土柱模拟条件下降雨强度对滇西和豫中典型植烟土壤氮淋失的影响

王 阁，赵园园，陈小龙，韦建玉，王 政，谢天琪，史宏志

（1.河南农业大学 烟草学院/烟草农业减害研究中心，河南 郑州 450002；2.河南中烟工业有限责任公司，河南 郑州 450016；3.广西中烟工业有限责任公司，广西 南宁 530001）

氮肥对农业生产和作物增产有重要贡献[1]，据统计，世界粮食产量的增加约有50%都归因于化学肥料的施用，其中以氮肥的贡献最为显著[2]。为追求作物高产，农户大量向农田中施入氮肥。然而数据显示，2005—2015 年我国肥料表观利用率仅为35%左右，与发达国家相比低10%～20%[3]。残留在土壤中未被利用的氮肥，有40%～50%通过径流及淋溶进入地下水及河流湖泊[4]。农田土壤氮素大量淋失不仅导致肥料利用率低下，而且造成农业面源污染、水体富营养化，对生态环境安全造成较大威胁[5]。因此，降低农田土壤氮淋失成为亟待解决的问题。

烤烟是我国重要经济作物，氮是烤烟生长代谢所必需的营养元素[6]。云南省洱海流域是我国典型清香型烤烟产区，洱海是我国云贵高原第二大淡水湖泊，对当地气候调节及旅游业发展具有重要意义。近年来洱海水体富营养化持续加剧，引发社会广泛关注。报告显示，可溶性氮作为洱海水体中一项重要无机类污染物，污染指数占比22.37%，且主要来源于农田土壤氮流失[7-8]。因而阻控洱海流域农田土壤氮淋失，成为治理洱海水污染问题的重要举措之一。目前，我国土壤氮淋失研究主要集中在粮食作物的种植上，对植烟土壤氮淋失的研究相对较少。此外，土壤氮淋失受降雨[9]、地势[10]、施肥[11]及种植方式[12]等因素的综合影响，区域不同、土壤特性不同，氮淋失情况也具有差异。因此，拟选取典型清香型烤烟产区滇西洱海之源洱源县及典型浓香型烤烟产区豫中襄城县植烟土壤，采用室内土柱模拟降雨形式，探究降雨强度对不同土壤水分及氮淋失的影响，明确植烟土壤氮淋失动态变化规律，对比滇、豫2种典型植烟土壤氮淋失差异，旨在为降低植烟土壤氮淋失、发展环境友好型绿色烟草生产提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

2021 年4 月分别于云南省大理州洱源县凤羽镇（26.11°N、99.95°E）、河南省许昌市襄城县关帝庙村（33.85°N、113.55°E）采用五点取样法采集0～20 cm 耕层植烟土壤，新鲜土样去除杂质风干后过孔径2 mm 筛，混合均匀。土壤基础理化性质见表1。

表1 两地植烟土壤基础理化性质Tab.1 Basic physical and chemical properties of tobacco planting soil of two places

1.2 试验设计

采用双因素试验设计，因素一为降雨强度，因素二为不同地区植烟土壤。参考小、中、大雨降雨强度并考虑避免产生地表径流，设置降雨强度P1（0.52 mm/h）、P2（1.04 mm/h）、P3（1.56 mm/h）；土壤为云南洱源县植烟土壤（洱源土）、河南襄城县植烟土壤（襄城土）。共6 个处理，各处理设3 次重复，共计18个土柱。参照田间土壤容重，在土柱中土壤填充高度一致的情况下计算所需土壤，分别为洱源土4.05 kg/柱、襄城土4.27 kg/柱。

