基于微区设计的多雨地区烟田土壤氮素平衡研究

汪耀富，邵孝侯，孙德梅，陈立华

1. 湖南中烟工业有限责任公司技术中心，长沙市劳动中路386 号 410007

2. 河海大学水利水电学院，南京市西康路1 号 210098

3. 河南中医药大学药学院，郑州市金水东路1 号 450008

氮素是烟草最重要的营养元素，氮肥形态、用量和施用方法对烤烟生长发育、生理生化代谢、烟叶产量与品质都有显著的影响［1-3]。为提高烟叶质量和可用性，烤烟的施氮量必须保持在适宜水平。然而，目前我国烟叶生产中普遍存在过量施用氮肥的问题，导致烤烟氮肥当季利用率低，烟叶可用性差，并出现了一系列环境问题［4-5]。因此，探明烤烟大田生育期对氮素的吸收特性以及肥料氮进入土壤后的去向是实现烟草氮素养分有效管理的基础。烟田肥料氮的去向包括烟株吸收利用、土壤残留和各种途径的损失3 个方面［5]。15N 同位素示踪研究表明，烤烟大田生育期吸收的氮素主要来源于土壤氮，打顶前以吸收肥料氮为主，成熟期以吸收土壤氮为主［5-8]。我国烤烟氮肥利用率较低，平均仅为30%～40%，南方一些烟区只有20%左右［5,9]。烟田氮肥损失的主要途径是地表径流、硝酸根淋溶及氨的挥发［5,10-13]。有报道指出，硝酸铵深施于烟田后约24%～29%被烟株吸收，38%～40%渗漏损失，32%～35%残存于土壤中［14]。烟田肥料氮主要残留于0～20 cm 土层的土壤中，随氮用量增加，肥料氮向深层土壤中的淋溶量增大［3]，灌水会增加肥料氮的径流和淋溶损失量［3,15]。可见，目前在烟田土壤供氮特征［3,6-8]、烟草对氮素的吸收利用［2-10]，以及烟田氮肥损失途径［5,11-16]等研究方面已有不少报道。但针对多雨地区烟田氮素平衡的研究很少，特别是多雨地区烟田土壤残留肥料氮去向的研究尚未见报道。为此，以烤烟品种K326 为材料，采用15N 同位素田间定位试验，研究了多雨烟区不同施氮量条件下烤烟对氮素的吸收利用特征及烟田肥料氮的当季和第2 季去向，以期为优化烤烟氮肥管理技术提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验条件

试验于2011—2012 年在湖南浏阳官渡烟草试验站进行。试点年平均气温16.7～18.2 ℃，年日照时数1 490～1 850 h，全年无霜期235～293 d，年降水量1 457～2 247 mm。1980—2010 年烟草大田期内降雨量平均值达880 mm 以上，试验年份烤烟大田生育期总降雨量在908～1 101 mm（表1），属典型的多雨烟区。试验田前作为水稻，土壤质地为壤土，基础肥力如表2 所示。供试品种K326，2 年试验的移栽期均为3 月26 日，行距120 cm，株距50 cm，种植密度16 500 株/hm2。

表1 烤烟各生育阶段降雨量Tab.1 Rainfall at different growing stages of flue-cured tobacco （mm）

表2 2011 年试验田土壤养分含量Tab.2 Soil nutrient contents in experimental fields in 2011

1.2 试验设计

采用随机区组试验设计，设氮用量90、120 和150 kg/hm23 个处理，3 次重复，小区面积135 m2。2011 年试验整地时在每个小区设置1 个微区进行15N 同位素试验，微区长3.6 m，宽3.0 m，种烟3 行，每行6 株。每个微区四周用埋深1 m 的塑料隔板隔开，地上部分高50 cm，防止降雨泥沙溅出和小区外围水分进入微区内。分别在微区内外修建径流池和渗漏池，采用径流和渗漏自动监测系统收集并测定每次降雨烟田水分和泥沙的径流量及60 cm 以下土层的渗漏量。试验用肥料为硝酸铵、硝酸钾、钙镁磷肥和硫酸钾，微区内氮肥用15N 标记的硝酸铵和硝酸钾（15N 丰度10.28%）。各处理P2O5和K2O 用量分别为120 kg/hm2和300 kg/hm2。其中氮肥和钾肥的60%作基肥，40%作追肥，磷肥全部作基肥。微区内外的施肥用量和施肥方法一致，试验田其他栽培管理方法按当地优质烟叶生产技术规范进行。

