化学氮肥配施有机肥对烟草品质、氮素吸收及利用率的影响

汤 宏，曾掌权，张杨珠，李向阳，王建伟，刘伦沛，严红光

(1.凯里学院 大健康学院，贵州 凯里 556011；2.湖南省林业科学院，湖南衡山森林生态系统定位观测研究站，湖南 长沙 410004；3.湖南农业大学 资源环境学院，湖南 长沙 410128)

目前，在我国烤烟生产中，存在复种指数高，长期大量单一施用化学肥料，忽视有机肥料施用的现象，造成土壤结构破坏、土壤酸化严重、烟田土壤肥力下降和氮磷钾养分利用率下降等问题，难以满足生产优质烟草所需的土壤环境和营养条件[1-2]。有机肥与化学氮肥配施可以改善土壤环境和营养条件，提高烟草产质量[3-4]。适当配比的有机无机氮素营养是获取优质高产烟叶的必要条件[4]。化学氮肥和有机氮的配比不当均会给烟草的生长和烟叶的产量、质量带来不利影响，降低肥料氮素利用率，造成资源的巨大浪费，还会引起严重的环境问题。因此，研究对于烟草合适的有机无机氮施用量，对提高烟草质量和经济效益，提高氮素利用率及减轻环境污染具有十分重要的意义。关于不同有机无机氮素配比对烟叶化学成分和氮肥利用的影响，不少学者进行了大量的相关研究。研究表明，化肥氮与芝麻饼肥氮配施可以显著提高烟叶中游离氨基酸的含量，以及游离氨基酸占氨基酸总量的比例，无机氮与有机氮为1∶1时为最适比例，促使烟叶化学成分更加协调，提高烟叶品质[5-6]。化肥与有机肥配施可明显提高烟叶中钾、还原糖和总糖的含量，提高糖碱比和氮碱比，降低烟叶中烟碱、总氮和氯离子含量，使烟叶中的化学成分更趋协调[7]。当化肥氮和饼肥氮比例为1∶3时，可降低烟叶焦油含量，烟叶有机酸含量适中且有更好的香气特征[8]。烟草作为贵州省黔东南地区的重要经济支柱，是当地主要栽种的经济作物之一，烤烟生产在促进当地农民增收和脱贫致富中起着重要的作用。在当前复种指数不断提高和烟农普遍追求高产及经济效益的背景下，在烤烟生产中，过量片面施用化学氮肥、不施或少施有机肥的现象极其普遍，造成氮肥利用率下降，烟叶品质下降，烟农不但没有获得好的经济效益，反而增加了生产成本。而在本烟草种植区有关不同量化学氮肥配施有机氮对烤烟品质及氮肥利用率的研究尚鲜见报道。为此，在本地区开展不同量无机氮和有机氮配施的试验研究，探讨适合本烟草种植区适宜的有机和无机施氮量，为促进烤烟栽培过程中减肥降耗和增产提质增效提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验地处云贵高原向湘桂丘陵过渡的斜坡地带，隶属于贵州省黔东南州麻江县龙山镇大塘村，N26°27′，E107°43′，海拔885 m，年降雨量1 200～1 500 mm，相对湿度在80%左右，年平均气温14～16 ℃，无霜期长达270～301 d，属典型的亚热带季风湿润气候区，四季分明、雨量充沛。烤烟是该村主要种植的经济作物之一。

1.2 试验材料

供试烟草品种：云烟87，由贵州省黔东南州麻江县烟草专卖局(烟草公司)提供。

供试肥料：尿素(含N 46.00%)、过磷酸钙(含P2O512.00%)和硫酸钾(含K2O 50.00%)，均购自当地农资公司，有机肥料为菜枯(用M表示)，购自当地榨油厂，菜枯的氮、磷、钾含量分别为45.01，18.79，10.43 g/kg。

供试土壤：试验田土壤类型为中壤质黄壤，试验开始时耕层土壤有机质21.90 g/kg，全氮1.40 g/kg，碱解氮120.00 mg/kg，全磷0.62 g/kg，有效磷20.60 mg/kg，全钾11.10 g/kg，速效钾95.00 mg/kg，pH 值7. 01，阳离子交换量14.00 cmol/kg。