人工模拟土柱装置由PVC 圆柱管制成，内径10 cm、高度50 cm，管柱底部开直径2 cm 的圆孔连接5 cm 长引流管，圆孔和引流管连接并完全密封，以便收集渗滤液。土柱底部铺设1层孔径0.075 mm的尼龙布，填充2 cm 粒径为1～2 mm 的干燥石英砂，石英砂与土壤接触层再铺1 层孔径0.075 mm 的尼龙布作为反滤材料；将土壤称量后均匀填装入模拟土柱。作物根系圈深度小于40 cm，因此，当氮淋失到土壤40 cm 深度时可认为发生氮淋失，故设计土柱时将土壤深度设为40 cm。PVC 管内壁进行磨毛处理，避免边际流产生。土柱上表面铺设0.075 mm的尼龙布及2 cm 厚粒径为1～2 mm 的石英砂，以保证降雨均匀并防止土层被破坏。淋溶装置结构如图1所示。

图1 淋溶装置结构Fig.1 Structure of leaching device

参考两地年平均降雨量确定模拟降雨总量为600 mm，按P1、P2、P3 降雨强度降雨，达到模拟降雨总量（600 mm）需分别持续1 152、576、384 h。各处理累积降雨量达75、150、225、300、375、450、525、600 mm时分别收取淋溶液，并记录各处理首次出现淋溶液时的累积降雨量。试验于河南农业大学烟草学院烟草栽培生理实验室进行。

1.3 测定项目与方法

土壤基本理化性质按常规方法[13-14]分析。取淋溶液样后使用量筒测定淋溶液渗出量；用浓硫酸-水杨酸比色法测定淋溶液中硝态氮浓度；用酶标仪-靛酚蓝比色法测定淋溶液中铵态氮浓度。其余指标按以下方法计算：

淋溶液渗出速率=淋溶液体积/降雨时间；硝态氮淋失量=淋溶液体积×硝态氮浓度；硝态氮淋失速率=硝态氮淋失量/降雨时间；铵态氮淋失量=淋溶液体积×铵态氮浓度；

铵态氮淋失速率=铵态氮淋失量/降雨时间；

矿质氮淋失量=硝态氮淋失量+铵态氮淋失量；

土柱氮组分含量=土壤氮组分含量×土柱土壤填充量。

1.4 数据处理

采用Excel 2017、SPSS 25、Origin 2021软件进行数据整理、统计分析及绘图。

2 结果与分析

2.1 不同降雨强度对两地植烟土壤水分渗出速率和渗出量的影响

两地土壤在3个降雨强度下首次出现淋溶液时累积降雨量见图2。由图2 可知，首次出现淋溶液时的累积降雨量随降雨强度增加呈降低趋势。洱源县土壤P2（1.04 mm/h）、P3（1.56 mm/h）降雨强度下累积降雨量相较于P1（0.52 mm/h）分别减少20.41%、23.57%，各降雨强度间均差异显著；襄城县土壤P2、P3 降雨强度下累积降雨量相较于P1 分别减少32.41%、40.17%。不同降雨强度首次出现淋溶液时累积降雨量始终为洱源土＞襄城土，P3 降雨强度下二者相差达44.93 mm。以上结果表明，降雨强度增大能够降低土壤持水量，襄城县土壤受降雨强度影响更明显，而且洱源县土壤相对襄城县土壤具有较好的保水性。

图2 不同模拟降雨强度下两地植烟土壤首次出现淋溶液时累积降雨量Fig.2 Accumulated rainfall at the time of the first occurrence of leaching solution in the tobacco planting soil of two places under different simulated rainfall intensities

由图3 可知，两地土壤淋溶液渗出速率均表现为P3＞P2＞P1，其中，洱源县、襄城县土壤在P3 降雨强度下淋溶液渗出速率分别是P1 的4.14、3.49 倍，说明降雨强度的增加加速了土壤水分垂直下移，从而提高土壤淋溶液渗出速率，且土壤水分渗出速率增加倍数高于降雨强度增加倍数。不同土壤P1、P2、P3降雨强度下土壤淋溶液渗出速率均表现为襄城土＞洱源土，差异均显著，且降雨强度升至P3 时，二者差异较P1、P2时小。可见，随降雨强度增加，土壤差异对淋溶液渗出速率的影响减小。

