化肥减量配施生物炭对植烟土壤氮素淋失的影响

褚继登，闫慧峰，王树声，李彩斌，张若男，孙帅帅，张久权*

化肥减量配施生物炭对植烟土壤氮素淋失的影响

褚继登1,2，闫慧峰1，王树声1，李彩斌3，张若男1，孙帅帅4*，张久权1*

（1.中国农业科学院烟草研究所，青岛 266101；2.山西昆明烟草有限责任公司，太原 030000；3.贵州省烟草公司毕节市公司，贵州 毕节 551700；4.山东中烟工业有限责任公司技术中心，济南 250014）

为明确化肥减量和添加生物炭对植烟土壤氮素淋失的影响，采用室内土柱试验，研究了不同施肥处理（常规施肥，化肥减量30%，化肥减量30%+5%生物炭，不施肥）下，褐土、红壤、紫色土中有效氮淋失量变化。结果表明，淋洗前期各形态氮的淋失量较大，随时间推移逐渐减弱。淋失的氮主要为可溶性总氮及硝态氮。与常规施肥相比，化肥减量处理的可溶性总氮、硝态氮、铵态氮淋失量分别减少12.0%～21.8%、8.9%～22.5%、12.7%～25%；化肥减量+生物炭的处理能够明显延缓土壤中氮素淋失出现的时间，可溶性总氮、硝态氮淋失量分别减少26.6%～35.4%、36.5%～59.2%。总之，化肥减量或添加生物炭能减少土壤中可溶性总氮及硝态氮的淋失量。

土柱；减量化施肥；降雨强度；土壤类型；氮素淋失

烤烟作为我国一种重要的经济作物，土壤中氮素的供应状况直接影响其产量、产值和质量[1]。由于硝态氮不易被土壤吸附[2]，施肥后，会随水分的移动而淋失[1]。土壤类型、降雨、施肥、耕作均是影响土壤氮淋失的重要因素[3-6]，相关研究表明，由于保肥性能不同，各土壤的氮素淋失速率及淋失量存在明显差异[5]。化肥适当减量能够减少氮磷等重要元素的淋失，同时保证作物的产量降低幅度不明显[7-11]。

生物炭是作物秸秆等物料在无氧或限氧条件下碳化的产物，具有改善土壤结构和微环境、保持土壤肥力等诸多作用[12-14]。化肥减量与生物炭结合可以进一步改善土壤环境，增加土壤养分持有量[15]。邓阳春等[16]通过淋溶池收集并分析地下径流，发现施入土壤的氮肥超过60%被淋失。杨志晓等[17]在广东南雄通过15N示踪技术得出烤烟肥料氮利用率为30.8%，土壤氮残留率和损失率分别为32.3%和36.9%。以往研究表明，烟田土壤中氮素淋失现象普遍存在，但关于影响烟田氮素淋失因素及减缓烟田氮素淋失措施的研究却鲜有报道。本研究拟通过室内土柱模拟试验，以褐土、红壤、紫色土等典型植烟土壤为材料，探究土壤类型、化肥减量及配施生物炭对植烟土壤氮素淋失的影响，为烟区合理施肥、减少氮素面源污染及提高氮素利用率提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2020年6—12月在中国农业科学院烟草研究所即墨试验基地进行。采用2因子随机区组试验设计，3次重复，因子1为土壤类型（褐土、红壤、紫色土）；因子2为施肥处理：N1，常规施肥（N 7 kg /666.7 m2）；N2，化肥减量30%；N3，化肥减量30%+5%生物炭；N4，不施肥（CK）。

采用上述土壤填充土柱，按照处理要求施肥，以蒸馏水模拟降雨进行淋洗，收集并分析淋失液中氮的含量。

1.2 试验材料

1.2.1 供试土壤 褐土、红壤、紫色土分别取自山东省诸城市、云南省曲靖市、四川省西昌市。在烟田采用“S型”法采集0～40 cm的耕层土样，带回实验室风干后，剔除大石块和植物根茎等杂质，过2 mm筛，充分混合后备用。3种土壤的基本理化性状见表1。

