利用15 N示踪技术探讨烤烟在不同轮作方式下对氮素肥料的吸收与分配

孟源+陆引罡+周建云+陶文广

摘要：应用15N稳定性同位素示踪技术，研究了烤烟在不同的轮作方式下对氮素肥料的吸收利用情况。结果表明：烟株各部位总氮含量呈现叶片>茎>根，烟叶叶片总氮积累量上部叶>中部叶>下部叶的规律;通过15N的原子百分超的测定结果得到，烟株全氮中来源于吸收肥料氮的比例在不同部位的分布随着叶位的升高而降低，来源于土壤氮的比例随着叶位的升高而增加;不同轮作方式的氮肥利用率以烤烟—小麦轮作处理较高，为23.71%，烤烟—油菜轮作处理与烤烟—空闲轮作处理居中，二者分别为23.04%和22.3%，烤烟—黑麦草轮作处理较低，仅为18.11%，烤烟较好的轮作方式为烤烟—小麦轮作和烤烟—油菜轮作。

关键词：烤烟;15N;轮作;吸收;分配

中图分类号： S572.06 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2015）04-0099-03

收稿日期：2014-05-19

基金项目：湖南中烟公司资助项目（编号：H110378）。

作者简介：孟 源（1988—），男，硕士研究生。E-mail：mengyuan881122@126.com。

通信作者：陆引罡，教授。E-mail：agr.yglu@gzu.edu.cn。

烤烟作为一种不耐连作的作物，在种植的过程中，轮作成为烟草种植制度的主要内容。通过合理轮作，可以改善烤烟的生长环境，均衡利用土壤养分，减少病虫害发生，提高烤烟产量和质量[1]。对烟草生产而言，轮作中的关键问题是前茬作物（前作）的选择。在烟草生产中，要正确地评定茬口，为轮作选择合理的茬口，以利于前后作相互衔接，扬长避短，趋利避害[2]。在目前的研究中，有关前作的研究主要集中在玉米、小麦、水稻、大豆等作物上[3-4]，而前作对烟草生长及品质影响的研究较少[5]。在烟草生产中，前作的选择主要以减少烟草的病害为主，不同前作的茬口特性对烟草品质及营养的影响考虑得较少[6-7]。本研究选择了油菜、小麦、黑麦草以及空闲作为烤烟的前作，应用稳定性同位素15N示踪技术，探讨不同前作情况下烟草对氮肥的吸收利用情况，为轮作周期中烤烟前作的选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2012—2013年在贵州省贵阳市开阳县龙岗镇“贵阳烟叶示范基地”进行，该地位于云贵高原地区，属于亚热带湿润温和型气候，年平均气温为15.3 ℃，年平均相对湿度为78%，降水主要集中在5—8月，年平均降水量 1 129.5 mm。试验地耕层（0～20 cm）土壤pH值6.63，有机质含量 13.78 g/kg，碱解氮含量98.63 mg/kg，速效磷含量 21.52 mg/kg，速效钾含量121.43 mg/kg，土壤容重 1.45 g/cm，最大田间持水量28.31%。供试烤烟品种为南江3号。

1.2 试验设计

试验共设5个处理，分别为对照（CK）、烤烟—休闲、烤烟—油菜、烤烟—小麦、烤烟—黑麦草，每个处理重复3次，共15个小区，试验采用随机区组排列，每小区设5个重复（微区），每个微区种植1株烤烟（在烟苗移栽前挖深0.5 m、直径0.5 m的坑，取出全部土壤后沿坑壁围上油毛毡，再将土壤按顺序全部填回土坑），微区单独采样进行15N的分析，田间管理与试验小区相同;栽烟行株距1.0 m×0.6 m，移栽密度为16 500株/hm2，小区试验采用常规处理。田间管理按优质烟生产技术进行。烤烟所需N、P2O5、K2O比例约为 10 ∶ 10 ∶ 25，纯氮量约为6 g/株。氮肥采用15NH415NO3（丰度10.20%，由上海化工研究院提供）。基肥施用量占施肥总量的70%，追肥施用量为30%。氮肥、钾肥追肥在烤烟移栽后30 d一次性施入。

