相同碳氮比不同有机物料矿化1 a对烤烟生长及品质的影响

李　影，张　弘，张玉军，姜桂英*，朱金峰，刘世亮*，申凤敏(.河南农业大学 资源与环境学院，河南 郑州 45000； .河南省漯河市烟草公司，河南 漯河 46000)

烟草是我国重要的经济作物，同时也是对肥料比较敏感的作物。在环境和品种一定的条件下，施肥是调控烟叶产量和品质的核心[1]。近年来，我国植烟地区重施化肥轻施有机肥，致使土壤质量下降，碳氮比失调，难以供应烤烟生长所需的充足营养，从而使产量和品质下降[2-3]。大量研究表明，施用有机物料可以为烟草提供养分，改善土壤物理环境，促进土壤微生物繁殖，改善烤烟的产量与品质[4-6]。刘雪琴[7]研究表明，化肥与玉米秸秆配施能提高烤烟的株高、叶片数、茎围和叶面积。赵殿峰[8]发现，施用适量的生物炭可显著提高烟叶的硝酸还原酶活性和淀粉酶活性。也有研究表明，添加腐熟麦秸秆能提高烟叶的磷、钾含量[9]。王树会等[10]研究发现，化肥与猪粪配施可明显提高烟叶中的总糖、还原糖、钾含量及糖碱比，同时降低烟叶中的烟碱和氯离子含量，从而使烟叶中的化学成分更加协调。宋鹏飞等[11]研究发现，增施不同有机物料处理的烤烟烟叶中性致香物质总量和类西柏烷类香气物质含量明显提高。

烤烟的碳氮代谢是基本的代谢过程，优质烟叶生产需要碳氮代谢之间的平衡和协调，碳氮比可作为衡量烟叶碳氮代谢协调程度和烤烟香吃味优劣的理想指标[12-13]。在以往的研究中，有关不同有机物料对烤烟碳氮比的影响研究较少，但采用有机物料调节土壤碳氮比的研究也有报道。李雪利等[13]研究发现，烤烟适宜生长的土壤碳氮比为24～28。张弘等[14]调节土壤碳氮比为25，研究了在相同碳氮比下不同有机物料对烤烟生长发育的影响，结果发现，添加生物炭能够提高烤烟的碳氮代谢，协调烟叶化学成分，改善烤烟品质。潘剑玲[15]研究发现，高碳氮比秸秆与鸡粪配合施用可以提高作物产量，还可降低氮素损失风险。然而，不同有机物料在相同碳氮比下经过自然矿化后对土壤碳氮比和烤烟生长的影响鲜有报道。鉴于此，以2015年添加不同有机物料(猪粪、玉米秸秆、生物炭)调节相同碳氮比条件下的黄褐土为基础，研究不同有机物料在相同碳氮比条件下经1 a自然矿化和化肥配施对烤烟生长发育及品质的影响，以筛选适宜豫中烟区能够协调土壤碳氮比与烤烟碳氮代谢的有机物料种类，从而促进烤烟生长，提升烤烟品质。

1　材料和方法

1.1　试验材料与设计

2015年5月，取河南省漯河市典型烟草种植区连作10 a的土壤(土壤类型为黄褐土)至河南农业大学网室，选用高33.5 cm、口径32.5 cm、底径25.5 cm的 PV盆，每盆装土25 kg。根据不同有机物料(猪粪、玉米秸秆、生物炭)的C、N含量，土壤C、N含量以及每25 kg土壤施纯氮3.5 g，计算出每25 kg土壤调节碳氮比为25∶1所需的有机物料量，将土壤和相应的有机物料称质量后混合装盆。其中，土壤有机碳、全氮含量分别为16.56、1.72 g/kg，玉米秸秆碳和氮的含量分别为444.50、5.24 g/kg，猪粪碳和氮的含量分别为763.00、20.90 g/kg；生物炭碳和氮的含量分别为586.10、12.50 g/kg。玉米秸秆粉碎(长度<5 cm)后施入土壤，猪粪与生物炭则直接添加到土壤中。

