雨养烟叶种植田无机氮淋溶特征

刘青丽，邹 焱，李志宏，蒋雨洲，朱经伟，石俊雄，陈 曦，张云贵※

（1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/烟草行业生态环境与烟叶质量重点实验室，北京 100081；2. 贵州省烟草科学研究院，贵阳 550081）

0 引 言

淋溶是土壤氮损失的重要途径，施入农田中的氮肥约有5%～41.9%通过淋溶进入地下水[1]，这不仅造成了农田土壤氮素损失，也对生态环境带来危害。烟草是中国重要的经济作物，贵州是中国的第二大烟叶产区，2018年种植面积达到了133 906.7 hm2，因此研究烟田土壤氮素淋溶特征对氮素淋溶的阻控和农田的可持续发展具有重要意义。不同作物因根系发育与分布不同，导致其对土壤中水分和养分的吸收利用能力不同，从而使氮素在土壤中的运移、累积和淋洗受到了很大影响[2]。烤烟是叶用经济作物，其根系分布及养分吸收不同于大田作物，有可能导致烟田氮素淋失与作物和蔬菜不同。且农田氮素淋失受降雨、灌溉、施肥、种植模式、土壤类型、等多种因素的影响[3-5]。前人研究了不同肥料配比[6]、施肥方式[7-8]、土壤类型[9-10]、生物炭等对烟田氮素淋溶的影响，但这些研究多是模拟试验[11]、盆栽试验[7,12]或1 a 大田试验[8]，对常规管理下氮素的淋溶研究鲜有涉及。因此，本研究采用多年定位试验，研究贵州雨养农业区烟叶种植田无机氮淋溶特征，探索烟田无机氮淋溶的阻控策略。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

于2015—2017 年在贵州省贵阳市开阳县龙岗镇进行长期定位试验（107°06′40″E，26°52′24″N）。该定位试验开始于2008 年，土壤类型为黄壤，土壤质地为粉（沙）质壤土，其砂粒、粉粒、黏粒的质量分数分别为26.02%、61.37%、12.61%，试验地相对平坦。2015 年土壤基本性状如表1 所示。此区无霜期240～265 d，年平均气温 13.5 ～14.6 ℃，年日照时数 948.2 ～1 084.8 h，平均降雨量1 129.9～1 205.9 mm。2015—2017 年温度和降水如图1 所示。

1.2 试验设计及过程

定位试验涉及2 种种植制度：1）轮作：烤烟（4月—9 月）—冬闲（10 月—4 月）—玉米（4 月—9 月）；2）连作：烤烟（4 月—9 月）—冬闲（10 月—4 月）—烤烟（4 月—9 月），因此试验将选择的地块平均分成2块（1 号地和2 号地），用于轮作和烤烟或玉米连作，小区面积，小区分布如图2 所示。

表1 龙岗长期定位试验土壤化学性状 Table 1 Soil chemical properties in long-term positioning experiment in Longgang

图1 试验区2015—2017 年气温和降雨 Fig.1 Air temperature and rainfall in the experiment area from 2015 to 2017

本研究选择5 个处理，包括不施任何肥料（CK）、化肥（NPK）、化肥＋厩肥（NPK+M）、化肥+连作（NPK+L）、化肥＋生物有机肥（NPK+BM），具体施肥量见表 2。基肥用烤烟专用复混肥（N-P2O5-K2O：10-10-25）、过磷酸钙（P2O5为14%，质量分数，下同）和硫酸钾（K2O 51%）；厩肥为腐熟牛粪7 500 kg/hm2（N 1.4%、P2O50.4%、K2O 2.1%、有机质15.5%）；生物有机肥为南京农业大学提供750 kg/hm2（N 2.6%、P2O52.2%、K2O 2.8%、有机质45.2%）。磷肥、厩肥和生物有机肥在基肥中一次性施入，追肥施用硝酸铵（含N 35%）和硫酸钾（含K2O 51%），基肥采用条施、追肥采用穴施。

图2 定位试验小区布置示意图 Fig.2 Sketch of plots layouts in long-term positioning experiment

供试烤烟品种为 K326，移栽密度为 110 cm× 55 cm，每个小区8 垄，栽培烤烟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月底烤烟采收结束。2016 年，5 月3 日施基肥，5 月4日移栽，6 月1 日施追肥，烤烟9 月中旬采收结束。2017 年，4 月18 日施基肥，4 月24 日移栽，5 月31日追肥，烤烟9 月上旬采收结束。整个烤烟生长季仅移栽时浇定根水（约500 mL），其他时期均无人工灌溉。其他田间管理制度，按照烤烟田间耕作栽培制度进行。

