设施作物种植具有“高投入、高产出”的特点。近年来，我国设施菜地面积不断扩大，在农产品供给和农业农村经济发展方面发挥了重要作用^[1]。2008年至今，我国设施作物种植面积从81万hm²增加至370万hm^2[1-2]。设施蔬菜生产快速发展的同时也伴随着过量化肥和农药的投入，据文献统计：我国设施蔬菜生产中化肥养分用量（以N、P₂O₅和K₂O计）平均达到1 354.5 kg·hm^-2，为全国农作物化肥养分平均用量的4.1倍^[3-4]；单茬蔬菜盈余氮量平均达到324 kg·hm^-2，以淋溶、硝化反硝化和氨挥发形式损失的氮达到309 kg·hm^-2[5]。长江下游地区经济较为发达，在经济利益的驱动下大量的稻田改为设施菜地，种植面积增长迅速。为确保蔬菜的稳产高产通常大量施用氮肥，然而氮肥利用率较低，仅为18.8%^[6]，大量的氮素损失进入环境中，面源污染问题日益严重^[7-8]。

水肥一体化技术是一种将灌溉和施肥融为一体的技术，一般是将可溶性固体或液体肥料与灌溉水均匀混合后，采用滴灌的形式进行灌溉。滴灌能较为精准地将肥水施入作物根区，有效降低土壤水分和养分的深层渗漏，相比常规的肥料撒施可显著降低水、肥用量，提高水、肥利用效率^[9-10]。农业农村部于2016年印发了《推进水肥一体化实施方案》，计划至2020年底水肥一体化技术推广应用面积达到1.5亿亩（合1 000万hm²），其中设施菜地是水肥一体化技术推广应用的一个重要场景^[3]。在山东省寿光市开展的水肥一体化研究显示，滴灌施肥方式可在减少氮肥投入50%的前提下增加番茄产量，氮肥的偏生产力为常规漫灌方式的3倍，灌溉水利用率提高1倍^[11]。西北半干旱地区设施番茄采用滴灌施肥产量增加31 t·hm^-2，水分利用效率和氮肥利用率分别增加46.4%和76.5%^[12]。长江下游地区河网密集，灌溉成本较低，但劳动力成本和农田肥料投入量远高于西部地区。因水肥一体化技术具有省工、省力、节肥的特点，近年来在该地区得到了广泛的推广应用，其节肥和增产效果也得到了一定验证^[13-14]。然而，应用水肥一体化技术是否可有效降低该地区设施蔬菜生产过程中的氮素环境排放，降低的程度如何，尚缺乏数据支撑。

氨挥发是氮肥环境排放途径中占比最大的途径（N₂除外）^[15-16]。随着施氮量的增加和温度的升高，土壤氨挥发速率增大，累积氨挥发量显著增加^[17-18]。设施蔬菜种植过程中大量施用有机肥和化肥，同时，设施内温度远高于开放环境，加之设施大棚在夏季均留有通风口降温除湿，这些因素大大增加了设施蔬菜体系氨挥发排放的风险。丁武汉等^[5]通过文献调研和参数估算对全国18个省份的设施菜地氮素平衡进行了分析，得出氨挥发损失率平均为10.32%。设施菠菜施用农民传统堆肥后氨挥发损失率达10.97%^[19]。不同施肥方式对土壤氨挥发有显著影响，与尿素表施相比，深施可降低84.7%的氨挥发累积量^[20]。当施肥深度达到10 cm以上时，氨挥发损失率降至施氮量的2%以下^[21]，氮肥表观利用率可达60%^[22]。西北较为干旱的地区采用水肥一体化方式种植大田作物，氨挥发损失率仅为0.20%~3.52%^[23-24]。对于设施菜地种植体系，与农户习惯的氮素表施相比，应用水肥一体化施肥后氨挥发损失情况如何，目前仍未见相关研究报道。

基于此，本研究选取广泛种植的设施番茄作为研究对象，在长江下游地区的江苏省宜兴市开展水肥一体化田间试验，对常规氮肥撒施和水肥一体化滴灌两种施肥方式下的氮肥利用率、土壤氨挥发和速效氮（铵态氮和硝态氮）残留等指标进行观测和分析，为长江下游地区设施菜地水肥一体化技术的推广应用提供科学依据。

