高碳基肥对烟稻轮作系统烟田氮肥利用率和氮效益的影响

关键词：高碳基肥；烤烟：炯稻轮作系统；氮素分配；氮肥利用率；施氮效益

近年来我国氮肥用量不断增加，但其利用率却没有提高，介于30%～35%之间，远低于发达国家。长期氮肥利用率低，不仅增加施肥成本，还会造成水体富营养化、土壤酸化、温室效应、大气污染等一系列环境问题。

大量研究证实化肥配施有机肥可提高氮肥利用率，如在西南黄壤性水稻土上采用有机肥替代50%化肥的施肥方法，水稻的氮肥利用率提高4.2%，玉米提高2.5%。对宁夏引黄灌区稻田的研究发现，在常规施氮和优化施氮水平下配施有机肥，水稻的氮肥利用率分别提高1.9%和5.2%。

有机肥种类很多，其肥效以及对氮肥利用率的影响有所不同，秸秆、牛羊粪、油枯是常用的有机肥肥源，其肥料碳氮比各不相同，薛庆锋等研究表明，施用秸秆有机肥能提高氮肥利用率，减少面源污染，而且还增加土壤有机质含量，提高土壤肥力。马宜林等研究发现，在洛阳丘陵褐土区等量施肥条件下，配施40%～60%牛羊粪有机肥与无机肥更有利于满足烤烟的需肥特性，提高氮肥利用率。研究表明，腐熟的菜籽饼肥对植烟土壤养分、烤烟根系生长、烟株碳氮代谢协调性、氮素利用率和土壤碳、氮矿化提高均具有显著影响：而有机肥中不同元素被微生物固定还是释放至土壤供植物利用，在很大程度上取决于有机肥的碳氮比。饼肥和高碳基肥是目前烟草生产广泛应用的有机肥，饼肥养分以氮为主，碳氮比8～10左右：高碳基肥是一种以生物质炭为主要原料并添加多种有机物料和矿物质原料复配而成的新型有机肥料，含碳量相对较高，碳氮比约为17，生物炭由于其较大的比表面积和稳定的多孔结构被证明是碳封存理想物质，使用高碳基肥能够将生物质转化成的生物炭再利用，有效减少碳的排放，在目前碳达锋、碳中和的背景下拥有良好的应用推广前景。高碳基肥具有改良土壤、提高土壤养分供应能力、促进烟株生长和改善烤烟品质的功效。由于其含有大量生物炭，具有较强吸附性，可以增强土壤的保水保肥能力，尤其是可以降低氮肥淋失的风险．但也有研究显示，生物炭会增大硝态氮在质地较黏土壤中的淋失，降低氮肥利用效率。

湖南郴州属亚热带季风性湿润气候区，降雨量充沛，自然条件优越，是我国浓香型烟叶主产区之一。长期以来，烟农为了追求烟叶的高产与经济利益最大化而大量施用化肥，这对土壤、烤烟质量和环境都造成了不利影响。较高的氮肥施用量和相对偏低的烟叶产量是郴州烟草生产面临的问题之一，本试验在烟稻轮作生态系统下，研究高碳基肥和饼肥两种碳氮比有较大差异的有机肥配施化肥对烤烟生长和氮肥利用率的影响，以期为郴州烟田合理施用有机肥、提高氮肥利用率和经济效益、提升烟草品质提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验于2021年3月在湖南省郴州市桂阳县方元镇开展。该区属亚热带季风气候，四季分明，雨热同季，光照充足，雨量充沛，无霜期长。年均气温18℃，无霜期年平均210d，日照时数1780h，年均降水量1500～1800mm。试验地土壤基础理化性质：有机质含量18.05g/kg、硝态氮23.85mg/kg、铵态氮7.42mg/kg、速效磷52.14mg/kg、速效钾265.72mg/kg，pH值为7.5。