1.3 试验设计

2016年夏秋季在上述试验地点开展此田间试验，试验田前茬作物为夏玉米，冬季休闲。试验田土壤肥力均匀，田间排灌条件良好。田间小区试验设置CK1、CK2、MNiPK(i=0或1或2或3)(其中M表示有机肥)6个不同施肥处理，3次重复，共计18个小区，随机区组排列，小区面积为36 m2，并设置保护行，植烟株距为50 cm，行距为120 cm，每小区种植烤烟50株。本研究中MNiPK(i=0或1或2或3)各处理化学氮肥的施用量不同，化学钾肥、磷肥和有机肥的施用量一致(表1)。CK1处理(空白处理)不施任何肥料，CK2处理仅施有机肥。CK2、MNiPK各处理均按当地有机肥施用习惯和平均施用水平施用，各小区有机肥的施用量和施用方法完全一致。有机肥全部作基肥，在试验田翻耕整地时一次性施用。MNiPK处理各种化学肥料的施用量按表1中所列的量施用，具体施肥方法见表2。磷肥全部作基肥，氮肥和钾肥分基肥和追肥分次施用，氮肥和钾肥的基追比分别为6∶4和4∶6。磷肥和用作基肥的氮肥及钾肥在试验田翻耕整地时一次性施用，追肥分别在烟草移栽后的还苗期和旺长期内分2次施用，追施方法均为灌施，追肥量的15%在烟草的还苗期内追施，剩余的追肥在烟草的旺长期内一次性追施。供试烟苗由当地烟草公司统一提供，烟苗于4月 17日移栽，移栽后田间管理措施均与当地优质烤烟生产所采用的管理措施完全一致。

表1 田间小区试验处理设置和各处理的施肥量Tab.1 Field plot experiment treatments establishment and fertilizer rate of each treatment kg/hm2

表2 不同处理的施肥方法Tab.2 Fertilization method of each treatment

1.4 测定项目及方法

1.4.1 烟株鲜质量和干质量及各器官全氮含量的测定 在每小区中选取长势中等的3株烤烟，用土铲挖取整颗烟株，包括地下整个根系，根据根系实际伸展范围延伸挖坑的大小，做到尽量不伤根，并在土壤中捡尽肉眼可见的根系。将各处理挖好的烟株带回实验室，先用自来水冲洗干净，再用吸水纸吸干水分，然后用剪刀将烟株的根、茎和叶各器官分开，再用电子天平分别称量各器官的质量即为其鲜质量。称质量后的烟叶、茎和根分别放入已烘干并已称质量和编号的牛皮纸袋内，放入已升温至105 ℃的烘箱中杀青30 min，然后在70 ℃下烘干至恒质量，用电子天平称质量即为烟叶、茎和根的干质量。烘干后的烟叶、茎和根分别用植物粉碎机粉碎并过 0.5 mm塑料筛后装于封口袋内备用。烟叶、茎和根的全氮含量及基础土样基本理化性质的测定方法采用《土壤农业化学分析方法》[9]一书中所列方法。

1.4.2 烟叶化学成分分析和感官品质鉴定 抽取各小区烟叶样品，检测其主要化学成分，烟叶总糖和还原糖的测定参考YC/T 159-2002所列方法(还原糖采用沸水浸提-铜还原-直接滴定法测定；总糖采用铜还原-直接滴定法)。烟碱、钾和氯分别按照YC/T160-2002、YC/T 173-2003和YC/T 162-2011中所列标准方法测定，并计算两糖比(还原糖/总糖)、两糖差(总糖-还原糖)、糖碱比(还原糖/烟碱)、氮碱比(总氮/烟碱)和钾氯比(钾/氯)。按照农业农村部烟草产品质量监督检验测试中心备案的方法标准 NY/YCT 008-2002 和YC/T 138-1998对烘烤后的原烟样品进行烟叶感官评吸指标鉴定，按香气质(0.15)、香气量(0.20)、余味(0.25)、杂气(0.18)、刺激性(0.12)、燃烧性(0.05)和灰分(0.05)7项指标及相应权重计算评吸总分。