表1 烤烟不同轮作方式氮素肥料试验方案

处理 轮作方式

总施氮量（g/株）

基肥（70%） 追肥（30%）

1 CK 0 0

2 烤烟—休闲 11.5 4.9

3 烤烟—油菜 11.5 4.9

4 烤烟—小麦 11.5 4.9

5 烤烟—黑麦草 11.5 4.9

1.3 取样及测定

分4个不同时期进行整株取样，分成根、茎、下部叶、中部叶、上部叶等5个部位，洗净切碎，放烘箱于105 ℃杀青，60～70 ℃烘干，称质量后磨碎成粉待测。15N样品送国家海洋局第三海洋所用质谱法测15N丰度以及全氮含量。

烟株各组织器官全N量中分别来自15N-肥料和土壤的百分比的计算[8-10]：

烟株吸收的肥料氮占总吸氮量的百分比（Ndff%）=（烟株的15N原子百分超/肥料的15N原子百分超）×100%。

Ndfs% =1-Ndff%。

（1）

式中：Ndff指来自于肥料的氮（简称肥料氮）;Ndfs指来自于土壤的氮（简称土壤氮）。

肥料利用率的计算[8]：

（2）

RN=m1×C1×A1m2×C2×A2×100%。

式中：RN为氮肥利用率（%）;m1为植株干质量;m2为施入的15N标记肥料质量;C1为植株含氮量;C2为肥料含氮量;A1为植株15N原子百分超;A2为标记肥料的原子百分超。

2 结果与分析

2.1 不同轮作方式下不同前作对烤烟生物量的影响

表2结果表明，施肥的4个处理的总干质量显著高于对照，对照（CK）平均为261.91 g/株，烤烟—空闲、烤烟—油菜、烤烟—小麦、烤烟—黑麦草平均总干质量分别比对照增加48.71%、59.99%、65.96%和35.89%。施肥增产显著，4种轮作处理处理之间的生物量差异也比较显著，总干质量、根系干质量以及地上部干质量由高到低顺序为小麦>空闲>油菜>黑麦草，说明小麦田的肥料残留较低，黑麦草田的肥料残留较高。同时，通过根系干质量以及地上部干质量的差异比较结果可知，烤烟—油菜与CK、烤烟—空闲以及烤烟—黑麦草之间的差异达显著水平;而与烤烟—小麦之间的差异性不显著，说明这2种轮作方式处理的植株长势相差不大，且肥料的残留较低，适宜烤烟的生长，可以明显提高烤烟的产量。

表2 不同轮作方式下的烤烟生物量

处理 根系干

质量

（g） 相对

生物量

（%） 地上部

干质量

（g） 相对

生物量

（%） 总干

质量

（g） 相对

生物量

（%）

CK 42.7c 100.00 219.21d 100.00 261.91e 100.00

烤烟—空闲 66.23b 155.11 323.26b 147.47 389.49c 148.71

烤烟—油菜 69.44a 162.62 345.50ab 157.61 419.03b 160.00

烤烟—小麦 70.41a 164.89 364.27a 166.17 434.67a 165.96

烤烟—黑麦草 47.87c 112.11 308.03c 140.51 355.90d 135.88

注：相对生物量=烤烟各部位的生物量/对照时烤烟各部位的生物量×100%。同列数据后不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。表5同。

