有機(jī)肥種類(lèi)及施用比例對(duì)云南洱海煙區(qū)植煙土壤氮淋失的影響

王 閣，趙園園，韋建玉，王德勛，王 政，陳永建，史宏志*

1. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院煙草農(nóng)業(yè)減害中心，鄭州市鄭東新區(qū)平安大道218 號(hào) 450046

2. 廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，南寧市北湖南路28 號(hào) 530001

3. 云南省煙草公司大理州公司，云南省大理市鶴慶路71 號(hào) 671000

烤煙對(duì)氮素的需求量較大，施用氮肥可促進(jìn)煙株生長(zhǎng)發(fā)育和提高煙葉產(chǎn)質(zhì)量［1］。然而，在烤煙生產(chǎn)中，施用化肥過(guò)量導(dǎo)致的土壤板結(jié)、酸化和有機(jī)質(zhì)含量下降等問(wèn)題較為普遍。殘留在土壤中未被利用的氮素，有40%～50%通過(guò)徑流和淋溶進(jìn)入地下水及河流湖泊，造成了農(nóng)業(yè)面源污染、水體富營(yíng)養(yǎng)化，對(duì)生態(tài)環(huán)境安全構(gòu)成了較大威脅［2-4］。

云南省洱海流域是我國(guó)典型清香型烤煙產(chǎn)區(qū)，生態(tài)條件優(yōu)越，所產(chǎn)煙葉深受卷煙工業(yè)企業(yè)的青睞。但洱海煙區(qū)降雨強(qiáng)度高，降雨量大，且植煙土壤質(zhì)地疏松，因此具有較高的氮素淋失風(fēng)險(xiǎn)［5］。洱海作為我國(guó)云貴高原第二大淡水湖泊，對(duì)當(dāng)?shù)貧夂蛘{(diào)節(jié)及旅游業(yè)發(fā)展具有重要意義。近年來(lái)，洱海水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題引發(fā)關(guān)注，洱海水體治理十分必要。有研究表明，來(lái)源于農(nóng)田土壤流失的可溶性氮是洱海水體中一類(lèi)重要無(wú)機(jī)污染物，污染指數(shù)占比22.37%［6-7］。因此，阻控洱海流域農(nóng)田土壤氮淋失是洱海水污染綜合治理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

土壤氮淋失受到降雨、施肥及種植方式等多種因素的影響［8-9］。周詠春等［10］研究發(fā)現(xiàn)，在土壤中施加生物炭可提高土壤氮素的固持能力，減少土壤氮素的淋失。劉曉彤等［11］提出，添加秸稈能夠降低土壤硝態(tài)氮的累積和淋失，降低農(nóng)田土壤面源污染的風(fēng)險(xiǎn)。然而，不同有機(jī)肥對(duì)土壤氮淋失的減控效果存在較大差異，有機(jī)肥施用比例與土壤氮淋失之間的關(guān)系也鮮見(jiàn)報(bào)道。此外，我國(guó)關(guān)于土壤氮淋失的研究主要集中在糧食作物的種植上［12-14］，對(duì)植煙土壤氮淋失的研究相對(duì)較少?；诖耍x取洱海煙區(qū)植煙土壤以及我國(guó)烤煙生產(chǎn)中典型應(yīng)用的有機(jī)肥種類(lèi)，設(shè)置室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)，比較不同種類(lèi)有機(jī)肥對(duì)植煙土壤氮淋失的減控效果，分析有機(jī)肥施用比例與植煙土壤氮淋失之間的關(guān)系，旨在為降低植煙土壤氮淋失、促進(jìn)煙草農(nóng)業(yè)的綠色發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2022 年10—12 月在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草農(nóng)業(yè)減害中心進(jìn)行。供試土壤為云南省大理州洱源縣鳳羽鎮(zhèn)（26.11°N，99.95°E）煙區(qū)0～40 cm 土層土壤，新鮮土樣剔除根莖石塊等雜物風(fēng)干后備用。供試混合型有機(jī)肥（油枯、畜禽糞便等）由云南省煙草公司提供；生物炭肥由貴州省煙草公司畢節(jié)市公司提供；芝麻餅肥由河南省煙草公司南陽(yáng)市公司提供，見(jiàn)表1。供試化肥為15N 標(biāo)記硝酸鉀（純度≥98.5%，豐度10%）由上海麥克林生化科技有限公司生產(chǎn)。土壤理化性狀指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 供試有機(jī)肥肥力指標(biāo)Tab.1 Fertility indexes of organic fertilizers tested（g·kg-1）

