肥料施用方式對(duì)烤煙伸根期N2O排放及氮素利用的影響

馬二登+童文杰+王加林+劉凱義+李軍營(yíng)+徐照麗

摘要：利用盆栽試驗(yàn)研究烤煙伸根期3種肥料施用方式（塘施、環(huán)施、澆施）在不同土壤水分條件下（土壤水分盈余、土壤水分適宜、土壤水分虧缺）的N2O排放及氮素利用狀況。研究結(jié)果表明，肥料施用方式和土壤水分含量對(duì)烤煙伸根期N2O排放及氮素利用率均有顯著影響。土壤水分適宜（52.6%～64.6%WFPS）條件下，澆施處理植煙土壤N2O排放量最高，分別比塘施和環(huán)施處理增加54.5%、64.2%，處理間差異顯著。在土壤水分虧缺（32.1%～44.1%WFPS）和盈余（74.1%～83.8%WFPS）條件下，不同施肥處理N2O排放量均相對(duì)較低；施肥方式對(duì)肥料氮素利用率的影響因土壤水分而異，土壤水分適宜和土壤水分盈余條件下，以環(huán)施和澆施處理氮素利用率最高。土壤水分虧缺條件下，不同施肥處理間氮素利用率差異不顯著；在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，基肥應(yīng)避免采用澆施的方式，而宜采用環(huán)施方式進(jìn)行，以避免N2O的大量排放，同時(shí)提高氮素利用率。此外，作物種植初期灌溉量不宜過(guò)高，以免造成基肥養(yǎng)分流失。

關(guān)鍵詞：N2O排放；肥料施用方式；植煙土壤；氮素利用

通信作者：李軍營(yíng)，博士，副研究員，主要從事煙草栽培研究。E-mail：83754331@qq.com。施用氮肥是提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要手段。目前，我國(guó)肥料利用率明顯偏低[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，20 世紀(jì)末以來(lái)，我國(guó)主要糧食作物的氮肥利用率已由35%下降至27%[2]。氮肥利用率過(guò)低，不僅導(dǎo)致資源的巨大浪費(fèi)，所投入的過(guò)量氮素還將會(huì)以徑流、淋溶等方式進(jìn)入水體，或以氨、氧化亞氮的形式揮發(fā)，從而造成嚴(yán)重的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)或環(huán)境污染[3]。其中，氧化亞氮（N2O）是最重要的溫室氣體之一，其濃度的增加不僅加劇了全球溫室效應(yīng)，而且導(dǎo)致臭氧層的破壞與地面紫外線輻射增強(qiáng)[4]。相關(guān)研究表明，目前，大氣中N2O濃度已上升到 324 μg/kg[5]。

化學(xué)氮肥用量的增加已成為全球大氣N2O濃度增加的一個(gè)重要因素[6]。2008年，我國(guó)農(nóng)田肥料N2O 排放總量達(dá)6171 Gg[7]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，土壤水分、肥料施用、土壤性質(zhì)、種植制度等是影響土壤N2O排放的重要因素[8]。當(dāng)肥料種類(lèi)、用量和施用時(shí)間一定的情況下，調(diào)整優(yōu)化肥料的施用方式往往能夠起到減緩N2O排放的效果[9-11]。以往研究多是通過(guò)改變肥料施用深度[9，12-13]或調(diào)整肥料施用次數(shù)[14-15]的方式來(lái)達(dá)到減控農(nóng)田土壤N2O排放的目的。在烤煙（Nicotiana tabacum L.）生產(chǎn)中，塘施和環(huán)施是烤煙生產(chǎn)中最為常見(jiàn)的肥料施用方式。近年來(lái)，為提高施肥效率和減少人工成本，部分煙區(qū)采用了肥液（將肥料充分溶于水后形成）澆灌的方式進(jìn)行施肥，成為了一種新型的水肥一體化施肥方式。目前，有關(guān)這種肥料不同形態(tài)施用對(duì)土壤N2O排放的影響鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究通過(guò)盆栽試驗(yàn)探討不同肥料施用方式（塘施、環(huán)施、澆施）條件下烤煙伸根期階段3種含水量植煙土壤（土壤水分盈余、土壤水分適宜、土壤水分虧缺）的N2O排放，同時(shí)考察其肥料氮素利用效率，旨在為農(nóng)田系統(tǒng)養(yǎng)分管理和溫室氣體減排提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地點(diǎn)位于云南省煙草科學(xué)研究院研和鎮(zhèn)試驗(yàn)基地進(jìn)行，地處102°30′E，24°14′N(xiāo)，屬中亞熱帶半濕潤(rùn)涼冬高原季風(fēng)氣候，年平均氣溫15～16 ℃，年降水量800～900 mm，日照時(shí)數(shù)2 265 h。供試土壤為紅壤，pH值6.52，全氮含量 0.63 g/kg，全磷含量1.31 g/kg，全鉀含量9.14 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量17.2 g/kg。供試烤煙品種為K326，中心花開(kāi)第一朵封頂。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)于2015年進(jìn)行，采用盆栽試驗(yàn)，包括肥料施用方式、土壤水分含量2個(gè)因素。肥料施用方式除對(duì)照（CK）外設(shè)置3個(gè)水平，分別為塘施、環(huán)施、澆施。土壤水分含量設(shè)置3個(gè)水平，分別為土壤水分虧缺、土壤水分適宜、土壤水分盈余。共設(shè)計(jì)12個(gè)處理，分別為：（1）CK-L（不施肥-土壤水分虧缺）；（2）CK-M（不施肥-土壤水分適宜）；（3）CK-H（不施肥-土壤水分盈余）；（4）H-L（塘施-土壤水分虧缺）；（5）H-M（塘施-土壤水分適宜）；（6）H-H（塘施-土壤水分盈余）；（7）C-L（環(huán)施-土壤水分虧缺）；（8）C-M（環(huán)施-土壤水分適宜）；（9）C-H（環(huán)施-土壤水分盈余）；（10）P-L（澆施-土壤水分虧缺）；（11）P-M（澆施-土壤水分適宜）；（12）P-H（澆施-土壤水分盈余）。每個(gè)處理4個(gè)盆栽重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。

