有机肥配施比例对植烟土壤供氮能力和温室气体排放的影响

彭玉龙,万 军,芶剑渝,王慎强,李青山

(1.贵州省烟草公司遵义市公司,贵州 遵义 563000;2.中国科学院南京土壤研究所/土壤与农业可持续发展国家重点实验室,南京 210008;3.安庆师范大学资源环境学院,安徽 安庆 246133)

【研究意义】烟草是我国重要的经济作物之一,其种植面积和烟叶总产量均排世界第一[1]。2018 年烤烟种植面积达1.06×106hm2,年产量约2.24×106t,连续5年实现工商税利总额超万亿元,为国家和地方财政增收、经济发展作出了巨大贡献,已经成为中国经济不可或缺的重要组成部分[2]。长期以来,由于单施化肥及烤烟复种指数提高,植烟土壤有机质含量下降,土壤酸化、板结,烟叶营养比例失调[3-5],导致烤烟生长发育不全、烤后烟叶产质量下降。诸多研究表明,有机无机肥配施可促进烟株生长发育[6],提高烟叶香气量和协调化学成分[5,7],从而提高烟叶产质量[6,8]。全球气候变暖是当今世界面临的重要挑战,农田生态系统CO2、CH4和N2O等温室气体(GHG)排放是影响气候变暖的重要驱动因子[9]。有机肥还田可以替代部分化肥,减少化肥的施用量,但是有机肥还田对农田土壤温室气体排放的研究结果存在不完全一致性[10-13]。因此,研究有机肥不同配施比例对植烟土壤供氮能力及温室气体排放的影响,对科学管理有机肥应用、缓解气候变化和保障我国烤烟生产的可持续发展均具有重要意义。【前人研究进展】目前,有机无机肥配施这一措施已在我国大部分植烟区得到普遍认可和应用。在烤烟生长发育所必需的营养元素中,氮素是影响烟叶产量和品质最为重要的营养元素[14],氮素不足或过量都会导致烟叶产量和品质下降[15]。施用有机肥有利于促进烤烟对氮的吸收,烟叶香吃味有所改善[16-18];但也会出现烟株生长后期容易矿化出较多无机氮的现象,导致烤烟生长贪青晚熟[19-20],进而增大鲜烟叶烘烤难度,降低烤后烟叶品质。不同有机肥因其成分不同会影响其施用到农田后的温室气体排放[21-22]。秸秆与化肥减量30%配施处理能降低土壤CO2和CH4排放,缓解温室气体的增温潜势,但对土壤N2O减排效果不显著[21]。王晓娇等[23]发现,与不施肥和施用无机肥比较,施用有机肥显著增加了CO2排放量;张冉等[24]研究表明,秸秆还田增加或降低农田土壤N2O排放受区域、施氮量、土壤pH、土壤黏粒质量分数和秸秆碳氮比等因素的影响。【本研究切入点】揭示短期内无机肥配施不同有机肥对植烟土壤有机碳含量的影响,有利于及时了解土壤有机碳变化,对及时调整和优化施肥措施具有指导意义。另外,目前土壤温室气体排放的研究主要集中在水稻、小麦、玉米及设施蔬菜种植土壤上,针对植烟土壤的研究较少。【拟解决的关键问题】采用盆栽试验方法,研究不同有机肥等氮代替不同比例化肥氮后对植烟土壤供氮能力和温室气体排放的影响,同时探讨短期内土壤有机碳含量对配施不同有机肥的响应,为调整和优化生产中烤烟施肥措施提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试烤烟品种为云烟85,由中国农业科学院烟草研究所提供。

供试土壤多点采集于山东省诸城市洛庄烟草试验地。取0～20 cm耕作层,混合后挑出肉眼可见的植物残体和石块,过1 cm筛子后风干备用。供试土壤为黄壤,全氮 1.63 g/kg,有机质19.20 g/kg,有效磷20.6 mg/kg,速效钾214 mg/kg,铵态氮 1.36 mg/kg,硝态氮 7.52 mg/kg,C/N 11.78,pH 7.3。