表2 不同处理烟田施肥量 Table 2 Fertilizer application rates of tobacco fields in different treatments

1.3 样品采集与测试

淋溶装置如图3 所示，2015 年2 月将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铺垫，按自然土壤发生层次和容重分层装土，尽量不破坏土体垂直结构，形成小型淋溶池，利用抽气泵抽气产生负压提取淋溶水。为了避免田间的农艺操作对安装地下的淋溶装置产生影响，试验小区均采用人工进行农艺操作。为了降低土壤扰动对淋溶的影响，2015年2—4 月淋溶液扔掉，从2015 年5 月开始收集淋溶液，烤烟生长季每月收集1 次，冬闲（10 月—次年4 月）根据降雨量进行收集。收集前将水样尽量混匀，测量淋溶液体积，采集水溶液100 mL，并将淋溶液采集桶中的水排空。收集到的水样立即送实验室冷冻保存，采用连续流动注射分析仪（TRAACA-2000，德国产）测定滤液中的总氮、NH4+-N、NO3--N 含量。

图3 土壤淋溶液收集装置 Fig.3 Device of soil leaching solution collection

1.4 计算和数据分析方法

淋溶液无机氮含量（MinN，mg/L）=硝态氮含量+铵态氮含量；

淋溶液有机氮含量（TON，mg/L）= 总氮（TN）-MinN

净氮淋溶率（%）=（施氮处理无机氮量淋溶量-不施氮处理无机氮量淋溶量）/施氮量×100%

表观氮淋溶率（%）= 施氮处理无机氮量淋溶量/施氮量×100%

土壤水渗漏量（L/m2）= 每次收集淋溶液累加量

试验数据经EXCEL 2013 整理后作图，并用SPSS 20.0 软件对数据进行统计分析，显著性检验均采用Duncan 多重比较法（α=0.05）。

2 结果与分析

2.1 烟田淋溶液中氮素形态

2015 年烤烟生长季淋溶氮总量为 11.05 ～15.64 kg/hm2（图4a），其中无机氮为3.06～5.14 kg/hm2，占氮素淋失总量的27.82%～33.39%，平均为29.83%；有机氮为7.53～10.05 kg/hm2，占氮素淋溶损失的66.61%～72.18%，由此可见烟田淋溶液中氮素形态主要是有机态。不同时期淋溶液组成略有差异（图4b），缓苗期和旺长期（5—6 月）淋溶液中无机氮比例高于烤烟成熟期（7—8 月），前者无机氮比例平均33.00%，后者其平均为26.67%。从不同处理来看，5—6 月，施肥处理无机氮比例显著高于CK（P＜0.05），但有机无机配施处理（NPK+M、NPK+BM）淋溶液中无机氮比例与单施化肥处理差异不显著（P ＞0.05）；而7—8 月所有处理淋溶液无机氮比例差异均不显著（P ＞0.05），表明施用氮肥提高了烤烟生长前期淋溶液中无机氮比例，而有机肥与种植制度对淋溶液中氮素组成影响不显著。

图4 2015 年烟田淋溶液中氮素形态 Fig.4 Nitrogen forms in leaching solution of tobacco field in 2015

2.2 无机氮淋溶损失

2.2.1 无机氮淋溶损失量

对3 a 数据做平均，各处理无机氮年平均淋失量如图5a 所示。各处理中以CK 处理无机氮淋溶损失最低，平均为3.62 kg/hm2；NPK 处理平均为6.08 kg/hm2，显著高于CK（P＜0.05），表明施用化肥增加了氮素的淋溶损失。与NPK 处理相比，NPK+BM 处理无机氮淋溶量降低39.44%；NPK+M 低于NPK 处理，但两者差异不显著（P＞0.05）。从烤烟生长季的氮淋失来看（图5b），各处理平均淋溶氮量由低到高依次为 NPK+BM、CK、NPK+L、NPK+M、NPK，与全年变化趋势基本一致。由此可见，在相同耕作条件下，有机肥的施用有利于降低无机氮淋溶损失。

图5 烟田土壤无机氮淋溶损失量箱图 Fig.5 Box charts of leaching loss of inorganic nitrogen in tobacco field soils