1.2试验材料

供试烤烟品种为湘烟7号，由郴州市烟草公司提供。

供试肥料：高碳基土壤修复肥：总养分含量5.02%，含N17.6g/kg、P205 11.5g/kg、K2 21.1g/kg、全碳303.5g/kg，肥料碳氮比17.24，由河南惠农土质保育研发有限公司提供；生物发酵菜籽饼肥：氮磷钾（N+P2 0s +K2 0）总养分≥8%，含N50.0 g/kg、P205 21.6 g/kg、K，0 10.3 g/kg、有机质≥70%、全碳404.6g/kg，肥料碳氮比8.09；郴州烟草专用基肥（N：P205：K20= 8：17：7，硝态氮／总氮≥15%）、硫酸钾（K20 52%）、过磷酸钙（P20512%）和磷酸二氢钾（P205：K20=52：34），提苗肥（N：P205：K，0=20：9：0，硝态氮／总氮≥40%），烟草专用追肥（N：P205：K20=11：0：31，硝态氮／总氮≥50%）。

1.3试验设计

试验采用随机区组设计，共设置6个处理，分别为CKO：不施氮肥，CK1：仅施化肥氮，不施有机肥，N1：饼肥替代13%化肥氮，N2：饼肥替代26%化肥氮，N3：高碳基肥替代13%化肥氮，N4：高碳基肥替代26%化肥氮。除CKO外，其他各处理总氮量均为169.5kg/hm2．各处理磷钾肥相同。重复3次，小区面积100m2，地边设2行保护行。

2021年3月14日移栽烟草幼苗，栽培密度为16500株/hm2。按照郴州烟草优质烟叶生产办法进行大田管理，烟株4月15日进入旺长期，5月5日现蕾，5月6-10日进行打顶抹腋芽，6月10日开始采收下部叶，分3次采收，7月1日采收结束。

1.4测定项目及方法

烟株移栽后60d，根据YC/T 142-2010中的标准方法测量株高、茎围、节距、叶长、叶宽、叶片数等农艺性状；烟株移栽后104d，每小区取3株烟，分别测量根、茎、叶和花鲜重，105℃杀青，60℃烘干至恒重，分别称量根、茎、叶和花干重后，粉碎过60目筛，用德国Elementar公司生产的碳氮元素分析仪测定各部位总氮含量。

1.5数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2019对试验数据进行整理，利用DPS软件的LSD法进行差异显著性分析（Plt;0.05），使用Origin Pro 2019绘图。

氮肥利用率计算方法：依据移栽后104d的烟株干物质积累量及各部位总氮含量数据，通过差减法计算各处理氮肥利用率，计算公式：氮肥利用率（%）=（施氮处理烟株氮素吸收量一不施氮处理烟株氮素吸收量）／施氮量×100。

施氮效应、效益及效率等经济效益的计算参照李燕山等的方法，具体计算方法如下：

施氮效应（kg/hm2）=施氮处理烟叶产量一不施氮处理烟叶产量；氮肥农学效率（AE，kg/kg）=施氮效应／施氮量；施氮效益（元/hm2）=施氮处理各等级烟叶产值之和一不施氮处理各等级烟叶产值之和：氮肥投入（元/hm2）=施氮量×氮肥价格；施氮纯收入（元/hm2）=施氮效益一氮肥投入；氮肥产投比（VCR，元／元）=施氮效益／氮肥投入。

2结果与分析

2.1高碳基肥不同替代比例对烤烟农艺性状的影响

由表1可以看出，N1、N2、N3、N4处理的株高、茎围、节距、叶片数和叶宽等指标与CK1相比略有增加，但差异均未达显著水平。叶长在各施肥处理间存在显著差异，与CK1相比，N1、N2、N3、N4处理分别增加2.40%、11.66%、2.73%、14.01%，其中N2、N4处理与CK1差异达显著水平，说明饼肥及高碳基肥高替代比例对烟叶的促生效果更好。在有机肥替代化肥比例相同情况下，碳氮比较高（17.24）的高碳基肥对烟叶的促生效果优于碳氮比较低（8.09）的饼肥。