1.2.2 肥料 所施化肥为烟草专用复合肥，其N、P2O5、K2O质量百分比分别为15%、15%、15%，无机氮中硝态氮占35%，铵态氮占65%。生物炭由贵州省毕节市公司提供，热裂温度为350 ℃，热解时间为2 h，pH为9.3、全氮含量2.1%、全碳含量59.88%。

表1 供试土壤的基本理化性状

Note: CS, cinnamon soil; RS, red soil; PS, purple soil; TN, total nitrogen; AK, available kalium; AP, available phosphorus; NN, nitrate nitrogen; AN, ammonium nitrogen; BD, bulk density; FC, field capacity; OM, organic matter. The same as below.

1.3 试验方法

1.3.1 土柱的制备 首先根据0～40 cm土壤容重，分别按照每土柱褐土4.17 kg、红壤3.75 kg、紫色土4.83 kg的填充量称量土壤，将肥料溶于200 mL水中，然后均匀喷洒到称好的土壤表面，风干，相应地将生物炭与土壤混合均匀。按照施氮量7 kg/666.7 m2计算，每个土柱的常规施氮量为82 mg，添加生物炭处理的生物炭量为土壤填充量的5%。

采用高50 cm，内径10 cm的圆柱形PVC管为材料。装柱前，先将经酸和蒸馏水洗净并干燥后的石英砂装填于土柱底部（厚约1 cm），上下各铺一层玻璃丝网，防止土壤颗粒撒漏，然后将准备好的土壤均匀装入柱内并压实，形成40 cm的土柱，最后在土柱的上部再铺一层尼龙网-石英砂（1 cm），用来降低蒸馏水加入对表层土的扰动（图1）。

图1 淋失装置简易图

1.3.2 淋洗及淋失液收集 试验开始后，将蒸馏水装入悬放于土柱上方的玻璃瓶中，并用医用输液器控制流速。每次加入的水量为392.5 mL，持续113.6 min，流速控制在3.46 mL/min，按照降雨强度0.44 mm/min，降雨量50 mm/d进行模拟。待淋失液渗出时开始收集，收集完淋失液后，间隔12 h进行下一次淋洗，共进行12次淋洗。收集淋失液并测定每次的体积，混匀后取50 mL放入−18 ℃冰箱保存待测。

1.4 测定项目及方法

土壤样品的测定包括pH、铵态氮、硝态氮、全氮、速效磷、速效钾、有机质、机械组成、田间持水量、容重等指标。淋失液的测定包括可溶性总氮、硝态氮、铵态氮3个指标。

土壤pH按照土水比1∶2.5（/）混匀后，采用电位法测定[18]；土壤铵态氮和硝态氮采用连续流动分析仪测定[19-20]；土壤全氮采用凯氏定氮法[21]、速效磷采用钼锑抗比色法、速效钾采用火焰光度法[22]测定；土壤粒级分布采用激光粒度分析仪（Better-size3000Plus，中国）测定；土壤田间持水量采用环刀法测定[23]；有机质测定采用重铬酸钾容量法；淋失液中可溶性总氮（TSN）采用过硫酸钾氧化，紫外光分光光度法测定[24]，硝态氮和铵态氮采用连续流动分析仪（德国SEAI-AA3)测定。

1.5 数据处理

试验数据的统计分析采用SPSS 25.0，图2-4中的数据，每个土壤类型单独按单因素（不同施肥方法）随机区组设计进行方差分析和多重比较。表2中的数据按2因素（不同施肥方法、土壤类型）随机区组设计进行方差分析和多重比较，并考察交互作用。

2 结 果

2.1 土壤类型和施肥处理对淋失液首次出现时间的影响

结果表明（图2-4），褐土、红壤和紫色土分别在第3次、第4次和第5次淋洗开始收集到淋失液，即出现淋失的时间，褐土早于红壤，红壤早于紫色土，说明紫色土保肥效果最好。总体上，从收集到淋失液开始，淋洗前期各形态氮素的淋失强度较强，随时间推移逐渐减弱，后期淋失量较低而平稳。

