近年来，设施蔬菜栽培在我国快速发展，人们为了追求设施蔬菜生产的高产高效，在生产中盲目过量施肥问题较为突出，尤其是氮肥和有机肥的不合理施用问题更为突显^[1]，造成肥料利用率低、养分失衡、盐化、酸化等系列土壤问题。氮肥与有机肥合理配施是调控设施蔬菜土壤供氮能力的关键，也是提高氮素利用率的重要途径。土壤固定态铵(fixed ammonium, FA)是土壤矿物晶格对铵的固定，部分固定态铵能够被释放并且可以被作物吸收利用^[2]，是植物可利用氮的给源^[3]。土壤矿质氮(soil mineral N, SMN)可被作物直接吸收利用，是作物吸收的最主要氮源^[4]；土壤可溶性有机氮(soil soluble organic N, SSON)含量虽然仅占土壤有机态氮含量的很少一部分，但也可作为作物吸收的直接氮源^[5]。肥料氮施入土壤后，除被作物吸收和通过各种途径损失之外，还有部分被固持在土壤中^[6]。已有研究表明，施用高量氮素(N 200 kg/hm²)能够增加土壤新固定态铵的含量^[2]，长期施用有机肥也能增加土壤中固定态铵的含量^[7]，有机肥配施化肥能够增加土壤中不稳定氮库的含量^[8]。但也有研究认为有机肥的施用却降低了土壤中固定态铵的含量^[9]，单一施用有机肥，带来的肥效较低同时也会增加硝态氮的淋溶风险^[10]。诸多研究认为农业土壤中有相当数量铵的含量^[11]，土壤固定态铵库是提高氮素利用率和降低氮素损失的一个重要氮库^[12]，而土壤可溶性氮库则是土壤固定态铵的一个重要来源^[13]，因此，土壤固定态铵和可溶性氮在协调土壤供氮效应及其机理方面发挥着重要作用。

对于设施蔬菜生产而言，在设施内高温、高湿、无降雨淋洗等特殊条件下，氮肥与有机肥配施协调设施土壤固定态铵和可溶性氮的效应及其机理如何？目前还不十分清楚，也缺乏相关的系统研究。因此，本研究以连续2年定位施肥设施番茄栽培田间小区试验为基础，研究设施番茄生长期内，氮肥与有机肥配施土壤固定态铵和可溶性氮含量的动态变化，探讨土壤固定态铵与可溶性氮之间的关系。研究结果为设施番茄栽培条件下氮肥与有机肥的安全高效的合理施用提供理论依据和指导作用。

试验地为沈阳农业大学设施生产试验基地，试验基地于2012年建成使用，常年有设施薄膜覆盖。试验地于2012年和2013年在春季整地时施入腐熟牛粪(22500 kg/hm²，鲜重)和腐熟鸡粪(37500 kg/hm²，鲜重)。每年种植作物为番茄，番茄生长期为4~8月，其余时间进行土壤休闲。试验地土壤类型为发育在第四纪黄土性母质上的简育湿润淋溶土(hap-udie-luvisols)。2012年春季整地前土壤基本理化性质见表 1。

表1(Table 1)

表1 2012年试验之前土壤理化性质 Table 1 Physical and chemical properities of soil before trial in 2012

表1 2012年试验之前土壤理化性质 Table 1 Physical and chemical properities of soil before trial in 2012 土层 Soil layer (cm) 有机质 Organic matter (g/kg) 全氮 Total N (g/kg) 碱解氮 lk-hydro. N (mg/kg) 全磷 Total P (g/kg) 速效磷 Avail. P (mg/kg) 全钾 Total K (g/kg) 速效钾 Avail. K (mg/kg) pH 容重 Soil bulk density (g/cm3) 0-10 25.2 2.1 58.5 0.8 13.5 19.3 29.7 7.1 1.3 10-20 8.4 1.2 53.2 0.7 11.3 18.5 42.5 7.0 1.6 20-40 9.8 1.5 34.2 0.4 8.5 18.6 35.5 7.0 1.8 40-60 12.0 1.5 26.6 0.3 9.2 17.2 63.3 7.0 1.9

