杜彩艷，吳 迪，李家逵，白繼元，代 快，李家瑞，何玉華，李江舟

（1云南省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，昆明 650205；2云南省煙草公司玉溪市公司，云南玉溪 653100；3云南省農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所，昆明 650205）

0 引言

氮素是煙草生長發(fā)育最重要的營養(yǎng)元素，對煙草產(chǎn)量和品質(zhì)影響很大[1]。然而長期以來氮肥過量、不科學施用現(xiàn)象在中國植煙區(qū)普遍存在，目前已逐漸成為中國植煙土壤保育及提升煙葉品質(zhì)的關(guān)鍵限制因子。氮肥的過量投入，不但造成嚴重的資源浪費，而且還會使大量的氮素積累在土壤中，并加大了氮肥的流失風險，從而導(dǎo)致農(nóng)田及水環(huán)境污染[2-4]。撫仙湖是中國最大蓄水量湖泊、最大高原深水湖，近年來水質(zhì)呈緩慢下降趨勢[5]。其中總氮(TN)和總磷(TP)是撫仙湖水質(zhì)超標最嚴重的2個指標，且上層湖水的TN和TP已經(jīng)達到III類水質(zhì)標準[6]。研究表明[7-8]經(jīng)濟作物和水稻的氮素(N)、磷素(P)養(yǎng)分流失導(dǎo)致的地表徑流等面源污染是撫仙湖流域主要的污染源?？緹熓菗嵯珊饔蛑饕慕?jīng)濟作物，沿湖流域種植區(qū)具有良好的自然生態(tài)氣候條件，是云南清香型風格煙葉代表性區(qū)域和優(yōu)質(zhì)煙葉原料的核心產(chǎn)區(qū)?？緹煼N植期間降雨量相對較大[9]，降雨所產(chǎn)生的地表徑流是農(nóng)田N、P流失的主要途徑，研究烤煙栽培過程中N、P徑流流失對降低農(nóng)業(yè)面源污染具有重要意義。

土壤條件、耕作措施、降雨量和施肥等多種因素都會影響農(nóng)田地表徑流N、P養(yǎng)分流失[10]。大量研究證實減少肥料施用量、改進施肥方式、科學調(diào)整施肥時間及肥料種類等能減少稻田地表徑流N、P養(yǎng)分的流失[9]；其中，優(yōu)化施肥量是防治農(nóng)田N、P養(yǎng)分流失最有效方法之一[11-12]。因此，如何集約、高效的施用肥料，從源頭上降低農(nóng)田N、P養(yǎng)分流失，對防治農(nóng)業(yè)面源污染具有重大意義。LEE[13]研究表明，減少化肥施用量可有效降低N、P流失量，并顯著提高化肥利用率。減量施用控釋氮肥10%～30%，既可保證水稻產(chǎn)量，又可有效提高氮肥利用率，顯著降低氮素養(yǎng)分損失[14]。姜海斌等[9]通過大田試驗，研究對比了不同施肥模式對稻田N、P徑流流失與水稻產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，化肥減量、有機無機配施和緩控釋肥處理是可供選擇的環(huán)境友好型施肥模式。減量施肥和優(yōu)化施肥均能顯著降低水稻季、蔬菜季地表徑流磷素濃度和菜-稻周年磷素地表徑流流失量[15]。此外，施肥量與丘陵地區(qū)地表徑流水體N、P流失量關(guān)系密切[16]。然而，以往這些研究多數(shù)集中在水稻田、蔬菜地N、P流失方面，對于植煙區(qū)農(nóng)田N、P流失特征及其治理方法的研究尚少。

基于此，本研究選擇撫仙湖沿湖植煙區(qū)農(nóng)田為研究對象，以烤煙減肥增效和面源污染防控為目標，從N、P流失的源頭——施肥入手，研究不同氮肥用量對煙葉產(chǎn)量、烤煙植株氮素累積量、氮肥利用率以及氮素、磷素地表徑流損失的影響，探究適宜當?shù)乜緹熒a(chǎn)的合理氮肥用量，以期為撫仙湖沿湖植煙區(qū)烤煙減肥增效和農(nóng)業(yè)面源污染防控提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于云南省澄江市，屬于中亞熱帶、北亞熱帶、南溫帶和中溫帶四個氣候類型的氣候，年均降水量1001.8 mm（65%～75%的降雨量集中于6—9月），年均氣溫11.9～17.5℃，全年日照總時數(shù)2172.3 h。試驗地點澄江市龍街鎮(zhèn)大塘村云南省優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)基地（E 102°87′44″，N 24°64′08″，海拔高度1702 m），前茬作物蠶豆，土壤類型水稻土。試驗地耕層土壤的基礎(chǔ)農(nóng)化性狀為：pH 6.73，有機質(zhì)20.6 g/kg，堿解氮143.33 mg/kg，有效磷30.70 mg/kg，速效鉀273.56 mg/kg；2020年烤煙大田期（4—9月）平均降雨量見表1。