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月月平均气温16.1~28.3 ℃，年均无霜期240 d左右，年均日照时数1 700 h，年均降水量1 177 mm。试验田位于连栋塑料大棚内，棚龄2年，改建大棚前为稻麦轮作农田。根据中国土壤系统分类命名，供试土壤类型为普通肥熟旱耕人为土。0~20 cm耕层土壤基础性质为：有机质22.21 g·kg^-1，全氮1.54 g·kg^-1，硝态氮（NO₃^--N）60.81 mg·kg^-1，铵态氮（NH₄⁺-N）11.79 mg·kg^-1，有效磷109.5 mg·kg^-1，速效钾169.5mg·kg^-1，pH为5.80（水土比2.5︰1）。

试验共设3个处理：无化肥氮处理（CK）、化肥撒施（SF）和水肥一体化滴灌（DF）。各处理在移栽前施用15 t·hm^-2商品有机肥，有机肥的主要成分为腐熟羊粪，N、P₂O₅和K₂O含量分别为6.2 g·kg^-1、4.1 g·kg^-1和3.5 g·kg^-1。各处理的化肥用量、施肥次数和施肥日期见表 1。化肥氮采用尿素、磷肥采用磷酸二氢钾（KH₂PO₄）、钾肥在扣除KH₂PO₄中所含钾素后，用硫酸钾（K₂SO₄）补全用量。小区采用随机区组排列，每处理设3个重复，小区面积36.1 m²。供试作物为番茄（Solanum lycopersicum），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30 cm，株距40 cm，畦面宽80 cm，沟宽40 cm，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，DF处理滴灌追肥时，CK和SF处理同步采用滴灌进行灌溉，每次灌溉水用量135~180 m³·hm^-2，其余田间管理措施与当地种植习惯相同。

表 1 Table 1

表 1 不同处理的化肥施用情况 Table 1 Chemical fertilization relative to treatment 处理 Treatment 化肥用量 Chemical fertilizer application rate/ （kg·hm-2） 基肥 Basal fertilizer 追肥11） Topdressing 1 追肥2 Topdressing 2 追肥3 Topdressing 3 追肥4 Topdressing 4 追肥5 Topdressing 5 N P2O5 K2O 04-142） 04-27 05-12 05-27 06-12 06-24 CK 0 75 330 50% 0 25% 0 25% 0 SF 225 75 330 50% 0 25% 0 25% 0 DF 225 75 330 0% 10% 20% 30% 30% 10% 注：CK，无化肥氮处理；SF，化肥撒施；DF，水肥一体化滴灌。1）追肥1~追肥5特指DF处理的追肥时期，CK和SF处理的第一次和第二次追肥时间与DF处理的追肥2和追肥4时间一致。2）04-12等表示施肥日期（mm-dd）。Note：CK，no chemical N applied；SF，fertilizer broadcast；DF，fertigation. 1）Topdressing 1- Topdressing 5 refers specifically to the five times of topdressing in Treatment DF，and the first and second topdressing in Treatment CK and SF coincided with the second and fourth topdressing in treatment DF in timing. And 2）04-12 indicates date of fertilization（mm-dd）.

表 1 不同处理的化肥施用情况 Table 1 Chemical fertilization relative to treatment

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15 cm，高20 cm。为了减少因装置安放位置造成的测试结果差异，在每个试验小区内均匀布设5个采集装置。采样时分别将两块厚度为2 cm、直径为16 cm的海绵均匀浸以15 mL磷酸甘油溶液（50 mL磷酸+ 40 mL丙三醇，定容至1 000 mL），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6天每天固定时间更换下层海绵，之后每3天更换一次下层海绵，上层海绵每3天更换一次，直至检测氨挥发量接近空白处理。海绵样品中的氨采用1 mol·L^-1 KCL溶液浸提，靛酚蓝比色法测定。

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。番茄收获后采集各小区0~20 cm、20~40 cm和40~50 cm土层的土壤样品，测试硝态氮和铵态氮含量。番茄茎叶和果实烘干粉碎后测试全氮含量，计算各处理的氮肥利用率（nitrogen recovery efficiency，RE_N）和农学效率（agronomic efficiency of applied nitrogen，AE_N）：

式中，U为施氮处理的作物收获时地上部氮积累量，kg·hm^-2；U₀为未施化肥氮处理的作物收获时地上部氮积累量，kg·hm^-2；F为相应处理的氮肥施用量，kg·hm^-2；Y为施氮处理所获得的作物产量，kg·hm^-2；Y₀为未施化肥氮处理的作物产量，kg·hm^-2；。

采用Excel 2016软件对数据进行基础统计，SPSS 18.0软件进行方差分析，利用邓肯（Duncan）法进行多重比较（P < 0.05），Origin 2019软件绘图，图中误差棒为±标准差。