表2 供試植煙土壤理化指標(biāo)Tab.2 Physicochemical indexes of tobacco growing soil tested

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(kāi)直徑2 cm 的圓孔連接5 cm 長(zhǎng)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(chēng)量后均勻填裝入模擬土柱，土壤填充量4.05 kg/柱。作物根系圈深度一般小于40 cm［15］，因此，當(dāng)?shù)苁У酵寥?0 cm 深度時(shí)可認(rèn)為發(fā)生氮淋失，故設(shè)計(jì)土柱時(shí)將土壤深度設(shè)為40 cm。PVC 管內(nèi)壁進(jìn)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 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，土柱模擬裝置如圖1所示。參考云南當(dāng)?shù)厥┓蕵?biāo)準(zhǔn)，總施氮量設(shè)定90 kg/hm2，不同有機(jī)肥替代化肥比例設(shè)定為30%［12］，N∶P2O5∶K2O=10∶10∶24。等施氮量條件下施用水溶性硫酸鉀及過(guò)磷酸鈣（P2O5含量12%）進(jìn)行鉀肥及磷肥補(bǔ)充，試驗(yàn)處理設(shè)置見(jiàn)表3。

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

表3 試驗(yàn)處理①Tab.3 Experimental design

將有機(jī)肥與土壤充分混勻后填充土柱，將化肥溶于200 mL 去離子水澆灌至土柱表層，靜置1 周后開(kāi)始淋溶。參考云南省大理州單日最大降雨量設(shè)定每次每柱模擬降雨量為80 mm（628 mL），降雨強(qiáng)度3.33 mm/h，持續(xù)24 h，間歇24 h 后進(jìn)行下一次淋洗。第1 次出現(xiàn)淋溶液時(shí)記為第1 次取樣，共取樣5 次。在每次淋洗結(jié)束后收集淋溶液過(guò)濾、測(cè)量體積后4 ℃保存檢測(cè)硝態(tài)氮、銨態(tài)氮及15Nδ值。淋溶試驗(yàn)結(jié)束后取土柱土壤烘干研磨保存檢測(cè)硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量。每處理重復(fù)3次。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

采用常規(guī)方法分析土壤基本理化性質(zhì)［16］。采用量筒測(cè)定淋溶液滲出量，采用濃硫酸-水楊酸比色法測(cè)定淋溶液中硝態(tài)氮質(zhì)量濃度，采用酶標(biāo)儀-靛酚藍(lán)比色法［17］測(cè)定銨態(tài)氮質(zhì)量濃度。淋溶液中總氮同位素比值R（15N/14N）使用總有機(jī)碳分析儀（iso TOC CUBE，Elementar 公司）-穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀（ISOPRIME100，Elementar 公司）聯(lián)機(jī)測(cè)定。15Nδ值是樣品的同位素比值（Rsq）相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)同位素比值（Rst）的千分差，其值大小表示樣品的同位素成分相對(duì)含量，用于比較化肥源氮淋失的多少，計(jì)算公式：

