有機肥種類及施用比例對云南洱海煙區植煙土壤氮淋失的影響

王 閣，趙園園，韋建玉，王德勛，王 政，陳永建，史宏志*

1. 河南農業大學煙草學院煙草農業減害中心，鄭州市鄭東新區平安大道218 號 450046

2. 廣西中煙工業有限責任公司，南寧市北湖南路28 號 530001

3. 云南省煙草公司大理州公司，云南省大理市鶴慶路71 號 671000

烤煙對氮素的需求量較大，施用氮肥可促進煙株生長發育和提高煙葉產質量［1］。然而，在烤煙生產中，施用化肥過量導致的土壤板結、酸化和有機質含量下降等問題較為普遍。殘留在土壤中未被利用的氮素，有40%～50%通過徑流和淋溶進入地下水及河流湖泊，造成了農業面源污染、水體富營養化，對生態環境安全構成了較大威脅［2-4］。

云南省洱海流域是我國典型清香型烤煙產區，生態條件優越，所產煙葉深受卷煙工業企業的青睞。但洱海煙區降雨強度高，降雨量大，且植煙土壤質地疏松，因此具有較高的氮素淋失風險［5］。洱海作為我國云貴高原第二大淡水湖泊，對當地氣候調節及旅游業發展具有重要意義。近年來，洱海水體富營養化問題引發關注，洱海水體治理十分必要。有研究表明，來源于農田土壤流失的可溶性氮是洱海水體中一類重要無機污染物，污染指數占比22.37%［6-7］。因此，阻控洱海流域農田土壤氮淋失是洱海水污染綜合治理的關鍵環節。

土壤氮淋失受到降雨、施肥及種植方式等多種因素的影響［8-9］。周詠春等［10］研究發現，在土壤中施加生物炭可提高土壤氮素的固持能力，減少土壤氮素的淋失。劉曉彤等［11］提出，添加秸稈能夠降低土壤硝態氮的累積和淋失，降低農田土壤面源污染的風險。然而，不同有機肥對土壤氮淋失的減控效果存在較大差異，有機肥施用比例與土壤氮淋失之間的關系也鮮見報道。此外，我國關于土壤氮淋失的研究主要集中在糧食作物的種植上［12-14］，對植煙土壤氮淋失的研究相對較少。基于此，選取洱海煙區植煙土壤以及我國烤煙生產中典型應用的有機肥種類，設置室內土柱模擬試驗，比較不同種類有機肥對植煙土壤氮淋失的減控效果，分析有機肥施用比例與植煙土壤氮淋失之間的關系，旨在為降低植煙土壤氮淋失、促進煙草農業的綠色發展提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2022 年10—12 月在河南農業大學煙草農業減害中心進行。供試土壤為云南省大理州洱源縣鳳羽鎮（26.11°N，99.95°E）煙區0～40 cm 土層土壤，新鮮土樣剔除根莖石塊等雜物風干后備用。供試混合型有機肥（油枯、畜禽糞便等）由云南省煙草公司提供；生物炭肥由貴州省煙草公司畢節市公司提供；芝麻餅肥由河南省煙草公司南陽市公司提供，見表1。供試化肥為15N 標記硝酸鉀（純度≥98.5%，豐度10%）由上海麥克林生化科技有限公司生產。土壤理化性狀指標見表2。

表1 供試有機肥肥力指標Tab.1 Fertility indexes of organic fertilizers tested（g·kg-1）

表2 供試植煙土壤理化指標Tab.2 Physicochemical indexes of tobacco growing soil tested

1.2 試驗設計

人工模擬土柱裝置由PVC 圓柱管制成，內徑10 cm、高度50 cm，管柱底部開直徑2 cm 的圓孔連接5 cm 長引流管，圓孔和引流管連接并完全密封，以便收集滲濾液。土柱底部鋪設1 層孔徑0.075 mm 的尼龍布，填充2 cm 粒徑為1～2 mm 的干燥石英砂，石英砂與土壤接觸層再鋪1 層孔徑0.075 mm 的尼龍布作為反濾材料；將土壤稱量后均勻填裝入模擬土柱，土壤填充量4.05 kg/柱。作物根系圈深度一般小于40 cm［15］，因此，當氮淋失到土壤40 cm 深度時可認為發生氮淋失，故設計土柱時將土壤深度設為40 cm。PVC 管內壁進行磨毛處理，避免邊際流產生。土柱上表面鋪設0.075 mm 的尼龍布及2 cm 粒徑為1～2 mm 的石英砂，以保證降雨均勻并防止土層被破壞，土柱模擬裝置如圖1所示。參考云南當地施肥標準，總施氮量設定90 kg/hm2，不同有機肥替代化肥比例設定為30%［12］，N∶P2O5∶K2O=10∶10∶24。等施氮量條件下施用水溶性硫酸鉀及過磷酸鈣（P2O5含量12%）進行鉀肥及磷肥補充，試驗處理設置見表3。

