土柱模擬條件下降雨強度對滇西和豫中典型植煙土壤氮淋失的影響

王 閣，趙園園，陳小龍，韋建玉，王 政，謝天琪，史宏志

（1.河南農(nóng)業(yè)大學 煙草學院/煙草農(nóng)業(yè)減害研究中心，河南 鄭州 450002；2.河南中煙工業(yè)有限責任公司，河南 鄭州 450016；3.廣西中煙工業(yè)有限責任公司，廣西 南寧 530001）

氮肥對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和作物增產(chǎn)有重要貢獻[1]，據(jù)統(tǒng)計，世界糧食產(chǎn)量的增加約有50%都歸因于化學肥料的施用，其中以氮肥的貢獻最為顯著[2]。為追求作物高產(chǎn)，農(nóng)戶大量向農(nóng)田中施入氮肥。然而數(shù)據(jù)顯示，2005—2015 年我國肥料表觀利用率僅為35%左右，與發(fā)達國家相比低10%～20%[3]。殘留在土壤中未被利用的氮肥，有40%～50%通過徑流及淋溶進入地下水及河流湖泊[4]。農(nóng)田土壤氮素大量淋失不僅導致肥料利用率低下，而且造成農(nóng)業(yè)面源污染、水體富營養(yǎng)化，對生態(tài)環(huán)境安全造成較大威脅[5]。因此，降低農(nóng)田土壤氮淋失成為亟待解決的問題。

烤煙是我國重要經(jīng)濟作物，氮是烤煙生長代謝所必需的營養(yǎng)元素[6]。云南省洱海流域是我國典型清香型烤煙產(chǎn)區(qū)，洱海是我國云貴高原第二大淡水湖泊，對當?shù)貧夂蛘{(diào)節(jié)及旅游業(yè)發(fā)展具有重要意義。近年來洱海水體富營養(yǎng)化持續(xù)加劇，引發(fā)社會廣泛關(guān)注。報告顯示，可溶性氮作為洱海水體中一項重要無機類污染物，污染指數(shù)占比22.37%，且主要來源于農(nóng)田土壤氮流失[7-8]。因而阻控洱海流域農(nóng)田土壤氮淋失，成為治理洱海水污染問題的重要舉措之一。目前，我國土壤氮淋失研究主要集中在糧食作物的種植上，對植煙土壤氮淋失的研究相對較少。此外，土壤氮淋失受降雨[9]、地勢[10]、施肥[11]及種植方式[12]等因素的綜合影響，區(qū)域不同、土壤特性不同，氮淋失情況也具有差異。因此，擬選取典型清香型烤煙產(chǎn)區(qū)滇西洱海之源洱源縣及典型濃香型烤煙產(chǎn)區(qū)豫中襄城縣植煙土壤，采用室內(nèi)土柱模擬降雨形式，探究降雨強度對不同土壤水分及氮淋失的影響，明確植煙土壤氮淋失動態(tài)變化規(guī)律，對比滇、豫2種典型植煙土壤氮淋失差異，旨在為降低植煙土壤氮淋失、發(fā)展環(huán)境友好型綠色煙草生產(chǎn)提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

2021 年4 月分別于云南省大理州洱源縣鳳羽鎮(zhèn)（26.11°N、99.95°E）、河南省許昌市襄城縣關(guān)帝廟村（33.85°N、113.55°E）采用五點取樣法采集0～20 cm 耕層植煙土壤，新鮮土樣去除雜質(zhì)風干后過孔徑2 mm 篩，混合均勻。土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

表1 兩地植煙土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)Tab.1 Basic physical and chemical properties of tobacco planting soil of two places

1.2 試驗設(shè)計

采用雙因素試驗設(shè)計，因素一為降雨強度，因素二為不同地區(qū)植煙土壤。參考小、中、大雨降雨強度并考慮避免產(chǎn)生地表徑流，設(shè)置降雨強度P1（0.52 mm/h）、P2（1.04 mm/h）、P3（1.56 mm/h）；土壤為云南洱源縣植煙土壤（洱源土）、河南襄城縣植煙土壤（襄城土）。共6 個處理，各處理設(shè)3 次重復，共計18個土柱。參照田間土壤容重，在土柱中土壤填充高度一致的情況下計算所需土壤，分別為洱源土4.05 kg/柱、襄城土4.27 kg/柱。

