基于微區(qū)設計的多雨地區(qū)煙田土壤氮素平衡研究

汪耀富，邵孝侯，孫德梅，陳立華

1. 湖南中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，長沙市勞動中路386 號 410007

2. 河海大學水利水電學院，南京市西康路1 號 210098

3. 河南中醫(yī)藥大學藥學院，鄭州市金水東路1 號 450008

氮素是煙草最重要的營養(yǎng)元素，氮肥形態(tài)、用量和施用方法對烤煙生長發(fā)育、生理生化代謝、煙葉產(chǎn)量與品質(zhì)都有顯著的影響［1-3]。為提高煙葉質(zhì)量和可用性，烤煙的施氮量必須保持在適宜水平。然而，目前我國煙葉生產(chǎn)中普遍存在過量施用氮肥的問題，導致烤煙氮肥當季利用率低，煙葉可用性差，并出現(xiàn)了一系列環(huán)境問題［4-5]。因此，探明烤煙大田生育期對氮素的吸收特性以及肥料氮進入土壤后的去向是實現(xiàn)煙草氮素養(yǎng)分有效管理的基礎。煙田肥料氮的去向包括煙株吸收利用、土壤殘留和各種途徑的損失3 個方面［5]。15N 同位素示蹤研究表明，烤煙大田生育期吸收的氮素主要來源于土壤氮，打頂前以吸收肥料氮為主，成熟期以吸收土壤氮為主［5-8]。我國烤煙氮肥利用率較低，平均僅為30%～40%，南方一些煙區(qū)只有20%左右［5,9]。煙田氮肥損失的主要途徑是地表徑流、硝酸根淋溶及氨的揮發(fā)［5,10-13]。有報道指出，硝酸銨深施于煙田后約24%～29%被煙株吸收，38%～40%滲漏損失，32%～35%殘存于土壤中［14]。煙田肥料氮主要殘留于0～20 cm 土層的土壤中，隨氮用量增加，肥料氮向深層土壤中的淋溶量增大［3]，灌水會增加肥料氮的徑流和淋溶損失量［3,15]。可見，目前在煙田土壤供氮特征［3,6-8]、煙草對氮素的吸收利用［2-10]，以及煙田氮肥損失途徑［5,11-16]等研究方面已有不少報道。但針對多雨地區(qū)煙田氮素平衡的研究很少，特別是多雨地區(qū)煙田土壤殘留肥料氮去向的研究尚未見報道。為此，以烤煙品種K326 為材料，采用15N 同位素田間定位試驗，研究了多雨煙區(qū)不同施氮量條件下烤煙對氮素的吸收利用特征及煙田肥料氮的當季和第2 季去向，以期為優(yōu)化烤煙氮肥管理技術提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗條件

試驗于2011—2012 年在湖南瀏陽官渡煙草試驗站進行。試點年平均氣溫16.7～18.2 ℃，年日照時數(shù)1 490～1 850 h，全年無霜期235～293 d，年降水量1 457～2 247 mm。1980—2010 年煙草大田期內(nèi)降雨量平均值達880 mm 以上，試驗年份烤煙大田生育期總降雨量在908～1 101 mm（表1），屬典型的多雨煙區(qū)。試驗田前作為水稻，土壤質(zhì)地為壤土，基礎肥力如表2 所示。供試品種K326，2 年試驗的移栽期均為3 月26 日，行距120 cm，株距50 cm，種植密度16 500 株/hm2。

表1 烤煙各生育階段降雨量Tab.1 Rainfall at different growing stages of flue-cured tobacco （mm）

表2 2011 年試驗田土壤養(yǎng)分含量Tab.2 Soil nutrient contents in experimental fields in 2011

1.2 試驗設計

采用隨機區(qū)組試驗設計，設氮用量90、120 和150 kg/hm23 個處理，3 次重復，小區(qū)面積135 m2。2011 年試驗整地時在每個小區(qū)設置1 個微區(qū)進行15N 同位素試驗，微區(qū)長3.6 m，寬3.0 m，種煙3 行，每行6 株。每個微區(qū)四周用埋深1 m 的塑料隔板隔開，地上部分高50 cm，防止降雨泥沙濺出和小區(qū)外圍水分進入微區(qū)內(nèi)。分別在微區(qū)內(nèi)外修建徑流池和滲漏池，采用徑流和滲漏自動監(jiān)測系統(tǒng)收集并測定每次降雨煙田水分和泥沙的徑流量及60 cm 以下土層的滲漏量。試驗用肥料為硝酸銨、硝酸鉀、鈣鎂磷肥和硫酸鉀，微區(qū)內(nèi)氮肥用15N 標記的硝酸銨和硝酸鉀（15N 豐度10.28%）。各處理P2O5和K2O 用量分別為120 kg/hm2和300 kg/hm2。其中氮肥和鉀肥的60%作基肥，40%作追肥，磷肥全部作基肥。微區(qū)內(nèi)外的施肥用量和施肥方法一致，試驗田其他栽培管理方法按當?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術規(guī)范進行。