1.4.3 氮素积累量及氮素利用率等的计算方法[10-11]

氮素积累量(Accumulation amount of applied N，AAN)(kg/hm2)= 烟叶氮素积累量+茎氮素积累量+根氮素积累量= 烟叶含氮量×烟叶干质量+烟茎含氮量×烟茎干质量+烟根含氮量×烟根干质量；

氮肥吸收利用率(Utilization efficiency of applied N，UEN)=(施氮区植株氮素积累量-空白区植株氮素积累量)/施氮量×100%；

氮肥农学利用率(Agronomic efficiency of applied N，AEN)(kg/kg)=(施氮区烟叶产量-空白区烟叶产量)/施氮量；

氮肥偏生产力(Partial factor productivity from applied N，PFPN)(kg/kg)= 施氮区烟叶产量/施氮量；

氮肥生理利用率(Physiological efficiency of applied N，PEN)=(施氮区烟叶产量-空白区烟叶产量)/(施氮区地上部分吸氮量-空白区地上部分吸氮量)×100%；

氮素吸收速率(Uptake rate of applied N，URN)(kg/(hm2·d))=植株氮素累积量/全生育期天数；

氮收获指数(Harvest index of applied N，HIN)= 烟叶氮积累量/植株氮积累量×100%。

1. 5 数据处理与统计分析

试验数据先用Excel 2010办公软件进行整理，再用SPSS 23.0统计软件对数据进行统计分析。方差分析多重比较采用最小显著差异法(LSD法)。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对烟叶化学成分的影响

表3显示，各处理烟叶随施氮量增加，烟碱、蛋白质和总氮的含量呈逐渐增加的趋势，CK1处理烟叶烟碱、蛋白质和总氮含量最低，其中蛋白质和总氮含量显著低于其他处理(P<0.05)，CK2处理烟叶蛋白质和总氮含量次低；烟叶中总糖、还原糖和钾的含量以MN2PK处理最高，以CK1处理最低，且显著低于MNiPK处理(i=0或1或2或3)(P<0.05)。烟叶中氯离子的含量以CK1最高，以MN2PK处理最低。各处理烟叶糖碱比和糖氮比以CK1处理最高，氮碱比以CK1和MN2PK处理(有机氮占45.77%)最高，钾氯比以CK1处理最低，MN2PK处理最高；与CK2处理比较，MN1PK处理烟叶的总糖、还原糖、烟碱、蛋白质、总氮、含钾量、糖碱比、氮碱比、两糖差和钾氯比分别增加了8.57%，4.67%，1.63%，6.43%，5.82%，8.34%，2.89%，3.41%，34.11%，8.87%，含氯量、糖氮比和两糖比分别降低了0.36%，1.32%，3.45%；与CK2处理比较，MN2PK处理烟叶的总糖、还原糖、烟碱、蛋白质、总氮、含钾量、糖碱比、氮碱比、两糖差和钾氯比分别增加了14.18%，9.66%，5.80%，12.34%，11.79%，19.08%，3.35%，5.68%，44.15%,28.90%，含氯量、糖氮比和两糖比分别降低了8.19%，2.13%，4.60%；与CK2处理比较，MN3PK处理烟叶的总糖、还原糖、烟碱、蛋白质、总氮、含钾量、两糖差和钾氯比分别增加了13.03%，8.26%，17.63%，19.83%，16.41%，17.12%，44.48%,21.45%，含氯量、糖碱比、氮碱比、糖氮比和两糖比分别降低了3.56%，8.31%，1.14%，7.19%,4.60%。

2.2 不同施肥处理对烟叶评吸质量的影响

对烘烤后不同处理烟叶的评吸品质品鉴表明(表4)，MNiPK处理的评吸品质明显优于CK1和CK2处理；所有处理烟叶中，评吸品质最好的是MN2PK处理，其次是MN3PK处理(有机氮36.00%)，其得分分别为82.01和81.03；评吸品质最差的是CK1处理，其次是CK2处理，得分分别为73.25和76.49。仅施有机肥处理和不施肥处理，烟叶的评吸品质都较差，有机肥和化学肥料配施的各处理烟叶的评吸品质都较好，尤以MN2PK和MN3PK处理较为突出，以MN2PK处理最为突出。

表3 不同施肥处理烟叶的主要化学成分Tab.3 Main chemical contents of flue-cured tobacco under different fertilizer treatments

注：表中所有数据为平均值±标准差；同列数字后不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。表4-6同。

Note：Values are means±standard error; Different lowercase letters in each column indicate significant difference between different treatments at 0.05 level.The same as Tab.4-6.

