有机肥种类及施用比例对云南洱海烟区植烟土壤氮淋失的影响

2024-04-10赵园园韦建玉王德勋陈永建史宏志

烟草科技 2024年3期

王阁，赵园园，韦建玉，王德勋，王政，陈永建，史宏志*

1. 河南农业大学烟草学院烟草农业减害中心，郑州市郑东新区平安大道218 号 450046

2. 广西中烟工业有限责任公司，南宁市北湖南路28 号 530001

3. 云南省烟草公司大理州公司，云南省大理市鹤庆路71 号 671000

烤烟对氮素的需求量较大，施用氮肥可促进烟株生长发育和提高烟叶产质量［1］。然而，在烤烟生产中，施用化肥过量导致的土壤板结、酸化和有机质含量下降等问题较为普遍。残留在土壤中未被利用的氮素，有40%～50%通过径流和淋溶进入地下水及河流湖泊，造成了农业面源污染、水体富营养化，对生态环境安全构成了较大威胁［2-4］。

云南省洱海流域是我国典型清香型烤烟产区，生态条件优越，所产烟叶深受卷烟工业企业的青睐。但洱海烟区降雨强度高，降雨量大，且植烟土壤质地疏松，因此具有较高的氮素淋失风险［5］。洱海作为我国云贵高原第二大淡水湖泊，对当地气候调节及旅游业发展具有重要意义。近年来，洱海水体富营养化问题引发关注，洱海水体治理十分必要。有研究表明，来源于农田土壤流失的可溶性氮是洱海水体中一类重要无机污染物，污染指数占比22.37%［6-7］。因此，阻控洱海流域农田土壤氮淋失是洱海水污染综合治理的关键环节。

土壤氮淋失受到降雨、施肥及种植方式等多种因素的影响［8-9］。周咏春等［10］研究发现，在土壤中施加生物炭可提高土壤氮素的固持能力，减少土壤氮素的淋失。刘晓彤等［11］提出，添加秸秆能够降低土壤硝态氮的累积和淋失，降低农田土壤面源污染的风险。然而，不同有机肥对土壤氮淋失的减控效果存在较大差异，有机肥施用比例与土壤氮淋失之间的关系也鲜见报道。此外，我国关于土壤氮淋失的研究主要集中在粮食作物的种植上［12-14］，对植烟土壤氮淋失的研究相对较少。基于此，选取洱海烟区植烟土壤以及我国烤烟生产中典型应用的有机肥种类，设置室内土柱模拟试验，比较不同种类有机肥对植烟土壤氮淋失的减控效果，分析有机肥施用比例与植烟土壤氮淋失之间的关系，旨在为降低植烟土壤氮淋失、促进烟草农业的绿色发展提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2022 年10—12 月在河南农业大学烟草农业减害中心进行。供试土壤为云南省大理州洱源县凤羽镇（26.11°N，99.95°E）烟区0～40 cm 土层土壤，新鲜土样剔除根茎石块等杂物风干后备用。供试混合型有机肥（油枯、畜禽粪便等）由云南省烟草公司提供；生物炭肥由贵州省烟草公司毕节市公司提供；芝麻饼肥由河南省烟草公司南阳市公司提供，见表1。供试化肥为15N 标记硝酸钾（纯度≥98.5%，丰度10%）由上海麦克林生化科技有限公司生产。土壤理化性状指标见表2。

表1 供试有机肥肥力指标Tab.1 Fertility indexes of organic fertilizers tested（g·kg-1）

表2 供试植烟土壤理化指标Tab.2 Physicochemical indexes of tobacco growing soil tested

1.2 试验设计

人工模拟土柱装置由PVC 圆柱管制成，内径10 cm、高度50 cm，管柱底部开直径2 cm 的圆孔连接5 cm 长引流管，圆孔和引流管连接并完全密封，以便收集渗滤液。土柱底部铺设1 层孔径0.075 mm 的尼龙布，填充2 cm 粒径为1～2 mm 的干燥石英砂，石英砂与土壤接触层再铺1 层孔径0.075 mm 的尼龙布作为反滤材料；将土壤称量后均匀填装入模拟土柱，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，当氮淋失到土壤40 cm 深度时可认为发生氮淋失，故设计土柱时将土壤深度设为40 cm。PVC 管内壁进行磨毛处理，避免边际流产生。土柱上表面铺设0.075 mm 的尼龙布及2 cm 粒径为1～2 mm 的石英砂，以保证降雨均匀并防止土层被破坏，土柱模拟装置如图1所示。参考云南当地施肥标准，总施氮量设定90 kg/hm2，不同有机肥替代化肥比例设定为30%［12］，N∶P2O5∶K2O=10∶10∶24。等施氮量条件下施用水溶性硫酸钾及过磷酸钙（P2O5含量12%）进行钾肥及磷肥补充，试验处理设置见表3。

