肥料施用方式对烤烟伸根期N2O排放及氮素利用的影响

马二登+童文杰+王加林+刘凯义+李军营+徐照丽

摘要：利用盆栽试验研究烤烟伸根期3种肥料施用方式（塘施、环施、浇施）在不同土壤水分条件下（土壤水分盈余、土壤水分适宜、土壤水分亏缺）的N2O排放及氮素利用状况。研究结果表明，肥料施用方式和土壤水分含量对烤烟伸根期N2O排放及氮素利用率均有显著影响。土壤水分适宜（52.6%～64.6%WFPS）条件下，浇施处理植烟土壤N2O排放量最高，分别比塘施和环施处理增加54.5%、64.2%，处理间差异显著。在土壤水分亏缺（32.1%～44.1%WFPS）和盈余（74.1%～83.8%WFPS）条件下，不同施肥处理N2O排放量均相对较低；施肥方式对肥料氮素利用率的影响因土壤水分而异，土壤水分适宜和土壤水分盈余条件下，以环施和浇施处理氮素利用率最高。土壤水分亏缺条件下，不同施肥处理间氮素利用率差异不显著；在农业生产中，基肥应避免采用浇施的方式，而宜采用环施方式进行，以避免N2O的大量排放，同时提高氮素利用率。此外，作物种植初期灌溉量不宜过高，以免造成基肥养分流失。

关键词：N2O排放；肥料施用方式；植烟土壤；氮素利用

通信作者：李军营，博士，副研究员，主要从事烟草栽培研究。E-mail：83754331@qq.com。施用氮肥是提高作物产量和品质的重要手段。目前，我国肥料利用率明显偏低[1]。据统计，20 世纪末以来，我国主要粮食作物的氮肥利用率已由35%下降至27%[2]。氮肥利用率过低，不仅导致资源的巨大浪费，所投入的过量氮素还将会以径流、淋溶等方式进入水体，或以氨、氧化亚氮的形式挥发，从而造成严重的环境风险或环境污染[3]。其中，氧化亚氮（N2O）是最重要的温室气体之一，其浓度的增加不仅加剧了全球温室效应，而且导致臭氧层的破坏与地面紫外线辐射增强[4]。相关研究表明，目前，大气中N2O浓度已上升到 324 μg/kg[5]。

化學氮肥用量的增加已成为全球大气N2O浓度增加的一个重要因素[6]。2008年，我国农田肥料N2O 排放总量达6171 Gg[7]。农业生产中，土壤水分、肥料施用、土壤性质、种植制度等是影响土壤N2O排放的重要因素[8]。当肥料种类、用量和施用时间一定的情况下，调整优化肥料的施用方式往往能够起到减缓N2O排放的效果[9-11]。以往研究多是通过改变肥料施用深度[9，12-13]或调整肥料施用次数[14-15]的方式来达到减控农田土壤N2O排放的目的。在烤烟（Nicotiana tabacum L.）生产中，塘施和环施是烤烟生产中最为常见的肥料施用方式。近年来，为提高施肥效率和减少人工成本，部分烟区采用了肥液（将肥料充分溶于水后形成）浇灌的方式进行施肥，成为了一种新型的水肥一体化施肥方式。目前，有关这种肥料不同形态施用对土壤N2O排放的影响鲜见报道。本研究通过盆栽试验探讨不同肥料施用方式（塘施、环施、浇施）条件下烤烟伸根期阶段3种含水量植烟土壤（土壤水分盈余、土壤水分适宜、土壤水分亏缺）的N2O排放，同时考察其肥料氮素利用效率，旨在为农田系统养分管理和温室气体减排提供科学依据。

1材料与方法

1.1试验材料

试验地点位于云南省烟草科学研究院研和镇试验基地进行，地处102°30′E，24°14′N，属中亚热带半湿润凉冬高原季风气候，年平均气温15～16 ℃，年降水量800～900 mm，日照时数2 265 h。供试土壤为红壤，pH值6.52，全氮含量 0.63 g/kg，全磷含量1.31 g/kg，全钾含量9.14 g/kg，有机质含量17.2 g/kg。供试烤烟品种为K326，中心花开第一朵封顶。