人工模擬土柱裝置由PVC 圓柱管制成，內(nèi)徑10 cm、高度50 cm，管柱底部開直徑2 cm 的圓孔連接5 cm 長引流管，圓孔和引流管連接并完全密封，以便收集滲濾液。土柱底部鋪設(shè)1層孔徑0.075 mm的尼龍布，填充2 cm 粒徑為1～2 mm 的干燥石英砂，石英砂與土壤接觸層再鋪1 層孔徑0.075 mm 的尼龍布作為反濾材料；將土壤稱量后均勻填裝入模擬土柱。作物根系圈深度小于40 cm，因此，當?shù)苁У酵寥?0 cm 深度時可認為發(fā)生氮淋失，故設(shè)計土柱時將土壤深度設(shè)為40 cm。PVC 管內(nèi)壁進行磨毛處理，避免邊際流產(chǎn)生。土柱上表面鋪設(shè)0.075 mm的尼龍布及2 cm 厚粒徑為1～2 mm 的石英砂，以保證降雨均勻并防止土層被破壞。淋溶裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 淋溶裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of leaching device

參考兩地年平均降雨量確定模擬降雨總量為600 mm，按P1、P2、P3 降雨強度降雨，達到模擬降雨總量（600 mm）需分別持續(xù)1 152、576、384 h。各處理累積降雨量達75、150、225、300、375、450、525、600 mm時分別收取淋溶液，并記錄各處理首次出現(xiàn)淋溶液時的累積降雨量。試驗于河南農(nóng)業(yè)大學煙草學院煙草栽培生理實驗室進行。

1.3 測定項目與方法

土壤基本理化性質(zhì)按常規(guī)方法[13-14]分析。取淋溶液樣后使用量筒測定淋溶液滲出量；用濃硫酸-水楊酸比色法測定淋溶液中硝態(tài)氮濃度；用酶標儀-靛酚藍比色法測定淋溶液中銨態(tài)氮濃度。其余指標按以下方法計算：

淋溶液滲出速率=淋溶液體積/降雨時間；硝態(tài)氮淋失量=淋溶液體積×硝態(tài)氮濃度；硝態(tài)氮淋失速率=硝態(tài)氮淋失量/降雨時間；銨態(tài)氮淋失量=淋溶液體積×銨態(tài)氮濃度；

銨態(tài)氮淋失速率=銨態(tài)氮淋失量/降雨時間；

礦質(zhì)氮淋失量=硝態(tài)氮淋失量+銨態(tài)氮淋失量；

土柱氮組分含量=土壤氮組分含量×土柱土壤填充量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2017、SPSS 25、Origin 2021軟件進行數(shù)據(jù)整理、統(tǒng)計分析及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同降雨強度對兩地植煙土壤水分滲出速率和滲出量的影響

兩地土壤在3個降雨強度下首次出現(xiàn)淋溶液時累積降雨量見圖2。由圖2 可知，首次出現(xiàn)淋溶液時的累積降雨量隨降雨強度增加呈降低趨勢。洱源縣土壤P2（1.04 mm/h）、P3（1.56 mm/h）降雨強度下累積降雨量相較于P1（0.52 mm/h）分別減少20.41%、23.57%，各降雨強度間均差異顯著；襄城縣土壤P2、P3 降雨強度下累積降雨量相較于P1 分別減少32.41%、40.17%。不同降雨強度首次出現(xiàn)淋溶液時累積降雨量始終為洱源土＞襄城土，P3 降雨強度下二者相差達44.93 mm。以上結(jié)果表明，降雨強度增大能夠降低土壤持水量，襄城縣土壤受降雨強度影響更明顯，而且洱源縣土壤相對襄城縣土壤具有較好的保水性。

圖2 不同模擬降雨強度下兩地植煙土壤首次出現(xiàn)淋溶液時累積降雨量Fig.2 Accumulated rainfall at the time of the first occurrence of leaching solution in the tobacco planting soil of two places under different simulated rainfall intensities

由圖3 可知，兩地土壤淋溶液滲出速率均表現(xiàn)為P3＞P2＞P1，其中，洱源縣、襄城縣土壤在P3 降雨強度下淋溶液滲出速率分別是P1 的4.14、3.49 倍，說明降雨強度的增加加速了土壤水分垂直下移，從而提高土壤淋溶液滲出速率，且土壤水分滲出速率增加倍數(shù)高于降雨強度增加倍數(shù)。不同土壤P1、P2、P3降雨強度下土壤淋溶液滲出速率均表現(xiàn)為襄城土＞洱源土，差異均顯著，且降雨強度升至P3 時，二者差異較P1、P2時小?？梢?，隨降雨強度增加，土壤差異對淋溶液滲出速率的影響減小。