根据以上的计算结果，试验共设置4个处理：(1)对照，不添加有机物料(TCK)；(2)玉米秸秆处理(TS)，每盆添加2 390 g玉米秸秆；(3)猪粪处理(TM)，每盆添加3 100 g猪粪；(4)生物炭处理(TB)，每盆添加2 740 g生物炭。将土壤和相应的有机物料混合装盆后，经过1 a自然矿化，2016年烟苗移栽前各处理的土壤养分含量见表1。每盆添加尿素(纯氮含量46%)0.78 g、Ca(H2PO4)22.91 g、K2SO42.44 g。供试烟苗品种为中烟100，4月10号进行移栽，每盆种植烟苗1株，9月10号采收。烟苗移栽后进行统一试验管理，每2 d浇一次水，每个处理重复15次，共计60盆。分别在烤烟移栽后的30、45、60、75、90 d破坏性取样3盆。

1.2　样品采集与测定

于烟苗移栽后30、45、60、75、90 d，每个处理选取长势一致的烟株3株，测定株高、叶长、叶宽、有效叶数和茎围，根据公式计算叶面积叶面积=叶长×叶宽×0.634 5[16]；鲜烟叶放入冰盒，立即带回实验室进行酶活性的测定，硝酸还原酶、淀粉酶、转化酶活性分别采用磺胺比色法(活体法)[17]、3,5-二硝基水杨酸法[18]、3,5-二硝基水杨酸法[18]测定；其余烟叶放入烘箱中105 ℃杀青，60 ℃烘干后，测定烟叶全氮、全磷、全钾含量，植株的全氮含量采用凯氏定氮法，全磷含量采用钒钼黄比色法，全钾含量采用火焰光度计法测定[19]。

表1　各处理土壤养分含量

烟叶成熟期采收的烟叶均分别挂牌绑秆装入同一烤房烘烤，烘烤过的烟叶按照上、中、下3个部分分类，挑选烟叶等级相近的烟叶粉碎后过0.2 mm筛，保存供检测烤后烟叶常规化学成分和香气物质含量。其中，各处理不同部位的烟叶首先严格按照我国的烟叶分级标准[20]进行分级再进行取样，上部叶取上橘二(B2F)，中部叶取中橘三(C3F)，下部叶取下橘二(X2F)。烟叶总糖、还原糖、烟碱、钾、氯等常规化学成分含量按照王瑞新等[21]的方法测定；同时选取中部叶(C3F)中性致香物质成分在国家烟草栽培生理生化研究基地采用固相微萃取顶空取样和气相色谱-质谱法(GC-MS)进行分析，具体操作参照刘世亮等[22]的方法。

1.3　数据处理

使用DPS 7.05软件，采用Duncan’s新复极差法比较不同处理间各种指标的差异；使用OriginPro 8.5进行相关数据的统计分析和制图。

2　结果与分析

2.1　不同处理对烤烟农艺性状的影响

由表2可以看出，各处理在移栽后60 d以前呈快速生长的趋势。移栽后30 d，TS处理烟株的株高、叶宽、叶数、叶面积均表现出明显优势；移栽后45 d，TB处理烟株叶长显著高于TS、TCK处理；移栽后60 d，TS、TB处理烟株株高、有效叶数显著高于其他处理；移栽后75 d，TS、TB处理烟株株高显著高于其他处理；移栽后90 d，TS、TB处理烟株株高显著高于其他各处理。总体来说，TS、TB处理烟株的农艺性状在生长过程中表现出明显优势。

表2　不同处理移栽后不同时间烟株的农艺性状

注：同列不同小写字母表示同一时间不同处理在5%水平上差异显著。

2.2　不同处理对烤烟代谢酶活性的影响

硝酸还原酶是一种诱导酶，其活性大小能够反映植物的氮代谢强度，同时也反映植株对土壤氮素的吸收速率[23]。图1A显示，移栽后30～60 d，各处理烟叶的硝酸还原酶活性呈先下降后上升的趋势。移栽后30 d，各处理间无显著差异；TM处理硝酸还原酶活性最高[40.51 mg/(g·h)]；移栽后45 d，TM处理显著高于其他处理；移栽后60 d时，TS、TCK处理显著高于其他处理。移栽后60～90 d，各处理烟叶的硝酸还原酶活性均呈先升高后下降趋势。移栽后75 d，TCK处理显著低于其他处理；移栽后90 d，TCK处理显著高于其他各处理。说明烤烟在生长前期主要是氮代谢，移栽75 d之后，氮代谢强度逐渐下降。以上结果表明，猪粪处理的烟株在移栽后45 d前叶片硝酸还原酶活性均最高，对烤烟生长前期氮代谢的促进作用较强。

