馬興華,梁曉芳,劉光亮,石 屹,張忠鋒
(中國農業科學院煙草研究所,農業部煙草生物學與加工重點實驗室,青島 266101)
氮肥用量及其基追施比例對烤煙氮素利用的影響
馬興華,梁曉芳,劉光亮,石 屹*,張忠鋒*
(中國農業科學院煙草研究所,農業部煙草生物學與加工重點實驗室,青島 266101)
【目的】明確氮肥用量及基追肥比例對烤煙氮素吸收利用及氮素殘留與損失的調控效應,提出提高氮肥利用率、降低氮肥損失的施氮策略?!痉椒ā繎?5N 示蹤技術,設置 2 個施氮量 (90、60 kg/hm2)和2 個基追肥比例 (70%∶30%、30%∶70%),共 4 種氮肥處理方式?;试跓熖锲饓艜r施入,追肥于移栽后 30 天施入。在烤煙伸根期、現蕾期和成熟期采集煙株樣品,成熟期采集 0—20 和 20—40 cm 土層土壤樣品,測定含氮量和15N 豐度。成熟期計算煙葉產量和產值?!窘Y果】施氮量由 90 kg/hm2降至 60 kg/hm2,煙株吸收的基肥氮、追肥氮、土壤氮及總氮量均降低,肥料氮占總吸收氮的比例由 32.1% 降至 28.1%,土壤氮的比例由 67.9% 增至71.9%?;实?、追肥氮在土壤中殘留量與損失量降低,肥料氮損失率降低 26.9%,利用率提高 11.3%。追肥比例由 30% 增至 70%,基肥氮的吸收量降低,其占總氮的比例由 15.1% 降至 9.6%,損失率降低 52.9%,利用率提高 21.7%。追肥氮的吸收量增加,其占總氮的比例由 12.7% 增至 22.8%,殘留率提高 20.5%,利用率降低20.4%。肥料氮的吸收量增加,其占總氮的比例由 27.8% 增至 32.4%,殘留率提高 19.9%,損失率降低 49.7%,利用率提高 20.6%。降低施氮量和增加追肥比例對產量、產值無顯著影響?!窘Y論】降低施氮量和增加追肥比例均能夠減少肥料氮的損失,提高肥料氮的利用率。在本試驗條件下,施氮量為 60 kg/hm2且 70% 追施是兼顧生態效益和經濟效益的最佳氮肥運籌方式。
施氮量;基追比例;氮素吸收;氮素利用率;氮素損失
施用氮肥是提高作物產量、改善作物品質的重要措施,但氮肥的不合理施用會造成利用率低、損失嚴重和污染環境等不良后果[1–2]。烤煙是一種對氮素敏感的葉用經濟作物,不適量、不適時的氮素供應都會導致煙葉質量下降。因此在烤煙生產中更需要合理施用氮肥,以實現品質改善、氮肥高效和環境友好的目標。研究表明,烤煙對氮素的需求規律為伸根期需求少、旺長期需求增加、成熟期需要適時控氮[3],而我國烤煙生產中重基肥輕追肥,70%~80% 作基肥,20%~30% 作追肥,氮肥施用與烤煙的氮素需求規律不相符,一方面造成氮肥利用率較低;另一方面生長前期土壤中的大量氮素會抑制根系生長,不利于根系的正常發育[4]。近年來,各煙區正逐漸改變傳統的施氮方式,由重施基肥氮向適當減少基肥氮并結合分次追施轉變。秦艷青等[5]研究結果表明,在追施氮占總施氮量 70% 條件下,能夠滿足烤煙打頂前正常生長需求,產量也達到了中上等水平。段鳳云等[6]研究表明,煙葉產量隨氮肥追施比例的增加而提高,超過 70% 后產量下降;而且煙葉產值、上等煙比例及中上等煙比例均以追肥比例70% 為最高。王德寶等[7]研究指出,在一定施氮量范圍內,隨追肥比例增加,煙葉煙堿含量、鉀含量、鉀氯比呈降低趨勢,中性致香物質含量逐漸增加。張海偉等[8]研究結果也表明,適當提高氮肥追施比例,有利于提高煙葉產量和質量。可見,增加氮肥追施比例能夠滿足烤煙的氮素需求,并能提高煙葉產量,改善品質。肥料氮是烤煙的主要氮素來源之一,王樹聲等[9]研究表明,隨施氮量增加,烤煙積累的氮素中來自肥料氮的比例增加,積累的肥料氮中來自基肥氮的量增加。朱佩等[10]研究表明,砂壤土烤煙成熟期肥料氮的積累量最高,其次是壤土,粘壤土最低。馬興華等[11]研究表明,高肥力土壤烤煙吸收的肥料氮高于低肥力土壤。可見,目前關于烤煙對肥料氮的吸收、利用的研究主要集中在施氮量、土壤類型及土壤肥力方面。而不同基追肥比例條件下,烤煙對基肥氮和追肥氮的吸收分配規律,烤煙對不同來源氮的利用及基肥氮和追肥氮在土壤中的殘留與損失尚不明確。穩定同位素示蹤技術是研究植株氮素吸收、利用與分配的有效手段,可區分不同來源氮素對植株生長發育的貢獻。本試驗采用15N 同位素標記技術,研究了施氮量和基追比例對烤煙吸收基肥氮、追肥氮及土壤氮的影響及其在烤煙中的分配,研究了烤煙對不同來源氮素的利用情況,分析了基肥氮和追肥氮在土壤中的殘留與損失,為合理制定施肥策略提供理論依據。
1.1 試驗地概況
