水肥一体化减量施肥对坡地烤烟肥料利用率及土壤养分平衡的影响

杨启航,刘永来,李淮源,赵旭生, 杨天乐, 李红星，陈建军,邓世媛*

(1. 华南农业大学烟草研究室，广东 广州 510642；2. 广东中烟工业有限责任公司，广东 广州 510310；3. 广东烟草清远市有限公司，广东 清远 511518)

【研究意义】2015年，农业部在《到2020年化肥使用量零增长行动方案》中指出，我国农业生产中普遍存在过量施肥、盲目施肥的现象，导致成本增加、资源浪费和环境污染问题，当前亟需改进施肥方式、提高肥料利用率、减少不合理投入，促进农业可持续发展，并明确提出要大力推广水肥一体化技术。【前人研究进展】水肥一体化是将水与肥料混合均匀后，利用设备压力或者自然落差，通过管道及滴灌带对植株进行精准施肥与灌溉的技术，可以根据植物的生长规律与需肥特性定时定量施入养分[1-3]，实现水肥同步管理及资源高效利用。用水肥一体化代替传统水肥管理既可以解决水土流失、耗费人力等问题，又可以在保障作物产质量的情况下减少肥料的投入[4-6]，近年来已经成为农业生产上的研究热点。已有报道，滴灌条件下氮肥减量可增强春小麦灌浆特性及氮代谢活性[7]、提高根系活力及根系生理特性[8]、优化群体结构[9]、提高番茄VC及番茄红素含量[10]。多种作物上的研究表明，水肥一体化肥料减量促进了氮磷钾积累[11]和养分回收[12]，提高了肥料利用率[13-16]、肥料产出率和产出投入比[17]，并使养分主要集中在0～40 cm土层、减少根区养分的淋失[18]。膜下滴灌减氮还显示出良好的环境效应，降低N2O排放系数，减少农田温室气体释放[19]。【本研究的切入点】烟草是我国重要的经济作物，提高烟叶质量对于提升国内卷烟水平和国际竞争力具有重要意义[20]。烟草生产上的传统水肥管理技术往往通过大量肥料投入来保障收益，但是长期过量施肥给烟叶生产带来诸多问题，如烟叶品质下降、植烟土壤退化、烟区水体及大气污染等，严重阻碍了烟草行业的可持续发展。近几年，烟草上关于水肥一体化的研究多集中于农艺性状、根系生长、光合特性、经济性状等[21-24]，水肥一体化结合肥料减量的研究在促进养分吸收[25]、增强根系活力和叶片成熟性[26]、提高烟叶质量[27]、影响土壤氮素时空变化[28]等方面有一些报道，但对于过量施肥导致的肥料利用率低、土壤生态系统养分失衡[29]等问题还没有得到重视。【拟解决的关键问题】因此，研究水肥一体化减量施肥对烤烟肥料利用率及土壤养分平衡的影响具有重要意义，尤其是针对灌溉条件缺乏、保水保肥能力差、对水肥一体化需求更加迫切的坡地开展研究，可为我国南方烟区探索并推广提高养分吸收和肥料利用率、维持植烟土壤养分平衡的适宜水肥一体化减量施肥模式提供理论参考和依据。

1 材料与方法

试验于2017年3月至2018年7月连续两年在广东省连州市星子镇水泉头村进行，试验田为旱坡地，土壤类型属于牛肝土，基本理化性质为：pH 6.5，有机质 13.85 g·kg-1，全氮 1.78 g·kg-1，碱解氮 149.76 mg·kg-1，全磷1.68 g·kg-1，有效磷 54.8 mg·kg-1，全钾 16.7 g·kg-1，速效钾 247.3 mg·kg-1。

1.1 试验材料

供试烤烟品种为粤烟97，由广东省烟草公司清远市公司提供。采用漂浮育苗，待长到7叶1心时挑选生长健壮、整齐一致的烟苗移栽。

水肥一体化滴灌系统采用DOSATRON比例施肥器作为肥料注入装置，注入肥液浓度设置为灌溉流量的0.2 %，毛管采用直径为Φ16的内镶贴片式滴灌带，滴头流量为1.6 L·h-1，间距为30 cm。试验肥液由固体肥溶于水中配制而成，肥料种类包括烟草专用肥[m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=15∶15∶15]，过磷酸钙(16 % P2O5)，碳酸氢铵(17 % N)，硫酸钾(50 % K2O)，硝酸钾(13.5 % N，46 % K2O)。