注：TSN为Total soluble nitrogen的缩写；图中不同字母表示同一淋失时间下不同施肥处理间差异显著（p<0.05），下同。

图3 不同施肥处理下硝态氮淋洗量的变化

就不同施肥处理而言，3个土壤类型中，N3处理开始出现淋失的时间均晚于常规及化肥减量处理，说明生物炭可以延缓土壤中氮素的淋失。

2.2 化肥减量配施生物炭对不同形态氮素淋失量的影响

2.2.1 可溶性总氮 由表2可以看出，与N1相比，N2处理下褐土中淋失总量降低了12.0%、红壤降低了21.8%、紫色土降低了13.1%；N3处理下褐土中淋失总量降低了26.6%、红壤降低了35.4%、紫色土降低了34.5%，说明化肥减量和化肥减量+5%生物炭均能够降低土壤中可溶性总氮的淋失，且化肥减量+5%生物炭的处理效果更佳。由图2可知，与N1处理相比，褐土中N2处理在第4～6次淋洗中可溶性总氮淋失量大幅度降低，N3处理在第4～7次淋洗中淋失量大幅度且显著地降低；红壤中N2处理在第4～7次淋洗中淋失量大幅度降低，N3处理在第6～8次淋洗中淋失量降低；紫色土中N2处理在第6～8次淋洗中淋失量降低，N3处理在第7次淋失量显著降低。可以看出，化肥减量及化肥减量+5%生物炭处理淋失量降低均集中在淋洗前期，后期效果减弱。

2.2.2 硝态氮 由表2可以看出，褐土、红壤、紫色土中N2、N3处理硝态氮淋失总量显著低于N1处理。与N1相比，N2处理下褐土中淋失总量降低了8.9%、红壤降低了22.5%、紫色土降低了12.2%，N3处理下褐土中淋失总量降低了36.6%、红壤降低了59.2%、紫色土降低了36.5%，说明化肥减量和化肥减量+5%生物炭处理均能够降低土壤中硝态氮的淋失，且化肥减量+5%生物炭的处理效果更佳。由图3可知，褐土中N2处理在第5～6次淋洗中大幅度降低了淋失量，N3处理在第4～5次淋洗中淋失量降低效果显著；红壤中N2、N3处理在第4～6次淋洗中大幅度降低了淋失量；紫色土中N2处理在第6～7次淋洗中显著降低了淋失量；可以看出化肥减量及化肥减量+5%生物炭处理淋失量降低均集中在淋洗前期，且化肥减量+5%生物炭处理首次淋失量远低于常规施肥处理。

图4 不同处理下铵态氮淋洗量的变化

2.2.3 铵态氮 由表2看出，与N1相比，N2处理褐土中铵态氮淋失总量降低了12.7%，红壤降低了15.1%，紫色土降低了25%；N3处理下，褐土中降低了23.5%，红壤及紫色土中淋失量高于N1，说明化肥减量处理可以降低土壤中铵态氮的淋失，化肥减量+5%生物炭处理增加了红壤及紫色土中铵态氮淋失总量。由图4可以看出，与N1相比，N3处理在褐土第4次淋洗时铵态氮淋失量显著降低，之后与N1差异均不显著；在红壤第6～8次淋洗的淋失量均显著高于N1；在紫色土第8～11次淋洗的淋失量均显著高于N1、N2；三种土壤中N2处理在整个淋洗过程中淋失量均低于N1。可见，淋洗过程中，化肥减量处理下铵态氮淋失均低于常规施肥处理，化肥减量+5%生物炭处理在红壤及紫色土中淋洗前、中期铵态氮淋失量显著增加。