无化肥氮处理（CK）的番茄产量最低，但由于蔬菜田基础肥力较高，产量仍然达到了95.36 t·hm^-2，化肥撒施（SF）和水肥一体化（DF）处理的番茄产量分别较CK处理增加了4.80%和10.61%（表 2）。番茄果实干物质量、茎叶干物质量和地上部氮积累量在三个处理间的趋势与产量一致，均为DF处理最高，CK处理最低。SF处理的氮肥利用率为23.92%，DF处理的氮肥利用率相比常规撒施处理增加了71%，达到40.89%。SF处理的氮肥农学效率为20.36 kg·kg^-1，DF处理相比SF处理提高了121%，达到44.98 kg·kg^-1。

表 2 Table 2

表 2 施肥方式对番茄产量和氮肥利用率的影响 Table 2 Tomato yield and nitrogen use efficiency relative to treatment 处理 Treatment 产量 Yield/ （t·hm-2） 果实干物质量 Fruit dry matter/ （t·hm-2） 茎叶干物质量 Leaf and stem dry matter/ （t·hm-2） 地上部氮积累量 N accumulation in above-ground / （t·hm-2） 氮肥利用率 Nitrogen use efficiency /% 氮肥农学效率 Agronomic efficiency of applied nitrogen/ /（kg·kg-1） CK 95.36±2.76a 6.67±0.19a 3.87±0.40a 0.21±0.01a SF 99.94±4.19ab 7.00±0.29ab 4.51±0.41a 0.26±0.04b 23.92 20.36 DF 105.5±4.73b 7.38±0.33b 4.67±0.53a 0.30±0.02b 40.89 44.98 注：同列的不同小写字母表示处理间差异在0.05水平上显著。Note：Different lowercase letters in the same column indicate significant difference between treatments at the 0.05 level.

表 2 施肥方式对番茄产量和氮肥利用率的影响 Table 2 Tomato yield and nitrogen use efficiency relative to treatment

水肥一体化肥料施用分为基肥和5次追肥，共计进行了6个时间段的氨挥发监测，单次监测天数为12~15 d；常规撒施分为基肥和2次追肥，共进行了3个时间段的氨挥发监测，单次监测天数为15~21 d，施肥后的土壤氨挥发速率见图 1。各处理肥料施用后，土壤氨挥发速率基本呈现先增加后减小的趋势。DF处理前4次施肥（基肥+3次追肥）后的土壤氨挥发速率较低（图 1a）），平均为53.58 g·hm^-2·d^-1，较CK处理平均高出1倍；第四次和第五次追肥后的土壤氨挥发速率稍高，氨挥发速率峰值分别达到482.5和215.6 g·hm^-2·d^-1，这主要是由于随着氨挥发监测的进行（4—7月），温度逐渐升高，加速了氨挥发排放。在第四次施肥后第9天和第五次施肥后第6天，水肥一体化处理的土壤氨挥发速率基本降至与不施肥处理接近。

注：取样时间为1天时，温度即为当日日均温，当取样时间为3天时，温度为这3天的平均值。  Note: When sampling took place once a day, the temperature recorded is the mean temperature of that day, and when sampling did once every 3 days, the temperature recorded is the mean temperature of the 3 days. 图 1 不同施肥方式下的土壤氨挥发速率 Fig. 1 Soil ammonia volatilization rate relative to treatment

对于SF处理的土壤氨挥发速率（图 1b）），三次施肥中基肥的氨挥发速率峰值最高，在施肥后第三天达到6 864 g·hm^-2·d^-1，随后氨挥发速率逐渐下降。第一次追肥和第二次追肥后也均在施肥后第三天出现峰值，最大氨挥发速率分别为1 487和649.6 g·hm^-2·d^-1。SF处理的土壤氨挥发速率显著高于DF处理，土壤氨挥发持续时间也更长。SF处理的土壤氨挥发峰值较DF处理约高14倍，SF处理的土壤氨挥发速率降至与CK处理接近时，所需的时间较DF处理多6~9 d。

SF处理在单次施肥时期的氨挥发累积量远大于DF处理（图 2）。对于SF处理，基肥的氨挥发累积量最高，达到22.83 kg·hm^-2，占化肥氮施用量的20.29%；第一次追肥和第二次追肥的氨挥发累积量依次下降，分别占当次氮肥施用量的17.14%和13.32%。DF处理的氨挥发累积量在基肥期与CK处理间不存在显著差异，在追肥期均存在显著差异，但氨挥发累积量相差并不明显。DF处理在5次追肥期的氨挥发累积量分别占当次氮肥施用量的1.57%、1.41%、1.49%、2.80%和6.24%，氨挥发损失率随气温的升高逐渐增加。

