水肥一體化減量施肥對坡地烤煙肥料利用率及土壤養分平衡的影響

楊啟航,劉永來,李淮源,趙旭生, 楊天樂, 李紅星，陳建軍,鄧世媛*

(1. 華南農業大學煙草研究室，廣東 廣州 510642；2. 廣東中煙工業有限責任公司，廣東 廣州 510310；3. 廣東煙草清遠市有限公司，廣東 清遠 511518)

【研究意義】2015年，農業部在《到2020年化肥使用量零增長行動方案》中指出，我國農業生產中普遍存在過量施肥、盲目施肥的現象，導致成本增加、資源浪費和環境污染問題，當前亟需改進施肥方式、提高肥料利用率、減少不合理投入，促進農業可持續發展，并明確提出要大力推廣水肥一體化技術。【前人研究進展】水肥一體化是將水與肥料混合均勻后，利用設備壓力或者自然落差，通過管道及滴灌帶對植株進行精準施肥與灌溉的技術，可以根據植物的生長規律與需肥特性定時定量施入養分[1-3]，實現水肥同步管理及資源高效利用。用水肥一體化代替傳統水肥管理既可以解決水土流失、耗費人力等問題，又可以在保障作物產質量的情況下減少肥料的投入[4-6]，近年來已經成為農業生產上的研究熱點。已有報道，滴灌條件下氮肥減量可增強春小麥灌漿特性及氮代謝活性[7]、提高根系活力及根系生理特性[8]、優化群體結構[9]、提高番茄VC及番茄紅素含量[10]。多種作物上的研究表明，水肥一體化肥料減量促進了氮磷鉀積累[11]和養分回收[12]，提高了肥料利用率[13-16]、肥料產出率和產出投入比[17]，并使養分主要集中在0～40 cm土層、減少根區養分的淋失[18]。膜下滴灌減氮還顯示出良好的環境效應，降低N2O排放系數，減少農田溫室氣體釋放[19]。【本研究的切入點】煙草是我國重要的經濟作物，提高煙葉質量對于提升國內卷煙水平和國際競爭力具有重要意義[20]。煙草生產上的傳統水肥管理技術往往通過大量肥料投入來保障收益，但是長期過量施肥給煙葉生產帶來諸多問題，如煙葉品質下降、植煙土壤退化、煙區水體及大氣污染等，嚴重阻礙了煙草行業的可持續發展。近幾年，煙草上關于水肥一體化的研究多集中于農藝性狀、根系生長、光合特性、經濟性狀等[21-24]，水肥一體化結合肥料減量的研究在促進養分吸收[25]、增強根系活力和葉片成熟性[26]、提高煙葉質量[27]、影響土壤氮素時空變化[28]等方面有一些報道，但對于過量施肥導致的肥料利用率低、土壤生態系統養分失衡[29]等問題還沒有得到重視。【擬解決的關鍵問題】因此，研究水肥一體化減量施肥對烤煙肥料利用率及土壤養分平衡的影響具有重要意義，尤其是針對灌溉條件缺乏、保水保肥能力差、對水肥一體化需求更加迫切的坡地開展研究，可為我國南方煙區探索并推廣提高養分吸收和肥料利用率、維持植煙土壤養分平衡的適宜水肥一體化減量施肥模式提供理論參考和依據。

1 材料與方法

試驗于2017年3月至2018年7月連續兩年在廣東省連州市星子鎮水泉頭村進行，試驗田為旱坡地，土壤類型屬于牛肝土，基本理化性質為：pH 6.5，有機質 13.85 g·kg-1，全氮 1.78 g·kg-1，堿解氮 149.76 mg·kg-1，全磷1.68 g·kg-1，有效磷 54.8 mg·kg-1，全鉀 16.7 g·kg-1，速效鉀 247.3 mg·kg-1。

1.1 試驗材料

供試烤煙品種為粵煙97，由廣東省煙草公司清遠市公司提供。采用漂浮育苗，待長到7葉1心時挑選生長健壯、整齊一致的煙苗移栽。

水肥一體化滴灌系統采用DOSATRON比例施肥器作為肥料注入裝置，注入肥液濃度設置為灌溉流量的0.2 %，毛管采用直徑為Φ16的內鑲貼片式滴灌帶，滴頭流量為1.6 L·h-1，間距為30 cm。試驗肥液由固體肥溶于水中配制而成，肥料種類包括煙草專用肥[m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=15∶15∶15]，過磷酸鈣(16 % P2O5)，碳酸氫銨(17 % N)，硫酸鉀(50 % K2O)，硝酸鉀(13.5 % N，46 % K2O)。