2012 年試驗設計與2011 年完全相同。為確保兩年試驗小區(qū)與微區(qū)排列重合，2011 年試驗結(jié)束后煙田休耕，對各小區(qū)和微區(qū)進行標記，第2 年按標記進行整地施肥、設置微區(qū)，但微區(qū)內(nèi)氮肥不再施用15N 同位素肥料。

1.3 測定項目與方法

在施肥起壟前和試驗結(jié)束后，采用5 點取樣法用土鉆采集試驗田0～20、20～40、40～60 cm 土層的土壤，參考鮑士旦［17]的方法測定pH 及有機質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量（質(zhì)量分數(shù)）。于烤煙現(xiàn)蕾期在每個小區(qū)和微區(qū)各選6 株采樣煙株掛牌標記，打頂時按單株收集打掉的頂芽及側(cè)芽，各部位煙葉成熟時按單株采收煙葉樣品，煙葉采收結(jié)束挖取采樣煙株，沖洗根系。每次所取煙株（根、莖、葉、頂芽和側(cè)芽）樣品均在105 ℃溫度下殺青，60 ℃烘干稱量，粉碎過250 μm（60 目）網(wǎng)篩。取樣結(jié)束按單株將根、莖、葉及頂芽和側(cè)芽樣品分開歸類，合并混勻后測定煙株全氮含量（質(zhì)量分數(shù)）和15N 原子百分超。在挖取煙株的同時，采用5 點取樣法在各微區(qū)內(nèi)外壟上距煙株莖基部10 cm 處，取0～20、20～40、40～60 cm 土層的土壤，測定全氮含量和15N 原子百分超；同時取每次徑流與滲漏的水樣和泥沙樣品，測定全氮含量和15N 原子百分超。其中煙株、土壤、泥沙及徑流和滲漏水樣中全氮含量采用凱氏定氮法測定，15N 原子百分超采用同位素質(zhì)譜儀（Finniga-Mat-251, Finnigan, Germany）測定，由中國科學院南京土壤研究所進行檢測。

計算公式：

煙株吸收的總氮量＝煙株干質(zhì)量×氮含量

煙株吸收肥料氮比例（%）＝（微區(qū)內(nèi)煙株15N原子百分超－微區(qū)外煙株自然豐度15N 原子百分超）/肥料15N 原子百分超×100

煙株吸收肥料氮量＝煙株吸收的總氮量×煙株吸收肥料氮比例

煙株吸收土壤氮量＝煙株吸收的總氮量－煙株吸收肥料氮量

煙株吸收土壤氮的比例（%）＝煙株吸收土壤氮量/煙株吸收的總氮量×100

氮肥利用率（%）＝煙株吸收肥料氮量/施氮量×100

肥料氮土壤殘留比例（%）＝（煙葉采收結(jié)束微區(qū)內(nèi)土壤15N 原子百分超－微區(qū)外土壤15N 原子百分超）/肥料15N 原子百分超×100

肥料氮土壤殘留量＝施氮量×肥料氮土壤殘留比例

肥料氮徑流損失比例（%）＝（微區(qū)內(nèi)徑流水和泥沙中15N 原子百分超－微區(qū)外徑流水和泥沙中15N 原子百分超）/肥料15N 原子百分超×100

