雨養(yǎng)煙葉種植田無機(jī)氮淋溶特征

劉青麗，鄒 焱，李志宏，蔣雨洲，朱經(jīng)偉，石俊雄，陳 曦，張云貴※

（1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/煙草行業(yè)生態(tài)環(huán)境與煙葉質(zhì)量重點實驗室，北京 100081；2. 貴州省煙草科學(xué)研究院，貴陽 550081）

0 引 言

淋溶是土壤氮損失的重要途徑，施入農(nóng)田中的氮肥約有5%～41.9%通過淋溶進(jìn)入地下水[1]，這不僅造成了農(nóng)田土壤氮素?fù)p失，也對生態(tài)環(huán)境帶來危害。煙草是中國重要的經(jīng)濟(jì)作物，貴州是中國的第二大煙葉產(chǎn)區(qū)，2018年種植面積達(dá)到了133 906.7 hm2，因此研究煙田土壤氮素淋溶特征對氮素淋溶的阻控和農(nóng)田的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。不同作物因根系發(fā)育與分布不同，導(dǎo)致其對土壤中水分和養(yǎng)分的吸收利用能力不同，從而使氮素在土壤中的運移、累積和淋洗受到了很大影響[2]。烤煙是葉用經(jīng)濟(jì)作物，其根系分布及養(yǎng)分吸收不同于大田作物，有可能導(dǎo)致煙田氮素淋失與作物和蔬菜不同。且農(nóng)田氮素淋失受降雨、灌溉、施肥、種植模式、土壤類型、等多種因素的影響[3-5]。前人研究了不同肥料配比[6]、施肥方式[7-8]、土壤類型[9-10]、生物炭等對煙田氮素淋溶的影響，但這些研究多是模擬試驗[11]、盆栽試驗[7,12]或1 a 大田試驗[8]，對常規(guī)管理下氮素的淋溶研究鮮有涉及。因此，本研究采用多年定位試驗，研究貴州雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)煙葉種植田無機(jī)氮淋溶特征，探索煙田無機(jī)氮淋溶的阻控策略。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

于2015—2017 年在貴州省貴陽市開陽縣龍崗鎮(zhèn)進(jìn)行長期定位試驗（107°06′40″E，26°52′24″N）。該定位試驗開始于2008 年，土壤類型為黃壤，土壤質(zhì)地為粉（沙）質(zhì)壤土，其砂粒、粉粒、黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為26.02%、61.37%、12.61%，試驗地相對平坦。2015 年土壤基本性狀如表1 所示。此區(qū)無霜期240～265 d，年平均氣溫 13.5 ～14.6 ℃，年日照時數(shù) 948.2 ～1 084.8 h，平均降雨量1 129.9～1 205.9 mm。2015—2017 年溫度和降水如圖1 所示。

1.2 試驗設(shè)計及過程

定位試驗涉及2 種種植制度：1）輪作：烤煙（4月—9 月）—冬閑（10 月—4 月）—玉米（4 月—9 月）；2）連作：烤煙（4 月—9 月）—冬閑（10 月—4 月）—烤煙（4 月—9 月），因此試驗將選擇的地塊平均分成2塊（1 號地和2 號地），用于輪作和烤煙或玉米連作，小區(qū)面積，小區(qū)分布如圖2 所示。

表1 龍崗長期定位試驗土壤化學(xué)性狀 Table 1 Soil chemical properties in long-term positioning experiment in Longgang

圖1 試驗區(qū)2015—2017 年氣溫和降雨 Fig.1 Air temperature and rainfall in the experiment area from 2015 to 2017

本研究選擇5 個處理，包括不施任何肥料（CK）、化肥（NPK）、化肥＋廄肥（NPK+M）、化肥+連作（NPK+L）、化肥＋生物有機(jī)肥（NPK+BM），具體施肥量見表 2。基肥用烤煙專用復(fù)混肥（N-P2O5-K2O：10-10-25）、過磷酸鈣（P2O5為14%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）和硫酸鉀（K2O 51%）；廄肥為腐熟牛糞7 500 kg/hm2（N 1.4%、P2O50.4%、K2O 2.1%、有機(jī)質(zhì)15.5%）；生物有機(jī)肥為南京農(nóng)業(yè)大學(xué)提供750 kg/hm2（N 2.6%、P2O52.2%、K2O 2.8%、有機(jī)質(zhì)45.2%）。磷肥、廄肥和生物有機(jī)肥在基肥中一次性施入，追肥施用硝酸銨（含N 35%）和硫酸鉀（含K2O 51%），基肥采用條施、追肥采用穴施。