不同處理施用煙草復(fù)合肥N-P2O5-K2O=14-14-17，N用量均為105 kg/hm2（60 g/株）。不同處理于5月8日移栽煙苗，同時(shí)施用基肥26 g/株，5月15日、5月22日分別追施肥料7 g/株，6月2日、6月12日分別追施肥料10 g/株?；适┯梅绞綖椋禾潦?，首先在盆缽中打塘，后將肥料置于煙塘中部充分與塘土拌勻；環(huán)施，肥料環(huán)繞煙塘中心點(diǎn)，以 10 cm 為半徑，施后覆土；澆施，將肥料充分溶于水后均勻澆施于煙苗根區(qū)土壤。追肥施用方式，塘施、環(huán)施處理均采用穴施進(jìn)行，澆施處理則與基肥施用方式保持一致，即采用液肥澆灌的方式進(jìn)行。

煙苗移栽后放置于透光遮雨棚下，烤煙伸根期土壤水分條件的調(diào)節(jié)控制采用人工澆水并及時(shí)觀測(cè)土壤濕度的記錄儀的方式進(jìn)行。參考烤煙生長(zhǎng)生理指標(biāo)相關(guān)研究結(jié)果，土壤水分虧缺、土壤水分適宜、土壤水分盈余處理土壤含水量分別控制在40%、60%、80%WFPS左右[16]，以代表虧缺、適宜、盈余的土壤水分條件。各盆缽直至煙苗移栽后35 d移出遮雨棚。

1.2.2測(cè)定方法土壤N2O排放采用靜態(tài)箱法測(cè)定，靜態(tài)箱為圓柱形，底面直徑0.3 m，箱高0.5 m。各盆缽上層接有采樣箱底座，采樣時(shí)加水注入底座以密封。采樣在煙株伸根期進(jìn)行，3 d采1次樣，采樣時(shí)間為09：00—11：00。各采樣點(diǎn)每次采4個(gè)樣，間隔15 min采1個(gè)樣。采樣同時(shí)測(cè)定氣溫和箱溫。endprint

用帶ECD檢測(cè)器的氣相色譜（島津GC-12B）測(cè)定樣品N2O濃度，柱溫65 ℃，檢測(cè)器溫度為300 ℃。以95%氬氣+5%甲烷作為載氣，流速40 mL/min。N2O標(biāo)準(zhǔn)氣體由日本國(guó)立農(nóng)業(yè)環(huán)境技術(shù)研究所提供。根據(jù)N2O濃度與時(shí)間關(guān)系曲線計(jì)算N2O排放通量。N2O排放通量用每次觀測(cè)3個(gè)重復(fù)的平均值表示，N2O季節(jié)平均排放量則是將3個(gè)重復(fù)的每次觀測(cè)值按時(shí)間間隔加權(quán)平均后再平均。處理間以3個(gè)重復(fù)的平均值進(jìn)行方差分析。相關(guān)性分析用全部觀測(cè)值進(jìn)行直線回歸相關(guān)分析。