注：追肥1~追肥5特指DF处理、CK和SF处理的第一次和第二次追肥时间与DF处理的追肥2和追肥4时间一致。同一施肥时期的不同字母表示处理间在0.05水平上存在显著差异。SF处理在单次施肥时期的氮肥用量与DF处理不同，故未进行显著性分析。  Note: Topdressing 1-Topdressing 5 refers specifically to the five times of topdressing in Treatment DF, and the first and second topdressing in Treatment CK and SF coincided with the second and fourth topdressing in Treatment DF in timing. Different lowercase letters in the same fertilization period indicate significant differences between treatments at the 0.05 level. No significance analysis was conducted between Treatment SF and Treatment DF as they differed in nitrogen application rate in one single fertilization period. ① Basal fertilizer, ② Topdressing 1, ③ Topdressing 2, ④ Topdressing 3, ⑤ Topdressing 4, ⑥ Topdressing 5. 图 2 不同施肥时期的氨挥发累积量 Fig. 2 Accumulative ammonia emission relative to fertilization period

对比不同施肥方式下的氨挥发累积量（图 3），SF处理的氨挥发累积量最大，达到了39.96 kg·hm^-2，减去CK处理的氨挥发累积量2.71 kg·hm^-2，由当季化肥氮施用导致的氨挥发表观损失率为16.56%；水肥一体化处理的氨挥发累积量为5.78 kg·hm^-2，氨挥发表观损失率为1.36%。

注：不同小写字母表示处理间差异在0.05水平上显著。  Note: Different lowercase letters indicate significant differences between treatments at the 0.05 level. 图 3 不同施肥方式下的氨挥发累积量 Fig. 3 Accumulative ammonia emission relative to treatment

番茄收获后，对不同深度土壤的NO₃^--N和NH₄⁺-N残留量进行测定，结果显示，不同施肥方式下的土壤NO₃^--N和NH₄⁺-N残留量均存在较大差异（图 4）。在0~20 cm土层，CK、DF和SF处理的土壤NO₃^--N和NH₄⁺-N残留量依次增加。DF和SF处理的土壤NO₃^--N残留量分别较CK处理增加了40.03%和86.63%，NH₄⁺-N残留量分别较CK处理增加了257.7%和570.3%。在20~40 cm土层和40~50 cm土层，SF处理的土壤NO₃^--N和NH₄⁺-N残留量依然显著高于其他两个处理，但CK处理和DF处理间残留量的差值随土壤深度增加而逐渐缩小。DF处理在40~50 cm土层的NH₄⁺-N残留量与CK处理间不存在显著差异。

注：同一土层内的不同字母表示处理间在0.05水平上存在显著差异。  Note: Different lowercase letters in the same soil layer indicate significant differences between treatments at the 0.05 level. 图 4 番茄收获后的土壤速效氮含量 Fig. 4 Soil readily available nitrogen content after tomato was harvested

对比单一处理下不同深度土壤的NO₃^--N和NH₄⁺-N残留量，各处理均随着土壤深度的增加呈现逐渐减少的趋势，但CK处理的土壤NH₄⁺-N残留量随着土壤深度的增加变化很小。CK、DF和SF处理在3个土层的平均NO₃^--N残留量分别为32.18、45.70和67.06 mg·kg^-1，平均NH₄⁺-N残留量分别为3.07、8.27和19.27 mg·kg^-1，三个处理下的土壤速效氮残留量依次增加。

一般认为连年种植设施蔬菜的大棚会发生土壤酸化现象，因此，氮肥的氨挥发排放风险降低^[25-26]。本研究所采用的连栋塑料大棚棚龄为2年，与本地区稻麦轮作农田相比pH稍低，但采用常规撒施的施肥方式时，化肥氮的氨挥发损失率仍然达到了16.56%，与种植大田作物时氮肥的氨挥发损失率相近^[27-28]。这可能一方面是由于大棚棚龄较短，土壤酸化现象并不明显，尿素颗粒水解后的微域环境仍然保持了较高的碱性；另一方面，大棚内温度较外界更高，更易促进尿素的水解和氨挥发^{[17, 29]}。就施肥后的土壤氨挥发速率和氨挥发累积量（图 1~图 3）而言，氨挥发速率峰值的高低与尿素施用量相关，与棚内温度的变化也表现出了较为一致的趋势，这与氨挥发影响因素的研究结果一致。土壤氨挥发速率随着施肥量的增加而增大，且高挥发速率持续的时间也相应延长^{[17, 30]}。高温会加快尿素的水解，同时降低氨在液相中的溶解度，加快氨的挥发速率^[31]，有研究显示，温度升高能增加液相中NH₃在NH₃和NH₄⁺总量中的比例，在pH大致不变的情况下，温度每升高10℃（5~35℃范围内），NH₃的比例增加约1倍^[32]。