圖1 淋溶裝置結構圖Fig.1 Structure of leaching device

表3 試驗處理①Tab.3 Experimental design

將有機肥與土壤充分混勻后填充土柱，將化肥溶于200 mL 去離子水澆灌至土柱表層，靜置1 周后開始淋溶。參考云南省大理州單日最大降雨量設定每次每柱模擬降雨量為80 mm（628 mL），降雨強度3.33 mm/h，持續24 h，間歇24 h 后進行下一次淋洗。第1 次出現淋溶液時記為第1 次取樣，共取樣5 次。在每次淋洗結束后收集淋溶液過濾、測量體積后4 ℃保存檢測硝態氮、銨態氮及15Nδ值。淋溶試驗結束后取土柱土壤烘干研磨保存檢測硝態氮、銨態氮含量。每處理重復3次。

1.3 測定項目及方法

采用常規方法分析土壤基本理化性質［16］。采用量筒測定淋溶液滲出量，采用濃硫酸-水楊酸比色法測定淋溶液中硝態氮質量濃度，采用酶標儀-靛酚藍比色法［17］測定銨態氮質量濃度。淋溶液中總氮同位素比值R（15N/14N）使用總有機碳分析儀（iso TOC CUBE，Elementar 公司）-穩定同位素質譜儀（ISOPRIME100，Elementar 公司）聯機測定。15Nδ值是樣品的同位素比值（Rsq）相對于標準物質同位素比值（Rst）的千分差，其值大小表示樣品的同位素成分相對含量，用于比較化肥源氮淋失的多少，計算公式：

其他指標計算公式：

硝態氮淋失量=淋溶液體積×硝態氮質量濃度 （2）

銨態氮淋失量=淋溶液體積×銨態氮質量濃度 （3）

礦質氮淋失量=硝態氮淋失量+銨態氮淋失量 （4）

礦質氮總量=礦質氮淋失量+土壤礦質氮殘留量 （5）

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2017、IBM SPSS 25、Origin 2021 軟件進行數據整理、統計分析及繪圖，采用LSD 法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同有機肥對植煙土壤氮淋失的影響

2.1.1 硝態氮淋失

由表4可知，不同處理間硝態氮淋失質量濃度存在顯著差異。隨取樣次數增加，硝態氮淋失質量濃度逐漸降低，純施化肥植煙土壤硝態氮淋失質量濃度明顯高于有機肥替代處理。硝態氮淋失質量濃度整體呈現純化肥>混合型有機肥>芝麻餅肥>生物炭肥規律。至取樣結束混合型有機肥、生物炭肥及芝麻餅肥處理硝態氮平均淋失質量濃度與對照相比分別降低23.11%、34.22%和31.34%。硝態氮淋失量變化規律與硝態氮淋失質量濃度一致，純施化肥處理硝態氮淋失量顯著高于有機肥替代處理，3種有機肥施用處理之間呈混合型有機肥>芝麻餅肥>生物炭肥規律。至取樣結束混合型有機肥、生物炭肥及芝麻餅肥處理硝態淋失量與對照相比分別降低22.01%、32.59%和30.02%。

表4 不同有機肥處理植煙土壤硝態氮淋失質量濃度及淋失量①Tab.4 Concentration and amount of nitrate nitrogen leaching loss from tobacco growing soil under different organic fertilizer treatments

2.1.2 銨態氮淋失

各處理銨態氮淋失質量濃度及淋失量見表5。第1 次取樣各施肥處理間銨態氮淋失質量濃度差異較小，第2、3 次取樣，純施化肥處理銨態氮淋失質量濃度明顯高于其他處理。不同有機肥施用處理之間差異不顯著。至取樣結束，生物炭肥處理植煙土壤銨態氮平均淋失質量濃度低于其他處理并顯著低于純化肥施用處理。由表5 可知，在4 個處理中，銨態氮淋失量純化肥處理高于3 種有機肥施用處理平均值7.18%。各處理之間銨態氮淋失總量差異不大，混合型有機肥處理與芝麻餅肥處理相近，生物炭肥處理略低于前兩者。

表5 不同有機肥處理植煙土壤銨態氮淋失質量濃度及淋失量Tab.5 Concentration and amount of ammonium nitrogen leaching loss from tobacco growing soil under different organic fertilizer treatments