肥料氮徑流損失量＝施氮量×肥料氮徑流損失比例

肥料氮滲漏損失比例（%）＝（微區(qū)內(nèi)滲漏水中15N 原子百分超－微區(qū)外滲漏水中15N 原子百分超）/肥料15N 原子百分超×100

肥料氮滲漏損失量＝施氮量×肥料氮滲漏損失比例

肥料氮其他形式損失量＝施氮量－煙株吸收肥料氮量－肥料氮土壤殘留量－肥料氮徑流損失量－肥料氮滲漏損失量

肥料氮其他形式損失比例（%）＝肥料氮其他形式損失量/施氮量×100

2 結(jié)果與分析

2.1 烤煙對氮素的吸收與分配

2.1.1 烤煙對肥料氮和土壤氮的吸收比例

2011年試驗結(jié)果表明，在施氮量90 ～150 kg/hm2范圍內(nèi)，烤煙對肥料氮和土壤氮的吸收量及總吸氮量的差異均不顯著，但隨施氮量增加煙株對肥料氮的吸收比例增大，對土壤氮的吸收比例減小。施氮量90、120、150 kg/hm2處理烤煙對肥料氮的吸收比例分別為55.18%、58.45%、60.44%，對土壤氮的吸收比例分別為44.82%、41.55%、39.56%（表3）。從肥料氮和土壤氮在煙株體內(nèi)的積累與分配情況看，不同施氮量處理烤煙根、莖、葉及側(cè)芽和頂芽中氮素積累量的差異均不顯著（表4），但烤煙各器官積累的氮素中來自肥料氮的比例均大于土壤氮的比例，且隨施氮量增大肥料氮所占比例升高（表5）。

表3 不同施氮量處理烤煙對土壤氮和肥料氮的吸收①Tab.3 Absorption of soil nitrogen and fertilizer nitrogen by flue-cured tobacco under different nitrogen fertilization treatments

表4 不同施氮量處理土壤氮和肥料氮在煙株體內(nèi)的積累量Tab.4 Accumulationof soilnitrogen andfertilizernitrogenintobacco plants underdifferentnitrogen fertilizationtreatments （kg·hm-2）

表5 煙株不同器官吸收土壤氮和肥料氮的比例Tab.5 Absorbed proportions of soil nitrogen and fertilizer nitrogen by different organs of tobacco plants （%）

2.1.2 烤煙對肥料氮的吸收與分配

從2011 年不同施氮量處理烤煙對肥料氮的吸收量及其在不同器官中的分配情況看，盡管3 個施氮量處理烤煙對肥料氮的吸收量沒有顯著差異，但隨施氮量增加，烤煙吸收的肥料氮在根、莖、側(cè)芽和頂芽中的分配比例有減小的趨勢，在葉中的分配比例有增大的趨勢，高施氮量處理（150 kg/hm2）烤煙吸收的氮素在葉中的分配比例達到54.14%，較低施氮量處理（90 kg/hm2）增加13.54 百分點（表6）。增施氮肥促進了烤煙吸收的氮素向葉中分配，這是施氮量較大時烤煙葉片總氮含量較高的主要原因。

表6 不同施氮量處理烤煙對肥料氮的吸收與分配Tab.6 Absorption and distribution of fertilizer nitrogen by flue-cured tobacco under different nitrogen fertilization treatments

2.2 煙田氮素平衡

由于本試驗中未進行秸稈還田和灌溉，所用肥料全部為化肥，因此在不考慮降雨帶入養(yǎng)分的情況下，煙田土壤養(yǎng)分的收入主要來自所施用的肥料，養(yǎng)分支出包括烤煙對養(yǎng)分的吸收利用，養(yǎng)分在土壤中的殘留，及養(yǎng)分的徑流、滲漏和其他形式損失。由表7 可知，在2011 年烤煙大田生育期內(nèi)降雨量908 mm 條件下，隨施氮量增加烤煙對肥料氮的吸收量有增大的趨勢，但不同施氮量處理間差異不顯著，而肥料氮的土壤殘留量及徑流、滲漏和其他形式損失量顯著增大，烤煙對氮肥的利用率明顯降低。在施氮量90～150 kg/hm2范圍內(nèi)，烤煙對肥料氮的吸收量由28.25 kg/hm2增加至32.52 kg/hm2，氮肥利用率由31.39%降低至21.68%；肥料氮在煙田土壤中的殘留量在24.89～45.77 kg/hm2之間，占施氮量的27.65%～30.51%；徑流損失量達20.18～38.69 kg/hm2，占施氮量的22.42%～25.79%；滲漏損失量為10.88～22.74 kg/hm2，占施氮量的12.09%～15.16%；其他形式損失量5.82～10.29 kg/hm2，占施氮量的6.47%～6.86%。可見，在烤煙生育期內(nèi)降雨量900 mm 以上的多雨地區(qū)，煙田肥料氮的土壤殘留量、徑流損失量和滲漏損失量較大，以其他形式的損失量也不可忽略，這是多雨煙區(qū)烤煙氮肥當季利用率較低的主要原因。