注：香气质：<7 为较差，9～7 为中等，12～10 为较好，15～13 为好； 香气量：<9 为较少，9～11 为有，12～14 为尚足，15～17 为较足，18～20 为足；余味：<10 差，10～13欠适，14～17 尚舒适，18～21 较舒适，22～25 为舒适； 杂气：<7 重，7～9 略重，10～12 有， 13～15较轻，16～18 微有； 刺激性：<5大，5～6 略大，7～8 有，9～10 为微有、有，11～12 为轻；燃烧性：0熄灭，2 较差，3 中等，4 较强， 5 为强；灰色：<2 为黑灰，3 为灰白，5 为白色。

Note:Smoke quality: <7 bad, 9-7 medium, 12-10 good,15-13 better; Smoke amount: <9 much little, 9-11 a little, 12-14 less more, 15-17 more,18-20 much; Lasting smoke: <10 uneasines, 10-13 less easiness, 14-17 little easiness, 18-21 a little easiness, 22-25 easiness;Foreign smoke: <7 heavier, 7-9 less heavy, 10-12 a little, 13-15 little,16-18 Les; Stimulation: <5 big, 5-6 less big, 7-8 a little, 9-10 little, 11-12 less; Combustibility: 0 flameou, 2 bad, 3 medium, 4 good,5 better; Grey: <2 black, 3 grey, 5 white.

2.3 不同施肥处理对烟草氮素积累量及氮素利用率的影响

从烟株的氮素吸收量来看，随着施氮量的增加，各处理烟株总吸氮量逐渐增加(表5)。各化肥与有机肥配施处理吸氮量显著高于CK1和CK2处理(P<0.05)，MN3PK处理吸氮量最高，为93.28 kg/hm2，CK1处理吸氮量最低，为26.55 kg/hm2，MN2PK处理吸氮量较CK1处理增加64.02 kg/hm2，较CK2处理增加33.86 kg/hm2，MN3PK处理较CK1和CK2处理吸氮量提高最多，分别达到66.73，36.57 kg/hm2。化学氮肥与有机肥配施不仅影响烟株各器官对氮素的吸收量，同时也影响氮素在各器官中的分配，各处理烟叶吸氮量明显高于茎和根，氮素在根、茎、叶中分配率差异明显，表现为叶>茎>根。

各化学氮肥与有机肥配施处理中，MN2PK处理烟株的氮肥利用率、氮肥农学利用率和氮肥生理利用率均显著高于MN1PK和MN3PK处理(P<0.05)(表6)，其值分别为27.17%，3.83 kg/kg，15.83%；MN2PK处理烟株的氮肥利用率和氮肥生理利用率较MN1PK处理分别提高2.99,2.60百分点，和MN3PK处理比较，分别提高4.54,5.07百分点，MN2PK处理烟株的氮肥农学利用率较MN1PK和MN3PK处理分别提高1.16，2.25 kg/kg；MN1PK处理烟株的氮肥偏生产力和氮收获指数均高于MN2PK和MN3PK处理，其值分别为34.59 kg/kg和68.99%；MN3PK处理烟株氮素积累量和氮素吸收速率均高于MN1PK和MN2PK处理，其值分别为93.28 kg/hm2和0.83 kg/(hm2·d)。

表6 不同施肥处理肥料氮的表观利用率Tab.6 Utilization efficiency of fertilizer-N under different fertilizer treatments

注：MN1PK、MN2PK和MN3PK处理的氮肥利用率、氮肥农学利用率和氮肥生理利用率是以MN0PK为对照计算得到。

Note：UEN，AEN，PEN of MN1PK，MN2PK and MN3PK were calculated with MN0PK as control.

