有机肥对渭北旱塬烟区烤烟产质量的影响

张世杰，杨波，王宾刚，刘云，张喜峰，王文丽，王泽理，李山

（1陕西省烟草公司宝鸡市公司，陕西宝鸡 721004；2甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，兰州 730070；3甘肃烟草工业有限责任公司，兰州 730050）

0 引言

有机肥替代部分化肥是中国实现化肥零增长行动的重要措施之一[1]，应用该技术对培肥土壤，提高作物产量和化肥利用率具有显著效果[2-3]。有机肥还能够促进土壤非可转化态氮向铁锰氧化物结合态氮和有机硫化物结合态氮转化，调节作物根际与非根际土壤营养[4]。郑亚楠等[5]研究表明，增施有机肥可以显著增加烤烟中上部烟叶的致香成分和感官评吸质量，还可以提高植烟土壤肥力，促进烟草生长[6]。黄崇峻等[7]研究发现固态有机肥等氮量替代30%～50%无机肥对烤烟的产量无显著影响，但能提升烤烟上部烟叶香气量和综合感官，而陆亚春等[8]在江西红壤上研究发现，不同有机肥替代40%的化肥能提高烤烟总产量56.86%～177.4%和中上等烟的比例10.78%～29.87%。不同的生态环境和土壤营养条件下，有机替代量和效果表现各不相同。陕西渭北旱塬植烟区由于受水、热资源的限制，烟田大多为长期连作且单施化肥，出现土壤有机质下降、养分失调、土壤板结、土传病害加重等问题。而有机肥替代部分化肥是解决上述问题的一个关键措施[9]。本研究旨在通过田间试验，摸清不同有机肥替代化肥量对烤烟生长发育及产质量的影响，明确渭北旱塬烤烟生产中合理的有机替代量，以期为渭北旱塬植烟区土壤培肥及烟草绿色种植提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试烟草品种：‘秦烟99’。

供试化肥：市售的尿素（含氮46%）、磷二铵（含氮18%、五氧化二磷46%）、硫酸钾（含氧化钾51%）。

有机肥料：宝鸡大地农业科技有限公司生产的有机肥（有机质：45%，总氮1.0%，总磷1.2%，总钾2.4%）。

供试地膜：宽80 cm、厚0.01 cm 的市售黑—白—黑相间膜。

供试试验地土壤理化性质：供试土壤属于褐土，有机质15.67 g/kg、全氮1.10 g/kg、全磷0.81 g/kg、全钾24.05 g/kg、水解氮111.55 mg/kg、有效磷39.05 mg/kg、速效钾154.75 mg/kg、阳离子代换量11.23 cmol/kg、pH 6.57、EC 165.53 μS/cm、氯离子含量30.94 mg/kg。

1.2 试验区概况

本试验于2021年4—10月在陕西省宝鸡市陇县曹家湾镇三里营村陇县烟草公司示范园区中进行（34°53′39"N，106°41′14"E，海拔1113 m）。该区地处渭北黄土高原西部边缘，属暖温带大陆性季风气候，年平均气温10.7℃，≥0℃的平均积温4000℃，≥10℃的平均积温3400℃，年平均降雨量600.1 mm，无霜期200 d。年日照总时数2033.3 h。

1.3 试验设计

1.4 测定方法

1.4.1 烟草生长指标测定茎高、茎围、有效叶数、最大叶叶长、最大叶叶宽、最大叶干质量分别在烟草成熟期测定，茎高、茎围分别用米尺进行测定，每小区测定33株，节距=株高/叶片数，最大叶叶面积=0.6345×最大叶叶长×最大叶叶宽，最大叶干质量为烘烤回潮后称量的质量。

1.4.2 产量测定每小区取中间3行烟草，分次采收，分次烘烤，累计产量。

1.4.3 光合作用测定SPAD 值测定：成熟期用叶绿仪(SPAD-502Plus)对烟草的倒四叶进行SPAD值的测定，每小区测定33株，每片叶测定2次，取平均值计算。