其他指標(biāo)計(jì)算公式：

硝態(tài)氮淋失量=淋溶液體積×硝態(tài)氮質(zhì)量濃度 （2）

銨態(tài)氮淋失量=淋溶液體積×銨態(tài)氮質(zhì)量濃度 （3）

礦質(zhì)氮淋失量=硝態(tài)氮淋失量+銨態(tài)氮淋失量 （4）

礦質(zhì)氮總量=礦質(zhì)氮淋失量+土壤礦質(zhì)氮?dú)埩袅?（5）

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2017、IBM SPSS 25、Origin 2021 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、統(tǒng)計(jì)分析及繪圖，采用LSD 法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同有機(jī)肥對(duì)植煙土壤氮淋失的影響

2.1.1 硝態(tài)氮淋失

由表4可知，不同處理間硝態(tài)氮淋失質(zhì)量濃度存在顯著差異。隨取樣次數(shù)增加，硝態(tài)氮淋失質(zhì)量濃度逐漸降低，純施化肥植煙土壤硝態(tài)氮淋失質(zhì)量濃度明顯高于有機(jī)肥替代處理。硝態(tài)氮淋失質(zhì)量濃度整體呈現(xiàn)純化肥>混合型有機(jī)肥>芝麻餅肥>生物炭肥規(guī)律。至取樣結(jié)束混合型有機(jī)肥、生物炭肥及芝麻餅肥處理硝態(tài)氮平均淋失質(zhì)量濃度與對(duì)照相比分別降低23.11%、34.22%和31.34%。硝態(tài)氮淋失量變化規(guī)律與硝態(tài)氮淋失質(zhì)量濃度一致，純施化肥處理硝態(tài)氮淋失量顯著高于有機(jī)肥替代處理，3種有機(jī)肥施用處理之間呈混合型有機(jī)肥>芝麻餅肥>生物炭肥規(guī)律。至取樣結(jié)束混合型有機(jī)肥、生物炭肥及芝麻餅肥處理硝態(tài)淋失量與對(duì)照相比分別降低22.01%、32.59%和30.02%。

表4 不同有機(jī)肥處理植煙土壤硝態(tài)氮淋失質(zhì)量濃度及淋失量①Tab.4 Concentration and amount of nitrate nitrogen leaching loss from tobacco growing soil under different organic fertilizer treatments

2.1.2 銨態(tài)氮淋失

各處理銨態(tài)氮淋失質(zhì)量濃度及淋失量見(jiàn)表5。第1 次取樣各施肥處理間銨態(tài)氮淋失質(zhì)量濃度差異較小，第2、3 次取樣，純施化肥處理銨態(tài)氮淋失質(zhì)量濃度明顯高于其他處理。不同有機(jī)肥施用處理之間差異不顯著。至取樣結(jié)束，生物炭肥處理植煙土壤銨態(tài)氮平均淋失質(zhì)量濃度低于其他處理并顯著低于純化肥施用處理。由表5 可知，在4 個(gè)處理中，銨態(tài)氮淋失量純化肥處理高于3 種有機(jī)肥施用處理平均值7.18%。各處理之間銨態(tài)氮淋失總量差異不大，混合型有機(jī)肥處理與芝麻餅肥處理相近，生物炭肥處理略低于前兩者。

表5 不同有機(jī)肥處理植煙土壤銨態(tài)氮淋失質(zhì)量濃度及淋失量Tab.5 Concentration and amount of ammonium nitrogen leaching loss from tobacco growing soil under different organic fertilizer treatments

2.1.3 化肥源氮淋失

各處理淋溶液15Nδ值如表6 所示。由表6 中可見(jiàn)4 種施肥處理5 個(gè)取樣時(shí)期淋溶液15Nδ值均呈化肥純施>混合型有機(jī)肥>芝麻餅肥>生物炭肥規(guī)律。與純施化肥相比，混合型有機(jī)肥、生物炭肥和芝麻餅肥處理淋溶液15Nδ值分別降低35.16%、41.17% 和37.19%，均大于有機(jī)氮施用比例30%。表明施用有機(jī)肥能夠阻控植煙土壤化肥源氮淋失，生物炭肥效果較優(yōu)。