肥料:硝酸钾[m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=13.5∶0∶44.5]、磷酸二铵m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=18∶46∶0]和硫酸钾m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=0∶0∶50]由山东省诸城市洛庄农业合作社提供,猪粪(N 3.46%,C 31.5%,C/N 9.1)、花生秸秆(N 1.72%,C 39.7%,C/N 23.1)和菜籽饼肥(N 5.87%,C 47.5%,C/N 8.1)收集于当地试验站,炭基有机肥(N 2.6%,C/N 20.0)购买于上海时科生物科技有限公司。

1.2 试验设计

试验在山东省诸城市洛庄烟草试验站进行,采用盆栽试验。总施氮量90 kg/hm2,化肥和有机肥[猪粪(PM)、花生秸秆(PS)、菜籽饼肥(RC)、炭基有机肥(BOF)]分别按70%、30%和50%、50%配施;磷肥(P2O5)和钾肥(K2O)按m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=1∶1∶3的比例施入,即P2O5和K2O施用量分别为90和270 kg/hm2;以不配施有机肥为对照(CK)。共9个施肥处理(表1),每个处理5次重复,随机排列。每个处理施氮量按1 hm2总施氮量与烤烟种植总株数的比值(以行距1.2 m,株距0.5 m计算烤烟棵数)进行计算;磷肥全作基肥施用,氮肥和钾肥按m(基肥)∶m(追肥)为7∶3施用,基肥与土壤混匀装入盆内,追肥在移栽后第30天环施。不同有机肥代替不同比例化肥氮的实际添加量按其含氮量计算。

表1 烤烟化肥配施有机肥各处理及用量Table 1 Different treatments and amount of combined application of chemical fertilizer and organic fertilizer of flue-cured tobacco (kg/hm2)

栽植盆内径29 cm,高25 cm,每盆装土12.5 kg,烟苗为8片真叶时进行移栽,每盆种植烤烟1株,移栽烟苗要求生长一致且健康无病。于2018年5月18日移栽,9月16日收获,整个生育期120 d。试验管理与常规的烟草田间管理措施一致。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 烤烟农艺学性状测定 参照YC/T142—2010,于移栽后45、65和90 d分别测定株高、茎围、叶长、叶宽和叶面积(叶长×叶宽×0.6345)[25],移栽后90 d选择有代表性的3盆烤烟测定生物量。

1.3.3 温室气体测定 每个处理选取3盆,分别于烟苗移栽和追肥后的1、4、7 d采集气体,每天1次,之后每隔14 d采集1次。气体采集装置为自主设计的圆筒状静态箱(直径9.5 cm,高度13.5 cm),采集时将装置罩在事先已插入土壤中的底座上(装置罩中心距烟株茎大约10 cm),以水密封;立即采用医用的注射器(搭配三通阀)抽气20 mL,注入20 mL的真空玻璃瓶中,之后每隔15 min采集1次(采集时先用注射器反复抽气3次,确保气体充分混匀;并在采集第1次和最后1次的时候记录箱体内温度),共采集4次。N2O和CO2浓度采用气相色谱仪(Agilent Technologies 7890A)测定,其累积排放量的计算参照贾俊香等[26]的方法。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010对数据进行初步处理。利用IBM Statistics SPSS 22.0软件中单因素方差分析和LSD(P<0.05)检验不同有机肥处理与对照处理间的差异显著性。使用Origin 2018和Microsoft Excel 2010进行绘图和制表。

2 结果与分析

2.1 配施不同有机肥土壤的供氮水平

图2 化肥配施不同有机肥烤烟各生育期土壤硝态氮含量Fig.2 Nitrate nitrogen content of flue-cured tobacco under different treatments at different growth stages