图3 不同模拟降雨强度下两地植烟土壤淋溶液渗出速率Fig.3 Leaching rate of leaching solution from tobacco planting soil in two places under different simulated rainfall intensities

两地土壤在3 个降雨强度下淋溶液渗出量见图4。总降雨量相同条件下，植烟土壤淋溶液渗出量随降雨强度增加呈上升趋势。各降雨强度下淋溶液渗出量均表现为襄城土＞洱源土，二者差值随降雨强度增加逐渐减小，P1降雨强度下二者相差达453.84 mL，而降雨强度升至P3 时二者相差最小。以上结果说明，降雨强度的增加不利于土壤对水分的吸附保持，导致土壤水分更易于垂直下渗流失。此外，就水分流失来看，洱源县土壤对降雨强度变化的缓冲能力高于襄城县土壤。

图4 不同模拟降雨强度下两地植烟土壤淋溶液渗出量Fig.4 Leaching amount of leaching solution from tobacco planting soil in two places under different simulated rainfall intensities

2.2 不同降雨强度对两地植烟土壤硝态氮淋失的影响

2.2.1 不同降雨强度下硝态氮的淋失浓度及淋失量动态变化 不同处理硝态氮的淋失浓度及淋失量动态变化见表2。由表2 可知，硝态氮的淋失浓度及淋失量随累积降雨量的增加大幅下降后趋于平稳，而降雨强度对硝态氮的淋失浓度及淋失量的影响无明显规律。此外，相同累积降雨量条件下，洱源县土壤P2、P3降雨强度下先于P1出现氮淋失；襄城县植烟土壤P3 降雨强度下先于P1、P2 出现氮淋失。以上结果表明，硝态氮大量淋失主要集中出现在淋溶初期，较低降雨强度能够延缓植烟土壤氮淋失的发生。

表2 不同模拟降雨强度下两地植烟土壤硝态氮的淋失浓度及淋失量动态变化Tab.2 Dynamic changes of nitrate nitrogen leaching concentration and amount in tobacco planting soils under different simulated rainfall intensities

续表2 不同模拟降雨强度下两地植烟土壤硝态氮的淋失浓度及淋失量动态变化Tab.2（Continued）Dynamic changes of nitrate nitrogen leaching concentration and amount in tobacco planting soils under different simulated rainfall intensities

2.2.2 降雨强度对两地土壤硝态氮淋失速率的影响 两地土壤在3个降雨强度下硝态氮淋失速率见图5。硝态氮淋失速率随降雨强度增加呈显著增加趋势，P1 降雨强度下，两地植烟土壤之间差异不显著，随降雨强度增加土壤间差异逐渐增大。与P1降雨强度相比，洱源县土壤硝态氮淋失速率随降雨强度增加分别增加145%、300%，襄城县土壤分别增加120%、270%，说明较高降雨强度能够显著加速土壤硝态氮淋失，不利于土壤养分的保持。

图5 不同模拟降雨强度下两地植烟土壤硝态氮淋失速率Fig.5 Leaching rate of nitrate nitrogen from tobacco planting soils in two places under different simulated rainfall intensities

2.2.3降雨强度对两地土壤硝态氮淋失量及占比的影响 两地植烟土壤在3种降雨强度下硝态氮淋失量及占比见表3。由表3 可知，在相同降雨强度下，两地植烟土壤硝态氮淋失量及淋失占比均随降雨强度增加而增加。以上结果表明，降雨强度是影响土壤氮淋失的重要因素，较高降雨强度能够加剧植烟土壤硝态氮淋失，且洱源县植烟土壤硝态氮淋失风险高于襄城县。此外，在P3 降雨强度条件下，洱源县植烟土壤硝态氮淋失量高至167.90 mg，硝态氮淋失量均高于土柱本身硝态氮总量，这或许与不同种类土壤之间氮水平及微生物矿化相关。