1.2试验方法

1.2.1试验设计试验于2015年进行，采用盆栽试验，包括肥料施用方式、土壤水分含量2个因素。肥料施用方式除对照（CK）外设置3个水平，分别为塘施、环施、浇施。土壤水分含量设置3个水平，分别为土壤水分亏缺、土壤水分适宜、土壤水分盈余。共设计12个处理，分别为：（1）CK-L（不施肥-土壤水分亏缺）；（2）CK-M（不施肥-土壤水分适宜）；（3）CK-H（不施肥-土壤水分盈余）；（4）H-L（塘施-土壤水分亏缺）；（5）H-M（塘施-土壤水分适宜）；（6）H-H（塘施-土壤水分盈余）；（7）C-L（环施-土壤水分亏缺）；（8）C-M（环施-土壤水分适宜）；（9）C-H（环施-土壤水分盈余）；（10）P-L（浇施-土壤水分亏缺）；（11）P-M（浇施-土壤水分适宜）；（12）P-H（浇施-土壤水分盈余）。每个处理4个盆栽重复，随机区组设计。

不同处理施用烟草复合肥N-P2O5-K2O=14-14-17，N用量均为105 kg/hm2（60 g/株）。不同处理于5月8日移栽烟苗，同时施用基肥26 g/株，5月15日、5月22日分别追施肥料7 g/株，6月2日、6月12日分别追施肥料10 g/株。基肥施用方式为：塘施，首先在盆钵中打塘，后将肥料置于烟塘中部充分与塘土拌匀；环施，肥料环绕烟塘中心点，以 10 cm 为半径，施后覆土；浇施，将肥料充分溶于水后均匀浇施于烟苗根区土壤。追肥施用方式，塘施、环施处理均采用穴施进行，浇施处理则与基肥施用方式保持一致，即采用液肥浇灌的方式进行。

烟苗移栽后放置于透光遮雨棚下，烤烟伸根期土壤水分条件的调节控制采用人工浇水并及时观测土壤湿度的记录仪的方式进行。参考烤烟生长生理指标相关研究结果，土壤水分亏缺、土壤水分适宜、土壤水分盈余处理土壤含水量分别控制在40%、60%、80%WFPS左右[16]，以代表亏缺、适宜、盈余的土壤水分条件。各盆钵直至烟苗移栽后35 d移出遮雨棚。

1.2.2测定方法土壤N2O排放采用静态箱法测定，静态箱为圆柱形，底面直径0.3 m，箱高0.5 m。各盆钵上层接有采样箱底座，采样时加水注入底座以密封。采样在烟株伸根期进行，3 d采1次样，采样时间为09：00—11：00。各采样点每次采4个样，间隔15 min采1个样。采样同时测定气温和箱温。endprint

用带ECD检测器的气相色谱（岛津GC-12B）测定样品N2O浓度，柱温65 ℃，检测器温度为300 ℃。以95%氩气+5%甲烷作为载气，流速40 mL/min。N2O标准气体由日本国立农业环境技术研究所提供。根据N2O浓度与时间关系曲线计算N2O排放通量。N2O排放通量用每次观测3个重复的平均值表示，N2O季节平均排放量则是将3个重复的每次观测值按时间间隔加权平均后再平均。处理间以3个重复的平均值进行方差分析。相关性分析用全部观测值进行直线回归相关分析。

土壤水分用L92-1Y型温湿度记录仪监控；烤烟伸根期每隔6～10 d采集1次表层（0～20 cm）土壤样品，采用碱解扩散法测定土壤速效氮含量；烤烟成熟期挖出整棵烟株，分别称取根、茎、叶鲜质量后，置入烘箱中 105 ℃杀青30 min，然后在 80 ℃下烘干至恒质量，获取生物量。

1.2.3数据处理根据N2O浓度与时间关系曲线计算N2O排放通量。N2O排放通量用每次观测3个重复的平均值及标准偏差表示，N2O平均排放量则是将3个重复的每次观测值按时间间隔加权平均后再取3个重复的平均值。处理间比较以3个重复的平均值进行方差分析及多重比较。常规数据整理由Excel 2007完成，方差分析、相关分析通过SPSS 13.0统计软件进行分析。