圖3 不同模擬降雨強度下兩地植煙土壤淋溶液滲出速率Fig.3 Leaching rate of leaching solution from tobacco planting soil in two places under different simulated rainfall intensities

兩地土壤在3 個降雨強度下淋溶液滲出量見圖4?？偨涤炅肯嗤瑮l件下，植煙土壤淋溶液滲出量隨降雨強度增加呈上升趨勢。各降雨強度下淋溶液滲出量均表現(xiàn)為襄城土＞洱源土，二者差值隨降雨強度增加逐漸減小，P1降雨強度下二者相差達453.84 mL，而降雨強度升至P3 時二者相差最小。以上結(jié)果說明，降雨強度的增加不利于土壤對水分的吸附保持，導致土壤水分更易于垂直下滲流失。此外，就水分流失來看，洱源縣土壤對降雨強度變化的緩沖能力高于襄城縣土壤。

圖4 不同模擬降雨強度下兩地植煙土壤淋溶液滲出量Fig.4 Leaching amount of leaching solution from tobacco planting soil in two places under different simulated rainfall intensities

2.2 不同降雨強度對兩地植煙土壤硝態(tài)氮淋失的影響

2.2.1 不同降雨強度下硝態(tài)氮的淋失濃度及淋失量動態(tài)變化 不同處理硝態(tài)氮的淋失濃度及淋失量動態(tài)變化見表2。由表2 可知，硝態(tài)氮的淋失濃度及淋失量隨累積降雨量的增加大幅下降后趨于平穩(wěn)，而降雨強度對硝態(tài)氮的淋失濃度及淋失量的影響無明顯規(guī)律。此外，相同累積降雨量條件下，洱源縣土壤P2、P3降雨強度下先于P1出現(xiàn)氮淋失；襄城縣植煙土壤P3 降雨強度下先于P1、P2 出現(xiàn)氮淋失。以上結(jié)果表明，硝態(tài)氮大量淋失主要集中出現(xiàn)在淋溶初期，較低降雨強度能夠延緩植煙土壤氮淋失的發(fā)生。

表2 不同模擬降雨強度下兩地植煙土壤硝態(tài)氮的淋失濃度及淋失量動態(tài)變化Tab.2 Dynamic changes of nitrate nitrogen leaching concentration and amount in tobacco planting soils under different simulated rainfall intensities

續(xù)表2 不同模擬降雨強度下兩地植煙土壤硝態(tài)氮的淋失濃度及淋失量動態(tài)變化Tab.2（Continued）Dynamic changes of nitrate nitrogen leaching concentration and amount in tobacco planting soils under different simulated rainfall intensities

2.2.2 降雨強度對兩地土壤硝態(tài)氮淋失速率的影響 兩地土壤在3個降雨強度下硝態(tài)氮淋失速率見圖5。硝態(tài)氮淋失速率隨降雨強度增加呈顯著增加趨勢，P1 降雨強度下，兩地植煙土壤之間差異不顯著，隨降雨強度增加土壤間差異逐漸增大。與P1降雨強度相比，洱源縣土壤硝態(tài)氮淋失速率隨降雨強度增加分別增加145%、300%，襄城縣土壤分別增加120%、270%，說明較高降雨強度能夠顯著加速土壤硝態(tài)氮淋失，不利于土壤養(yǎng)分的保持。

圖5 不同模擬降雨強度下兩地植煙土壤硝態(tài)氮淋失速率Fig.5 Leaching rate of nitrate nitrogen from tobacco planting soils in two places under different simulated rainfall intensities

2.2.3降雨強度對兩地土壤硝態(tài)氮淋失量及占比的影響 兩地植煙土壤在3種降雨強度下硝態(tài)氮淋失量及占比見表3。由表3 可知，在相同降雨強度下，兩地植煙土壤硝態(tài)氮淋失量及淋失占比均隨降雨強度增加而增加。以上結(jié)果表明，降雨強度是影響土壤氮淋失的重要因素，較高降雨強度能夠加劇植煙土壤硝態(tài)氮淋失，且洱源縣植煙土壤硝態(tài)氮淋失風險高于襄城縣。此外，在P3 降雨強度條件下，洱源縣植煙土壤硝態(tài)氮淋失量高至167.90 mg，硝態(tài)氮淋失量均高于土柱本身硝態(tài)氮總量，這或許與不同種類土壤之間氮水平及微生物礦化相關(guān)。

