煙稻輪作系統下煙田土壤NH3揮發特征及影響因素分析

李曉龍，方明，殷全玉，李宏光，李正輝，王羿，侯建林，吳文信，李思軍

（1.河南農業大學煙草學院，河南 鄭州 450003；2.湖南省煙草公司郴州市公司，湖南 郴州 423000）

中國是世界第一烤煙種植大國，煙草的產量和質量對經濟的平穩發展具有重要意義。實際生產中常用氮肥補充氮素，因此氮肥施用量和利用率問題至關重要，根據凌壽軍［1］的研究烤煙氮肥利用率僅為20%～50%，南方多雨地區利用率更低，只有20%左右。作為氮素氣體損失的主要途徑，NH3損失量在適宜環境下可達施氮量的40%～50%［2］，農田NH3揮發不僅增加生產成本而且會造成環境污染［3］。有研究表明NH3誘生的無機氣溶膠是中國霧霾的主要促成因素［4］，且NH3會隨著大氣沉降回到陸地或地表水，過量的氨沉降會引發土壤酸化、水體富營養化、生物多樣性減少等一系列環境問題［5，6］；也有研究發現沉降到地表的氨還可作為N2O排放底物的間接次要來源［7］。通過減少農田的NH3揮發損失提高氮肥利用率，是農田生態可持續發展的關鍵。

目前已有大量研究表明，NH3揮發受氣溫［8］、土壤含水率［9］、pH值、土壤有機質含量［10］、土壤硝態氮、銨態氮含量影響。但不同地域、不同生態系統中土壤理化性質、微生物群落、礦化速率等差別較大，施肥量、施肥方式也各有特點，只有監測在特定地域、作物下的NH3揮發才能準確定量其特征并做出針對性措施。我國關于NH3揮發的研究主要集中于小麥-玉米［11］、水稻［12］、棉花［13］、蔬菜［14］等作物土壤上，尚未見煙稻輪作系統下煙田土壤NH3揮發特征的研究。湖南煙區主要為亞熱帶季風性濕潤氣候區，降雨量充沛，是典型煙稻輪作產區，單季煙田施氮量可達142.5～165 kg/hm2［15］，較高的氮肥投入與較低的氮利用效率成為限制湖南煙葉生產發展的主要因素。因此我們在湖南桂陽煙草主產區設置單施化肥和化肥配施有機肥試驗處理，研究兩種施肥模式對煙稻輪作系統下煙田土壤NH3揮發特征的影響和NH3揮發的環境驅動因子，旨在為減少氮素的氣態損失、提高煙田氮肥利用率以及評價NH3揮發所產生的環境效應提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021年3月在湖南桂陽縣龍潭街道汪山組土地上進行。該區位于112°42′15″E、25°45′43″N，海拔228 m，年平均氣溫17.2℃，年平均日照時數1705.4 h，年平均降水量1385.2 mm。種植方式為煙稻輪作。土壤為水稻土，質地粉壤，耕層土壤基礎肥力：硝態氮28.21 mg/kg、銨態氮6.94 mg/kg、堿解氮37.00 mg/kg、速效磷34.58 mg/kg、速效鉀273.94 mg/kg、有機質25.05 g/kg，pH值7.8。

1.2 供試材料

供試烤煙品種為湘煙7號，由郴州市煙草公司提供。供試餅肥：生物發酵菜籽餅（N∶P2O5∶K2O=5∶2∶1，有機質≥70%）。供試化肥：煙草專用基肥（N∶P2O5∶K2O=8∶17∶7，硝態氮/總氮≥15%）、硫酸鉀（K2O 52%）、過磷酸鈣（P2O512%）和磷酸二氫鉀（P2O5∶K2O=52∶34）、提苗肥（N∶P2O5=20∶9，硝態氮/總氮≥40%）、煙草專用追肥（N∶K2O=11∶31，硝態氮/總氮≥50%）。

1.3 試驗設計

試驗共設3個處理，分別為CK：不施氮肥；T1：單施化肥；T2：化肥配施有機肥。3個處理均以硫酸鉀、磷酸二氫鉀、過磷酸鈣補充磷鉀元素，保證各處理磷鉀含量一致，各時期肥料施入量如表1所示。隨機區組排列，重復3次。小區面積90 m2，每小區栽植150株，地邊設2行保護行。