1.2 試驗處理

試驗設置3種不同肥料用量的水肥一體化模式(T1、T2、T3)，以當地常規水肥管理為對照，共4個處理(表1)。除施肥處理外，另設置滴灌和澆灌不施肥處理(空白)，以便計算肥料利用效率。磷肥全基施，每處理重復3次，隨機區組排列，小區面積210 m2，株行距 0.6 m×1.1 m，其他田間管理措施參照當地優質煙葉生產技術規范執行。

表1 水肥一體化肥料減量設計

1.3 測定項目及計算公式

煙株干物質及氮鉀元素積累測定：于移栽后第3、5、7、9、11周進行取樣，每處理各取3株煙株，將整個植株連根一起挖出，清洗干凈后，將烤煙根、莖、葉分開，分別進行殺青、烘干、稱重。干物質中的全氮含量采用丹麥福斯Kjeltec8400凱氏定氮儀測定，全鉀含量采用島津AA6300原子吸收分光光度計測定。

煙葉氮/鉀分配系數[30]=煙葉氮(/鉀)累積量/植株總氮(/鉀)累積量

肥料利用率[11]：肥料偏生產力=施肥區烤煙產量/肥料施用量；肥料農學效率= (施肥區烤煙產量-不施肥區烤煙產量)/肥料施用量×100 %；肥料表觀利用率=(施肥區作物養分吸收量-不施肥區作物養分吸收量)/肥料施用量×100 %；肥料當季回收率= (施肥區地上部養分吸收量-不施肥區地上部養分吸收量)/肥料施用量×100 %；肥料經濟利用效率=(施肥區作物葉片養分吸收量-不施肥區作物葉片養分吸收量)/肥料施用量×100 %。

土壤養分平衡[31]：土壤養分表觀盈虧量=養分投入量-作物攜出量；養分表觀平衡系數=養分投入量/作物攜出量；養分實際平衡率=(養分投入量-作物攜出量)/作物攜出量×100 %。

1.4 數據統計分析

采用 EXCEL 2017和SPSS19.0進行數據作圖和統計分析。采用Duncan’s法對不同處理進行多重比較，若P<0.05，則具有顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 水肥一體化減量施肥對坡地烤煙干物質積累與分配的影響

從圖1可見，移栽后7～11周，根、莖、葉各器官的干物質積累量逐漸增加，變化趨勢基本同步。根和莖的干重較為接近，且在移栽后7～9周積累速度較快。葉干重在整株干物質積累中所占比例最大，但隨著生育進程的推進比例逐漸降低，從移栽后7周的70 %左右下降到11周的40 %左右。從處理間來看，水肥一體化處理的根、莖、葉各部位各個時期的干物質積累量均高于CK。

圖1 水肥一體化減量施肥下烤煙各部位干物質積累與分配動態Fig.1 Dynamics of dry matter accumulation and distribution in different parts of flue-cured tobacco under water and fertilizer integration with reduced fertilization

表2顯示，應用水肥一體化模式進行管理的T1、T2、T3處理，其煙株在同一生長階段的干物質積累量均顯著高于CK，充分說明水肥之間良好的協調與互作能夠明顯影響煙株的生長發育，促進干物質積累。2017年，伸根期的干物質積累以T2處理最高，比CK增加83.23 %，旺長期和成熟期則以T1處理最大，分別比CK高出46.07 %和30.62 %。2018年則表現為3個生育時期均以T1處理干物質積累最多，增加幅度分別為87.94 %、38.81 %、40.29 %。

表2 水肥一體化減量施肥對坡地烤煙整株干物質積累的影響

2.2 水肥一體化減量施肥對坡地烤煙氮素積累與分配的影響

從表3可以看出，年際間煙株氮素積累與分配的規律基本一致，氮素積累隨著生育期的推進而增加，伸根期-旺長期積累量增加迅速，旺長期-成熟期增長幅度下降。各器官間的氮素積累表現有差異，根和莖的氮素積累在伸根期-旺長期增加幅度較小，旺長期-成熟期是氮素積累的快速增長期，而葉片中的氮素積累則在伸根期-旺長期迅速增加，在全株中的氮分配系數達0.7以上、最高達0.92，尤其在伸根期，3個水肥一體化處理的葉片氮分配系數均顯著高于CK，成熟期葉片對氮的吸收略有下降，分配系數降至0.5左右。