表6 不同有機(jī)肥處理植煙土壤淋溶液15N δ值Tab.615N δ value of leaching solution for tobacco growing soil under different organic fertilizer treatments

2.1.4 礦質(zhì)氮淋失量及淋失占比

表7結(jié)果表明，相同施氮量條件下不同施肥處理土壤礦質(zhì)氮含量存在差異。施用有機(jī)肥處理土壤礦質(zhì)氮含量顯著低于純化肥使用處理，呈純化肥>混合型有機(jī)肥>芝麻餅肥>生物炭肥規(guī)律。礦質(zhì)氮淋失量及淋失占比與礦質(zhì)氮總量規(guī)律一致。有機(jī)肥替代化肥處理礦質(zhì)氮淋失量顯著低于純化肥施用。與純化肥施用相比，混合型有機(jī)肥、生物炭肥、芝麻餅肥施用處理礦質(zhì)氮淋失量分別降低15.58%、25.73%和22.90%，礦質(zhì)氮淋失占比分別降低3.46、6.00 和5.11百分點(diǎn)。表明相同施氮量條件下，施用有機(jī)肥能夠顯著降低植煙土壤礦質(zhì)氮積累及淋失量，生物炭肥對(duì)植煙土壤礦質(zhì)氮淋失減控效果較好。

表7 不同有機(jī)肥處理植煙土壤礦質(zhì)氮淋失量及淋失占比Tab.7 Amount and percentage of mineral nitrogen leaching loss from tobacco growing soil under different organic fertilizer treatments

2.2 有機(jī)肥施用比例對(duì)植煙土壤氮淋失的影響

2.2.1 硝態(tài)氮淋失

不同有機(jī)肥施用比例條件下植煙土壤硝態(tài)氮淋失質(zhì)量濃度及淋失量見(jiàn)表8。隨取樣次數(shù)增加，植煙土壤硝態(tài)氮淋失質(zhì)量濃度逐漸降低，隨有機(jī)肥施用比例提高，植煙土壤硝態(tài)氮淋失質(zhì)量濃度及淋失量呈降低趨勢(shì)。不同有機(jī)肥施用比例之間平均硝態(tài)氮淋失質(zhì)量濃度及硝態(tài)氮淋失總量差異達(dá)到顯著水平。相較于純施化肥，有機(jī)肥100%施用處理硝態(tài)氮平均淋失質(zhì)量濃度降低49.48%。對(duì)不同有機(jī)肥施用比例條件下硝態(tài)氮淋失質(zhì)量濃度的線性擬合方程見(jiàn)圖2，R2=0.974 6，擬合度較高。由表8 可知，硝態(tài)氮淋失量變化規(guī)律與淋失質(zhì)量濃度相一致。相較于純施化肥，有機(jī)肥100%施用硝態(tài)氮平均淋失量降低51.14%。對(duì)不同有機(jī)肥施用比例條件下硝態(tài)氮淋失量的線性擬合方程見(jiàn)圖2，R2=0.971 1，擬合度較高。可知，隨著有機(jī)肥施用比例的提高植煙土壤硝態(tài)氮淋失量顯著降低，二者之間呈線性負(fù)相關(guān)。

圖2 有機(jī)肥施用比例與硝態(tài)氮淋失質(zhì)量濃度及淋失量擬合曲線Fig.2 Fitting curves for organic fertilizer application rate and nitrate nitrogen leaching loss concentration and amount

表8 不同有機(jī)肥施用比例條件下植煙土壤硝態(tài)氮淋失質(zhì)量濃度及淋失量Tab.8 Concentration and amount of nitrate nitrogen leaching loss from tobacco growing soil at different application rates of organic fertilizers

