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(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)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(guó)是世界第一烤煙種植大國(guó)，煙草的產(chǎn)量和質(zhì)量對(duì)經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)發(fā)展具有重要意義。實(shí)際生產(chǎn)中常用氮肥補(bǔ)充氮素，因此氮肥施用量和利用率問(wèn)題至關(guān)重要，根據(jù)凌壽軍［1］的研究烤煙氮肥利用率僅為20%～50%，南方多雨地區(qū)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(huán)境下可達(dá)施氮量的40%～50%［2］，農(nóng)田NH3揮發(fā)不僅增加生產(chǎn)成本而且會(huì)造成環(huán)境污染［3］。有研究表明NH3誘生的無(wú)機(jī)氣溶膠是中國(guó)霧霾的主要促成因素［4］，且NH3會(huì)隨著大氣沉降回到陸地或地表水，過(guò)量的氨沉降會(huì)引發(fā)土壤酸化、水體富營(yíng)養(yǎng)化、生物多樣性減少等一系列環(huán)境問(wèn)題［5，6］；也有研究發(fā)現(xiàn)沉降到地表的氨還可作為N2O排放底物的間接次要來(lái)源［7］。通過(guò)減少農(nóng)田的NH3揮發(fā)損失提高氮肥利用率，是農(nóng)田生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

目前已有大量研究表明，NH3揮發(fā)受氣溫［8］、土壤含水率［9］、pH值、土壤有機(jī)質(zhì)含量［10］、土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量影響。但不同地域、不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤理化性質(zhì)、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(diǎn)，只有監(jiān)測(cè)在特定地域、作物下的NH3揮發(fā)才能準(zhǔn)確定量其特征并做出針對(duì)性措施。我國(guó)關(guān)于NH3揮發(fā)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(jiàn)煙稻輪作系統(tǒng)下煙田土壤NH3揮發(fā)特征的研究。湖南煙區(qū)主要為亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū)，降雨量充沛，是典型煙稻輪作產(chǎn)區(qū)，單季煙田施氮量可達(dá)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(chǎn)發(fā)展的主要因素。因此我們?cè)诤瞎痍?yáng)煙草主產(chǎn)區(qū)設(shè)置單施化肥和化肥配施有機(jī)肥試驗(yàn)處理，研究?jī)煞N施肥模式對(duì)煙稻輪作系統(tǒng)下煙田土壤NH3揮發(fā)特征的影響和NH3揮發(fā)的環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子，旨在為減少氮素的氣態(tài)損失、提高煙田氮肥利用率以及評(píng)價(jià)NH3揮發(fā)所產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2021年3月在湖南桂陽(yáng)縣龍?zhí)督值劳羯浇M土地上進(jìn)行。該區(qū)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(shí)數(shù)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(zhì)地粉壤，耕層土壤基礎(chǔ)肥力：硝態(tài)氮28.21 mg/kg、銨態(tài)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(jī)質(zhì)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(hào)，由郴州市煙草公司提供。供試餅肥：生物發(fā)酵菜籽餅（N∶P2O5∶K2O=5∶2∶1，有機(jī)質(zhì)≥70%）。供試化肥：煙草專用基肥（N∶P2O5∶K2O=8∶17∶7，硝態(tài)氮/總氮≥15%）、硫酸鉀（K2O 52%）、過(guò)磷酸鈣（P2O512%）和磷酸二氫鉀（P2O5∶K2O=52∶34）、提苗肥（N∶P2O5=20∶9，硝態(tài)氮/總氮≥40%）、煙草專用追肥（N∶K2O=11∶31，硝態(tài)氮/總氮≥50%）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)處理，分別為CK：不施氮肥；T1：?jiǎn)问┗?；T2：化肥配施有機(jī)肥。3個(gè)處理均以硫酸鉀、磷酸二氫鉀、過(guò)磷酸鈣補(bǔ)充磷鉀元素，保證各處理磷鉀含量一致，各時(shí)期肥料施入量如表1所示。隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次。小區(qū)面積90 m2，每小區(qū)栽植150株，地邊設(shè)2行保護(hù)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(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)生產(chǎn)栽培管理辦法進(jìn)行大田管理。

表2 不同處理氮肥施入量和施入時(shí)期（kg/hm2）

試驗(yàn)地?zé)熤?月15日進(jìn)入旺長(zhǎng)期，5月5日現(xiàn)蕾，5月6日至10日進(jìn)行打頂抹腋芽，6月10日開(kāi)始采收下部葉，分3次采收，6月26日采收結(jié)束。