表8 是第1 季（2011 年）煙田土壤殘留的肥料氮在第2 季（2012 年）煙田土壤中的再平衡狀況。在2012 年烤煙大田生育期內(nèi)降雨量1 101 mm 條件下，隨施氮量增加，烤煙的總吸氮量及其對煙田土壤殘留肥料氮的吸收量、殘留肥料氮在第2季土壤中的再殘留量以及殘留肥料氮的徑流損失量和滲漏損失量都明顯增大，其中高施氮量處理顯著大于低施氮量處理。在施氮量90～150 kg/hm2范圍內(nèi)，烤煙對氮素的總吸收量達53.52～73.26 kg/hm2，其中來自煙田殘留肥料氮的量為6.39～12.22 kg/hm2，占 肥 料 氮 殘 留 量 的25.67%～26.70%，占當季烤煙施氮量的百分比（即殘留肥料氮的再利用率）為7.10%～8.15%。當季煙田殘留的肥料氮在第2 季煙田土壤中的再殘留量為8.00～14.92 kg/hm2，占施氮量的8.89%～9.95%；徑流損失量為4.01～7.01 kg/hm2，占施氮量的4.46%～4.68%；滲漏損失量為5.36～9.88 kg/hm2，占施氮量的5.73%～6.59%；其他形式損失量為1.13～1.74 kg/hm2，占施氮量的1.16%～1.37%。由此可知，在烤煙大田生育期中，降雨量為900～1 100 mm 的多雨地區(qū)，當年（季）施入煙田的肥料氮在第2 年（季）仍有較大量被煙株吸收利用或在土壤中繼續(xù)殘留，徑流損失和滲漏損失仍然是煙田土壤中殘留肥料氮損失的主要途徑。

表7 不同施氮量處理烤煙當季煙田土壤氮素平衡（2011）Tab.7 Soil nitrogen balance in tobacco-planting fields during growing season of flue-cured tobacco under different nitrogen fertilization treatments in 2011

表8 不同施氮量處理當季煙田土壤殘留肥料氮在第2 季的再平衡（2012）Tab.8 Nitrogen rebalance of soil residual fertilizer in tobacco-planting fields during the second growing season of flue-cured tobacco under different nitrogen fertilization treatments in 2012

3 討論

烤煙體內(nèi)積累的氮素主要來源于肥料氮和土壤氮［6-8]。郭培國等［18]研究表明，烤煙全生育期積累的氮素以土壤氮為主，隨氮肥用量增加，烤煙對肥料氮的吸收量增大，對土壤氮的吸收量減少。劉衛(wèi)群等［6]研究指出，烤煙移栽后5 周內(nèi)積累的氮素以肥料氮為主，移栽9 周后積累的氮素以土壤氮為主。本試驗結(jié)果表明，在施氮量90～150 g/hm2范圍內(nèi)，烤煙生長后期（打頂～采收結(jié)束）對肥料氮的吸收比例大于對土壤氮的吸收比例。這與前人的研究結(jié)果不盡相同，其原因可能與試驗條件不同有關。有研究認為，烤煙對肥料氮和土壤氮的吸收比例受土壤有機質(zhì)含量的影響，在有機質(zhì)含量高的土壤上，烤煙生長前期以吸收肥料氮為主，后期以吸收土壤氮為主；而在有機質(zhì)含量低的土壤上，烤煙全生育期均以吸收肥料氮為主［19]。本試驗的耕層土壤有機質(zhì)含量在2.9%以下，低于稻—煙輪作區(qū)植煙土壤有機質(zhì)含量高（3.5%～4.5%）的標準，有可能影響烤煙對土壤氮和肥料氮的吸收比例。此外，本研究中從烤煙下部煙葉成熟采收開始取樣，直到煙葉生產(chǎn)季節(jié)結(jié)束，測定結(jié)果反映的是烤煙全生育期對土壤氮和肥料氮的累積吸收情況，而不是僅在成熟期的吸收比例，這可能是本試驗與前人研究結(jié)果不一致的主要原因。本試驗中隨施氮量增加，烤煙對肥料氮的吸收比例增大，對土壤氮的吸收比例減小，與韓錦峰等［20]的研究結(jié)果一致。隨施氮量增加，烤煙吸收的肥料氮在根、莖、側(cè)芽和頂芽中的分配比例有減小趨勢，在葉中的分配比例有增大趨勢，說明增施氮肥促進了烤煙吸收的肥料氮向葉中分配，有利于提高葉片含氮量。

