添加外源碳对植烟土壤供氮能力及烟叶质量的影响

李青山，彭玉龙，张玉琴，张本强，万 军，王德权，王 刚，王慎强

（1. 安庆师范大学 资源环境学院，安徽 安庆 246133；2. 中国科学院 南京土壤研究所/土壤与农业可持续发展国家重点实验室，江苏 南京 210008；3. 贵州省烟草公司遵义市公司，贵州 遵义 563000；4. 威海市农业科学院，山东威海 264200；5. 山东中烟工业有限责任公司，山东 济南 250100；6. 山东潍坊烟草有限公司，山东 潍坊 261205）

烟草作为我国的重要经济作物，种植面积大且覆盖区域广，烟草产业的健康发展对促进我国经济发展极其重要，也对偏远地区农业农村发展和乡村振兴战略实施具有重大意义[1]。氮素对烤烟烟叶产量和质量的影响显著大于其他营养元素[2-4]，氮素供应不足或过多都会降低烟叶的产量和品质[2]。优质烤烟生产中烟株旺长期至现蕾期土壤应有足够的氮素供应，但在烤烟成熟收获期土壤氮素应基本耗尽[5-6]。研究发现，烤烟生长后期土壤氮素供应过多是导致我国烤烟上部叶普遍偏厚、烟碱含量较高和工业可用性较差的主要原因之一[7-8]。施用氮肥是烤烟大田生产的重要环节，适宜的施氮量是保证烟叶产量和品质的前提[9-10]，其中有效调控烤烟生长后期植烟土壤供氮水平是提高烟叶质量的关键[11-12]。

微生物同化作用对土壤有效氮含量的调节至关重要[13-14]，其受土壤中有效碳含量的调控，增加土壤中有效碳含量可促进微生物同化作用[15]，添加低C/N 有机物料后土壤表现为氮素的净矿化，而添加高C/N有机物料后土壤则表现为微生物对氮素的净固持[16-17]。前期研究发现，添加葡萄糖可显著降低土壤中矿质氮含量[18]。室内培养试验发现，添加有机碳源可显著降低土壤矿质氮含量，揭示在烤烟生长后期施加有机碳源可作为一种调控植烟土壤氮素供应的措施[19]。盆栽条件下，在烤烟生长后期施加外源有机碳可有效降低植烟土壤供氮水平，显著降低烟叶烟碱含量[20]。但从烤烟生产实践角度出发，在田间条件下于烤烟生长后期添加外源碳对土壤氮素水平的调控作用及烤烟质量的影响尚不明确。鉴于此，开展田间试验，初步验证在烤烟生长后期通过添加外源碳提高烟叶质量的可行性，并在田间条件下，通过对土壤供氮能力和烟叶质量进行多角度分析，明确烤烟生长后期“以碳控氮”提高烟叶质量的可行性，为优质烤烟生产提供科学指导。

1 材料和方法

1.1 供试材料

试验在山东省诸城市洛庄烟草试验站科技示范园（36°1′17.22″N、119°6′45.46″E）进行，该试验地处鲁东丘陵区，属温带季风气候，年均日照时数2 578 h，年平均气温12.3 ℃，年降雨量773 mm，无霜期232 d。供试土壤为褐土，理化性状为全氮含量1.47 g/kg、有机碳含量20.67 g/kg、C/N 14.06、pH 值7.18、可溶性总氮含量24.84 mg/kg、-N 含量1.4 mg/kg、-N 含量20.27 mg/kg、可溶性有机氮含量3.17 mg/kg。供试烤烟品种为NC55，由中国农业科学院烟草研究所提供。

供试肥料：烟草专用复合肥（10-10-20）、农用硫酸钾（K2O 50%）、硝酸钾（13.5-0-44）和发酵饼肥（1-0.2-0.4）。供试碳源为葡萄糖（C 含量为36.36%），购自西王药业有限公司，食用级，产品类型为一水葡萄糖。

