杜彩艷,吳 迪,李家逵,白繼元,代 快,李家瑞,何玉華,李江舟
(1云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所,昆明 650205;2云南省煙草公司玉溪市公司,云南玉溪 653100;3云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所,昆明 650205)
氮素是煙草生長(zhǎng)發(fā)育最重要的營(yíng)養(yǎng)元素,對(duì)煙草產(chǎn)量和品質(zhì)影響很大[1]。然而長(zhǎng)期以來(lái)氮肥過(guò)量、不科學(xué)施用現(xiàn)象在中國(guó)植煙區(qū)普遍存在,目前已逐漸成為中國(guó)植煙土壤保育及提升煙葉品質(zhì)的關(guān)鍵限制因子。氮肥的過(guò)量投入,不但造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi),而且還會(huì)使大量的氮素積累在土壤中,并加大了氮肥的流失風(fēng)險(xiǎn),從而導(dǎo)致農(nóng)田及水環(huán)境污染[2-4]。撫仙湖是中國(guó)最大蓄水量湖泊、最大高原深水湖,近年來(lái)水質(zhì)呈緩慢下降趨勢(shì)[5]。其中總氮(TN)和總磷(TP)是撫仙湖水質(zhì)超標(biāo)最嚴(yán)重的2個(gè)指標(biāo),且上層湖水的TN和TP已經(jīng)達(dá)到III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[6]。研究表明[7-8]經(jīng)濟(jì)作物和水稻的氮素(N)、磷素(P)養(yǎng)分流失導(dǎo)致的地表徑流等面源污染是撫仙湖流域主要的污染源??緹熓菗嵯珊饔蛑饕慕?jīng)濟(jì)作物,沿湖流域種植區(qū)具有良好的自然生態(tài)氣候條件,是云南清香型風(fēng)格煙葉代表性區(qū)域和優(yōu)質(zhì)煙葉原料的核心產(chǎn)區(qū)??緹煼N植期間降雨量相對(duì)較大[9],降雨所產(chǎn)生的地表徑流是農(nóng)田N、P流失的主要途徑,研究烤煙栽培過(guò)程中N、P徑流流失對(duì)降低農(nóng)業(yè)面源污染具有重要意義。
土壤條件、耕作措施、降雨量和施肥等多種因素都會(huì)影響農(nóng)田地表徑流N、P養(yǎng)分流失[10]。大量研究證實(shí)減少肥料施用量、改進(jìn)施肥方式、科學(xué)調(diào)整施肥時(shí)間及肥料種類等能減少稻田地表徑流N、P養(yǎng)分的流失[9];其中,優(yōu)化施肥量是防治農(nóng)田N、P養(yǎng)分流失最有效方法之一[11-12]。因此,如何集約、高效的施用肥料,從源頭上降低農(nóng)田N、P養(yǎng)分流失,對(duì)防治農(nóng)業(yè)面源污染具有重大意義。LEE[13]研究表明,減少化肥施用量可有效降低N、P流失量,并顯著提高化肥利用率。減量施用控釋氮肥10%~30%,既可保證水稻產(chǎn)量,又可有效提高氮肥利用率,顯著降低氮素養(yǎng)分損失[14]。姜海斌等[9]通過(guò)大田試驗(yàn),研究對(duì)比了不同施肥模式對(duì)稻田N、P徑流流失與水稻產(chǎn)量的影響,結(jié)果表明,化肥減量、有機(jī)無(wú)機(jī)配施和緩控釋肥處理是可供選擇的環(huán)境友好型施肥模式。減量施肥和優(yōu)化施肥均能顯著降低水稻季、蔬菜季地表徑流磷素濃度和菜-稻周年磷素地表徑流流失量[15]。此外,施肥量與丘陵地區(qū)地表徑流水體N、P流失量關(guān)系密切[16]。然而,以往這些研究多數(shù)集中在水稻田、蔬菜地N、P流失方面,對(duì)于植煙區(qū)農(nóng)田N、P流失特征及其治理方法的研究尚少。