图1 淋溶装置结构图Fig.1 Structure of leaching device

表3 试验处理①Tab.3 Experimental design

将有机肥与土壤充分混匀后填充土柱，将化肥溶于200 mL 去离子水浇灌至土柱表层，静置1 周后开始淋溶。参考云南省大理州单日最大降雨量设定每次每柱模拟降雨量为80 mm（628 mL），降雨强度3.33 mm/h，持续24 h，间歇24 h 后进行下一次淋洗。第1 次出现淋溶液时记为第1 次取样，共取样5 次。在每次淋洗结束后收集淋溶液过滤、测量体积后4 ℃保存检测硝态氮、铵态氮及15Nδ值。淋溶试验结束后取土柱土壤烘干研磨保存检测硝态氮、铵态氮含量。每处理重复3次。

1.3 测定项目及方法

采用常规方法分析土壤基本理化性质［16］。采用量筒测定淋溶液渗出量，采用浓硫酸-水杨酸比色法测定淋溶液中硝态氮质量浓度，采用酶标仪-靛酚蓝比色法［17］测定铵态氮质量浓度。淋溶液中总氮同位素比值R（15N/14N）使用总有机碳分析仪（iso TOC CUBE，Elementar 公司）-稳定同位素质谱仪（ISOPRIME100，Elementar 公司）联机测定。15Nδ值是样品的同位素比值（Rsq）相对于标准物质同位素比值（Rst）的千分差，其值大小表示样品的同位素成分相对含量，用于比较化肥源氮淋失的多少，计算公式：

其他指标计算公式：

硝态氮淋失量=淋溶液体积×硝态氮质量浓度（2）

铵态氮淋失量=淋溶液体积×铵态氮质量浓度（3）

矿质氮淋失量=硝态氮淋失量+铵态氮淋失量（4）

矿质氮总量=矿质氮淋失量+土壤矿质氮残留量（5）

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2017、IBM SPSS 25、Origin 2021 软件进行数据整理、统计分析及绘图，采用LSD 法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同有机肥对植烟土壤氮淋失的影响

2.1.1 硝态氮淋失

由表4可知，不同处理间硝态氮淋失质量浓度存在显著差异。随取样次数增加，硝态氮淋失质量浓度逐渐降低，纯施化肥植烟土壤硝态氮淋失质量浓度明显高于有机肥替代处理。硝态氮淋失质量浓度整体呈现纯化肥>混合型有机肥>芝麻饼肥>生物炭肥规律。至取样结束混合型有机肥、生物炭肥及芝麻饼肥处理硝态氮平均淋失质量浓度与对照相比分别降低23.11%、34.22%和31.34%。硝态氮淋失量变化规律与硝态氮淋失质量浓度一致，纯施化肥处理硝态氮淋失量显著高于有机肥替代处理，3种有机肥施用处理之间呈混合型有机肥>芝麻饼肥>生物炭肥规律。至取样结束混合型有机肥、生物炭肥及芝麻饼肥处理硝态淋失量与对照相比分别降低22.01%、32.59%和30.02%。

表4 不同有机肥处理植烟土壤硝态氮淋失质量浓度及淋失量①Tab.4 Concentration and amount of nitrate nitrogen leaching loss from tobacco growing soil under different organic fertilizer treatments

2.1.2 铵态氮淋失

各处理铵态氮淋失质量浓度及淋失量见表5。第1 次取样各施肥处理间铵态氮淋失质量浓度差异较小，第2、3 次取样，纯施化肥处理铵态氮淋失质量浓度明显高于其他处理。不同有机肥施用处理之间差异不显著。至取样结束，生物炭肥处理植烟土壤铵态氮平均淋失质量浓度低于其他处理并显著低于纯化肥施用处理。由表5 可知，在4 个处理中，铵态氮淋失量纯化肥处理高于3 种有机肥施用处理平均值7.18%。各处理之间铵态氮淋失总量差异不大，混合型有机肥处理与芝麻饼肥处理相近，生物炭肥处理略低于前两者。

