氮素是植物生长发育必需的营养元素之一，约占作物体干重的0.3%~5%，是植物体内蛋白质、核酸、叶绿素和一些激素等的重要组成部分^[1]，也是限制作物生长、产量和品质的重要因素。氮源对于陆地和水生生物的多样性，气候变化以及人类健康至关重要^[2]。氮肥供应不足会造成作物生长缓慢，产量过低，但施用过多也造成很多负面效应。近年，京郊地区设施蔬菜发展迅速，生产者为了达到高产出、高收益的目的，盲目大量地施用化肥，特别是氮肥。经调查，京郊地区菜田和果园化肥施用量较高，氮、磷、钾肥均显著高于粮田，菜田氮肥用量为1741 kg/hm²，是粮田氮肥用量的4.5倍^[3]。研究表明，虽然氮肥的增产效果最佳，但过量施用氮肥无显著增产效应，与20世纪80年代相比，氮肥利用效率明显降低，磷肥肥效基本不变，而钾肥肥效在快速提升^[4]。燕飞等^[5]综合黄瓜品质及产量两个因素，在中等土壤肥力的塑料大棚黄瓜春季栽培中，推荐最佳施氮量为487 kg/hm²。氮肥的过量施入，非但不会获得高产，还增加生产成本，影响产品品质，使蔬菜硝酸盐含量升高。大量研究表明，硝酸盐在反硝化作用下转化为亚硝酸盐，然后在人体内转化成亚硝胺，亚硝胺是一种有毒物质，可导致高铁血红蛋白症及消化系统癌变^[6]。封锦芳等^[7]对2006年北京蔬菜硝酸盐含量调查表明，北京市居民每日通过蔬菜摄入的硝酸盐量为328.2 mg，比WHO/FAO的ADI值(300 mg/d)高9.4%。随施氮量的增加，果实中硝酸盐含量呈正比例增加^[8]，因此，需要根据硝酸盐含量标准，探索出合理的氮肥施入量，实现品质和产量双收。

大量施用氮肥还会造成土壤氮素累积、土壤酸化，降低土壤质量^[9]。研究发现，施入土壤中的肥料氮比自然界中的氮源更容易从土壤中淋洗^[10]，地下水硝酸盐含量超标现象与氮肥施用过量密切相关^[11-12]，施氮量、施肥方式也会直接影响硝态氮在土壤中转化^[13-14]。杜连凤等^[15]研究表明，土壤、植株和地下水硝酸盐含量与氮肥施用量直接相关，菜田和果园施氮量大，其土壤硝酸盐累积明显，地下水硝酸盐超标率高。高茹等^[16]指出，土壤硝态氮含量是影响硝态氮淋失强度的决定因素，控制土壤氮素累积和化肥施用水平是降低其淋失风险的关键环节。中国作为世界最大化肥生产和消费国，2013年的化学氮肥用量达2394.2 × 10⁴ t^[17]。北京2014年的氮肥用量53678 t，虽然数量同比2013年降低10%^[18]，但由于平原造林使得耕地减少，氮肥用量仍然处于过量水平。京郊地区土壤氮养分盈余量最多，农学利用效率只有24.2%，施入氮肥大量残留^[19]，造成土壤严重污染。因此，在现有生产基础上，本研究采用田间试验，研究低成本、高产出、高品质的优化施氮量，以期找到最佳施氮量，拟为京郊设施蔬菜黄瓜氮肥科学施用提供理论支撑。

试验在北京市房山区农科所温室进行，供试土壤为潮土，其0-20 cm土层有机质含量27.7 g/kg、全氮含量1.9 g/kg、有效磷含量0.4 g/kg、速效钾含量0.6 g/kg、硝态氮含量30.6 mg/kg、铵态氮含量4.6 mg/kg，0-100 cm总无机氮含量为169.8 mg/kg。供试黄瓜品种为北京中研惠农种业有限公司培育的金胚98。供试肥料为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P₂O₅18%)、硫酸钾(含K₂O 52%)、商品有机肥(有机质含量≥45%，含N 2.1%、P 0.8%、K 1.5%)。