光合参数测定：在烟草成熟期，使用LI-6400XT便携式光合仪在早上9:00—11:00 点之间对烟草的倒四叶进行光合特性的测定，每小区测定5株，每片叶测定2次，取平均值计算。

1.4.4 烟叶评吸质量评价每小区取1 kg C3F烟叶样品由甘肃工业烟草有限责任公司按照YC/T 138—1998中规定的方法进行感官评价和化学成分测定。烟叶中的总糖、还原糖、植物总碱、总氮和氯采用连续流动法测定，钾采用火焰光度法测定。

1.4.5 土壤养分测定pH采用酸度计法（水土比为2.5:1）；EC值采用电导法（水土比5:1）；土壤全氮：采用半微量凯氏法；全磷：NaOH熔融—钼锑抗比色法；全钾：NaOH熔融—火焰光度法；有机质：重铬酸钾氧化—油浴加热法；速效氮：碱解扩散法；有效磷：碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法；速效钾：醋酸铵浸提—火焰光度法；氯离子含量：硝酸银滴定法。

1.2 田间管理种植密度过大，据调查，田间密度超过9万株/hm2的地块，病株率最高可达40%;偏施氮肥的田块，通风透光不良，玉米组织柔嫩，也有利于病原菌侵染发病;收获后不及时清除病残体、施用未腐熟的农家肥等，多年连作田土壤积累了大量病菌，这是严重发病的关键条件，都会使田间菌源增多，发病严重。

1.5 数据处理

采用Excel 2010、SPSS 19.0 对试验数据进行统计分析、主成分分析和作图。

烤烟化学成分指标赋值方法：选取还原糖、烟碱、总氮、氯、钾、糖碱比、氮碱比、钾氯比8 项指标作为烤烟化学成分评价指标，各指标权重分别为：还原糖：0.14、烟碱：0.17、总氮：0.09、氯：0.07、钾：0.08、糖碱比：0.25、氮碱比：0.11、钾氯比：0.09，以公认的最适范围为100 分，高于或者低于该最适范围依次降低分值（表1），得到各指标的分值。

表1 烤烟化学成分指标赋值参考值

主成分分析法[22]计算公式如式(1)所示。

式中：λ表示对应主成分的贡献率；Fn表示单个主成分得分值。综合得分越高表明该处理下烤烟的产质量越高。

烤烟总生产成本为如下各项之和：

烟苗费：0.03 元/株×15915 株/hm2（按移栽密度的105%用量计算）=477.45 元/hm2；地膜费：75 kg/hm2×12 元/kg=900 元/hm2；机耕费：1500 元/hm2；农药费450元/hm2；人工费：15570元/hm2。合计：18897.45元/hm2。

烘烤费：2.4元/kg干烟叶，每个处理按各自的产量计算；

肥料费：尿素2.65 元/kg；磷酸二铵3.8 元/kg；硫酸钾4.3 元/kg；有机肥0.8 元/kg，每个处理按各自的用量计算。

2 结果与分析

2.1 有机肥对烤烟生长的影响

由表2 可见，不同的有机肥替代处理对烤烟的节距、最大叶的叶面积和最大叶干重有显著影响，而对烟草的茎高、茎围和有效叶片数无显著影响。有机肥替代10%～40%的化肥处理与常规施肥相比，烤烟的节距增大7.94%～14.29%；有机肥替代30%～40%的化肥处理与常规施肥相比烤烟的最大叶的叶面积和干重分别增加7.16%～13.75%和4.81%～10.70%，而有机肥替代10%～20%的化肥处理与常规施肥相比对烤烟的最大叶的叶面积和干重无显著影响。

表2 有机肥对烤烟生长的影响

2.2 有机肥对烤烟光合作用的影响

由图1可见，在烤烟成熟期，随着有机肥替代化肥量的增加烤烟倒四叶叶片中的叶绿素含量逐渐降低，常规施肥和有机肥替代10%的化肥处理烤烟倒四叶叶片中的叶绿素含量相同，有机肥替代20%～40%的化肥处理与常规施肥相比烟草倒四叶叶片中的叶绿素含量分别降低5.63%～6.83%。