表3 水肥一體化減量施肥對坡地烤煙氮素積累與分配的影響

2年的試驗結果表明，除了根部CK處理的氮素積累在伸根期略高于水肥一體化處理外，其余各時期根、莖、葉及全株的氮素積累均顯著高于CK。水肥一體化處理的全株氮積累量在伸根期與CK差異最顯著，最大的T2處理比CK分別增加93.94 %(2017年)和91.34 %(2018年)，且比不減量施肥的T1處理高出40.3 %和32.53 %，差異顯著；旺長期-成熟期，減量施肥的T2和T3處理氮素積累幅度略低于T1處理，但沒有顯著差異，表明在水肥一體化條件下，減量施肥仍然可以促進煙株尤其是葉片在大田生長前期對氮素的積累。

2.3 水肥一體化減量施肥對坡地烤煙鉀素積累與分配的影響

表4顯示，烤煙鉀素積累與分配規律在2年間的試驗表現基本一致，鉀素積累隨著生育進程逐漸增加，伸根期-旺長期的積累速率最大，旺長期-成熟期積累量有所下降。器官間的鉀素積累不盡相同，莖的鉀素積累主要在旺長期和成熟期，根部鉀素在伸根期和旺長期積累較少、成熟期積累較多，2017年T3處理增加幅度最大、成熟期比旺長期增加了5.6倍。葉片的鉀素積累從伸根期到成熟期一直呈上升趨勢，但在旺長期增加幅度較大、積累最多。

表4 水肥一體化減量施肥對坡地烤煙鉀素積累與分配的影響

從處理間的比較結果看，除了2017年伸根期和旺長期T2和T3處理根部的鉀素積累略低于CK外，其余時期均表現為根、莖、葉及全株的鉀素積累顯著高于CK。水肥一體化處理與CK鉀素積累差異最大也表現在伸根期，2年鉀素積累量最大的均為T2處理，分別比CK增加97.4 %和69.05 %；成熟期則是T3處理鉀素積累最高，分別比CK提高41.43 %和52.15 %，這可能與T3處理總施鉀量有所增加有關。從鉀分配系數來看，伸根期和旺長期葉片鉀素在全株所占比例較高、達0.7左右，最高可達0.86，尤其在2017年伸根期，水肥一體化減量施肥的T2、T3處理鉀分配系數顯著高于CK和T1處理。

2.4 水肥一體化減量施肥對坡地烤煙肥料利用率的影響

從表5可知，2年試驗的氮肥利用率基本一致，各個指標均表現為T3>T2>T1>CK，3個水肥一體化處理的肥料利用率指標與CK處理差異顯著。與CK相比，同樣施肥量的T1處理在水肥一體化的作用下，其氮肥農學效率、表觀利用率、當季回收利用率及經濟利用率均大幅提高，其中經濟利用率增幅最顯著，達60.68 %。氮磷鉀各減量20 %的T2處理，各個指標不僅顯著大于CK，其氮肥偏生產力、表觀利用率和當季回收率還顯著高于T1，增幅達16.15 %、15.73 %和17.64 %，表明水肥一體化條件下雖然肥料減量，但仍然促進了煙株對氮肥的吸收和利用。而氮磷減量20 %、鉀增量20 %的T3處理，2017年的氮肥農學效率、2018年的經濟利用率分別比T2高14.63 %和30.42 %，但其他指標差異不顯著，表明鉀肥的增加一定程度可以提高氮肥利用率，但從成本和產出比考慮卻并不是最經濟的。

表5 水肥一體化減量施肥對坡地烤煙氮肥利用率的影響

表6顯示，鉀肥農學效率和偏生產力2年間的表現一致，均為T3>T2>T1>CK，3個水肥一體化處理與CK均達到顯著差異。與CK相比，肥料用量相同的T1處理在水肥一體化條件下，鉀肥農學效率和偏生產力大幅提高，2018年表現尤其明顯，達55.77 %和18.89 %。氮磷鉀肥各減量20 %的T2處理的鉀肥農學效率和偏生產力，比T1高15.74 %和20.82 %，而T3處理的鉀肥農學效率和偏生產力比T2處理進一步提高4 %～14.63 %，這可能與T3處理鉀肥增量20 %有關。鉀肥表觀利用率、當季回收率和經濟利用率與前兩個指標有所不同，3個水肥一體化處理顯著高于CK，T2處理最高，T2與CK的最大差值出現在2017年，達80.62 %、105.6 %和126.03 %。但是從水肥一體化不同肥料用量處理間的比較來看，除了T3和T1的當季回收率在2017年達到顯著差異外，在2018年及經濟利用率上并無顯著差異，T2處理遠高于T3和T1處理。