表3 不同模擬降雨強度下兩地植煙土壤硝態(tài)氮淋失量及占比Tab.3 Amount and proportion of nitrate nitrogen leaching from tobacco planting soils in two places under different simulated rainfall intensities

2.3 不同降雨強度對兩地植煙土壤銨態(tài)氮淋失的影響

2.3.1 不同降雨強度下銨態(tài)氮的淋失濃度及淋失量動態(tài)變化 不同處理土壤銨態(tài)氮的淋失濃度及淋失量動態(tài)變化見表4。植煙土壤銨態(tài)氮的淋失濃度及淋失量隨累積降雨量增加整體呈緩慢下降趨勢，并且較高降雨強度下銨態(tài)氮淋失量及淋失濃度下降更為緩慢。整個淋失過程中銨態(tài)氮的淋失濃度及淋失量均表現(xiàn)為P3＞P2＞P1。以上結(jié)果說明，增大降雨強度能夠顯著增加植煙土壤銨態(tài)氮的淋失濃度及淋失量。此外，土壤差異也是影響銨態(tài)氮淋失動態(tài)變化的關(guān)鍵因素，洱源縣植煙土壤銨態(tài)氮淋失相對更為嚴重。

表4 不同模擬降雨強度下兩地植煙土壤銨態(tài)氮的淋失濃度及淋失量動態(tài)變化Tab.4 Dynamic changes of leaching concentration and amount of ammonium nitrogen in tobacco planting soil under different simulated rainfall intensities

2.3.2降雨強度對兩地土壤銨態(tài)氮淋失速率的影響 各處理銨態(tài)氮淋失速率見圖6。植煙土壤銨態(tài)氮淋失速率隨降雨強度增加呈顯著上升趨勢，并且相同降雨強度下洱源縣土壤銨態(tài)氮淋失速率顯著高于襄城縣土壤。說明降雨強度增加，能夠削減土壤對銨態(tài)氮的固持能力，從而加速銨態(tài)氮淋失；高含氮量土壤銨態(tài)氮淋失速率相對較高。

圖6 不同模擬降雨強度下兩地植煙土壤銨態(tài)氮淋失速率Fig.6 Ammonium nitrogen leaching rate of tobacco planting soil in two places under different simulated rainfall intensities

2.3.3降雨強度對兩地土壤銨態(tài)氮淋失量及占比的影響 各處理銨態(tài)氮淋失量及占比見表5。由表5 可知，兩地土壤銨態(tài)氮淋失量及淋失占比均隨降雨強度增加而顯著增加，并且洱源縣土壤銨態(tài)氮淋失量及淋失占比均顯著高于襄城縣植煙土壤，且在P3降雨強度條件下洱源縣植煙土壤銨態(tài)氮淋失量達31.39 mg。說明降雨強度增加能夠加劇銨態(tài)氮淋失，且襄城縣土壤對銨態(tài)氮具有較好的吸附能力。

表5不同模擬降雨強度下兩地植煙土壤銨態(tài)氮淋失量及淋失占比Tab.5 Amount and proportion of ammonium nitrogen leaching from tobacco planting soils in two places under different simulated rainfall intensities

2.4 不同降雨強度對兩地植煙土壤礦質(zhì)氮淋失總量及銨態(tài)氮、硝態(tài)氮淋失占比的影響

不同處理礦質(zhì)氮淋失總量見圖7。礦質(zhì)氮包括硝態(tài)氮和銨態(tài)氮，洱源縣土壤P1、P2、P3 降雨強度下硝態(tài)氮淋失占比依次為89%、89%、84%，襄城縣土壤P1、P2、P3 降雨強度下硝態(tài)氮淋失占比依次為97%、94%、89%。不同降雨強度下，洱源縣土壤礦質(zhì)氮淋失量均高于襄城縣土壤。此外，洱源縣土壤礦質(zhì)氮淋失量平均占土柱總氮含量的1.84%，占土柱堿解氮含量的 45.47%；襄城縣土壤礦質(zhì)氮淋失量平均占土壤殘留總氮的2.18%，占殘留堿解氮的54.95%。

圖7 不同模擬降雨強度下兩地植煙土壤礦質(zhì)氮淋失總量Fig.7 Total amount of mineral nitrogen leaching from tobacco planting soils in two places under different simulated rainfall intensities

