化肥減量配施生物炭對植煙土壤氮素淋失的影響

褚繼登，閆慧峰，王樹聲，李彩斌，張若男，孫帥帥，張久權(quán)*

化肥減量配施生物炭對植煙土壤氮素淋失的影響

褚繼登1,2，閆慧峰1，王樹聲1，李彩斌3，張若男1，孫帥帥4*，張久權(quán)1*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，青島 266101；2.山西昆明煙草有限責(zé)任公司，太原 030000；3.貴州省煙草公司畢節(jié)市公司，貴州 畢節(jié) 551700；4.山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，濟(jì)南 250014）

為明確化肥減量和添加生物炭對植煙土壤氮素淋失的影響，采用室內(nèi)土柱試驗(yàn)，研究了不同施肥處理（常規(guī)施肥，化肥減量30%，化肥減量30%+5%生物炭，不施肥）下，褐土、紅壤、紫色土中有效氮淋失量變化。結(jié)果表明，淋洗前期各形態(tài)氮的淋失量較大，隨時(shí)間推移逐漸減弱。淋失的氮主要為可溶性總氮及硝態(tài)氮。與常規(guī)施肥相比，化肥減量處理的可溶性總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮淋失量分別減少12.0%～21.8%、8.9%～22.5%、12.7%～25%；化肥減量+生物炭的處理能夠明顯延緩?fù)寥乐械亓苁С霈F(xiàn)的時(shí)間，可溶性總氮、硝態(tài)氮淋失量分別減少26.6%～35.4%、36.5%～59.2%。總之，化肥減量或添加生物炭能減少土壤中可溶性總氮及硝態(tài)氮的淋失量。

土柱；減量化施肥；降雨強(qiáng)度；土壤類型；氮素淋失

烤煙作為我國一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，土壤中氮素的供應(yīng)狀況直接影響其產(chǎn)量、產(chǎn)值和質(zhì)量[1]。由于硝態(tài)氮不易被土壤吸附[2]，施肥后，會隨水分的移動(dòng)而淋失[1]。土壤類型、降雨、施肥、耕作均是影響土壤氮淋失的重要因素[3-6]，相關(guān)研究表明，由于保肥性能不同，各土壤的氮素淋失速率及淋失量存在明顯差異[5]?；蔬m當(dāng)減量能夠減少氮磷等重要元素的淋失，同時(shí)保證作物的產(chǎn)量降低幅度不明顯[7-11]。

生物炭是作物秸稈等物料在無氧或限氧條件下碳化的產(chǎn)物，具有改善土壤結(jié)構(gòu)和微環(huán)境、保持土壤肥力等諸多作用[12-14]。化肥減量與生物炭結(jié)合可以進(jìn)一步改善土壤環(huán)境，增加土壤養(yǎng)分持有量[15]。鄧陽春等[16]通過淋溶池收集并分析地下徑流，發(fā)現(xiàn)施入土壤的氮肥超過60%被淋失。楊志曉等[17]在廣東南雄通過15N示蹤技術(shù)得出烤煙肥料氮利用率為30.8%，土壤氮?dú)埩袈屎蛽p失率分別為32.3%和36.9%。以往研究表明，煙田土壤中氮素淋失現(xiàn)象普遍存在，但關(guān)于影響煙田氮素淋失因素及減緩煙田氮素淋失措施的研究卻鮮有報(bào)道。本研究擬通過室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)，以褐土、紅壤、紫色土等典型植煙土壤為材料，探究土壤類型、化肥減量及配施生物炭對植煙土壤氮素淋失的影響，為煙區(qū)合理施肥、減少氮素面源污染及提高氮素利用率提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年6—12月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所即墨試驗(yàn)基地進(jìn)行。采用2因子隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，因子1為土壤類型（褐土、紅壤、紫色土）；因子2為施肥處理：N1，常規(guī)施肥（N 7 kg /666.7 m2）；N2，化肥減量30%；N3，化肥減量30%+5%生物炭；N4，不施肥（CK）。

采用上述土壤填充土柱，按照處理要求施肥，以蒸餾水模擬降雨進(jìn)行淋洗，收集并分析淋失液中氮的含量。

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1 供試土壤 褐土、紅壤、紫色土分別取自山東省諸城市、云南省曲靖市、四川省西昌市。在煙田采用“S型”法采集0～40 cm的耕層土樣，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后，剔除大石塊和植物根莖等雜質(zhì)，過2 mm篩，充分混合后備用。3種土壤的基本理化性狀見表1。