2.2.2 銨態(tài)氮淋失

不同有機(jī)肥施用比例條件下植煙土壤銨態(tài)氮淋失質(zhì)量濃度及淋失量見(jiàn)表9。第1 次取樣各處理銨態(tài)氮淋失質(zhì)量濃度無(wú)明顯變化規(guī)律，第2～3次取樣隨有機(jī)肥施用比例提升，植煙土壤銨態(tài)氮淋失質(zhì)量濃度及淋失量略有下降，第5次取樣銨態(tài)氮淋失質(zhì)量濃度趨于平穩(wěn)。植煙土壤銨態(tài)氮淋失質(zhì)量濃度隨有機(jī)肥施用比例提高略有下降，但25%～75%有機(jī)肥施用比例處理之間差異不顯著。由表9可知，各處理銨態(tài)氮淋失量之間差異較小，隨有機(jī)肥施用比例提升，銨態(tài)氮淋失總量緩慢下降。相較于純施化肥處理，有機(jī)肥100%施用處理銨態(tài)氮淋失量降低22.88%。由結(jié)果可知，與硝態(tài)氮淋失相比，銨態(tài)氮淋失變化幅度較小，有機(jī)肥施用比例提高有助于降低植煙土壤銨態(tài)氮淋失質(zhì)量濃度及淋失總量。

表9 不同有機(jī)肥施用比例條件下植煙土壤銨態(tài)氮淋失質(zhì)量濃度及淋失量Tab.9 Concentration and amount of ammonium nitrogen leaching loss from tobacco growing soil at different application rates of organic fertilizers

2.2.3 礦質(zhì)氮淋失量及淋失占比

不同有機(jī)肥施用比例條件下植煙土壤礦質(zhì)氮總量及淋失占比見(jiàn)表10。隨有機(jī)肥施用比例的提高，植煙土壤礦質(zhì)氮總量呈下降趨勢(shì)，且各處理之間差異達(dá)到顯著水平。隨有機(jī)肥施用比例提升，礦質(zhì)氮淋失量顯著下降。與純施化肥處理相比，有機(jī)肥100%施用處理礦質(zhì)氮淋失量降低34.47%。對(duì)有機(jī)肥施用比例與礦質(zhì)氮淋失量的線性方程擬合見(jiàn)圖3，R2=0.997 5，擬合度高。隨有機(jī)肥施用比例提升，礦質(zhì)氮淋失占比略有下降，有機(jī)肥100%施用處理礦質(zhì)氮淋失占比與純化肥施用處理差異顯著，其余處理之間差異不顯著?？芍?，植煙土壤有機(jī)肥施用比例與植煙土壤礦質(zhì)氮淋失量之間呈二項(xiàng)式相關(guān)，有機(jī)肥施用比例提高有助于降低植煙土壤礦質(zhì)氮積累及淋失。

圖3 有機(jī)肥施用比例與礦質(zhì)氮淋失量擬合曲線Fig.3 Fitting curve for organic fertilizer application rate and mineral nitrogen leaching amount

表10 不同有機(jī)肥施用比例條件下植煙土壤礦質(zhì)氮淋失量及淋失占比Tab.10 Amount and percentage of ammonium nitrogen leaching loss from tobacco growing soil at different application rates of organic fertilizers

3 討論

土壤氮的大量淋失對(duì)生態(tài)資源利用、環(huán)境安全和人體健康均產(chǎn)生不利影響［18］。本研究中發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥替代普通化肥施用可顯著降低植煙土壤礦質(zhì)氮累積及淋失，與滕穎［19］、朱士江［20］等的研究結(jié)果相一致。由于大部分帶正電荷的銨態(tài)氮易被帶負(fù)電荷的土壤膠體顆粒吸附固定，因此帶負(fù)電荷的硝態(tài)氮是土壤礦質(zhì)氮淋失的主要形態(tài)［3］。有機(jī)肥中氮素多以有機(jī)氮形態(tài)存在，施入土壤之后，有機(jī)氮可通過(guò)微生物介導(dǎo)的礦化作用轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，后通過(guò)硝化細(xì)菌介導(dǎo)的硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮［21-22］。此轉(zhuǎn)化過(guò)程相對(duì)緩慢，避免了土壤中硝態(tài)氮的大量累積，有助于降低植煙土壤氮淋失風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，有機(jī)肥可為土壤微生物繁殖提供有機(jī)碳源，促進(jìn)微生物對(duì)土壤氮素的吸收、固定及利用［23-25］，降低植煙土壤礦質(zhì)氮淋失。