2.2 不同轮作方式下不同前作对烤烟体内总氮含量的影响

从表3可以看出，在不同的轮作方式下，烟株各部位总氮的含量存在差异。其中烤烟—小麦轮作方式下烟株总氮、各部位氮的含量较高，而烤烟—黑麦草轮作方式的含量较低，表明在相同的施肥水平下，不同前作的茬口影响了烟株总氮以及各部位氮的含量。同时，烟株各部位总氮含量呈现叶片>茎>根，烟叶叶片总氮积累量为上部叶>中部叶>下部叶的规律，说明烟株总氮在不同部位的分布是随着叶位的升高而升高的。4种不同轮作方式的全株含氮量与CK之间的差异性也达到极显著水平。因此，烟株各部位总氮的含量受前作的影响，而且不同的前作对烟株总氮含量的影响与施氮与否有关。不同轮作方式下烟株各部位的全氮含量如图1所示。

表3 氮素在烟株中不同部位的分布

处理 全株含N量

（g）

根 茎 下部叶 中部叶 上部叶

含N量

（g） 占全株N

（%） 含N量

（g） 占全株N

（%） 含N量

（g） 占全株N

（%） 含N量

（g） 占全株N

（%） 含N量

（g） 占全株N

（%）

CK 2.79e 0.25 8.96 0.43 15.41 0.57 20.43 0.68 24.37 0.86 30.82

烤烟—空闲 3.96c 0.47 11.87 0.64 16.16 0.78 19.70 0.95 23.99 1.12 28.28

烤烟—油菜 4.61b 0.57 12.36 0.78 16.92 0.82 17.79 1.15 24.95 1.29 27.98

烤烟—小麦 4.85a 0.61 12.58 0.76 15.67 0.94 19.38 1.19 24.54 1.35 27.84

烤烟—黑麦草 3.63d 0.39 10.74 0.55 15.15 0.73 20.11 0.87 23.97 1.09 30.03

2.3 不同轮作方式下不同前作对15N在烤烟体内分布的影响

从表4可以看出，在不同的轮作方式下，烟株各部位氮来自肥料和土壤的比例存在差异。烤烟—油菜和烤烟—小麦轮作方式下烟株各部位的氮来自于肥料的比例较高，而烤烟—黑麦草轮作方式下烟株各部位的氮来自于肥料的比例较低，来源于土壤氮的比例与之相反。同时，通过15N的原子百分超的测定结果（见表4）可以看出，烟株全氮中来源于吸收肥料氮的比例在不同部位的分布是随着叶位升高而降低的，来源于土壤氮的比例随着叶位的升高而增加，说明肥料中15N可优先向生长旺盛的器官中转移。

综合表4和图1结果可知，来源于肥料提供的氮素在烟草体内各部位的分配比例与叶片着生部位高低关系密切，而与各部位干物质积累关系不大。在烤烟—小麦轮作中，上部叶片全氮中肥料所占比例为19.33%，而下部叶中肥料所占的比例为26.03%，两者相差很大，但是上部叶中含氮量明显高于下部叶。由此可见，肥料氮所占比例与全氮含量有密切的关系，而叶片的不同着生部位直接影响全氮的含量。

2.4 不同轮作方式下不同前作对氮素肥料利用率的影响

从表5中可以看出，不同前作影响着烟株对氮肥的利用率，烤烟—小麦轮作利用率最高，烤烟—油菜轮作和烤烟—休闲轮作次之，烤烟—黑麦草轮作氮肥利用率最低。因此，烟株对氮肥的利用率同样受到前作影响。氮肥利用率差异性分析的结果显示，烤烟—小麦和烤烟—黑麦草在成熟期时，不同轮作方式间的氮肥利用率差异达到了极显著水平，特别是烤烟黑麦草轮作的氮肥利用率仅为烤烟—小麦轮作的76.38%;对不同的轮作方式来说，烤烟—小麦轮作和烤烟—油菜轮作的氮肥利用率较高，烤烟—黑麦草轮作的氮肥利用率最低;前