2.1.3 化肥源氮淋失

各處理淋溶液15Nδ值如表6 所示。由表6 中可見4 種施肥處理5 個取樣時期淋溶液15Nδ值均呈化肥純施>混合型有機肥>芝麻餅肥>生物炭肥規律。與純施化肥相比，混合型有機肥、生物炭肥和芝麻餅肥處理淋溶液15Nδ值分別降低35.16%、41.17% 和37.19%，均大于有機氮施用比例30%。表明施用有機肥能夠阻控植煙土壤化肥源氮淋失，生物炭肥效果較優。

表6 不同有機肥處理植煙土壤淋溶液15N δ值Tab.615N δ value of leaching solution for tobacco growing soil under different organic fertilizer treatments

2.1.4 礦質氮淋失量及淋失占比

表7結果表明，相同施氮量條件下不同施肥處理土壤礦質氮含量存在差異。施用有機肥處理土壤礦質氮含量顯著低于純化肥使用處理，呈純化肥>混合型有機肥>芝麻餅肥>生物炭肥規律。礦質氮淋失量及淋失占比與礦質氮總量規律一致。有機肥替代化肥處理礦質氮淋失量顯著低于純化肥施用。與純化肥施用相比，混合型有機肥、生物炭肥、芝麻餅肥施用處理礦質氮淋失量分別降低15.58%、25.73%和22.90%，礦質氮淋失占比分別降低3.46、6.00 和5.11百分點。表明相同施氮量條件下，施用有機肥能夠顯著降低植煙土壤礦質氮積累及淋失量，生物炭肥對植煙土壤礦質氮淋失減控效果較好。

表7 不同有機肥處理植煙土壤礦質氮淋失量及淋失占比Tab.7 Amount and percentage of mineral nitrogen leaching loss from tobacco growing soil under different organic fertilizer treatments

2.2 有機肥施用比例對植煙土壤氮淋失的影響

2.2.1 硝態氮淋失

不同有機肥施用比例條件下植煙土壤硝態氮淋失質量濃度及淋失量見表8。隨取樣次數增加，植煙土壤硝態氮淋失質量濃度逐漸降低，隨有機肥施用比例提高，植煙土壤硝態氮淋失質量濃度及淋失量呈降低趨勢。不同有機肥施用比例之間平均硝態氮淋失質量濃度及硝態氮淋失總量差異達到顯著水平。相較于純施化肥，有機肥100%施用處理硝態氮平均淋失質量濃度降低49.48%。對不同有機肥施用比例條件下硝態氮淋失質量濃度的線性擬合方程見圖2，R2=0.974 6，擬合度較高。由表8 可知，硝態氮淋失量變化規律與淋失質量濃度相一致。相較于純施化肥，有機肥100%施用硝態氮平均淋失量降低51.14%。對不同有機肥施用比例條件下硝態氮淋失量的線性擬合方程見圖2，R2=0.971 1，擬合度較高?？芍?，隨著有機肥施用比例的提高植煙土壤硝態氮淋失量顯著降低，二者之間呈線性負相關。

圖2 有機肥施用比例與硝態氮淋失質量濃度及淋失量擬合曲線Fig.2 Fitting curves for organic fertilizer application rate and nitrate nitrogen leaching loss concentration and amount

表8 不同有機肥施用比例條件下植煙土壤硝態氮淋失質量濃度及淋失量Tab.8 Concentration and amount of nitrate nitrogen leaching loss from tobacco growing soil at different application rates of organic fertilizers

2.2.2 銨態氮淋失

不同有機肥施用比例條件下植煙土壤銨態氮淋失質量濃度及淋失量見表9。第1 次取樣各處理銨態氮淋失質量濃度無明顯變化規律，第2～3次取樣隨有機肥施用比例提升，植煙土壤銨態氮淋失質量濃度及淋失量略有下降，第5次取樣銨態氮淋失質量濃度趨于平穩。植煙土壤銨態氮淋失質量濃度隨有機肥施用比例提高略有下降，但25%～75%有機肥施用比例處理之間差異不顯著。由表9可知，各處理銨態氮淋失量之間差異較小，隨有機肥施用比例提升，銨態氮淋失總量緩慢下降。相較于純施化肥處理，有機肥100%施用處理銨態氮淋失量降低22.88%。由結果可知，與硝態氮淋失相比，銨態氮淋失變化幅度較小，有機肥施用比例提高有助于降低植煙土壤銨態氮淋失質量濃度及淋失總量。

表9 不同有機肥施用比例條件下植煙土壤銨態氮淋失質量濃度及淋失量Tab.9 Concentration and amount of ammonium nitrogen leaching loss from tobacco growing soil at different application rates of organic fertilizers