2.1.3 矿质氮含量 从图3看出,在整个生育期,配施菜籽饼(RC)、猪粪(PM)和花生秸秆(PS)处理的土壤矿质氮含量均显著低于CK处理(P<0.05),菜籽饼(RC)猪粪(PM)花生秸秆(PS)团棵期降幅分别为26.24%～26.80%、22.93%～28.06%和51.90%～57.84%,旺长期降幅分别为19.32%～32.06%、18.57%～19.29%和31.13%～66.04%,现蕾期降幅分别为26.85%～53.64%、44.65%～72.47%和55.08%～83.82%,成熟期降幅分别为49.29%～67.81%、33.58%～54.19%和64.98%～68.90%。配施炭基有机肥(BOF)处理菜籽饼(RC)猪粪(PM)花生秸秆(PS)整个生育期土壤矿质氮含量均显著降低(P<0.05),降低幅度分别为25.33% (团棵期)、4.97%(旺长期)、25.59%(现蕾期)和42.19%(成熟期);BOF2处理团棵期显著降低,旺长期和现蕾期显著增加,增幅度分别为21.74%和5.72%,成熟期相差不大。总体上来看,当有机肥替代化肥氮比例为30%时,供氮能力团棵期PM>BOF>RC>PS,旺长期BOF>PM>PS>RC,现蕾期BOF>RC>PM>PS,成熟期PM>BOF>RC>PS。而当有机肥替代化肥氮比例为50%时,供氮能力团棵期BOF>RC>PM>PS,旺长期BOF>PM、RC>PS,现蕾期BOF>RC>PM>PS,成熟期BOF>PM>PS>RC。

图3 化肥配施不同有机肥烤烟各生育期土壤矿质氮含量Fig.3 Mineral nitrogen content of flue-cured tobacco under different treatments at different growth stages

2.2 配施不同有机肥烤烟的农艺性状和生物量

从图4看出,烟株株高:团棵期和旺长期配施菜籽饼(RC)、猪粪(PM)、炭基有机肥(BOF)和花生秸秆(PS)处理与CK间差异均不显著;现蕾期RC2、PM1、PS1和PS2处理均显著低于CK处理(P<0.05),而RC1、PM2、BOF1和BOF2处理与CK间差异不显著。烟株茎围:团棵期、旺长期和现蕾期配施菜籽饼(RC)、猪粪(PM)和花生秸秆(PS)处理与CK处理间差异均不显著;配施炭基有机肥(BOF)处理中,在团棵期和旺长期BOF1和BOF2处理与CK处理间的差异均不显著,现蕾期BOF1处理显著小于CK处理(P<0.05),BOF2处理与CK处理间差异不显著。烟株叶面积:团棵期、旺长期和现蕾期,配施菜籽饼(RC)、猪粪(PM)和炭基有机肥(BOF)与CK处理间差异均不显著;配施花生秸秆(PS)处理在团棵期和旺长期与CK处理间的差异不显著,在现蕾期PS1和PS2处理均显著小于CK处理。烟株生物量:与CK处理相比,配施菜籽饼(RC)和猪粪(PM)处理根茎叶的干物质积累量未显著增加或降低;配施炭基有机肥(BOF)的BOF1处理显著提高了根的干物质积累量;配施花生秸秆(PS)的PS1和PS2处理茎和叶的干物质积累量显著降低(P<0.05)。当有机肥替代化肥氮比例为30%和50%时,烤烟株高、茎围、叶面积和生物量均以配施炭基有机肥(BOF)处理的效果最优,而配施花生秸秆(PS)处理为显著的负效应。

图4 化肥配施不同有机肥烤烟各生育期烟株的农艺性状及生物量Fig.4 Agronomic traits and biomass of flue-cured tobacco under different treatments at different growth stages

2.3 配施不同有机肥CO2和N2O的排放量

2.3.1 CO2排放量 从图5看出,各处理的CO2排放在整个生育期内有2个高峰,分别出现在移栽后7 d内和追肥后3 d内。配施菜籽饼(RC)、猪粪(PM)和花生秸秆(PS)处理在移栽后7 d内CO2排放速率显著增加(P<0.05),与CK处理相比,RC1和RC2处理的CO2排放速率分别增加1.61～3.45和1.48～4.59倍;PM1和PM2处理的CO2排放速率增加2.02～3.05和1.70～3.83倍,PS1和PS2处理的CO2排放速率增加3.14～9.40和3.99～9.50倍;而配施炭基有机肥(BOF)处理虽提高了CO2排放速率,但仅BOF2处理在移栽后3 d内显著增加。