设施栽培田间定位试验于2013年开始连续实施。共设10个处理，分别为CK、N0、N1、N2、N3、M、MN0、MN1、MN2、MN3，其中CK为不施肥处理，N0、N1、N2和N3处理施N量分别为0、187.5、375.0、562.5 kg/hm²；M为单施有机肥处理，MN0、MN1、MN2、MN3为氮肥与有机肥配施处理，各处理中有机肥均为腐熟鸡粪，施用量为75000 kg/hm² (以干基计，有机质217.0 g/kg、全氮31.0 g/kg、全磷26.6 g/kg、全钾23.1 g/kg、铵态氮5.7 mg/kg、硝态氮3.3 mg/kg、速效磷212.7 mg/kg、速效钾145.2 mg/kg)，N0、N1、N2和N3处理施氮量与前面相同。10个处理中除CK和M处理不施用磷素和钾素外，其它8个处理均施用等量磷肥(P₂O₅为225.0 kg/hm²)和钾肥(K₂O为450.0 kg/hm²)。各处理随机排列，3次重复。各处理间用60 cm深塑料薄膜隔开，每一处理试验区面积3.8 m²，定植番茄24株。本试验番茄的目标产量以6000~8000 kg/hm²计，结合当地生产的肥料用量调查结果和本课题的前期研究结果，确定有机肥及氮、磷和钾用量。

有机肥于整地前均匀撒施，全部磷肥、1/3氮肥和1/3钾肥作为底肥施入，2/3氮肥和2/3钾肥分别于第1穗果和第2穗果膨大期分2次进行滴灌追施，每次追施量相同。各处理在番茄移栽时灌缓苗水，缓苗后采用滴灌系统进行灌溉，每隔3~5天一次，持续到番茄收获之后结束；用张力计进行灌水指示，当张力计读数为35 kPa时开始灌水。

本研究于试验的第2年(2014年)进行，每株番茄留3穗花，每穗花留4个果。在番茄整个生长期内，各施肥处理灌水量均为100.3 m³/hm²。在番茄生长期间，分别于第1次追肥前(2014年5月31号，第1穗果膨大期)、第2次追肥前(2014年6月28号，第2穗果膨大期)、果实采收接近结束时(2014年7月26号，收获期)采集土壤样本，采样深度为0-10、10-20、20-30 cm。每次采集的土壤样本分为两份，一份风干用于土壤固定态铵含量及土壤基本理化性质的测定；另一份鲜样保存在4℃冰箱，用于土壤矿质氮和可溶性有机氮的测定。

土壤可溶性氮采用0.01 mol/L CaCl₂浸提(水:土=10:1)土样，浸提液中NO₃^--N和NH₄⁺-N含量采用AA3自动分析仪(Bran-Luebbe; Germany)测定，可溶性总氮采用碱性过硫酸钾氧化，AA3自动分析仪测定，浸提液中NO₃^--N和NH₄⁺-N含量之和即为土壤矿质氮，可溶性总氮与矿质氮之差即为土壤可溶性有机氮^[14-15]；土壤固定态铵含量采用Silva-Bremner方法^[16]。土壤有机碳、全氮采用元素分析仪法，其他理化性质采用常规分析方法。

文中所有数据均为3次重复的平均值。采用SPSS window version 19.0软件进行统计分析，LSD法进行多重比较。

番茄生长期内，在0-30 cm土层，不施用有机肥处理土壤固定态铵含量为114.3~182.3 mg/kg，而施用有机肥处理土壤固定态铵含量则为148.9~274.1 mg/kg (图 1)。除20-30 cm土层的收获期外，在其它各土层的不同生育时期，施用有机肥处理土壤固定态铵含量均显著高于不施用有机肥处理的含量(P < 0.05)。在不施用有机肥处理中，各土层、相同生育时期的各处理间土壤固定态铵含量差异均未达显著水平。在施用有机肥处理中，第1穗果膨大期时除M处理20-30 cm土层土壤固定态铵含量显著(P < 0.05)高于MN3处理外，其他土层、相同生育时期的各处理间土壤固定态铵含量差异也均未达显著水平。

图1(Fig. 1)

图1 番茄第1、第2穗果膨大期和收获期不同土层深度土壤固定态铵含量 Fig. 1 Average contents of the soil fixed ammonium during the 1st, 2nd fruit enlarging period and harvest periods of tomato in different soil depth [注（Note）：方柱上不同字母表示相同土层、相同生育时期不同处理间的差异显著(P < 0.05) Different letters above the bars are significantly different atP < 0.05 for the same soil layer and growth period.]