氮素利用率=（施氮区烟株吸氮量 无氮区烟株吸氮量）/施氮量×100%。

2结果与分析

2.1烤烟伸根期植烟土壤N2O排放季节变化

从图1可以看出，相同土壤水分条件下，不同施肥方式植烟土壤N2O排放规律基本一致，不同土壤水分条件下植烟土壤N2O排放量和排放规律明显不同。土壤水分亏缺条件下，不同处理N2O排放量较小，为0～64.2 μg/（m2·h），在移栽后1 d处于較高排放峰值，为18.4～64.2 μg/（m2·h），之后下降至0～28.5 μg/（m2·h）。土壤水分适宜条件下，不同处理移栽后7 d出现N2O排放峰，为90.1～655.2 μg/（m2·h），之后迅速下降；在移栽后12～18 d再次出现排放峰，为77.6～403.1 μg/（m2·h），之后在60.1～288.2 μg/（m2·h） 之间波动。土壤水分盈余条件下，不同处理烤烟移栽后1 d处于较高排放峰值，为13.3～49.0 μg/（m2·h），之后迅速下降，烤烟移栽3 d后开始回升，不同施肥处理直到移栽后15～18 d 达到最高峰值，排放为35.2～84.3 μg/（m2·h），之后逐渐下降，移栽后27 d再次回升至50 μg/（m2·h）上下。

从图2可以看出，不同土壤水分处理植烟土壤N2O排放量和排放季节变化规律明显不同，主要是由于土壤含水量的差异。本研究中土壤水分亏缺处理烤烟伸根期土壤含水量为32.1%～44.1%WFPS，土壤水分适宜处理土壤含水量为526%～64.6%WFPS，土壤水分盈余处理土壤含水量为741%～83.8%WFPS。

2.2烤烟伸根期植烟土壤N2O排放量

不同施肥方式间植烟土壤N2O平均排放量和排放总量高低因土壤水分而异（表1）。土壤水分亏缺条件下，不同施肥处理N2O平均排放量和排放总量显著增加，为对照的 2.6～5.0倍。其中，以环施处理植烟土壤N2O平均排放量和排放总量最高，与浇施处理相比，增加94.6%，处理间差异显

著。土壤水分适宜条件下，不同施肥处理N2O平均排放量和排放总量显著增加，排放量为对照的6.9～18.3倍。其中，以浇施处理植烟土壤N2O平均排放量、排放总量及排放系数均最高。与塘施和环施处理相比，浇施处理N2O排放总量分别增加54.5%、64.2%，处理间差异显著。土壤水分盈余条件下，不同施肥处理N2O平均排放量和排放总量显著增加，为对照的11.1～14.0倍。不同施肥方式处理间植烟土壤N2O排放量差异不显著。

表2同。

方差分析结果表明，本研究中肥料施用方式和土壤水分含量均对烤烟伸根期N2O排放有显著影响，且二者间存在着显著交互作用。施肥方式一定条件下，不同土壤水分处理烤烟伸根期植烟土壤N2O平均排放量和排放总量大小顺序均表现为土壤水分适宜处理>土壤水分盈余处理>土壤水分亏缺处理（除对照外）。不同施肥方式下（除对照外），与土壤水分盈余处理和土壤水分亏缺处理相比，土壤水分适宜处理植烟土壤N2O平均排放量和排放总量分别增加了2.8～7.2倍、5.5～32.5倍，处理间差异显著。

2.3不同处理烤烟氮素利用率

从表2可以看出，施肥不同程度增加了烟株生物量，土壤水分亏缺、土壤水分适宜和土壤水分盈余条件下，不同施肥方式处理烟株生物量分别是对照的2.5～3.3倍、1.8～2.5倍、4.3～6.3倍，处理间差异显著。施肥方式对烟株生物量的影响因土壤水分而异，土壤水分盈余、土壤水分亏缺条件下，环施处理与塘施处理相比，烟株生物量分别增加41.0%、309%，处理间差异显著。土壤水分适宜条件下，各施肥处理间烟株生物量差异不显著。施肥方式对肥料氮素利用率的影响因土壤水分而异。土壤水分适宜、土壤水分盈余条件下，以环施和浇施处理氮素利用率最高，与塘施处理相比二者氮素利用率分别增加45.9%、39.0%和37.9%、52.4%。土壤水分亏缺条件下，各施肥处理间氮素利用率差异不显著。方差分析表明，土壤水分和施肥方式均对成熟期烟株生物量及氮素利用率有显著影响，且二者间对成熟期烟株生物量及氮素利用率存在显著交互作用。