2.2.3 礦質氮淋失量及淋失占比

不同有機肥施用比例條件下植煙土壤礦質氮總量及淋失占比見表10。隨有機肥施用比例的提高，植煙土壤礦質氮總量呈下降趨勢，且各處理之間差異達到顯著水平。隨有機肥施用比例提升，礦質氮淋失量顯著下降。與純施化肥處理相比，有機肥100%施用處理礦質氮淋失量降低34.47%。對有機肥施用比例與礦質氮淋失量的線性方程擬合見圖3，R2=0.997 5，擬合度高。隨有機肥施用比例提升，礦質氮淋失占比略有下降，有機肥100%施用處理礦質氮淋失占比與純化肥施用處理差異顯著，其余處理之間差異不顯著?？芍?，植煙土壤有機肥施用比例與植煙土壤礦質氮淋失量之間呈二項式相關，有機肥施用比例提高有助于降低植煙土壤礦質氮積累及淋失。

圖3 有機肥施用比例與礦質氮淋失量擬合曲線Fig.3 Fitting curve for organic fertilizer application rate and mineral nitrogen leaching amount

表10 不同有機肥施用比例條件下植煙土壤礦質氮淋失量及淋失占比Tab.10 Amount and percentage of ammonium nitrogen leaching loss from tobacco growing soil at different application rates of organic fertilizers

3 討論

土壤氮的大量淋失對生態資源利用、環境安全和人體健康均產生不利影響［18］。本研究中發現，有機肥替代普通化肥施用可顯著降低植煙土壤礦質氮累積及淋失，與滕穎［19］、朱士江［20］等的研究結果相一致。由于大部分帶正電荷的銨態氮易被帶負電荷的土壤膠體顆粒吸附固定，因此帶負電荷的硝態氮是土壤礦質氮淋失的主要形態［3］。有機肥中氮素多以有機氮形態存在，施入土壤之后，有機氮可通過微生物介導的礦化作用轉化為銨態氮，后通過硝化細菌介導的硝化作用轉化為硝態氮［21-22］。此轉化過程相對緩慢，避免了土壤中硝態氮的大量累積，有助于降低植煙土壤氮淋失風險。另一方面，有機肥可為土壤微生物繁殖提供有機碳源，促進微生物對土壤氮素的吸收、固定及利用［23-25］，降低植煙土壤礦質氮淋失。

本研究中通過15N 標記化肥氮發現有機肥施用能夠降低化肥源氮的淋失。這可能是由于有機氮肥中含有大量有機質，可增加土壤對無機氮的吸附與固定能力［26］。不同種類有機肥對土壤氮淋失阻控效果不一，這可能是有機肥自身性質的差異所導致的。生物炭是一種具有多孔特性、高芳香化、富含碳元素的難熔性固態高聚產物，一般由含碳量較豐富的生物質在相對較低的溫度（300～700 ℃）熱解而得到［27］。在本試驗中，生物炭肥對植煙土壤氮淋失減控效果較為顯著，這可能與生物炭對無機氮離子具有極強吸附固定作用有關［10］。另外，劉威等［28］研究表明，相比于其他有機肥種類，生物炭有機肥在施用前期氮素礦化速度較慢，土壤礦質氮補充較少，這可能也會影響到土壤中氮的淋失。

本研究中還發現，隨有機肥施用比例增加，土壤氮淋失質量濃度及淋失量顯著下降。這與王琦等［29］的研究結果相似。王琦等［29］對施用不同比例有機肥后土壤對無機氮吸附效果的研究發現，有機肥全替代化肥處理后土壤對無機氮吸附量大幅提升，有機肥施用后土壤顆粒表面電荷性質的變化和氮循環微生物活性的增加，促進了土壤對無機氮的吸附、固定和生物同化作用，從而降低了礦質氮的流失。另有研究表明，化肥施用會降低土壤中細菌群落的豐富度，從而減弱微生物對氮的固存能力［30］。這可能是導致植煙土壤氮淋失量隨有機肥替代化肥施用比例提高而降低的因素之一。雖然增加有機肥施用比例可減少氮素淋失，但在相同施氮水平條件下，也會影響植煙土壤中有效氮的供應和煙株對氮素的吸收利用。因此，關于有機氮肥施用對煙株氮素吸收利用和煙葉產質量的影響還需進一步深入研究。

4 結論

有機肥替代化肥可顯著減少洱海煙區植煙土壤氮素淋失，且對硝態氮淋失減控效果更為顯著。生物炭肥對植煙土壤氮淋失減控效果較優，芝麻餅肥其次。有機肥施用比例與植煙土壤氮淋失質量濃度及淋失量之間呈負相關，有機肥施用比例增加有助于降低植煙土壤礦質氮累積及淋失量、降低洱海煙區植煙土壤氮淋失污染風險。