表1 2020年份降雨量 mm

1.2 試驗材料

供試烤煙品種為‘K326’；供試肥料詳見表2，所有肥料均購自玉溪三農(nóng)高原特色現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有限責任公司。

表2 供試肥料

1.3 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置5個氮素水平，氮用量分別為純N 0、60、75、90、105 kg/hm2，分別以 N0、N60、N75、N90、N105（煙農(nóng)常規(guī)施氮量）表示，所有處理磷、鉀肥和有機肥用量相同，為 P2O552.5 kg/hm2、K2O 315 kg/hm2和商品有機肥1800 kg/hm2；各處理氮、磷、鉀比例為1:0.5:3，3次重復(fù)，共15個小區(qū)，隨機區(qū)組設(shè)計，隨機排列，株行距為120 cm×60 cm，小區(qū)面積30 m2。

同時，應(yīng)用田間滲漏池法采集30 cm深度土壤徑流液，試驗小區(qū)邊界打埂，防止地表徑流水外流，并開挖引流溝，集中引流到出水口，于出水口位置連接徑流收集池（尺寸為2 m×1 m×0.75 m）收集整個雨季各小區(qū)徑流液。

商品有機肥作基肥一次性施用，即在整地翻耕前把商品有機肥均勻撒施地表，再進行翻耕；不施氮肥處理20%鉀肥、100%磷肥作基肥施用，剩余80%鉀肥作追肥施用。其他處理的氮肥30%作基肥、70%作追肥施用；烤煙提苗肥在烤煙移栽1周后追施，施用量45 kg/hm2，煙草專用復(fù)合肥在烤煙移栽2、3、4周后分別按20%、20%和30%的比例追施，剩下的鉀肥和煙草專用復(fù)合肥于烤煙移栽4周后一起施用?；适┯梅绞綖檠ㄊň鶆蚍植加诳緹煾?5～20 cm周圍），追肥方式為兌水澆施。試驗煙苗于2020年4月21日移栽，其他栽培管理措施均按照當?shù)馗弋a(chǎn)優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)技術(shù)進行。

1.4 取樣及測定方法

1.4.1 土樣 烤煙種植前采用“S”型5點取樣法采集0～20 cm混合土樣，測定其基礎(chǔ)農(nóng)化性狀；測定指標包括：土壤pH、有機質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀共5項，采用《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》[17]中的方法進行測定。

1.4.2 氮、磷徑流、淋溶取樣及測定方法 降雨后收集地表徑流液樣品，采集清水層水樣，不攪動水底沉積物，對樣品進行編號后冷凍保存。每次取樣完成后及時抽干地表徑流桶中的水，為下次樣品收集作準備，直至9月中下旬烤煙采收結(jié)束。地表徑流液樣品分別收集于2020年6月19日、7月6日、7月9日、7月15日、7月20日、7月27日和8月18日。徑流液樣品中總氮(TN)和總磷(TP)分別采用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法(HJ 636—2012)和過硫酸鉀消解—鉬銻抗分光光度法(GB 11893—89)測定。

1.4.3 主要經(jīng)濟性狀測定 煙葉開始成熟時，按試驗小區(qū)進行掛牌、采收、烘烤、分級及測產(chǎn)，根據(jù)烤煙國家分級標準《烤煙(GB2635—92)》分批次進行定級[18]，記錄每批次各小區(qū)不同等級的產(chǎn)量，計算單位面積產(chǎn)量、上等煙、中等煙比例。產(chǎn)值按照產(chǎn)量、不同等級烤煙的比例及其玉溪市煙葉收購單價計算。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

根據(jù)參考文獻[19-20]計算以下參數(shù)，如式(1)～(4)所示。

總氮和總磷淋失量的計算如式(5)所示。

式中：F為徑流量(kg/hm2)，n為地表徑流次數(shù)，Vi為第i次產(chǎn)流的水量(L)，Ci為第i次產(chǎn)流的總氮或總磷質(zhì)量濃度(mg/L)，S為監(jiān)測單元面積，f為由監(jiān)測單元轉(zhuǎn)換成公頃的換算系數(shù)。