1.2 试验处理

试验设置3种不同肥料用量的水肥一体化模式(T1、T2、T3)，以当地常规水肥管理为对照，共4个处理(表1)。除施肥处理外，另设置滴灌和浇灌不施肥处理(空白)，以便计算肥料利用效率。磷肥全基施，每处理重复3次，随机区组排列，小区面积210 m2，株行距 0.6 m×1.1 m，其他田间管理措施参照当地优质烟叶生产技术规范执行。

表1 水肥一体化肥料减量设计

1.3 测定项目及计算公式

烟株干物质及氮钾元素积累测定：于移栽后第3、5、7、9、11周进行取样，每处理各取3株烟株，将整个植株连根一起挖出，清洗干净后，将烤烟根、茎、叶分开，分别进行杀青、烘干、称重。干物质中的全氮含量采用丹麦福斯Kjeltec8400凯氏定氮仪测定，全钾含量采用岛津AA6300原子吸收分光光度计测定。

烟叶氮/钾分配系数[30]=烟叶氮(/钾)累积量/植株总氮(/钾)累积量

肥料利用率[11]：肥料偏生产力=施肥区烤烟产量/肥料施用量；肥料农学效率= (施肥区烤烟产量-不施肥区烤烟产量)/肥料施用量×100 %；肥料表观利用率=(施肥区作物养分吸收量-不施肥区作物养分吸收量)/肥料施用量×100 %；肥料当季回收率= (施肥区地上部养分吸收量-不施肥区地上部养分吸收量)/肥料施用量×100 %；肥料经济利用效率=(施肥区作物叶片养分吸收量-不施肥区作物叶片养分吸收量)/肥料施用量×100 %。

土壤养分平衡[31]：土壤养分表观盈亏量=养分投入量-作物携出量；养分表观平衡系数=养分投入量/作物携出量；养分实际平衡率=(养分投入量-作物携出量)/作物携出量×100 %。

1.4 数据统计分析

采用 EXCEL 2017和SPSS19.0进行数据作图和统计分析。采用Duncan’s法对不同处理进行多重比较，若P<0.05，则具有显著性差异。

2 结果与分析

2.1 水肥一体化减量施肥对坡地烤烟干物质积累与分配的影响

从图1可见，移栽后7～11周，根、茎、叶各器官的干物质积累量逐渐增加，变化趋势基本同步。根和茎的干重较为接近，且在移栽后7～9周积累速度较快。叶干重在整株干物质积累中所占比例最大，但随着生育进程的推进比例逐渐降低，从移栽后7周的70 %左右下降到11周的40 %左右。从处理间来看，水肥一体化处理的根、茎、叶各部位各个时期的干物质积累量均高于CK。

图1 水肥一体化减量施肥下烤烟各部位干物质积累与分配动态Fig.1 Dynamics of dry matter accumulation and distribution in different parts of flue-cured tobacco under water and fertilizer integration with reduced fertilization

表2显示，应用水肥一体化模式进行管理的T1、T2、T3处理，其烟株在同一生长阶段的干物质积累量均显著高于CK，充分说明水肥之间良好的协调与互作能够明显影响烟株的生长发育，促进干物质积累。2017年，伸根期的干物质积累以T2处理最高，比CK增加83.23 %，旺长期和成熟期则以T1处理最大，分别比CK高出46.07 %和30.62 %。2018年则表现为3个生育时期均以T1处理干物质积累最多，增加幅度分别为87.94 %、38.81 %、40.29 %。

表2 水肥一体化减量施肥对坡地烤烟整株干物质积累的影响

2.2 水肥一体化减量施肥对坡地烤烟氮素积累与分配的影响

从表3可以看出，年际间烟株氮素积累与分配的规律基本一致，氮素积累随着生育期的推进而增加，伸根期-旺长期积累量增加迅速，旺长期-成熟期增长幅度下降。各器官间的氮素积累表现有差异，根和茎的氮素积累在伸根期-旺长期增加幅度较小，旺长期-成熟期是氮素积累的快速增长期，而叶片中的氮素积累则在伸根期-旺长期迅速增加，在全株中的氮分配系数达0.7以上、最高达0.92，尤其在伸根期，3个水肥一体化处理的叶片氮分配系数均显著高于CK，成熟期叶片对氮的吸收略有下降，分配系数降至0.5左右。