土壤水分用L92-1Y型溫濕度記錄儀監(jiān)控；烤煙伸根期每隔6～10 d采集1次表層（0～20 cm）土壤樣品，采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定土壤速效氮含量；烤煙成熟期挖出整棵煙株，分別稱(chēng)取根、莖、葉鮮質(zhì)量后，置入烘箱中 105 ℃殺青30 min，然后在 80 ℃下烘干至恒質(zhì)量，獲取生物量。

1.2.3數(shù)據(jù)處理根據(jù)N2O濃度與時(shí)間關(guān)系曲線計(jì)算N2O排放通量。N2O排放通量用每次觀測(cè)3個(gè)重復(fù)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，N2O平均排放量則是將3個(gè)重復(fù)的每次觀測(cè)值按時(shí)間間隔加權(quán)平均后再取3個(gè)重復(fù)的平均值。處理間比較以3個(gè)重復(fù)的平均值進(jìn)行方差分析及多重比較。常規(guī)數(shù)據(jù)整理由Excel 2007完成，方差分析、相關(guān)分析通過(guò)SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。

氮素利用率=（施氮區(qū)煙株吸氮量 無(wú)氮區(qū)煙株吸氮量）/施氮量×100%。

2結(jié)果與分析

2.1烤煙伸根期植煙土壤N2O排放季節(jié)變化

從圖1可以看出，相同土壤水分條件下，不同施肥方式植煙土壤N2O排放規(guī)律基本一致，不同土壤水分條件下植煙土壤N2O排放量和排放規(guī)律明顯不同。土壤水分虧缺條件下，不同處理N2O排放量較小，為0～64.2 μg/（m2·h），在移栽后1 d處于較高排放峰值，為18.4～64.2 μg/（m2·h），之后下降至0～28.5 μg/（m2·h）。土壤水分適宜條件下，不同處理移栽后7 d出現(xiàn)N2O排放峰，為90.1～655.2 μg/（m2·h），之后迅速下降；在移栽后12～18 d再次出現(xiàn)排放峰，為77.6～403.1 μg/（m2·h），之后在60.1～288.2 μg/（m2·h） 之間波動(dòng)。土壤水分盈余條件下，不同處理烤煙移栽后1 d處于較高排放峰值，為13.3～49.0 μg/（m2·h），之后迅速下降，烤煙移栽3 d后開(kāi)始回升，不同施肥處理直到移栽后15～18 d 達(dá)到最高峰值，排放為35.2～84.3 μg/（m2·h），之后逐漸下降，移栽后27 d再次回升至50 μg/（m2·h）上下。

從圖2可以看出，不同土壤水分處理植煙土壤N2O排放量和排放季節(jié)變化規(guī)律明顯不同，主要是由于土壤含水量的差異。本研究中土壤水分虧缺處理烤煙伸根期土壤含水量為32.1%～44.1%WFPS，土壤水分適宜處理土壤含水量為526%～64.6%WFPS，土壤水分盈余處理土壤含水量為741%～83.8%WFPS。

2.2烤煙伸根期植煙土壤N2O排放量

不同施肥方式間植煙土壤N2O平均排放量和排放總量高低因土壤水分而異（表1）。土壤水分虧缺條件下，不同施肥處理N2O平均排放量和排放總量顯著增加，為對(duì)照的 2.6～5.0倍。其中，以環(huán)施處理植煙土壤N2O平均排放量和排放總量最高，與澆施處理相比，增加94.6%，處理間差異顯

著。土壤水分適宜條件下，不同施肥處理N2O平均排放量和排放總量顯著增加，排放量為對(duì)照的6.9～18.3倍。其中，以澆施處理植煙土壤N2O平均排放量、排放總量及排放系數(shù)均最高。與塘施和環(huán)施處理相比，澆施處理N2O排放總量分別增加54.5%、64.2%，處理間差異顯著。土壤水分盈余條件下，不同施肥處理N2O平均排放量和排放總量顯著增加，為對(duì)照的11.1～14.0倍。不同施肥方式處理間植煙土壤N2O排放量差異不顯著。

表2同。

方差分析結(jié)果表明，本研究中肥料施用方式和土壤水分含量均對(duì)烤煙伸根期N2O排放有顯著影響，且二者間存在著顯著交互作用。施肥方式一定條件下，不同土壤水分處理烤煙伸根期植煙土壤N2O平均排放量和排放總量大小順序均表現(xiàn)為土壤水分適宜處理>土壤水分盈余處理>土壤水分虧缺處理（除對(duì)照外）。不同施肥方式下（除對(duì)照外），與土壤水分盈余處理和土壤水分虧缺處理相比，土壤水分適宜處理植煙土壤N2O平均排放量和排放總量分別增加了2.8～7.2倍、5.5～32.5倍，處理間差異顯著。