2.2高碳基肥不同替代比例对烤烟干物质累积量的影响

移栽后104 d各处理干物质积累量如表2所示，可以看出，N1、N2、N3和N4处理根、茎、叶和花的干物质积累量均大于CK1，但仅花的干物质量与CK1差异达显著水平。与CK1相比，N1、N2、N3和N4处理烟株总干物质积累量分别增加6.72%、13.19%、10.01%和11.01%，除N1处理外均与CK1达到显著差异水平。干物质积累量各处理间表现为N2gt;N4gt;N3gt;N1gt;CK1gt;CK0，说明施肥有利于烟株的干物质积累，且有机肥配施化肥显著高于单施化肥处理，有机肥替代26%化肥氮处理高于替代13%处理，但处理间差异不显著，饼肥和高碳基肥处理间差异也不显著。

2.3高碳基肥不同替代比例对烤烟各部位氮含量及分配比例的影响

移栽后104 d烤烟植株各部位氮含量如表3所示。与CK1相比．N1、N2、N3和N4处理单株氮素积累量分别显著增加8.93%、14.23%、12.67m和17.25%。其中叶片含氮量较CK1分别增加3.19%、9.04%、9.04%和14.36%，且N2、N4处理显著高于CK1。CK1花的氮素含量为1.98g/株，小于N1、N2、N3和N4处理，但差异未达显著水平。各配施肥处理根的氮素含量均略高于CK1，但无显著性差异。N1、N2、N3和N4处理茎的氮素含量均显著高于CK1，分别增加19.91%、26.55%、27.88%和26.99%。总体看来，在有机肥替代化肥比例相同的情况下，高碳基肥处理烟株氮素含量高于饼肥。施用相同有机肥时，替代比例为26%化肥氮处理的烟株氮素含量高于13%替代比例。

由表3还可看出，CKO烟株总氮量为6.15g/株，根、茎、叶和花的氮素分配比例分别为31%、14%、25%和30%。施肥不仅增加烟株的总氮量，还改变了氮素在各器官间的分配比例，主要表现为：单施化肥处理，烟株总氮量为8.29g/株，其在根、茎、叶和花中的分配比例分别为26%、27%、23%和24%。与CKO相比，施肥处理显著提高了氮素在茎中的分配比例，而降低了其在叶片、花和根中的分配比例：有机肥部分替代化肥进一步提高了氮素在茎中的分配比例，略微降低了其在叶片和根中的分配比例：氮素分配比例在不同有机肥处理间差异不大。

2.4高碳基肥不同替代比例对烤烟氮肥利用率的影响

由图1可以看出，单施化肥（CK1）的烟株氮肥利用率为25.59%，N1、N2、N3和N4处理分别为28.13%、32.39%、31.15%和34.86%，其中N2、N4较CK1氮肥利用率分别提高6.80、9.27个百分点。表明配施不同比例有机肥均可在一定程度上增强烟株对氮素的吸收能力，且有机肥替代化肥比例越高，氮肥利用率越高：在有机肥替代化肥比例相同条件下，高C/N的高碳基肥对氮肥利用率的提升效果优于C/N较低的饼肥。

2.5高碳基肥不同替代比例对烤烟烟叶产量、产值和经济效益的影响

由表4可以看出，与CK1相比，N1、N2、N3、N4处理烟叶产量均显著提高，分别提高6.45%、7.61%、7.05%、12.32%，说明在用氮量相同时饼肥和高碳基肥均有增产效果且后者效果更优。从烟叶产值来看，N1、N2、N3、N4处理较CK1分别显著增加4.91%、7.92%、5.87%和14.97%，并且N4处理显著高于N1、N2和N3处理，说明在高碳基肥替代化肥氮比例为26%时，对烟叶产值的提升效果更大。

由表4还可看出，不同有机肥替代化肥氮处理对烟叶的经济效益产生显著影响，施氮效应和效益均表现为N4gt;N2gt;N3gt;N1gt;CK1，其中N2、N4处理的施氮效益较CK1分别提高10.41%和19.79%，说明不同有机肥部分替代化肥氮对烟叶的经济效益均有提升，且高碳基肥的提升效果优于饼肥。同种有机肥替代化肥氮情况下，26%替代比例对烟叶施氮效应和效益的提升最优，说明有机肥替代化肥氮比例较高时经济效益提升效果较好。从氮肥投入来看，高碳基肥的投入虽然高于饼肥，但其较高的施氮效益也使得施氮纯收入高于饼肥。