转化酶参与烤烟碳的代谢与转化，是衡量碳代谢的指标[24]。由图1B可知，各处理烟叶的转化酶活性在整个生育期呈现先升高后下降的趋势，且各处理间无显著差异。移栽后60 d，各处理烟叶的转化酶活性达到最大，说明移栽60 d之后，烤烟可能由氮代谢逐渐进入碳代谢。

淀粉酶活性影响烟叶中淀粉的积累量，其活性高低影响烟叶的生长和品质指标形成所需碳源的供应能力[24]。图1C显示，各处理烟叶的淀粉酶活性均呈先升高后下降的趋势。移栽后30 d，TCK、TM处理显著高于TS处理；移栽后45 d，TB处理淀粉酶活性最高，达到8.01 mg/(g·min))，显著高于其他各处理；移栽后60 d，TCK、TS、TB处理显著高于TM处理；移栽后75 d，各处理间无显著差异；移栽后90 d，TCK、TB处理显著高于其他处理。说明烟株进入旺长期后，烤烟的碳代谢强度逐渐增大，其中，TB处理对烤烟移栽后45 d叶片淀粉酶活性的促进效果较为显著，而CK烤烟移栽后90 d的叶片淀粉酶活性较高。

不同小写字母表示同一时间不同处理在5%水平上差异显著，下同

2.3　不同处理对烤烟烟叶全氮、全磷、全钾含量的影响

图2A显示，烤烟叶片全氮含量在整个生育期呈下降—升高—下降的趋势。移栽后30 d，各处理烟叶全氮含量最高，其中，TCK、TS、TM处理烟叶全氮含量显著高于TB处理，但这3个处理之间差异不显著；移栽后45～60 d，各处理烟叶全氮含量略有升高；移栽60 d之后，各处理烟叶全氮含量呈下降趋势，说明烤烟由氮代谢转为碳代谢。移栽后75 d，TB处理显著高于其他各处理；移栽后90 d各处理间无显著差异。整体来看，玉米秸秆处理显著提高了烤烟生长45 d时对氮素的吸收，而生物炭则显著提高了烤烟生长75 d时对氮素的吸收。

磷对烟株生长的影响是缩短烟株达到成熟的时间[16]。由图2B显示，烤烟叶片全磷含量在团棵期(移栽后30 d)后呈急剧下降的趋势。移栽后30 d，TM处理烟叶全磷含量最高(3.46%)，显著高于TCK、TB处理；移栽后60 d，TB处理显著高于其他各处理；移栽后45、75 d时，TS、TM处理烟叶全磷含量略高于其他处理。团棵期后烟叶全磷含量急剧下降有可能是因为烟叶生长的稀释作用，具体原因还待进一步研究。

钾是烟株吸收最多的一种营养元素，也是烤烟的品质元素[25]。由图2C可知，各处理烟叶钾含量随烟株生长总体呈先下降后略有上升的趋势。移栽后30 d，TS处理显著高于TCK处理；移栽后45 d，TS、TB处理显著高于TCK处理；移栽后60 d，TB处理显著高于其他各处理；移栽后75～90 d，TM处理显著高于其他处理。总体来说，烤烟生长前期(移栽后60 d以前)，玉米秸秆、生物炭处理烤烟叶片钾含量较高；旺长期以后(移栽60 d以后)，猪粪处理烤烟叶片钾含量较高。烤烟生长后期对钾元素需求较大，因此，猪粪处理对提高烤烟后期烟叶钾含量效果显著。