2.3不同處理烤煙氮素利用率

從表2可以看出，施肥不同程度增加了煙株生物量，土壤水分虧缺、土壤水分適宜和土壤水分盈余條件下，不同施肥方式處理煙株生物量分別是對(duì)照的2.5～3.3倍、1.8～2.5倍、4.3～6.3倍，處理間差異顯著。施肥方式對(duì)煙株生物量的影響因土壤水分而異，土壤水分盈余、土壤水分虧缺條件下，環(huán)施處理與塘施處理相比，煙株生物量分別增加41.0%、309%，處理間差異顯著。土壤水分適宜條件下，各施肥處理間煙株生物量差異不顯著。施肥方式對(duì)肥料氮素利用率的影響因土壤水分而異。土壤水分適宜、土壤水分盈余條件下，以環(huán)施和澆施處理氮素利用率最高，與塘施處理相比二者氮素利用率分別增加45.9%、39.0%和37.9%、52.4%。土壤水分虧缺條件下，各施肥處理間氮素利用率差異不顯著。方差分析表明，土壤水分和施肥方式均對(duì)成熟期煙株生物量及氮素利用率有顯著影響，且二者間對(duì)成熟期煙株生物量及氮素利用率存在顯著交互作用。

土壤水分對(duì)煙株生物量的影響因施肥方式而異。環(huán)施和澆施處理下，土壤水分盈余處理煙株生物量分別比土壤水分虧缺條件下增加47.0%和89.1%，處理間差異顯著。塘施處理?xiàng)l件下，3種土壤水分煙株生物量差異不顯著。土壤水分適宜、土壤水分虧缺處理間煙株氮素利用率差異不大，均顯著高于土壤水分盈余處理，分別是其1.7～2.0倍和1.6～22倍。endprint

3討論與結(jié)論

3.1肥料施用方式對(duì)植煙土壤N2O排放的影響

施用化學(xué)氮肥能明顯促進(jìn)土壤N2O排放，這與相關(guān)研究結(jié)論[11，13，17]一致。研究認(rèn)為，與傳統(tǒng)的施肥后灌溉方式相比，滴灌水肥一體化會(huì)增加N2O 排放，原因可能是因?yàn)榈喂喙嗨l率高于漫灌，干濕交替現(xiàn)象導(dǎo)致土壤碳氮礦化增加，土壤硝化、反硝化作用增強(qiáng)，N2O 排放量增大[18]。本研究中各施肥方式灌溉頻率相同。土壤水分適宜條件下，澆施處理土壤N2O排放顯著高于其他2種施肥方式處理，原因可能是澆施方式使得肥料充分溶于水，施肥后土壤速效氮含量短時(shí)間內(nèi)大量增加，為硝化反硝化過(guò)程提供了更為豐富的底物NO3--N和NH4+-N。與塘施、環(huán)施相比，澆施處理土壤速效氮含量分別增加了22.9%、54.9%，為土壤N2O的產(chǎn)生與排放提供了更為充足的底物[19]。肥料塘施相對(duì)于環(huán)施而言，肥料施用較為聚集（置于煙塘中部），可能會(huì)致使肥料養(yǎng)分釋放較為遲緩。與環(huán)施相比，塘施處理烤煙伸根期土壤速效氮含量增加了26.1%，硝化反硝化底物更為充足，這很可能是塘施處理后期，烤煙移栽13～28 d土壤N2O排放高于環(huán)施處理的原因。雖然土壤N2O排放是以土壤速效氮含量為基礎(chǔ)，但如果缺乏適合的土壤水分條件也不會(huì)導(dǎo)致N2O的大量產(chǎn)生。本研究中，土壤水分虧缺和土壤水分盈余處理?xiàng)l件下，可能由于微生物活性較低、硝化作用徹底或受到抑制、N2O擴(kuò)散受阻等原因，導(dǎo)致土壤N2O排放量大幅減少，從而不同程度地掩蓋了不同施肥方式間在N2O排放量上的差異。