表6 水肥一體化模式配合減量施肥對坡地烤煙鉀肥利用率的影響

2.5 水肥一體化減量施肥對坡地植煙土壤養分平衡的影響

由表7可知，水肥一體化模式下，煙株吸收攜出的氮素顯著高于常規水肥管理，表現為T1>T3>T2>CK，2年試驗均以T1攜出量絕對值最高，與CK相差23.24和25.15 kg·hm-2，表明同樣的肥料用量條件下，水肥一體化可以大大提高煙株對氮素的吸收，而T2和T3處理在氮投入減量20 %的情況下，攜出量仍然比CK增加24.9 %～35.41 %，表明水肥一體化條件下肥料減量不僅不影響煙株的氮素吸收，反而可以起到促進作用。從養分平衡來看，常規水肥處理的氮素盈余最高，2018年甚至超過100 kg·hm-2，平衡系數高達2.68，養分平衡率超過150 %，而水肥一體化管理顯著降低了植煙土壤的氮素盈余，尤其是減量施肥20 %的T2和T3處理，與CK相比，降低幅度高達50.87 %和55.67 %，養分平衡率分別降低99.47和109.77個百分點，表明在實際生產中，水肥一體化條件下可減少氮肥施用量，以降低氮素的土壤殘留而避免資源浪費和環境污染。

表7 水肥一體化減量施肥對坡地植煙土壤氮素平衡的影響

由表8可知，2年試驗結果K素的攜出量均表現為T3>T1>T2>CK，處理間差異顯著。施肥量相同但水肥一體化處理的T1，K素攜出量比CK最多增加26.98 kg·hm-2，減量20 %的T2處理仍然增加了22.39 kg·hm-2，T3處理增加量多達34.15 kg·hm-2，這應該與其鉀肥施用量增加有關。從K素盈余來看，常規水肥管理下2年的鉀素盈虧量平均值為253.16 kg·hm-2，平衡系數均高達4.0以上，養分平衡率超過300 %。而使用水肥一體化管理的T1處理，盈虧量平均值比CK下降了25.86 kg·hm-2，平衡系數和平衡率都有所下降，但實際平衡率仍超200 %。肥料減量20 %的T2處理盈余最低，比CK的降低幅度最大達34.83 %，比肥料不減量的T1處理下降27.08 %，平衡系數低于3，養分平衡率167.67 %，比CK減少高達165.17個百分點，表明水肥一體化下減量施肥促進了鉀素的吸收與利用。T3處理鉀肥施用量396 kg·hm-2，2年的平均盈余高達284.12 kg·hm-2，平衡系數及平衡率高于其它兩個水肥一體化處理，表明增加鉀肥施用量并沒有使煙株吸收更多的鉀素，反而導致鉀肥盈余增加。

表8 水肥一體化減量施肥對坡地植煙土壤鉀素平衡的影響

3 討 論

干物質積累量是衡量作物生長發育狀況及生理代謝強弱的重要指標[30]，也是作物最終產量的物質基礎。玉米[32]、馬鈴薯[33]、松花菜[34]、櫻桃番茄[35]等作物上的研究已表明，滴灌條件下肥料減量，植株干物質積累量仍然優于傳統施肥處理，而且認為水肥一體化技術主要是通過改善植株的農藝性狀使干物質積累量得到提高[24]。本研究中，水肥一體化下肥料減量20 %的T2處理的烤煙成熟期干物質積累雖然比等量施肥T1處理低9.9 %～11.6 %，但是與常規水肥管理相比，仍然高出18.81 %～25.74 %，與王琪[36]、杜傳印等[37]研究結果一致，但與薛如君等[25]滴灌減氮25 %與澆灌不減氮處理生物量基本相同的結果有所不同，這可能與試驗區土壤供肥能力及施肥水平不同有關。