圖2 定位試驗小區(qū)布置示意圖 Fig.2 Sketch of plots layouts in long-term positioning experiment

供試烤煙品種為 K326，移栽密度為 110 cm× 55 cm，每個小區(qū)8 壟，栽培烤煙240 株。2015 年，4月30 日施基肥，5 月1 日移栽，6 月14 日施追肥，8月底烤煙采收結(jié)束。2016 年，5 月3 日施基肥，5 月4日移栽，6 月1 日施追肥，烤煙9 月中旬采收結(jié)束。2017 年，4 月18 日施基肥，4 月24 日移栽，5 月31日追肥，烤煙9 月上旬采收結(jié)束。整個烤煙生長季僅移栽時澆定根水（約500 mL），其他時期均無人工灌溉。其他田間管理制度，按照烤煙田間耕作栽培制度進(jìn)行。

表2 不同處理煙田施肥量 Table 2 Fertilizer application rates of tobacco fields in different treatments

1.3 樣品采集與測試

淋溶裝置如圖3 所示，2015 年2 月將90 cm 深度的土壤挖出，在土壤中嵌入淋溶液收集桶，上部用塑料薄膜沿剖面鋪墊，按自然土壤發(fā)生層次和容重分層裝土，盡量不破壞土體垂直結(jié)構(gòu)，形成小型淋溶池，利用抽氣泵抽氣產(chǎn)生負(fù)壓提取淋溶水。為了避免田間的農(nóng)藝操作對安裝地下的淋溶裝置產(chǎn)生影響，試驗小區(qū)均采用人工進(jìn)行農(nóng)藝操作。為了降低土壤擾動對淋溶的影響，2015年2—4 月淋溶液扔掉，從2015 年5 月開始收集淋溶液，烤煙生長季每月收集1 次，冬閑（10 月—次年4 月）根據(jù)降雨量進(jìn)行收集。收集前將水樣盡量混勻，測量淋溶液體積，采集水溶液100 mL，并將淋溶液采集桶中的水排空。收集到的水樣立即送實驗室冷凍保存，采用連續(xù)流動注射分析儀（TRAACA-2000，德國產(chǎn)）測定濾液中的總氮、NH4+-N、NO3--N 含量。

圖3 土壤淋溶液收集裝置 Fig.3 Device of soil leaching solution collection

1.4 計算和數(shù)據(jù)分析方法

淋溶液無機(jī)氮含量（MinN，mg/L）=硝態(tài)氮含量+銨態(tài)氮含量；

淋溶液有機(jī)氮含量（TON，mg/L）= 總氮（TN）-MinN

凈氮淋溶率（%）=（施氮處理無機(jī)氮量淋溶量-不施氮處理無機(jī)氮量淋溶量）/施氮量×100%

表觀氮淋溶率（%）= 施氮處理無機(jī)氮量淋溶量/施氮量×100%

土壤水滲漏量（L/m2）= 每次收集淋溶液累加量

試驗數(shù)據(jù)經(jīng)EXCEL 2013 整理后作圖，并用SPSS 20.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，顯著性檢驗均采用Duncan 多重比較法（α=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙田淋溶液中氮素形態(tài)

2015 年烤煙生長季淋溶氮總量為 11.05 ～15.64 kg/hm2（圖4a），其中無機(jī)氮為3.06～5.14 kg/hm2，占氮素淋失總量的27.82%～33.39%，平均為29.83%；有機(jī)氮為7.53～10.05 kg/hm2，占氮素淋溶損失的66.61%～72.18%，由此可見煙田淋溶液中氮素形態(tài)主要是有機(jī)態(tài)。不同時期淋溶液組成略有差異（圖4b），緩苗期和旺長期（5—6 月）淋溶液中無機(jī)氮比例高于烤煙成熟期（7—8 月），前者無機(jī)氮比例平均33.00%，后者其平均為26.67%。從不同處理來看，5—6 月，施肥處理無機(jī)氮比例顯著高于CK（P＜0.05），但有機(jī)無機(jī)配施處理（NPK+M、NPK+BM）淋溶液中無機(jī)氮比例與單施化肥處理差異不顯著（P ＞0.05）；而7—8 月所有處理淋溶液無機(jī)氮比例差異均不顯著（P ＞0.05），表明施用氮肥提高了烤煙生長前期淋溶液中無機(jī)氮比例，而有機(jī)肥與種植制度對淋溶液中氮素組成影響不顯著。