土壤水分对烟株生物量的影响因施肥方式而异。环施和浇施处理下，土壤水分盈余处理烟株生物量分别比土壤水分亏缺条件下增加47.0%和89.1%，处理间差异显著。塘施处理条件下，3种土壤水分烟株生物量差异不显著。土壤水分适宜、土壤水分亏缺处理间烟株氮素利用率差异不大，均显著高于土壤水分盈余处理，分别是其1.7～2.0倍和1.6～22倍。endprint

3讨论与结论

3.1肥料施用方式对植烟土壤N2O排放的影响

施用化学氮肥能明显促进土壤N2O排放，这与相关研究结论[11，13，17]一致。研究认为，与传统的施肥后灌溉方式相比，滴灌水肥一体化会增加N2O 排放，原因可能是因为滴灌灌水频率高于漫灌，干湿交替现象导致土壤碳氮矿化增加，土壤硝化、反硝化作用增强，N2O 排放量增大[18]。本研究中各施肥方式灌溉频率相同。土壤水分适宜条件下，浇施处理土壤N2O排放显著高于其他2种施肥方式处理，原因可能是浇施方式使得肥料充分溶于水，施肥后土壤速效氮含量短时间内大量增加，为硝化反硝化过程提供了更为丰富的底物NO3--N和NH4+-N。与塘施、环施相比，浇施处理土壤速效氮含量分别增加了22.9%、54.9%，为土壤N2O的产生与排放提供了更为充足的底物[19]。肥料塘施相对于环施而言，肥料施用较为聚集（置于烟塘中部），可能会致使肥料养分释放较为迟缓。与环施相比，塘施处理烤烟伸根期土壤速效氮含量增加了26.1%，硝化反硝化底物更为充足，这很可能是塘施处理后期，烤烟移栽13～28 d土壤N2O排放高于环施处理的原因。虽然土壤N2O排放是以土壤速效氮含量为基础，但如果缺乏适合的土壤水分条件也不会导致N2O的大量产生。本研究中，土壤水分亏缺和土壤水分盈余处理条件下，可能由于微生物活性较低、硝化作用彻底或受到抑制、N2O扩散受阻等原因，导致土壤N2O排放量大幅减少，从而不同程度地掩盖了不同施肥方式间在N2O排放量上的差异。

3.2土壤水分含量对植烟土壤N2O排放的影响

适宜硝化和反硝化过程进行的土壤水分含量，是土壤N2O大量产生和排放的前提条件，水分含量多在45%～75%WFPS之间[20]。土壤水分适宜处理土壤充水孔隙度控制在52.6%～64.6%，适宜土壤水分含量同时提供了土壤硝化作用所需的好氧条件和反硝化作用所需的厌氧条件，最终促进了土壤中N2O的生成。与土壤水分适宜处理相比，土壤水分盈余处理植烟土壤N2O平均排放量和排放总量减少了736%～87.8%，这可能是由于随着土壤水分含量的进一步增加，硝化过程受到限制，反硝化过程促使N2O在土壤中进一步还原成N2[21]。本研究中发现，与土壤水分适宜处理相比，土壤水分盈余条件下土壤速效氮平均含量减少了 52.4%～79.8%，这可能是因为较高的土壤水分条件增加了速效氮的淋溶，从而降低了土壤中硝化反硝化底物的含量，这也是该处理N2O减少的另一原因。尽管土壤水分亏缺处理速效氮含量是土壤水分适宜条件下的1.2～2.2倍，但其土壤含水量在34%～65%WFPS，较低土壤水分含量削弱了微生物活性，同时，氧供应充足导致反硝化速率低而硝化作用进行彻底，降低了硝化产物N2O/NO3-比，进而显著减少了植烟土壤N2O排放。