表3 水肥一体化减量施肥对坡地烤烟氮素积累与分配的影响

2年的试验结果表明，除了根部CK处理的氮素积累在伸根期略高于水肥一体化处理外，其余各时期根、茎、叶及全株的氮素积累均显著高于CK。水肥一体化处理的全株氮积累量在伸根期与CK差异最显著，最大的T2处理比CK分别增加93.94 %(2017年)和91.34 %(2018年)，且比不减量施肥的T1处理高出40.3 %和32.53 %，差异显著；旺长期-成熟期，减量施肥的T2和T3处理氮素积累幅度略低于T1处理，但没有显著差异，表明在水肥一体化条件下，减量施肥仍然可以促进烟株尤其是叶片在大田生长前期对氮素的积累。

2.3 水肥一体化减量施肥对坡地烤烟钾素积累与分配的影响

表4显示，烤烟钾素积累与分配规律在2年间的试验表现基本一致，钾素积累随着生育进程逐渐增加，伸根期-旺长期的积累速率最大，旺长期-成熟期积累量有所下降。器官间的钾素积累不尽相同，茎的钾素积累主要在旺长期和成熟期，根部钾素在伸根期和旺长期积累较少、成熟期积累较多，2017年T3处理增加幅度最大、成熟期比旺长期增加了5.6倍。叶片的钾素积累从伸根期到成熟期一直呈上升趋势，但在旺长期增加幅度较大、积累最多。

表4 水肥一体化减量施肥对坡地烤烟钾素积累与分配的影响

从处理间的比较结果看，除了2017年伸根期和旺长期T2和T3处理根部的钾素积累略低于CK外，其余时期均表现为根、茎、叶及全株的钾素积累显著高于CK。水肥一体化处理与CK钾素积累差异最大也表现在伸根期，2年钾素积累量最大的均为T2处理，分别比CK增加97.4 %和69.05 %；成熟期则是T3处理钾素积累最高，分别比CK提高41.43 %和52.15 %，这可能与T3处理总施钾量有所增加有关。从钾分配系数来看，伸根期和旺长期叶片钾素在全株所占比例较高、达0.7左右，最高可达0.86，尤其在2017年伸根期，水肥一体化减量施肥的T2、T3处理钾分配系数显著高于CK和T1处理。

2.4 水肥一体化减量施肥对坡地烤烟肥料利用率的影响

从表5可知，2年试验的氮肥利用率基本一致，各个指标均表现为T3>T2>T1>CK，3个水肥一体化处理的肥料利用率指标与CK处理差异显著。与CK相比，同样施肥量的T1处理在水肥一体化的作用下，其氮肥农学效率、表观利用率、当季回收利用率及经济利用率均大幅提高，其中经济利用率增幅最显著，达60.68 %。氮磷钾各减量20 %的T2处理，各个指标不仅显著大于CK，其氮肥偏生产力、表观利用率和当季回收率还显著高于T1，增幅达16.15 %、15.73 %和17.64 %，表明水肥一体化条件下虽然肥料减量，但仍然促进了烟株对氮肥的吸收和利用。而氮磷减量20 %、钾增量20 %的T3处理，2017年的氮肥农学效率、2018年的经济利用率分别比T2高14.63 %和30.42 %，但其他指标差异不显著，表明钾肥的增加一定程度可以提高氮肥利用率，但从成本和产出比考虑却并不是最经济的。

表5 水肥一体化减量施肥对坡地烤烟氮肥利用率的影响

表6显示，钾肥农学效率和偏生产力2年间的表现一致，均为T3>T2>T1>CK，3个水肥一体化处理与CK均达到显著差异。与CK相比，肥料用量相同的T1处理在水肥一体化条件下，钾肥农学效率和偏生产力大幅提高，2018年表现尤其明显，达55.77 %和18.89 %。氮磷钾肥各减量20 %的T2处理的钾肥农学效率和偏生产力，比T1高15.74 %和20.82 %，而T3处理的钾肥农学效率和偏生产力比T2处理进一步提高4 %～14.63 %，这可能与T3处理钾肥增量20 %有关。钾肥表观利用率、当季回收率和经济利用率与前两个指标有所不同，3个水肥一体化处理显著高于CK，T2处理最高，T2与CK的最大差值出现在2017年，达80.62 %、105.6 %和126.03 %。但是从水肥一体化不同肥料用量处理间的比较来看，除了T3和T1的当季回收率在2017年达到显著差异外，在2018年及经济利用率上并无显著差异，T2处理远高于T3和T1处理。