图2　移栽后不同时间各处理烤烟烟叶全氮、全磷、全钾含量

2.4　不同处理对烤后烟叶主要化学组成的影响

烟叶主要化学成分及其比值是评价烟叶品质的重要指标[16]。由表3可以看出，TCK、TM处理烤后烟叶的总糖含量显著高于TS、TB处理；TM处理烤后烟叶的氯含量最低，与其他处理差异显著；TS处理烤后烟叶钾含量最高，显著高于TCK、TM处理。糖碱比是评价烟叶香吃味和劲头的基础，以8～10为宜；还原糖/总糖≥0.9为宜；钾氯比以>4为宜[16]。由表3可见，TS处理烤后烟叶的还原糖/总糖、糖碱比和钾氯比均达到了优质烟叶指标。总体来看，TS处理烤后烟叶的化学成分更加协调。

表3　不同处理烤后烟叶(C3F)的主要化学成分含量

注：同列不同小写字母表示差异达5%显著水平。

2.5　不同处理对烤后烟叶中性香气组成的影响

作为评定烟叶及其制品品质的重要指标，烟叶香味是多种微量致香物质共同作用的结果。烟叶中的中性致香物质成分复杂，按香气前体物质可分为类胡萝卜素类、苯丙氨酸类、类西柏烷类、棕色化产物类四大类[26]，本试验测定的致香物质还有新值二烯和其他类，烟叶燃烧时，新植二烯不但能够促进其他香气物质进入烟气，而且其自身也能够进入烟气并减轻烟气刺激性，提高烟气醇和度[27]。由表4可知，TS处理烤后烟叶的类胡萝卜素类(37.94 μg/g)、苯丙氨酸类(17.68 μg/g)和类西柏烷类棕色化反应产物(59.62 μg/g)含量较高，TS、TB处理烤后烟叶的新值二烯及其他类致香物质含量较高。总体来看，各有机物料处理烤后烟叶的致香物质总量均高于对照，其中，TS、TB处理的致香物质总量较高，分别达到191.42、178.27 μg/g。可见，施用玉米秸秆和生物炭显著提高了烤后烟叶的致香物质总量。

表4　不同处理烤后烟叶(C3F)的中性香气组成　μg/g

3　结论与讨论

不同有机物料经1 a自然矿化后，因自身特性不同会对土壤碳氮比和烤烟生长产生不同的影响。陈玉国等[28]研究了有机、无机肥配施对烤烟生长与品质的影响，结果发现，配施腐熟的牛粪能够改善烟株的农艺性状，这与本研究结果不一致，本研究中氮肥配施玉米秸秆和生物炭显著提高了烤烟的农艺性状，而配施猪粪效果则相对较差。这可能是因为猪粪经过1 a自然矿化后肥效发生改变，满足不了烤烟生长所需要的充足营养。陈红丽[9]通过大田试验和盆栽试验发现，添加腐熟麦秸秆能够提高烟叶碳氮代谢过程中硝酸还原酶、转化酶、淀粉酶的活性，但不改变烟草碳氮代谢的转换时间，烤烟基本在打顶后由氮代谢转入碳代谢。李雪利[29]研究发现，提高土壤的碳氮比可以不同程度地提高烟叶硝酸还原酶、转化酶、淀粉酶的活性。而本研究结果表明，玉米秸秆和猪粪矿化后的碳氮比均较低，其中，玉米秸秆处理对烤烟叶片硝酸还原酶活性提高无显著作用，而猪粪处理则显著提高了烤烟移栽后45 d叶片硝酸还原酶活性，这可能是因为猪粪养分矿化速度比玉米秸秆较快，提高了烟草生长前期氮代谢强度，从而提高了硝酸还原酶活性；对照、生物炭处理分别提高了烤烟移栽后45、90 d的叶片的淀粉酶活性。这可能与不同有机物料经自然矿化后土壤碳氮比变化有关，猪粪处理土壤碳氮比为14.75，而生物炭处理和对照的土壤碳氮比分别为19.80和17.17，可能高碳氮比条件下能提高烤烟叶片的淀粉酶活性。

不同有机物料不仅对烤烟碳氮代谢关键酶活性有影响，对烟叶氮、磷、钾含量也有一定影响。张弘等[14]2015年的盆栽试验结果显示，猪粪处理显著提高了烤烟的氮、钾含量，玉米秸秆处理提高了烤烟生长前期烟叶的磷含量。这与本试验结果不一致，本试验中玉米秸秆处理显著提高了烤烟移栽后45 d的烟叶氮含量，而生物炭处理则显著提高了烤烟移栽后75 d的烟叶氮含量。这可能是因为玉米秸秆在烤烟生长前期自身矿化促进了烟叶对氮的吸收，而生物炭具有吸附作用，减少了土壤后期氮素的淋失，促进了烤烟后期对土壤氮素的吸收；猪粪则促进了移栽后75 d烤烟对钾的吸收，这与张弘等[14]的研究结果一致。