結(jié)果表明，隨降雨強度增加，礦質(zhì)氮淋失量顯著增加，而硝態(tài)氮作為主要的淋失礦質(zhì)氮組分，隨降雨強度增加淋失占比略有降低，兩地平均占比為90%。雖然不同降雨強度下洱源縣土壤氮淋失量均高于襄城縣土壤，但礦質(zhì)氮淋失占土壤總氮及堿解氮的比值卻均低于襄城縣土壤，這或與洱源縣土壤總氮及堿解氮含量均高于襄城縣土壤有關(guān)。

3 結(jié)論與討論

土壤氮的大量淋失及在地下水或地表河流和湖泊中的聚集，除危害生態(tài)環(huán)境安全、導致大量肥料資源浪費之外，還對人體健康造成威脅[15]。不同地區(qū)土壤特性不一，對水肥的吸附和固定能力也有差異[16]。本研究中，較高降雨強度顯著削減了土壤持水量，這與高海鷹等[17]的研究結(jié)果相一致。這可能是因為降雨強度大時，水分隨土壤大孔隙迅速向下遷移，來不及進入較小孔隙，導致土柱底端較早出現(xiàn)淋溶液。而在相同降雨強度下，兩地土壤水分保持量間的顯著差異，或與土壤質(zhì)地及土壤特性相關(guān)。研究表明，土壤質(zhì)地決定了土壤的孔隙狀況以及吸附能力，從而決定土壤的持水能力及土壤有效水分含量，質(zhì)地越黏重的土質(zhì)，水分保持能力越強[18]。本研究中，滇西典型植煙土壤（洱源土）為壤土，相對豫中砂壤土（襄城土）來說較為黏重，因此，滇西洱源縣土壤持水量較大、水分滲出量及滲出速率較低。此外，滇西地區(qū)植煙土壤中有機質(zhì)含量普遍較高，這或許對提高土壤持水量有一定貢獻[19]。

隨降雨強度增加，植煙土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮淋失量及淋失速率均呈上升趨勢，這與齊栓旺[20]的研究結(jié)果相一致，這或許是因為高降雨強度下，水分垂直移動速度快，對土壤沖刷力度強，導致氮更易淋失。降雨強度為1.56 mm/h 時，洱源縣土壤硝態(tài)氮淋失總量高達167.90 mg，銨態(tài)氮淋失總量達31.39 mg，說明田間土壤氮淋失是地下水及地表河流湖泊水體污染的重要來源，且氮淋失形態(tài)以硝態(tài)氮為主，以上結(jié)果與劉明鵬等[21]的研究結(jié)果一致。植煙土壤硝態(tài)氮的淋失濃度及淋失量遠高于銨態(tài)氮，這或許是因為土壤膠體顆粒通常以帶負電荷為主，對帶正電荷的銨態(tài)氮具有較強的吸附固定能力，而對帶負電荷的硝態(tài)氮具有一定的排斥作用，導致硝態(tài)氮更易于脫離土壤并隨水分遷移[22]。本研究結(jié)果表明，土壤硝態(tài)氮的淋失濃度受降雨強度影響規(guī)律不明顯，并且各個降雨強度下滇西洱源縣土壤氮的淋失濃度及淋失量明顯高于豫中襄城縣土壤，這也說明相較于降雨強度，或許土壤差異對土壤氮的淋失濃度及淋失量起到更關(guān)鍵的作用，洱源縣土壤氮含量高于襄城縣土壤，因而氮的淋失濃度高于襄城縣。此外，土壤氮淋失集中在淋溶初期，隨降雨量增加氮的淋失濃度和淋失量均呈下降趨勢，這與何松等[23]的研究結(jié)果較一致，表明隨降雨量增加，土壤游離硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量逐漸降低，淋失量也逐漸下降。綜上，植煙土壤氮淋失受降雨強度、土壤質(zhì)地及土壤殘留氮含量等因素綜合影響。

本研究結(jié)果表明，高降雨強度會削減土壤持水量。與豫中相比，滇西地區(qū)植煙土壤持水量較高。氮淋失集中在淋溶初期，硝態(tài)氮的淋失濃度及淋失量下降迅速，銨態(tài)氮下降較緩慢。植煙土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮淋失總量及淋失速率隨降雨強度增加而增加，淋失形態(tài)以硝態(tài)氮為主，兩地平均占比90%，土壤硝態(tài)氮的淋失濃度受降雨強度影響不明顯，受土壤殘留氮含量影響較顯著。滇西地區(qū)植煙土壤氮淋失量及淋失速率均高于豫中，氮淋失污染風險較高。