基于此,本研究選擇撫仙湖沿湖植煙區(qū)農(nóng)田為研究對(duì)象,以烤煙減肥增效和面源污染防控為目標(biāo),從N、P流失的源頭——施肥入手,研究不同氮肥用量對(duì)煙葉產(chǎn)量、烤煙植株氮素累積量、氮肥利用率以及氮素、磷素地表徑流損失的影響,探究適宜當(dāng)?shù)乜緹熒a(chǎn)的合理氮肥用量,以期為撫仙湖沿湖植煙區(qū)烤煙減肥增效和農(nóng)業(yè)面源污染防控提供依據(jù)。
試驗(yàn)區(qū)位于云南省澄江市,屬于中亞熱帶、北亞熱帶、南溫帶和中溫帶四個(gè)氣候類型的氣候,年均降水量1001.8 mm(65%~75%的降雨量集中于6—9月),年均氣溫11.9~17.5℃,全年日照總時(shí)數(shù)2172.3 h。試驗(yàn)地點(diǎn)澄江市龍街鎮(zhèn)大塘村云南省優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)基地(E 102°87′44″,N 24°64′08″,海拔高度1702 m),前茬作物蠶豆,土壤類型水稻土。試驗(yàn)地耕層土壤的基礎(chǔ)農(nóng)化性狀為:pH 6.73,有機(jī)質(zhì)20.6 g/kg,堿解氮143.33 mg/kg,有效磷30.70 mg/kg,速效鉀273.56 mg/kg;2020年烤煙大田期(4—9月)平均降雨量見(jiàn)表1。
表1 2020年份降雨量 mm
供試烤煙品種為‘K326’;供試肥料詳見(jiàn)表2,所有肥料均購(gòu)自玉溪三農(nóng)高原特色現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有限責(zé)任公司。
表2 供試肥料
試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)氮素水平,氮用量分別為純N 0、60、75、90、105 kg/hm2,分別以 N0、N60、N75、N90、N105(煙農(nóng)常規(guī)施氮量)表示,所有處理磷、鉀肥和有機(jī)肥用量相同,為 P2O552.5 kg/hm2、K2O 315 kg/hm2和商品有機(jī)肥1800 kg/hm2;各處理氮、磷、鉀比例為1:0.5:3,3次重復(fù),共15個(gè)小區(qū),隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),隨機(jī)排列,株行距為120 cm×60 cm,小區(qū)面積30 m2。
同時(shí),應(yīng)用田間滲漏池法采集30 cm深度土壤徑流液,試驗(yàn)小區(qū)邊界打埂,防止地表徑流水外流,并開挖引流溝,集中引流到出水口,于出水口位置連接徑流收集池(尺寸為2 m×1 m×0.75 m)收集整個(gè)雨季各小區(qū)徑流液。
商品有機(jī)肥作基肥一次性施用,即在整地翻耕前把商品有機(jī)肥均勻撒施地表,再進(jìn)行翻耕;不施氮肥處理20%鉀肥、100%磷肥作基肥施用,剩余80%鉀肥作追肥施用。其他處理的氮肥30%作基肥、70%作追肥施用;烤煙提苗肥在烤煙移栽1周后追施,施用量45 kg/hm2,煙草專用復(fù)合肥在烤煙移栽2、3、4周后分別按20%、20%和30%的比例追施,剩下的鉀肥和煙草專用復(fù)合肥于烤煙移栽4周后一起施用?;适┯梅绞綖檠ㄊň鶆蚍植加诳緹煾?5~20 cm周圍),追肥方式為兌水澆施。試驗(yàn)煙苗于2020年4月21日移栽,其他栽培管理措施均按照當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行。