设置5个施氮水平，分别为N 0、120、240、360、480 kg/hm²，表示为N₀、N₁₂₀、N₂₄₀、N₃₆₀、N₄₈₀，每个水平3次重复。各处理除氮肥外其他肥料用量均一致，有机肥15 t/hm²、磷肥(P₂O₅) 150 kg/hm²、钾肥(K₂O) 300 kg/hm²，有机肥和磷肥均作基肥一次性施入，氮、钾肥分5次施入，第一次基肥施入20%氮肥、20%钾肥，第二次在根瓜收获后进行追肥，以后看天气情况，每7~10 d追肥一次(氮、钾肥的追肥量均为整个生育期的20%)。随机区组排列，小区长6 m、宽3 m，实际留苗密度为3.3 × 10⁴ plant/hm²，于2015年1月31日定植，5月19日收获。

在试验末期采集黄瓜测定硝酸盐、可溶性糖，并烘干部分样品测定全氮、全磷、全钾含量；采集植株样品，烘干，测试全氮含量。种植前采集0-100 cm基础土样，0-20 cm测定有机质、硝态氮、铵态氮、有效磷、速效钾，其他土层测试硝态氮、铵态氮含量；收获后每个小区取100 cm土层土样，每20 cm一层，分别测定硝态氮、铵态氮含量。产量根据其长势分批采收计算。

土壤有机质采用重铬酸钾容量-外加热法；有效磷采用钼锑抗比色法测定；速效钾采用NH₄OAc浸提-火焰光度法测定；全氮采用凯氏定氮法^[20]；硝态氮、铵态氮经1 mol/L KCl浸提并用连续流动分析仪测定；黄瓜硝酸盐采用水杨酸比色法测定^[21]；可溶性糖采用蒽酮比色法^[22]测定。

本次试验所设变量仅为化肥氮，因此计算中所提到的氮素均为化肥氮。

氮素利用率=(施氮区作物吸收氮总量-对照区作物吸收氮总量)/施氮量× 100%

氮素残留率=(各土层施氮区土壤无机氮残留-各土层无氮区土壤无机氮残留)/施氮量× 100%

计算0-100 cm土壤氮素平衡时，氨挥发损失氮量根据本试验设计施氮量并参考文献[23]。

损失氮(kg/hm²)=氮输入-氮输出

氮输入=施入肥料氮+有机矿化氮+基础土壤氮

氮输出=作物吸收氮+收获时土壤残留氮+氨挥发氮

有机矿化氮通过不施肥试验求得：

有机矿化氮=作物吸收氮+收获时土壤残留氮-基础土壤氮^[24]

用黄瓜各处理总产值减去肥料成本和其他田间管理成本定为纯收益。各处理除了氮肥用量不同外，其他均一致。黄瓜按批发价1.9 yuan/kg计算^[18]。各处理所用的化肥价格：尿素2.0 yuan/kg、过磷酸钙1.2 yuan /kg、硫酸钾7.5 yuan/kg、有机肥0.4 yuan/kg。幼苗成本0.6 yuan/plant。其他田间管理费，包括机耕、农药、灌溉、各种农艺措施用工等。

试验数据采用Excel2003和SPSS17.0进行处理和统计分析。

由图 1可以看出，氮肥的施用显著提高黄瓜产量，且随着施氮量的增加呈先增加后降低的趋势，其中在N₃₆₀处理下产量最高，为80.3 t/hm²。各施氮处理N₁₂₀、N₂₄₀、N₃₆₀、N₄₈₀产量较N₀分别增产6.7%、8.2%、13.9%、8.8%。说明黄瓜在生长过程中对氮素的需求较大，产量会随着施氮量的增加而增加，但达到一定施氮量后，继续增施氮肥，反而会使产量下降，原因可能是大量氮肥的施用导致黄瓜植株贪青晚熟，从而引起果实产量降低。

图1(Fig. 1)

图1 不同施氮水平的黄瓜产量 Fig. 1 Cucumber yield under different N application rates [注（Note）：柱上不同字母代表处理间在5%水平差异显著Different letters above the bars indicate significant difference among treatments at 5% level.]