3 讨论与结论

3.1 不同量化学氮肥配施有机肥对烟叶化学成分的影响

氮素是影响烟草生长发育和烟叶质量的重要营养元素之一。有机无机氮配施有利于烟叶中干物质积累和烟株根系的发育，并对生长后期烟叶中叶绿素的降解及烟叶成熟落黄有较好的作用，并使烟叶化学成分更加协调[12]。研究表明，烟叶中烟碱等含氮化学物质含量的高低受总施氮量和有机肥的影响，有机肥的影响弱于施氮量，且只在施氮量较低时影响明显[13]，施用有机肥可以降低烟叶烟碱和总氮含量[3]，可能的原因是有机肥抑制了烟株根系的活力，降低了其合成烟碱的能力[14]。本研究中，CK2所施氮全为有机氮且总施氮量较低，烟叶中烟碱和总氮含量显著低于MN2PK和MN3PK处理(P<0.05)，低于MN1PK处理。一般烤后烟叶中烟碱含量在2%～3%为宜，以2.5%为最佳[15]。MN2PK和MN3PK处理烟叶表现较好。优质烟叶氮碱比的适宜范围是0.8～0.9[15]，有机无机氮配施处理中，随有机氮比例的增加，氮碱比有增加的趋势，CK2和MN3PK处理烟叶氮碱比值较好。有机无机配施可以提高烟叶中总糖和还原糖的含量[16]，还原糖能够消除蛋白质燃烧时产生的不良气味，有平衡烟叶质量的作用，含量一般在16%～22%为宜，总糖含量一般在20%～24%为宜[15]。本研究中有机无机氮配施的MN1PK、MN2PK和MN3PK处理烟叶总糖含量均高于MN0PK、CK1和CK2处理，以MN0PK、CK1和CK2处理表现较好。优质烟叶糖碱比的适宜范围是8～10[15]，随有机氮比例的增加，糖碱比总体呈增加的趋势，其中MN3PK烟叶糖碱比没有在此范围。饼肥氮和化肥氮配合施用，均衡供应生育期的营养，影响烤烟叶片的生理生化特性，调节烤烟碳氮代谢强度，可以降低氮磷钾在茎秆中的含量，明显提高烤烟叶片中磷钾含量、降低根系氮素营养的分配比例，提高烟叶品质[17]。本研究中MN1PK、MN2PK和MN3PK处理烟叶钾含量高于MN0PK处理，显著高于CK1和CK2处理(P<0.05)。有机氮和化肥氮配合施用可以降低烟叶氯含量，钾氯比影响烟叶的燃烧性，优质烟叶中其值应大于4，各处理中以MN2PK处理表现较好。

有机氮素和无机氮素及其配施比例影响烟叶化学成分，但其具体比例目前尚没有较为一致的结论[18]。刘添毅等[19]研究表明，在所施用的氮中当有机氮占25%时，可促进烟株增加对磷和钾等养分的吸收，提高烟叶中各种化学物质的含量。石贤吉等[16]发现，有机无机氮质量比为2∶3时，可明显改善烟叶的主要化学成分，使各化学成分更协调。也有研究表明，当有机无机氮质量比为1∶1时，烟株长势较好，抗病性强，明显提高烟叶香气总量，化学成分更趋协调，质量最高，效益最佳[3，20]，但烤烟品质并不随有机肥用量增加而进一步提高。本研究中，有机肥配施不同量化学氮肥对烟叶化学成分含量产生重要影响，以有机氮占比为45.77%的MN2PK处理表现较好，烟叶中各化学成分更趋协调。