表6 水肥一体化模式配合减量施肥对坡地烤烟钾肥利用率的影响

2.5 水肥一体化减量施肥对坡地植烟土壤养分平衡的影响

由表7可知，水肥一体化模式下，烟株吸收携出的氮素显著高于常规水肥管理，表现为T1>T3>T2>CK，2年试验均以T1携出量绝对值最高，与CK相差23.24和25.15 kg·hm-2，表明同样的肥料用量条件下，水肥一体化可以大大提高烟株对氮素的吸收，而T2和T3处理在氮投入减量20 %的情况下，携出量仍然比CK增加24.9 %～35.41 %，表明水肥一体化条件下肥料减量不仅不影响烟株的氮素吸收，反而可以起到促进作用。从养分平衡来看，常规水肥处理的氮素盈余最高，2018年甚至超过100 kg·hm-2，平衡系数高达2.68，养分平衡率超过150 %，而水肥一体化管理显著降低了植烟土壤的氮素盈余，尤其是减量施肥20 %的T2和T3处理，与CK相比，降低幅度高达50.87 %和55.67 %，养分平衡率分别降低99.47和109.77个百分点，表明在实际生产中，水肥一体化条件下可减少氮肥施用量，以降低氮素的土壤残留而避免资源浪费和环境污染。

表7 水肥一体化减量施肥对坡地植烟土壤氮素平衡的影响

由表8可知，2年试验结果K素的携出量均表现为T3>T1>T2>CK，处理间差异显著。施肥量相同但水肥一体化处理的T1，K素携出量比CK最多增加26.98 kg·hm-2，减量20 %的T2处理仍然增加了22.39 kg·hm-2，T3处理增加量多达34.15 kg·hm-2，这应该与其钾肥施用量增加有关。从K素盈余来看，常规水肥管理下2年的钾素盈亏量平均值为253.16 kg·hm-2，平衡系数均高达4.0以上，养分平衡率超过300 %。而使用水肥一体化管理的T1处理，盈亏量平均值比CK下降了25.86 kg·hm-2，平衡系数和平衡率都有所下降，但实际平衡率仍超200 %。肥料减量20 %的T2处理盈余最低，比CK的降低幅度最大达34.83 %，比肥料不减量的T1处理下降27.08 %，平衡系数低于3，养分平衡率167.67 %，比CK减少高达165.17个百分点，表明水肥一体化下减量施肥促进了钾素的吸收与利用。T3处理钾肥施用量396 kg·hm-2，2年的平均盈余高达284.12 kg·hm-2，平衡系数及平衡率高于其它两个水肥一体化处理，表明增加钾肥施用量并没有使烟株吸收更多的钾素，反而导致钾肥盈余增加。

表8 水肥一体化减量施肥对坡地植烟土壤钾素平衡的影响

3 讨 论

干物质积累量是衡量作物生长发育状况及生理代谢强弱的重要指标[30]，也是作物最终产量的物质基础。玉米[32]、马铃薯[33]、松花菜[34]、樱桃番茄[35]等作物上的研究已表明，滴灌条件下肥料减量，植株干物质积累量仍然优于传统施肥处理，而且认为水肥一体化技术主要是通过改善植株的农艺性状使干物质积累量得到提高[24]。本研究中，水肥一体化下肥料减量20 %的T2处理的烤烟成熟期干物质积累虽然比等量施肥T1处理低9.9 %～11.6 %，但是与常规水肥管理相比，仍然高出18.81 %～25.74 %，与王琪[36]、杜传印等[37]研究结果一致，但与薛如君等[25]滴灌减氮25 %与浇灌不减氮处理生物量基本相同的结果有所不同，这可能与试验区土壤供肥能力及施肥水平不同有关。