試驗于 2012 年在山東省諸城市賈悅鎮苑一村進行,試驗點生育期年均降雨量 464.5 mm,試驗年份降雨量 435.3 mm,伸根期降雨量 6.3 mm,旺長期降雨量 99.9 mm,成熟期降雨量 329.1 mm。供試土壤類型為褐土,0—30 cm 土層 pH 6.3,有機質含量0.72%、全氮含量 100 g/kg、堿解氮含量 43.5 mg/kg、有效磷含量 17.7 mg/kg、速效鉀含量 93.6 mg/kg。供試品種 NC55,5 月 8 日移栽,行距 1.2 m,株距 0.5 m。試驗田栽培管理措施按當地優質煙葉生產技術規范進行,全生育期覆膜。
1.2 試驗設計
試驗采用隨機區組設計,小區面積為 72 m2,3次重復,設 4 個處理:施氮 90 kg/hm2,基追肥比例70%∶30% (T1);施氮 90 kg/hm2,基追肥比例30%∶70% (T2);施氮 60 kg/hm2,基追肥比例70%∶30% (T3);施氮 60 kg/hm2、基追肥比例30%∶70% (T4)。每個處理分別設基施普通硝酸銨+追施15N 標記硝酸銨與基施15N 標記硝酸銨+追施普通硝酸銨。小區內設置微區,每個小區設置 6 個微區,微區面積為 120 cm × 50 cm,微區內植煙 1 株,用鐵框與其他煙株分離,15N 標記硝酸銨由上海化工研究院生產,豐度為 10.21%?;适褂梅椒闊熋缫圃郧叭〕?50 cm × 25 cm × 20 cm 的土壤,與肥料混合均勻后回填,追肥于移栽后 30 天在煙株兩側距莖基部 10 cm 處追施,每側使用追肥量的 1/2,追肥深度為 15 cm。N∶P2O5∶K2O = 1∶1∶2.5,磷肥為過磷酸鈣,鉀肥為硫酸鉀,磷鉀肥全部作底肥施用。
1.3 測定項目與方法
分別在烤煙伸根期 (移栽后 30 天,追肥前)、現蕾期 (移栽后 65 天) 和成熟期 (移栽后 90 天) 采集微區內煙株樣品,每小區采集 2 株,每處理共采集 6株。按根系、莖稈、葉片分樣,樣品經 105℃ 殺青15 min 后,70℃ 烘干至恒重,稱重后粉碎過 60 目篩,測定全氮含量和15N 豐度。煙葉成熟采收后在距離莖稈 10 cm 的位置用土鉆采集 0—20、20—40 cm土層土壤樣品,每個微區采集 4 鉆,混勻后放置陰涼處晾干,去除石塊及動植物殘體后粉碎過 20 目篩,測定全氮含量和15N 豐度。
1.4 計算方法
植株吸收的氮來源于基 (追) 肥的比例 = 基 (追)施氮處理植株樣品15N 原子百分超/肥料15N 原子百分超 × 100%
植株吸收的氮來源于基 (追) 肥的量 = 植株吸收的總氮量 × 植株吸收的來源于基 (追) 施氮的比例;
植株吸收的氮來源于土壤的量 = 總吸氮量–來源于基肥氮量–來源于追肥氮量;
植株吸收的氮來源于土壤的比例 = 植株吸收的氮來自土壤的氮量/植株吸收的總氮量 × 100%
氮肥利用率 = 植株吸收的肥料氮量/施氮量 × 100%
基 (追) 肥氮土壤殘留比例 = 采收后基 (追) 肥處理土壤15N 原子百分超/基 (追) 肥15N 原子百分超 × 100%
基 (追) 肥氮土壤殘留量 = 成熟采收后微區土壤重量 × 土壤全氮含量 × 基 (追) 肥氮土壤殘留比例
肥料氮土壤殘留率 = 肥料氮土壤殘留量/施氮量× 100%
肥料氮損失量 = 施氮量?植株吸收氮量?肥料氮土壤殘留量
肥料氮損失率 = 肥料氮損失量/施氮量 × 100%
2.1 不同生育期煙株的15N 豐度、含氮量及生物量
隨生育進程,煙株各器官的15N 豐度和含氮量顯著降低,生物量顯著增加 (表 1)?;繁壤嗤?,施氮量 60 kg/hm2處理的煙株各器官各生育期的15N 豐度總體低于施氮量 90 kg/hm2處理。施氮量相同,伸根期氮肥 70% 追施處理煙株各器官的15N 豐度顯著低于 30% 追施處理;現蕾期和成熟期,氮肥 70% 追施處理煙株各器官的基肥氮15N 豐度顯著低于 30% 追施處理,追肥氮15N 豐度顯著高于 30% 追施處理。即增加追肥比例降低了烤煙各器官基肥氮而增加了追肥氮15N 豐度。相同基追比例,各生育期煙株各器官的含氮量總體表現為施氮量 60 kg/hm2的處理低于 90 kg/hm2的處理;相同施氮量,成熟期葉片的含氮量為 70% 追施處理低于 30% 追施處理,而莖稈的含氮量則為 70% 追施處理高于 30% 追施處理。施氮量和基追比例對生物量的影響主要表現在現蕾期,總體為施氮量 60 kg/hm2的處理低于 90 kg/hm2的處理,70% 追施處理低于 30% 追施處理,成熟期不同處理間生物量差異較小。