1.2.2 肥料 所施化肥為煙草專用復(fù)合肥，其N、P2O5、K2O質(zhì)量百分比分別為15%、15%、15%，無機(jī)氮中硝態(tài)氮占35%，銨態(tài)氮占65%。生物炭由貴州省畢節(jié)市公司提供，熱裂溫度為350 ℃，熱解時(shí)間為2 h，pH為9.3、全氮含量2.1%、全碳含量59.88%。

表1 供試土壤的基本理化性狀

Note: CS, cinnamon soil; RS, red soil; PS, purple soil; TN, total nitrogen; AK, available kalium; AP, available phosphorus; NN, nitrate nitrogen; AN, ammonium nitrogen; BD, bulk density; FC, field capacity; OM, organic matter. The same as below.

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 土柱的制備 首先根據(jù)0～40 cm土壤容重，分別按照每土柱褐土4.17 kg、紅壤3.75 kg、紫色土4.83 kg的填充量稱量土壤，將肥料溶于200 mL水中，然后均勻噴灑到稱好的土壤表面，風(fēng)干，相應(yīng)地將生物炭與土壤混合均勻。按照施氮量7 kg/666.7 m2計(jì)算，每個(gè)土柱的常規(guī)施氮量為82 mg，添加生物炭處理的生物炭量為土壤填充量的5%。

采用高50 cm，內(nèi)徑10 cm的圓柱形PVC管為材料。裝柱前，先將經(jīng)酸和蒸餾水洗凈并干燥后的石英砂裝填于土柱底部（厚約1 cm），上下各鋪一層玻璃絲網(wǎng)，防止土壤顆粒撒漏，然后將準(zhǔn)備好的土壤均勻裝入柱內(nèi)并壓實(shí)，形成40 cm的土柱，最后在土柱的上部再鋪一層尼龍網(wǎng)-石英砂（1 cm），用來降低蒸餾水加入對表層土的擾動(dòng)（圖1）。

圖1 淋失裝置簡易圖

1.3.2 淋洗及淋失液收集 試驗(yàn)開始后，將蒸餾水裝入懸放于土柱上方的玻璃瓶中，并用醫(yī)用輸液器控制流速。每次加入的水量為392.5 mL，持續(xù)113.6 min，流速控制在3.46 mL/min，按照降雨強(qiáng)度0.44 mm/min，降雨量50 mm/d進(jìn)行模擬。待淋失液滲出時(shí)開始收集，收集完淋失液后，間隔12 h進(jìn)行下一次淋洗，共進(jìn)行12次淋洗。收集淋失液并測定每次的體積，混勻后取50 mL放入?18 ℃冰箱保存待測。

1.4 測定項(xiàng)目及方法

土壤樣品的測定包括pH、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、機(jī)械組成、田間持水量、容重等指標(biāo)。淋失液的測定包括可溶性總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮3個(gè)指標(biāo)。

土壤pH按照土水比1∶2.5（/）混勻后，采用電位法測定[18]；土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮采用連續(xù)流動(dòng)分析儀測定[19-20]；土壤全氮采用凱氏定氮法[21]、速效磷采用鉬銻抗比色法、速效鉀采用火焰光度法[22]測定；土壤粒級分布采用激光粒度分析儀（Better-size3000Plus，中國）測定；土壤田間持水量采用環(huán)刀法測定[23]；有機(jī)質(zhì)測定采用重鉻酸鉀容量法；淋失液中可溶性總氮（TSN）采用過硫酸鉀氧化，紫外光分光光度法測定[24]，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮采用連續(xù)流動(dòng)分析儀（德國SEAI-AA3)測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 25.0，圖2-4中的數(shù)據(jù)，每個(gè)土壤類型單獨(dú)按單因素（不同施肥方法）隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)進(jìn)行方差分析和多重比較。表2中的數(shù)據(jù)按2因素（不同施肥方法、土壤類型）隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)進(jìn)行方差分析和多重比較，并考察交互作用。

2 結(jié) 果

2.1 土壤類型和施肥處理對淋失液首次出現(xiàn)時(shí)間的影響

結(jié)果表明（圖2-4），褐土、紅壤和紫色土分別在第3次、第4次和第5次淋洗開始收集到淋失液，即出現(xiàn)淋失的時(shí)間，褐土早于紅壤，紅壤早于紫色土，說明紫色土保肥效果最好?？傮w上，從收集到淋失液開始，淋洗前期各形態(tài)氮素的淋失強(qiáng)度較強(qiáng)，隨時(shí)間推移逐漸減弱，后期淋失量較低而平穩(wěn)。