2012 年试验设计与2011 年完全相同。为确保两年试验小区与微区排列重合，2011 年试验结束后烟田休耕，对各小区和微区进行标记，第2 年按标记进行整地施肥、设置微区，但微区内氮肥不再施用15N 同位素肥料。

1.3 测定项目与方法

在施肥起垄前和试验结束后，采用5 点取样法用土钻采集试验田0～20、20～40、40～60 cm 土层的土壤，参考鲍士旦［17]的方法测定pH 及有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量（质量分数）。于烤烟现蕾期在每个小区和微区各选6 株采样烟株挂牌标记，打顶时按单株收集打掉的顶芽及侧芽，各部位烟叶成熟时按单株采收烟叶样品，烟叶采收结束挖取采样烟株，冲洗根系。每次所取烟株（根、茎、叶、顶芽和侧芽）样品均在105 ℃温度下杀青，60 ℃烘干称量，粉碎过250 µm（60 目）网筛。取样结束按单株将根、茎、叶及顶芽和侧芽样品分开归类，合并混匀后测定烟株全氮含量（质量分数）和15N 原子百分超。在挖取烟株的同时，采用5 点取样法在各微区内外垄上距烟株茎基部10 cm 处，取0～20、20～40、40～60 cm 土层的土壤，测定全氮含量和15N 原子百分超；同时取每次径流与渗漏的水样和泥沙样品，测定全氮含量和15N 原子百分超。其中烟株、土壤、泥沙及径流和渗漏水样中全氮含量采用凯氏定氮法测定，15N 原子百分超采用同位素质谱仪（Finniga-Mat-251, Finnigan, Germany）测定，由中国科学院南京土壤研究所进行检测。