1.2 试验设计

试验共设3 个葡萄糖添加量处理：不添加葡萄糖（CK）、添加葡萄糖11.25 t/hm2（T1）和添加葡萄糖22.5 t/hm2（T2）。每个处理3次重复，随机区组排列，共9 个小区，每个小区面积为12 m2，烤烟移栽行距1.2 m、株距0.5 m。葡萄糖于烟苗移栽后90 d 添加，将葡萄糖配成溶液后，沿烟株茎底部浇灌于植烟土壤中，每株烤烟葡萄糖添加量为单位面积葡萄糖总施加量与单位面积植烟株数的比值；CK浇灌葡萄糖溶液配制所需的等体积水。施氮量为75 kg/hm2，磷肥和钾肥用量按照m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=1∶1∶3的比例施加，氮、磷、钾肥在起垄时一次性作基肥施入。2020年4月28日移栽，待田间50%以上烟株中心花开放时进行打顶，留叶数为22 片，其他田间管理按照当地烤烟生产技术规程进行。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤样品采集与土壤氮水平测定 分别在添加碳源后3、14、28、33、40、60 d，利用土钻采集烟垄中心位置0～20 cm 深土壤样品（采集点距烟株20 cm），挑除杂物，过2 mm 筛后保存于4 ℃冰箱（14 d 内完成样品测定）。采用2 mol/L KCl 溶液浸提土壤（液土比为5∶1），浸提液过滤后用SEAL AA3连续流动分析仪测定-N 和-N 含量，矿质氮含量为-N和-N含量之和。

1.3.2 烤烟采收、烘烤与烟叶质量测定 中部（CM）和上部（BM）烟叶成熟后分别进行采收，其采收成熟标准分别为8～9 成黄和9～10 成黄。每个小区的中部叶和上部叶各编烟1 竿，置于标准燃煤密集烤房中层按照“8 点式”精准式烘烤工艺进行烘烤[21]。

烤后烟叶外观质量评价按照GB 2635—92《烤烟》分级技术标准进行，主要评价项目包括烟叶颜色、成熟度、组织结构、身份、油分和色度等，按照文献[22]中的赋值标准对烤后烟叶外观质量进行打分。

选择烤后中部烟叶和上部烟叶各10～12 片，烘干后粉碎成末过0.42 mm 筛，采用Aataris Ⅱ近红外光谱仪（Thermo Fisher 公司）测定主要化学成分（总氮、烟碱、淀粉、钾、氯、总糖和还原糖）含量，并计算糖碱比（还原糖/烟碱）和钾氯比（钾/氯）。

烟叶化学成分可用性指数参照文献[23]的方法进行计算。

烤后烟叶经济性状：按照国家烟叶分级标准（GB 2635—92《烤烟》）对烟叶进行分级，计算烤后烟叶的等级结构（上中等烟比例为上等烟比例和中等烟比例之和），并按当年烟区烤烟收购价格计算均价（均价为各部位烟叶不同等级价格的加权平均值）。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2019 和SPSS 24.0 软件对数据进行处理和统计分析，采用单因素方差分析和LSD法进行差异显著性检验（P＜0.05），使用Excel 2019 进行绘图。

2 结果与分析

2.1 添加碳源对植烟土壤氮水平的影响

由图1 可以看出，3 个处理土壤硝态氮含量随时间推移均呈不断降低的趋势。与CK 相比，T1 和T2 处理土壤硝态氮含量远小于CK。CK 土壤铵态氮含量呈先增大后减小的趋势，而T1 和T2 处理则呈先增大后降低再增大的趋势；与CK 相比，T1处理土壤铵态氮含量在添加碳源后60 d 显著增加641.3%，T2 处理土壤铵态氮含量在添加碳源后3～60 d均显著增加，增幅为58.2%～620.5%。

由图1 可以看出，CK 土壤矿质氮含量为52.64～92.36 mg/kg，T1、T2 处理土壤矿质氮含量分别为13.03～61.25、15.93～23.42 mg/kg，添加碳源显著降低了植烟土壤中矿质氮含量。与CK 相比，土壤矿质氮含量的降幅随碳源添加量的增多而增大，在添加碳源后14 d，T1和T2处理土壤矿质氮含量降幅分别为18.0%和65.1%；但随时间的推移，T1 和T2 处理土壤矿质氮含量降幅差异趋于变小，在添加碳源后33 d分别为71.1%和69.4%。CK土壤矿质氮含量随时间的推移呈不断减小的趋势，而T1 和T2 处理则呈先减小（添加碳源后40 d 达到最小值）后增大的趋势，添加碳源后60 d T1 和T2 处理土壤矿质氮含量较添加碳源后40 d分别增加166.8%和76.3%。