图1 有机肥对烤烟叶片SPAD值的影响

在烤烟成熟期，不同施肥对烟草的光合作用有一定的影响。由图2见，有机肥替代10%、20%的化肥处理与常规施肥相比烤烟的净光合速率无显著差异，有机肥替代30%的化肥处理和有机肥替代40%的化肥处理与常规施肥相比烟草的净光合速率分别降低11.12%和11.42%，说明有机肥替代30%～40%的化肥处理烤烟上部叶片光合作用降低，叶片趋于成熟。

图2 有机肥对烤烟叶片净光合速率的影响

2.3 有机肥对烤烟产量与经济效益的影响

从图3a、b 可以看出，有机肥替代10%～40%的化肥处理与常规施肥相比，各处理之间烤烟总产量差异不显著，但有机肥替代20%～40%的化肥处理与常规施肥相比，中上等烟叶的占比率显著提升，19.94%～29.76%，而且随着有机肥量替代量的增加，中上等烟叶的占比率增加。

图3 有机肥对烤烟产量和中上等烟叶占比率的影响

通过经济效益核算（见表3），有机肥替代10%～40%的化肥处理与常规施肥相比烤烟的均价提高3.10%～9.05%，总成本提高0.53%～3.61%，有机肥替代20%～40%的化肥处理与常规施肥相比总产值和净产值分别提升4.70%～6.96%和8.12%～20.26%，有机肥替代20%～30%的化肥处理产投比和净产值均最高。

表3 有机肥对烤烟产量经济效益的影响

2.4 有机肥对烤烟品质的影响

由表4可见，有机肥替代10%～40%的化肥处理与常规施肥相比可显著降低烟叶中的还原糖，使烟叶中的还原糖含量更加趋近于最佳值；有机肥替代20%～40%的化肥处理可使烟叶中的总植物碱含量更加趋近于最佳值；除了有机肥替代10%的化肥处理与常规施肥相比可显著提高烟叶中的总氮含量外，其余各处理与常规施肥相比烟叶中的总氮含量差异不显著，各处理烟叶中的总氮含量均在最佳含量范围内；各处理烟叶中的氯离子含量均比较低，有机肥替代30%～40%的化肥处理与常规施肥相比可显著提高烟叶中的氯离子含量；有机肥替代20%～40%的化肥处理与常规施肥相比可显著提高烟叶中的钾离子含量；除了有机肥替代10%的化肥处理与常规施肥相比烟叶中的氮碱比降低外，其余各处理与常规施肥相比烟叶中的氮碱比差异不显著；各处理的糖碱比和钾氯比均在最佳范围内。

表4 有机肥对烤烟主要化学成分的影响

通过对烤烟叶片中的化学成分指标赋值，按其加权平均值计算得到每个处理的综合分值（表5），可以看出，有机肥替代10%～40%的化肥处理与常规施肥相比对烤烟叶片的综合评分均有一定程度的提高，有利于烟叶化学成分内在的协调性。

表5 有机肥对烤烟主要化学成分的综合评价

通过对每个处理的C3F 部位的烤烟进行感官鉴定，可以看出（表6）有机肥替代20%～40%的化肥处理与常规施肥相比烤烟的香气质、香气量、透发性、刺激性、杂气分值增加，满足感和浓度与对照持平，余味稍有下降或持平，有机肥替代40%的化肥处理与常规施肥相比烤烟的生津感增强，有机肥替代10%的化肥处理与常规施肥相比烤烟的透发性、满足感、浓度分值增加，香气质、香气量、生津感、杂气、刺激性、余味下降，综合得分有机肥替代20%～40%的化肥处理烤烟的感官质量好于常规施肥，其中有机肥替代40%的化肥处理烤烟的感官质量最好。