表5 不同有机肥处理植烟土壤铵态氮淋失质量浓度及淋失量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

各处理淋溶液15Nδ值如表6 所示。由表6 中可见4 种施肥处理5 个取样时期淋溶液15Nδ值均呈化肥纯施>混合型有机肥>芝麻饼肥>生物炭肥规律。与纯施化肥相比，混合型有机肥、生物炭肥和芝麻饼肥处理淋溶液15Nδ值分别降低35.16%、41.17% 和37.19%，均大于有机氮施用比例30%。表明施用有机肥能够阻控植烟土壤化肥源氮淋失，生物炭肥效果较优。

表6 不同有机肥处理植烟土壤淋溶液15N δ值Tab.615N δ value of leaching solution for tobacco growing soil under different organic fertilizer treatments

2.1.4 矿质氮淋失量及淋失占比

表7结果表明，相同施氮量条件下不同施肥处理土壤矿质氮含量存在差异。施用有机肥处理土壤矿质氮含量显著低于纯化肥使用处理，呈纯化肥>混合型有机肥>芝麻饼肥>生物炭肥规律。矿质氮淋失量及淋失占比与矿质氮总量规律一致。有机肥替代化肥处理矿质氮淋失量显著低于纯化肥施用。与纯化肥施用相比，混合型有机肥、生物炭肥、芝麻饼肥施用处理矿质氮淋失量分别降低15.58%、25.73%和22.90%，矿质氮淋失占比分别降低3.46、6.00 和5.11百分点。表明相同施氮量条件下，施用有机肥能够显著降低植烟土壤矿质氮积累及淋失量，生物炭肥对植烟土壤矿质氮淋失减控效果较好。

表7 不同有机肥处理植烟土壤矿质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 有机肥施用比例对植烟土壤氮淋失的影响

2.2.1 硝态氮淋失

不同有机肥施用比例条件下植烟土壤硝态氮淋失质量浓度及淋失量见表8。随取样次数增加，植烟土壤硝态氮淋失质量浓度逐渐降低，随有机肥施用比例提高，植烟土壤硝态氮淋失质量浓度及淋失量呈降低趋势。不同有机肥施用比例之间平均硝态氮淋失质量浓度及硝态氮淋失总量差异达到显著水平。相较于纯施化肥，有机肥100%施用处理硝态氮平均淋失质量浓度降低49.48%。对不同有机肥施用比例条件下硝态氮淋失质量浓度的线性拟合方程见图2，R2=0.974 6，拟合度较高。由表8 可知，硝态氮淋失量变化规律与淋失质量浓度相一致。相较于纯施化肥，有机肥100%施用硝态氮平均淋失量降低51.14%。对不同有机肥施用比例条件下硝态氮淋失量的线性拟合方程见图2，R2=0.971 1，拟合度较高。可知，随着有机肥施用比例的提高植烟土壤硝态氮淋失量显著降低，二者之间呈线性负相关。

图2 有机肥施用比例与硝态氮淋失质量浓度及淋失量拟合曲线Fig.2 Fitting curves for organic fertilizer application rate and nitrate nitrogen leaching loss concentration and amount

表8 不同有机肥施用比例条件下植烟土壤硝态氮淋失质量浓度及淋失量Tab.8 Concentration and amount of nitrate nitrogen leaching loss from tobacco growing soil at different application rates of organic fertilizers

2.2.2 铵态氮淋失

不同有机肥施用比例条件下植烟土壤铵态氮淋失质量浓度及淋失量见表9。第1 次取样各处理铵态氮淋失质量浓度无明显变化规律，第2～3次取样随有机肥施用比例提升，植烟土壤铵态氮淋失质量浓度及淋失量略有下降，第5次取样铵态氮淋失质量浓度趋于平稳。植烟土壤铵态氮淋失质量浓度随有机肥施用比例提高略有下降，但25%～75%有机肥施用比例处理之间差异不显著。由表9可知，各处理铵态氮淋失量之间差异较小，随有机肥施用比例提升，铵态氮淋失总量缓慢下降。相较于纯施化肥处理，有机肥100%施用处理铵态氮淋失量降低22.88%。由结果可知，与硝态氮淋失相比，铵态氮淋失变化幅度较小，有机肥施用比例提高有助于降低植烟土壤铵态氮淋失质量浓度及淋失总量。