总体来说，在番茄生长期内，各施肥处理土壤固定态铵含量在0-30 cm内随土层加深呈逐渐下降趋势，第1穗果膨大期时土壤固定态铵含量高于第2穗果膨大期和收获期时的含量；与单施氮肥相比，单施有机肥、氮肥与有机肥配施处理均可显著增加土壤固定态铵含量(P < 0.05)。

土壤矿质氮主要包括铵态氮和硝态氮，本研究中各处理土壤矿质氮以硝态氮为主，占95%~99%。番茄生长期内，在0-30 cm土层，不施用有机肥处理土壤矿质氮含量为0~168.6 mg/kg，而施用有机肥处理土壤矿质氮含量则为11.21~548.4 mg/kg (图 2)。除20-30 cm土层的收获期外，施用有机肥处理土壤矿质氮含量均显著高于不施用有机肥处理的含量(P < 0.05)，这与不同处理土壤固定态铵的变化规律相同。在不施用有机肥处理中，除20-30 cm土层的收获期N2与CK、N0处理间土壤矿质氮含量差异达显著水平(P < 0.05)外，同一土层、相同生育时期的各处理间土壤矿质氮含量差异均未达显著水平(P > 0.05)。在施用有机肥的处理中，第1穗果膨大期各土层的MN1、MN2和MN3处理间土壤矿质氮含量差异均不显著，但其含量明显高于M和MN0处理；第2穗果膨大期各处理含量在0-10 cm土层有较大差异，M、MN2和MN3处理土壤矿质氮含量高于MN0和MN1处理，且MN3与MN0、MN1处理间含量差异达显著水平(P < 0.05)；在收获期时，0-10 cm和10-20 cm土层MN1和MN3处理土壤矿质氮含量明显高于M、MN0和MN2处理，且以MN3处理为最大。

图2(Fig. 2)

图2 番茄第1、第2穗果膨大期和收获期不同土层深度土壤矿态氮含量 Fig. 2 Average contents of the soil mineral N during the 1st, 2nd fruit enlarging period and harvest periods of tomato in different soil depth [注（Note）：方柱上不同字母表示相同土层、相同生育时期不同处理间的差异显著(P < 0.05) Different letters above the bars are significantly different at P < 0.05 for the same soil layer and growth period.]

总体来说，在番茄生长期内，各施肥处理土壤矿质氮含量也随土层加深呈逐渐下降趋势；单施有机肥、氮肥与有机肥配施处理土壤矿质氮含量显著高于单施氮肥处理(P < 0.05)，且施用有机肥处理土壤矿质氮含量在第1穗果膨大期高于第2穗果膨大期和收获期。

番茄生长期内，在0-30 cm土层，不施有机肥处理土壤可溶性有机氮含量为33.2~342.9 mg/kg，而施有机肥处理土壤可溶性有机氮含量则为58.8~498.7mg/kg (图 3)；施有机肥处理的土壤可溶性有机氮含量均高于不施有机肥处理的含量。在各施肥处理中，各土层在第1穗果膨大期时土壤可溶性有机氮含量均明显高于第2穗果膨大期和收获期时的含量；总体上不施有机肥处理中以N2处理的含量为最高，施用有机肥处理在第1穗果膨大期时氮肥与有机肥配施处理(MN1、MN2和MN3)间土壤可溶性有机氮含量差异不显著，但其含量显著(P < 0.05)高于MN0处理，在第2穗果膨大期和收获期时是MN3处理土壤可溶性有机氮含量在0-20 cm土层均维持较高水平。

图3(Fig. 3)

图3 番茄第1、第2穗果膨大期和收获期不同土层深度土壤可溶性有机氮含量 Fig. 3 Average contents of the soil soluble organic N during the 1st, 2nd fruit enlarging period and harvest periods of tomato in different soil depth [注（Note）：方柱上不同字母表示相同土层、相同生育时期不同处理间的差异显著(P < 0.05) Different letters above the bars are significantly different at P < 0.05 for the same soil layer and growth period.]