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)處理，并采用新復(fù)極差法(Duncan)進行差異顯著性檢驗(P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對植煙區(qū)農(nóng)田地表徑流水體總氮濃度和流失量的影響

由圖1A可知，監(jiān)測期內(nèi)，地表徑流TN流失濃度呈現(xiàn)隨施氮量增加而增加的趨勢，不施氮處理(N0)的地表徑流TN流失濃度始終低于其他施氮處理。此外，各處理徑流TN流失濃度隨時間推移以及降雨次數(shù)的增加呈先降低后略有上升趨勢，各處理地表徑流TN濃度均在6月19日呈現(xiàn)最大值，為氮素流失的高峰期，6月19日TN含量最高，4個施氮水平（N60、N75、N90和N105）地表徑流TN平均濃度分別11.2、11.5、11.9、12.4 mg/L，7月 20日分別降到1.25、1.27、1.40、1.58 mg/L，相對于6月19日分別下降了88.8%、89.0%、88.2%和87.2%。監(jiān)測期內(nèi)，地表徑流TN濃度隨著氮肥施用量的增加而增加，N60、N75、N90和N105處理TN平均流失濃度分別為3.81、3.99、4.25、4.68 mg/L，N60、N75、N90處理TN平均流失濃度較常規(guī)施氮N105處理分別降低18.6%、14.7%和9.15%。

由圖1B可以看出，各處理7次監(jiān)測的TN流失量范 圍 依 次 為 2.70～5.26、1.85～2.82、1.03～1.54、0.49～0.66、0.78～1.15、0.65～0.92、1.05～1.38 kg/hm2，以6月19日地表徑流中TN流失量最大。此外，隨著氮肥施用量的增加，7次地表徑流TN累計流失量增加，常規(guī)施氮(N105)處理的TN流失總量最大，達到13.6 kg/hm2，N60、N75和N90處理的TN流失總量較N105處理分別降低了19.2%、18.1%和9.81%，其中，N60和N75處理TN累計流失量顯著低于N105處理(P＜0.05)。

圖1 不同處理對植煙區(qū)農(nóng)田地表徑流水體總N濃度(A)和流失量(B)的影響

2.2 施氮量對植煙區(qū)農(nóng)田地表徑流水體總磷濃度流失量的影響

由圖2A可知，監(jiān)測期內(nèi)各處理地表徑流TP濃度隨著氮肥施用量的增加而增加，處理間差異不顯著，4個施氮水平（N60、N75、N90和N105）地表徑流TP平均濃度分別為 0.033、0.034、0.035、0.037 mg/L，N60、N75和N90處理TP平均濃度比常規(guī)施氮N105處理分別降低了12.3%、7.7%和5.3%。

各處理地表徑流水TP流失量變化如圖2B，7次監(jiān)測的各處理TP流失量范圍依次為0.010～0.014、0.012～0.014、0.010～0.013、0.012～0.015、0.014～0.017、0.015～0.017、0.017～0.021 kg/hm2，處理間無顯著差異。7次地表徑流TP累計流失量隨著施氮量增加而增加，從小到大依次為 0.091、0.094、0.100、0.103、0.110 kg/hm2，N60、N75和N90處理TP累計流失量較N105（常規(guī)施氮）處理分別降低14.4%、10.1%和6.8%，其中，N60和N75處理TP累計流失量顯著低于N105處理(P＜0.05)。

圖2 不同處理對植煙區(qū)農(nóng)田地表徑流流失總P濃度(A)和總P流失量(B)的影響

2.3 施氮量對烤煙氮素吸收利用的影響

比較各處理烤煙成熟期氮素養(yǎng)分積累量可知，烤煙成熟期氮素養(yǎng)分積累量均隨著施氮量的增加而增加（表3）；不同施氮處理的烤煙植株氮素積累量為80.4～103.7 kg/hm2，其中N90處理的植株氮素積累量最高，處理N105次之，處理N75第三，較N0處理分別提高了29.0%、21.6%和20.0%，三者之間無顯著差異，然而，均顯著高于N60和N0處理(P＜0.05)。

表3 不同處理烤煙氮肥積累量及氮肥利用率

不同施氮處理的氮肥利用率為10.3%～27.0%，以處理N75的氮肥利用率最高，處理N90次之，處理N105第三，3個處理間無顯著差異，但N75、N90 2處理的氮肥利用率均顯著高于N60處理(P＜0.05)；就氮肥偏生產(chǎn)力而言，不同施氮處理下烤煙氮肥偏生產(chǎn)力隨著氮肥施用量的增加逐漸下降，當施氮量從N60(60 kg/hm2)增加到N105(105 kg/hm2)時，烤煙的氮肥偏生力從45.5 kg/kg下降到28.7 kg/kg。