2.3 化肥减量和土壤类型对不同形态氮淋失量的效应分析

由表2看出，施肥方式与土壤类型的主效应及交互作用对氮素淋失量影响均显著。对其交互作用的影响进行分析，可以得出褐土中，铵态氮、硝态氮及可溶性总氮淋失量在不施肥处理下最低，添加生物炭处理次之。红壤及紫色土中，铵态氮在不施肥处理下淋失量最低，化肥减量处理次之，硝态氮及可溶性总氮淋失量在不施肥处理下最低，添加生物炭处理次之。综上可以得出，施肥前提下，褐土中化肥减量+5%生物炭处理氮素淋失量最低，红壤及紫色土铵态氮在化肥减量下淋失量最低，可溶性总氮及硝态氮在化肥减量+5%生物炭下最低。

表2 化肥减量和土壤类型对不同形态氮淋失量的效应

3 讨 论

同等管理条件下，氮肥用量直接影响农田氮素淋失量和淋失强度，同时不同土壤类型氮素淋失规律也有差别。因此，针对不同类型土壤，控制氮肥用量，既可降低生产投入，又能减少肥料流失对环境的污染。

本研究结果表明，红壤及紫色土对可溶性全氮及硝态氮的保肥性能要高于褐土，该结果与岳殷萍等[25]的研究结果相符，此与土壤质地有关（表1）。粘粒含量较高的土壤，发生淋洗时养分的渗透速率会大大降低。相反红壤及紫色土质地中粘粒含量较高，对铵态氮吸附及解吸能力均比较强[26]，当降雨发生时解吸量显著增加，导致了铵态氮淋失量略高于褐土。3种土壤中淋失的无机氮主要形态为硝态氮，占可溶性总氮的43.5%～65.3%，曾招兵等[27]的土柱模拟试验也表明，土壤氮素的淋失绝大部分以硝态氮的形态呈现。土壤胶体大多带负电荷，容易吸附土壤中带正电的铵态氮，而对于带负电的硝态氮吸附较弱。因此，在灌溉或降雨条件下，硝态氮容易淋失，而铵态氮的淋失量相对较少。施用氮肥时，应针对土壤不同质地，调整氮素的形态。褐土应优先使用铵态氮含量较高的氮肥，而红壤及紫色土优先使用硝态氮含量较高的氮肥。

与常规施肥相比，化肥减量处理，褐土可溶性总氮、硝态氮、铵态氮分别降低了12.0%、8.9%、12.7%，红壤中分别降低了21.8%、22.5%、15.1%，紫色土中分别降低了13.1%、12.2%、25.0%，因为化肥减量之后，有效降低了氮素在土壤表层的积累，减少了淋失风险，该结果与刘晓彤等[28]结果一致，说明在植烟土壤中也可通过化肥减量的方式降低氮素淋失量，增加养分有效性。

化肥减量+5%生物炭的处理，显著延缓土壤中氮素淋失出现的时间，可能是由于生物质炭施入土壤后，较易形成大团聚体，增加了土壤吸附氮素和水分的能力[29]，使得水分向下移动滞后，从而导致氮素在短时间内被淋洗的速度减缓，风险降低。与常规施肥相比，化肥减量+5%生物炭的处理显著降低了3种土壤中可溶性总氮和硝态氮的淋失量，且效果要优于单独化肥减量处理，这与赵凤亮等[30]、张弘等[31]、周志红等[32]的研究结果一致。生物质炭本身具有孔隙多、比表面积大等特性，与土壤混合之后，增加了土壤中的氮素吸附位点，使得氮素更多地保留在土壤当中。但化肥减量+5%生物炭处理下红壤、紫色土铵态氮的淋失均显著高于化肥减量处理，徐国鑫等[33]及刘岑薇等[34]研究表明当设置的降雨强度超过了生物炭的保水性临界值时，会造成红壤及紫色土中铵态氮淋失增加。此外，生物炭的施用量也是影响铵态氮淋失的重要因素，周志红等[32]的研究中，当生物炭的施用量发生变化时，紫色土中铵态氮淋失量有增加的风险，本研究中生物炭使用量为固定量，还需进一步试验探索改变生物炭施用量后红壤及紫色土中铵态氮淋失量的变化规律，所以实际应用中褐土、红壤及紫色土可以通过化肥减量+5%生物炭的施肥方式进一步减少可溶性总氮及硝态氮的淋失。