3.2土壤水分含量對(duì)植煙土壤N2O排放的影響

適宜硝化和反硝化過(guò)程進(jìn)行的土壤水分含量，是土壤N2O大量產(chǎn)生和排放的前提條件，水分含量多在45%～75%WFPS之間[20]。土壤水分適宜處理土壤充水孔隙度控制在52.6%～64.6%，適宜土壤水分含量同時(shí)提供了土壤硝化作用所需的好氧條件和反硝化作用所需的厭氧條件，最終促進(jìn)了土壤中N2O的生成。與土壤水分適宜處理相比，土壤水分盈余處理植煙土壤N2O平均排放量和排放總量減少了736%～87.8%，這可能是由于隨著土壤水分含量的進(jìn)一步增加，硝化過(guò)程受到限制，反硝化過(guò)程促使N2O在土壤中進(jìn)一步還原成N2[21]。本研究中發(fā)現(xiàn)，與土壤水分適宜處理相比，土壤水分盈余條件下土壤速效氮平均含量減少了 52.4%～79.8%，這可能是因?yàn)檩^高的土壤水分條件增加了速效氮的淋溶，從而降低了土壤中硝化反硝化底物的含量，這也是該處理N2O減少的另一原因。盡管土壤水分虧缺處理速效氮含量是土壤水分適宜條件下的1.2～2.2倍，但其土壤含水量在34%～65%WFPS，較低土壤水分含量削弱了微生物活性，同時(shí)，氧供應(yīng)充足導(dǎo)致反硝化速率低而硝化作用進(jìn)行徹底，降低了硝化產(chǎn)物N2O/NO3-比，進(jìn)而顯著減少了植煙土壤N2O排放。

3.3肥料施用方式和土壤水分含量對(duì)烤煙氮素利用的影響

液肥澆灌施用屬水肥一體化形式之一。將肥料充分溶于水后均勻澆施于煙苗根區(qū)土壤，雖增加養(yǎng)分隨水下滲風(fēng)險(xiǎn)，但另一方面，促進(jìn)了養(yǎng)分在根區(qū)的遷移，一定程度上有利于煙株對(duì)養(yǎng)分吸收和生長(zhǎng)發(fā)育。已有較多研究證實(shí)了水肥一體化在提高養(yǎng)分利用率方面的積極作用[22-24]。環(huán)施相對(duì)于塘施而言，肥料分布更為均勻，使得煙株根系因其趨肥性生長(zhǎng)及伸展方向更為合理，從而能最大限度吸收養(yǎng)分。輝樹(shù)光等也認(rèn)為，基肥環(huán)施較其他方式更為合理，可有效促進(jìn)煙株生長(zhǎng)發(fā)育和干物質(zhì)積累，從而提高烤煙產(chǎn)量[25]。

一般而言，施用的肥料必須經(jīng)過(guò)水分（特別是顆粒肥）溶解后，其中養(yǎng)分才能被作物根系吸收。本研究中，煙株生物量隨著土壤含水量的提高而增加，可見(jiàn)烤煙伸根期充裕的土壤水分條件對(duì)煙株生長(zhǎng)發(fā)育起到了一定的促進(jìn)作用。然而，煙株氮素利用率隨土壤水分含量的變化趨勢(shì)并不與煙株生物量一致，而是當(dāng)土壤水分處于52.6%～ 64.6%WFPS之間（土壤水分適宜）時(shí)煙株氮素利用率最高，原因可能是土壤水分盈余條件下，氮素的淋溶流失程度較高。蘇賢坤研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤水分條件處于55%WFPS左右時(shí)，以水促肥效應(yīng)最為顯著，煙株氮素利用率最高[26]。

3.4結(jié)論

肥料施用方式和土壤水分含量對(duì)烤煙伸根期N2O排放有顯著影響。不同施肥方式間植煙土壤N2O排放量高低因土壤水分而異。土壤水分適宜條件下，以澆施植煙土壤N2O排放量最高。土壤水分盈余和土壤水分虧缺條件下，不同施肥方式間N2O排放量差異不大。施肥方式一定條件下（對(duì)照除外），土壤水分適宜處理（52.6%～64.6%WFPS）植煙土壤N2O排放量最高。

肥料施用方式和土壤水分含量對(duì)烤煙氮素利用率有顯著影響。土壤水分適宜和盈余條件下，以環(huán)施和澆施方式下氮素利用率最高。土壤水分虧缺條件下，各施肥方式間氮素利用率差異不顯著。土壤水分適宜和土壤水分虧缺條件下煙株氮素利用率差異不大，均顯著高于土壤水分盈余下煙株氮素利用率。

合理的肥料管理是作物獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的前提。在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，由于作物種植初期生物量較小，對(duì)養(yǎng)分的需求量不大，基肥應(yīng)避免采用澆施方式，宜采用環(huán)施的方式進(jìn)行，以避免N2O的大量排放，同時(shí)提高氮素利用率。土壤水分偏低，勢(shì)必會(huì)影響作物前期生長(zhǎng)發(fā)育，應(yīng)通過(guò)灌溉補(bǔ)充作物所需水分，但灌溉量不宜過(guò)大，以免造成基肥養(yǎng)分流失。

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