表3 不同模拟降雨强度下两地植烟土壤硝态氮淋失量及占比Tab.3 Amount and proportion of nitrate nitrogen leaching from tobacco planting soils in two places under different simulated rainfall intensities

2.3 不同降雨强度对两地植烟土壤铵态氮淋失的影响

2.3.1 不同降雨强度下铵态氮的淋失浓度及淋失量动态变化 不同处理土壤铵态氮的淋失浓度及淋失量动态变化见表4。植烟土壤铵态氮的淋失浓度及淋失量随累积降雨量增加整体呈缓慢下降趋势，并且较高降雨强度下铵态氮淋失量及淋失浓度下降更为缓慢。整个淋失过程中铵态氮的淋失浓度及淋失量均表现为P3＞P2＞P1。以上结果说明，增大降雨强度能够显著增加植烟土壤铵态氮的淋失浓度及淋失量。此外，土壤差异也是影响铵态氮淋失动态变化的关键因素，洱源县植烟土壤铵态氮淋失相对更为严重。

表4 不同模拟降雨强度下两地植烟土壤铵态氮的淋失浓度及淋失量动态变化Tab.4 Dynamic changes of leaching concentration and amount of ammonium nitrogen in tobacco planting soil under different simulated rainfall intensities

2.3.2降雨强度对两地土壤铵态氮淋失速率的影响 各处理铵态氮淋失速率见图6。植烟土壤铵态氮淋失速率随降雨强度增加呈显著上升趋势，并且相同降雨强度下洱源县土壤铵态氮淋失速率显著高于襄城县土壤。说明降雨强度增加，能够削减土壤对铵态氮的固持能力，从而加速铵态氮淋失；高含氮量土壤铵态氮淋失速率相对较高。

图6 不同模拟降雨强度下两地植烟土壤铵态氮淋失速率Fig.6 Ammonium nitrogen leaching rate of tobacco planting soil in two places under different simulated rainfall intensities

2.3.3降雨强度对两地土壤铵态氮淋失量及占比的影响 各处理铵态氮淋失量及占比见表5。由表5 可知，两地土壤铵态氮淋失量及淋失占比均随降雨强度增加而显著增加，并且洱源县土壤铵态氮淋失量及淋失占比均显著高于襄城县植烟土壤，且在P3降雨强度条件下洱源县植烟土壤铵态氮淋失量达31.39 mg。说明降雨强度增加能够加剧铵态氮淋失，且襄城县土壤对铵态氮具有较好的吸附能力。

表5不同模拟降雨强度下两地植烟土壤铵态氮淋失量及淋失占比Tab.5 Amount and proportion of ammonium nitrogen leaching from tobacco planting soils in two places under different simulated rainfall intensities

2.4 不同降雨强度对两地植烟土壤矿质氮淋失总量及铵态氮、硝态氮淋失占比的影响

不同处理矿质氮淋失总量见图7。矿质氮包括硝态氮和铵态氮，洱源县土壤P1、P2、P3 降雨强度下硝态氮淋失占比依次为89%、89%、84%，襄城县土壤P1、P2、P3 降雨强度下硝态氮淋失占比依次为97%、94%、89%。不同降雨强度下，洱源县土壤矿质氮淋失量均高于襄城县土壤。此外，洱源县土壤矿质氮淋失量平均占土柱总氮含量的1.84%，占土柱碱解氮含量的 45.47%；襄城县土壤矿质氮淋失量平均占土壤残留总氮的2.18%，占残留碱解氮的54.95%。

图7 不同模拟降雨强度下两地植烟土壤矿质氮淋失总量Fig.7 Total amount of mineral nitrogen leaching from tobacco planting soils in two places under different simulated rainfall intensities