表1 不同處理施肥量 （kg/hm2）

煙田起壟后，在壟上挖穴深15 cm，基肥于2021年3月10日施入穴中，3月14日移栽煙草幼苗，追肥分6次施入（表2）。按照當地常規生產栽培管理辦法進行大田管理。

表2 不同處理氮肥施入量和施入時期（kg/hm2）

試驗地煙株4月15日進入旺長期，5月5日現蕾，5月6日至10日進行打頂抹腋芽，6月10日開始采收下部葉，分3次采收，6月26日采收結束。

1.4 NH3采集及測定方法

1.4.1 NH3收集及測定方法 NH3收集裝置：氨揮發采用通氣法測定，裝置主體由PVC管組成，上方固定有塑料板用于遮陽擋雨，其示意圖見圖1。

圖1 NH3采集裝置示意圖

樣品的收集：測定時將兩塊直徑為16 cm、高2 cm、涂抹有15 mL磷酸甘油（50 mL磷酸+40 mL丙三醇，定容至1 L）的海綿置于裝置內，下層海綿距離底部5 cm，上層海綿與裝置頂部平齊，用于吸收空氣中的NH3。于每次施肥后1、2、3、5、7、15 d（實際取樣會根據天氣而調整）隨機放置在壟上，裝置插入表層土1 cm深，防止漏氣，集氣時間為24 h。每天上午10∶00—11∶00取上層海綿裝入自封袋密封后，立刻送回實驗室放入500 mL三角瓶內并加入300 mL的2 mol/L KCl溶液，振蕩浸提得到待測液，冷凍儲存并于7 d內測定NH3含量。

1.4.2 土樣指標測定方法 收集NH3時取土樣，并用TP101電子數顯溫度計測量5 cm土溫，一部分土樣在105℃下烘至恒重測定土壤含水率，另一部分用2 mol/L濃度KCl溶液浸提過濾，用SmarChem140全自動化學分析儀（AMS，意大利）測硝態氮、銨態氮含量。

1.5 數據處理與分析

氣溫數據來源于中國氣象網。

土壤NH3揮發速率和累積揮發量計算方法：

土壤NH3揮發速率：

式中：V為土壤的NH3揮發速率［kg/（hm2·d）］，M為單個裝置NH3-N平均單次測定值（mg），A為收集裝置的截面積（m2），D為每次連續收集的時間（d）。

土壤NH3累積揮發量：

式中：S為土壤NH3累積揮發量（kg/hm2），n表示施肥后測定的次數，Ti表示第i次測定施肥后的時間（d），Vi為測定第i次時的氨揮發速率［kg/（hm2·d）］。

土壤NH3揮發系數：

式中：I為土壤NH3揮發系數，表示以NH3形式揮發損失的氮素占施氮量的百分比。SN表示施氮處理NH3-N累積揮發量（kg/hm2），SCK表示不施氮處理NH3-N累積揮發量（kg/hm2），N為施氮量（kg/hm2）。

土壤NH3揮發強度：

式中：C為土壤NH3揮發強度，表示每生產單位質量煙葉所揮發的NH3-N（g/kg）。S為土壤NH3揮發累積損失量（kg/hm2），Y為產量（kg/hm2）。

采用Microsoft Excel 2019對數據進行整理，DPS軟件的LSD法（P＜0.05）進行顯著性分析，Origin 2019 pro軟件繪圖，JMP Pro16軟件進行主成分及相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理植煙土壤NH3揮發速率動態變化

由圖2可知，土壤NH3揮發第1個峰值在基肥施入后第7 d出現，此時T2處理NH3揮發速率為2.55 kg/（hm2·d），較T1處理降低9.57%。第1次追肥后5 d，NH3揮發呈持續下降趨勢，可能是氣溫驟降所導致。于第2次追肥后第4 d，第3次追肥后第5 d均監測到NH3揮發速率峰值，T2處理NH3揮發速率分別為1.13 kg/（hm2·d）和0.90 kg/（hm2·d），較T1處理分別降低12.6%和10.43%。第4個峰值于第6次追肥后第2 d出現，此時T2處理NH3揮發速率為1.13 kg/（hm2·d），較T1處理降低18.13%。整個生育期4次NH3揮發速率峰值均表現為T1＞T2＞CK，表明有機肥施入降低NH3揮發速率峰值。