2.2.2 不同时期无机氮淋溶损失动态

无机氮淋溶损失主要发生在烤烟生长季。2015—2017 年数据统计分析显示（图6），生长季无机氮淋溶量平均占全年的73.37%，而休闲期（9 月—次年4月）无机氮损失量仅占全年的26.63%。生长季中又以缓苗期（5 月）和旺长期（6 月）无机氮淋溶量最高，二者占淋溶总量的40.33%～65.86%，是无机氮淋溶损失的主要时期。从不同处理来看，施肥处理生长季无机氮淋溶损失比例均低于对照（CK），连作（NPK+L）生长季损失比例高于轮作处理（NPK），非生生长季则表现为施肥处理无机氮淋溶损失比例均告于对照（CK），连作（NPK+L）生长季损失比例低于轮作处理（NPK）。

2.2.3 肥料氮的淋溶率

表观淋溶率及净淋溶率如图7 所示。从图7 可以看出，烟田肥料氮的表观淋溶率为4.91%～8.11%，净淋溶率为 0.09%～3.29%。NPK 处理净淋溶率为3.29±0.06%，NPK+BM 和NPK+L 处理净淋溶率显著低于NPK 处理（P＜0.05），净淋溶率分别降低了97.28%和59.57%。表明有机无机配施可以降低无机氮损失，烤烟连作无机氮损失低于玉米烤烟轮作。

图6 不同时期烟田无机氮淋溶损失 Fig.6 Leaching loss of inorganic nitrogen in tobacco fields during different periods

图7 不同处理对烟田肥料氮淋溶损失的影响 Fig.7 Effects of different treatments on leaching loss of fertilizer nitrogen in tobacco fields

2.3 无机氮淋溶损失影响因子

2.3.1 不同处理对土壤淋溶液的影响

不同栽培措施下土壤淋溶液量如图8 所示。通过Duncan 多重比较分析显示，NPK 与CK 处理土壤水渗漏量差异不显著（P＞0.05），NPK+M、NPK+BM 处理显著低于NPK 处理（P＜0.05），表明配施有机肥显著降低了土壤渗漏量。而种植制度也对土壤水渗漏产生显著影响，表现为连作处理（NPK+L）显著低于轮作处理（NPK）（P＜0.05）。

图8 不同处理2015 年5 月—2017 年9 月土壤水渗漏累积量 Fig.8 Accumulated amount of soil solution under different treatments from May 2015 to September 2017

2.3.2 降雨与无机氮淋失的关系

根据每次淋溶液收集时间，计算无机氮月淋溶损失和月降雨量，两者间的关系如图9 所示。月尺度上无机氮淋溶损失量与降雨量呈显著非线性相关，在月降雨量低于50 mm 时，土壤无机氮淋溶损失较低，月降雨量大于50 mm 时，无机氮淋溶损失量随着降雨量的增加急剧增加，月降雨量大于100 mm 后，氮素淋溶损失量基本稳定。用logistic 模型通过降雨量模拟无机氮淋溶损失量，模拟效果较好，决定系数达到了0.72。

图9 烟田月无机氮淋失与月降雨量的关系 Fig.9 Relationships between monthly inorganic nitrogen leaching amount and monthly rainfall in tobacco fields

2.3.3 无机氮淋溶损失影响因子效应分析

无机氮淋溶损失受多种因素影响，通过多因素方差分析显示（表3），化肥、有机肥对无机氮淋溶损失作用显著，降雨量对无机氮淋溶损失作用极显著，而种植制度对无机氮淋溶损失影响不显著。从偏η2可以看出，降雨对无机氮淋溶损失的作用大于施肥与耕作。

表3 烟田无机氮淋溶的因子主效应分析 Table 3 Main effect analysis of factors affecting inorganic nitrogen leaching in tobacco fields

3 讨 论

3.1 烟田淋溶液氮素形态组成

农业生态系统土壤氮的淋失包括无机氮和有机氮，以往研究表明土壤淋失过程中，进入水中的主要是无机态氮，且硝态氮是淋溶水氮素的主要形态，占总氮淋溶量的58.5%[13]。如小麦-玉米期间土壤淋溶无机氮平均淋失量7.15 kg/hm2、有机氮平均淋失量2.29 kg/hm2，分别占淋失总氮的比例平均分别为73.8%和26.2%[14]，设施番茄土壤淋溶有机氮平均淋失量40.85 kg/hm2，占淋溶总氮的25.6%[15]。但本研究发现烟田有机氮损失比例高于无机氮，无机氮损失量为3.06～5.14 kg/hm2，占氮素淋失总量的27.82%～33.39%；有机氮为7.53～10.05 kg/hm2，占氮素淋溶损失的 66.61%～72.18%。氮素淋失形态中，NO3--N 比例随着氮肥用量的降低，其占总氮淋失量的比例也随之减小[16]，而烟田（75 kg/hm2）化肥氮施用量远低于小麦玉米（180 kg/hm2）和番茄（212 kg/hm2），从而导致无机氮淋失量降低，有机氮相对比例提高。近年来人们发现土壤有机态氮淋失也对人类健康带来很大的风险[17]，在评价烟田氮素淋溶损失时，应综合考虑有机氮淋溶损失。