2.2 烤煙對基肥氮與追肥氮的吸收
表 2 顯示,相同基追比例,減少施氮量,烤煙的氮素吸收量降低。各生育期烤煙對基肥氮、追肥氮、肥料氮的吸收量及肥料氮占總氮的比例均為施氮量 60 kg/hm2的處理低于 90 kg/hm2的處理。相同施氮量,伸根期和現蕾期烤煙的氮素吸收量為氮肥70% 追施處理低于 30% 追施處理,但成熟期無顯著差異。各生育期烤煙對基肥氮的吸收量及其占總吸收量的比例為 70% 追施處理顯著低于 30% 追施處理,烤煙對追肥氮的吸收量及其占總吸收量的比例和烤煙對肥料氮的吸收量及其占總吸收量比例均表現為 70% 追施處理顯著高于 30% 追施處理,說明增加追肥比例提高了烤煙對追肥氮和總肥料氮的吸收積累。伸根期烤煙土壤氮吸收量及其占總吸收量的比例為 70% 追施處理高于 30% 追施處理,而在現蕾期和成熟期則相反,說明增加追肥比例降低了生長中后期對土壤氮的依賴。

表1 不同生育期煙株各器官的15N 豐度、含氮量及生物量Table 115N abundances, N contents and biomass of various organs at different growth stages of flue-cured tobacco
2.3 基肥氮和追肥氮在烤煙不同器官中的分配
由表 3 可以看出,烤煙不同生育期基肥氮和追肥氮在各器官中的分配量和分配比例均表現為葉片>莖稈>根系。隨生育進程,基肥氮在各器官中的分配量呈先增加后降低趨勢,現蕾期最高;基肥氮在葉片中分配比例逐漸降低,莖稈中逐漸增加,根系中變化較小。追肥氮在根系和葉片中的分配量和分配比例降低,而在莖稈中的分配比例增加。說明,生育后期吸收的肥料氮更多地分配給莖稈生長。相同施氮量,基肥氮在根系、莖稈和葉片中的分配量表現為氮肥 70% 追施處理顯著低于 30% 追施處理,但追肥氮的分配量則相反。相同基追比例,基肥氮及追肥氮在各器官中的分配量為施氮量 60 kg/hm2的處理顯著低于 90 kg/hm2的處理。施氮量和基追肥比例的變化對基肥氮和追肥氮的分配比例影響較小。
2.4 肥料氮在土壤中的殘留
煙葉成熟采收后,0—20 cm 土層基肥氮和追肥氮的殘留量及殘留率顯著高于 20—40 cm 土層 (表 4)。相同基追比例,0—20 cm 土層的基肥氮、追肥氮及肥料氮的殘留量表現為施氮量 60 kg/hm2處理低于 90 kg/hm2處理,基肥氮、追肥氮及肥料氮的殘留率表現為施氮量 60 kg/hm2處理高于 90 kg/hm2處理。20—40 cm 土層的基肥氮、追肥氮及肥料氮的殘留量與肥料氮的殘留率表現為施氮量 60 kg/hm2處理低于90 kg/hm2處理。相同施氮量,70% 追施處理各土層的基肥氮殘留量均低于 30% 追施處理,追肥氮和總肥料氮的殘留量高于 30% 追施處理。除 20—40 cm土層基肥氮的殘留率為 T2<T1 外,其他各土層基肥氮、追肥氮和總肥料氮的殘留率均為 70% 追施處理高于 30% 追施處理。

表2 不同生育期烤煙吸收的基施和追施氮量及其在總吸收氮中占的比例Table 2 N uptake from basal and topdressing fertilizer at different growth stages of flue-cured tobacco and the corresponding ratio in total N
2.5 肥料氮損失
由表 5可見,相同基追比例,煙葉成熟采收后基肥氮、追肥氮和肥料氮的損失量與損失率均表現為施氮量 60 kg/hm2低于 90 kg/hm2的處理,說明降低施氮量顯著減少了基肥氮、追肥氮的損失,進而降低了肥料氮的損失。相同施氮量,基追比例 30%∶70% 的處理基肥氮和總肥料氮的損失量和損失率均低于 70%∶30% 處理,追肥氮的損失量高于 70%∶30% 處理,損失率無顯著差異。說明提高追肥比例降低了肥料氮的損失。
2.6 肥料氮利用率
由表 6 可以看出,相同基追比例,烤煙對基肥氮、追肥氮及肥料氮的吸收量均為施氮量 60 kg/hm2處理顯著低于 90 kg/hm2處理,但基肥氮利用率在不同施氮量間無顯著差異,追肥氮和肥料氮的利用率為施氮量 60 kg/hm2處理高于 90 kg/hm2處理。相同施氮量,烤煙對基肥氮的吸收量為 70% 追施處理低于 30% 追施處理,追肥氮和肥料氮的吸收量為 70%追施處理高于 30% 追施處理,基肥氮和肥料氮的利用率為 70% 追施處理高于 30% 追施處理,追肥氮的利用率 70% 追施處理低于 30% 追施處理。