本研究中通過(guò)15N 標(biāo)記化肥氮發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥施用能夠降低化肥源氮的淋失。這可能是由于有機(jī)氮肥中含有大量有機(jī)質(zhì)，可增加土壤對(duì)無(wú)機(jī)氮的吸附與固定能力［26］。不同種類(lèi)有機(jī)肥對(duì)土壤氮淋失阻控效果不一，這可能是有機(jī)肥自身性質(zhì)的差異所導(dǎo)致的。生物炭是一種具有多孔特性、高芳香化、富含碳元素的難熔性固態(tài)高聚產(chǎn)物，一般由含碳量較豐富的生物質(zhì)在相對(duì)較低的溫度（300～700 ℃）熱解而得到［27］。在本試驗(yàn)中，生物炭肥對(duì)植煙土壤氮淋失減控效果較為顯著，這可能與生物炭對(duì)無(wú)機(jī)氮離子具有極強(qiáng)吸附固定作用有關(guān)［10］。另外，劉威等［28］研究表明，相比于其他有機(jī)肥種類(lèi)，生物炭有機(jī)肥在施用前期氮素礦化速度較慢，土壤礦質(zhì)氮補(bǔ)充較少，這可能也會(huì)影響到土壤中氮的淋失。

本研究中還發(fā)現(xiàn)，隨有機(jī)肥施用比例增加，土壤氮淋失質(zhì)量濃度及淋失量顯著下降。這與王琦等［29］的研究結(jié)果相似。王琦等［29］對(duì)施用不同比例有機(jī)肥后土壤對(duì)無(wú)機(jī)氮吸附效果的研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥全替代化肥處理后土壤對(duì)無(wú)機(jī)氮吸附量大幅提升，有機(jī)肥施用后土壤顆粒表面電荷性質(zhì)的變化和氮循環(huán)微生物活性的增加，促進(jìn)了土壤對(duì)無(wú)機(jī)氮的吸附、固定和生物同化作用，從而降低了礦質(zhì)氮的流失。另有研究表明，化肥施用會(huì)降低土壤中細(xì)菌群落的豐富度，從而減弱微生物對(duì)氮的固存能力［30］。這可能是導(dǎo)致植煙土壤氮淋失量隨有機(jī)肥替代化肥施用比例提高而降低的因素之一。雖然增加有機(jī)肥施用比例可減少氮素淋失，但在相同施氮水平條件下，也會(huì)影響植煙土壤中有效氮的供應(yīng)和煙株對(duì)氮素的吸收利用。因此，關(guān)于有機(jī)氮肥施用對(duì)煙株氮素吸收利用和煙葉產(chǎn)質(zhì)量的影響還需進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

有機(jī)肥替代化肥可顯著減少洱海煙區(qū)植煙土壤氮素淋失，且對(duì)硝態(tài)氮淋失減控效果更為顯著。生物炭肥對(duì)植煙土壤氮淋失減控效果較優(yōu)，芝麻餅肥其次。有機(jī)肥施用比例與植煙土壤氮淋失質(zhì)量濃度及淋失量之間呈負(fù)相關(guān)，有機(jī)肥施用比例增加有助于降低植煙土壤礦質(zhì)氮累積及淋失量、降低洱海煙區(qū)植煙土壤氮淋失污染風(fēng)險(xiǎn)。