圖2 植煙土壤NH3揮發速率動態變化

監測期內施氮處理NH3揮發速率在0.14～2.82 kg/（hm2·d）之間變化，不施氮處理變幅較小，為0.02～0.39 kg/（hm2·d），施氮肥是刺激NH3揮發的關鍵因素。基肥揮發高峰區間處于煙草緩苗期，此時煙草對氮素需求量較小，氮素以NH3形式揮發損失較大。第4次追肥未出現峰值，此時氣溫較低，且煙草處于旺長期對氮素需求量大，消耗土壤中硝銨態氮，氮素以氣態NH3揮發損失較小。施氮肥處理最后一次峰值出現在煙草成熟期，之后揮發速率逐漸降低但始終高于CK，原因可能是成熟期煙株對氮素需求量減少，未被煙草利用的氮素殘留于土壤中而致NH3揮發。

2.2 不同處理對植煙土壤NH3累積揮發量和平均揮發速率的影響

由圖3看出，CK的NH3平均揮發速率和累積揮發量分別為0.14 kg/（hm2·d）和11.88 kg/hm2，顯著低于施氮肥處理。T2處理NH3平均揮發速率和累積揮發量分別為0.65 kg/（hm2·d）和34.19 kg/hm2，較T1分別降低18.75%和15.71%，且差異達顯著水平。表明在等量化肥氮條件下，增施有機肥可有效降低NH3揮發。

圖3 不同處理NH3平均揮發速率和累積揮發量

2.3 不同處理對植煙土壤NH3揮發系數和揮發強度的影響

由表3可知，T2處理煙葉產量為2297.03 kg/hm2，較T1處理顯著增產7.65%。T2處理NH3揮發系數為17.91%，NH3揮發強度為14.97 g/kg，較T1處理分別降低25.41%和25.19%，差異均達到顯著水平。表明，在等量化肥氮基礎上增施有機肥不僅顯著增加煙葉產量而且顯著降低土壤NH3揮發。

表3 不同處理土壤NH3揮發系數、揮發強度和煙葉產量

2.4 土壤NH3揮發的環境驅動因子相關性分析

2.4.1 氣溫、土溫和土壤含水率對NH3揮發的影響 如圖4所示，隨著時間推移煙田氣溫和土溫逐漸升高，分別在8.25～30℃和11.00～26.23℃之間動態變化，土壤含水率因降雨、灌溉等影響，在19.41%～27.96%范圍內波動。

圖4 土溫、氣溫和土壤含水率動態變化

主成分分析結果（圖5）表明，氣溫、土溫和土壤含水率是影響土壤NH3揮發的關鍵因素。相關性分析（表4）結果顯示氣溫、土溫與NH3揮發呈正相關，土壤含水率與NH3揮發呈負相關，且相關性均達到顯著或極顯著水平。

表4 土壤NH3揮發速率與環境驅動因子的相關關系

圖5 不同處理主成分分析

2.4.2 土壤硝態氮、銨態氮對土壤NH3揮發的影響 由圖6可知，銨態氮含量表現為前期高后期低，硝態氮含量則相反，兩者增長規律相似，均表現為施肥后含量顯著增加，后逐漸下降。土壤硝態氮在27.43～96.89 mg/kg之間波動，銨態氮在6.73～8.16 mg/kg之間波動，CK、T1、T2處理硝態氮平均含量分別為32.61、49.74、53.83 mg/kg，銨態氮平均含量為8.34、11.85、10.87 mg/kg。由主成分分析（圖5）可知，土壤銨態氮含量是促進NH3揮發的主導因素之一。相關性分析結果表明，土壤銨態氮含量與NH3揮發呈顯著正相關，硝態氮與土壤NH3揮發具有一定負相關關系（表4）。