计算公式：

烟株吸收的总氮量＝烟株干质量×氮含量

烟株吸收肥料氮比例（%）＝（微区内烟株15N原子百分超－微区外烟株自然丰度15N 原子百分超）/肥料15N 原子百分超×100

烟株吸收肥料氮量＝烟株吸收的总氮量×烟株吸收肥料氮比例

烟株吸收土壤氮量＝烟株吸收的总氮量－烟株吸收肥料氮量

烟株吸收土壤氮的比例（%）＝烟株吸收土壤氮量/烟株吸收的总氮量×100

氮肥利用率（%）＝烟株吸收肥料氮量/施氮量×100

肥料氮土壤残留比例（%）＝（烟叶采收结束微区内土壤15N 原子百分超－微区外土壤15N 原子百分超）/肥料15N 原子百分超×100

肥料氮土壤残留量＝施氮量×肥料氮土壤残留比例

肥料氮径流损失比例（%）＝（微区内径流水和泥沙中15N 原子百分超－微区外径流水和泥沙中15N 原子百分超）/肥料15N 原子百分超×100

肥料氮径流损失量＝施氮量×肥料氮径流损失比例

肥料氮渗漏损失比例（%）＝（微区内渗漏水中15N 原子百分超－微区外渗漏水中15N 原子百分超）/肥料15N 原子百分超×100

肥料氮渗漏损失量＝施氮量×肥料氮渗漏损失比例

肥料氮其他形式损失量＝施氮量－烟株吸收肥料氮量－肥料氮土壤残留量－肥料氮径流损失量－肥料氮渗漏损失量

肥料氮其他形式损失比例（%）＝肥料氮其他形式损失量/施氮量×100

2 结果与分析

2.1 烤烟对氮素的吸收与分配

2.1.1 烤烟对肥料氮和土壤氮的吸收比例

2011年试验结果表明，在施氮量90 ～150 kg/hm2范围内，烤烟对肥料氮和土壤氮的吸收量及总吸氮量的差异均不显著，但随施氮量增加烟株对肥料氮的吸收比例增大，对土壤氮的吸收比例减小。施氮量90、120、150 kg/hm2处理烤烟对肥料氮的吸收比例分别为55.18%、58.45%、60.44%，对土壤氮的吸收比例分别为44.82%、41.55%、39.56%（表3）。从肥料氮和土壤氮在烟株体内的积累与分配情况看，不同施氮量处理烤烟根、茎、叶及侧芽和顶芽中氮素积累量的差异均不显著（表4），但烤烟各器官积累的氮素中来自肥料氮的比例均大于土壤氮的比例，且随施氮量增大肥料氮所占比例升高（表5）。

表3 不同施氮量处理烤烟对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 不同施氮量处理土壤氮和肥料氮在烟株体内的积累量Tab.4 Accumulationof soilnitrogen andfertilizernitrogenintobacco plants underdifferentnitrogen fertilizationtreatments （kg·hm-2）

表5 烟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 烤烟对肥料氮的吸收与分配

从2011 年不同施氮量处理烤烟对肥料氮的吸收量及其在不同器官中的分配情况看，尽管3 个施氮量处理烤烟对肥料氮的吸收量没有显著差异，但随施氮量增加，烤烟吸收的肥料氮在根、茎、侧芽和顶芽中的分配比例有减小的趋势，在叶中的分配比例有增大的趋势，高施氮量处理（150 kg/hm2）烤烟吸收的氮素在叶中的分配比例达到54.14%，较低施氮量处理（90 kg/hm2）增加13.54 百分点（表6）。增施氮肥促进了烤烟吸收的氮素向叶中分配，这是施氮量较大时烤烟叶片总氮含量较高的主要原因。

表6 不同施氮量处理烤烟对肥料氮的吸收与分配Tab.6 Absorption and distribution of fertilizer nitrogen by flue-cured tobacco under different nitrogen fertilization treatments

2.2 烟田氮素平衡

由于本试验中未进行秸秆还田和灌溉，所用肥料全部为化肥，因此在不考虑降雨带入养分的情况下，烟田土壤养分的收入主要来自所施用的肥料，养分支出包括烤烟对养分的吸收利用，养分在土壤中的残留，及养分的径流、渗漏和其他形式损失。由表7 可知，在2011 年烤烟大田生育期内降雨量908 mm 条件下，随施氮量增加烤烟对肥料氮的吸收量有增大的趋势，但不同施氮量处理间差异不显著，而肥料氮的土壤残留量及径流、渗漏和其他形式损失量显著增大，烤烟对氮肥的利用率明显降低。在施氮量90～150 kg/hm2范围内，烤烟对肥料氮的吸收量由28.25 kg/hm2增加至32.52 kg/hm2，氮肥利用率由31.39%降低至21.68%；肥料氮在烟田土壤中的残留量在24.89～45.77 kg/hm2之间，占施氮量的27.65%～30.51%；径流损失量达20.18～38.69 kg/hm2，占施氮量的22.42%～25.79%；渗漏损失量为10.88～22.74 kg/hm2，占施氮量的12.09%～15.16%；其他形式损失量5.82～10.29 kg/hm2，占施氮量的6.47%～6.86%。可见，在烤烟生育期内降雨量900 mm 以上的多雨地区，烟田肥料氮的土壤残留量、径流损失量和渗漏损失量较大，以其他形式的损失量也不可忽略，这是多雨烟区烤烟氮肥当季利用率较低的主要原因。