注：TSN為Total soluble nitrogen的縮寫；圖中不同字母表示同一淋失時(shí)間下不同施肥處理間差異顯著（p<0.05），下同。

圖3 不同施肥處理下硝態(tài)氮淋洗量的變化

就不同施肥處理而言，3個(gè)土壤類型中，N3處理開始出現(xiàn)淋失的時(shí)間均晚于常規(guī)及化肥減量處理，說明生物炭可以延緩?fù)寥乐械氐牧苁А?/p>

2.2 化肥減量配施生物炭對不同形態(tài)氮素淋失量的影響

2.2.1 可溶性總氮 由表2可以看出，與N1相比，N2處理下褐土中淋失總量降低了12.0%、紅壤降低了21.8%、紫色土降低了13.1%；N3處理下褐土中淋失總量降低了26.6%、紅壤降低了35.4%、紫色土降低了34.5%，說明化肥減量和化肥減量+5%生物炭均能夠降低土壤中可溶性總氮的淋失，且化肥減量+5%生物炭的處理效果更佳。由圖2可知，與N1處理相比，褐土中N2處理在第4～6次淋洗中可溶性總氮淋失量大幅度降低，N3處理在第4～7次淋洗中淋失量大幅度且顯著地降低；紅壤中N2處理在第4～7次淋洗中淋失量大幅度降低，N3處理在第6～8次淋洗中淋失量降低；紫色土中N2處理在第6～8次淋洗中淋失量降低，N3處理在第7次淋失量顯著降低?？梢钥闯?，化肥減量及化肥減量+5%生物炭處理淋失量降低均集中在淋洗前期，后期效果減弱。

2.2.2 硝態(tài)氮 由表2可以看出，褐土、紅壤、紫色土中N2、N3處理硝態(tài)氮淋失總量顯著低于N1處理。與N1相比，N2處理下褐土中淋失總量降低了8.9%、紅壤降低了22.5%、紫色土降低了12.2%，N3處理下褐土中淋失總量降低了36.6%、紅壤降低了59.2%、紫色土降低了36.5%，說明化肥減量和化肥減量+5%生物炭處理均能夠降低土壤中硝態(tài)氮的淋失，且化肥減量+5%生物炭的處理效果更佳。由圖3可知，褐土中N2處理在第5～6次淋洗中大幅度降低了淋失量，N3處理在第4～5次淋洗中淋失量降低效果顯著；紅壤中N2、N3處理在第4～6次淋洗中大幅度降低了淋失量；紫色土中N2處理在第6～7次淋洗中顯著降低了淋失量；可以看出化肥減量及化肥減量+5%生物炭處理淋失量降低均集中在淋洗前期，且化肥減量+5%生物炭處理首次淋失量遠(yuǎn)低于常規(guī)施肥處理。

圖4 不同處理下銨態(tài)氮淋洗量的變化

2.2.3 銨態(tài)氮 由表2看出，與N1相比，N2處理褐土中銨態(tài)氮淋失總量降低了12.7%，紅壤降低了15.1%，紫色土降低了25%；N3處理下，褐土中降低了23.5%，紅壤及紫色土中淋失量高于N1，說明化肥減量處理可以降低土壤中銨態(tài)氮的淋失，化肥減量+5%生物炭處理增加了紅壤及紫色土中銨態(tài)氮淋失總量。由圖4可以看出，與N1相比，N3處理在褐土第4次淋洗時(shí)銨態(tài)氮淋失量顯著降低，之后與N1差異均不顯著；在紅壤第6～8次淋洗的淋失量均顯著高于N1；在紫色土第8～11次淋洗的淋失量均顯著高于N1、N2；三種土壤中N2處理在整個(gè)淋洗過程中淋失量均低于N1?？梢?，淋洗過程中，化肥減量處理下銨態(tài)氮淋失均低于常規(guī)施肥處理，化肥減量+5%生物炭處理在紅壤及紫色土中淋洗前、中期銨態(tài)氮淋失量顯著增加。

2.3 化肥減量和土壤類型對不同形態(tài)氮淋失量的效應(yīng)分析

由表2看出，施肥方式與土壤類型的主效應(yīng)及交互作用對氮素淋失量影響均顯著。對其交互作用的影響進(jìn)行分析，可以得出褐土中，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮及可溶性總氮淋失量在不施肥處理下最低，添加生物炭處理次之。紅壤及紫色土中，銨態(tài)氮在不施肥處理下淋失量最低，化肥減量處理次之，硝態(tài)氮及可溶性總氮淋失量在不施肥處理下最低，添加生物炭處理次之。綜上可以得出，施肥前提下，褐土中化肥減量+5%生物炭處理氮素淋失量最低，紅壤及紫色土銨態(tài)氮在化肥減量下淋失量最低，可溶性總氮及硝態(tài)氮在化肥減量+5%生物炭下最低。