总体来说，在番茄生长期内，各施肥处理土壤可溶性有机氮含量随土层变化的趋势与固定态铵和矿质氮的变化趋势大致相同；单施有机肥、氮肥与有机肥配施处理土壤矿质氮含量显著高于单施氮肥处理(P < 0.05)，各施肥处理均以第1穗果膨大期时土壤可溶性含量为最高。

由表 2可见，在第1、2穗果膨大期时的0-30 cm土层，在收获期时的0-20 cm土层，土壤固定态铵与土壤矿质氮之间均具有显著线性正相关(P < 0.01或P < 0.05)；在第1穗果膨大期时的0-10 cm土层，在第2穗果膨大期时的10-30 cm土层和在收获期时的0-20 cm土层，土壤固定态铵与土壤矿质氮之间均呈显著线性正相关(P < 0.01或P < 0.05)。总体上，土壤固定态铵与土壤矿质氮的线性相关性较强。

表2(Table 2)

表2 不同生育期土壤固定态铵与矿质氮、可溶性有机氮的相关系数 Table 2 Correlation coefficient between soil fixed ammonium and soil mineral N, soil souble organic N in greenhouse soil

表2 不同生育期土壤固定态铵与矿质氮、可溶性有机氮的相关系数 Table 2 Correlation coefficient between soil fixed ammonium and soil mineral N, soil souble organic N in greenhouse soil 土层 Soil layer 第1穗果膨大期1st fruiting period 第2穗果膨大期2nd fruiting period 收获期Harvest period 矿质氮 Mineral N 可溶性氮 Soluble N 矿质氮 Mineral N 可溶性氮 Soluble N 矿质氮 Mineral N 可溶性氮 Soluble N 0-10 cm 0.84** 0.84** 0.88** 0.58 0.77** 0.78** 10-20 cm 0.92** 0.61 0.91** 0.69* 0.69* 0.72** 20-30 cm 0.83** 0.31 0.86** 0.92** 0.38 0.53 注（Note）：* -P < 0.05; ** -P < 0.01.

施入土壤中的尿素很容易被转化为铵态氮，铵态氮除了一小部分被作物吸收外，大部分可被土壤胶体吸附固定，还有一部分则被固定在粘土矿物的晶格中^[17]。本研究结果显示，在番茄生长期内，土壤固定态铵含量在第1穗果膨大期(即番茄移栽底施尿素约1个月)时为最大(图 1)，这与Beauchamp等^[18]的研究报道一致。从番茄移栽至第1穗果膨大期时(第1次追肥前)，由于番茄定植后一段时期植株较小，根系不发达，番茄和微生物吸收利用的氮素较少，有机肥料中易矿化的有机物质矿化速率较大，释放较多的矿质氮，使得这一时期的可溶性氮含量在生长期内最大(图 1)，这为土壤固定态铵提供了来源；同时这一阶段设施内温度偏低硝化速率较慢，而此阶段施入土壤的氮肥能够很快转化为铵态氮，更多的铵态氮被土壤矿物晶格所固定，造成该阶段土壤固定态铵含量明显累积。番茄第1穗果膨大期时正是番茄生长所需养分的关键时期，此阶段土壤中较高的可溶性氮和固定态铵含量，使得土壤能够为番茄生长提供充足的氮源。番茄第1穗果膨大期至第2穗果膨大期，番茄进入营养生长和生殖生长并进的旺盛阶段，对氮素的需求量大，而且设施内温度高(28~31℃)使得可溶性有机氮受土壤的束缚减弱，化学键易于断裂，同时土壤微生物分解氨基酸、多肽的能力也相应增强^[19]，使土壤可溶性氮含量有所降低(图 1)；另外，随番茄生长，番茄根系分泌物增加可提高土壤微生物活动所需的碳源，促进了土壤固定态铵的释放以满足微生物对氮素的需求^[20]，同时根际土壤溶液中氮素的硝化速率加快，也促进了土壤固定态铵的释放，降低了铵的固定^[21]，但由于此阶段进行了1次追肥，这也刺激了土壤中原有机质的矿化作用，因此使土壤固定态铵含量降低不明显(图 1)。在收获期时(果实采收接近结束)，番茄生长趋于平稳，植株对氮素的需求及番茄根系吸收能力均降低；作物生长期内被土壤微生物和番茄根系固持的氮素也会不断地释放出矿质氮和可溶性有机氮；残留的根系也会产生较多的可溶性有机氮；土壤有机质的缓慢矿化也会释放铵离子，进行铵的再固定^[22]。因此，在收获期时土壤固定态铵和可溶性氮含量表现为略有增加趋势(图 1)。