2.7 經濟性狀
由表 7 可以看出,相同施氮量,增加追肥比例,產量、產值、均價及中上等比例均無顯著變化。相同基追肥比例,降低施氮量,產量、產值略有降低,均價稍有提高,但中上等比例顯著提高。說明,在本試驗條件下,降低施氮量能顯著提高中上等比例,但其他經濟性狀受施氮量和基追比例的影響均不顯著。

表3 不同生育期肥料氮在烤煙不同器官中的分配量和分配比例Table 3 Distribution amount and percentage of nitrogen derived from fertilizer in organs of plant at different growth stages
3.1 施氮量和基追比例對烤煙吸收與分配不同來源氮素的影響
谷海紅等[12]研究表明,移栽初期煙株吸收的肥料氮高于土壤氮,打頂后煙株吸收的土壤氮占同期吸氮總量的比例顯著高于肥料氮,煙株整個生育期吸收的氮素主要來自于土壤氮,采收結束時土壤氮量在不同器官中的分配表現為莖>上部葉>中部葉>下部葉>根系。習向銀等[13]研究表明,各生育時期烤煙吸收的土壤氮均高于肥料氮。劉青麗等[14]研究表明,烤煙對肥料氮的吸收高峰早于土壤氮,烤煙進入旺長期后,土壤氮的吸收速率高于肥料氮,轉入吸收土壤氮為主。本研究結果表明,團棵追肥前,烤煙吸收的肥料氮高于土壤氮,但之后,烤煙對土壤氮的吸收量占總氮的比例逐漸提高,肥料氮的比例逐漸降低,這與前人的研究結果基本一致。而且本研究結果還表明,降低施氮量,同時降低了基肥氮和追肥氮吸收量及其占總氮的比例,提高了土壤氮吸收量及其占總氮的比例。在同一施氮量條件下,提高氮肥追施比例,降低了基肥氮吸收量及其占總氮的比例,提高了追肥氮吸收量及其占總氮的比例,最終提高了肥料氮的吸收量及其占總氮的比例,降低了土壤氮的積累量及其占總氮的比例。
王鵬等[15]研究表明,煙株吸收的肥料氮主要分配在中上部煙葉,占煙株吸收肥料總氮的 50% 以上。本研究結果表明,肥料氮在烤煙不同器官中的分配量和分配比例表現為葉片>莖>根系,而且隨施氮量的降低,各器官中基肥氮和追肥氮的分配量降低,但分配比例提高。提高氮肥追施比例,降低了基肥氮在各器官中的分配,但提高了追肥氮在各器官中的分配,而且對葉片的影響顯著大于其他器官。
3.2 施氮量和基追比例對烤煙氮肥利用率的影響
作物生產中,氮肥利用率是衡量施氮是否合理的重要指標。氮肥利用率與作物基因型、土壤條件和管理措施密切相關[16]。在所有的管理措施中,氮肥種類、用量及其使用方法對氮肥利用率的影響較大[17-18]。研究表明,氮肥利用率隨施氮量增加而降低[19–20]。本研究結果表明,隨施氮量降低,氮肥利用率增加,與前人的研究結果一致。因為肥料氮分為基肥氮和追肥氮,因此進一步分析基肥氮和追肥氮的利用率可以發現,降低施氮量同時提高了基肥氮利用率和追肥氮利用率,但追肥氮提高更突出,說明從提高肥料利用率的角度考慮,應減少基肥氮的使用量。本研究結果還表明,提高氮肥追施比例顯著提高了氮肥的利用率,這與張翔等[21]的研究結果一致,通過分析基肥氮和追肥氮的利用率可以看出,氮肥追施比例增加顯著提高了基肥氮的利用率,而降低了追肥氮的利用率。

表4 基肥氮和追肥氮在土壤中的殘留Table 4 Nitrogen residual of basal and topdressing nitrogen fertilizer in soil

表5 基肥氮和追肥氮的損失Table 5 Nitrogen loss of basal and topdressing nitrogen fertilizer
3.3 施氮量和基追比例對肥料氮殘留與損失的影響
施入土壤中的氮肥去向包括 3 個方面:作物吸收、土壤殘留和損失[22]。本研究中,成熟采收后肥料氮 27.7%~37.2% 被烤煙吸收利用,40.4%~52.0%殘留在土壤中,10.8%~31.9% 損失,可見本試驗條件下,當季施入的肥料氮以殘留固定為主,損失較少。原因主要是烤煙生長過程中全生育期覆膜,雨水淋溶作用較小;而且本試驗中采集 0—40 cm 土層的土壤樣品進行分析,此土層可涵蓋約 70% 的烤煙根系分布,具有較好的代表性,肥料氮運移到此土層以下的視為淋溶損失。有研究表明,土壤中肥料氮的殘留量隨施氮量增加而增加,改變施氮量和施肥時期對肥料氮在土壤中的殘留和分布有顯著影響,適當延后氮肥追施時期或增加追肥比例有利于減少肥料氮的損失[23–27]。但也有研究表明,氮肥施用時期對肥料氮在土壤中的殘留和分布無顯著影響[28]。本研究結果表明,減少施氮量顯著降低了肥料氮的殘留量和損失量,這與前人研究結果一致。本研究結果還表明,追施比例增加,肥料氮的殘留量增加,損失量降低,這與袁仕豪等[29]的結果不一致,主要是由于增加追肥比例后,追肥氮的殘留量增加了,而損失量降低了,而且追肥氮損失量的降低幅度遠高于追肥氮殘留量的增加幅度,最終導致殘留量略有增加,而損失量顯著降低,因而損失率也顯著降低。