表2 化肥減量和土壤類型對不同形態(tài)氮淋失量的效應(yīng)

3 討 論

同等管理?xiàng)l件下，氮肥用量直接影響農(nóng)田氮素淋失量和淋失強(qiáng)度，同時(shí)不同土壤類型氮素淋失規(guī)律也有差別。因此，針對不同類型土壤，控制氮肥用量，既可降低生產(chǎn)投入，又能減少肥料流失對環(huán)境的污染。

本研究結(jié)果表明，紅壤及紫色土對可溶性全氮及硝態(tài)氮的保肥性能要高于褐土，該結(jié)果與岳殷萍等[25]的研究結(jié)果相符，此與土壤質(zhì)地有關(guān)（表1）。粘粒含量較高的土壤，發(fā)生淋洗時(shí)養(yǎng)分的滲透速率會大大降低。相反紅壤及紫色土質(zhì)地中粘粒含量較高，對銨態(tài)氮吸附及解吸能力均比較強(qiáng)[26]，當(dāng)降雨發(fā)生時(shí)解吸量顯著增加，導(dǎo)致了銨態(tài)氮淋失量略高于褐土。3種土壤中淋失的無機(jī)氮主要形態(tài)為硝態(tài)氮，占可溶性總氮的43.5%～65.3%，曾招兵等[27]的土柱模擬試驗(yàn)也表明，土壤氮素的淋失絕大部分以硝態(tài)氮的形態(tài)呈現(xiàn)。土壤膠體大多帶負(fù)電荷，容易吸附土壤中帶正電的銨態(tài)氮，而對于帶負(fù)電的硝態(tài)氮吸附較弱。因此，在灌溉或降雨條件下，硝態(tài)氮容易淋失，而銨態(tài)氮的淋失量相對較少。施用氮肥時(shí)，應(yīng)針對土壤不同質(zhì)地，調(diào)整氮素的形態(tài)。褐土應(yīng)優(yōu)先使用銨態(tài)氮含量較高的氮肥，而紅壤及紫色土優(yōu)先使用硝態(tài)氮含量較高的氮肥。

與常規(guī)施肥相比，化肥減量處理，褐土可溶性總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮分別降低了12.0%、8.9%、12.7%，紅壤中分別降低了21.8%、22.5%、15.1%，紫色土中分別降低了13.1%、12.2%、25.0%，因?yàn)榛蕼p量之后，有效降低了氮素在土壤表層的積累，減少了淋失風(fēng)險(xiǎn)，該結(jié)果與劉曉彤等[28]結(jié)果一致，說明在植煙土壤中也可通過化肥減量的方式降低氮素淋失量，增加養(yǎng)分有效性。

化肥減量+5%生物炭的處理，顯著延緩?fù)寥乐械亓苁С霈F(xiàn)的時(shí)間，可能是由于生物質(zhì)炭施入土壤后，較易形成大團(tuán)聚體，增加了土壤吸附氮素和水分的能力[29]，使得水分向下移動(dòng)滯后，從而導(dǎo)致氮素在短時(shí)間內(nèi)被淋洗的速度減緩，風(fēng)險(xiǎn)降低。與常規(guī)施肥相比，化肥減量+5%生物炭的處理顯著降低了3種土壤中可溶性總氮和硝態(tài)氮的淋失量，且效果要優(yōu)于單獨(dú)化肥減量處理，這與趙鳳亮等[30]、張弘等[31]、周志紅等[32]的研究結(jié)果一致。生物質(zhì)炭本身具有孔隙多、比表面積大等特性，與土壤混合之后，增加了土壤中的氮素吸附位點(diǎn)，使得氮素更多地保留在土壤當(dāng)中。但化肥減量+5%生物炭處理下紅壤、紫色土銨態(tài)氮的淋失均顯著高于化肥減量處理，徐國鑫等[33]及劉岑薇等[34]研究表明當(dāng)設(shè)置的降雨強(qiáng)度超過了生物炭的保水性臨界值時(shí)，會造成紅壤及紫色土中銨態(tài)氮淋失增加。此外，生物炭的施用量也是影響銨態(tài)氮淋失的重要因素，周志紅等[32]的研究中，當(dāng)生物炭的施用量發(fā)生變化時(shí)，紫色土中銨態(tài)氮淋失量有增加的風(fēng)險(xiǎn)，本研究中生物炭使用量為固定量，還需進(jìn)一步試驗(yàn)探索改變生物炭施用量后紅壤及紫色土中銨態(tài)氮淋失量的變化規(guī)律，所以實(shí)際應(yīng)用中褐土、紅壤及紫色土可以通過化肥減量+5%生物炭的施肥方式進(jìn)一步減少可溶性總氮及硝態(tài)氮的淋失。