氮肥产投比分析结果表明，N1、N2、N3、N4处理相对于CK1均有所减少，呈现依次递减趋势，说明有机肥部分替代化肥增加了肥料投入，使施肥成本增加，替代量越大成本越高，氮肥产投比减小，但施用有机肥花费的高成本也能带来更高的收益。N1、N2、N3、N4处理的氮肥农学效率较CK1均有不同程度的提升，分别显著提高10.87%、12.82%、11.84%、20.76%，其中N2与N4处理的氮肥农学效率提升幅度高于N1、N3，说明施用同种有机肥，有机氮占总氮比例越大，氮效益越高：替代比例相同时，高碳基肥优于饼肥。

3讨论

氮肥和有机肥的施用均能影响作物产量。有机肥代替部分化肥是实现我国农业绿色发展的一个重要举措。烤烟的农艺性状、内在品质和经济性状与肥料的种类和用量关系密切，不同种类肥料释放养分的特征不同，对烤烟的生长、品质及产质量的影响也不同。本试验表明，与单施化肥相比，有机无机肥配施显著提高烤烟产量和干物质积累量，增幅分别为6.45%～12.32%和6.720%～13.19%。饼肥替代化肥氮比例为13%条件下，氮肥利用率为28.13%，替代比例增至26%时，氮肥利用率提高至32.39%：高碳基肥替代化肥氮比例为13%条件下，氮肥利用率为31.15%，替代比例增至26%时，氮肥利用率提高至34.86%，高碳基肥效果优于饼肥，在此用量下烟株氮素累积量显著增加，氮肥利用率和产质量均为最优。同时，施肥不仅增加烟株的总含氮量，还改变了氮素在烟株各部位的分配比例，有机肥配施化肥增加了氮素在茎中的分配比例，而降低了其在叶片、花和根中的分配比例。

有机肥配施化肥对烟株生长和氮肥利用率的促生效果优于单施化肥处理，原因可能是化肥是一种速效肥，易随土壤水移动从而被淋洗、挥发等，单施化肥时短时间内大量养分不能被烟株根系及时吸收，而有机肥具有缓效养分，含有多种中微量元素，且能够促进土壤微生物繁殖，快速活化土壤养分。高碳基肥优于饼肥的原因可能是C/N较高，含有较高比例生物炭对土壤氮素吸附力强，可以增强土壤的保水保肥能力，减少NH3挥发．以及N03 -N淋溶等的损失，保障了对烟株氮素的供应，提高了氮肥利用效率。有机肥配施化肥提高氮素在茎中的分配比例，可能是因为叶和茎是植株吸收氮素的主要器官，在烟草苗期的氮素分配比例较高，烟草在还苗期生长发育较快，此时烟株根系对养分的吸收能力较强，而缓苗期施用的基肥中含氮量较高，土壤氮素对烟株供应增加，茎成为氮素主要的汇集器官，氮素在茎中需要逆浓度梯度向上进行氮营养的运输，运输速率不及施用氮肥后根部对氮素吸收的速率，最终导致氮素主要在茎中积累，促进了茎的生长发育。烟株吸收的氮素在茎中积累而没有充分在烟叶中利用，降低了氮素在烟叶中的分配比例，造成了经济效益的降低。在以后的研究中如何增加氮素在叶片中的分配比例，进一步提高有机肥配施化肥的经济效益，是需要探讨的问题。

4结论

郴州烟稻轮作生态系统中，单施化肥烤烟氮肥利用率为25.59%，有机肥部分替代化肥氮显著提高烤烟氮肥利用率2.54～9.27个百分点、氮肥农学效率提高10.87%～20.76%；烟叶产量、产值分别提高6.45%～12.32%和4.91%～14.97%，且高碳基肥优于饼肥，26%替代比例优于13%。有机肥部分替代化肥增加了氮素向烟株茎部的分配比例。