表8 是第1 季（2011 年）烟田土壤残留的肥料氮在第2 季（2012 年）烟田土壤中的再平衡状况。在2012 年烤烟大田生育期内降雨量1 101 mm 条件下，随施氮量增加，烤烟的总吸氮量及其对烟田土壤残留肥料氮的吸收量、残留肥料氮在第2季土壤中的再残留量以及残留肥料氮的径流损失量和渗漏损失量都明显增大，其中高施氮量处理显著大于低施氮量处理。在施氮量90～150 kg/hm2范围内，烤烟对氮素的总吸收量达53.52～73.26 kg/hm2，其中来自烟田残留肥料氮的量为6.39～12.22 kg/hm2，占 肥 料 氮 残 留 量 的25.67%～26.70%，占当季烤烟施氮量的百分比（即残留肥料氮的再利用率）为7.10%～8.15%。当季烟田残留的肥料氮在第2 季烟田土壤中的再残留量为8.00～14.92 kg/hm2，占施氮量的8.89%～9.95%；径流损失量为4.01～7.01 kg/hm2，占施氮量的4.46%～4.68%；渗漏损失量为5.36～9.88 kg/hm2，占施氮量的5.73%～6.59%；其他形式损失量为1.13～1.74 kg/hm2，占施氮量的1.16%～1.37%。由此可知，在烤烟大田生育期中，降雨量为900～1 100 mm 的多雨地区，当年（季）施入烟田的肥料氮在第2 年（季）仍有较大量被烟株吸收利用或在土壤中继续残留，径流损失和渗漏损失仍然是烟田土壤中残留肥料氮损失的主要途径。

表7 不同施氮量处理烤烟当季烟田土壤氮素平衡（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 不同施氮量处理当季烟田土壤残留肥料氮在第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 讨论

烤烟体内积累的氮素主要来源于肥料氮和土壤氮［6-8]。郭培国等［18]研究表明，烤烟全生育期积累的氮素以土壤氮为主，随氮肥用量增加，烤烟对肥料氮的吸收量增大，对土壤氮的吸收量减少。刘卫群等［6]研究指出，烤烟移栽后5 周内积累的氮素以肥料氮为主，移栽9 周后积累的氮素以土壤氮为主。本试验结果表明，在施氮量90～150 g/hm2范围内，烤烟生长后期（打顶～采收结束）对肥料氮的吸收比例大于对土壤氮的吸收比例。这与前人的研究结果不尽相同，其原因可能与试验条件不同有关。有研究认为，烤烟对肥料氮和土壤氮的吸收比例受土壤有机质含量的影响，在有机质含量高的土壤上，烤烟生长前期以吸收肥料氮为主，后期以吸收土壤氮为主；而在有机质含量低的土壤上，烤烟全生育期均以吸收肥料氮为主［19]。本试验的耕层土壤有机质含量在2.9%以下，低于稻—烟轮作区植烟土壤有机质含量高（3.5%～4.5%）的标准，有可能影响烤烟对土壤氮和肥料氮的吸收比例。此外，本研究中从烤烟下部烟叶成熟采收开始取样，直到烟叶生产季节结束，测定结果反映的是烤烟全生育期对土壤氮和肥料氮的累积吸收情况，而不是仅在成熟期的吸收比例，这可能是本试验与前人研究结果不一致的主要原因。本试验中随施氮量增加，烤烟对肥料氮的吸收比例增大，对土壤氮的吸收比例减小，与韩锦峰等［20]的研究结果一致。随施氮量增加，烤烟吸收的肥料氮在根、茎、侧芽和顶芽中的分配比例有减小趋势，在叶中的分配比例有增大趋势，说明增施氮肥促进了烤烟吸收的肥料氮向叶中分配，有利于提高叶片含氮量。