圖4 2015 年煙田淋溶液中氮素形態(tài) Fig.4 Nitrogen forms in leaching solution of tobacco field in 2015

2.2 無機(jī)氮淋溶損失

2.2.1 無機(jī)氮淋溶損失量

對3 a 數(shù)據(jù)做平均，各處理無機(jī)氮年平均淋失量如圖5a 所示。各處理中以CK 處理無機(jī)氮淋溶損失最低，平均為3.62 kg/hm2；NPK 處理平均為6.08 kg/hm2，顯著高于CK（P＜0.05），表明施用化肥增加了氮素的淋溶損失。與NPK 處理相比，NPK+BM 處理無機(jī)氮淋溶量降低39.44%；NPK+M 低于NPK 處理，但兩者差異不顯著（P＞0.05）。從烤煙生長季的氮淋失來看（圖5b），各處理平均淋溶氮量由低到高依次為 NPK+BM、CK、NPK+L、NPK+M、NPK，與全年變化趨勢基本一致。由此可見，在相同耕作條件下，有機(jī)肥的施用有利于降低無機(jī)氮淋溶損失。

圖5 煙田土壤無機(jī)氮淋溶損失量箱圖 Fig.5 Box charts of leaching loss of inorganic nitrogen in tobacco field soils

2.2.2 不同時期無機(jī)氮淋溶損失動態(tài)

無機(jī)氮淋溶損失主要發(fā)生在烤煙生長季。2015—2017 年數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析顯示（圖6），生長季無機(jī)氮淋溶量平均占全年的73.37%，而休閑期（9 月—次年4月）無機(jī)氮損失量僅占全年的26.63%。生長季中又以緩苗期（5 月）和旺長期（6 月）無機(jī)氮淋溶量最高，二者占淋溶總量的40.33%～65.86%，是無機(jī)氮淋溶損失的主要時期。從不同處理來看，施肥處理生長季無機(jī)氮淋溶損失比例均低于對照（CK），連作（NPK+L）生長季損失比例高于輪作處理（NPK），非生生長季則表現(xiàn)為施肥處理無機(jī)氮淋溶損失比例均告于對照（CK），連作（NPK+L）生長季損失比例低于輪作處理（NPK）。

2.2.3 肥料氮的淋溶率

表觀淋溶率及凈淋溶率如圖7 所示。從圖7 可以看出，煙田肥料氮的表觀淋溶率為4.91%～8.11%，凈淋溶率為 0.09%～3.29%。NPK 處理凈淋溶率為3.29±0.06%，NPK+BM 和NPK+L 處理凈淋溶率顯著低于NPK 處理（P＜0.05），凈淋溶率分別降低了97.28%和59.57%。表明有機(jī)無機(jī)配施可以降低無機(jī)氮損失，烤煙連作無機(jī)氮損失低于玉米烤煙輪作。

圖6 不同時期煙田無機(jī)氮淋溶損失 Fig.6 Leaching loss of inorganic nitrogen in tobacco fields during different periods

圖7 不同處理對煙田肥料氮淋溶損失的影響 Fig.7 Effects of different treatments on leaching loss of fertilizer nitrogen in tobacco fields

2.3 無機(jī)氮淋溶損失影響因子

2.3.1 不同處理對土壤淋溶液的影響

不同栽培措施下土壤淋溶液量如圖8 所示。通過Duncan 多重比較分析顯示，NPK 與CK 處理土壤水滲漏量差異不顯著（P＞0.05），NPK+M、NPK+BM 處理顯著低于NPK 處理（P＜0.05），表明配施有機(jī)肥顯著降低了土壤滲漏量。而種植制度也對土壤水滲漏產(chǎn)生顯著影響，表現(xiàn)為連作處理（NPK+L）顯著低于輪作處理（NPK）（P＜0.05）。