1.4.1 土樣 烤煙種植前采用“S”型5點(diǎn)取樣法采集0~20 cm混合土樣,測(cè)定其基礎(chǔ)農(nóng)化性狀;測(cè)定指標(biāo)包括:土壤pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀共5項(xiàng),采用《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[17]中的方法進(jìn)行測(cè)定。
1.4.2 氮、磷徑流、淋溶取樣及測(cè)定方法 降雨后收集地表徑流液樣品,采集清水層水樣,不攪動(dòng)水底沉積物,對(duì)樣品進(jìn)行編號(hào)后冷凍保存。每次取樣完成后及時(shí)抽干地表徑流桶中的水,為下次樣品收集作準(zhǔn)備,直至9月中下旬烤煙采收結(jié)束。地表徑流液樣品分別收集于2020年6月19日、7月6日、7月9日、7月15日、7月20日、7月27日和8月18日。徑流液樣品中總氮(TN)和總磷(TP)分別采用堿性過(guò)硫酸鉀消解—紫外分光光度法(HJ 636—2012)和過(guò)硫酸鉀消解—鉬銻抗分光光度法(GB 11893—89)測(cè)定。
1.4.3 主要經(jīng)濟(jì)性狀測(cè)定 煙葉開始成熟時(shí),按試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行掛牌、采收、烘烤、分級(jí)及測(cè)產(chǎn),根據(jù)烤煙國(guó)家分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)《烤煙(GB2635—92)》分批次進(jìn)行定級(jí)[18],記錄每批次各小區(qū)不同等級(jí)的產(chǎn)量,計(jì)算單位面積產(chǎn)量、上等煙、中等煙比例。產(chǎn)值按照產(chǎn)量、不同等級(jí)烤煙的比例及其玉溪市煙葉收購(gòu)單價(jià)計(jì)算。
根據(jù)參考文獻(xiàn)[19-20]計(jì)算以下參數(shù),如式(1)~(4)所示。
總氮和總磷淋失量的計(jì)算如式(5)所示。
式中:F為徑流量(kg/hm2),n為地表徑流次數(shù),Vi為第i次產(chǎn)流的水量(L),Ci為第i次產(chǎn)流的總氮或總磷質(zhì)量濃度(mg/L),S為監(jiān)測(cè)單元面積,f為由監(jiān)測(cè)單元轉(zhuǎn)換成公頃的換算系數(shù)。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并采用新復(fù)極差法(Duncan)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。
由圖1A可知,監(jiān)測(cè)期內(nèi),地表徑流TN流失濃度呈現(xiàn)隨施氮量增加而增加的趨勢(shì),不施氮處理(N0)的地表徑流TN流失濃度始終低于其他施氮處理。此外,各處理徑流TN流失濃度隨時(shí)間推移以及降雨次數(shù)的增加呈先降低后略有上升趨勢(shì),各處理地表徑流TN濃度均在6月19日呈現(xiàn)最大值,為氮素流失的高峰期,6月19日TN含量最高,4個(gè)施氮水平(N60、N75、N90和N105)地表徑流TN平均濃度分別11.2、11.5、11.9、12.4 mg/L,7月 20日分別降到1.25、1.27、1.40、1.58 mg/L,相對(duì)于6月19日分別下降了88.8%、89.0%、88.2%和87.2%。監(jiān)測(cè)期內(nèi),地表徑流TN濃度隨著氮肥施用量的增加而增加,N60、N75、N90和N105處理TN平均流失濃度分別為3.81、3.99、4.25、4.68 mg/L,N60、N75、N90處理TN平均流失濃度較常規(guī)施氮N105處理分別降低18.6%、14.7%和9.15%。