从淋失时间来看，各种形态氮素淋失基本发生在前期，这与刘晓彤等[35]的研究一致。氮肥施入土壤之后，土壤中氮素累积量较大，随着模拟降雨量不断增加，土壤中未被吸附或转化的氮素会随着水分移动大量向下移动而被淋洗掉。而化肥减量及生物炭处理能明显延缓淋失出现的时间，在生产中可以在氮素淋洗发生的前期采取相应的措施来减少淋失风险。

4 结 论

本研究结果表明，土壤氮素淋失主要发生在淋洗前期，淋失的氮素形态主要为可溶性总氮及硝态氮。通过化肥减量或施用5%的生物炭，均可降低褐土、红壤和紫色土氮素淋失量。化肥减量减少了氮素在土壤表层的积累，有效降低了土壤中氮素的淋失总量；添加生物炭后土壤中形成大团聚体延缓了氮素的淋失，同时增加了土壤中的氮素吸附位点，使得氮素淋失总量进一步降低。因此整体来看，褐土、红壤、紫色土通过化肥减量和施用5%生物炭来降低土壤可溶性总氮和硝态氮淋失量有一定潜力，可在大田验证后在生产上推广应用。

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Effects of Reduced Fertilization and Biochar Application on Nitrogen Leaching from Tobacco-growing Soils

CHU Jideng1,2, YAN Huifeng1, WANG Shusheng1, LI Caibin3, ZHANG Ruonan1, SUN Shuaishuai4*, ZHANG Jiuquan1*

(1. Tobacco Research Institute, CAAS, Qingdao 266101, China; 2. Shanxi Kunming Cigarette Co., Ltd., Taiyuan 030000, China; 3. Bijie Tobacco Company of Guizhou Province, Bijie, Guizhou 551700, China; 4. Technology Center of China Tobacco Shandong Industrial Company, Limited, Jinan 250014, China）

In order to clarify the effects of fertilizer reduction and biochar application on nitrogen leaching loss in different tobacco planting soils, laboratory soil column experiments were conducted to study different fertilization treatments (conventional fertilization, fertilizer reduction by 30%, fertilizer reduction by 30%+5% biochar, no fertilization) on leaching loss of available nitrogen (N) from brown soil, red soil, and purple soil. The results showed that the leaching intensity of all forms of N was strong in the early stage of leaching, and gradually decreased with time. The leachate contained mainly total soluble N and nitrate N. Compared with conventional fertilization, the total amount leached of soluble N, nitrate N, and ammonium N decreased by 12.0% to 21.8%, 8.9% to 22.5%, and 12.7% to 25%, respectively. Fertilizer reduction and biochar application significantly delayed the leaching time of available nitrogen in the three soils, and decreased the total soluble nitrogen and nitrate N in leachate by 26.6% to 35.4%, and 36.5% to 59.2%, respectively. In conclusion, fertilizer reduction and biochar application can decrease the leaching loss of total soluble N and nitrate N from these soils.

soil column; reduced fertilization; rainfall intensity; soil type; nitrogen leaching

10.13496/j.issn.1007-5119.2022.04.006

S572.01

A

1007-5119（2022）04-0040-08

国家重点研发计划（2018YFD201104）；中国农业科学院科技创新工程（ASTIP-TRIC03）；贵州省烟草公司毕节市公司科技项目（2018520500240059)

褚继登（1996-），男，助理工程师，从事烟草栽培与调制研究。E-mail：chujideng@163.com

，E-mail：孙帅帅，569758005@qq.com；张久权，zhanjiuquan@caas.cn

2021-06-18

2022-08-20