图1 添加碳源后植烟土壤中的氮素水平Fig.1 Nitrogen levels in tobacco-growing soils after carbon source addition

2.2 添加碳源对烤后烟叶外观质量的影响

由图2 可以看出，烤烟生长后期施加外源碳使中部叶和上部叶的外观质量得分分别显著提高20.9%～22.5%和21.4%。在中部和上部烟叶的油分、身份和组织结构方面，T1 和T2 处理均好于CK；但在成熟度、颜色和色度方面，各处理间差异不大。其中，与CK 相比，T1、T2 处理中部叶组织结构和身份得分均提高28.6%（P＜0.05），油分得分分别提高了60.0%、70.0%（P＜0.05）；T1、T2 处理上部叶组织结构和身份得分均提高33.3%（P＜0.05），油分得分分别提高了40.0%、50.0%（P＜0.05）。

图2 不同处理中部（A）和上部（B）烤后烟叶的外观评价Fig.2 Appearance evaluation of middle（A）and upper（B）flue-cured tobacco leaves under different treatments

2.3 添加碳源对烤后烟叶经济性状的影响

由图3 可以看出，T1、T2 处理中部叶的上中等烟比例较CK分别显著提高11.1%、19.6%，上部叶的上中等烟比例较CK分别显著提高了4.40%、7.50%，且上部叶的上等烟比例较CK 分别显著提高37.0%、35.8%。与CK 相比，T1、T2 处理均显著提高了中部烟叶和上部烟叶的橘色烟比例，且显著降低了中部和上部烟叶的杂色烟比例，降幅分别为31.9%～56.5%和19.4%～33.1%。T1、T2处理较CK显著降低了中部和上部烟叶的下等烟比例。

图3 不同处理中部（A）和上部（B）烤后烟叶的等级结构Fig.3 Grade structures of middle（A）and upper（B）flue-cured tobacco leaves under different treatments

由图4 可以看出，与CK 相比，T1、T2 处理总体上显著增加了中部烟叶和上部烟叶的均价。T1、T2处理中部烟叶均价较CK 分别提高1.8、2.8 元/kg，上部烟叶均价较CK分别显著提高1.2、1.4元/kg。

2.4 添加碳源对烤后烟叶主要化学成分含量及协调性的影响

由表1可以看出，与CK相比，T1和T2处理显著降低了中部烟叶的烟碱、总氮和淀粉含量，显著提高中部烟叶钾含量、糖碱比和钾氯比。其中，与CK相比，T1、T2 处理中部烟叶烟碱含量分别降低17.1%、19.5%，淀粉含量分别降低63.7%、67.6%，总氮含量分别降低16.4%、16.9%，钾含量分别提高65.2%、53.0%，糖碱比分别增加24.6%、28.7%，钾氯比分别增加106.9%、66.3%。

表1 烤后烟叶主要化学成分含量及协调性Tab.1 Contents and coordination of main chemical components of flue-cured tobacco leaves

由表1 可以看出，与CK 相比，T1、T2 处理显著降低了上部烟叶的烟碱含量，显著提高了上部烟叶的还原糖、氯含量以及糖碱比。其中，T1、T2处理的上部烟叶烟碱含量分别降低21.6%、25.4%，还原糖含量分别增加32.8%、26.2%，糖碱比分别增加70.6%、83.7%。

2.5 添加碳源对烤后烟叶化学成分可用性的影响

由图5 可以看出，与CK 相比，T1、T2 处理烤后中部烟叶的化学成分可用性指数分别显著提高6.5%、4.7%，上部烟叶化学成分可用性指数分别显著提高29.0%、28.1%。相比中部烟叶，烤后上部烟叶化学成分可用性指数的提升幅度更大。

图5 不同处理中部（A）和上部（B）烤后烟叶的化学成分可用性指数Fig.5 Availability indexes of chemical compositions of middle（A）and upper（B）flue-cured tobacco leaves under different treatments