结果表明，随降雨强度增加，矿质氮淋失量显著增加，而硝态氮作为主要的淋失矿质氮组分，随降雨强度增加淋失占比略有降低，两地平均占比为90%。虽然不同降雨强度下洱源县土壤氮淋失量均高于襄城县土壤，但矿质氮淋失占土壤总氮及碱解氮的比值却均低于襄城县土壤，这或与洱源县土壤总氮及碱解氮含量均高于襄城县土壤有关。

3 结论与讨论

土壤氮的大量淋失及在地下水或地表河流和湖泊中的聚集，除危害生态环境安全、导致大量肥料资源浪费之外，还对人体健康造成威胁[15]。不同地区土壤特性不一，对水肥的吸附和固定能力也有差异[16]。本研究中，较高降雨强度显著削减了土壤持水量，这与高海鹰等[17]的研究结果相一致。这可能是因为降雨强度大时，水分随土壤大孔隙迅速向下迁移，来不及进入较小孔隙，导致土柱底端较早出现淋溶液。而在相同降雨强度下，两地土壤水分保持量间的显著差异，或与土壤质地及土壤特性相关。研究表明，土壤质地决定了土壤的孔隙状况以及吸附能力，从而决定土壤的持水能力及土壤有效水分含量，质地越黏重的土质，水分保持能力越强[18]。本研究中，滇西典型植烟土壤（洱源土）为壤土，相对豫中砂壤土（襄城土）来说较为黏重，因此，滇西洱源县土壤持水量较大、水分渗出量及渗出速率较低。此外，滇西地区植烟土壤中有机质含量普遍较高，这或许对提高土壤持水量有一定贡献[19]。

随降雨强度增加，植烟土壤硝态氮、铵态氮淋失量及淋失速率均呈上升趋势，这与齐栓旺[20]的研究结果相一致，这或许是因为高降雨强度下，水分垂直移动速度快，对土壤冲刷力度强，导致氮更易淋失。降雨强度为1.56 mm/h 时，洱源县土壤硝态氮淋失总量高达167.90 mg，铵态氮淋失总量达31.39 mg，说明田间土壤氮淋失是地下水及地表河流湖泊水体污染的重要来源，且氮淋失形态以硝态氮为主，以上结果与刘明鹏等[21]的研究结果一致。植烟土壤硝态氮的淋失浓度及淋失量远高于铵态氮，这或许是因为土壤胶体颗粒通常以带负电荷为主，对带正电荷的铵态氮具有较强的吸附固定能力，而对带负电荷的硝态氮具有一定的排斥作用，导致硝态氮更易于脱离土壤并随水分迁移[22]。本研究结果表明，土壤硝态氮的淋失浓度受降雨强度影响规律不明显，并且各个降雨强度下滇西洱源县土壤氮的淋失浓度及淋失量明显高于豫中襄城县土壤，这也说明相较于降雨强度，或许土壤差异对土壤氮的淋失浓度及淋失量起到更关键的作用，洱源县土壤氮含量高于襄城县土壤，因而氮的淋失浓度高于襄城县。此外，土壤氮淋失集中在淋溶初期，随降雨量增加氮的淋失浓度和淋失量均呈下降趋势，这与何松等[23]的研究结果较一致，表明随降雨量增加，土壤游离硝态氮和铵态氮含量逐渐降低，淋失量也逐渐下降。综上，植烟土壤氮淋失受降雨强度、土壤质地及土壤残留氮含量等因素综合影响。

本研究结果表明，高降雨强度会削减土壤持水量。与豫中相比，滇西地区植烟土壤持水量较高。氮淋失集中在淋溶初期，硝态氮的淋失浓度及淋失量下降迅速，铵态氮下降较缓慢。植烟土壤硝态氮、铵态氮淋失总量及淋失速率随降雨强度增加而增加，淋失形态以硝态氮为主，两地平均占比90%，土壤硝态氮的淋失浓度受降雨强度影响不明显，受土壤残留氮含量影响较显著。滇西地区植烟土壤氮淋失量及淋失速率均高于豫中，氮淋失污染风险较高。