黑色箭头指示追肥添加时间,下同。The black arrows indicate topdressing time,the same as below.图5 化肥配施不同有机肥烤烟各生育期CO2排放速率和累积排放量Fig.5 CO2emission rate and its cumulative emission amount of flue-cured tobacco under different treatments at different growth stages

与CK处理相比,配施猪粪(PM)和花生秸秆(PS)处理显著增加CO2累积排放量(P<0.05),以花生秸秆(PS)处理的增幅最大,达61.75%～87.54%,猪粪(PM)处理次之,达23.74%～33.40%;而配施菜籽饼(RC)和炭基有机肥(BOF)处理CO2累积排放量与CK无显著差异。当有机肥替代化肥氮比例为30%和50%时,配施有机肥处理的CO2累积排放量为PS>PM>RC>BOF,与CK处理相比,PS和PM显著增加CO2累积排放量(P<0.05)。

2.3.2 N2O排放 由图6可知,各处理的N2O排放速率的变化趋势基本一致,在移栽初期达最大值,然后呈不同幅度减小趋势。有机肥施入量越大,N2O排放速率越大。整个生育期内,RC1、PM1、BOF1和PS1处理的N2O排放速率为CK处理的0.19～3.60、0.40～3.55、0.27～3.99和0.16～5.45倍;而RC2、PM2、BOF2和PS2处理的N2O排放速率则为CK处理的2.63～42.48、3.04～38.88、6.51～21.88和1.03～35.66倍。RC1、PM1、BOF1和PS1处理N2O累积排放量均高于对照,但差异均不显著,仅为CK处理的1.60～1.94倍;而RC2、PM2、BOF2和PS2处理N2O的累积排放量较对照的增幅分别为7.73、7.82、14.20和21.89倍,差异显著(P<0.05)。

图6 化肥配施不同有机肥烤烟各生育期N2O排放速率和排放量Fig.6 N2O emission rate and its cumulative emission amount of flue-cured tobacco under different treatments at different growth stages

2.4 配施不同有机肥对土壤全氮、有机碳含量及碳氮比的影响

从图7看出,土壤全氮含量:全氮含量随有机肥施入量的增加而增大;与CK处理相比,配施菜籽饼(RC)和花生秸秆(PS)可以显著增加土壤的全氮含量(P<0.05),增幅分别为5.52%～10.06%和14.59%～20.68%;配施猪粪(PM)处理的增幅为5.10%～13.31%,仅PM2处理与CK处理间差异达显著水平;配施炭基有机肥(BOF)处理土壤全氮含量与CK处理间无显著差异。土壤的有机碳含量:配施菜籽饼(RC)、猪粪(PM)、炭基有机肥(BOF)和花生秸秆(PS)处理均显著高于CK处理(P<0.05),且土壤有机碳含量随有机肥施入量的增加而增大,以菜籽饼(RC)处理的增幅最小,以花生秸秆(PS)处理的增幅最大,达9.12%～16.63%。土壤碳氮比:配施不同有机肥对土壤碳氮比的调节效果不同,与CK处理相比,配施花生秸秆(PS)处理显著提高,达0.69～1.12;配施菜籽饼(RC)处理显著降低(P<0.05),降低0.41～0.59;配施猪粪(PM)和炭基有机肥(BOF)处理分别降低0.31～0.49和0.34～0.50,差异不显著。有机肥不同替代量下,土壤全氮含量提高效果以PS处理最优,BOF处理最差;土壤有机碳含量均显著提高为PS>BOF>PM>RC;PS土壤C/N比均显著提高,RC则显著降低,PM和BOF对调控效果不显著。