1.4 NH3采集及測(cè)定方法

1.4.1 NH3收集及測(cè)定方法 NH3收集裝置：氨揮發(fā)采用通氣法測(cè)定，裝置主體由PVC管組成，上方固定有塑料板用于遮陽(yáng)擋雨，其示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 NH3采集裝置示意圖

樣品的收集：測(cè)定時(shí)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(nèi)，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(shí)際取樣會(huì)根據(jù)天氣而調(diào)整）隨機(jī)放置在壟上，裝置插入表層土1 cm深，防止漏氣，集氣時(shí)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(shí)驗(yàn)室放入500 mL三角瓶?jī)?nèi)并加入300 mL的2 mol/L KCl溶液，振蕩浸提得到待測(cè)液，冷凍儲(chǔ)存并于7 d內(nèi)測(cè)定NH3含量。

1.4.2 土樣指標(biāo)測(cè)定方法 收集NH3時(shí)取土樣，并用TP101電子數(shù)顯溫度計(jì)測(cè)量5 cm土溫，一部分土樣在105℃下烘至恒重測(cè)定土壤含水率，另一部分用2 mol/L濃度KCl溶液浸提過(guò)濾，用SmarChem140全自動(dòng)化學(xué)分析儀（AMS，意大利）測(cè)硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象網(wǎng)。

土壤NH3揮發(fā)速率和累積揮發(fā)量計(jì)算方法：

土壤NH3揮發(fā)速率：

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

土壤NH3累積揮發(fā)量：

式中：S為土壤NH3累積揮發(fā)量（kg/hm2），n表示施肥后測(cè)定的次數(shù)，Ti表示第i次測(cè)定施肥后的時(shí)間（d），Vi為測(cè)定第i次時(shí)的氨揮發(fā)速率［kg/（hm2·d）］。

土壤NH3揮發(fā)系數(shù)：

式中：I為土壤NH3揮發(fā)系數(shù)，表示以NH3形式揮發(fā)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(fā)量（kg/hm2），SCK表示不施氮處理NH3-N累積揮發(fā)量（kg/hm2），N為施氮量（kg/hm2）。

土壤NH3揮發(fā)強(qiáng)度：

式中：C為土壤NH3揮發(fā)強(qiáng)度，表示每生產(chǎn)單位質(zhì)量煙葉所揮發(fā)的NH3-N（g/kg）。S為土壤NH3揮發(fā)累積損失量（kg/hm2），Y為產(chǎn)量（kg/hm2）。

采用Microsoft Excel 2019對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，DPS軟件的LSD法（P＜0.05）進(jìn)行顯著性分析，Origin 2019 pro軟件繪圖，JMP Pro16軟件進(jìn)行主成分及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理植煙土壤NH3揮發(fā)速率動(dòng)態(tài)變化

由圖2可知，土壤NH3揮發(fā)第1個(gè)峰值在基肥施入后第7 d出現(xiàn)，此時(shí)T2處理NH3揮發(fā)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(fā)呈持續(xù)下降趨勢(shì)，可能是氣溫驟降所導(dǎo)致。于第2次追肥后第4 d，第3次追肥后第5 d均監(jiān)測(cè)到NH3揮發(fā)速率峰值，T2處理NH3揮發(fā)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(gè)峰值于第6次追肥后第2 d出現(xiàn)，此時(shí)T2處理NH3揮發(fā)速率為1.13 kg/（hm2·d），較T1處理降低18.13%。整個(gè)生育期4次NH3揮發(fā)速率峰值均表現(xiàn)為T(mén)1＞T2＞CK，表明有機(jī)肥施入降低NH3揮發(fā)速率峰值。

圖2 植煙土壤NH3揮發(fā)速率動(dòng)態(tài)變化

監(jiān)測(cè)期內(nèi)施氮處理NH3揮發(fā)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(fā)的關(guān)鍵因素。基肥揮發(fā)高峰區(qū)間處于煙草緩苗期，此時(shí)煙草對(duì)氮素需求量較小，氮素以NH3形式揮發(fā)損失較大。第4次追肥未出現(xiàn)峰值，此時(shí)氣溫較低，且煙草處于旺長(zhǎng)期對(duì)氮素需求量大，消耗土壤中硝銨態(tài)氮，氮素以氣態(tài)NH3揮發(fā)損失較小。施氮肥處理最后一次峰值出現(xiàn)在煙草成熟期，之后揮發(fā)速率逐漸降低但始終高于CK，原因可能是成熟期煙株對(duì)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(fā)。