表6 有机肥对烤烟感官质量的影响

2.5 烤烟产质量指标之间的相关性分析

对烤烟的11 个产质量指标进行相关性分析（表7），结果表明，11个指标之间存在复杂的相关性，有效叶数与烤烟的产量显著正相关，最大叶叶面积和最大叶干叶重呈及显著正相关，茎围和节距、中上等烟叶占比率显著负相关。净产值与有效叶数、最大叶干叶重、产量、中上等烟占比率、化学成分综合评价值、感官质量综合评价值呈正相关，但相关性不显著。化学成分综合评价值与茎围呈负相关，与中上等烟占比率、净产值、感官质量综合评价值呈正相关，但相关性不显著。感官质量综合评价值与最大叶干叶重、中上等烟占比率、净产值呈正相关，但相关性不显著。

表7 烤烟的11个产质量指标间的相关性分析

2.6 有机肥对烤烟产质量的综合评价

选取烤烟的茎高、茎围、节距、有效叶数、最大叶叶面积、最大叶干叶重、产量、中上等烟占比率、净产值、化学成分综合评价值、感官质量综合评价值作为产质量指标因子进行主成分分析。将这11 个因子进行标准化后进行因子分析，基于主因子特征值大于1 的原则提取出3 个主因子，由表8 可见，3 个主因子的累积贡献率为91.524%，表明这3 个主因子能够解释11 个指标的绝大部分信息。第一主成分的方差贡献率为44.097%，代表指标依次为中上等烟占比率、感官质量综合评价值、净产值、最大叶干叶重、化学成分综合评价值、最大叶面积、茎围，第二主成分的方差贡献率为25.494%，代表指标为茎高和节距，第三主成分的方差贡献率为21.733%，代表指标依次为产量、有效叶数。从三维空间成分图（图4）更能够直观反映各主成分代表的因子。

图4 旋转空间中的成分图

表8 主成分荷载矩阵、初始特征值、贡献率及累计贡献率

综合得分的高低反映了不同处理下烤烟产质量的高低。由表9 可见，有机肥替代30%的化肥处理综合得分最高，其第一主成分分值和第二主成分分值相对最高，意味着该处理下烤烟的产量构成因子茎高、节距、最大叶面积、最大叶干叶重和中上等烟占比率较高，经济效益的代表因子净产值较大，烤烟化学成分协调性好，评吸感官质量优。其次是有机肥替代20%的化肥处理综合得分较高，其第三主成分分值和第一主成分分值较高，表明该处理下烤烟的产量和产量构成因子有效叶数、最大叶面积、最大叶干叶重和中上等烟占比率较高，烤烟化学成分协调性和评吸感官质量较好。再次是有机肥替代40%的化肥处理综合得分较高，其第一主成分分值较高，表明该处理下烤烟的产量构成因子最大叶面积、最大叶干叶重和中上等烟占比率较高，经济效益的代表因子净产值较大，烤烟化学成分协调性和评吸感官质量较好。常规施肥处理和有机肥替代10%的化肥处理综合得分最低。

表9 有机肥对烤烟产质量影响的综合评价

3 结论

有机肥替代10%～40%的化肥处理与常规施肥相比，可增加烤烟节距7.94%～14.29%，有机肥替代30%～40%的化肥处理与常规施肥相比可使烤烟的最大叶的叶面积和最大叶的干重分别增加7.16%～13.75%和4.81%～10.70%。有机肥替代20%～40%的化肥处理在烤烟圆顶期上部烟叶的光合作用下降，表明有机肥替代20%～40%的化肥能促进烤烟成熟。有机肥替代20%～40%的化肥处理与常规施肥相比总产值和净产值分别提升4.70%～6.96%和8.12%～20.26%，且烤烟的化学成分综合评价和感官质量均优于常规施肥。通过对烤烟产质量的综合评价，在陕西渭北旱塬宝鸡烟区，有机肥替代20%～40%的化肥，能促进烤烟生长，协调烤烟化学内在成分，提高烤烟经济效益，且以替代30%的化肥效果最佳，是一项有利于烤烟生产绿色发展的施肥技术。

4 讨论

有机肥与化肥配施丰富了烟田土壤中的大量和微量元素，有利于烤烟根系对养分的吸收，促进烟株生长[10]。使用有机肥能提高烟田土壤蔗糖酶活性、过氧化氢酶、磷酸酶活性，降低脲酶活性[11]。黄松青等[12]研究结果表明，有机无机肥配施更能促进烟株株高、茎围和叶面积的建成，提高烟叶干重0.7%～11.06%。本研究发现，有机肥替代20%～40%的化肥处理与常规施肥相比，可增加烤烟节距，增大烤烟的最大叶的叶面积和干重，提高中上等烟叶的占比率。