15N 示蹤法可以準確跟蹤檢測肥料氮施入土壤后的轉(zhuǎn)化與去向，是研究肥料氮施入土壤后被作物吸收及其淋溶、揮發(fā)、在土壤中殘留等問題比較可靠的方法［21]。煙田肥料氮的去向和損失途徑受土壤質(zhì)地（類型）、種植方式、肥料種類、施肥量、施肥時期與方法、降雨與灌溉等多種因素的影響，不同研究者報道的結(jié)果有很大差異［5,16]。楊宏敏等［22]研究發(fā)現(xiàn)，硝酸銨施入土壤后的利用率為17%～26%，在土壤中的殘留率盆栽試驗為15%～38%，田間微區(qū)試驗為20%～36%，損失率大于40%。單德鑫等［23]研究表明，肥料氮施入土壤中有39%～53%被煙株吸收利用，22%～41%損失，20%～37%殘留于土壤中。本試驗結(jié)果表明，在施氮量90～150 kg/hm2范圍內(nèi)，烤煙對肥料氮的當季利用率為31.38%～21.68%，肥料氮在煙田0～60 cm 土層土壤中的殘留量占施氮量的27.65%～30.51%，徑流和滲漏損失率分別為22.42%～25.79%和12.09%～15.16%，以其他形式損失率達6.47%～6.86%。隨施氮量增加，氮肥利用率下降，肥料氮在土壤中的殘留量及其徑流、滲漏和其他形式的損失量都明顯增大，這可能與試驗年份煙草大田生育期內(nèi)的降雨量較大（900～1 100 mm）有關。有研究指出，在烤煙生育期內(nèi)降雨量和降雨強度大，肥料氮的徑流損失及其向深層土壤中的淋溶損失量多，氨揮發(fā)和反硝化損失量大［11,16,24-25]；而采用覆蓋栽培［12]，降低氮肥用量［26]，增加追肥比例［11,26]，有機肥與無機肥配施［12-13]等均能不同程度減少煙田氮肥徑流和淋溶損失。在本研究中還發(fā)現(xiàn)，當年（季）施入煙田的肥料氮在第2 年（季）仍有較大量被烤煙吸收利用或在土壤中殘留，這與侯毛毛等［27]的研究結(jié)果一致。由于煙田殘留的肥料氮在第2 年（季）烤煙栽培中已屬于土壤氮，其徑流和滲漏損失量仍然較大，說明徑流和滲漏也是煙田土壤氮損失的主要途徑。

綜上所述，施入煙田的氮素肥料在土壤中殘留量較多，徑流損失量和滲漏損失量較大，還有部分肥料氮以其他形式損失掉；而且施氮量越高，肥料氮的土壤殘留量和各種形式的損失量越大，這是導致多雨煙區(qū)烤煙氮肥利用率較低的主要原因。盡管煙田殘留的肥料氮在第2 季仍有較大量可被烤煙吸收利用，但其徑流和滲漏損失量仍然較大。因此適當控制氮素用量，采取有效措施減少氮肥的徑流和滲漏損失是提高多雨地區(qū)烤煙氮肥利用率的主要途徑。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，在煙草大田生育期內(nèi)降雨量900～1 100 mm 的多雨地區(qū)，隨施氮量增大，烤煙對肥料氮的吸收比例及肥料氮在煙草葉片中的分配比例都有增加的趨勢，但氮肥的當季利用率明顯降低，肥料氮在土壤中的殘留量及其徑流、滲漏和其他形式的損失量都顯著增大。在施氮量90～150 kg/hm2范圍內(nèi)，施入煙田的肥料氮有21.68%～31.38%被當季烤煙吸收利用，22.42%～25.79%被降雨造成的地表徑流水帶走，12.09%～15.16%向地表60 cm 以下土層滲漏，6.47%～6.86%以其他形式損失，還有27.65%～30.51%殘留于煙田土壤0～60 cm 土層中。煙田殘留的肥料氮在第2年（季）被烤煙再吸收利用率為7.1%～8.15%，徑流和滲漏損失量分別為4.46%～4.68%和5.73%～6.59%，以其他形式損失量為1.16%～1.37%，在土壤中的殘留量仍有8.89%～9.95%。兩年（季）合計，烤煙對氮肥的綜合利用率為29.83%～38.49%，肥料氮在煙田土壤中的殘留量為8.89%～9.95%，徑流和滲漏損失量分別達26.88%～30.47%和18.04%～21.75%，其他形式損失量為7.72～8.02%。