圖8 不同處理2015 年5 月—2017 年9 月土壤水滲漏累積量 Fig.8 Accumulated amount of soil solution under different treatments from May 2015 to September 2017

2.3.2 降雨與無機(jī)氮淋失的關(guān)系

根據(jù)每次淋溶液收集時間，計算無機(jī)氮月淋溶損失和月降雨量，兩者間的關(guān)系如圖9 所示。月尺度上無機(jī)氮淋溶損失量與降雨量呈顯著非線性相關(guān)，在月降雨量低于50 mm 時，土壤無機(jī)氮淋溶損失較低，月降雨量大于50 mm 時，無機(jī)氮淋溶損失量隨著降雨量的增加急劇增加，月降雨量大于100 mm 后，氮素淋溶損失量基本穩(wěn)定。用logistic 模型通過降雨量模擬無機(jī)氮淋溶損失量，模擬效果較好，決定系數(shù)達(dá)到了0.72。

圖9 煙田月無機(jī)氮淋失與月降雨量的關(guān)系 Fig.9 Relationships between monthly inorganic nitrogen leaching amount and monthly rainfall in tobacco fields

2.3.3 無機(jī)氮淋溶損失影響因子效應(yīng)分析

無機(jī)氮淋溶損失受多種因素影響，通過多因素方差分析顯示（表3），化肥、有機(jī)肥對無機(jī)氮淋溶損失作用顯著，降雨量對無機(jī)氮淋溶損失作用極顯著，而種植制度對無機(jī)氮淋溶損失影響不顯著。從偏η2可以看出，降雨對無機(jī)氮淋溶損失的作用大于施肥與耕作。

表3 煙田無機(jī)氮淋溶的因子主效應(yīng)分析 Table 3 Main effect analysis of factors affecting inorganic nitrogen leaching in tobacco fields

3 討 論

3.1 煙田淋溶液氮素形態(tài)組成

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤氮的淋失包括無機(jī)氮和有機(jī)氮，以往研究表明土壤淋失過程中，進(jìn)入水中的主要是無機(jī)態(tài)氮，且硝態(tài)氮是淋溶水氮素的主要形態(tài)，占總氮淋溶量的58.5%[13]。如小麥-玉米期間土壤淋溶無機(jī)氮平均淋失量7.15 kg/hm2、有機(jī)氮平均淋失量2.29 kg/hm2，分別占淋失總氮的比例平均分別為73.8%和26.2%[14]，設(shè)施番茄土壤淋溶有機(jī)氮平均淋失量40.85 kg/hm2，占淋溶總氮的25.6%[15]。但本研究發(fā)現(xiàn)煙田有機(jī)氮損失比例高于無機(jī)氮，無機(jī)氮損失量為3.06～5.14 kg/hm2，占氮素淋失總量的27.82%～33.39%；有機(jī)氮為7.53～10.05 kg/hm2，占氮素淋溶損失的 66.61%～72.18%。氮素淋失形態(tài)中，NO3--N 比例隨著氮肥用量的降低，其占總氮淋失量的比例也隨之減小[16]，而煙田（75 kg/hm2）化肥氮施用量遠(yuǎn)低于小麥玉米（180 kg/hm2）和番茄（212 kg/hm2），從而導(dǎo)致無機(jī)氮淋失量降低，有機(jī)氮相對比例提高。近年來人們發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)態(tài)氮淋失也對人類健康帶來很大的風(fēng)險[17]，在評價煙田氮素淋溶損失時，應(yīng)綜合考慮有機(jī)氮淋溶損失。