由圖1B可以看出,各處理7次監(jiān)測(cè)的TN流失量范 圍 依 次 為 2.70~5.26、1.85~2.82、1.03~1.54、0.49~0.66、0.78~1.15、0.65~0.92、1.05~1.38 kg/hm2,以6月19日地表徑流中TN流失量最大。此外,隨著氮肥施用量的增加,7次地表徑流TN累計(jì)流失量增加,常規(guī)施氮(N105)處理的TN流失總量最大,達(dá)到13.6 kg/hm2,N60、N75和N90處理的TN流失總量較N105處理分別降低了19.2%、18.1%和9.81%,其中,N60和N75處理TN累計(jì)流失量顯著低于N105處理(P<0.05)。
圖1 不同處理對(duì)植煙區(qū)農(nóng)田地表徑流水體總N濃度(A)和流失量(B)的影響
由圖2A可知,監(jiān)測(cè)期內(nèi)各處理地表徑流TP濃度隨著氮肥施用量的增加而增加,處理間差異不顯著,4個(gè)施氮水平(N60、N75、N90和N105)地表徑流TP平均濃度分別為 0.033、0.034、0.035、0.037 mg/L,N60、N75和N90處理TP平均濃度比常規(guī)施氮N105處理分別降低了12.3%、7.7%和5.3%。
各處理地表徑流水TP流失量變化如圖2B,7次監(jiān)測(cè)的各處理TP流失量范圍依次為0.010~0.014、0.012~0.014、0.010~0.013、0.012~0.015、0.014~0.017、0.015~0.017、0.017~0.021 kg/hm2,處理間無(wú)顯著差異。7次地表徑流TP累計(jì)流失量隨著施氮量增加而增加,從小到大依次為 0.091、0.094、0.100、0.103、0.110 kg/hm2,N60、N75和N90處理TP累計(jì)流失量較N105(常規(guī)施氮)處理分別降低14.4%、10.1%和6.8%,其中,N60和N75處理TP累計(jì)流失量顯著低于N105處理(P<0.05)。
圖2 不同處理對(duì)植煙區(qū)農(nóng)田地表徑流流失總P濃度(A)和總P流失量(B)的影響
比較各處理烤煙成熟期氮素養(yǎng)分積累量可知,烤煙成熟期氮素養(yǎng)分積累量均隨著施氮量的增加而增加(表3);不同施氮處理的烤煙植株氮素積累量為80.4~103.7 kg/hm2,其中N90處理的植株氮素積累量最高,處理N105次之,處理N75第三,較N0處理分別提高了29.0%、21.6%和20.0%,三者之間無(wú)顯著差異,然而,均顯著高于N60和N0處理(P<0.05)。
表3 不同處理烤煙氮肥積累量及氮肥利用率
不同施氮處理的氮肥利用率為10.3%~27.0%,以處理N75的氮肥利用率最高,處理N90次之,處理N105第三,3個(gè)處理間無(wú)顯著差異,但N75、N90 2處理的氮肥利用率均顯著高于N60處理(P<0.05);就氮肥偏生產(chǎn)力而言,不同施氮處理下烤煙氮肥偏生產(chǎn)力隨著氮肥施用量的增加逐漸下降,當(dāng)施氮量從N60(60 kg/hm2)增加到N105(105 kg/hm2)時(shí),烤煙的氮肥偏生力從45.5 kg/kg下降到28.7 kg/kg。
由圖3可知,不同施氮處理下煙葉的產(chǎn)量隨施氮水平的增加而增加,以N105處理烤煙產(chǎn)量最高,N90處理次之,與N0處理相比,施氮各處理的煙葉產(chǎn)量較N0處理提高3.02%~13.87%(圖3A)。本試驗(yàn)條件下,施氮各處理的上等煙比例、上中等煙比例均顯著高于N0處理(P<0.05),其中,處理N75的上等煙比例、上中等煙比例最高,處理N90次之,兩處理之間無(wú)顯著差異(圖3B、3C)。各施氮處理的煙葉均價(jià)在35.40~36.08元/kg之間(圖3D),烤煙產(chǎn)值在71319~83328元/hm2之間(圖3E)。各施氮處理的產(chǎn)值均顯著高于處理N0(P<0.05),以處理N75的產(chǎn)值最高,處理N90次之,處理N105第三,三者之間無(wú)顯著差異。本試驗(yàn)條件下,N75處理經(jīng)濟(jì)性狀較優(yōu)。