在设施作物种植过程中，有机肥的施用也带来了较多的氮源。本研究中DF处理和CK处理在基肥期均未施用化肥氮，氨挥发损失量分别仅为0.49和0.39 kg·hm^-2（图 2，无统计学差异），这可能是由于施用的有机肥均为经过腐熟加工的商品有机肥，因此并未带来显著的氨挥发排放。李燕青等^[33]在华北地区、吕凤莲^[34]在关中地区小麦/玉米轮作农田中有机肥全量替代化肥后氨挥发损失率分别为0.20%和0.26%；在稻田上^[35]，有机肥全量替代化肥后氨挥发损失率也仅为2.30%；在番茄和小青菜上的研究^[36]也显示，仅施用有机肥氨挥发损失率分别为0.48%和1.23%。上述研究结果均显示有机肥对土壤氨挥发的贡献非常小。有机肥中的氮源主要以有机氮的形式存在，同时，其在土壤中的矿化过程也是一个较为持续稳定的过程，不易在短时间内造成较高的氨挥发排放^[37]。

采用水肥一体化的施肥方法与常规撒施相比，大大减少了氮肥施用后的氨挥发损失量，提高了氮肥利用率^[23]。本研究中番茄全生育期氨挥发累积量由氮肥撒施的37.25 kg·hm^-2减至水肥一体化方式的3.07 kg·hm^-2，氮肥利用率由23.92%提高至40.89%（表 2）。在水肥一体化施用方式下，肥料随灌溉水滴灌进入农田，由于滴头位置不变，灌溉水由同一位置渗入土壤，并在土表以下逐渐扩散，土表留存肥料极少，因此氨挥发量也很低。而肥料在试验小区内均匀撒施时，仍然利用滴灌进行灌溉，土表被水浸润的面积较小，并不能完全将肥料溶解并带入土体，因此肥料撒施产生的氨挥发量远远超过了水肥一体化方式下的氨挥发量。王肖娟等^[23]对比了肥料撒施后漫灌和水肥一体化滴灌两种方式下棉田土壤的氨挥发量，两种水肥管理模式下的氨挥发损失率均不足0.20%，这说明肥料随水进入土体是氨挥发减少的重要原因。相关水肥一体化的研究也显示，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%^[24]；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0.99 kg·hm^-2，氮肥表观利用率达到51.21%^[38]。本研究中水肥一体化方式下的氮肥表观利用率相比常规撒施虽然提高了71%，但其绝对值仍远小于大田作物上的相关报道^{[23, 38]}。这可能是由于设施土壤施用了大量有机肥和化肥，基础肥力较高，即使是不施化肥氮的处理也能达到相对较高的产量水平^{[37, 39]}，而种植大田作物的相关报道中不施肥处理的产量一般仅为施肥处理的1/2至2/3左右^[33-34]。

从表观氮平衡角度考虑，本研究中水肥一体化处理相比肥料撒施处理增加番茄地上部氮素积累量38.19 kg·hm^-2，氨挥发损失减少34.18 kg·hm^-2，0~20 cm土层硝态氮和铵态氮残留量降低了83.11 kg·hm^-2（土壤容重以1.10 g cm^-3计）。由此计算，水肥一体化相比肥料撒施在其他氮素损失途径上增加了79.11 kg·hm^-2，这部分损失可能是由氮素淋溶造成的。在水肥一体化方式下，肥料直接随水进入土体并下渗，且肥料溶液施用完毕后一般会继续用清水滴灌30 min冲洗管道，进一步加剧了肥料的淋溶风险。因此，采用水肥一体化滴灌时，要适当控制灌溉量，采用少量多次的灌溉方式。当然，该计算结果的前提是各处理土壤氮素矿化量和番茄地下部分氮积累量相等，而地上部氮积累量高一般会伴随着更发达的根系和更高的地下部氮积累量。因此，水肥一体化滴灌施肥相比撒施是否增加了氮素淋溶，仍需进一步的研究证实。

在长江下游地区，相比传统肥料撒施，应用水肥一体化技术可显著提高氮肥利用率，减少土壤氨挥发排放量。相同氮肥用量条件下，滴灌施肥较常规肥料撒施提高了71%的氮肥利用率；全生育期氨挥发累积量减少了91.76%，氨挥发损失率由16.56%减少至1.36%；土壤NO₃^--N和NH₄⁺-N残留量分别显著下降了31.85%和57.08%。因此，长江下游地区设施蔬菜种植应用水肥一体化技术具有良好的增效减排潜力，值得广泛推广。