表4 氮素在烟株体内各部位的分布比例

%

处理

根 茎 下部叶 中部叶 上部叶

Ndff% Ndfs% Ndff% Ndfs% Ndff% Ndfs% Ndff% Ndfs% Ndff% Ndfs%

CK 0.00 100.00 0.00 100.00 0.00 100.00 0.00 100.00 0.00 100.00

烤烟—空闲 11.55 88.45 13.45 86.55 19.13 80.87 11.97 88.03 10.94 89.06

烤烟—油菜 15.42 84.58 17.57 82.43 23.93 76.07 18.55 81.45 16.44 83.56

烤烟—小麦 18.41 81.59 21.30 78.70 26.03 73.97 21.07 78.93 19.33 80.67

烤烟—黑麦草 7.24 92.76 8.88 91.12 11.50 88.50 7.76 92.24 7.13 92.87

作、施肥对氮肥利用率的影响均达到了极显著水平。不同轮作方式下不同时期烤烟对氮素肥料的利用率如图2所示。

表5 不同时期烤烟对氮素肥料的利用率

处理

氮素利用率（%）

团棵期 旺长期 现蕾期 成熟期

烤烟—空闲 6.31b 12.66c 18.05c 22.3b

烤烟—油菜 6.61b 13.77b 19.33b 23.04a

烤烟—小麦 7.99a 15.93a 21.42a 23.71a

烤烟—黑麦草 5.75c 11.6d 16.2d 18.11c

3 讨论

在烟草轮作周期中，前作的选择是轮作成败的关键。不同的前作由于生长周期不同、对营养元素的吸收存在差异等因素，导致前作收获后，形成了不同的土壤环境，即茬口特性，作物种类不同，茬口特性的表现不同[7]。从作物与土壤养分关系的角度来看，各类作物对于磷、钾、钙等都是消耗的，但对于氮和碳却有消耗和增加的区别[11]。禾本科作物小麦富碳耗氮，在一般的产量水平下，吸氮量大，导致茬口中土壤氮素亏缺，土壤中残留的氮素较少[12];油菜属于半养地作物，虽然吸收的氮素较多，但返回田地的物质（茎、根茬等）也较多，在一定程度上减少了对养分的消耗，增加了土壤氮素，是较好的前作作物[13];黑麦草对水肥条件敏感，尤其喜氮肥，对氮的消耗量较大，收获后带走的养分也较多，因此，土壤中残留的氮素不多，且营养元素之间不平衡[14]。不同作物残留氮量的不同，主要体现在对烤烟生长的影响上，在不施氮的情况下，总干质量由高到低的顺序依次为小麦>油菜>空闲>黑麦草。

不同的前作下，烤烟对氮肥的吸收利用存在差异。不同前作烟株各部位氮来自肥料的比例有差异，在相同的施肥水平下，烤烟—黑麦草轮作方式下烟株各部位氮来自肥料的比例均较低，氮肥的利用率最低，说明在黑麦草茬口上，烤烟利用的氮肥主要来自于土壤氮。烤烟—小麦轮作方式下，氮肥的增产效应很明显，说明前作为小麦时，种植烤烟时肥料较易调控。轮作方式为烤烟—空闲时，由于肥料残留偏高，通过施肥来进行调控比较困难。笔者之前试验研究得到，在正常降水年份情况下，几种不同轮作方式中以烤烟—油菜轮作方式较好，烤烟—空闲轮作方式较差。但进入2013年5月份以后，由于受到北方冷空气和南方暖湿气流的影响，试验地区出现了历史罕见的连续性大雨、暴雨、特大冰雹以及低温寡照天气，降水较多，气温较低，导致烤烟生育前期气温低，肥料流失严重，并且影响到根系的生长发育，对养分的吸收产生不利影响，特别是对烤烟—黑麦草轮作方式的影响较为突出。4种不同轮作方式处理中氮肥利用率以烤烟—小麦轮作较高，烤烟—油菜轮作和烤烟—休闲轮作居中，烤烟—黑麦草轮作较低。由此得到，在雨水多的年份提倡烤烟—小麦轮作，在雨水少的年份提倡烤烟—油菜轮作比较利于烟株正常生长发育，提高肥料利用率。