2.4 施氮量對烤煙經(jīng)濟性狀的影響

由圖3可知，不同施氮處理下煙葉的產(chǎn)量隨施氮水平的增加而增加，以N105處理烤煙產(chǎn)量最高，N90處理次之，與N0處理相比，施氮各處理的煙葉產(chǎn)量較N0處理提高3.02%～13.87%（圖3A）。本試驗條件下，施氮各處理的上等煙比例、上中等煙比例均顯著高于N0處理(P＜0.05)，其中，處理N75的上等煙比例、上中等煙比例最高，處理N90次之，兩處理之間無顯著差異（圖3B、3C）。各施氮處理的煙葉均價在35.40～36.08元/kg之間（圖3D），烤煙產(chǎn)值在71319～83328元/hm2之間（圖3E）。各施氮處理的產(chǎn)值均顯著高于處理N0(P＜0.05)，以處理N75的產(chǎn)值最高，處理N90次之，處理N105第三，三者之間無顯著差異。本試驗條件下，N75處理經(jīng)濟性狀較優(yōu)。

圖3 不同施氮處理的烤煙經(jīng)濟性狀

3 結(jié)論

隨著氮肥施用量的增加，不同處理地表徑流總氮(TN)、總磷(TP)濃度及TN、TP流失量逐漸升高，減少氮肥施用量可以有效削減地表徑流總氮、總磷流失量。隨著氮肥用量的增加，氮肥利用率表現(xiàn)為先增加后降低，處理N75的氮肥利用率最高，為26.95%，上中等煙比例、上等煙比例、產(chǎn)值、均價呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，以N75處理（施氮量為75 kg/hm2）效果最佳。本試驗條件下，綜合考慮烤煙經(jīng)濟性狀及環(huán)境效益，撫仙湖流域植煙區(qū)適宜施氮量為75 kg/hm2，既可提高烤煙經(jīng)濟性狀，又能有效降低氮磷流失風險。

4 討論

4.1 施氮量對烤煙經(jīng)濟性狀、植株氮素積累量及氮肥利用率的影響

氮素是烤煙正常生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，也是對煙葉產(chǎn)量、品質(zhì)影響較大的營養(yǎng)元素之一[21]?？茖W合理的氮素用量可以保證煙株正常的生長發(fā)育，在保持煙葉良好碳氮化合物之間比例平衡的同時，可有效增加煙葉產(chǎn)量和提升煙葉品質(zhì)及增加烤煙的經(jīng)濟效益[22-23]。本試驗條件下，不同施氮處理煙葉產(chǎn)量表現(xiàn)為隨氮肥用量的增加而增加，與N0處理相比，施氮處理的烤煙產(chǎn)量提高了3.02%～14.00%。中上等煙比例、上等煙比例、產(chǎn)值和均價隨氮肥用量的增加呈先上升后下降趨勢，施氮各處理中，烤煙的中上等煙比例、上等煙比例和產(chǎn)值均以氮肥用量75 kg/hm2的效果最佳。王正旭等[24]和李云霞等[25]研究結(jié)果表明，煙葉產(chǎn)量隨氮肥用量的增加而增加，然而中上等煙比例、上等煙比例、產(chǎn)值和均價則隨著氮肥用量的增加呈先上升后下降趨勢，這與本研究結(jié)果相似，即超過一定施氮量，雖然煙葉產(chǎn)量仍然增加，但上等煙比例、均價開始下降。原因可能是：（1）因為施氮量過多，碳氮比例不協(xié)調(diào)所致；（2）隨氮肥用量的增加，煙葉成熟期推遲，導(dǎo)致養(yǎng)分消耗，甚至不能正常成熟落黃。