3.2 煙田無機(jī)氮淋失及肥料氮淋溶率

淋溶流失是土壤氮素?fù)p失的重要途徑，雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)煙田年無機(jī)氮損失量為3.62～6.08 kg/hm2，氮肥表觀淋溶率為 4.91%～8.11%、凈淋溶率為 0.09%～3.29%。這與易時來等[18]的研究結(jié)果相一致，其采用養(yǎng)分滲漏池法研究了油菜生長季氮素在紫色土中的淋溶情況，結(jié)果表明施氮量為75 kg/hm2時，氮素的表觀淋溶率范圍在3.80%～6.29%之間，凈淋溶率在0.98%～2.26%之間。Zhou 等[19]通過大量文獻(xiàn)分析表明，小麥種植硝態(tài)氮淋失量平均29.0 kg/hm2，占施氮量的15%；玉米種植硝態(tài)氮淋失量59.4 kg/hm2，占施氮量的22%。Min 等[20]研究報道，中國南方設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中硝態(tài)氮淋溶量可達(dá)182～277 kg/hm2，占氮輸入量的16%～25%。水稻土壤氮淋溶為10.59～13.41 kg/hm2[21]。由此可見，煙田土壤無機(jī)氮損失量低于大田作物和蔬菜。已有研究表明，無機(jī)氮淋溶量隨施氮量增加呈指數(shù)增加，肥料氮淋溶系數(shù)隨著施氮量的增加而增加[16,22]，因此雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)煙田無機(jī)氮淋溶量低主要是低氮肥且無灌溉引起的。

3.3 雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)煙田無機(jī)氮淋失的因素

降雨和灌溉是影響氮素淋失的決定因素之一[23-24]。本研究顯示，在雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)的常規(guī)種植下，降雨對煙田土壤氮淋失的作用最大（表3），氮素淋溶量隨降雨量增加而增加，月降雨量大于100 mm 后不再增加，因而煙田氮素淋失主要發(fā)生在烤煙緩苗期和旺長期（5—6 月）。但因為雨強(qiáng)增大時徑流以超滲而非蓄滿為主，導(dǎo)致淋失比例降低[25]，因此氮素淋溶損失量與月降雨量表現(xiàn)為非線性關(guān)系。肥料是影響煙田氮素淋失的第二大因素，以單施無機(jī)肥處理氮素淋失量最高，有機(jī)無機(jī)配施能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)含量（表1）、降低土壤水滲漏（圖8），從而降低無機(jī)氮淋失及淋溶率（圖6）；但本研究中生物有機(jī)肥的降低氮素淋溶作用效果顯著優(yōu)于廄肥，這是由于有機(jī)肥含有大量的養(yǎng)分，也會造成氮素的流失[26]，本研究中廄肥的施入量大于生物有機(jī)肥，致使廄肥處理氮淋溶量大于生物有機(jī)肥。輪作制度對土壤氮淋失也可能產(chǎn)生一定的影響。一般情況下，輪作比連作有利于改善土壤結(jié)構(gòu)、維持土壤養(yǎng)分與水分平衡，進(jìn)而提高作物對氮素的吸收利用能力，增加土壤的持水能力，因此輪作比連作能減少土壤硝酸鹽的淋失[27-28]。Drury 等[29]研究也表明了大豆與玉米的輪作能顯著降低土壤氮素的滲漏淋失。但在本研究中，與烤煙玉米輪作處理相比，烤煙連作處理顯著降低了土壤水淋溶，使氮肥凈淋溶率降低，其原因值得進(jìn)一步探究。

4 結(jié) 論

煙田全年無機(jī)氮淋溶量為3.62～6.08 kg/hm2，氮肥表觀淋溶率為4.91%～8.11%、凈淋溶率為0.09%～3.29%。無機(jī)氮的淋溶損失主要發(fā)生在烤煙生長季，尤其是5—6月，其占總淋溶量的40.33%～65.86%；淋溶液中無機(jī)氮含量占總氮量27.82%～33.39%。降雨是影響煙田淋溶損失的主要因素，無機(jī)氮淋溶量與降雨量呈非線性相關(guān)。施用化肥導(dǎo)致無機(jī)氮淋溶顯著增加，廄肥配施化肥與單施化肥的氮肥淋溶損失差異不顯著，而生物有機(jī)肥配施化肥較單施化肥顯著降低了氮肥淋溶損失?？緹熯B作處理顯著降低了土壤水淋溶，使氮肥凈淋溶率降低。綜上，雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)煙田無機(jī)氮淋溶強(qiáng)度不高，受降雨影響大，有機(jī)無機(jī)配施能夠降低無機(jī)氮淋溶，應(yīng)綜合考慮有機(jī)氮淋溶。