不同的轮作方式不仅影响烤烟对氮素的吸收、利用和分布，而且影响烤烟的产量、质量。因此，在烤烟的轮作周期中，要根据前作的茬口特性来选择前作，尽量选用前作肥料残留较少、茬口较好的地块，如小麦田、油菜田等，尽量不要选用肥料残留过多的地块，如空闲田、黑麦草田等。另外，还必须根据前作收获后的土壤肥力特点来确定烤烟的施肥水平，从而实现烤烟的优质生产。此外，由于烤烟属于比较特殊的经济作物，有关不同前作对烤烟生产影响的研究还不够系统、深入[15]。在本研究中，笔者仅研究了不同前作的氮肥效应对烤烟的影响，具体前作的茬口特性是如何影响烤烟的产量、质量的[16]，还缺乏必要的理论支撑，需要进一步深入研究。

参考文献：

[1]晋 艳，杨宇虹，段玉琪，等. 烤烟轮作、连作对烟叶产量质量的影响[J]. 西南农业学报，2004，17（增刊1）：267-271.

[2]靖 华，崔欢虎，王裕智，等. 茬口对不同专用小麦品种产量及个体和群体生长动态的影响[J]. 河南科技学院学报：自然科学版，2006，34（1）：22-25.

[3]宇万太，马 强，张 璐，等. 不同施肥制度下茬口对作物产量增益、土壤养分状况及施肥贡献率的影响[J]. 生态学杂志，2007，26（11）：1798-1803.

[4]杨声澉，陈 涛，吴晓伟，等. 应用15N示踪技术测定作物氮素的利用率及分配研究进展[J]. 广西农业科学，2007，38（3）：291-295.

[5]党廷辉，蔡贵信，郭胜利，等. 用15N标记肥料研究旱地冬小麦氮肥利用率与去向[J]. 核农学报，2003，17（4）：280-285.

[6]徐照丽，杨宇虹. 不同前作对烤烟氮肥效应的影响[J]. 生态学杂志，2008，27（11）：1926-1931.

[7]徐照丽，杨宇虹. 应用15N研究前作施用有机肥对烤烟氮肥效应的影响[J]. 中国农学通报，2007，23（9）：354-357.

[8]陈 萍，李天福，张晓海，等. 利用15N示踪技术探讨烟株对氮素肥料的吸收与分配[J]. 云南农业大学学报，2003，18（1）：1-4.

[9]封幸兵，李佛琳，杨 跃，等. 以15N研究烤烟对饼肥和秸秆肥中氮素的吸收与分配[J]. 华中农业大学学报：自然科学版，2005，24（6）：604-609.

[10]谷海红，刘宏斌，王树会，等. 应用15N示踪研究不同来源氮素在烤烟体内的累积和分配[J]. 中国农业科学，2008，41（9）：2693-2702.

[11]刘巽浩. 耕作学[M]. 北京：中国农业出版社，1996.

[12]金善宝. 中国小麦学[M]. 北京：中国农业出版社，1996.

[13]李淑春，张惠琴，朱贵平，等. 前作油菜对水稻产量及性状的影响[J]. 现代农业科技，2010（5）：34.

[14]朱练峰，江海东，金千瑜，等. 不同粮食和牧草前作对水稻生长、产量和品质的影响[J]. 草业科学，2007，24（1）：63-68.

[15]毛倪寿，杨宇虹，晋 艳，等. 前作的根际物质及根际微生物对烤烟生长的影响研究[J]. 烟草科技，2002（5）：38-39.

[16]王光华，金 剑，潘相文，等. 不同茬口大豆根圈土壤pH值和氮营养分布的变化[J]. 中国油料作物学报，2004，26（1）：55-59.