除N₁₂₀处理外，其他各施氮处理的黄瓜硝酸盐含量较对照显著增加(P < 0.05) (图 2)。各施氮处理硝酸盐含量高出对照19.7%~66.7%，且随着施氮水平的升高，黄瓜硝酸盐含量升高。其中N₄₈₀处理的硝酸盐含量最高，为468.9 mg/kg，高出我国蔬菜硝酸盐允许含量432 mg/kg^[5]。徐坤范等^[25]研究表明，随着施氮量的增加，黄瓜果实的硝酸盐含量大幅度升高，施氮量与硝酸盐含量呈显著正相关。通过本试验硝酸盐含量与施氮量间的相关分析(R²=0.9935)结果表明，当施氮量大于391.2 kg/hm²时，黄瓜硝酸盐含量超标。

图2(Fig. 2)

图2 不同施氮水平的黄瓜硝酸盐、可溶性糖含量 Fig. 2 Nitrate content and soluble sugar content of cucumber under different N application rates [注（Note）：柱上不同字母代表处理间在5%水平差异显著Different letters above the bars indicate significant difference among treatments at 5% level.]

不同施氮处理的黄瓜可溶性糖含量随施氮水平的升高而升高，各施氮处理的可溶性糖含量较对照提高1.5%~12.6%，N₃₆₀、N₄₈₀处理与对照差异显著(P < 0.05) (图 2)。N₃₆₀处理的可溶性糖含量最高，为1.8%，但在其水平上继续增加施氮量，可溶性糖含量则有所降低。可溶性糖对黄瓜的综合风味影响较大，黄瓜可溶性糖含量高，生食甜味较浓，粗纤维含量低，瓜肉则细嫩而脆^[25]。黄瓜甜度和香气均与可溶性糖的含量线性正相关^[26]，因此本次试验表明适量施氮处理可以有效改善黄瓜的口感，但超过一定施氮量，反而降低。

黄瓜氮素含量随着施氮量的增加都有所增加，N₂₄₀、N₃₆₀、N₄₈₀较不施氮处理差异性显著(P < 0.05)，在N₄₈₀处理下氮素含量较N₃₆₀有所降低，可能是由于较多的施氮量导致植株生长旺盛，从而使果实对养分的吸收量减少。试验中所有处理磷、钾施入量相同，从表 1可知，不同的施氮量下磷、钾含量较不施氮处理差异性不显著(P > 0.05)，表明氮肥的施入对黄瓜磷、钾含量无显著影响。

表1(Table 1)

表1 不同氮水平下黄瓜养分含量 Table 1 Cucumber nutrient content under different N treatments

表1 不同氮水平下黄瓜养分含量 Table 1 Cucumber nutrient content under different N treatments 处理 Treatment 施氮量N rate (kg/hm2) N (%) P (%) K (%) N0 0 3.33 c 1.20 a 6.10 a N120 120 3.58 bc 1.24 a 5.87 a N240 240 3.85 a 1.19 a 6.10 a N360 360 3.89 a 1.19 a 5.70 a N480 480 3.85 a 1.20 a 5.60 a   注（Note）：同列数字后不同字母代表在处理间5%水平差异显著Values followed by different letters in a column mean significant difference among treatments at 5% level.

表 2表明，各施氮处理的地下部无机氮残留量均高于地上部吸氮量，随着施氮量的增加，地上部吸氮量呈先增加后降低的趋势，各施氮处理地上部吸氮量较对照增加4.9%~24.9%，且在N₃₆₀水平地上部吸氮量最高；随着施氮量的增加，地下部无机氮残留量呈上升趋势(图 3)；从氮素利用率和氮素残留率可以看出，N₂₄₀水平的氮素利用率最高，氮素残留率最低。随着施氮量的增加氮素利用率呈先增加后降低的趋势，氮素残留率呈先降低后增加的趋势。综上所述，N₂₄₀处理对提高氮素利用率降低氮素残留率的作用效果最佳。

表2(Table 2)

表2 不同氮水平下的氮素去向 Table 2 Nitrogen uptake and residue under different N treatments

表2 不同氮水平下的氮素去向 Table 2 Nitrogen uptake and residue under different N treatments 处理 Treatment 施氮量(kg/hm2) N rate 地上部吸氮量(kg/hm2) Aboveground uptake 地下部无机氮残留量(kg/hm2) Underground N residue 氮素利用率(%) N efficiency 氮素残留率(%) N residual rate N0 0 182.95 213.16 N120 120 191.89 257.38 7.46 36.84 N240 240 241.48 272.07 24.39 24.54 N360 360 246.80 383.89 19.92 47.42 N480 480 229.00 491.65 9.59 58.02