2.2 不同處理對(duì)植煙土壤NH3累積揮發(fā)量和平均揮發(fā)速率的影響

由圖3看出，CK的NH3平均揮發(fā)速率和累積揮發(fā)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(fā)速率和累積揮發(fā)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(dá)顯著水平。表明在等量化肥氮條件下，增施有機(jī)肥可有效降低NH3揮發(fā)。

圖3 不同處理NH3平均揮發(fā)速率和累積揮發(fā)量

2.3 不同處理對(duì)植煙土壤NH3揮發(fā)系數(shù)和揮發(fā)強(qiáng)度的影響

由表3可知，T2處理煙葉產(chǎn)量為2297.03 kg/hm2，較T1處理顯著增產(chǎn)7.65%。T2處理NH3揮發(fā)系數(shù)為17.91%，NH3揮發(fā)強(qiáng)度為14.97 g/kg，較T1處理分別降低25.41%和25.19%，差異均達(dá)到顯著水平。表明，在等量化肥氮基礎(chǔ)上增施有機(jī)肥不僅顯著增加煙葉產(chǎn)量而且顯著降低土壤NH3揮發(fā)。

表3 不同處理土壤NH3揮發(fā)系數(shù)、揮發(fā)強(qiáng)度和煙葉產(chǎn)量

2.4 土壤NH3揮發(fā)的環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子相關(guān)性分析

2.4.1 氣溫、土溫和土壤含水率對(duì)NH3揮發(fā)的影響 如圖4所示，隨著時(shí)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(dòng)態(tài)變化，土壤含水率因降雨、灌溉等影響，在19.41%～27.96%范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖4 土溫、氣溫和土壤含水率動(dòng)態(tài)變化

主成分分析結(jié)果（圖5）表明，氣溫、土溫和土壤含水率是影響土壤NH3揮發(fā)的關(guān)鍵因素。相關(guān)性分析（表4）結(jié)果顯示氣溫、土溫與NH3揮發(fā)呈正相關(guān)，土壤含水率與NH3揮發(fā)呈負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性均達(dá)到顯著或極顯著水平。

表4 土壤NH3揮發(fā)速率與環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子的相關(guān)關(guān)系

圖5 不同處理主成分分析

2.4.2 土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮對(duì)土壤NH3揮發(fā)的影響 由圖6可知，銨態(tài)氮含量表現(xiàn)為前期高后期低，硝態(tài)氮含量則相反，兩者增長(zhǎng)規(guī)律相似，均表現(xiàn)為施肥后含量顯著增加，后逐漸下降。土壤硝態(tài)氮在27.43～96.89 mg/kg之間波動(dòng)，銨態(tài)氮在6.73～8.16 mg/kg之間波動(dòng)，CK、T1、T2處理硝態(tài)氮平均含量分別為32.61、49.74、53.83 mg/kg，銨態(tài)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(tài)氮含量是促進(jìn)NH3揮發(fā)的主導(dǎo)因素之一。相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤銨態(tài)氮含量與NH3揮發(fā)呈顯著正相關(guān)，硝態(tài)氮與土壤NH3揮發(fā)具有一定負(fù)相關(guān)關(guān)系（表4）。

圖6 不同處理土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量動(dòng)態(tài)變化

3 討論

3.1 單施化肥氮和再增施有機(jī)肥對(duì)煙草產(chǎn)量及NH3揮發(fā)的影響

有研究表明土壤NH3揮發(fā)峰總是在施肥后2～7 d內(nèi)出現(xiàn)［16-18］，本試驗(yàn)整個(gè)監(jiān)測(cè)期內(nèi)，NH3揮發(fā)峰表現(xiàn)出相似規(guī)律。施氮處理基肥后NH3揮發(fā)峰值大于追肥期峰值，原因可能是基肥中銨態(tài)氮占比較高且用量大，水解后導(dǎo)致土壤中NH+4濃度迅速增加，刺激氨揮發(fā)［19］。本研究中有機(jī)肥的施入使NH3平均揮發(fā)速率顯著降低18.75%。