氮肥利用率是關(guān)系到施肥、農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)、環(huán)境保護的重要指標[26]。通常而言，養(yǎng)分供應(yīng)不足或者適中時煙株的養(yǎng)分利用效率相對較高，養(yǎng)分過量時煙株養(yǎng)分利用效率較低，這是烤煙對養(yǎng)分的響應(yīng)[27]。張碩等[28]研究證實，烤煙根、莖和葉片的氮積累量均隨氮肥用量增加而增加，氮肥用量和烤煙整株氮含量表現(xiàn)為顯著正相關(guān)，和烤煙整株氮積累量表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)；顯著增加了氮肥偏生產(chǎn)力(P＜0.05)，氮肥利用率變化不明顯。本研究中，煙株成熟期氮素積累量亦表現(xiàn)為隨氮肥用量的增加而增加（表2），氮肥吸收利用率表現(xiàn)為先上升后下降，氮肥偏生產(chǎn)力隨氮肥用量的增加逐漸降低，表明隨氮肥用量的增加，煙株莖部氮的積累比例提高，促進了煙株“奢侈”耗氮現(xiàn)象的發(fā)生，對煙葉產(chǎn)量和產(chǎn)值的增加無顯著影響[29]。中國肥料平均利用率氮肥為30%～35%[30]，本試驗條件下，烤煙經(jīng)濟性狀較優(yōu)的N75處理的氮肥利用率為27.0%，說明試驗區(qū)氮肥利用率低于全國氮利用率。其主要原因可能是：（1）本研究采用差減法進行計算，并不是絕對利用率；（2）試驗區(qū)土壤基礎(chǔ)肥力較高，氮肥利用率相對低[12]。15N標記法才能得到真實利用率。

4.2 施氮量對地表徑流總氮和總磷流失的影響

降低肥料施用量作為一項控制農(nóng)田氮素、磷素徑流損失的有效技術(shù)途徑[31]，目前已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實踐當中[3,32]，且已取得顯著成效。本研究中，各處理地表徑流液氮素濃度變化趨勢基本一致（圖1A）。各處理徑流TN流失濃度隨時間推移及降雨次數(shù)的增加呈先降低后上升趨勢；施氮各處理地表徑流TN濃度和TN流失量均在6月19日呈現(xiàn)最大值，為氮素流失的高峰期，其原因為6月4日追施了烤煙最后一次肥料，6月19日距離6月4日追肥時間間隔最短，導(dǎo)致肥料中N流失較大，使此次采集的徑流水樣TN濃度最高和TN流失量最大。說明距離施肥間隔時間越短，徑流液中總氮濃度越高，TN流失量越大，該結(jié)果與繆杰杰等[32]的研究結(jié)果一致。8月18日各處理地表徑流液中TN濃度略有回升，可能與試驗所用肥料為復(fù)合肥，復(fù)合肥養(yǎng)分釋放時間相對較長，烤煙成熟期采收烤煙時，地表經(jīng)擾動，土壤中沒有被作物吸收分解完的肥料隨徑流水流失，因而后期地表徑流液中TN濃度略有回升。本研究中，隨著氮肥施用量的增加，監(jiān)測期內(nèi)7次地表徑流TN累計流失量增加，其中常規(guī)施氮(N105)處理的TN流失總量最大，達到13.64 kg/hm2，N60、N75和N90處理的TN流失總量較N105處理分別降低了19.17%、18.12%和9.81%，說明減少氮肥施用量顯著降低了農(nóng)田徑流中氮素的流失量。

本研究中，各處理的TP濃度均隨監(jiān)測時間不斷增加（圖2A）。原因可能為：（1）試驗所施用的肥料為烤煙專用復(fù)合肥（N:P2O5:K2O=12:6:24），含磷量較低；（2）肥料施用方法為穴施，施于表土層以下，肥料中的磷素釋放比較緩慢；（3）在降雨和灌水等因素下，土壤受到?jīng)_刷、擾動，釋放出了一部分被固持在土壤中的磷素；（4）8—9月份時正值烤煙采收季節(jié)，采收烤煙會增大地表裸露，加之采收煙葉時會擾動表層土，因此后期土壤中磷含量會有所增加。該結(jié)果與夏小江等[33]研究結(jié)果類似。此外，監(jiān)測期內(nèi)各處理地表徑流TP濃度隨著氮肥施用量的增加而增加，各施氮處理地表徑流TP濃度均高于N0處理，說明增施氮肥會激發(fā)磷素的釋放，進而促進磷素的流失，這與以往的研究結(jié)果一致[32]。

監(jiān)測期內(nèi)各施氮處理單次地表徑流TP流失量為0.01～0.02 kg/hm2，減量施肥各處理與常規(guī)施肥處理之間無顯著差異（圖2B），該研究結(jié)果與姜海斌等[9]等研究結(jié)果類似。隨著氮肥施用量的增加，各處理7次地表徑流TP累計流失量顯著增加(P＜0.05)，與常規(guī)施氮(N105)處理相比，N60、N75和N90處理TP流失總量分別降低14.4%、10.1%和6.8%，說明，減少氮肥施用量顯著降低了農(nóng)田徑流中磷素的累計流失量。