表6 基肥氮和追肥氮的利用Table 6 Nitrogen utilization of basal and topdressing nitrogen fertilizer

表7 不同處理煙草經濟性狀Table 7 Economical traits of flue-cured tobacco affected by different treatments
適量降低施氮量和增加追肥比例能夠減少氮肥損失、提高肥料利用率,增加土壤氮的吸收而不影響烤煙產量、產值。在本試驗條件下,施氮量為 60 kg/hm2且 70% 于移栽后 30 天追施能較好地協調生態效益和經濟效益。
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Effect of nitrogen application rate and base and topdressing ratio on nitrogen utilization of flue-cured tobacco
MA Xing-hua, LIANG Xiao-fang, LIU Guang-liang, SHI Yi*, ZHANG Zhong-feng*
( Tobacco Research Institute, Chinese Academy of Agriculture Sciences/Key Laboratory of Tobacco Biology and Processing, Ministry of Agriculture, Qingdao City, Shandong 266101, China )
【Objectives】The objective of the study was to clarify the responses of flue-cured tobacco to nitrogen application rates and the basal-topdressing ratio, and fertilizer nitrogen residue and loss, so as to propose an costeffective and environmental-friend nitrogen fertilization method.【Methods】A field experiment using the15N-tracer technique was conducted with two N application rates (90 and 60 kg/hm2) and two basal-topdressing ratios (70%∶30% and 30%∶70%). The basal application was done with ridging and topdressing at 30 days after transplanting. Plant samples were collected at the root elongation, squaring and mature stage of flue-cured tobacco, soil samples in 0–20 and 20–40 cm depth were collected at the mature stage. The N contents and the abundences of15N were measured, the yield and output value were investigated after the harvest.