NH3揮發(fā)損失是稻田等農(nóng)田土壤中氮素氣態(tài)損失的主要形式，平均損失率在14%～32%范圍內(nèi)［20］。本研究中，單施化肥處理NH3揮發(fā)系數(shù)為24.01%，處于偏高水平。從需肥規(guī)律來(lái)看，煙草緩苗期對(duì)氮素需求量少，此時(shí)基肥的水解提供大量銨態(tài)氮并易通過(guò)NH3形式揮發(fā)損失，且成熟期土壤銨態(tài)氮含量仍然較高也可能是導(dǎo)致NH3揮發(fā)量較大的原因。葛順?lè)宓龋?1］研究發(fā)現(xiàn)增施有機(jī)肥可降低蘋(píng)果園土壤氨揮發(fā)。當(dāng)有機(jī)氮投入量占總氮量10%～20%時(shí)可顯著提升土壤酶活和產(chǎn)量［22，23］。但也有研究表明，有機(jī)肥施入，提供更多NH3揮發(fā)底物，促進(jìn)NH3揮發(fā)發(fā)生［24］。本試驗(yàn)中T2處理有機(jī)氮占施入總氮量12%，與單施化肥相比，顯著增產(chǎn)7.65%，NH3揮發(fā)系數(shù)顯著降低25.41%，NH3累積揮發(fā)量顯著降低15.71%。究其原因可能是增施有機(jī)肥提高土壤微生物多樣性，有利于土壤微生態(tài)系統(tǒng)平衡，對(duì)煙株具有積極作用［25］。同時(shí)有機(jī)肥在分解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有機(jī)酸，降低土壤pH值，促進(jìn)團(tuán)聚體的形成［26］，增強(qiáng)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(fā)［27］。

3.2 植煙土壤NH3揮發(fā)對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)

土壤理化性質(zhì)可直接或間接調(diào)控土壤液相中NH+4與NH3之間的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而影響土壤NH3揮發(fā)過(guò)程［28］。其中土壤含水率影響肥料在土壤中的轉(zhuǎn)化過(guò)程，如碳銨等肥料的水解過(guò)程，從而影響土壤NH3揮發(fā)。土壤含水率會(huì)影響NH3揮發(fā)［29］，有研究發(fā)現(xiàn)，降雨和灌溉后，NH3揮發(fā)顯著降低［30］。本研究相關(guān)性分析顯示，NH3揮發(fā)與土壤含水率呈負(fù)相關(guān)，可能原因是每次施肥后均有降雨發(fā)生，氮素淋溶至深層土壤從而抑制氨揮發(fā)［31］。溫度是影響NH3揮發(fā)的主要因素之一，溫度升高增大土壤溶液濃度，加速轉(zhuǎn)化為NH3的過(guò)程，促使NH3揮發(fā)。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(guò)程中水汽的攜帶作用會(huì)增加NH3揮發(fā)量。楊潔［33］研究表明土溫與NH3揮發(fā)呈顯著正相關(guān)。本試驗(yàn)中，氣溫、土溫與NH3揮發(fā)呈顯著或極顯著正相關(guān)，與前人研究一致。土壤pH值是影響田間NH3揮發(fā)的重要因素之一。有研究表明，pH值升高可促進(jìn)土壤NH3揮發(fā)［2］。本試驗(yàn)土壤pH值為7.8，偏堿性，這也可能是NH3揮發(fā)較高的原因之一。

農(nóng)田NH3揮發(fā)可以描述為土壤膠體所吸附的轉(zhuǎn)化為土壤溶液中的游離態(tài)，然后轉(zhuǎn)化為NH3逸出到空氣中的過(guò)程［34］。銨態(tài)氮作為NH3揮發(fā)的底物，其在土壤中含量高低決定NH3揮發(fā)的多少。相關(guān)性分析顯示土壤銨態(tài)氮與NH3揮發(fā)呈顯著或極顯著正相關(guān)，硝態(tài)氮與NH3揮發(fā)具有一定負(fù)相關(guān)性，這與董怡華［35］、李凡［36］等的研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

煙稻輪作系統(tǒng)下煙田土壤NH3揮發(fā)與施肥密切相關(guān)，氮肥施入2～7 d內(nèi)出現(xiàn)揮發(fā)速率峰值，化肥配施有機(jī)肥不僅顯著增加煙葉產(chǎn)量，而且可顯著降低土壤NH3平均揮發(fā)速率、揮發(fā)系數(shù)、累積揮發(fā)量及揮發(fā)強(qiáng)度。

氣溫、土壤溫度、含水率、銨態(tài)氮含量是影響煙稻輪作系統(tǒng)下煙田土壤NH3揮發(fā)的主導(dǎo)因素，含水率與NH3揮發(fā)呈顯著負(fù)相關(guān)，氣溫、土壤溫度、銨態(tài)氮含量與NH3揮發(fā)呈顯著正相關(guān)。