從淋失時(shí)間來看，各種形態(tài)氮素淋失基本發(fā)生在前期，這與劉曉彤等[35]的研究一致。氮肥施入土壤之后，土壤中氮素累積量較大，隨著模擬降雨量不斷增加，土壤中未被吸附或轉(zhuǎn)化的氮素會隨著水分移動(dòng)大量向下移動(dòng)而被淋洗掉。而化肥減量及生物炭處理能明顯延緩淋失出現(xiàn)的時(shí)間，在生產(chǎn)中可以在氮素淋洗發(fā)生的前期采取相應(yīng)的措施來減少淋失風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

本研究結(jié)果表明，土壤氮素淋失主要發(fā)生在淋洗前期，淋失的氮素形態(tài)主要為可溶性總氮及硝態(tài)氮。通過化肥減量或施用5%的生物炭，均可降低褐土、紅壤和紫色土氮素淋失量?；蕼p量減少了氮素在土壤表層的積累，有效降低了土壤中氮素的淋失總量；添加生物炭后土壤中形成大團(tuán)聚體延緩了氮素的淋失，同時(shí)增加了土壤中的氮素吸附位點(diǎn)，使得氮素淋失總量進(jìn)一步降低。因此整體來看，褐土、紅壤、紫色土通過化肥減量和施用5%生物炭來降低土壤可溶性總氮和硝態(tài)氮淋失量有一定潛力，可在大田驗(yàn)證后在生產(chǎn)上推廣應(yīng)用。

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Effects of Reduced Fertilization and Biochar Application on Nitrogen Leaching from Tobacco-growing Soils

CHU Jideng1,2, YAN Huifeng1, WANG Shusheng1, LI Caibin3, ZHANG Ruonan1, SUN Shuaishuai4*, ZHANG Jiuquan1*

(1. Tobacco Research Institute, CAAS, Qingdao 266101, China; 2. Shanxi Kunming Cigarette Co., Ltd., Taiyuan 030000, China; 3. Bijie Tobacco Company of Guizhou Province, Bijie, Guizhou 551700, China; 4. Technology Center of China Tobacco Shandong Industrial Company, Limited, Jinan 250014, China）

In order to clarify the effects of fertilizer reduction and biochar application on nitrogen leaching loss in different tobacco planting soils, laboratory soil column experiments were conducted to study different fertilization treatments (conventional fertilization, fertilizer reduction by 30%, fertilizer reduction by 30%+5% biochar, no fertilization) on leaching loss of available nitrogen (N) from brown soil, red soil, and purple soil. The results showed that the leaching intensity of all forms of N was strong in the early stage of leaching, and gradually decreased with time. The leachate contained mainly total soluble N and nitrate N. Compared with conventional fertilization, the total amount leached of soluble N, nitrate N, and ammonium N decreased by 12.0% to 21.8%, 8.9% to 22.5%, and 12.7% to 25%, respectively. Fertilizer reduction and biochar application significantly delayed the leaching time of available nitrogen in the three soils, and decreased the total soluble nitrogen and nitrate N in leachate by 26.6% to 35.4%, and 36.5% to 59.2%, respectively. In conclusion, fertilizer reduction and biochar application can decrease the leaching loss of total soluble N and nitrate N from these soils.

soil column; reduced fertilization; rainfall intensity; soil type; nitrogen leaching

10.13496/j.issn.1007-5119.2022.04.006

S572.01

A

1007-5119（2022）04-0040-08

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFD201104）；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程（ASTIP-TRIC03）；貴州省煙草公司畢節(jié)市公司科技項(xiàng)目（2018520500240059)

褚繼登（1996-），男，助理工程師，從事煙草栽培與調(diào)制研究。E-mail：chujideng@163.com

，E-mail：孫帥帥，569758005@qq.com；張久權(quán)，zhanjiuquan@caas.cn

2021-06-18

2022-08-20