表9 不同有机肥施用比例条件下植烟土壤铵态氮淋失质量浓度及淋失量Tab.9 Concentration and amount of ammonium nitrogen leaching loss from tobacco growing soil at different application rates of organic fertilizers

2.2.3 矿质氮淋失量及淋失占比

不同有机肥施用比例条件下植烟土壤矿质氮总量及淋失占比见表10。随有机肥施用比例的提高，植烟土壤矿质氮总量呈下降趋势，且各处理之间差异达到显著水平。随有机肥施用比例提升，矿质氮淋失量显著下降。与纯施化肥处理相比，有机肥100%施用处理矿质氮淋失量降低34.47%。对有机肥施用比例与矿质氮淋失量的线性方程拟合见图3，R2=0.997 5，拟合度高。随有机肥施用比例提升，矿质氮淋失占比略有下降，有机肥100%施用处理矿质氮淋失占比与纯化肥施用处理差异显著，其余处理之间差异不显著。可知，植烟土壤有机肥施用比例与植烟土壤矿质氮淋失量之间呈二项式相关，有机肥施用比例提高有助于降低植烟土壤矿质氮积累及淋失。

图3 有机肥施用比例与矿质氮淋失量拟合曲线Fig.3 Fitting curve for organic fertilizer application rate and mineral nitrogen leaching amount

表10 不同有机肥施用比例条件下植烟土壤矿质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 讨论

土壤氮的大量淋失对生态资源利用、环境安全和人体健康均产生不利影响［18］。本研究中发现，有机肥替代普通化肥施用可显著降低植烟土壤矿质氮累积及淋失，与滕颖［19］、朱士江［20］等的研究结果相一致。由于大部分带正电荷的铵态氮易被带负电荷的土壤胶体颗粒吸附固定，因此带负电荷的硝态氮是土壤矿质氮淋失的主要形态［3］。有机肥中氮素多以有机氮形态存在，施入土壤之后，有机氮可通过微生物介导的矿化作用转化为铵态氮，后通过硝化细菌介导的硝化作用转化为硝态氮［21-22］。此转化过程相对缓慢，避免了土壤中硝态氮的大量累积，有助于降低植烟土壤氮淋失风险。另一方面，有机肥可为土壤微生物繁殖提供有机碳源，促进微生物对土壤氮素的吸收、固定及利用［23-25］，降低植烟土壤矿质氮淋失。

本研究中通过15N 标记化肥氮发现有机肥施用能够降低化肥源氮的淋失。这可能是由于有机氮肥中含有大量有机质，可增加土壤对无机氮的吸附与固定能力［26］。不同种类有机肥对土壤氮淋失阻控效果不一，这可能是有机肥自身性质的差异所导致的。生物炭是一种具有多孔特性、高芳香化、富含碳元素的难熔性固态高聚产物，一般由含碳量较丰富的生物质在相对较低的温度（300～700 ℃）热解而得到［27］。在本试验中，生物炭肥对植烟土壤氮淋失减控效果较为显著，这可能与生物炭对无机氮离子具有极强吸附固定作用有关［10］。另外，刘威等［28］研究表明，相比于其他有机肥种类，生物炭有机肥在施用前期氮素矿化速度较慢，土壤矿质氮补充较少，这可能也会影响到土壤中氮的淋失。

本研究中还发现，随有机肥施用比例增加，土壤氮淋失质量浓度及淋失量显著下降。这与王琦等［29］的研究结果相似。王琦等［29］对施用不同比例有机肥后土壤对无机氮吸附效果的研究发现，有机肥全替代化肥处理后土壤对无机氮吸附量大幅提升，有机肥施用后土壤颗粒表面电荷性质的变化和氮循环微生物活性的增加，促进了土壤对无机氮的吸附、固定和生物同化作用，从而降低了矿质氮的流失。另有研究表明，化肥施用会降低土壤中细菌群落的丰富度，从而减弱微生物对氮的固存能力［30］。这可能是导致植烟土壤氮淋失量随有机肥替代化肥施用比例提高而降低的因素之一。虽然增加有机肥施用比例可减少氮素淋失，但在相同施氮水平条件下，也会影响植烟土壤中有效氮的供应和烟株对氮素的吸收利用。因此，关于有机氮肥施用对烟株氮素吸收利用和烟叶产质量的影响还需进一步深入研究。