水肥一體化模式下，肥料通過管道直接施到根系附近，減少了淋失和土壤固定損失[38]，在水分的耦合效應下[25]，使肥料中的養分得到有效釋放，從而促進作物對養分的吸收和積累，因此即使在肥料減量情況下，仍然能夠提高肥料利用率。以往研究中，雖然各個作物上肥料減量程度不一，但總體而言，水肥一體化減量施肥對作物養分吸收與肥料利用率的促進作用已經被廣泛證實[11, 13, 17, 39]。本試驗中，水肥一體化減量施肥處理各個時期的氮鉀積累量均顯著高于常規水肥管理，差異最大達93.94 %和97.4 %，一方面是因為澆灌方式下肥料和土壤中養分流失的影響[17]，另一方面則是由于水肥一體化隨水施肥提高了煙草對養分的吸收利用效率[40]。從時期來看，水肥一體化等量施肥的T1處理在伸根期的氮鉀吸收低于肥料減量的T2、T3處理，結合氮鉀肥基追比例分析，說明T1處理前期多施的肥料并沒有被充分吸收利用，而伸根期往往是整個大田生長期間雨水最多的時期，反而容易增加淋溶損失。同時，水肥一體化管理的氮鉀肥農學效率、偏生產力、表觀利用率、回收率及經濟利用率均顯著高于常規水肥處理，其中減量20 %的T2處理2年的氮肥偏生產力比常規水肥管理平均提高35.04 %、表觀利用率提高83.49 %、當季回收率提高64.75 %、經濟利用率提高77.02 %，鉀肥則分別提高35.02 %、79.43 %、97.09 %和113.34 %，但即使如此，從氮鉀肥利用率各指標的絕對值來看，仍然處于較低水平，這可能是長期過量施肥導致土壤養分富集、濃度過高，反而不利于作物根系生物學潛力發揮的原因[10]。基于這個原因，可以解釋本研究中T3處理鉀肥投入比T2增加132 kg·hm-2，但其鉀肥當季利用率和經濟利用率反而下降48.28 %和37.07 %，結合成熟期干物質積累量推測，在當前已經較高的施肥水平下進一步增施肥料并不會帶來產量的增加，反而會降低肥料利用率。

農田養分平衡是指養分被作物消耗和施肥投入之間的平衡[41]，傳統水肥管理下化肥的長期過量施用，會導致農田養分失衡和土壤退化[42]，因此，水肥管理中除了考慮肥料利用率外，關注肥料在土壤中殘留與損失的程度也很重要[43]。相關研究表明，傳統施肥模式導致土壤氮素和磷素大量殘留、鉀素虧缺，而優化施肥在提高肥料利用率的同時降低了氮磷損失和鉀虧缺[43-44]，氮磷減量降低了磷素盈余、但導致氮素虧缺[45]，減氮配施氨基酸可降低氮磷盈余[46]，但目前尚未見關于水肥一體化影響土壤養分平衡的報道。本試驗中，常規水肥管理的植煙土壤年均氮鉀盈余量為100.63和253.16 kg·hm-2，平衡率高達156.84 %和329.46 %，顯示出南方氮鉀肥施用量過高以及增產效率下降的問題[41]。研究結果顯示，水肥一體化等量處理的氮素平衡率降到90 %以下、鉀素平衡率下降108個百分點，結合成熟期干物質積累量分析可知，這是由于水肥一體化促進養分吸收、增加植株養分攜出量的原因。減量20 %的T2處理，氮鉀盈余在等量處理基礎上進一步降低25.5和60.83 kg·hm-2，說明水肥耦合對養分吸收的促進效應遠大于單純增加肥料用量。兩年的試驗數據表明，常規水肥管理下，煙株氮鉀攜出量僅占投入量的39.02 %和23.30 %，而水肥一體化模式下分別達53.68 %～65.14 %和28.26 %～36.95 %，充分說明常規水肥管理的肥料用量遠遠超過了煙株對養分的需求，反而不能充分發揮其增產效果。水肥一體化下肥料減量雖然對此有所提高，但也要看到，和其他作物相比仍然較低，尤其是鉀肥，根據魯如坤等[41]提出的30 %～50 %允許盈余范圍，煙草生產上高達170 %～300 %的鉀素盈余顯然是極不合理的，特別是在鉀肥基本依靠進口的情況下，不僅浪費資源，也會增加肥料殘留帶來的環境風險[47]。

4 結 論

綜上所述，在本試驗條件下，與常規水肥管理相比，水肥一體化管理可以增加坡地烤煙干物質積累，促進氮鉀吸收，提高肥料利用率并降低土壤養分盈余。而水肥一體化模式結合減量施肥效果更顯著，肥料減量20 %、氮鉀比1∶2的T2處理在大田生長前期促進了煙株氮鉀吸收，氮肥的當季回收率達35 %左右，鉀肥當季利用率接近20 %、比常規水肥管理增加了1倍，土壤的氮鉀平衡則分別比常規水肥管理下降約100和150個百分點。氮鉀比1∶3的T3處理在干物質積累、養分吸收及肥料利用率上與T2并無顯著差異，但由于鉀肥施用量過高，反而降低了鉀肥利用率低、徒增鉀素盈余。因此，生產上建議水肥一體化模式配合肥料減量20 %～30 %并維持1∶2的氮鉀比，適當降低基肥比例、增加追肥，使肥料供應曲線更加符合煙株生長發育對養分的需求規律，從而促進肥料被有效吸收、降低養分盈余，最大化地發揮肥效。