本研究中，在番茄生育期内0-10 cm土壤固定态铵、矿质氮和可溶性氮含量也较高，表层土壤可溶性氮随灌溉(滴灌)水缓慢向下移动，同时也促进了下层土壤微生物的活性^[23]，进而使下层土壤可溶性氮增加，产生的铵离子则被黏土矿物晶格所固定^[24]；另外，残留在土壤中的作物根系通过根系分泌物也可改变土壤微生物群落和微生物对氮素的吸收，进而也会间接地影响土壤固定态铵库的大小^[25]。总体来说，在番茄的不同生育期，土壤固定态铵和可溶性氮的动态变化规律大体相同，尤其是土壤固定态铵和矿质氮之间具有显著的线性正相关关系(表 2)，这与Nieder等^[26]的研究结果一致。这一结果说明，在设施番茄栽培条件下，土壤固定态铵并不是一个静态氮库，它与土壤可溶性氮库的大小密切相关，不管是供氮的源(可溶性氮)还是供氮的库(固定态铵)，均有利于氮的有效利用，降低氮素损失。

在番茄整个生育期中，不施有机肥和施用有机肥处理土壤固定态铵含量均维持较高水平，这主要是由于设施建成初期培肥过程中施用牛粪和鸡粪，在设施内高温条件下促进了有机肥的矿化作用和土壤有机质的分解，从而改变了非固定态铵与固定态铵之间的动态平衡，提高了土壤固铵能力^[27]；另外，本试验中施用有机肥处理的有机肥施用量(75000 kg/hm²)较大，使其土壤有机质累积较多，导致土壤有机质的矿化作用和激发效应增强，可不断补充晶层间释放出的铵。

本研究中，氮肥与有机肥配施均能提高土壤固定态铵和可溶性氮的含量(图 1)。施用的有机肥本身含一定数量的矿质氮和可溶性有机氮^[28]，其含有的有机氮也会不断地进行矿化释放矿质氮和可溶性有机氮；另外，有机肥能够改善土壤团粒结构、养分状况等，促进番茄生长期内根系分泌物增加和根际土壤微生物的活性增强，进而也会增加土壤矿质氮和可溶性有机氮数量，同时也会促进微生物的周转而导致铵态氮的释放^[29]。因此，氮肥与有机肥配施可明显提高土壤固定态铵含量和可溶性氮含量，增加土壤中不稳定的氮库^[8]。

总的来说，在不施有机肥处理中，土壤固定态铵和可溶性氮随施氮量的增加在施N 375.0 kg/hm²时达到最大，而在施N 562.5 kg/hm²时有所降低；在氮肥与有机肥配施处理中，土壤固定态铵和可溶性氮含量在N 375.0 kg/hm²与75000 kg/hm²有机肥配施处理和N 562.5 kg/hm²与75000 kg/hm²有机肥配施处理表现为最高，但两处理间的含量差异不显著(图 1)。这可能是因为高量施N 562.5 kg/hm²不仅影响了土壤结构，同时也影响了微生物的活性和周转速率，进而影响了有机质的矿化过程^[30]，造成土壤可溶性氮和固定态铵含量的降低；也可能是由于氮肥用量的增加，减少了氮的生物固定，增加了氮素向环境中流失的风险^[31]。从本研究结果来看，在设施番茄栽培条件下，N 375.0 kg/hm²与有机肥75000 kg/hm²配施处理可维持较高的可溶性氮的数量，同时也可提高土壤固定态铵的数量。

本试验条件下，在0-10 cm土层，各施肥处理土壤固定态铵和矿质氮之间有显著的正相关关系，部分土层土壤固定态铵与可溶性有机氮之间也有显著的正相关关系，而且在番茄生长季内土壤固定态铵和可溶性氮的动态变化规律大致相同，均在番茄第1穗果膨大期时含量为最大，且均以0-10 cm土层含量为最高。各施肥处理土壤固定态铵在整个生育期内均维持比较高的含量，设施土壤具有较高的固铵能力。单施有机肥、氮肥与有机肥配施可明显提高设施土壤中固定态铵和可溶性氮含量，特别是N 375.0 kg/hm²与有机肥75000 kg/hm²配施能够更好地协调土壤中的氮素供应状况，这对于氮素的有效利用具有重要意义。