图7 化肥配施不同有机肥烤烟土壤的全碳和全氮含量及碳氮比Fig.7 Total carbon,total nitrogen content and C/N ratio of flue-cured tobacco under different treatments at different growth stages

3 讨 论

移栽后35～63 d是烟株需氮量较多的时期,供氮不足不利于烟株生长发育;移栽后63 d左右烟株进入成熟期,此时需氮量减少,若土壤氮素供应水平较高,将不利于烟叶的成熟落黄[35]。总体上看,当有机肥替代化肥氮比例为30%时供氮能力团棵期为PM>BOF>RC>PS,旺长期为BOF>PM>PS>RC,现蕾期为BOF>RC>PM>PS,成熟期为PM>BOF>RC>PS;替代比例为50%时供氮能力团棵期为BOF>RC>PM>PS,旺长期为BOF>PM、RC>PS,现蕾期为BOF>RC>PM>PS,成熟期为BOF>PM>PS>RC。配施菜籽饼、猪粪和秸秆均显著降低了烤烟4个主要生育时期土壤矿质氮含量,配施秸秆在则降低土壤供氮能力,降幅分别为51.90%～57.84%(团棵期)、31.13%～66.04%(旺长期)、55.08%～83.82%(现蕾期)和64.98%～68.90%(成熟期)。配施花生秸秆(PS)处理显著降低了烟株株高、茎围、叶面积、茎和叶的生物量(P<0.05),充分说明配施秸秆处理的土壤供氮能力并不能满足烟株的正常生长发育;配施菜籽饼和猪粪虽也降低了土壤的氮素供应水平,但烟株株高、茎围、叶面积、生物量未显著降低,能够满足烟株的正常生长发育。有效降低烤烟生长后期的土壤氮素供应水平是获得优质烟叶的关键所在[36-37]。本研究中发现,配施菜籽饼和猪粪可显著降低烤烟成熟期土壤氮素的供应水平,利于烟叶的正常成熟落黄和品质提升。相较于菜籽饼和猪粪处理,配施炭基有机肥在团棵期、旺长期和现蕾期的供氮水平更高,并在成熟期降低了土壤的供氮水平,这可能是其烟叶产质量提高的原因之一[38]。配施炭基有机肥烟株株高、茎围、叶面积、根茎叶生物量等方面明显优于其他有机肥。

在烤烟4个主要生育时期,配施不同有机肥处理的供氮水平随施入量的增加而减小,综合株高、茎围、叶面积、根茎叶生物量等指标,RC1稍优于RC2,PM1稍优于PM2,BOF1稍优于BOF2,PS1和PS2的效果差异不明显,说明烤烟种植时有机肥的配施比例宜在30%左右,不宜高于50%。

有机碳矿化是土壤有机碳循环的重要过程,其矿化强度直接关系到土壤中有机质转化、有效养分的释放与供应状况及土壤质量的保持[39]。Dou等[40-41]研究表明,土壤碳矿化速率与土壤中生物活性较高、稳定性较差、易矿化活性有机碳密切相关。施用有机肥可促进土壤CO2排放[42]。Shan等[43]发现,秸秆还田不能显著影响N2O排放,但可显著提高土壤CO2排放;而Naser等[44]却认为,秸秆还田可降低CO2排放量。本研究中表明,配施花生秸秆可显著增加CO2排放量,这与Shan等[43]的研究结果一致。配施猪粪可显著增加CO2排放量,这可能是猪粪施入土壤能促进微生物活性和酶活性所致。配施菜籽饼并未显著增加有机碳矿化量,这可能是菜籽饼腐熟程度不够,残留抑制微生物生长的物质而导致;也可能与施加的腐熟菜籽饼所含活性组分较少有关[45]。土壤有机碳矿化的激发效应与土壤活性组分碳氮比(如可溶性有机碳氮比)呈正相关[46]。在本研究中,炭基有机肥处理显著增加了土壤全碳含量,但有机碳矿化量未显著增加,原因可能是生物炭可增加土壤有机碳含量的同时减少土壤CO2排放[42],而炭基有机肥兼顾有机肥和生物炭的特性,从而导致了CO2减排。