3.2 不同量化学氮肥配施有机肥对烟叶评吸质量的影响

化学肥料与有机肥配施，其中有机肥具有养分全面和肥效持久等许多化学肥料不具有的特点，因有机肥富含糖类、蛋白质、可溶性有机碳和氨基酸等小分子营养物质，为土壤微生物的快速生长和繁殖提供高效营养物质，从而改善土壤环境，促进烟株根系发育[21]，同时也为烟株的整个生育期生长提供足够的养分，平衡协调生育期间烟株的碳氮代谢，促进烟叶中致香物的合成与积累[22]，而碳氮代谢的协调与否会影响烟叶香吃味[23]，对烟叶评吸质量产生重要影响。化学氮肥配施有机肥对烟叶的评吸质量产生重要影响。研究表明，有机无机肥配施可以提高烟叶的香气、改善气味[24]，对烟叶形成良好的评吸质量起到重要作用[25]。代超[26]研究表明，化学肥料配施饼肥可以增加烟叶中致香物质成分的数量，协调烟叶内部化学成分和致香成分的含量，饼肥施用极大地影响烟叶中氨基酸的含量，烟叶的香气量、劲头得分与氨基酸含量呈正相关，而香气质、刺激性和杂气与其呈负相关。郑武等[27]研究表明，施用有机肥可增加烟叶中特征致香物质的含量，使烟叶的吸食质量提高。本研究中，有机无机配施的各处理烟叶相比CK1和CK2处理评吸质量都较好，以MN2PK和MN3PK处理较为突出，主要表现在刺激性和杂气的有效降低，香气质和香气量的提升，燃烧性的增强以及余味愈加绵长。

3.3 不同量化学氮肥配施有机肥对烟草氮素积累量及氮素利用率的影响

研究表明，烟叶氮含量和积累量随施氮量的增加而增加，磷钾含量和积累量则随施氮量增加呈先增加后降低的变化趋势[28]。一般而言，氮素在各器官的分配比例受施氮总量和肥料种类的影响较小，且无明显规律，叶中含氮量所占整株烟株比例明显高于根和茎所占比例[29]。张翔等[30]研究表明，不同处理烟株吸氮量表现为：有机无机配施处理>单施有机肥处理>不施肥处理(P<0.05)，氮在烟株根、茎和叶各器官的分配顺序：叶>茎>根，且叶中氮的吸收量大于茎和根吸收量之和。其可能的原因是不同的氮素形态和氮素水平影响烟株体内碳氮代谢关键酶的活性[31-32]，从而影响各器官氮素的吸收、积累和分配[33-34]。本试验条件下，各处理烟株的叶、茎和根各器官氮素吸收量的大小关系均表现为：叶>茎>根，氮素在叶、茎和根各器官中的分配率大小关系均为：叶>茎>根，有机无机配施处理烟株氮素吸收总量显著高于CK1和CK2处理(P<0.05)，以MN3PK处理最高。

肥料氮素利用率主要受肥料种类、供氮水平、土壤条件和田间管理等因素的影响。合理施肥能够提高肥料氮的利用效率，降低氮的损失，对提高和保持土壤肥力具有重要作用[35]。化学肥料养分含量高释放快，短时间内可迅速增加土壤速效养分含量，有效提高土壤供肥强度；而有机肥养分全面释放慢，主要改善土壤养分库容，提高土壤供肥容量；有机无机肥配施，实现优势互补，提高了作物对肥料养分的利用率[36-37]。研究表明，有机无机肥配施可有效提高烟草对氮磷钾等养分的累积与利用率[38]。魏静等[39]研究表明，有机无机配施不仅可提高作物产量和具有高的养分利用率，还可有效防止肥料损失而污染环境。本试验表明，有机无机配施的MN1PK、MN2PK和MN3PK处理中，氮肥利用率、农学利用率和生理利用率以MN2PK处理烟株最高，分别为27.17%，3.83 kg/kg，15.83%，氮素吸收速率以MN3PK处理烟株最高为0.83 kg/(hm2·d)。

化学氮肥配施有机肥(有机氮占36.00%～45.77%)可提高烟叶两糖含量和钾含量，降低氯含量，提高钾氯比和两糖差，使各化学成分之间的比例更为协调；可有效降低烟叶刺激性和杂气，提升香气质和香气量，增强燃烧性以及余味舒适愈加绵长，提高烟叶的评吸质量；可协调供应烟草生长期间所需氮素营养，增加烟株氮的吸收量，提高肥料氮的利用率；在本试验条件下，综合分析各处理对烟叶化学成分、评吸质量和氮利用率的影响，各处理中以有机氮占45.77%的处理表现较好，黔东南烟草种植区推荐使用有机氮占总施氮量的适宜比例为36.00%～45.77%。建议在本烟区推广应用，同时可为相近地区烟草施肥提供参考。