圖6 不同處理土壤硝態氮和銨態氮含量動態變化

3 討論

3.1 單施化肥氮和再增施有機肥對煙草產量及NH3揮發的影響

有研究表明土壤NH3揮發峰總是在施肥后2～7 d內出現［16-18］，本試驗整個監測期內，NH3揮發峰表現出相似規律。施氮處理基肥后NH3揮發峰值大于追肥期峰值，原因可能是基肥中銨態氮占比較高且用量大，水解后導致土壤中NH+4濃度迅速增加，刺激氨揮發［19］。本研究中有機肥的施入使NH3平均揮發速率顯著降低18.75%。

NH3揮發損失是稻田等農田土壤中氮素氣態損失的主要形式，平均損失率在14%～32%范圍內［20］。本研究中，單施化肥處理NH3揮發系數為24.01%，處于偏高水平。從需肥規律來看，煙草緩苗期對氮素需求量少，此時基肥的水解提供大量銨態氮并易通過NH3形式揮發損失，且成熟期土壤銨態氮含量仍然較高也可能是導致NH3揮發量較大的原因。葛順峰等［21］研究發現增施有機肥可降低蘋果園土壤氨揮發。當有機氮投入量占總氮量10%～20%時可顯著提升土壤酶活和產量［22，23］。但也有研究表明，有機肥施入，提供更多NH3揮發底物，促進NH3揮發發生［24］。本試驗中T2處理有機氮占施入總氮量12%，與單施化肥相比，顯著增產7.65%，NH3揮發系數顯著降低25.41%，NH3累積揮發量顯著降低15.71%。究其原因可能是增施有機肥提高土壤微生物多樣性，有利于土壤微生態系統平衡，對煙株具有積極作用［25］。同時有機肥在分解過程中會產生有機酸，降低土壤pH值，促進團聚體的形成［26］，增強土壤吸附的能力，增加土壤持水量，降低土壤液相中濃度，從而抑制NH3揮發［27］。

3.2 植煙土壤NH3揮發對環境因子的響應

土壤理化性質可直接或間接調控土壤液相中NH+4與NH3之間的轉化，進而影響土壤NH3揮發過程［28］。其中土壤含水率影響肥料在土壤中的轉化過程，如碳銨等肥料的水解過程，從而影響土壤NH3揮發。土壤含水率會影響NH3揮發［29］，有研究發現，降雨和灌溉后，NH3揮發顯著降低［30］。本研究相關性分析顯示，NH3揮發與土壤含水率呈負相關，可能原因是每次施肥后均有降雨發生，氮素淋溶至深層土壤從而抑制氨揮發［31］。溫度是影響NH3揮發的主要因素之一，溫度升高增大土壤溶液濃度，加速轉化為NH3的過程，促使NH3揮發。王文林［29］、周靜［32］等研究表明，溫度較高，土壤中水分散失速率快，散失過程中水汽的攜帶作用會增加NH3揮發量。楊潔［33］研究表明土溫與NH3揮發呈顯著正相關。本試驗中，氣溫、土溫與NH3揮發呈顯著或極顯著正相關，與前人研究一致。土壤pH值是影響田間NH3揮發的重要因素之一。有研究表明，pH值升高可促進土壤NH3揮發［2］。本試驗土壤pH值為7.8，偏堿性，這也可能是NH3揮發較高的原因之一。

農田NH3揮發可以描述為土壤膠體所吸附的轉化為土壤溶液中的游離態，然后轉化為NH3逸出到空氣中的過程［34］。銨態氮作為NH3揮發的底物，其在土壤中含量高低決定NH3揮發的多少。相關性分析顯示土壤銨態氮與NH3揮發呈顯著或極顯著正相關，硝態氮與NH3揮發具有一定負相關性，這與董怡華［35］、李凡［36］等的研究結果一致。

4 結論

煙稻輪作系統下煙田土壤NH3揮發與施肥密切相關，氮肥施入2～7 d內出現揮發速率峰值，化肥配施有機肥不僅顯著增加煙葉產量，而且可顯著降低土壤NH3平均揮發速率、揮發系數、累積揮發量及揮發強度。

氣溫、土壤溫度、含水率、銨態氮含量是影響煙稻輪作系統下煙田土壤NH3揮發的主導因素，含水率與NH3揮發呈顯著負相關，氣溫、土壤溫度、銨態氮含量與NH3揮發呈顯著正相關。