作物的叶绿素含量及光合作用强弱对于作物生长发育进程及产质量形成具有重大意义[13],叶绿素的主要作用是吸收、传递光能，并通过光敏化特性进行光化学反应[14]。SPAD 值与作物叶片组织中的叶绿素含量呈显著正相关，能间接反映作物叶片中绿素含量的高低[15]。当烤烟进入成熟期，叶片开始落黄，叶片中的叶绿素含量下降，光合作用也随之下降，本研究中烤烟进入成熟期，有机肥替代20%～40%的化肥处理叶片中的SPAD 值显著低于常规施肥，有机肥替代30%～40%的化肥处理烤烟净光合速率显著低于常规施肥，说明有机肥替代20%～40%的化肥有利于烤烟提早成熟。叶沁鑫等[16]研究结果亦证明有机肥与化肥配施，可促进烟株早期早发快长及后期成熟落黄。

烟叶质量和烟气特性是由烟叶内化学成分含量及其比例所决定的[17]。优质烟叶还原糖含量在16%～24%，总糖18%～26%，烟碱1.5%～3.5%，总氮1.5%～3.5%，氯0.3%～0.8%，钾含量在2%以上且越高越好，糖碱比以10 左右为好，氮碱比以1 左右为好，钾氯比以4～10 为宜[18-19]。施用有机肥可显著改善中部烟叶总糖含量，提高中部烟叶外观质量和感官质量，提升烟叶香韵和香气量[20]。本研究中有机肥替代20%～40%的化肥处理可显著降低烟叶中的还原糖含量，使烟叶中的还原糖含量和总植物碱含量更加趋近于最佳值，总体上提高烟叶感官质量，改善烟叶吃味，这与刘魁等[21]研究结果一致。有机肥替代30%～40%的化肥处理还可显著提高烟叶中的氯离子含量，这是由于有机肥中含有一定量的氯离子，烤烟虽然是“忌氯作物”，但氯离子是烤烟生长发育必不可少的营养元素，且和其他微量元素相比，是需量最多的一种[22]，当烤烟中的氯离子含量低于0.3%时，烟叶吸湿能力较差，易破碎[23]，但氯离子含量与烟叶的燃烧性负相关[24]。窦玉清[25]研究表明，适当提高烤烟中的氯离子含量和钾氯比，有助于提高烤烟的香气质。因此，在低氯含量土壤上（氯离子含量小于30 mg/kg），通过施入一定量的有机肥，有助于提高烟叶中氯离子含量，协调钾氯比，提升烟叶品质。

需要指出的是，并非有机肥替代化肥的量越高烤烟的产质量就越好，于建军等[26]的研究表明，有机肥替代化肥要根据土壤肥力来决定，肥力低时，替代量低，高肥力时，替代量高，当土壤有机质含量达到30 g/kg时，有机肥可以百分之百的替代化肥而保持高产。本研究中有机肥替代化肥的最大量是40%，在渭北旱塬植烟区，如果有机替代量超过40%，其对烤烟生长及品质的影响，则需要进一步深入探究。

主成分分析是一种通过降低数据维数来排除众多信息中相互重叠的信息，将原来个数较多且彼此相关的指标转化为新的个数较少且彼此独立或不相关的综合指标的一种多元统计分析方法[27]。利用主成分分析法可减少评价指标，简化整个评价过程[28]。本研究中通过主成分分析，将11个烤烟产质量指标转化为3个相互独立的综合指标，其特征值均＞1，累积贡献率达到91.52%，反映了烤烟产质量的绝大部分信息。以各主成分的相对方差贡献率为权重建立综合评价函数，通过综合评价，有机肥替代30%的化肥处理综合得分最高，其次为有机肥替代20%的化肥处理和有机肥替代40%的化肥处理。