3.3肥料施用方式和土壤水分含量对烤烟氮素利用的影响

液肥浇灌施用属水肥一体化形式之一。将肥料充分溶于水后均匀浇施于烟苗根区土壤，虽增加养分随水下渗风险，但另一方面，促进了养分在根区的迁移，一定程度上有利于烟株对养分吸收和生长发育。已有较多研究证实了水肥一体化在提高养分利用率方面的积极作用[22-24]。环施相对于塘施而言，肥料分布更为均匀，使得烟株根系因其趋肥性生长及伸展方向更为合理，从而能最大限度吸收养分。辉树光等也认为，基肥环施较其他方式更为合理，可有效促进烟株生长发育和干物质积累，从而提高烤烟产量[25]。

一般而言，施用的肥料必须经过水分（特别是颗粒肥）溶解后，其中养分才能被作物根系吸收。本研究中，烟株生物量随着土壤含水量的提高而增加，可见烤烟伸根期充裕的土壤水分条件对烟株生长发育起到了一定的促进作用。然而，烟株氮素利用率随土壤水分含量的变化趋势并不与烟株生物量一致，而是当土壤水分处于52.6%～ 64.6%WFPS之间（土壤水分适宜）时烟株氮素利用率最高，原因可能是土壤水分盈余条件下，氮素的淋溶流失程度较高。苏贤坤研究发现，当土壤水分条件处于55%WFPS左右时，以水促肥效应最为显著，烟株氮素利用率最高[26]。

3.4结论

肥料施用方式和土壤水分含量对烤烟伸根期N2O排放有显著影响。不同施肥方式间植烟土壤N2O排放量高低因土壤水分而异。土壤水分适宜条件下，以浇施植烟土壤N2O排放量最高。土壤水分盈余和土壤水分亏缺条件下，不同施肥方式间N2O排放量差异不大。施肥方式一定条件下（对照除外），土壤水分适宜处理（52.6%～64.6%WFPS）植烟土壤N2O排放量最高。

肥料施用方式和土壤水分含量对烤烟氮素利用率有显著影响。土壤水分适宜和盈余条件下，以环施和浇施方式下氮素利用率最高。土壤水分亏缺条件下，各施肥方式间氮素利用率差异不显著。土壤水分适宜和土壤水分亏缺条件下烟株氮素利用率差异不大，均显著高于土壤水分盈余下烟株氮素利用率。

合理的肥料管理是作物获得高产优质的前提。在实际农业生产过程中，由于作物种植初期生物量较小，对养分的需求量不大，基肥应避免采用浇施方式，宜采用环施的方式进行，以避免N2O的大量排放，同时提高氮素利用率。土壤水分偏低，势必会影响作物前期生长发育，应通过灌溉补充作物所需水分，但灌溉量不宜过大，以免造成基肥养分流失。

参考文献：

[1]巨晓棠，谷保静. 我国农田氮肥施用现状、问题及趋势[J]. 植物营养與肥料学报，2014，20（4）：783-795.

[2]张福锁，王激清，张卫峰，等. 中国主要粮食作物肥料利用率现状与提高途径[J]. 土壤学报，2008，45（5）：915-924.

[3]孙志梅，武志杰，陈利军，等. 农业生产中的氮肥施用现状及其环境效应研究进展[J]. 土壤通报，2006，37（4）：782-786.

[4]Ravishankara A R，Daniel J S，Portmann R W. Nitrous oxide （N2O）：the dominant ozone-depleting substance emitted in the 21st century[J]. Science，2009，326（5949）：123-125.endprint

[5]Alexander L V，Allen S K，Bindoff N L，et al. Climate change 2013：the physical science basis，in contribution of Working Group I （WGI） to the Fifth Assessment Report （AR5） of the Intergovernmental Panel on Climate Change （IPCC）[J]. Science，2013，129（1）：83-103.

[6]Moiser A，Kroeze C，Nevison C，et al. Closing the global N2O budge：Nitrous oxide emissions through the agricultural Nitrogen cycle[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems，1998，52（2）：225-248.