图3(Fig. 3)

图3 不同氮水平下氮素残留量和黄瓜产量的二次曲线模拟 Fig. 3 Quadratic curve of N retention and cucumber yield under different N treatments

由表 3可知，根据N₀处理得出的有机矿化氮在氮输入项中起着重要的作用，占氮总输入的25.8%~45.9%，与作物吸氮量接近。随着施氮量的增加，氮损失量也增加，且在N₃₆₀处理氮损失量较低，即N₄₈₀＞N₂₄₀＞N₃₆₀＞N₁₂₀，表明氮肥的不合理施入是N损失的直接因素，当施氮量为360 kg/hm²时，是氮的表观损失量最少的优化施氮量。因此在保证作物需求的情况下，合理安排氮肥用量，可以降低氮损失，更好地调节氮平衡。

表3(Table 3)

表3 不同氮水平下的土壤氮素平衡 Table 3 Soil nitrogen balance under different N treatments

表3 不同氮水平下的土壤氮素平衡 Table 3 Soil nitrogen balance under different N treatments 处理 Treatment 氮输入N input (kg/hm2) 氮输出N output (kg/hm2) 肥料 Fertilizer 起始土壤 Initial soil 有机矿化 Org. mineralization 作物吸收 Plant uptake 土壤残留 Soil residual 氨挥发 Ammonia volatilization 氮损失 N loss N120 120 169.75 226.36 191.89 257.38 7.77 59.07 N240 240 169.75 226.36 241.48 272.07 11.35 111.21 N360 360 169.75 226.36 246.80 383.89 14.92 110.50 N480 480 169.75 226.36 229.00 491.65 18.50 136.96

不同氮肥调控下的氮素残留量和黄瓜产量分别与施氮量间呈显著一元二次模型相关(图 3)，当施氮量为347.5 kg/hm²时，黄瓜产量最高为78.5 t/hm²。综合考虑土壤环境问题和产量，可以得出当施氮量为341.7 kg/hm²时，氮素残留量最低为359.6 mg/hm²时，产量最高为78.4 t/hm²。

除肥料成本以外，不同施氮量的其他成本均一致(表 4)。氮肥的施入都有效地增加了黄瓜的纯收益，N₁₂₀、N₂₄₀、N₃₆₀、N₄₈₀纯收益较N₀增加了8.5%~17.3%。随着施氮量的增加，纯收益呈先升高后降低的趋势，在N₃₆₀水平上增加施氮量，纯收益降低。N₃₆₀水平的纯收益最高，其较N₀的增收率是其他施氮处理的2倍。将纯收益与施氮量进行二元曲线模拟得出方程y=-0.1554x² + 102.45x + 96985，可知当施氮量为329.6 kg/hm²时，纯收益最高为148000 yuan/hm²。据调查，京郊设施黄瓜农民习惯施肥肥料成本为15000 yuan/hm²，总收入为143000 yuan/hm²，若将农民其他成本与本试验一致，其纯收益为104000 yuan/hm²，较N₀增收只有4.4%。由此可见，农民习惯施肥虽总收入可观，但其忽视了成本，大量肥料投入并没有带来较高的纯收益。

表4(Table 4)

表4 不同氮水平下的经济效益 Table 4 Economic benefits under different N treatments

表4 不同氮水平下的经济效益 Table 4 Economic benefits under different N treatments 处理 Treatment 施氮量 N rate (kg/hm2) 总收入 Total revenue (yuan/hm2) 肥料成本 Fertilizer (yuan/hm2) 幼苗成本 Seedling (yuan/hm2) 管理成本 Management (yuan/hm2) 纯收益 Net benefits (yuan/hm2) 增收 Increment (%) N0 0 134600 11166.7 20000 3816 99600 N120 120 143600 11688.4 20000 3816 108000 8.48 N240 240 145600 12210.2 20000 3816 109500 9.96 N360 360 153400 12731.9 20000 3816 116800 17.25 N480 480 146400 13253.6 20000 3816 109300 9.74