【Results】When the nitrogen application rate was reduced from 90 to 60 kg/hm2, the absorbed N from basal and topdressing N fertilizer and from soil nitrogen were all decreased; the proportion contributed by fertilizer in the total nitrogen uptake was decreased from 32.1% to 28.1%, whereas that from soil nitrogen was increased from 67.9% to 71.9%; the residues and losses of basal and topdressing fertilizer nitrogen were all decreased with the loss ratio offertilizer N by 26.9%, and the fertilizer N use efficiency increased by 11.3%. When the proportion of topdressing nitrogen was increased from 30% to 70%, the N uptake ratio from basal application decreased from 15.1% to 9.6%, the loss ratio decreased by 52.9%, and the nitrogen use efficiency increased by 21.7%; while the N uptake ratio from topdressing was increased from 12.7% to 22.8%, the residual ratio increased by 20.5%, and the nitrogen use efficiency decreased by 20.4%; the total contribution rate of fertilizer N was increased from 27.8% to 32.4%, the residual ratio increased by 19.9%, the loss ratio decreased by 49.7%, and the nitrogen use efficiency increased by 20.6% as a result. Neither reducing nitrogen rate nor increasing topdressing nitrogen ratio had significant effect on yield and output value of flue-cured tobacco.【Conclusions】Reducing nitrogen application rate and increasing topdressing nitrogen ratio could decrease the loss of fertilizer nitrogen and increase the fertilizer nitrogen use efficiency. Under the experimental condition, the nitrogen application rate of 60 kg/hm2with 70% top dressing was the optimal nitrogen application strategy taking account of ecological benefit and economic benefit.
nitrogen application rate; basal-topdressing ratio; nitrogen uptake; nitrogen efficiency; nitrogen loss
S143.1; S572.062
A
1008–505X(2016)06–1655–10
2015–10–19 接受日期:2016–06–22
公益性行業(農業)科研專項經費(201203091);國家煙草專賣局特色優質煙葉開發重大專項(110201101006 ts-06)資助。
馬興華(1979—),男,山東安丘人,博士,副研究員,從事煙草栽培與營養研究。E-mail:maxinghua@caas.cn
* 通信作者 E-mail: shiyi@caas.cn;E-mail: zhangzhongfeng@caas.cn