3 结论与讨论

在优质烤烟生产中，烟株旺长期至现蕾期土壤应有足够的氮素供应，而烤烟成熟采收期土壤氮素应基本耗尽[5-6]。烤烟生长后期土壤氮素供应较多将引起鲜烟叶贪青晚熟，不但增加其烘烤难度，还将导致烟叶化学成分协调性较差。研究发现，微生物同化作用在调节土壤有效氮含量方面起关键作用[13]。增加土壤有效碳含量，将刺激微生物利用无机氮进行同化作用，将无机氮转化为微生物量氮，暂时储存于微生物体内[15，18]。在前期研究中，通过室内培养试验已证明向土壤中添加有机碳源可显著降低土壤矿质氮含量，表明在烤烟生长后期施加有机碳源可作为调控植烟土壤氮素供应的一种措施[19]；并通过盆栽试验明确了在烤烟生长后期施加外源有机碳可有效降低植烟土壤供氮水平，且能显著降低烟叶烟碱含量[20]。本研究在田间条件下于烤烟生长后期向植烟土壤中添加碳源，结果发现，与CK 相比，添加碳源显著降低土壤矿质氮含量；添加碳源后3～40 d，T1、T2 处理和CK 土壤矿质氮含量分别为13.03～61.25、15.93～23.42 mg/kg 和52.64～92.36 mg/kg。

烟碱含量是评价烤烟烟叶质量的关键指标之一。如何降低烤烟上部叶烟碱含量一直是我国烟草行业最关注的一个重要课题。烟碱主要在烟株根部合成，通过木质部运输到地上部，并在烟叶中累积[24]。根部合成烟碱的量与土壤中的氮素水平密切相关[25]。这是因为氮素作为烟碱的重要组成成分（烟碱含氮17.3%），是影响烟碱合成与累积的最重要的营养元素[26]。研究表明，在同等氮肥水平下，烟株对氮素的吸收提高，将导致烟叶中总氮和烟碱的过多积累[27]。烟碱在烟株体内大量累积的转折点是打顶[28]，即烟碱开始进行大量合成发生在烟株打顶之后。有研究证明，在烟草生长后期控制土壤氮素供应可降低烟叶烟碱含量[29]。本研究中得出了同样的结果，添加外源碳处理均显著降低了中、上部叶的烟碱含量。与CK相比，T1、T2处理中部叶和上部叶烟碱含量分别降低了17.1%～19.5%和21.6%～25.4%，符合优质烤后烟叶对于烟碱含量的要求。综上，可以认为烤烟生长后期添加外源碳降低土壤供氮水平，进而可降低烤烟烟叶烟碱含量。另外，本研究还发现，添加外源碳提高了烤后烟叶的外观质量、化学成分可用性指数和上等烟比例。这也证实了前人的观点，即有效调控烤烟生长后期土壤氮素水平将是提高烟叶质量的关键[11-12]。本研究中，与CK 相比，添加外源碳处理均显著降低了烤后中部烟叶和上部烟叶的烟碱含量，且显著增加了烤后中部烟叶的钾含量、糖碱比和钾氯比，显著增加了上部烟叶还原糖含量、氯含量和糖碱比，但对上部烟叶钾氯比没有显著影响。另外，依据烟叶化学成分可用性指数可判定烟叶主要化学成分的综合表现[23]。烟叶化学成分可用性指数越大，说明烟叶化学成分的综合表现越好[30]。在本研究中，添加外源碳显著提高了烤后中、上部烟叶的化学成分可用性指数。烤后中部烟叶和上部烟叶的化学成分可用性指数较CK分别提高4.7%～6.5%和28.1%～29.0%。相较于中部烟叶，添加外源碳提高上部烟叶化学成分可用性指数的幅度更大。

本研究通过大田试验证实了烤烟生长后期添加外源碳可显著降低植烟土壤的矿质氮水平。相较于CK，添加外源碳处理土壤矿质氮供应水平更契合优质烤烟的需氮规律，进而提高烤后烟叶质量，表现在烟碱含量降低，外观质量、化学成分可用性指数、中上等烟比例和均价提高。因此，认为在烤烟生长后期通过向植烟土壤施加外源碳调控植烟土壤氮素水平是提高烤烟质量的一项有效措施。