圖3 不同施氮處理的烤煙經(jīng)濟(jì)性狀
隨著氮肥施用量的增加,不同處理地表徑流總氮(TN)、總磷(TP)濃度及TN、TP流失量逐漸升高,減少氮肥施用量可以有效削減地表徑流總氮、總磷流失量。隨著氮肥用量的增加,氮肥利用率表現(xiàn)為先增加后降低,處理N75的氮肥利用率最高,為26.95%,上中等煙比例、上等煙比例、產(chǎn)值、均價(jià)呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì),以N75處理(施氮量為75 kg/hm2)效果最佳。本試驗(yàn)條件下,綜合考慮烤煙經(jīng)濟(jì)性狀及環(huán)境效益,撫仙湖流域植煙區(qū)適宜施氮量為75 kg/hm2,既可提高烤煙經(jīng)濟(jì)性狀,又能有效降低氮磷流失風(fēng)險(xiǎn)。
氮素是烤煙正常生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素,也是對(duì)煙葉產(chǎn)量、品質(zhì)影響較大的營(yíng)養(yǎng)元素之一[21]??茖W(xué)合理的氮素用量可以保證煙株正常的生長(zhǎng)發(fā)育,在保持煙葉良好碳氮化合物之間比例平衡的同時(shí),可有效增加煙葉產(chǎn)量和提升煙葉品質(zhì)及增加烤煙的經(jīng)濟(jì)效益[22-23]。本試驗(yàn)條件下,不同施氮處理煙葉產(chǎn)量表現(xiàn)為隨氮肥用量的增加而增加,與N0處理相比,施氮處理的烤煙產(chǎn)量提高了3.02%~14.00%。中上等煙比例、上等煙比例、產(chǎn)值和均價(jià)隨氮肥用量的增加呈先上升后下降趨勢(shì),施氮各處理中,烤煙的中上等煙比例、上等煙比例和產(chǎn)值均以氮肥用量75 kg/hm2的效果最佳。王正旭等[24]和李云霞等[25]研究結(jié)果表明,煙葉產(chǎn)量隨氮肥用量的增加而增加,然而中上等煙比例、上等煙比例、產(chǎn)值和均價(jià)則隨著氮肥用量的增加呈先上升后下降趨勢(shì),這與本研究結(jié)果相似,即超過(guò)一定施氮量,雖然煙葉產(chǎn)量仍然增加,但上等煙比例、均價(jià)開始下降。原因可能是:(1)因?yàn)槭┑窟^(guò)多,碳氮比例不協(xié)調(diào)所致;(2)隨氮肥用量的增加,煙葉成熟期推遲,導(dǎo)致養(yǎng)分消耗,甚至不能正常成熟落黃。
氮肥利用率是關(guān)系到施肥、農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)的重要指標(biāo)[26]。通常而言,養(yǎng)分供應(yīng)不足或者適中時(shí)煙株的養(yǎng)分利用效率相對(duì)較高,養(yǎng)分過(guò)量時(shí)煙株養(yǎng)分利用效率較低,這是烤煙對(duì)養(yǎng)分的響應(yīng)[27]。張碩等[28]研究證實(shí),烤煙根、莖和葉片的氮積累量均隨氮肥用量增加而增加,氮肥用量和烤煙整株氮含量表現(xiàn)為顯著正相關(guān),和烤煙整株氮積累量表現(xiàn)為極顯著正相關(guān);顯著增加了氮肥偏生產(chǎn)力(P<0.05),氮肥利用率變化不明顯。本研究中,煙株成熟期氮素積累量亦表現(xiàn)為隨氮肥用量的增加而增加(表2),氮肥吸收利用率表現(xiàn)為先上升后下降,氮肥偏生產(chǎn)力隨氮肥用量的增加逐漸降低,表明隨氮肥用量的增加,煙株莖部氮的積累比例提高,促進(jìn)了煙株“奢侈”耗氮現(xiàn)象的發(fā)生,對(duì)煙葉產(chǎn)量和產(chǎn)值的增加無(wú)顯著影響[29]。中國(guó)肥料平均利用率氮肥為30%~35%[30],本試驗(yàn)條件下,烤煙經(jīng)濟(jì)性狀較優(yōu)的N75處理的氮肥利用率為27.0%,說(shuō)明試驗(yàn)區(qū)氮肥利用率低于全國(guó)氮利用率。其主要原因可能是:(1)本研究采用差減法進(jìn)行計(jì)算,并不是絕對(duì)利用率;(2)試驗(yàn)區(qū)土壤基礎(chǔ)肥力較高,氮肥利用率相對(duì)低[12]。15N標(biāo)記法才能得到真實(shí)利用率。