[7]营娜，麻金继，周丰，等. 中国农田肥料N2O直接和间接排放重新评估[J]. 环境科学学报，2013，33（10）：2828-2839.

[8]蔡祖聪，徐华，马静. 稻田生态系统CH4和N2O排放[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2009：155-180.

[9]Ma E D，Zhang G B，Ma J，et al. Effects of rice straw returning methods on N2O emission during wheat-growing season[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems，2010，88（3）：463-469.

[10]Ma J，Li X L，Xu H，et al. Effects of Nitrogen fertiliser and wheat straw application on CH4 and N2O emissions from a paddy rice field[J]. Australian Journal of Soil Research，2007，45（5）：359-367.

[11]刘韵，柳文丽，朱波. 施肥方式对冬小麦—夏玉米轮作土壤N2O排放的影响[J]. 土壤学报，2016，53（3）：735-745.

[12]Fujinuma R，Venterea R T，Rosen C. Broadcast urea reduces N2O but increases NO emissions compared with conventional and shallow-applied anhydrous ammonia in a coarse-textured soil[J]. Journal of Environmental Quality，2011，40（6）：1806-1815.

[13]张岳芳，周炜，王子臣，等. 氮肥施用方式对油菜生长季氧化亚氮排放的影响[J]. 农业环境科学学报，2013，32（8）：1690-1696.

[14]董玉红，欧阳竹，李运生，等. 不同施肥方式对农田土壤CO2和N2O 排放的影响[J]. 中国土壤与肥料，2007（4）：34-39.

[15]梁国庆，周卫，夏文建，等. 优化施氮下稻-麦轮作体系土壤

N2O 排放研究[J]. 植物营养与肥料学报，2010，16（2）：304-311.

[16]孙梅霞，汪耀富，张全民，等. 烟草生理指标与土壤含水量的关系[J]. 中国烟草科学，2000，21（2）：30-33.

[17]Dobbie K E，McTaggart I P，Smith K A. Nitrous oxide emissions from intensive agricultural systems：variations between crops and seasons，key driving variables，and mean emission factors[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres，1999，104（D21）：26891-26899.

[18]王维汉，毛前，严爱兰.滴灌下青椒地N2O排放规律研究[J]. 中国农村水利水电，2014（7）：31-34.

[19]Engel R，Liang D L，Wallander R，et al. Influence of urea fertilizer placement on nitrous oxide production from a silt loam soil[J]. Journal of Environmental Quality，2010，39（1）：115-125.

[20]Hansen S，Maehlum J E，Bakken L R. N2O and CH4 fluxes in soil influenced by fertilization and tractor traffic[J]. Soil Biology & Biochemistry，1993，25（5）：621-630.

[21]Qian J H，Doran J W，Weier K L，et al. Soil denitrification and nitrous oxide losses under corn irrigated with high-nitrate groundwater[J]. Journal of Environmental Quality，1997，26（2）：348-360.

[22]Zotarelli L，Dukes M D，Scholberg J，et al. Tomato Nitrogen accumulation and fertilizer use efficiency on a sandy soil，as affected by Nitrogen rate and irrigation scheduling[J]. Agricultural Water Management，2009，96（8）：1247-1258.

[23]路永莉，白鳳华，杨宪龙，等. 水肥一体化技术对不同生态区果园苹果生产的影响[J]. 中国生态农业学报，2014，22（11）：1281-1288.

[24]李彬，妥德宝，程满金，等. 水肥一体化条件下内蒙古优势作物水肥利用效率及产量分析[J]. 水资源与水工程学报，2015，26（4）：216-222.

[25]辉树光，彭坚强，江皓，等. 不同施肥方式对早植烟生长发育的影响[J]. 热带农业科学，2014，34（12）：14-17.

[26]苏贤坤. 烤烟水肥交互效应以及水分调控研究[D]. 杭州：浙江大学，2005：38-39.苏煜，李迪秦，龚湛武，等. 全营养配方肥大穴环施对烤烟生长发育及产质量的影响[J]. 江苏农业科学，2017，45（17）：89-92.endprint