15N 示踪法可以准确跟踪检测肥料氮施入土壤后的转化与去向，是研究肥料氮施入土壤后被作物吸收及其淋溶、挥发、在土壤中残留等问题比较可靠的方法［21]。烟田肥料氮的去向和损失途径受土壤质地（类型）、种植方式、肥料种类、施肥量、施肥时期与方法、降雨与灌溉等多种因素的影响，不同研究者报道的结果有很大差异［5,16]。杨宏敏等［22]研究发现，硝酸铵施入土壤后的利用率为17%～26%，在土壤中的残留率盆栽试验为15%～38%，田间微区试验为20%～36%，损失率大于40%。单德鑫等［23]研究表明，肥料氮施入土壤中有39%～53%被烟株吸收利用，22%～41%损失，20%～37%残留于土壤中。本试验结果表明，在施氮量90～150 kg/hm2范围内，烤烟对肥料氮的当季利用率为31.38%～21.68%，肥料氮在烟田0～60 cm 土层土壤中的残留量占施氮量的27.65%～30.51%，径流和渗漏损失率分别为22.42%～25.79%和12.09%～15.16%，以其他形式损失率达6.47%～6.86%。随施氮量增加，氮肥利用率下降，肥料氮在土壤中的残留量及其径流、渗漏和其他形式的损失量都明显增大，这可能与试验年份烟草大田生育期内的降雨量较大（900～1 100 mm）有关。有研究指出，在烤烟生育期内降雨量和降雨强度大，肥料氮的径流损失及其向深层土壤中的淋溶损失量多，氨挥发和反硝化损失量大［11,16,24-25]；而采用覆盖栽培［12]，降低氮肥用量［26]，增加追肥比例［11,26]，有机肥与无机肥配施［12-13]等均能不同程度减少烟田氮肥径流和淋溶损失。在本研究中还发现，当年（季）施入烟田的肥料氮在第2 年（季）仍有较大量被烤烟吸收利用或在土壤中残留，这与侯毛毛等［27]的研究结果一致。由于烟田残留的肥料氮在第2 年（季）烤烟栽培中已属于土壤氮，其径流和渗漏损失量仍然较大，说明径流和渗漏也是烟田土壤氮损失的主要途径。

综上所述，施入烟田的氮素肥料在土壤中残留量较多，径流损失量和渗漏损失量较大，还有部分肥料氮以其他形式损失掉；而且施氮量越高，肥料氮的土壤残留量和各种形式的损失量越大，这是导致多雨烟区烤烟氮肥利用率较低的主要原因。尽管烟田残留的肥料氮在第2 季仍有较大量可被烤烟吸收利用，但其径流和渗漏损失量仍然较大。因此适当控制氮素用量，采取有效措施减少氮肥的径流和渗漏损失是提高多雨地区烤烟氮肥利用率的主要途径。

4 结论

本研究结果表明，在烟草大田生育期内降雨量900～1 100 mm 的多雨地区，随施氮量增大，烤烟对肥料氮的吸收比例及肥料氮在烟草叶片中的分配比例都有增加的趋势，但氮肥的当季利用率明显降低，肥料氮在土壤中的残留量及其径流、渗漏和其他形式的损失量都显著增大。在施氮量90～150 kg/hm2范围内，施入烟田的肥料氮有21.68%～31.38%被当季烤烟吸收利用，22.42%～25.79%被降雨造成的地表径流水带走，12.09%～15.16%向地表60 cm 以下土层渗漏，6.47%～6.86%以其他形式损失，还有27.65%～30.51%残留于烟田土壤0～60 cm 土层中。烟田残留的肥料氮在第2年（季）被烤烟再吸收利用率为7.1%～8.15%，径流和渗漏损失量分别为4.46%～4.68%和5.73%～6.59%，以其他形式损失量为1.16%～1.37%，在土壤中的残留量仍有8.89%～9.95%。两年（季）合计，烤烟对氮肥的综合利用率为29.83%～38.49%，肥料氮在烟田土壤中的残留量为8.89%～9.95%，径流和渗漏损失量分别达26.88%～30.47%和18.04%～21.75%，其他形式损失量为7.72～8.02%。