降低肥料施用量作為一項(xiàng)控制農(nóng)田氮素、磷素徑流損失的有效技術(shù)途徑[31],目前已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中[3,32],且已取得顯著成效。本研究中,各處理地表徑流液氮素濃度變化趨勢(shì)基本一致(圖1A)。各處理徑流TN流失濃度隨時(shí)間推移及降雨次數(shù)的增加呈先降低后上升趨勢(shì);施氮各處理地表徑流TN濃度和TN流失量均在6月19日呈現(xiàn)最大值,為氮素流失的高峰期,其原因?yàn)?月4日追施了烤煙最后一次肥料,6月19日距離6月4日追肥時(shí)間間隔最短,導(dǎo)致肥料中N流失較大,使此次采集的徑流水樣TN濃度最高和TN流失量最大。說(shuō)明距離施肥間隔時(shí)間越短,徑流液中總氮濃度越高,TN流失量越大,該結(jié)果與繆杰杰等[32]的研究結(jié)果一致。8月18日各處理地表徑流液中TN濃度略有回升,可能與試驗(yàn)所用肥料為復(fù)合肥,復(fù)合肥養(yǎng)分釋放時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),烤煙成熟期采收烤煙時(shí),地表經(jīng)擾動(dòng),土壤中沒(méi)有被作物吸收分解完的肥料隨徑流水流失,因而后期地表徑流液中TN濃度略有回升。本研究中,隨著氮肥施用量的增加,監(jiān)測(cè)期內(nèi)7次地表徑流TN累計(jì)流失量增加,其中常規(guī)施氮(N105)處理的TN流失總量最大,達(dá)到13.64 kg/hm2,N60、N75和N90處理的TN流失總量較N105處理分別降低了19.17%、18.12%和9.81%,說(shuō)明減少氮肥施用量顯著降低了農(nóng)田徑流中氮素的流失量。
本研究中,各處理的TP濃度均隨監(jiān)測(cè)時(shí)間不斷增加(圖2A)。原因可能為:(1)試驗(yàn)所施用的肥料為烤煙專用復(fù)合肥(N:P2O5:K2O=12:6:24),含磷量較低;(2)肥料施用方法為穴施,施于表土層以下,肥料中的磷素釋放比較緩慢;(3)在降雨和灌水等因素下,土壤受到?jīng)_刷、擾動(dòng),釋放出了一部分被固持在土壤中的磷素;(4)8—9月份時(shí)正值烤煙采收季節(jié),采收烤煙會(huì)增大地表裸露,加之采收煙葉時(shí)會(huì)擾動(dòng)表層土,因此后期土壤中磷含量會(huì)有所增加。該結(jié)果與夏小江等[33]研究結(jié)果類似。此外,監(jiān)測(cè)期內(nèi)各處理地表徑流TP濃度隨著氮肥施用量的增加而增加,各施氮處理地表徑流TP濃度均高于N0處理,說(shuō)明增施氮肥會(huì)激發(fā)磷素的釋放,進(jìn)而促進(jìn)磷素的流失,這與以往的研究結(jié)果一致[32]。
監(jiān)測(cè)期內(nèi)各施氮處理單次地表徑流TP流失量為0.01~0.02 kg/hm2,減量施肥各處理與常規(guī)施肥處理之間無(wú)顯著差異(圖2B),該研究結(jié)果與姜海斌等[9]等研究結(jié)果類似。隨著氮肥施用量的增加,各處理7次地表徑流TP累計(jì)流失量顯著增加(P<0.05),與常規(guī)施氮(N105)處理相比,N60、N75和N90處理TP流失總量分別降低14.4%、10.1%和6.8%,說(shuō)明,減少氮肥施用量顯著降低了農(nóng)田徑流中磷素的累計(jì)流失量。