谢莉[30]通过大田试验研究发现，施用猪粪和秸秆可以提高烤后中部叶的总糖、还原糖含量，降低烟叶氯含量和糖碱比，使烟叶化学成分更加协调。也有研究发现，生物炭与无机肥料混合施用提高了中部叶的还原糖、总糖含量，但对烟碱和钾含量没有显著影响[31]。本研究中，猪粪处理较其他处理显著降低了烤后烟叶的氯含量；玉米秸秆处理较其他处理提高了烤后烟叶的钾含量，虽然该处理的总糖含量低于其他处理，但其还原糖/总糖、糖碱比和钾氯比值均达到了优质烟叶标准，化学成分相对较协调；对照的总糖和还原糖含量较高。这可能是因为烟草生长中碳代谢的主要产物包括淀粉、总糖和还原糖[9]，对照显著提高了烟叶生长后期的淀粉酶活性，因而提高了烟叶碳代谢强度，进而提高了烟叶中总糖和还原糖含量。本研究各有机物料处理烤后烟叶的化学成分均未达到优质烟叶标准，主要是因为盆栽试验条件与大田有一定差距，但各处理间表现出了差异，生物炭处理改善烤烟化学成分协调性的效果较差可能与自身养分矿化特点和烟叶生长品质的外部环境有关。

烟草品质的优劣很大程度上取决于烟叶中的香味。烟叶香气是评价烟叶内在质量的主要指标之一，烟叶的香气质和香气量与致香物质含量呈正相关性[32]。张园营等[33]研究表明，生物炭与化肥配施能提高烤后烟叶类胡萝卜素类、棕色化反应产物等中性致香物质含量。曾宇等[34]通过大田试验，研究了腐熟小麦秸秆用量对烤烟产质量的影响，结果发现，秸秆处理的烤后烟中部叶棕色化反应产物、新植二烯和苯丙氨酸类降解产物含量均随着秸秆用量的增加而提高，这与本研究结果一致。本研究结果显示，玉米秸秆、生物炭处理较对照和猪粪处理明显提高了烤后中部叶的致香物质总量。结合烤后烟叶的化学成分可见，添加猪粪矿化后对烤烟品质提升没有显著作用。李雪利等[13]研究发现，随着土壤碳氮比的增加，中性香气物质总量提高。本试验中，猪粪、玉米秸秆处理矿化1 a后的土壤碳氮比虽然较其他处理低，但由于2种有机物料本身化学成分的差异，猪粪处理矿化1 a后土壤全氮、碱解氮含量明显低于玉米秸秆处理，而烤烟对土壤氮素含量反应较敏感，且不同有机物料矿化过程中养分释放的速率和成分不同可能也会影响各自对烟草生长的影响。

综上，在豫中烟区，不同有机物料经过1 a自然矿化对土壤碳氮比和烤烟的生长代谢与品质均产生了不同的影响。对照和生物炭处理的土壤碳氮比较高，而玉米秸秆和猪粪处理的土壤碳氮比较低。玉米秸秆和生物炭处理提高了烤烟的农艺性状；玉米秸秆处理提高了烤烟生长前期(移栽后45 d)的烟叶氮含量，而猪粪处理则显著提高了烟草生长中后期(移栽后75 d)的烟叶钾含量。从烤烟的品质来看，添加玉米秸秆处理烤烟中部叶化学成分更加协调，玉米秸秆和生物炭处理提高了烤烟的致香物质总量。

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4）推进节能工作深入开展的需要。随着一些投入少、见效快的节能项目大量实施，企业内部挖潜难度加大；同时，部分所属单位受到投资规模、技术认知限制，导致资金、技术、管理的不足，节能工作遇到了瓶颈。如何打破僵局，开拓节能管理新模式，推进节能工作持续、深入开展，是亟待突破的课题。

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