不同有机肥施入植烟土壤后N2O排放情况不尽相同,当有机肥替代化肥氮比例为30%时,配施有机肥处理的N2O累积排放量为BOF>PM>RC>PS;而当有机肥替代化肥氮比例为50%时为PS>BOF>PM>RC,同一有机肥随施入量的增加N2O排放量呈增加趋势。有机肥的含氮量、C/N比和碳源的有效性是决定其施入土壤后释放或固持有效氮的重要因素[47-48],通过控制反硝化细菌所需物质和能量,从而影响N2O排放[49]。刘韵等[50]研究表明,在施氮量相等的前提下,有机无机肥配施会显著增加N2O排放;而孟磊等[51]的研究则表明,有机无机肥配施和单施化肥处理的N2O排放无显著差异。本研究中,当配施有机肥比例为30%时,有机肥处理的N2O排放量均高于CK处理,但差异未达到显著水平(P>0.05),且N2O排放量随有机肥的C/N比的升高呈逐渐降低趋势,这可能是C/N比高的有机肥通过促进微生物同化作用,降低土壤中矿质氮含量,从而减少N2O排放;而当有机肥的配施比例为50%时显著增加N2O排放量,且N2O排放量与有机肥的C/N比呈显著正相关,这与Huang等[52]的研究结果相反,区别在于其研究中所使用的有机肥均为秸秆类,说明仅C/N比并不能解释N2O排放方面的差异[53-54]。不同有机肥中氮的存在形式、含量以及碳的有效性均有差异,影响土壤中氮素的释放或固持,因此很难判定有机肥影响N2O排放的强弱。另外,气候类型也是影响N2O排放的重要因素[23]。所以,针对特定的种植区域均应开展相应研究来明确不同有机肥对温室气体排放的影响。

配施有机肥相当于向土壤中直接输入外源有机质,能显著增加土壤有机碳含量[55]。本研究表明,配施有机肥处理土壤有机碳含量显著增加和土壤全氮含量中仅菜籽饼、猪粪(PM2)和花生秸秆显著增加;司海丽等[56]研究也发现,随有机肥添加量的增加,土壤中的氮含量和有机质含量均显著增加。合适的土壤C/N比能够生产出优质烟叶[57-58]。本研究中,配施菜籽饼土壤C/N显著降低,花生秸秆显著提高,猪粪和炭基有机肥降低但差异不显著。烤烟种植时,可根据植烟土壤的C/N比选择配施的有机肥各种类,对于C/N比较高的植烟土壤可选择使用菜籽饼和猪粪等低C/N比的有机肥进行调控;而碳氮比较低的植烟土壤应适当添加高C/N比的秸秆进行调节;对于C/N比适宜的植烟土壤,则不宜连续配施低或高C/N比的有机肥,应根据植烟土壤的实际情况选择施肥。

4 结 论

化肥配施30%或50%的菜籽饼、猪粪和花生秸秆,烤烟全生育期土壤矿质氮含量均显著降低,而配施50%炭基有机肥烤烟在旺长期和现蕾期土壤矿质氮含量增加。除花生秸秆之外,配施菜籽饼、猪粪和炭基有机肥烤烟根、茎、叶的生物量无显著变化。CO2排放量随有机肥配施量的增加而增加,配施猪粪和花生秸秆显著增加;随着有机肥施入量的增加,N2O排放量呈增加趋势,当有机肥的配施比例为50%时N2O排放量显著增加。配施有机肥增加土壤全氮含量的同时显著增加了土壤全碳含量。配施菜籽饼土壤C/N显著降低,配施花生秸秆则显著增加,配施猪粪和炭基有机肥对土壤C/N比无显著影响。

综合分析植烟土壤供氮能力和N2O排放量,烤烟种植有机肥的配施比例以30%为宜,不高于50%。为维持植烟土壤碳氮平衡,低C/N比菜籽饼和高C/N比花生秸秆不宜单独及连续配施。