3.2 烟田无机氮淋失及肥料氮淋溶率

淋溶流失是土壤氮素损失的重要途径，雨养农业区烟田年无机氮损失量为3.62～6.08 kg/hm2，氮肥表观淋溶率为 4.91%～8.11%、净淋溶率为 0.09%～3.29%。这与易时来等[18]的研究结果相一致，其采用养分渗漏池法研究了油菜生长季氮素在紫色土中的淋溶情况，结果表明施氮量为75 kg/hm2时，氮素的表观淋溶率范围在3.80%～6.29%之间，净淋溶率在0.98%～2.26%之间。Zhou 等[19]通过大量文献分析表明，小麦种植硝态氮淋失量平均29.0 kg/hm2，占施氮量的15%；玉米种植硝态氮淋失量59.4 kg/hm2，占施氮量的22%。Min 等[20]研究报道，中国南方设施蔬菜生产中硝态氮淋溶量可达182～277 kg/hm2，占氮输入量的16%～25%。水稻土壤氮淋溶为10.59～13.41 kg/hm2[21]。由此可见，烟田土壤无机氮损失量低于大田作物和蔬菜。已有研究表明，无机氮淋溶量随施氮量增加呈指数增加，肥料氮淋溶系数随着施氮量的增加而增加[16,22]，因此雨养农业区烟田无机氮淋溶量低主要是低氮肥且无灌溉引起的。

3.3 雨养农业区烟田无机氮淋失的因素

降雨和灌溉是影响氮素淋失的决定因素之一[23-24]。本研究显示，在雨养农业区的常规种植下，降雨对烟田土壤氮淋失的作用最大（表3），氮素淋溶量随降雨量增加而增加，月降雨量大于100 mm 后不再增加，因而烟田氮素淋失主要发生在烤烟缓苗期和旺长期（5—6 月）。但因为雨强增大时径流以超渗而非蓄满为主，导致淋失比例降低[25]，因此氮素淋溶损失量与月降雨量表现为非线性关系。肥料是影响烟田氮素淋失的第二大因素，以单施无机肥处理氮素淋失量最高，有机无机配施能够提高土壤有机质含量（表1）、降低土壤水渗漏（图8），从而降低无机氮淋失及淋溶率（图6）；但本研究中生物有机肥的降低氮素淋溶作用效果显著优于厩肥，这是由于有机肥含有大量的养分，也会造成氮素的流失[26]，本研究中厩肥的施入量大于生物有机肥，致使厩肥处理氮淋溶量大于生物有机肥。轮作制度对土壤氮淋失也可能产生一定的影响。一般情况下，轮作比连作有利于改善土壤结构、维持土壤养分与水分平衡，进而提高作物对氮素的吸收利用能力，增加土壤的持水能力，因此轮作比连作能减少土壤硝酸盐的淋失[27-28]。Drury 等[29]研究也表明了大豆与玉米的轮作能显著降低土壤氮素的渗漏淋失。但在本研究中，与烤烟玉米轮作处理相比，烤烟连作处理显著降低了土壤水淋溶，使氮肥净淋溶率降低，其原因值得进一步探究。

4 结 论

烟田全年无机氮淋溶量为3.62～6.08 kg/hm2，氮肥表观淋溶率为4.91%～8.11%、净淋溶率为0.09%～3.29%。无机氮的淋溶损失主要发生在烤烟生长季，尤其是5—6月，其占总淋溶量的40.33%～65.86%；淋溶液中无机氮含量占总氮量27.82%～33.39%。降雨是影响烟田淋溶损失的主要因素，无机氮淋溶量与降雨量呈非线性相关。施用化肥导致无机氮淋溶显著增加，厩肥配施化肥与单施化肥的氮肥淋溶损失差异不显著，而生物有机肥配施化肥较单施化肥显著降低了氮肥淋溶损失。烤烟连作处理显著降低了土壤水淋溶，使氮肥净淋溶率降低。综上，雨养农业区烟田无机氮淋溶强度不高，受降雨影响大，有机无机配施能够降低无机氮淋溶，应综合考虑有机氮淋溶。