水肥一体化模式下，肥料通过管道直接施到根系附近，减少了淋失和土壤固定损失[38]，在水分的耦合效应下[25]，使肥料中的养分得到有效释放，从而促进作物对养分的吸收和积累，因此即使在肥料减量情况下，仍然能够提高肥料利用率。以往研究中，虽然各个作物上肥料减量程度不一，但总体而言，水肥一体化减量施肥对作物养分吸收与肥料利用率的促进作用已经被广泛证实[11, 13, 17, 39]。本试验中，水肥一体化减量施肥处理各个时期的氮钾积累量均显著高于常规水肥管理，差异最大达93.94 %和97.4 %，一方面是因为浇灌方式下肥料和土壤中养分流失的影响[17]，另一方面则是由于水肥一体化随水施肥提高了烟草对养分的吸收利用效率[40]。从时期来看，水肥一体化等量施肥的T1处理在伸根期的氮钾吸收低于肥料减量的T2、T3处理，结合氮钾肥基追比例分析，说明T1处理前期多施的肥料并没有被充分吸收利用，而伸根期往往是整个大田生长期间雨水最多的时期，反而容易增加淋溶损失。同时，水肥一体化管理的氮钾肥农学效率、偏生产力、表观利用率、回收率及经济利用率均显著高于常规水肥处理，其中减量20 %的T2处理2年的氮肥偏生产力比常规水肥管理平均提高35.04 %、表观利用率提高83.49 %、当季回收率提高64.75 %、经济利用率提高77.02 %，钾肥则分别提高35.02 %、79.43 %、97.09 %和113.34 %，但即使如此，从氮钾肥利用率各指标的绝对值来看，仍然处于较低水平，这可能是长期过量施肥导致土壤养分富集、浓度过高，反而不利于作物根系生物学潜力发挥的原因[10]。基于这个原因，可以解释本研究中T3处理钾肥投入比T2增加132 kg·hm-2，但其钾肥当季利用率和经济利用率反而下降48.28 %和37.07 %，结合成熟期干物质积累量推测，在当前已经较高的施肥水平下进一步增施肥料并不会带来产量的增加，反而会降低肥料利用率。

农田养分平衡是指养分被作物消耗和施肥投入之间的平衡[41]，传统水肥管理下化肥的长期过量施用，会导致农田养分失衡和土壤退化[42]，因此，水肥管理中除了考虑肥料利用率外，关注肥料在土壤中残留与损失的程度也很重要[43]。相关研究表明，传统施肥模式导致土壤氮素和磷素大量残留、钾素亏缺，而优化施肥在提高肥料利用率的同时降低了氮磷损失和钾亏缺[43-44]，氮磷减量降低了磷素盈余、但导致氮素亏缺[45]，减氮配施氨基酸可降低氮磷盈余[46]，但目前尚未见关于水肥一体化影响土壤养分平衡的报道。本试验中，常规水肥管理的植烟土壤年均氮钾盈余量为100.63和253.16 kg·hm-2，平衡率高达156.84 %和329.46 %，显示出南方氮钾肥施用量过高以及增产效率下降的问题[41]。研究结果显示，水肥一体化等量处理的氮素平衡率降到90 %以下、钾素平衡率下降108个百分点，结合成熟期干物质积累量分析可知，这是由于水肥一体化促进养分吸收、增加植株养分携出量的原因。减量20 %的T2处理，氮钾盈余在等量处理基础上进一步降低25.5和60.83 kg·hm-2，说明水肥耦合对养分吸收的促进效应远大于单纯增加肥料用量。两年的试验数据表明，常规水肥管理下，烟株氮钾携出量仅占投入量的39.02 %和23.30 %，而水肥一体化模式下分别达53.68 %～65.14 %和28.26 %～36.95 %，充分说明常规水肥管理的肥料用量远远超过了烟株对养分的需求，反而不能充分发挥其增产效果。水肥一体化下肥料减量虽然对此有所提高，但也要看到，和其他作物相比仍然较低，尤其是钾肥，根据鲁如坤等[41]提出的30 %～50 %允许盈余范围，烟草生产上高达170 %～300 %的钾素盈余显然是极不合理的，特别是在钾肥基本依靠进口的情况下，不仅浪费资源，也会增加肥料残留带来的环境风险[47]。

4 结 论

综上所述，在本试验条件下，与常规水肥管理相比，水肥一体化管理可以增加坡地烤烟干物质积累，促进氮钾吸收，提高肥料利用率并降低土壤养分盈余。而水肥一体化模式结合减量施肥效果更显著，肥料减量20 %、氮钾比1∶2的T2处理在大田生长前期促进了烟株氮钾吸收，氮肥的当季回收率达35 %左右，钾肥当季利用率接近20 %、比常规水肥管理增加了1倍，土壤的氮钾平衡则分别比常规水肥管理下降约100和150个百分点。氮钾比1∶3的T3处理在干物质积累、养分吸收及肥料利用率上与T2并无显著差异，但由于钾肥施用量过高，反而降低了钾肥利用率低、徒增钾素盈余。因此，生产上建议水肥一体化模式配合肥料减量20 %～30 %并维持1∶2的氮钾比，适当降低基肥比例、增加追肥，使肥料供应曲线更加符合烟株生长发育对养分的需求规律，从而促进肥料被有效吸收、降低养分盈余，最大化地发挥肥效。