果实。作物高产有其适宜的施氮范围,过高的施氮量导致茎叶徒长,果实贪青晚熟,增加烂果数量,降低甜瓜商品率。因此应在保证甜瓜产量的情况下尽量降低氮肥用量。但由于栽培环境和品种等的差异,不同地区甜瓜适宜施氮量不同。如李立昆[22]在陕西的研究结果是施氮量116.3 kg/hm2时,产量最高;吴海华[23]在新疆立架甜瓜的试验结果表明该区适宜施氮量为303 kg/hm2;薛亮[20]在甘肃民勤滴灌甜瓜适宜施氮量的研究结果表明,最高产的施氮量为240 kg/hm2。因此,根据地区条件针对性施肥至关重要。本研究根据两年的田间试验得出,甜瓜产量在养分专家系统 (NE) 推荐的施氮量300 kg/hm2时产量最大,随着施氮量的增加产量降低,品质下降,说明在垄膜沟灌模式下,施氮300 kg/hm2能满足果实单果重、光合效率和生理生长需要的养分条件,这与李珺等[24]应用NE系统研究不同施氮量对马铃薯产量的影响的研究结果相似。主要原因是养分专家系统 (NE) 是根据当地土壤条件、栽培习惯有针对性的确定推荐施肥量,氮肥推荐量根据氮肥产量反应和农学效率得出,可在不降低产量的条件下控制施肥量[25],本研究通过线性加平台函数拟合得出两年最高产量施氮量平均值为293 kg/hm2,拟合的最高产量施氮量与NE系统推荐施氮量接近,但高于该值,考虑养分吸收平衡和维持土壤肥力状况,NE系统推荐施氮量符合该区甜瓜生产实际。

      • 施氮的增产效应和氮肥利用率是评价氮肥是否施用合理的重要指标[26]。本研究结果表明,施氮量在0~300 kg/hm2范围内,甜瓜产量和地上部氮素吸收量显著提高,超过300 kg/hm2时,地上部吸氮量和产量呈下降趋势,氮肥利用率N300处理低于N225处理,差异不显著,但N225处理产量和果实吸氮量显著低于N300处理,可见降低施氮量虽可提高氮肥利用率,但产量较低,长期种植可能会增加土壤氮素耗竭,不利于可持续生产。因此,协调产量和氮肥利用率的矛盾,除了要在保证产量的前提下提高利用率外,还要避免甜瓜植株对氮素的奢侈吸收。氮养分内在效率指地上部干物质吸收单位养分所生产的产量,反映了地上部吸收的养分对产量形成的效率高低[27]。本研究中养分内在效率随施氮量的增加而降低,主要原因是由吸氮增加的施氮量转化为产量的效率降低且已达到最高值,增加施氮量植株吸氮量并未增加,从而使养分内在效率降低。NHI在N300处理时最高,说明在该施氮量下氮素向果实的转运效率最高,施氮量超过300 kg/hm2时,NHI降低,主要原因是较高的施氮量使茎叶徒长,延后了作物成熟,导致氮素向果实的转移延后[28]。氮肥是否施用合理,除了要要考虑氮肥增产效应和利用率外,还要考虑土壤无机氮残留量的高低。硝态氮是氮素在土壤中存在和作物吸收利用的主要形式,土壤硝态氮残留量的高低也是评价氮肥合理施用的另一重要指标[29],本研究结果表明,0—200 cm土层随着施氮量的增加,土壤硝态氮累积量增加,试验第二年,100—200 cm土层硝态氮含量明显高于0—100 cm土层,且随土层深度的增加呈增加趋势,说明该区存在严重的硝态氮淋溶现象,主要是原因一方面与该区垄膜沟灌种植模式有关,另一方面与土壤质地有关,该区土壤为风沙土,质地较轻,施肥灌水后加速了土壤硝态氮淋溶[30]

      • 合理施氮除了要考虑产量和经济效益外,还要将施肥后植物-土壤系统的氮素平衡和氮素去向考虑在内[31]。丁武汉等[32]评估了区域设施菜地土壤氮素的输入输出平衡状况,指出当前我国设施菜地整体表观氮平衡为正盈余,存在较高的氮素损失风险。侯云鹏等[33]在小麦适宜施氮量的研究指出,施氮180 kg/hm2处理氮素表观损失量最小,氮素施入基本等于氮素输出,氮素损失最低。薛亮等[20]在甘肃民勤滴灌甜瓜适宜施氮量的研究中指出,滴灌模式下施氮量超过180 kg/hm2,氮输出项中甜瓜吸氮量降低,土壤残留量和损失量显著升高。本研究氮素平衡计算表明,随着施氮量的增加,甜瓜全生育期土壤矿化氮和播前硝态氮之和占总输入量的比例不断减少,但仍能满足甜瓜地上部对氮素的需求。不施氮时,氮素投入基本等于氮素产出,2017年施氮量小于300 kg/hm2时,甜瓜地上部氮素携出量所占氮素输出量的比例逐渐增加,植株吸氮量 > 土壤残留氮 > 表观损失量,但当施氮量超过300 kg/hm2时,植株吸氮量降低,硝态氮残留量和氮素表观损失量占氮输出的比例显著增加,2018年随着施氮量的增加,氮素损失量显著增加,施氮量超过300 kg/hm2时,氮素损失量 > 氮素残留量 > 植株吸氮量,这与该区土壤质地和环境因素增加了氨挥发和硝态氮淋洗等因素有关[33]。表明过多施氮是造成氮素损失量增加和环境风险加重的主要原因,合理施氮是保证土壤氮素平衡的关键。

      • 通过连续两年的试验结果表明,施氮量为NE推荐施氮量300 kg/hm2时,甜瓜鲜瓜重的产量达到最大,品质最优,经济效益最高,果实氮素吸收量最大,氮素收获指数NHI最高,氮肥利用率保持较高水平。超过推荐施氮量,主要增加茎叶生物量,而甜瓜产量和品质下降。

        当施氮量超过NE推荐的 N 300 kg/hm2时,土壤中硝态氮累积量显著增加,且向下移动明显,氮素表观损失量也显著增加,且氮素损失量 > 氮素残留量 > 植株吸氮量。因此,采用NE系统进行施肥推荐,不仅可以实现产值和生产效益最大化,而且可以大大降低施肥带来的环境风险,是甘肃绿洲区简易可行的推荐施肥工具。

    参考文献 (33)
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