施肥是设施蔬菜生产中的一项关键技术，它直接影响到蔬菜的产量和品质。由于设施栽培生态条件和栽培方式与常规露地栽培不同，因此对肥水管理等提出了特殊要求^[27]。程福皆等^[28]研究结果表明，在施氮0~900 kg/hm²范围内，随施氮量的增加，可溶性蛋白、游离氨基酸含量逐渐升高。本试验在温室土壤无机氮含量为35.20 mg/kg和基施商品有机肥15 t/hm²的条件下，研究了获得优质高产且能维持土壤氮素平衡的最佳施氮量。本研究结果表明，不同氮肥处理下黄瓜总产量较对照差异性显著，N₃₆₀的增产效果最佳，为80.3 t/hm²，较崔健等^[29]研究出的嫁接黄瓜产量60.4 t/hm²增产33.0%，在其基础上增加施氮量产量则降低。各施氮处理的黄瓜硝酸盐含量均明显高于对照，N₄₈₀水平下的硝酸盐含量超标。可溶性糖含量随着施氮量增加而增加，在N₃₆₀达到最高为1.8%，增施氮量可溶性糖含量则降低。黄瓜氮素含量随着施氮量的增加都有所增加，N₂₄₀、N₃₆₀、N₄₈₀与N₀差异性显著，N₄₈₀氮素含量较N₃₆₀有所降低；氮肥的施入对磷、钾含量无显著影响。不同施氮水平处理下的氮素利用率在4.9%~24.9%之间，氮素残留率在24.5%~58.0%之间。将氮素残留量与产量进行二次曲线模拟得出施氮量为341.7 kg/hm²是解决环境和产量问题的最佳施氮量。当施氮量为329.6 kg/hm²时，纯收益最高，为148000 yuan/hm²。

试验结束时正值黄瓜采收旺季，土壤中的氮素还没有被充分利用，因此得出的氮素利用率较低。本试验360 kg/hm²的施氮量加上基施有机肥中2%的含氮量与当地的施氮量1741 kg/hm^2[3]相比，本试验的施氮量仅是其施氮量的43.7%。经调查，当地设施蔬菜黄瓜整个周期(按5个月计)最高产量为165 t/hm²。本试验在N₃₆₀处理下的黄瓜平均每月产量为26.8 t/hm²，若按5个月计，黄瓜产量为133.8 t/hm²，是当地黄瓜产量的80.1%，对氮素的吸收量为343.6 kg/hm²，N₃₆₀处理下的氮素残留量(表 2)完全可以满足。研究发现，在我国一年两季的粮食生产中，每年氮肥施用量为550~600 kg/hm²，远远超过作物的吸收量^[12]。本次试验得出的氮素利用率较赵营等^[30]研究得出的氮素利用率(2%~6%)整体提高了75%。综合考虑环境和产量的最佳施氮量为341.7 kg/hm²，较前人研究的施氮量487.8 kg/hm^2[4]降低30.0%。残留在土壤中的氮素养分仍然可以被利用^[31-33]，当下一茬作物生长时，土壤中残留的氮素养分则发挥其供给效应。董娴娴等^[34]研究了肥料氮在两个轮作季四茬作物中的后效，结果表明后三茬作物均能吸收利用第一茬冬小麦残留在土壤中¹⁵N标记肥料。卜容燕等^[35]研究结果表明，水稻季施用的氮肥残留相当于在油菜季施氮5~33 kg/hm²的增产效果。由于设施蔬菜土壤中氮残留量日趋严重，为了在维护土壤环境的基础上提高经济效益，生产者开始注重有机无机配施^[36-37]。本研究选择一定的有机肥及磷钾用量，合理利用土壤中残留氮源，优化运筹氮素，探索设施栽培黄瓜合理的有机无机配施量，从而为设施蔬菜科学施肥提供技术指导。

综上所述，在本试验条件下(土壤无机氮含量为35.2 mg/kg和基施商品有机肥15 t/hm²)，当施氮量为360 kg/hm²时，增产效果最佳，品质最佳；当施氮量为240 kg/hm²时，氮素利用率最高；综合考虑土壤环境和产量，推荐341.7 kg/hm²为最佳施氮量，可获得最高产量78.4 t/hm²，施氮量为329.6 kg/hm²是获取最佳经济效益的推荐施氮量。